王镜岩生物化学考研复习笔记(整理版)

第一章  蛋白质化学

教学目标：
1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组成。
2.掌握α-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名称、符号、结构、分类；掌握氨基酸的重要性质；熟悉肽和活性肽的概念。
3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点及其重要化学键。
4.了解蛋白质结构与功能间的关系。
5.熟悉蛋白质的重要性质和分类

导入：100年前，恩格斯指出“蛋白体是生命的存在形式”；今天人们如何认识蛋白质的概念和重要性？ 
1839年荷兰化学家马尔德（G.J.Mulder）研究了乳和蛋中的清蛋白,并按瑞典化学家Berzelius的提议把提取的物质命名为蛋白质（Protein，源自希腊语，意指 “第一重要的” ）。德国化学家费希尔(E.Fischer)研究了蛋白质的组成和结构，在1907年奠立蛋白质化学。英国的鲍林(L.Pauling)在1951年推引出蛋白质的螺旋；桑格(F.Sanger)在1953年测出胰岛素的一级结构。佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁(J.C.kendrew) 在1960年测定血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构。1965年，我国生化学者首先合成了具有生物活性的蛋白质——胰岛素（insulin）。 
蛋白质是由L-α-氨基酸通过肽键缩合而成的，具有较稳定的构象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰富的大分子。
单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质，而人体有10万种以上结构和功能各异的蛋白质，人体干重的45%是蛋白质。生命是物质运动的高级形式，是通过蛋白质的多种功能来实现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进行的，已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许多小分子物质和离子，它们的运输由蛋白质来完成。生物的运动、生物体的防御体系离不开蛋白质。蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构等方面都起着重要的作用。随着蛋白质工程和蛋白质组学的兴起和发展，人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻。

第一节   蛋白质的分子组成
一、蛋白质的元素组成
经元素分析，主要有 C（50%～55%）、H（6%～7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S（0%～4%）。有些蛋白质还含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此，可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。
    每克样品含氮克数×6.25×100=100g样品中蛋白质含量（g%）
二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸
蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下，最终水解为游离氨基酸（amino acid），即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种（称编码氨基酸），最先发现的是天门冬氨酸（1806年），最后鉴定的是苏氨酸（1938年）。
（一）氨基酸的结构通式
组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点：
1．氨基连接在α- C上，属于α-氨基酸（脯氨酸为α-亚氨基酸）。
2．R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。                    
    注意：构型是指分子中各原子的特定空间排布，其变化要求共价键的断裂和重新形成。旋光性是异构体的光学活性，是使偏振光平面向左或向右旋转的性质，（-）表示左旋，（+）表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。
（二）氨基酸的分类
1．按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。
2．按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。
    带有非极性R（烃基、甲硫基、吲哚环等，共9种）：甘（Gly）、丙（Ala）、缬（Val）、亮（Leu）、异亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp）
    带有不可解离的极性R（羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：丝（Ser）、苏（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys）
带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）、谷（Glu）、赖（Lys）、精（Arg）、组（His），前两个为酸性氨基酸，后三个是碱性氨基酸。
蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。
（三）氨基酸的重要理化性质
 1．一般物理性质
α-氨基酸为无色晶体，熔点一般在200 oC以上。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大（酪氨酸不溶于水）。一般溶解于稀酸或稀碱，但不能溶解于有机溶剂，通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出。
芳香族氨基酸（Tyr、Trp、Phe）有共轭双键，在近紫外区有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm，Phe在265 nm。由于大多数蛋白质含Tyr、Trp残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
2．两性解离和等电点（isoelectric point, pI）
    氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子的形式存在，既可作为酸（质子供体），又可作为碱（质子受体）起作用，是两性电解质，其解离度与溶液的pH有关。 
在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等，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。氨基酸的pI是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的。计算公式为：pI=1/2(pK1+ pK2)。
若1个氨基酸有3个可解离基团，写出它们电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的等电点（酸性氨基酸的等电点取两羧基的pK值的平均值，碱性氨基酸的等电点取两氨基的pK值的平均值）。
3．氨基酸的化学反应                                                                       
  氨基酸的化学反应是其基团的特征性反应。重要的有：
（1）茚三酮反应
    所有具有自由α-氨基的氨基酸与过量茚三酮共热形成蓝紫色化合物（脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质）。用分光光度法可定量测定微量的氨基酸。蓝紫色化合物的最大吸收峰在570nm波长处，黄色在440nm波长下测定。吸收峰值的大小与氨基酸释放的氨量成正比。
  （2）与2，4-二硝基氟苯（DNFB）的反应
    在弱碱性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易与DNFB作用生成稳定的黄色2，4-二硝基苯氨基酸（DNP-氨基酸），这一反应在蛋白质化学的研究史上起过重要作用，Sanger等人应用它测定胰岛素一级结构。
多肽顺序自动分析仪是根据相类似的原理设计的，即利用多肽链N端氨基酸的α-氨基与异硫氰酸苯酯PITC反应（Edman降解法）。
三、肽（peptide）
1．肽键与肽链
一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水形成的酰胺键称为肽键。由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。肽键及其两端的α-碳原子相连所形成的长链骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα…称为多肽主链，—CαCN—是重复单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链的方向性是从N末端指向C末端。
肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其序列从N端到C端命名。一般10肽以下属寡肽，10肽以上为多肽。
2．生物活性肽
（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）
是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含γ-肽键）。Cys的-SH是主要功能基团，GSH是一种抗氧化剂，是某些酶的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护巯基蛋白和酶的活性。在GSH过氧化物酶的作用下，GSH还原细胞内产生的H2O2，生成H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH还原酶催化下，又生成GSH。
  （2）多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑—垂体分泌的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）等。催产素和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩，有催产和使乳腺泌乳的作用；后者能使小动脉收缩，增高血压，也有减少排尿的作用。
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。随着脑科学的发展，会发现更多的生物活性肽。

第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质是生物大分子，结构比较复杂，人们用4个层次来描述，包括蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。一级结构描述的是蛋白质的线性（或一维）结构，即共价连接的氨基酸残基的序列，又称初级或化学结构。二级以上的结构称高级结构或构象（conformation）。
一、蛋白质的一级结构（primary structure）
1953年，英国科学家F. Sanger首先测定了胰岛素（insulin）的一级结构，有51个氨基酸残基，由一条A链和一条B链组成，分子中共有3个二硫键，其中两个在A、B链之间，另一个在A链内。
蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是Edman降解和重组DNA法。Edman降解是经典的化学方法，比较复杂。首先要纯化一定量的待测蛋白质，分别作分子量测定、氨基酸组成分析、N-末端分析、C-末端分析；要应用不同的化学试剂或特异的蛋白内切酶水解将蛋白质裂解成大小不同的肽段，测出它们的序列，对照不同水解制成的两套肽段，找出重叠片段，最后推断蛋白质的完整序列。重组DNA法是基于分子克隆的分子生物学方法，比较简单而高效，不必先纯化该种蛋白质，而是先要得到编码该种蛋白质的基因（DNA片段），测定DNA中核苷酸的序列，再按三个核苷酸编码一个氨基酸的原则推测蛋白质的完整序列。这两种方法可以相互印证和补充。
目前，国际互联网蛋白质数据库已有3千多种一级结构清楚。蛋白质一级结构是空间结构和特异生物学功能的基础。
二、蛋白质的二级结构（secondary structure）
蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列，是主链构象（不包括侧链R基团）。
构象是分子中原子的空间排列，但这些原子的排列取决于它们绕键的旋转，构象不同于构型，一个蛋白质的构象在不破坏共价键情况下是可以改变的。但是蛋白质中任一氨基酸残基的实际构象自由度是非常有限的，在生理条件下，每种蛋白质似乎是呈现出称为天然构象的单一稳定形状。
20世纪30年代末，L.Panling 和R.B.Corey应用X射线衍射分析测定了一些氨基酸和寡肽的晶体结构，获得了一组标准键长和键角，提出了肽单元（peptide unit）的概念, 还提出了两种主链原子的局部空间排列的分子模型（α-螺旋）和（β-折叠）。
1．肽单位
    肽键及其两端的α-C共6个原子处于同一平面上，组成了肽单位（所在的平面称肽键平面）。
肽键C—N键长为0.132nm，比相邻的单键（0.147nm）短，而较C=N双键（0.128nm）长，有部分双键的性质，不能自由旋转。肽键平面上各原子呈顺反异构关系，肽键平面上的O、H以及2个α-碳原子为反式构型（trans configuration）。
主链中的Cα—C和Cα—N单键可以旋转，其旋转角φ、ψ决定了两个相邻的肽键平面相对关系。由于肽键平面的相对旋转，使主链可以以非常多的构象出现。事实上，肽链在构象上受到很大限制，因为主链上有1/3不能自由旋转的肽键，另外主链上有很多侧链R的影响。蛋白质的主链骨架由许多肽键平面连接而成。
2.α-螺旋(α-helix) 
α-螺旋是肽键平面通过α-碳原子的相对旋转形成的一种紧密螺旋盘绕，是有周期的一种主链构象。其特点是：
① 螺旋每转一圈上升3.6个氨基酸残基，螺距约0.54nm（每个残基上升0.15nm，旋转100O）。
② 相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。典型α-螺旋一对氢键O与N之间共有13个原子（3.613），前后间隔3个残基。
③螺旋的走向绝大部分是右手螺旋，残基侧链伸向外侧。R基团的大小、荷电状态及形状均对α-螺旋的形成及稳定有影响。
3.β-折叠(β-pleated sheet) 
β-折叠是一种肽链相当伸展的周期性结构。
①    相邻肽键平面间折叠成110O角，呈锯齿状。
②    两个以上具β-折叠的肽链或同一肽链内不同肽段相互平行排列，形成β-折叠片层，其稳定因素是肽链间的氢键。
③    逆向平行的片层结构比顺向平行的稳定。
α-螺旋和β-折叠是蛋白质二级结构的主要形式。毛发中的α-角蛋白和蚕丝中的丝心蛋白是其典型，在许多球蛋白中也存在，但所占比例不一样。
胶原蛋白中存在的螺旋结构不同于一般的α-螺旋，是由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋分子。链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性。
4．β-转角（β-turn）
为了紧紧折叠成球蛋白的紧密形状，多肽链180O回折成发夹或β-转角。其处由4个连续的氨基酸残基构成，常有Gly和Pro存在，稳定β-转角的作用力是第一个氨基酸残基羰基氧（O）与第四个氨基酸残基的氨基氢（H）之间形成的氢键。β-转角常见于连接反平行β-折叠片的端头。
5．无规卷曲（random coil）
多肽链的主链呈现无确定规律的卷曲。典型球蛋白大约一半多肽链是这样的构象。
6．超二级结构和结构域
超二级结构和结构域是蛋白质二级至三级结构层次的一种过渡态构象。
超二级结构指蛋白质中两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一特殊的组合体，又称为模体（motif）。通常有αα，ββ，βαβ等，例如钙结合蛋白质中的螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。
结构域是球状蛋白质的折叠单位，是在超二级结构基础上进一步绕曲折叠有独特构象和部分生物学功能的结构。对于较小的蛋白质分子或亚基，结构域和三级结构是一个意思，即这些蛋白质是单结构域的；对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上的相对独立的结构域缔合成三级结构。
三、蛋白质的三级结构（tertiary structure）
指一条多肽链中所有原子的整体排布，包括主链和侧链。维系三级结构的作用力主要是次级键（疏水相互作用、静电力、氢键等）。在序列中相隔较远的氨基酸疏水侧链相互靠近，形成“洞穴”或“口袋”状结构，结合蛋白质的辅基往往镶嵌其内，形成功能活性部位，而亲水基团则在外，这也是球状蛋白质易溶于水的原因。1963年Kendrew等从鲸肌红蛋白的X射线衍射图谱测定它的三级结构（153个氨基酸残基和一个血红素辅基，相对分子质量为17800）。由A→H 8段α-螺旋盘绕折叠成球状，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部形成一个袋形空穴，血红素居于其中，富有极性及电荷的则在分子表面形成亲水的球状蛋白。
四、蛋白质的四级结构 (quaternary structure)
有些蛋白质的分子量很大，由2条或2条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互结合而成，称为蛋白质的四级结构。构成四级结构的每条多肽链称为亚基 (subunit)，亚基单独存在时一般没有生物学功能，构成四级结构的几个亚基可以相同或不同。如血红蛋白(hemoglobin,Hb) 是由两个α-亚基和两个β-亚基形成的四聚体（α2β2）。
五、蛋白质分子中的化学键
蛋白质的一级结构是由共价键形成的，如肽键和二硫键。而维持空间构象稳定的是非共价的次级键。如氢键、盐键、疏水键、范德华引力等。

第三节 蛋白质结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构与功能的关系
（一）一级结构是空间构象的基础   
20世纪60年代初，美国科学家C.Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验，提出了蛋白质一级结构决定空间结构的命题。
核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键。用尿素和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，肽链完全伸展，变性的酶失去催化活性；当用透析方法去除变性剂后，酶活性几乎完全恢复，理化性质也与天然的酶一样。
    概率计算表明，8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键，可随机组合成105种配对方式，而事实上只形成了天然酶的构象，这说明一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。
（二）种属差异
    大量实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似，不同种属的同源蛋白质有同源序列，反映其共同进化起源，通过比较可以揭示进化关系。
    例如哺乳动物的胰岛素，其一级结构仅个别氨基酸差异（A链5、6、10位，B链30位），它们对生物活性调节糖代谢的生理功能不起决定作用。
从各种生物的细胞色素C(cytochrome c ) 的一级结构分析，可以了解物种进化间的关系。进化中越接近的生物，它们的细胞色素c的一级结构越近似。
（三）分子病
分子病是指机体DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子异常和蛋白质生物合成的异常，进而导致机体某些功能和结构随之变异的遗传病。在1904年，发现镰刀状红细胞贫血病。大约化费了40多年才清楚患病原因，患者的血红蛋白（HbS）与正常人的（HbA）相比，仅β-链的第6位上，Val取代了正常的Glu。目前全世界已发现有异常血红蛋白400种以上。
二、蛋白质空间结构与功能的关系  
蛋白质的空间结构是其生物活性的基础，空间结构变化，其功能也随之改变。肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）是典型的例子。
肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）都能与氧进行可逆的结合，氧结合在血红素辅基上。然而Hb是四聚体分子，可以转运氧；Mb是单体，可以储存氧，并且可以使氧在肌肉内很容易地扩散。它们的氧合曲线不同，Mb为一条双曲线，Hb是一条 S型曲线。在低p(O2)下，肌红蛋白比血红蛋白对氧亲和性高很多，p(O2)为2.8torr(1torr≈133.3Pa)时，肌红蛋白处于半饱和状态。在高p(O2)下，如在肺部（大约100torr）时，两者几乎都被饱和。其差异形成一个有效的将氧从肺转运到肌肉的氧转运系统。
Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象（紧张态，T型），与氧的亲和力小。只要有一个亚基与氧结合，就能使4个亚基间的盐键断裂，变成松弛的构象（松弛态，R型）。T型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合是正协同效应，其理论解释是Hb是别构蛋白，有别构效应。

第四节  蛋白质的理化性质
蛋白质的理化性质和氨基酸相似，有两性解离及等电点、紫外吸收和呈色反应。作为生物大分子，还有胶体性质、沉淀、变性和凝固等特点。要了解和分析蛋白质结构和功能的关系就要利用其特殊的理化性质，采取盐析、透析、电泳、层析及离心等不损伤蛋白质空间构象的物理方法分离纯化蛋白质。
一、蛋白质的高分子性质
蛋白质的相对分子质量在1万~100万，其颗粒平均直径约为4.3 nm（胶粒范围是1~100nm）。准确可靠的测定方法是超离心法，蛋白质的相对分子质量可用沉降系数（S）表示。
在球状蛋白质三级结构形成时，亲水基团位于分子表面，在水溶液中与水起水合作用，因此，蛋白质的水溶液具有亲水胶体的性质。颗粒表面的水化膜和电荷是其稳定的因素，调节pH至pI、加入脱水剂等，蛋白质即可从溶液中沉淀出来。
透析法是利用蛋白质不能透过半透膜的性质，去掉小分子物质，达到纯化的目的。
大小不同的蛋白质分子可以通过凝胶过滤分开。又称分子筛层析。
二、蛋白质的两性解离
蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在溶液中的荷电状态受pH值影响。当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。pH＞pI时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。在人体体液中多数蛋白质的等电点接近pH5，所以在生理pH7.4环境下，多数蛋白质解离成阴离子。少量蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白的pI偏于碱性，称碱性蛋白质，而胃蛋白酶和丝蛋白为酸性蛋白。
三、蛋白质的变性、沉淀和凝固
蛋白质在某些理化因素的作用下，空间结构被破坏，导致理化性质改变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性（denaturation）。
蛋白质变性的本质是多肽链从卷曲到伸展的过程，不涉及一级结构的改变（如加热破坏氢键，酸碱破坏盐键等）。变性作用不过于剧烈，是一种可逆反应，去除变性因素，有些蛋白质原有的构象和功能可恢复或部分恢复，称为复性（denaturation）。
蛋白质变性的主要表现是失去生物学活性，如酶失去催化能力、血红蛋白失去运输氧的功能、胰岛素失去调节血糖的生理功能等。变性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析出；易被蛋白水解酶消化。蛋白质变性具有重要的实际意义。
蛋白质自溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂都可沉淀蛋白质。盐析沉淀蛋白质不变性，是分离制备蛋白质的常用方法。如血浆中的清蛋白在饱和的硫酸铵溶液中可沉淀，而球蛋白则在半饱和硫酸铵溶液中发生沉淀。乙醇、丙酮均为脱水剂，可破坏水化膜，降低水的介电常数，使蛋白质的解离程度降低，表面电荷减少，从而使蛋白质沉淀析出。低温时，用丙酮沉淀蛋白质，可保留原有的生物学活性。但用乙醇，时间较长则会导致变性。重金属盐（Hg2+、Cu2+、Ag+），生物碱（如三彔乙酸、苦味酸、鞣酸）与蛋白质结合成盐而沉淀，是不可逆的。
蛋白质变性不一定沉淀（如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中，将pH调至等电点，出现絮状物，仍可溶解于强酸、强碱溶液，加热则变成凝块，不再溶解）。凝固是蛋白质变性发展的不可逆的结果。沉淀的蛋白质不一定变性（如盐析）。
四、蛋白质的紫外吸收和呈色反应
蛋白质含芳香族氨基酸，在280nm波长处有特征性吸收峰，用于定量测定。
蛋白质分子中的多种化学基团具有特定的化学性能，与某些试剂产生颜色反应，可用于定性、定量分析。如蛋白质分子中含有许多和双缩脲结构相似的肽键，在碱性溶液与硫酸铜反应产生红紫色络合物（双缩脲反应）。酪氨酸含酚基，与米伦试剂生成白色沉淀，加热后变红色。Folin-酚试剂与酪氨酸反应生成蓝色。色氨酸与乙醛酸反应，慢慢注入浓硫酸，出现紫色环。

第五节  蛋白质的分类
自然界蛋白质分布广泛，种类繁多，有1012~1013种。目前仍无法按蛋白质的化学结构进行精确的分类，一般按蛋白质的分子形状、分子组成、生物功能进行分类。
1．按分子形状分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。
2．按分子组成分为简单蛋白质和结合蛋白质。
简单蛋白质完全水解的产物仅为α-氨基酸。这类蛋白质按其溶解度等理化性质分为7类。包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、精蛋白、组蛋白和硬蛋白。
结合蛋白质由简单蛋白质和非蛋白质（辅基）组成。根据辅基的不同，这类蛋白质可分为5类。如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白和磷蛋白。
细胞核中的核蛋白是DNA与组蛋白结合而成，细胞质中的核糖体是RNA与蛋白质组成的，已知的病毒也是核蛋白。免疫球蛋白是一类糖蛋白，由蛋白质与糖以共价键相连而成；脂蛋白由蛋白质与脂类通过非共价键相连，存在生物膜和动物血浆中。
3．按蛋白质功能分为活性蛋白质和非活性蛋白质。
活性蛋白质包括有催化功能的酶、有调节功能的激素、有运动、防御、接受和传递信息的蛋白质以及毒蛋白、膜蛋白等。胶原、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等是非活性蛋白质。第二章 核酸的化学

教学目标：
1.掌握DNA和RNA在化学组分、分子结构和生物功能上的特点。
2.掌握DNA双螺旋结构模型和t-RNA二级结构的要点，了解核酸的三级结构。
3.熟悉核酸的性质（一般性质、DNA热变性、复性与分子杂交）。
4.掌握基因组的概念，原核生物和真核生物基因组的特点。了解DNA测序的原理。
导入：核酸是生物遗传的物质基础。它的发现和研究进展如何？
1868年瑞士青年医生Miescher从脓细胞核中分离出一种含磷量很高的酸性化合物，称为核素。其继任者Altman发展了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法，于1889年提出核酸（nucleic acid）这一名称。早期核酸研究因“四核苷酸假说”的错误进展缓慢。
1943年Chargaff等揭示了DNA的碱基配对规律，1944年美国Avery利用致病肺炎球菌中提取的DNA使另一种非致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变而成为致病菌，发现正是DNA携带遗传信息。Astbury、Franklin和Wilkins用X射线衍射法研究DNA分子结构，得到清晰衍射图。Watson 和Crick在此基础上于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了基因结构、信息和功能三者之间的关系，奠定了分子生物学基础。1958年Crick提出“中心法则”；60年代破译遗传密码，阐明3类RNA参与蛋白质生物合成的过程；70年代诞生了基因重组和DNA测序生物技术，90年代提出人类基因组计划，21世纪进入后基因组时代。核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。

第一节   核酸的化学组成
天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的核和细胞器以及病毒中；RNA分子参与遗传信息表达的一些过程，主要存在于细胞质。
一、核酸的基本组成单位
核酸是一种多聚核苷酸，用不同的降解法得到其组成单位——核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。
（一） 戊糖 
DNA含β-D-2-脱氧核糖，RNA含β-D-核糖。这是核酸分类的依据。核糖中的C记为1＇……5＇。
（二）碱基（base） 
核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。有5种基本的碱基外，还有一些含量甚少的稀有碱基。DNA和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。而嘧啶碱有所不同：RNA主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。
tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。
（三）核苷
是碱基和戊糖生成的糖苷。通过C1＇-  N9或C1＇- N1糖苷键连接，用单字符表示，脱氧核苷则在单字符前加d。常见的修饰核苷有：次黄苷或肌苷为I、黄嘌呤核苷X、二氢尿嘧啶核苷D、假尿苷Ψ等。注意符号的意义，如m5dC。
（四）核苷酸
是核苷的磷酸酯。生物体内游离存在的多是5＇-     核苷酸（如pA、pdG等）。常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。
核苷酸是两性电解质，有等电点。核苷酸有互变异构和紫外吸收。（含氧的碱基有酮式和烯醇式两种互变异构体，在生理pH条件下主要以酮式存在）
二、核苷酸的连接方式
RNA和DNA链都有方向性，从5＇→  3＇。前一位核苷酸的3＇- OH与下一位核苷酸的5＇位磷酸基之间形成3＇，5＇-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5＇末端和3＇末端。大分子的主链由相间排列的戊糖和磷酸构成，而碱基可看作主链上的侧链基团，主链上的磷酸基是酸性的，在细胞pH下带负电荷；而碱基有疏水性。
讨论：列表说明DNA和RNA在化学组成、分子结构和生物功能方面的主要特点。

第二节    DNA的分子结构
一、  DNA的一级结构 (primary stucture)
DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，常被简单认为是碱基序列（base sequence）。碱基序有严格的方向性和多样性。一般将5＇-  磷酸端作 为多核苷酸链的“头”，写在左侧，如pACUGA（  5＇→  3＇） 。           
在DNA一级结构中，有一种回文结构的特殊序列，所谓回文结构即DNA互补链上一段反向重复顺序，正读和反读意义相同，经反折可形成“十字形”结构，在转录成RNA后可形成“发夹”样结构，有调控意义。
→ GCTA GTTCA CTC TGAAC AATT →
← CGAT CAAGT GAG ACTTG TTAA ←
DNA分子很大，最小的病毒DNA约含5000b。1965年Holley用片段重叠法完成酵母tRNAala 76nt 序列测定；1977年Sanger利用双脱氧法（酶法）测定了φX174单链DNA5386b的全序列。1990年实施的人类基因组计划（HGP），用15年，投资30亿美元，完成人类单倍体基因组DNA3×109bp全序列的测定。该计划由美、英、日、法、德、中六国科学家合作，于2003年提前完成，生命科学进入后基因组时代，研究重点从测序转向对基因组功能的研究。
二、DNA的二级结构——双螺旋(double helix)  
    1953年，Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片（DNA有0.34nm和3.4nm两个周期性变化）以及Chargaff等人对DNA的碱基组成的分析（A=T，G=C，A+G=C+T），推测出DNA是由两条相互缠绕的链形成。Watson-Crick 双螺旋结构模型如下图：
1．两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5＇→  3＇，另一条为3＇→  5＇。（某些病毒的DNA是单链分子ssDNA）
2．碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。
3．螺距为3.4 nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34 nm。螺旋直径为2 nm。
氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。
4．碱基在一条链上的排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。
5．DNA构象有多态性。
Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片是相对湿度92%的DNA钠盐所得的衍射图，因此Watson-Crick 双螺旋结构称B-DNA。细胞内的DNA与它非常相似。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。
1979年Rich发现Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm）
三、DNA的三级结构
DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。
某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。 
1．环形DNA可形成超螺旋 
当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外的左手螺旋（正超螺旋），而欠旋形成额外的右手螺旋（负超螺旋）。
一段双螺旋圈数为10的B-DNA连接成环形时，不发生进一步扭曲，称松弛环形DNA（双螺旋的圈数=链绕数，即T=L，超螺旋数W=0；L=T+W），但将这一线形DNA的螺旋先拧松一圈再连接成环时，解链环形DNA存在的扭曲张力，可导致双链环向右手方向扭曲形成负超螺旋（T＝10，L=9，W = -1）。
在生物体内，绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋的形式存在，也就是说，一旦超螺旋解开，则会形成解链环形DNA，有利于DNA复制或转录。
    螺旋具有相同的结构，但L值不同的分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链，拓扑异构体可以相互转变。W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加，W的负表示减少。L和T的正负表示螺旋方向，右手为正，左手螺旋为负；L值必定是整数。
2．真核细胞染色体  
真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，其两端固定也形成超螺旋结构。DNA被紧密地包装成染色体来自三个水平的折叠：核小体、30nm纤丝和放射环。
核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串的“念珠”状。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。组蛋白有5种，H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。200 bpDNA的长度约为68nm，被压缩在10nm的核小体中。压缩比约为7。30nm纤丝是第二级压缩，每圈含6个核小体，压缩比是6。30nm螺旋管再缠绕成超螺旋圆筒，压缩比是40。再进一步形成染色单体，总压缩近一万倍。典型人体细胞的DNA理论长度应是180 cm，被包装在46个5μm的染色体中。
四、DNA和基因组
1．DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，即全部DNA或完整的单套遗传物质（配子中的整套基因）。
2．细菌、噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。最小病毒如SV40的基因组仅有5226b，含5个基因。大肠杆菌含4.6×106 bp，有3000~4000个基因，DNA完全伸展总长约1.3mm。
原核生物基因组的特点是：结构简炼，绝大部分为蛋白质编码（结构基因）；有转录单元，即功能相关的基因常串联一起，并转录在同一mRNA（多顺反子mRNA）中；有基因重叠现象，即同一段DNA携带两种不同蛋白质的信息。
3．真核生物基因一般分布在若干条染色体上，其特点是：有重复序列（按重复次数分单拷贝序、中度重复序和高度重复序）；有断裂基因（由不编码的内含子和编码的外显子组成）。酵母基因组有1.35×107bp，含6374个基因。人类基因组有3×109 bp，含4万个基因。

第三节 RNA的分子结构
RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。                               
RNA的C2＇位羟基是游离的，是一个易发生不良反应的位置，它使RNA的化学性质不如DNA稳定，能较DNA产生更多的修饰组分。RNA的种类、大小、结构都比DNA多样化，按照功能的不同和结构的特点，RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞质小RNA（scRNA）等，分别参与mRNA的前体（hnRNA）和rRNA的转运和加工过程。
一、转运RNA（transfer RNA，tRNA）
1．分子量最小的RNA，约占总RNA的15%。主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。
2．1965年Holley等测定了酵母丙氨酸tRNA的一级结构，并提出二级结构模型。一级结构特点：核苷酸残基数在73~95；含有较多的稀有碱基（如mG、DHU等）；5＇-末端多为pG，3＇-  末端都是-CCA。
3．tRNA的二级结构为“三叶草”形，包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。各部分的结构都和它的功能有关。5＇端1~7位与近3＇端67~72位形成的双螺旋区称氨基酸臂，似“叶柄”，3＇端有共同的-CCA-OH结构，用于连接该RNA转运的氨基酸。3个环是二氢尿嘧啶环（D环）、反密码子环、TΨC环。
4．1973~1975年S.H.Kim的X射线衍射分析表明，tRNA的三级结构呈倒L字母形，反密码环和氨基酸臂分别位于倒L的两端。
二、信使RNA（messenger RNA，m RNA）
1．细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。其功能是将核内DNA的碱基顺序（遗传信息）按碱基互补原则转录至核糖体，指导蛋白质的合成。
2．种类多，作为不同蛋白质合成的模板，其一级结构差异很大。真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：3＇-  末端有多聚A（polyA）尾，5＇-末端加有一个“帽”式结构,（m7 Gppp）。   
3．代谢活跃，寿命较短。
三、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）
1．约占细胞总RNA的80%。主要功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。
2．核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5S rRNA在大亚基，16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。
3. 各种rRNA的一级结构中的核苷酸残基数及其顺序都不相同，且有特定的二级结构。

第四节  核酸的性质
一、一般理化性质
1．DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末；都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。
2．具有大分子的一般特性。分子大小可用Da、b或bp、S、链长（μm）表示。一个bp相当的核苷酸平均分子量为660Da；1μm长的DNA双螺旋相当3000bp或2×106Da。
3．两性电解质。各种核酸的大小及所带的电荷不同，可用电泳和离子交换法分离。RNA在室温下易被稀碱水解，DNA较稳定，此特性用来测定RNA的碱基组成和纯化DNA。
4．紫外吸收，最大吸收峰在260nm处，核酸的变性或降解，吸光度A升高，称为增色效应。
二、核酸的变性和复性
1．变性的概念
在理化因素作用下，核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。变性的因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。变性的本质是次级键的变化。变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应），DNA粘度下降，生物学功能部分或全部丧失。
2．DNA的热变性和Tm
DNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（Tm）。DNA的热变性是爆发式的，像结晶的溶解一样，只在很狭窄的温度范围内完成，一般在70~800C之间。变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大；DNA越长，Tm越大；溶液离子强度增高，Tm增加。
3．DNA的复性与分子杂交   
变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火（annealing）。
影响复性速度的因素很多，如单链DNA的起始浓度、温度（最适复性温度是比Tm约低250C）、盐浓度、片断长度、序列复杂性等。
分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization）。
标记一个来源的核酸（放射性同位素或荧光标记），通过杂交可以检测与其有互补关系的DNA或RNA，这种标记的核酸称为基因探针（gene probe），也就是一段带有检测标记，且顺序已知，与目的基因互补的核酸序列。基因探针的“集成化” 就是基因芯片（gene chip）。是把已经测序的基因固定在硅片或玻璃片上制成的。在医疗诊断和科学研究中已被快速地运用。
三、核酸的序列测定
DNA序列是指携带遗传信息的DNA分子中的A、C、G、T的序列。分析方法主要有两种，一种是Maxam-Gilbert化学法，另一种是Sanger的双脱氧法。现在一般都采用后者，其基本原理是：
1．用凝胶电泳分离待测的DNA片段（用作模板）。
2．将模板、引物、4种dNTP、合适的聚合酶置于4个试管，每一试管按精确比例各加入一种ddNTP，用同位素或荧光物质标记。
3．利用ddNTP可特异地终止DNA链延长的特点，4个试管的聚合反应可以得到一系列大小不等、被标记的片段。
4．将4个反应管同时加到聚丙烯凝胶上电泳，标记片段按大小分离，放射自显影后可按谱型读出DNA序列。
在以上两种方法的基础上，通过与计算机技术和荧光技术的结合，发明了自动测序仪。目前，常用的测序策略是“鸟枪法”，形象地说是将较长的基因片段打断，构建一系列的随机亚克隆，然后测定每个亚克隆的序列，用计算机分析以发现重叠区域，最终对大片段的DNA定序。


第三章  酶

教学目标：
1．掌握酶的概念和作用特点，了解酶的分类与命名。
2．熟悉酶的分子组成、结构与功能（单纯酶和结合酶，酶的辅因子、维生素的类别与功能，酶的活性部位，酶原激活，同工酶、变构酶和抗体酶）。
3．熟悉酶的作用机制。
4．熟悉影响酶促反应的因素（酶浓度、底物浓度、温度、pH、激活剂与抑制剂；掌握酶促反应速度的表示、米氏方程和米氏常数的意义）。
5．了解酶的制备与应用。

第一节 概 论
导入：酶学知识来源于生产与生活实践。我们祖先很早就会制酱和酿酒。西方国家于1810年发现酵母可将糖转化为酒精；1833年，Payen及Persoz从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到一种热不稳定物，可使淀粉水解成可溶性糖；1878年德国科学家屈内（Kuhne）首先把这类物质称为酶（enzyme，其意“在酵母中” ）。1860年法国科学家巴斯德（Pasteur）认为发酵是酵母细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。1897年，Buchner兄弟首次用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，证明发酵是酶作用的化学本质，获得1911年诺贝尔化学奖。1926年，美国生化学家Sumner第一次从刀豆得到脲酶结晶，并证明是蛋白质。1930年，Northrop得到胃蛋白酶的结晶（1946年二人共获诺贝尔化学奖）。1963年测定第一个牛胰RNaseA序列（124aa）；1965年揭示卵清溶菌酶的三维结构（129aa）。
一、酶的概念
酶是由活细胞合成的，对其特异底物起高效催化作用的生物催化剂（biocatalyst）。已发现的有两类：主要的一类是蛋白质酶（enzyme），生物体内已发现4000多种，数百种酶得到结晶。美国科学家Cech于1981年在研究原生动物四膜虫的RNA前体加工成熟时发现核酶“ribozyme”，为数不多，主要做用于核酸（1989年的诺贝尔化学奖）。
二、酶的作用特点
酶所催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化的物质称为底物，反应的生成物称为产物。酶所具有的催化能力称为酶活性。
酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共性，如在反应前后酶的质和量不变；只催化热力学允许的化学反应，即自由能由高向低转变的化学反应；不改变反应的平衡点。但是，酶是生物大分子，又具有与一般催化剂不同的特点。
1．极高的催化效率 
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。例如，脲酶催化尿素的水解速度是H+催化作用的7×1012倍；碳酸酐酶每一酶分子每秒催化6×105 CO2与水结合成H2CO3，比非酶促反应快107倍。 
2．高度的特异性
酶对催化的底物有高度的选择性，即一种酶只作用一种或一类化合物，催化一定的化学反应，并生成一定的产物，这种特性称为酶的特异性或专一性。有结构专一性和立体异构专一性两种类型。
结构专一性又分绝对专一性和相对专一性。前者只催化一种底物，进行一种化学反应。如脲酶仅催化尿素水解。后者可作用一类化合物或一种化学键。如酯酶可水解各种有机酸和醇形成的酯。在动物消化道中几种蛋白酶专一性不同，胰蛋白酶只水解Arg或Lys羧基形成的肽键；胰凝乳蛋白酶水解芳香氨基酸及其它疏水氨基酸羧基形成的肽键。
立体异构专一性指酶对底物立体构型的要求。例如乳酸脱氢酶催化L-乳酸脱氢为丙酮酸，对D-乳酸无作用；L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，对D-氨基酸无作用。
3．酶活性的可调节性
酶促反应受多种因素的调控，通过改变酶的合成和降解速度可调节酶的含量；酶在胞液和亚细胞的隔离分布构成酶的区域化调节；代谢物浓度或产物浓度的变化可以抑制或激活酶的活性；激素和神经系统的信息，可通过对关键酶的变构调节和共价修饰来影响整个酶促反应速度。所以酶是催化剂又是代谢调节元件，酶水平的调节是代谢调控的基本方式。
4．酶的不稳定性
酶主要是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比较温和的条件（37℃、1atm、pH7）。
三、酶的分类与命名
（一）酶的分类
根据国际酶学委员会（International Enzyme Commission，IEC）的规定，按照酶促反应的性质，分为六大类：
1．氧化还原酶（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。
2．转移酶（transferases）催化底物之间某些基团的转移或交换。如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。
3．水解酶（hydrolases）催化底物发生水解反应。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。
4．裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基团（形成双键的反应或其逆反应）。如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合成酶等。
5．异构酶(isomerases) 催化各种同分异构体之间相互转化。如磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。
6．合成酶(ligases) 催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有ATP的分解释能。如谷氨酰胺合成酶、氨基酸-RNA连接酶等。
（二）酶的命名
1961年，国际酶学委员会(IEC)主要根据酶催化反应的类型,把酶分为6大类，制定了系统命名法。规定每一酶只有一个系统名称，它标明酶的所有底物与催化反应性质，底物名称之间以“：”分隔，同时还有一个由4个数字组成的系统编号。如谷丙转氨酶的系统名称是丙氨酸：α- 酮戊二酸氨基转移酶（酶表中的统一编号是EC2.6.1.2）。乳酸脱氢酶的编号是EC1.1.1.27。

第二节 酶的分子组成、结构和功能
一、酶的分子组成
（一）单纯酶和结合酶
单纯酶是仅由肽链构成的酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。
结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白(apoenzyme)，决定酶的特异性和高效率；后者称为辅助因子(cofactor)，决定反应的种类和性质。两者结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme），这两部分对于催化活性都是必需的。
酶蛋白有单条肽链和多个亚基组成的。前者称为单体酶，为数不多，均为水解酶，如胰蛋白酶、核糖核酸酶、溶菌酶等；多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶称为寡聚酶，如磷酸化酶a，3-磷酸甘油醛脱氢酶等。
细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此嵌合形成的多酶复合体，即多酶体系，它利于一系列反应的连续进行，如丙酮酸脱氢酶体系、脂肪酸合成酶复合体。在多酶体系中，能影响整条代谢途径方向和速度的酶称为关键酶，关键酶通常催化单向不平衡反应，或者是该多酶体系中催化活性最低的限速酶。
（二）酶的辅因子
酶的辅助因子指金属离子或小分子有机化合物（又称辅酶与辅基）。
1.金属离子 
 约2/3的酶含有金属离子，常见的是K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。金属离子的作用是多方面的：参与酶的活性中心；在酶蛋白与底物之间起桥梁作用；维持酶分子发挥催化作用所必需的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力。
2.辅酶与辅基
辅酶与辅基是一些化学稳定的小分子有机物，是维生素样的物质，参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。
辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析或超滤方法除去；辅基则与酶蛋白结合紧密，不能用上述方法除去。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合成一种特异的酶，但一种辅助因子可以与不同的酶蛋白结合构成多种特异性酶，以催化各种化学反应。
维生素（Vitamin）是维持机体正常生命活动所必需的一类小分子有机物，基本不能在体内合成，即使有几种能自行合成，也因合成量不足而必须从食物中摄取。维生素的需要量及缺乏症是营养学的课题。
维生素原意是“生命中必不可少的胺”，波兰学者凡克把从米糠中提取出治疗脚气病有效的成分命名为维生素，现已发现13种，按溶解性分为水溶性和脂溶性两大类。脂溶性维生素以独立发挥作用为主，A、D、E、K具有一些特殊的生理功能。以下8种水溶性的维生素都以辅酶的形式参与结合酶的组成。也有些本身就是辅酶，如硫辛酸、抗坏血酸。
含维生素的辅酶及其主要功能

维生素
 辅酶形式
 反应类型
 
硫胺素（B1）
 焦磷酸硫胺素（TPP）
 α-酮酸氧化脱羧反应
 
核黄素（B2）
 黄素单核苷酸（FMN）

黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）
 氧化还原反应
 
烟酸或烟酰胺（PP）
 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）
 氧化还原反应
 
泛酸
 辅酶A（CoA-SH）
 酰基转移反应
 
吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺（B6）
 磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺
 转氨基作用、脱羧作用
 
生物素
 生物胞素
 CO2的固定
 
叶酸
 四氢叶酸
 一碳单位转移
 
钴胺素（B12）
 5＇-    脱氧腺苷钴胺素

甲钴胺素
 1，2  --氢原子转移

甲基转移
 
二、酶的活性部位
酶的活性部位（active site）是它结合底物和将底物转化为产物的区域，又称活性中心。它是由在线性多肽链中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维小区（为裂缝或为凹陷）。酶活性部位的基团属必需基团，有二种：一是结合基团，其作用是与底物结合，生成酶-底物复合物；二是催化基团，其作用是影响底物分子中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并促进底物转变成产物，也有的必需基团同时有这两种功能。还有一些化学基团位于酶的活性中心以外的部位，为维持酶活性中心的构象所必需，称为酶活性中心以外的必需基团。
构成酶活性中心的常见基团有组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基等。如丝氨酸蛋白酶家族的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶，都催化蛋白质的肽键使之水解，但底物的专一性由它们的底物-结合部位中氨基酸基团的性质所决定，与其作用的底物互补。像胰蛋白酶，在它的底物-结合部位有带负电荷的Asp残基，可与底物侧链上带正电荷的Lys和Arg相互作用，切断其羧基侧；胰凝乳蛋白酶在它的底物-结合部位有带小侧链的氨基酸残基，如Gly和Ser，使底物庞大的芳香的和疏水氨基酸残基得以进入，切断其羧基側；弹性蛋白酶有相对大的Val和Thr不带电荷的氨基酸側链，凸出在它的底物-结合部位，阻止了除Ala和Gly小側链以外的所有其他氨基酸。
三、酶原激活
没有活性的酶的前体称为“酶原”，酶原转变成酶的过程称为酶原激活。其实质是酶活性部位形成或暴露的过程。一些与消化作用有关的酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成和分泌时，没有催化活性。胃蛋白酶原在H+作用下，自N端切下几个多肽碎片，形成酶催化所需的空间结构，转化为胃蛋白酶。胰蛋白酶原随胰液进入小肠时被肠激酶激活，自N端切除一个6肽，促使酶的构象变化，形成活性中心，转变成有活性的胰蛋白酶。
酶原的生物合成和酶原激活一般不在同一组织、细胞或细胞器中进行。酶原的激活具有重要的生理意义，不仅保护细胞本身不受酶的水解破坏，而且保证酶在特定的部位与环境中发挥催化作用。
四、同工酶、变构酶、抗体酶
（一）同工酶（isozymes）
具有不同的分子形式但却催化相同的化学反应的一组酶称为同工酶。1959年发现的第一个同工酶是乳酸脱氢酶（LDH），它在NADH存在下，催化丙酮酸的可逆转化生成乳酸。它是一个寡聚酶，由两种不同类型的亚基组成5种分子形式：H4、H3M、H2M2、HM3、M4，它们的分子结构、理化性质和电泳行为不同，但催化同一反应，因为它们的活性部位在结构上相同或非常相似。M亚基主要存在骨骼肌和肝脏，而H亚基主要在心肌。心肌梗死的情况可通过血液LDH同工酶的类型的检测确定。
（二）变构酶(allosteric enzyme)
变构酶又称别构酶，是一类调节代谢反应的酶。一般是寡聚酶，酶分子有与底物结合的活性部位和与变构剂非共价结合的调节部位，具有变构效应。引起变构效应的物质称为变构效应剂。降低酶活性的称变构抑制剂或负效应物；反之，称为变构激活剂或正效应物。变构酶与血红蛋白一样，存在着协同效应。
变构酶催化的反应速度与底物浓度的关系常呈S形曲线，这和非调节酶的动力学曲线——双曲线不同。变构酶多为限速酶。在多酶体系，限速酶一般位于代谢途径的起点或分支点上，对控制反应总速度起关键作用。如异柠檬酸脱氢酶就是一个变构酶，是三羧酸循环的关键酶，NAD+、ADP和柠檬酸是该酶的变构激活剂，而NADH和ATP是变构抑制剂。
（三）抗体酶（abzyme）
既是抗体又具有催化功能的蛋白质称为“抗体酶或催化性抗体”，其本质是免疫球蛋白，但是在易变区赋予了酶的属性。1986年科学家根据过渡态理论和免疫学原理，运用单克隆抗体技术成功地制备了具有酶活性的抗体。这加深了人们对酶作用原理的理解，而且在临床医学及制药业等方面有很好的应用。

第三节 酶的作用机制
一、酶的催化本质
现代化学反应速度理论是过渡态理论。在一个化学反应体系中，反应物从“初态” 到“过渡态”，转变成产物即到达“终态”。“过渡态”是底物分子被激活的不稳定态，不同于反应中间物，它具有最高能量，又处在一个短暂的分子瞬间，某些化学键正在断裂和形成并达到能生成产物或再返回生成反应物的程度。
酶催化的反应速度快是降低反应的能垒，即降低底物分子所必须具有的活化能。催化和非催化反应，其反应物和产物间总的标准自由能差是一样的。
二、中间产物学说和诱导契合学说
酶的作用机制包含酶如何同底物结合以及怎样加快反应速度两个内容。
20世纪初和40年代，科学家就提出了酶-底物复合物的形成和过渡态概念，即E+S→ ES → E+P。酶和底物形成中间产物的学说已为实验所证实，且分离到若干种ES结晶。
已有两种模型解释酶如何结合它的底物。1894年Fischer提出锁和钥匙模型，底物的形状和酶的活性部位彼此相适合，这是一种刚性的和固定的组合。1958年Koshland提出诱导契合模型，底物的结合在酶的活性部位诱导出构象变化；酶也可使底物变形，迫使其构象近似于它的过渡态。这种作用是相互诱导、相互变形、相互适应的柔性过程。
酶的诱导契合
三、影响酶催化效率的因素
酶促反应高效率的原因常常是多种催化机制的综合应用，除酶-底物结合的诱导契合假说外，还有：
（一）邻近效应与定向排列
在两个以上底物参与的反应中，由于酶的作用，底物被聚集到酶分子表面，彼此相互靠近并形成正确的定向关系，大大提高了底物的局部浓度，底物被催化的部位定向地对准酶的活性中心，实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而大大提高催化效率。
（二） 多元催化
酶分子中含有多种不同功能基团，如氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。既可作质子供体，又可作质子受体，使同一酶分子常可起广义酸催化和碱催化；即可起亲核催化，又可起亲电子催化。这些因素并不是在所有的酶中同时都一样的起作用，对不同的酶起主要作用的因素不完全相同。

第四节 酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应的速率和影响此速率的各种因素的科学。
一、酶反应速度的测量
反应的速率也称速度（velocity），是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来表示。测定酶反应速度时，一般要求非常高的底物浓度以使实验测定的起始反应速率与酶浓度成正比。以产物的生成量对时间作图，绘制反应过程曲线，不同时间的反应速度就是时间为不同值时曲线的斜率。通常采用反应的初速度Vo，即以零时点为起点作一与曲线的线性部分相切的直线，这一直线的斜率即等于Vo，这可以避免底物浓度因被消耗而相对降低以及反应物堆积等因素对反应速度的抑制作用。（产物出现的速率或底物消失速率可根据特殊波长下吸收光的变化用分光光度计测定。）
二、酶浓度对反应速度的影响
当研究某一因素对酶促反应速度的影响时，体系中的其他因素保持不变，而只变动所要研究的因素。
当底物浓度远大于酶浓度时，酶促反应速度与酶浓度的变化成正比。 
三、底物浓度对酶反应速度的影响                                                  
（一）米-曼氏方程式
1913年，Michaelis和Menten根据中间产物学说进行数学推导，得出V与[S]的数学方程式，即米-曼氏方程式。1925年Briggs和Haldane提出稳态理论，对米氏方程做了一项重要的修正。
底物浓度对酶促反应速度的影响呈双曲线。当底物浓度较低时，V与[S]呈正比关系（一级反应）；随着[S]的增高，V的增加逐步减慢（混合级反应）；增到一定程度，V不再增加而是趋于稳定（零级反应）。
当[S]＜＜    Km 时，v = Vmax [S] /Km，反应速度与底物浓度成正比；当[S]＞＞     Km 时 ，v≌Vmax，反应速度达到最大速度，再增加[S]也不影响V。
（二）Km的意义
1．当V/v =2时, Km =[S] , Km是反应速率v等于最大速率V一半时的底物浓度，单位为摩尔/升（mol/L）。
2．Km =K2+K3/K1，当K2＞＞  K3时，Km值可用来表示酶对底物的亲和力。Km值越小，酶与底物的亲和力越大；反之，则越小。
3．Km是酶的特征性常数，它只与酶的结构和酶所催化的底物有关，与酶浓度无关。
Km和Vmax可用图解法根据实验数据测出。通过测定在不同底物浓度下的Vo，再用1/Vo对1/[S]的双倒数作图，又称Lineweaver-BurK作图法，即取米氏方程式倒数形式。
四、pH对反应速度的影响               
每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活力，酶表现最大活力时的pH称为酶的最适pH。最适pH的微小偏离可使酶活性部位的基团离子化发生变化而降低酶的活性，较大偏离时，维护酶三维结构的许多非共价键受到干扰，导致酶蛋白的变性。
酶的最适pH不是固定的常数，受酶的纯度、底物的种类和浓度、缓冲液的种类和浓度等的影响。一般酶的最适pH在4~8之间，植物和微生物体内的酶最适pH多在4.5~6.5,而动物体内的最适pH多在6.5~8，多在6.8左右。但也有例外，如胃蛋白酶最适pH为1.9，胰蛋白酶的最适pH为8.1, 肝精氨酸酶的最适pH为9.0。Vo对pH的关系图形是钟形曲线。
五、温度对反应速度的影响
温度对Vo关系的图形是一条曲线，它可清楚地表示出最适温度。多数哺乳动物的酶最适温度在37℃左右，植物体内酶的最适温度在50~60℃。也有些微生物的酶适应在高温或低温下工作。温度从两方面影响酶促反应速率，是升高温度提高反应速率和酶遇热易变性失活两个相反效应间的平衡。
六、激活剂对反应速度的影响
凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（activator）。必需激活剂常是金属离子，如Mg2+、K+、Mn2+等, Mg2+是多种激酶和合成酶的必需激活剂；非必需激活剂是有机化合物和Cl-等，如胆汁酸盐是胰脂肪酶，Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活剂。
七、抑制剂对反应速度的影响
使酶活性下降而不导致酶变性的物质称为酶的抑制剂。抑制剂作用有可逆和不可逆抑制两类。以可逆抑制最为重要。 
（一） 不可逆抑制作用
这类抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活，一般不能用透析、超滤等物理方法去除。这类抑制作用可用某些药物解毒，使酶恢复活性。如农药敌百虫、敌敌畏、1059等有机磷化合物能特异地与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合，使酶失活，导致乙酰胆碱不能水解而积存。迷走神经兴奋呈现中毒状态。解磷定（PAM）可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用，显然这类解毒药物和有机磷农药结合的强度大于和酶结合。重金属盐引起的巯基酶中毒，可用络合剂或加入其他过量的巯基化合物，如二巯基丙醇（BAL）来解毒。
（二） 可逆抑制作用
这类抑制剂通常以非共价键与酶可逆性结合，使酶活性降低或失活，采用透析、超滤的方法可去除抑制剂，恢复酶活性。可逆抑制有竞争、非竞争、反竞争3种类型，以竞争性抑制研究的最多。三种作用的共同点是因Km和Vmax值的变化导致酶促反应初速度下降。竞争性抑制剂的结构与底物类似，且在酶的同一部位（活性中心）和酶结合，仅在加大底物浓度时才逐渐抵消，显然Km值要增加，Vmax不变。非竞争性抑制剂不直接影响酶与底物的结合，酶同时和二者结合生成的中间产物是三元复合物，也无正常产物生成，所以Km不变，而Vmax减小。反竞争抑制剂促进酶与底物的结合，形成的三元复合物也不能形成正常产物，所以Km变小，Vmax也变小。
药物是酶的抑制剂。竞争性抑制原理应用范例是磺胺药的研制。磺胺药和细菌合成叶酸所需的对氨基苯甲酸仅一个碳原子之别（变成了S），使细菌的叶酸不能正常合成，导致细菌的核苷酸合成受阻而死亡。而人以摄入叶酸为主，故磺胺药对人的核酸合成无影响。

第五节  酶的制备和应用
一、酶的制备
酶可以从动物、植物、微生物等各种原料中提取或用微生物发酵法生产酶制剂。酶在生物体内与大量其他物质共同存在，含量很少，又是有催化活性蛋白质，除了采用分离纯化蛋白质的一般方法，如盐析、有机溶剂沉淀、吸附、凝胶过滤、超离心法外，还要注意防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等，以避免酶活力的损失。 
胞内酶和胞外酶的提取在处理方法上有所不同。胞内酶需要先用捣碎、砂磨、冻融、或自溶等方法将细胞破坏，然后再用适当的分离纯化技术提出。
酶的活力（activity）就是酶加快其所催化的化学反应速度的能力。一般用催化反应的起始速率（Vo）表示，Vo的单位是微摩尔/分，也可用国际单位（U）和“开特”（Kat）表示。1分钟内催化1微摩尔的作用物转变成产物的酶量为1U；1秒钟内催化1摩尔的作用物转变成产物的酶量为1Kat。1微摩尔/分=1U=16.67nKat（1Kat=6×107U）。 
比较酶制剂的纯度可用比活力(specific activity)，即每毫克蛋白质中所含的U数。
二、酶的应用
早在19世纪末，就有酶制剂的商品生产，目前已有1千多种，在工业、农业、医药以及科学研究中日益发挥它的巨大作用。
例如淀粉酶用于纺织品的退浆，可节约大量的碱并提高棉布的质量。处理饲料以增加其营养价值。脂肪酶用于食品增香、羊毛洗涤。蛋白酶用于皮革业的脱毛、蚕丝脱胶、肉类嫩化、酒类澄清、洗涤剂去污等。葡萄糖异构酶用来制造果糖浆，葡糖氧化酶用来除去罐头中残余的氧。
酶可作为试剂用于临床检验，如酶联免疫测定；作为药物用于临床治疗，如胃蛋白酶、胰蛋白酶助消化，链激酶、尿激酶治疗血栓的形成；基因工程中应用各种限制性核酸内切酶进行科研和生产。
酶的开发和利用是现代生物技术的重要内容。1971年命名了酶工程（enzyme engineering），这是把酶学原理与化学工程技术及基因重组技术相结合而形成的新型应用技术。酶工程可分为化学酶工程和生物酶工程。前者指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工模拟酶的研究和生产；后者指克隆酶、突变酶和合成新酶等内容的研究和应用。


第四章  新陈代谢总论与生物氧化

教学目标：
1. 掌握新陈代谢的概念与特点，了解新陈代谢研究方法。了解生物体内能量代谢的基本规律。 
2. 掌握生物氧化的概念、特点、部位，主要酶类和体系。熟悉生物氧化中二氧化碳、水的生成，掌握呼吸链的组成、类型和传递体顺序。
3. 掌握氧化磷酸化的概念、类型、偶联部位和P/O比值，熟悉影响氧化磷酸化因素、胞液中NADH的氧化和偶联机制。                                                                

第一节  新陈代谢总论
一、新陈代谢的概念与特点
生物体是一个与环境保持着物质、能量和信息交换的开放体系。通过物质交换建造和修复生物体（按人的一生计,交换物质的总量约为体重的1200倍,人体所含的物质平均每10天更新一半）。通过能量交换推动生命运动，通过信息交换进行调控，保持生物体和环境的适应。
新陈代谢（metabolism）是指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的全过程。包括生物体内所发生的一切合成和分解作用（即同化作用和异化作用）。
人和动物的物质代谢分为三个阶段：食物、水、空气进入机体（摄取营养物的消化和吸收）、中间代谢和代谢产物的排泄。中间代谢是指物质在细胞中的合成与分解过程，合成是吸能反应，分解是放能反应。它们是矛盾对立和统一的。所以，新陈代谢的功能是：从周围环境中获得营养物质；将营养物质转变为自身需要的结构元件；将结构元件装配成自身的大分子；形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子；提供机体生命活动所需的一切能量。
各种生物具有各自特异的新陈代谢类型，这决定于遗传和环境条件。绿色植物及某些细菌有光合作用，若干种细菌有固氮作用，是自养型的；动物与人是异养生物，同化作用必须从外界摄取营养物质，通过消化吸收进入中间代谢。同一生物体的各个器官或不同组织还具有不同的代谢方式。
各种生物的新陈代谢过程虽然复杂，却有共同的特点：
1.生物体内的绝大多数代谢反应是在温和条件下，由酶催化进行的。
2.物质代谢通过代谢途径，在一定的部位，严格有序地进行。各种代谢途径彼此协调组成有规律的反应体系（网络）。
3.生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节。
二、新陈代谢的研究方法
代谢途径的研究比较复杂，可从不同水平，主要对中间代谢进行研究。新陈代谢途径的阐明凝集了许多科学家的智慧与实验成果。如1904年德国化学家Knoop提出的脂肪酸的β氧化学说，1937年Krebs提出的柠檬酸循环。
1.活体内（in vivo）和活体外(in vitro)实验
2.同位素示踪法和核磁共振波谱法（NMR）
3.代谢途径阻断法
三、生物体内能量代谢的基本规律
1.服从热力学原理。热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。
2.生化反应最重要的热力学函数是吉布斯自由能G 。自由能是在恒温、恒压下，一个体系作有用功的能力的度量。用于判断反应可否自发进行，是放能或耗能反应。
ΔG＜0，表示体系自由能减少，反应可以自发进行，但是不等于说该反应一定发生或以能觉察的速率进行，是放能反应。
ΔG＞0，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。
ΔG＝0，体系处在平衡状态。
自由能与另外两个函数有关，ΔG=ΔH - TΔS（ΔH是总热量的变化，ΔS是总熵的改变，T是体系的绝对温度）。
标准自由能变化用ΔGO＇表示（25OC，1个大气压，pH为7，反应物和产物浓度为1mol/L时所测得，单位是kJ/mol）。
3．ΔGO＇和化学平衡的关系
ΔG = ΔGO＇+ RT ln[C][D]/[A][B]
  ΔG=0时，ΔGO＇= - RTln[C][D]/[A][B]= -RTlnK= -2.303RTlgK
（R为气体常数，lnK为平衡常数的自然对数。K＞1，ΔGO＇为负值，反应趋于生成物的方向进行；K＜1，ΔGO＇为正值。）
注意：ΔG只取决于产物与反应物的自由能之差，与反应历程无关。总自由能变化等于各步反应自由能变化的代数和。热力学上不利的吸能反应可以偶联放能反应来推动以保持代谢途径一连串反应的进行。
四、高能化合物与ATP的作用
高能化合物（high-energy compound）指化合物含有的自由能特多，且随水解反应或基团转移反应释放。最重要的有高能磷酸化合物，还有硫酯类和甲硫类高能化合物。高能磷酸化合物的酸酐键常用～P表示，水解时释放的自由能大于20kJ，称为高能磷酸键。生化中“高能键”的含义与化学中的“键能”完全不同。“键能”指断裂一个化学键需提供的能量。 
ATP是细胞内特殊的自由能载体。在标准状况，ATP水解为ADP和Pi的ΔGO＇=-30kJ/mol，水解为AMP和PPi的ΔGO＇=-32kJ/mol。ATP的ΔGO＇在所有的含磷酸基团的化合物中处于中间位置，这使ATP在机体起作中间传递能量的作用，称之能量的共同中间体。机体内一些在热力学上不可能发生的反应，只需与ATP分子的水解相偶联，就可使其进行。所以说，ATP又是生物细胞能量代谢的偶联剂。
从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、储存和利用都是以ATP为中心。ATP是整个生命世界能量交换的通用货币。ATP是能量的携带者或传递者，而不是储存者。在脊椎动物中起能量储存的是磷酸肌酸（phosphoccreatine，PC），在无脊椎动物中是磷酸精氨酸。
ATP和其他的核苷三磷酸——GTP、UTP、CTP常称作富含能量的代谢物。它们几乎有相同的水解（或形成）的标准自由能，核苷酸之间的磷酰基团的转移的平衡常数接近1.0，所以计算物质代谢能量时，消耗的其他核苷三磷酸用等价的ATP表示。

第二节 生物氧化
一、生物氧化的概念、特点和部位
1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。
2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。
（1）在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。
（2）能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需（约40%）。
（3）生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应；CO2由有机酸脱羧产生。
（4）生物氧化的速度由细胞自动调控。
3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。
二、生物氧化的酶类和体系
1.酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。
  氧化酶为含铜或铁的蛋白质，能激活分子氧，促进氧对代谢物的直接氧化，只能以氧为受氢体，生成水。重要的有细胞色素氧化酶，可使还原型氧化成氧化型，亦可将氢放出的电子传递给分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外还有过氧化物酶、过氧化氢酶等。
  脱氢酶分需氧脱氢酶和不需氧脱氢酶。前者可激活代谢物分子中的氢，与分子氧结合，产生过氧化氢。在无分子氧时，可利用亚甲蓝为受氢体。需氧脱氢酶皆以FMA或FAD为辅酶。不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中的氢，使脱出的氢转移给递氢体或非分子氧。一般在无氧或缺氧环境下促进代谢物氧化。大部分以NAD或NADP为辅酶。
2.体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。
  不需传递体的最简单，在微粒体、过氧化酶体及胞液中代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作用后脱出的氢给分子氧生成水或过氧化氢。其特点是不伴磷酸化，不生成ATP，主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。
需传递体的最典型的是呼吸链。是在线粒体经多酶体系催化，即通过电子传递链完成，与ATP的生成相关。
三、生物氧化中二氧化碳的生成
生物氧化中CO2的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。有直接脱羧和氧化脱羧两种类型。按脱羧基的位置又有α-脱羧和β-脱羧之分。请判断以下脱羧反应的类型？
四、生物氧化中水的生成
  （一）呼吸链的概念和类型
代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transfer chain）。在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称为递氢体，传递电子的酶或辅酶称为电子传递体。递氢体和电子传递体都起着传递电子的作用（2H→2H++2e）。
生物体内的呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要的有两条，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。它们的初始受氢体、生成ATP的数量及应用有差别。NADH氧化呼吸链应用最广，糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应，绝大多数是通过该呼吸链来完成的。琥珀酸氧化呼吸链在Q处与上述NADH氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢，不能催化NADH或NADPH脱氢。
（二）呼吸链的组成
  组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。
1．辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ
辅酶Ⅰ（NAD+或CoⅠ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶Ⅱ（NADP+或CoⅡ）为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们是不需氧脱氢酶的辅酶，分子中的烟酰胺部分，即维生素PP能可逆地加氢还原或脱氢氧化，是递氢体。以NAD+作为辅酶的脱氢酶占多数。
2．黄素酶
黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FMN是NADH脱氢酶的辅基，FAD是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。
3.铁硫蛋白
分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，因而常简写为FeS形式。在线粒体内膜上，常与其他递氢体或递电子体构成复合物，复合物中的铁硫蛋白是传递电子的反应中心，亦称铁硫中心，与蛋白质的结合是通过Fe与4个半胱氨酸的S相连接。
  4.泛醌（又名辅酶Q）
一类广泛分布于生物界的脂溶性醌类化合物。分子中的苯醌为接受和传递氢的核心，其C-6上带有异戊二烯为单位构成的侧链，在哺乳动物，这个长链为10个单位，故常以Q10表示。
5.细胞色素类
细胞色素（cytochrome, Cyt）是一类以铁卟啉为辅基的结合蛋白质，存在于生物细胞内，因有颜色而得名。已发现的有30多种，按吸收光谱分a、b、c三类，每类又有好多种。
Cyta和a3 结合紧，迄今尚未分开，故写成aa3，位于呼吸链的终末部位，其辅基为血红素A，传递电子的机制是以辅基中铁价的变化Fe3+ →Fe2+，a3还含有铜离子，把电子直接交给分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又称细胞色素氧化酶。a3中的铁原子可以与氧结合，也可以与氰化物离子（CN—）、CO等结合，这种结合一旦发生，a3便失去使氧还原的能力，电子传递中止，呼吸链阻断，导致机体不能利用氧而窒息死亡。
（三）呼吸链中传递体的顺序
呼吸链中氢和电子的传递有着严格的顺序和方向。根据氧化还原原理，氧化-还原电势E是物质对电子亲和力的量度，电极电位的高低反映电子得失的倾向，E O＇值愈低的氧还对（A/AH2）释放电子的倾向愈大，愈容易成为还原剂而排在呼吸链的前面。所以NADH还原能力最强，氧分子的氧化能力最强。电子的自发流向是从电极电位低的物质（还原态）到电位高的氧化态，目前一致认可的是按标准氧还电位递增值依次排列。
电子由NADH的传递到氧分子通过3个大的蛋白质复合体，即 NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶到氧（又称复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ）。电子从FADH2的传递是通过琥珀酸-辅酶Q还原酶（复合体Ⅱ）经Q、复合体Ⅲ、Ⅳ到氧（琥珀酸-辅酶Q还原酶催化的反应的自由能变化太小）。

第三节   氧化磷酸化
一、氧化磷酸化的概念和偶联部位
  1.概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物，促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解为3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成。生物体内95%的ATP来自这种方式。
2.偶联部位：根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中ΔGO＇和电极电位差ΔE的关系可以证明。
P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。实验表明， NADH在呼吸链被氧化为水时的P/O值约等于3，即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值约等于2，即生成2分子ATP。
氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据ΔGO＇= - nFΔE O＇(n是电子传递数,F是法拉第常数)，从NADH到Q段电位差约0.36V，从Q到Cytc为0.21V，从aa3到分子氧为0.53V，计算出相应的ΔGO＇分别为69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍认为下述3个部位就是电子传递链中产生ATP的部位。 
NADH→NADH脱氢酶→‖Q → 细胞色素bc1复合体→‖Cytc →aa3→‖O2
二、胞液中NADH的氧化
  糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸β-氧化是在线粒体内生成NADH（还原当量），可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞的胞浆中产生的NADH ，如糖酵解生成的NADH则要通过穿梭系统（shuttle system）使NADH的氢进入线粒体内膜氧化。
  （一）α-磷酸甘油穿梭作用
  这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是α-磷酸甘油。
  胞液中的NADH在α-磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油，后者通过线粒体内膜，并被内膜上的α-磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基）催化重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2，后者进入琥珀酸氧化呼吸链。葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成的ATP比其他组织要少，1摩尔G→36摩尔ATP。
（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭作用
主要存在肝和心肌中。1摩尔G→38摩尔ATP
胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成3分子ATP。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生成天冬氨酸，后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。
三、氧化磷酸化偶联机制
  （一）化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）
   1961年，英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说（1978年获诺贝尔化学奖），说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H+梯度），这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下：
1.NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H+ 被3个H+ 泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。
2.H+ 泵出，在膜间隙产生一高的H+ 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H+ 的化学梯度和膜电势的总和。
3.H+ 通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP。  
（二）ATP合酶
ATP合酶由两部分组成（Fo-F1），球状的头部F1突向基质液，水溶性。亚单位Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H+ 通道。在生理条件下，H+ 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节。
四、影响氧化磷酸化的因素
  （一）抑制剂
能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质称为呼吸链抑制剂。
鱼藤酮、安密妥在NADH脱氢酶处抑制电子传递，阻断NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能进行。
  抗霉素A抑制电子在细胞色素bc1复合体处的传递。
  氰化物、CO、叠氮化物（N3-）抑制细胞色素氧化酶。
  对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用的物质称氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。
（二）解偶联剂
   2，4-二硝基苯酚（DNP）和颉氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶联过程，使电子传递照常进行而不生成ATP。DNP的作用机制是作为H+的载体将其运回线粒体内部，破坏质子梯度的形成。由电子传递产生的能量以热被释出。
  （三）ADP的调节作用
正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的调节，只有ADP被磷酸化形成ATP，电子才通过呼吸链流向氧。如果提供ADP，随着ADP的浓度下降，电子传递进行，ATP在合成，但电子传递随ADP浓度的下降而减缓。此过程称为呼吸控制，这保证电子流只在需要ATP合成时发生。


第五章   糖代谢

教学目标：
1.掌握糖类的结构、生理功能和酶促降解有关酶类。
2.掌握糖酵解、有氧氧化的基本过程、限速酶、ATP的生成、生理意义与调节。
3.了解磷酸戊糖途径的基本过程、生理意义。
4.熟悉糖的合成反应基本过程,掌握糖异生的概念与反应过程、关键酶、生理意义及调节。
导入：糖是自然界分布广泛，数量最多的有机化合物。尤以植物含量最多，约为85%~95%。糖在生命活动中主要作用是提供能量和碳源。人体所需能量的50%~70%来自于糖。食物中的糖类主要是淀粉，被机体消化成其基本组成单位葡萄糖后，以主动的方式被吸收入血。本章重点讨论葡萄糖在机体内的代谢。
第一节 概论
一、糖类的结构与功能
1.糖类的结构
糖定义为多羟基醛、酮及其缩聚物和某些衍生物。有单糖、寡糖、多糖和复合糖类。
单糖是糖结构的单体，可用一个经验公式（CH2O）n  表示。一般分为醛糖和酮糖两类。最简单的三碳糖是甘油醛和二羟基丙酮。醛糖中氧化数最高的碳原子指定为C-1，酮糖中氧化数最高的碳原子指定为C-2，除最简单的二羟丙酮外，都是手性分子。醛糖中手性碳的数目为n-2，异构体的数目为2n-2。
糖的构型有D型和L型。D型糖是指具有最高编号的手性碳，即离羰基碳最远的手性碳连接的- OH在Fischer投影式中是朝向右的。
醛糖和酮糖可以形成环式的半缩醛。有5员环或6员环结构，称为呋喃糖或吡喃糖。环化单糖中氧化数最高的碳原子称异头碳，是手性碳，又有α  、β两个新异构体（称为异头物）。在溶液中，有能力形成环结构的醛糖和酮糖，它们不同的环式和开链式处于平衡中。
单糖存在不同的构象。对于每个吡喃糖，都存在6种不同的船式构象和2种不同的椅式构象。在椅式构象中可以使环内原子的立体排斥减到最小，所以椅式构象比船式更稳定。
单糖可以通过糖苷键形成寡糖和多糖。最常见的糖苷键是α-1，4和β-1，4，另一种糖苷键α-1，6出现在支链淀粉和糖原分子中。4种重要的双糖有麦芽糖（α-1，4）、纤维二糖（β-1，4）、乳糖和蔗糖。乳糖是纤维二糖的差向异构体，是奶中的主要糖分。许多植物可合成蔗糖，它是自然界中发现的最丰富的糖（无还原性和变旋现象）。
淀粉、糖原是葡萄糖的同多糖。淀粉是植物和真菌中的储存多糖，糖原是在动物和细菌中发现的储存多糖。纤维素和几丁质是结构同多糖。
直链淀粉含α-1，4糖苷键，支链淀粉和糖原中除含α-1，4糖苷键外，在分支点上还有α-1，6糖苷键。糖原分子一般比淀粉分子大，分支多，但侧链含有的葡萄糖残基较少。纤维素中的葡萄糖残基通过β-1，4糖苷键连接。几丁质的单糖单位是β-1，4糖苷键连接的N-乙酰葡萄糖胺。
单糖和大多数多糖是还原糖。都含有一个可反应的羰基，容易被较弱的氧化剂（如Fe3+或Cu2+）氧化。一个糖聚合物的还原能力，根据寡糖和多糖的聚合链的还原端和非还原端判断，在一个线形的聚合糖中，有一个还原端残基（含游离异头碳的残基）和一个非还原端残基。一个带支链的多糖含有很多非还原端，但只有一个还原端。     
2.糖的生理功能
1摩尔的葡萄糖完全氧化为CO2和H2O可释放2840kJ（679kcal）的能量，其中约40%转移至ATP，供机体生理活动能量之需。糖类代谢的中间产物可为氨基酸、核苷酸、脂肪酸、类固醇的合成提供碳原子或碳骨架。如糖的磷酸衍生物可以形成许多重要的生物活性物质，如NAD+、FAD、ATP等。
糖决定了人的血型，一个血球细胞的表面有50万个糖蛋白分子。糖是细胞膜上“受体”分子的组成部分，是细胞识别、信息传递的参与者。由于单糖有异构物、异头物和多羟基等特点，可以形成种类繁多的不同结构，以致糖链的生物信息容量超过肽链和多核苷酸链。
二、多糖和低聚糖的酶促降解
糖代谢指糖在生物体内的分解与合成。是研究最早，代谢途径了解最祥细的。分解代谢包括多糖和低聚糖的酶促降解和单糖的氧化放能过程。合成代谢指绿色植物和光合微生物的光合作用合成葡萄糖，进而合成淀粉。对于人和动物来说，则是利用葡萄糖合成糖原或利用非糖物转化为糖。
多糖和低聚糖在被生物体利用之前必须水解成单糖。 
1.淀粉（或糖原）的酶促降解
人类食物中的糖主要有淀粉、糖原、麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖、果糖及纤维素等，一般以淀粉为主。水解淀粉和糖原的酶有α、β淀粉酶（只表示两种酶，不表示任何构型关系）。α-淀粉酶主要存在于动物体（唾液和胰液中），β-淀粉酶主要存在于植物种子和块根内。它们均作用于α-1，4糖苷键，但后者只能从非还原端水解。水解产物是麦芽糖。水解淀粉中α-1，6糖苷键的酶是α-1，6糖苷键酶，如植物中的R-酶和小肠粘膜的α-糊精酶。小肠粘膜细胞还有寡糖酶和双糖酶，如麦芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等，属于糖苷酶类。
淀粉和糖原在细胞内的降解是经磷酸化酶的磷酸解作用生成葡糖-1-磷酸，再经葡聚糖转移酶和糖原脱支酶除去α-1，6分支，产生的G-1-P由磷酸葡萄糖变位酶转化为G-6-P。G-6-P的命运决定于组织，肝脏含G-6-P酶，使其转化为G，葡萄糖是血糖的主要来源，正常人在安静空腹（停食12～14h）状态下，血糖浓度是较恒定的，一般在4.4～6.7mmol/L之间，所以肝糖原用于维持血糖水平。而肌肉组织不含G-6-P酶，肌糖原不能分解成葡萄糖，只能进行糖酵解或有氧氧化。
2.纤维素的酶促降解           
人的消化道无水解纤维素的酶 ( 细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，水解纤维素成葡萄糖 )，但纤维素促进肠道蠕动，有防止便秘的功用。

第二节    糖的分解代谢
一、糖的分解特点和途径
1.糖的分解在有氧和无氧下均可进行,无氧分解不彻底，有氧分解是其继续,最终分解产物是CO2、H2O和能量。
2.糖的分解先要活化，无氧下的分解以磷酸化方式活化；有氧下，以酰基化为主。
3.在动物和人体内，糖的分解途径主要有3条：糖酵解（葡萄糖→丙酮酸→乳酸）；柠檬酸循环（丙酮酸 →乙酰辅酶A→CO2+H2O）；戊糖磷酸途径（葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O）。植物体中乙醛酸循环是柠檬酸循环的支路。
二、糖酵解
（一）概念和部位
糖酵解(glycolysis)是无氧条件下，葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成的过程。它是生物细胞普遍存在的代谢途径，涉及十个酶催化反应，均在胞液。
（二）反应过程和关键酶
1.己糖激酶（hexokinase）催化葡萄糖生成G-6-P，消耗一分子ATP。
己糖激酶（HK）分布较广，而葡萄糖激酶（GK）只存在于肝脏，这是第一个关键酶催化的耗能的限速反应。若从糖原开始，由磷酸化酶和脱支酶催化生成G-1-P，再经变位酶转成G-6-P。
2.G-6-P异构酶催化G-6-P转化为F-6-P。
3.磷酸果糖激酶（PFK-Ⅰ）催化F-6-P磷酸化生成F-1，6-DP，消耗一分子ATP。这是第二个关键酶催化的最主要的耗能的限速反应。
4.醛缩酶裂解F-1，6-DP为磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反应方向，但在生理条件下甘油醛-3-磷酸不断转化成丙酮酸，驱动反应向裂解方向进行。
5.丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸和磷酸二羟丙酮的相互转换。
6.甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1，3 -二磷酸甘油酸。这是酵解中唯一的一步氧化反应，是由一个酶催化的脱氢和磷酸化两个相关反应。反应中一分子NAD+被还原成NADH，同时在 1，3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键，为在下一步酵解反应中使ADP变成ATP。
7.磷酸甘油酸激酶催化1，3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反应（6）和反应（7）联合作用，将一个醛氧化为一个羧酸的反应与ADP磷酸化生成ATP偶联。这种通过一高能化合物将磷酰基转移ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧，是酵解中形成ATP的机制。
8.磷酸甘油酸变位酶催化 3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸
9.烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸（PFP）。PFP具有很高的磷酰基转移潜能，其磷酰基是以一种不稳定的烯醇式互变异构形式存在的。
10.丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸和ATP。这是第三个关键酶催化的限速反应。也是第二次底物水平磷酸化反应。
丙酮酸是酵解中第一个不再被磷酸化的化合物。其去路：在大多数情况下，可通过氧化脱羧形成乙酰辅酶A进入柠檬酸循环；在某些环境条件（如肌肉剧烈收缩），乳酸脱氢酶可逆地将丙酮酸还原为乳酸；在酵母，厌氧条件下经丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶催化，丙酮酸转化成乙醇（酒精发酵）。
葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O
葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乳酸+2ATP+2H2O
葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ → 2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O
（三）糖酵解能量的估算和生理意义
在体外，1mol葡萄糖→2mol乳酸，ΔGO＇= －196kJ/mol  
1mol糖原→2mol乳酸，  ΔGO＇= －183kJ/mol  
在机体内，生成 2molATP相当捕获2×30.514=61.028 kJ/mol
葡萄糖酵解获能效率=2×30.514/196×100% = 31%
糖原酵解获能效率=3×30.514/196×100% = 49.7%
糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，其生理意义是为机体在无氧或缺氧条件下（应激状态）提供能量满足生理需要。例如，剧烈运动时，肌肉内ATP大量消耗，糖酵解加速可迅速得到ATP；成熟的红细胞没有线粒体，完全靠糖酵解供能；神经细胞、白细胞、骨髓、视网膜细胞代谢极为活跃，不缺氧时亦由糖酵解提供部分能量。
（四）糖酵解的调控
糖酵解三个主要调控部位，分别是己糖激酶、果糖磷酸激酶（PFK）和丙酮酸激酶催化的反应。
HK被G-6-P变构抑制，这种抑制导致G-6-P的积累，酵解作用减弱。但G-6-P可转化为糖原及戊糖磷酸，因此HK不是最关键的限速酶。
PFK被ATP变构抑制，但这种抑制作用被AMP逆转，这使糖酵解对细胞能量需要得以应答。当ATP供应短缺（和AMP充足）时，加快速度，生成更多的ATP， ATP足够时就减慢速度。柠檬酸可增加ATP对酶的抑制作用；F-2，6-DP可消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化。PFK被H+抑制，可防止肌乳酸过量导致的血液酸中毒。
丙酮酸激酶被F-1，6-DP活化，加速酵解。ATP、丙氨酸变构抑制此酶。
三、糖的有氧分解
（一）概念和部位
葡萄糖的有氧分解是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环（TCA），彻底氧化生成CO2、H2O和释放大量能量的过程。是在细胞的胞液和线粒体两个部位进行的。
（二）反应过程和关键酶
整个过程可分为三个阶段：
第一阶段是葡萄糖分解为丙酮酸，在胞液进行。与酵解反应过程所不同的是3- 磷酸甘油醛脱氢生成的NADH进入线粒体氧化。
第二阶段是丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA。
丙酮酸脱氢酶系是由3种酶和5种辅助因子组成的多酶复合体，是关键酶。整个过程中无游离的中间产物，是个不可逆的连续过程。
第三阶段是柠檬酸循环（又称三羧酸循环或 Krebs循环，1937年提出，1953年获诺贝尔奖）。此循环有8步酶促反应：
1.柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸和CoASH。是第一个关键酶催化的限速反应。
2.顺乌头酸酶催化柠檬酸异构成异柠檬酸。
3.异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的催化下生成草酰琥珀酸，再脱羧生成α-酮戊二酸。此步是第一次氧化脱羧，异柠檬酸脱氢酶是第二个关键酶。
4.α- 酮戊二酸由α- 酮戊二酸脱氢酶系催化氧化脱羧生成琥珀酰CoA。此酶系由3种酶和5种辅助因子组成，是第三个关键酶催化的第二次氧化脱羧。
5.琥珀酰CoA在琥珀酰硫激酶催化下生成琥珀酸。这是循环中惟一的一次底物水平磷酸化，GDP磷酸化形成GTP。
6.琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下氧化为延胡索酸。这是第三步脱氢，生成FADH2。
7.延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成苹果酸。
8.苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下氧化为草酰乙酸。这是第四步脱氢，生成NADH+H+
一次三羧酸循环过程，可归结为一次底物水平磷酸化，二次脱羧，三个关键酶促反应，四步脱氢氧化反应。每循环一次产生12分子ATP，总反应：
乙酰CoA+2H2O+3NAD+ +FAD+ADP+Pi→2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoASH+ATP
（三）能量的估算和生理意义
在体外，1mol 葡萄糖→CO2+H2O，ΔGO＇= －2840kJ/mol。
体内总反应：葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi→6 CO2+42/44H2O+36/38ATP
第一阶段生成6或8分子ATP，即 1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸、2分子ATP、2分子NADH+H+（1分子NADH+H+在胞液转运到线粒体氧化，经不同的转运方式，可生成2或3分子ATP）。
第二阶段是6ATP，即 2分子丙酮酸氧化脱羧生成2分子乙酰CoA与2分子NADH+H+ ，后者经电子传递链生成6ATP。
第三阶段是24ATP，即 2分子乙酰CoA经三羧酸循环生成2×12 = 24ATP。
葡萄糖有氧氧化的获能效率 = 38×30.5/2840×100% = 40%
糖的有氧氧化生理意义：①为机体提供更多的能量，是机体利用糖和其他物质氧化而获得能量的最有效方式。②三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大营养物质最终代谢通路和转化的枢纽。糖转变成脂是最重要的例子。③三羧酸循环在提供某些物质生物合成的前体中起重要作用。
（四）三羧酸循环的调控
三羧酸循环在细胞代谢中占据中心位置，受到严密的调控。丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应是进入三羧酸循环的必经之路，可通过变构效应和共价修饰两种方式进行快速调节，乙酰CoA及 NADH+H+ 对酶有反馈抑制作用。
三羧酸循环中3个不可逆反应是调节部位。关键酶的活性受ATP、柠檬酸、NADH的反馈抑制；异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是主要的调节点，ADP是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。
四、乙醛酸循环
在植物和某些微生物存在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶，勾通了三羧酸循环支路。该途径可以利用乙酰CoA生成用于糖异生和其它生物合成途径中的四碳中间产物。有些微生物具有乙酰CoA合成酶，能利用乙酸作为惟一碳源建造自己的机体。乙酸在辅酶A、ATP及该酶的参与下活化成乙酰CoA，而进入乙醛酸循环。油料种子萌发时脂转化为糖就是通过该途径进行的。
五、戊糖磷酸途径
（一）概念和部位
葡萄糖经G-6-P生成磷酸戊糖、NADPH及CO2的过程。因从G-6-P开始，又称己糖磷酸支路（HMS）。在胞液中进行。
实验证明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶，使酵解和有氧氧化途径均停止，但糖的分解仍可进行，在肝脏、脂肪、乳腺、肾上腺皮质和骨髓等组织，该途径是活跃的。
（二）反应过程
1.氧化阶段 
从G-6-P开始，经过脱氢、脱羧反应生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。
G-6-P脱氢酶的活性决定G-6-P进入代谢途径的流量，为限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反应受抑制；反之，被激活。
2.非氧化阶段  
磷酸戊糖分子经过异构化互变，3种戊糖（5-磷酸核酮糖、5-磷酸核糖、5-磷酸木酮糖）由转酮酶和转醛酶催化，产生3C、4C、5C、6C、7C糖的中间产物，最终生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛，与糖酵解相连接。
总反应式：6G-6-P+12NADP++7H2O → 5G-6-P+12NADPH+12H++6CO2+Pi
（三）生理意义
虽非生物体氧化供能的主要方式，确有两个重要的功能。一是提供NADPH用于需要还原力的生物合成反应。二是提供5-磷酸核糖，用于核苷酸和核酸的生物合成。

第三节 糖的合成代谢
一、蔗糖和淀粉的合成
  自然界的糖类起源光合作用，绿色植物的叶绿素、藻类和光合细菌能捕获太阳能用于驱动二氧化碳和水合成糖类。植物的光合作用包括光反应和暗反应。光反应产生ATP和NADPH；暗反应亦称固碳反应，通过卡尔文循环将CO2、NADPH、ATP合成甘油醛-3-磷酸，最终产物是蔗糖和淀粉。 （一）蔗糖的合成
蔗糖在植物界分布最广，不仅是重要的光合作用产物和高等植物的主要成份，又是糖在植物体中运输的主要形式。
  在叶绿体中由卡尔文循环产生的甘油醛-3-磷酸被运送到胞质溶胶用于合成蔗糖。甘油醛-3-磷酸转化为F-6-P和G-1-P（基本是糖酵解的逆反应）；随后，G-1-P转变为UDP-G，它与F-6-P经磷酸蔗糖合成酶催化生成蔗糖-6-磷酸，再由专一的磷酸酯酶脱磷酸形成蔗糖。
（二）淀粉的合成
淀粉在叶绿体子座中产生并在子座中以淀粉颗粒储存。合成途径包括由卡尔文循环产生的甘油醛-3-磷酸转变为G-1-P，再合成核苷酸的糖衍生物ADP-G、CDP-G、GDP-G；随后，在引物分子上经转葡糖苷酶催化进行合成直链淀粉，再在Q酶作用下生成α-1，6-糖苷键，形成支链。
二、糖原的合成
葡萄糖等单糖合成糖原的过程称为糖原的合成。糖原合成是在糖原分子（引物约4-6个葡萄糖残基）基础上经酶系作用逐个加上葡萄糖，并形成分支。UDPG是葡萄糖的活性形式，是参与合成反应的葡萄糖的活性供体。
1.UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化UTP和G-1-P合成UDP-G和焦磷酸，焦磷酸立即被焦磷酸酶水解，释放能量。反应基本上不可逆。
2.糖原合成酶催化形成α-1，4-糖苷键，即把UDP-G的糖残基转移到糖原分子非还原端的C4-OH基上。此酶是关键酶。
3.分支酶催化α-1，6-糖苷键连接，形成分支。通常分支酶断裂含7个葡萄糖残基的一段糖链，将其转移到糖原分子更内部的位点。
总反应式： Gn+G+2ATP → Gn+1+2ADP+2Pi
糖原合成与分解是由不同酶催化的逆向反应，属于不同的途径，有利于调节。糖原合成酶和糖原磷酸化酶是两个过程的关键酶。其活性均受磷酸化和去磷酸化的共价修饰调节，磷酸化的方式相似，但效果不同，糖原合成酶磷酸化后失活，去磷酸化后有活性，而糖原磷酸化酶磷酸化后活性变强。两种酶的磷酸化受相应的激酶催化，并通过上一级酶的调节及激素调控使整个调节过程精细化。
二、糖异生作用
  （一）概念和部位
非糖物质(如甘油、丙酮酸、乳酸和生糖氨基酸等)转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。这是体内单糖生物合成的惟一途径。
肝脏是糖异生的主要器官，长期饥饿时，肾脏的糖异生作用增强。糖异生中许多反应是糖酵解的逆向过程，在胞液和线粒体内发生。
（二）反应过程
糖异生并非是糖酵解的逆转，己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化的三个高放能反应不可逆，构成“能障”，需要消耗能量走另外途径，或由其它的酶催化来克服不可逆反应带来的“能障”。 
1.丙酮酸羧化支路：丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧基化生成草酰乙酸，再经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化脱羧基和磷酸化形成磷酸烯醇式丙酮酸。
丙酮酸羧化酶仅存在线粒体中，胞液中的丙酮酸必须进入线粒体，才能羧化为草酰乙酸，此步消耗1分子ATP，草酰乙酸不能直接透过线粒体膜，转化成苹果酸或天冬氨酸才转运回胞液。PEP羧激酶在线粒体和胞液都有，此步消耗1分子GTP。PEP经一系列酶催化生成F-1，6-BP，其反应需用1分子ATP和1分子NADH。
2.果糖二磷酸酶催化F-1，6-BP水解为F-6-P。
3.G-6-P酶催化G-6-P水解为葡萄糖。
总反应式：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++6H2O → 葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+
糖异生等于用了4分子ATP克服由2分子丙酮酸形成2分子高能磷酸烯醇式丙酮酸的能障，用了2分子ATP进行磷酸甘油激酶催化反应的可逆反应。这比酵解净生成的ATP多用了4分子ATP。
（三）糖异生的调控和生理意义
糖异生的前体，例如乳酸是由乳酸脱氢酶催化转化为丙酮酸进入糖异生途径的，甘油先转变成α-磷酸甘油再转化成磷酸二羟丙酮进入。
ATP/AMP的变化是影响糖异生关键酶活性的重要因素。当AMP的水平高时，表明要合成更多的ATP，AMP激发PFK，增加糖酵解的速率和抑制果糖1，6-二磷酸酶，关闭糖异生作用；反之，当ATP和柠檬酸水平高时，PFK受抑制，降低酵解的速率，以及柠檬酸激发果糖1，6-二磷酸酶，增加糖异生的速率。
糖异生的意义：
1.补充血糖，可保持其浓度的相对恒定。在饥饿或剧烈运动时对保持血糖水平是重要的，在脑和红细胞，几乎完全依靠血糖作为能量的来源。
2.回收乳酸能量，防止乳酸中毒。剧烈运动时，肌糖原酵解产生大量乳酸，部分由尿排出，但大部分经血液运到肝脏，通过糖异生作用合成肝糖原和葡萄糖，以补充血糖，再被肌肉利用，形成乳酸循环。所以糖异生途径对乳酸的再利用、肝糖原的更新、补充肌肉消耗的糖及防止乳酸中毒都有一定的意义。

 
第六章  脂类代谢

教学目标：
1.掌握脂类的结构、生理功能及酶促水解。
2.掌握甘油的氧化、脂肪酸的β-氧化途径；酮体的生成和利用；了解脂肪酸氧化的其他途径。                     
3.掌握软脂酸合成的部位、原料、途径及关键酶；熟悉脂肪酸链的加长和去饱和；了解脂肪酸代谢的调节。
4.熟悉卵磷脂和脑磷脂的生物合成。
5.熟悉胆固醇合成的部位、原料、过程及其转化。
导入：脂类是人体的重要营养素，分为脂肪和类脂两大类。脂肪的主要功能是储能和供能。类脂包括磷脂、糖脂、胆固醇及其酯，是生物膜的重要组分，参与细胞识别及信息传递，并是多种生理活性物质的前体。体内脂肪酸的来源有二：一是机体自身合成，以脂肪形式储存在脂肪组织中，需要时从脂肪动员。饱和脂酸及单不饱和脂酸主要靠机体自身合成。另一来源系膳食的脂肪供给，特别是某些多不饱和脂酸，动物机体自身不能合成，需从植物油摄取，称为必需脂酸。本章重点讨论脂肪的分解和合成代谢。

第一节   概论
一、脂类
脂肪(fat)又称甘油三酯（triglyceride ,TG）。脂肪细胞是哺乳动物脂肪主要储存处。糖原可在短时间（1h左右）提供用于肌肉收缩的能量，但持续、剧烈地工作，如马拉松选手竞赛、侯鸟持久的飞行和蝗虫迁移，其能量来源依赖TG的代谢。1g脂肪氧化释能37.6 kJ，比等量的糖或蛋白质高出2倍以上。
天然脂肪酸多为偶数C，16C或18C多见；不饱和脂肪酸中的亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸是必需脂肪酸。
磷脂按其化学结构分为甘油磷脂和鞘磷脂。
甘油磷脂是生物膜中含量最多的脂类物质，核心结构是甘油-3-磷酸，C1和C2位的羟基被2条脂酰基长链取代（形成疏水尾），C3的磷酸羟基结合各种取代基形成极性头。包括磷脂酰胆碱（卵磷脂，PC）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂，PE）、磷脂酰丝氨酸(PS）、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油（心磷脂）及磷脂酰肌醇（PI）六类，每一类又因组成的脂酸不同而有若干种，红细胞就有100种以上的不同的磷脂。鞘磷脂、脑苷脂和神经节苷脂属鞘脂类，在神经组织和脑内含量较高。不含甘油，由一分子脂肪酸，一分子鞘氨醇或其衍生物，一分子极性头基团组成。
固醇是环戊烷多氢菲的衍生物。胆固醇（cholesterol ,Ch）及胆固醇酯是血浆蛋白和细胞外膜的重要组分。胆固醇可调节生物膜的流动性，同时也是合成胆汁酸、类固醇激素和维生素D等生理活性物质的前体。
二、生物膜
细胞的外周膜和细胞器的内膜系统统称为生物膜。其功能是维持细胞内环境相对稳定的屏障，又是进行物质交换、细胞识别、信息传递的场所，内膜系统使酶区域化分布保证各种生化反应有序进行。膜的基本结构是脂质双分子层，用“流体镶嵌模型”解说。
三、脂类的酶促水解
1.脂肪酶广泛存在于动物、植物和微生物中。在人体内，脂肪的消化主要在小肠，由胰脂肪酶催化，胆汁酸盐和辅脂肪酶的协助使脂肪逐步水解生成脂肪酸和甘油。
2.磷脂酶有多种，作用于磷脂分子不同部位的酯键。作用于1位、2位酯键的分别称为磷脂酶A1及 A2，生成溶血磷脂和游离脂肪酸。作用于3位的称为磷脂酶C，作用磷酸取代基间酯键的酶称磷脂酶D。作用溶血磷脂1位酯键的酶称磷脂酶B1。
3.胆固醇酯酶水解胆固醇酯生成胆固醇和脂肪酸。
4.小肠可吸收脂类的水解产物。胆汁酸盐帮助乳化，结合载脂蛋白（apoprotein,apo）形成乳糜微粒经肠粘膜细胞吸收进入血循环。所以乳糜微粒(chylomicron,CM)是转运外源性脂类（主要是TG）的脂蛋白。

第二节   脂肪的分解代谢
食物中的脂肪通过消化被脂肪酶逐步降解为甘油和游离脂肪酸（FFA）,而储存于脂肪细胞中的脂肪通过脂肪动员降解，在脂肪动员中，三酰甘油脂肪酶的活性低，是脂肪动员的限速酶。脂肪分解是生物体利用脂肪作为供能原料的第一个步骤。
一、甘油的氧化
脂肪动员产生的甘油主要在肝细胞经甘油激酶作用生成3-磷酸甘油，再脱氢生成磷酸二羟丙酮后循糖代谢途径分解或经糖异生途径转化成葡萄糖。脂肪细胞及骨骼肌等组织因甘油激酶活性很低，不能很好利用甘油。
二、脂肪酸的氧化分解
脂肪酸不溶于水，在血液中与清蛋白结合后（10:1），运送全身各组织，在组织的线粒体内氧化分解，释放大量的能量，以肝脏和肌肉最为活跃。1904年，Knoop用苯环作标记，追踪脂肪酸在动物体内的转变过程，发现当奇数碳脂肪酸衍生物被降解时，尿中检测出的是马尿酸，如果是偶数碳，尿中排出的是苯乙尿酸。显然脂肪酸酰基链的降解发生在β-碳原子上，即每次从脂酸链上切下一个二碳单位。以后的科学实验证明β-氧化学说是正确的，切下的二碳单位是乙酰CoA，脂肪酸进入线粒体前先被活化。
（一）脂肪酸的活化    
在胞液中FFA通过与CoA酯化被激活,催化该反应的酶是脂酰CoA合成酶，需ATP、Mg2+参与。反应产生的PPi立即被焦磷酸酶水解，阻止了逆反应，所以1分子FFA的活化实际上消耗2个高能磷酸键。
 RCOOH+ATP+CoASH—→RCO~SCoA+AMP+PPi
（二）脂酰CoA进入线粒体
脂肪酸的氧化是在线粒体内进行的, 而脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜进入基质, 需耍通过线粒体内膜上肉毒碱转运才能将脂酰基带入线粒体。内膜两侧的脂酰CoA肉毒碱酰基转移酶Ⅰ、Ⅱ（同工酶）催化完成脂酰基的转运和肉毒碱的释放。酶Ⅰ是FFA氧化分解的主要限速酶。
（三）脂酰CoA的β-氧化
脂酰CoA氧化生成乙酰CoA涉及四个基本反应：第一次氧化反应、水化反应、第二次氧化反应和硫解反应。
第一步由脂酰CoA脱氢酶催化脱氢生成反-⊿2-烯脂酰CoA和 FADH2。
第二步由反-⊿2-烯脂酰CoA水化酶催化加水生成L-（+）-β-羟脂酰CoA。
第三步由L-（+）-β-羟脂酰CoA脱氢酶催化生成β-酮脂酰CoA和NADH+H+。
第四步由硫解酶作用底物的α-与β-C间断裂，CoASH参与，生成1分子乙酰CoA和比原来少2个C的脂酰CoA。然后再一轮β-氧化，如此循环反应。
（四）脂肪酸氧化的能量计算
1分子软脂酸（16C）经7次β-氧化可生成8个乙酰CoA、7个NADH+H+、7个FADH2。每个乙酰CoA进入TCA循环生成3个NADH+H+、1个FADH2、1个GTP，并释放2分子CO2。
总反应方程式是：软脂酰CoA+23 O2+131Pi+131ADP→CoASH+16 CO2+123H2O+131ATP
净生成的ATP数：12×8＋3×7＋2×7－2 =129。 (脂肪酸活化消耗2个高能磷酸键，相当消耗2个ATP)
当以脂肪为能源时，生物体还获得大量的水。骆驼的驼峰是储存脂的“仓库”，既提供能量，又提供所需的水。
（五）脂肪酸氧化的其他途径
1. 奇数碳原子脂酸的氧化  
人体含极少量奇数碳脂肪酸，而许多植物、海洋生物、石油酵母等含一定量的奇数碳脂肪酸。其β-氧化除生成乙酰CoA外，还生成1分子丙酰CoA，后者可通过β-羧化酶及异构酶的作用生成琥珀酰CoA，经TCA途径彻底氧化。
2. 不饱和脂肪酸的氧化
机体中脂酸约一半以上是不饱和脂肪酸，其中的双键均为顺式（cis）构型，不能被烯脂酰CoA水化酶作用（该酶催化的是反式构型双键的加水），所以需要异构酶和还原酶才能使一般不饱和脂肪酸的氧化进行下去。如油酸是十八碳一烯酸（cis-⊿9），细胞质中的油酸同样先活化生成油酰CoA，经转运系统换成线粒体基质中的油酰CoA，经三轮β-氧化生成3分子乙酰CoA和cis-⊿3-十二碳烯脂酰CoA，后者经异构酶催化为trans-⊿2-十二碳烯脂酰CoA，就可由烯脂酰CoA水化酶作用生成L-β-羟脂酰CoA，再经五轮β-氧化生成6分子乙酰CoA，总计9分子乙酰CoA。
多不饱和脂肪酸的氧化还需一个特殊的还原酶。
三、酮体的生成和利用
脂肪酸经β-氧化生成的大多数乙酰CoA进入TCA循环，当乙酰CoA的量超过TCA循环氧化能力时，多余的生成酮体（ketone bodies）,包括β-羟丁酸（占70%）、乙酰乙酸（占30%）和丙酮（微量）。酮体是燃料分子，作为“水溶性的脂”，在心脏和肾脏中比脂肪酸氧化得更快。 
（一）酮体是在肝脏中合成的
2分子乙酰CoA经肝细胞线粒体乙酰乙酰CoA硫解酶催化缩合成乙酰乙酰CoA，再在羟甲基戊二酸单酰CoA合成酶（HMG- CoA合成酶）的催化下，结合第三个乙酰CoA生成β-羟基-β-甲基戊二酸单酰CoA。然后HMG- CoA裂解酶催化生成乙酰乙酸和乙酰CoA。（乙酰乙酰CoA也可在硫酯酶催化下水解为乙酰乙酸和CoA）
乙酰乙酸在β-羟丁酸脱氢酶的催化下，由NADH供氢，被还原为β-羟丁酸或脱羧生成丙酮。
（二）酮体的利用
酮体是正常的、有用的代谢物，是很多组织的重要能源。但肝细胞氧化酮体的酶活性很低，因此酮体经血液运输到肝外组织进一步氧化分解。心、肾、脑和骨胳肌线粒体有活性很高的氧化酮体的酶。β-羟丁酸在β-羟丁酸脱氢酶催化下重新脱氢生成乙酰乙酸，在不同肝外组织中乙酰乙酸可在琥珀酰CoA转硫酶或乙酰乙酸硫激酶作用下转变为乙酰乙酰CoA，再由乙酰乙酰CoA硫解酶裂解为2分子乙酰CoA，进入TCA途径彻底氧化。
脑在正常代谢时主要以葡萄糖为能源，但在饥饿和患糖尿病时，也不得不利用乙酰乙酸，长期饥饿时，脑需要的燃料有75%是乙酰乙酸。长期饥饿和糖尿病患者的呼吸中会拌有丙酮的气味（乙酰乙酸脱羧形成）。
正常情况下，血中酮体含量很低，为0.05~0.5mmol/L。在饥饿、高脂低糖膳食和糖尿病时，脂肪动员加强，酮体生成增加，超出肝外组织利用酮体的能力，血中酮体含量升高，造成酮症酸中毒，称为酮血症，若尿中酮体增多则称为酮尿症。                                                              

第三节    脂肪的合成代谢
人体内的脂肪来源于食物和体内合成，原料涉及3-磷酸甘油的生成和脂肪酸的生物合成。肝脏、脂肪组织和小肠均可合成脂肪，以肝脏合成能力最强。
一、3-磷酸甘油的生成
糖分解代谢产生的磷酸二羟丙酮经脱氢酶催化还原生成3-磷酸甘油是最主要的来源；脂肪分解产生的甘油主要用于糖异生，很少一部分经脂肪组织外的甘油激酶催化与ATP作用生成3-磷酸甘油。
二、脂肪酸的生物合成
合成脂肪酸的酶系主要在胞浆，而糖代谢提供的乙酰CoA原料又在线粒体生成，所以乙酰CoA需通过转运。合成脂肪酸的过程不同于β-氧化的逆过程，是由7种酶蛋白和酰基载体蛋白（ACP）组成的多酶复合体完成，合成的产物是软脂酸。碳链延长是在线粒体和内质网中的2个不同的酶系催化下进行的。
（一）软脂酸的生物合成
1. 乙酰CoA转运至胞浆（柠檬酸-丙酮酸循环）。  
乙酰CoA与草酰乙酸在线粒体先缩合生成柠檬酸，经内膜上的载体转运入胞浆，在ATP-柠檬酸裂解酶作用下生成乙酰CoA与草酰乙酸，前者参与脂肪酸的合成，后者可经苹果酸脱氢酶和苹果酸酶催化转变为丙酮酸再进入线粒体，也可在载体作用下，经苹果酸直接进入线粒体，继而转变为草酰乙酸。
2. 乙酰CoA羧化生成丙二酸单酰CoA
乙酰CoA羧化酶催化，ATP、生物素、Mg2+参与，总反应：
乙酰CoA+ATP+HCO3－——→  丙二酸单酰CoA+ADP+Pi
ATP提供能量，生物素起转移羧基的作用，乙酰CoA羧化酶是FA合成的限速酶（变构酶），变构剂柠檬酸与其变构部位结合可激活此酶的活性。
3. 乙酰基和丙二酸单酰基的转移（负载）
脂肪酸合成的酰基载体不是CoA，而是酰基载体蛋白。在乙酰CoA-ACP转酰基酶和丙二酸单酰CoA-ACP转酰基酶的催化下，乙酰基和丙二酸单酰基被转移至ACP上，生成乙酰-ACP和丙二酸单酰-ACP。
4. 脂肪酸合成酶系催化进行缩合、还原、脱水、还原反应。
（1）酮酰基-ACP合成酶接受乙酰-ACP的乙酰基，释放HS-ACP，并催化乙酰基转移到丙二酸单酰-ACP上生成乙酰乙酰-ACP。
（2）乙酰乙酰-ACP中的β-酮基转换为醇，生成β-羟丁酰-ACP。反应由酮酰基-ACP还原酶催化，NADPH为酶的辅酶。
（3）β-羟丁酰-ACP经脱水酶催化生成带双键的反式丁烯酰-ACP。
（4）反式丁烯酰-ACP还原为四碳的丁酰-ACP。反应是由烯脂酰-ACP还原酶催化， NADPH为酶的辅酶。
如此每循环一次，有一个新的丙二酸单酰CoA参与合成（贡献二碳单位），7次循环，生成16C的软脂酰-ACP，经硫解酶水解生成软脂酸和HS-ACP。
哺乳动物脂肪酸氧化和合成的主要区别?
（二）脂肪酸碳链的延长
植物和动物中脂肪酸合成酶的最常见的产物是软脂酸。其它各种FA的合成需要肝细胞的线粒体或内质网中的一些酶。
在线粒体，乙酰CoA提供碳源，NADPH提供还原当量，循β-氧化逆过程，前3步反应相同，第4步反应由烯脂酰CoA还原酶催化，辅酶是NADPH而不是FAD，通过这种方式，每一轮可延长2个C，一般可延长碳链至24或26C，以18C的硬脂酸为主。
在内质网，丙二酸单酰CoA提供碳源，NADPH供氢，反应过程与软脂酸合成相似，不同的是CoASH代替ACP作为酰基载体，一般可延长碳链至22或24C，也以18C的硬脂酸为主。
（三）不饱和脂肪酸的合成
动物细胞含有催化不饱和FA双键形成的去饱和酶，可催化远离FA羧基端的第九个碳的去饱和。但九碳以上的去饱和则只有植物中的去饱和酶能催化。如亚油酸（18：2  ⊿9,12）、亚麻酸（18：3⊿9 ,12 ,15）、花生四烯酸（20：4⊿5 ,8 ,11,14）是动物所需的，但动物不能合成，是必须由食物供给的必需脂肪酸。当人体缺乏必需脂肪酸时，会出现生长缓慢、抵抗力下降、皮肤炎和毛发稀疏等症状。亚麻酸和花生四烯酸只能从亚油酸转化生成，花生四烯酸又是合成前列腺素（PG）及血栓素等重要生理活性物质的前体。
（四）脂肪酸代谢的调控
动物的FA代谢受激素的调控，主要调节物是胰岛素，肾上腺素和胰高血糖素的作用与胰岛素相反。 
三、脂肪的合成
细胞内的FFA的含量并不多，大多数是以酯化形式三脂酰甘油和磷脂存在。
脂肪合成的前体是甘油-3-磷酸和脂酰CoA。酰基转移酶催化1分子甘油-3-磷酸和2分子脂酰CoA生成磷脂酸，经磷脂酸磷酸酶水解去磷酸生成二脂酰甘油，再由酰基转移酶催化结合1分子脂酰CoA生成三脂酰甘油。

第四节   磷脂的生物合成
哺乳动物的所有组织均可合成磷脂。CTP在磷脂合成中特别重要。
一、甘油磷脂的合成
在生理pH下，磷脂酰胆碱与磷脂酰乙醇胺所带的净电荷为零，属于中性磷脂，而磷脂酰肌醇与磷脂酰丝氨酸带有负的净电荷属于酸性磷脂。
磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和三脂酰甘油是通过一个共有途径合成的。
先由甘油-3-磷酸作为酰化反应的骨架与提供酰基的脂酰CoA反应生成磷脂酸，脱磷酸后成二脂酰甘油（DG）。DG直接酰化形成TG或与CDP-胆碱或CDP-乙醇胺反应生成磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。DG是合成的重要中间物。
CDP-胆碱与CDP-乙醇胺是胆碱与乙醇胺在激酶的催化下先生成磷酸胆碱和磷酸乙醇胺，再在转移酶作用下，与CTP反应生成。
磷脂酰乙醇胺可接受S-腺苷蛋氨酸提供的-CH3而转化成磷脂酰胆碱。
磷脂酸是两个酸性磷脂合成的直接前体。磷脂酸与CTP反应生成CDP-二脂酰甘油。在E.coli，CDP-二脂酰甘油与丝氨酸结合生成磷脂酰丝氨酸；在原核生物和真核生物中，与肌醇结合形成磷脂酰肌醇，或与1分子磷脂酰甘油结合生成心磷脂，心磷脂是心肌线粒体内膜的主要磷脂。
在哺乳动物中，磷脂酰丝氨酸是在碱基交换酶的作用下形成的。该酶催化丝氨酸取代磷脂酰乙醇胺中的乙醇胺，反应是可逆的。
二、鞘脂的合成
鞘脂是一类以鞘氨醇为结构骨架的脂，骨架是由软脂酰CoA及丝氨酸为原料合成。鞘氨醇酰化生成N-脂酰鞘氨醇（神经酰胺），再与CDP-胆碱或磷脂酰胆碱形成鞘磷脂，也可与UDP-半乳糖反应生成脑苷脂。

第五节   胆固醇的生物合成
机体所需胆固醇主要通过自身合成，仅从食物（内脏、蛋黄、肉类等）摄取少量。
一、合成部位和原料
除脑组织和成熟红细胞外，几乎全身各组织均可合成胆固醇，肝脏的合成能力最强，占总量的3/4以上。
乙酰CoA是起始原料，需ATP供能和NADPH供氢。合成酶系存在于胞液和内质网。
二、合成的基本过程
合成过程复杂，有近30步酶促反应，大致分为三个阶段：
乙酰基（C2）→异戊二烯（C5）→鲨烯（C30）→胆固醇（C27）
1.乙酰CoA合成异戊烯焦磷酸（IPP）
2分子乙酰CoA经硫解酶催化缩合成乙酰乙酰CoA，由HMG- CoA合成酶催化结合1分子乙酰CoA，生成β-羟基-β-甲基戊二酸单酰CoA（HMG- CoA）， HMG- CoA还原酶（限速酶）催化其生成甲羟戊酸（MVA），消耗2分子NADPH。甲羟戊酸经磷酸化、脱羧三步酶促反应生成活泼的异戊烯焦磷酸（IPP）。
2.鲨烯的合成
一种异构酶催化异戊烯焦磷酸转换成二甲烯丙基焦磷酸（DPP）。然后它按照头对尾方式与另一分子异戊烯焦磷酸缩合成10C牛龙      牛儿焦磷酸。再按头对尾方式与另一分子异戊烯焦磷酸缩合成15C焦磷酸法尼酯（FPP），2分子FPP由鲨烯合成酶催化，仍然按头对尾方式缩合成30C的鲨烯。
3.鲨烯转换为胆固醇
鲨烯转换为胆固醇的过程很复杂，一个中间产物是羊毛固醇，涉及加氧、环化，形成由四个环组成的胆固醇核的反应。而由羊毛固醇到胆固醇还要经过甲基的转移、氧化、脱羧等约20步反应。
三、胆固醇合成的调节和转变
调节胆固醇合成的关键酶是HMG- CoA还原酶。该酶受胆固醇的抑制，同时酶的磷酸化也可调节酶的活性。对于严重的高胆固醇血症，常使用HMG- CoA还原酶的抑制剂，如洛伐他汀。
胆固醇的母核是环戊烷多氢菲，在体内不能被降解，但可以转变成许多具有重要生理功能的固醇类物质。
1.胆汁酸：3/4的胆固醇可在肝脏转变为胆汁酸，随胆汁入肠道，参与脂类的消化吸收。这是胆固醇代谢的主要去路。
2.类固醇激素：胆固醇在肾上腺皮质球状带可转变为肾上腺皮质激素，调节糖、脂、蛋白质代谢；在肾上腺皮质网状带可转变雄激素及少量的雌激素；在睾丸和卵巢组织可经睾酮再转变成二氢睾酮或雌二醇后发挥生理作用。
3.VD3：胆固醇在肠粘膜细胞内可转变为7-脱氢胆固醇（VD3原），经血液运输到皮肤，在紫外线照射下转变成VD3，继而在肝、肾进行两次羟化生成1，25-（ O H ）2 -D3，调节钙磷代谢。
4.胆固醇酯：在肝、肾上腺皮质和小肠等组织中，胆固醇与脂酰CoA在脂酰CoA胆固醇酰基转移酶（ACAT）作用下，生成胆固醇酯。（胆固醇酯酶可将其水解为胆固醇。）
在血浆中，胆固醇在卵磷脂胆固醇酰基转移酶（LCAT）作用下，接受卵磷脂分子中的脂酰基生成胆固醇酯。
小部分胆固醇可经肠道细菌作用后经肠道排出。




第七章  氨基酸代谢

教学目标：
1.熟悉蛋白质的酶促降解过程。
2.掌握氨基酸分解代谢的一般规律（脱氨基和脱羧基作用，氨基酸分解产物氨和α- 酮酸的去路，尿素的合成）。
3.掌握氨基酸合成途径的类型、必需氨基酸和一碳单位概念；了解某些重要生物活性物质的合成。
导入：蛋白质是生命的物质基础，也是能源物质。蛋白质在体内首先分解为氨基酸而后再进一步代谢，所以氨基酸代谢是蛋白质分解代谢的中心内容。本章重点讲述氨基酸分解代谢。蛋白质的合成另立一章。第一节  蛋白质的酶促降解
一、蛋白质的营养价值
蛋白质是重要的营养素，人和动物摄食蛋白质用以维持细胞、组织的生长、更新和修补；产生酶、激素、抗体和神经递质等多种重要的生理活性物质，这是糖和脂类不可替代的。每克蛋白质在体内氧气分解产生4千卡能量。
植物和大多数细菌能够合成全部20种基本氨基酸。然而哺乳类不能全部合成。对于成人来说，缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和色氨酸必须由食物供应，称为营养必需氨基酸，对婴幼儿，组氨酸和精氨酸不能满足营养需要量。可由生物机体合成的氨基酸称为非必需氨基酸。
蛋白质的营养价值取决于所含氨基酸的种类、数量及其比例，如果某种食物蛋白中必需氨基酸的种类和比例与人体组织蛋白接近，其营养价值就高。营养价值较低的蛋白质混合食用，可使必需氨基酸相互补充提高其营养价值，这称为蛋白质的互补作用。
蛋白质的生理需要量根据氮平衡实验，我国营养学会推荐成人每日需要量为80克。
二、蛋白质的酶促降解
蛋白质大分子难以通透生物膜吸收，有时有些抗原、毒素可少量通过粘膜细胞吞饮进入体内而引起过敏、毒性反应。食物蛋白必需经过消化，水解成氨基酸才被机体利用。消化自胃中开始，主要在小肠进行。
蛋白水解酶又称肽酶，包括内肽酶、外肽酶、寡肽酶和二肽酶。内肽酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶，对肽链内肽键的特异性不同。胃蛋白酶对底物特异性较低，主要水解Phe、Try C端的肽键；胰蛋白酶水解Lys、Arg C端；胰凝乳蛋白酶作用Phe、Try C端；弹性蛋白酶作用脂肪族氨基酸C端。羧肽酶、氨肽酶是外肽酶，羧肽酶B要求肽的C末端氨基酸残基必须是Arg、Lys；羧肽酶A则水解除Arg、Lys，Pro或羟脯氨酸外的C末端氨基酸残基。
胃粘膜主细胞分泌胃蛋白酶原（pepsinogen），经胃酸激活生成胃蛋白酶。胃蛋白酶有自身激活作用。胰酶的前体也是无活性的酶原，进入十二指肠后，胰蛋白酶原迅速被肠激酶激活；胰蛋白酶自身激活作用不强，加上胰液中存在的胰蛋白酶抑制剂，可保护胰脏免遭自身消化，但胰蛋白酶能迅速激活胰液中其他几种酶原。
组织蛋白酶不同于消化道中的蛋白酶。动物死后，组织自溶和尸体腐烂与它有关。植物的种子、幼苗、叶和果实都含有蛋白酶，种子萌发时，蛋白酶的活力最强。某些微生物在适当的条件下能产生大量的细胞外蛋白酶，利用工业发酵可生产蛋白酶。
氨基酸的吸收主要在小肠，是一个耗能的主动吸收过程。外源性氨基酸和内源性氨基酸混合，共同组成氨基酸代谢库，其去路大部分用以合成组织蛋白质。                   

第二节  氨基酸的一般代谢
氨基酸的一般代谢是指各种氨基酸共同的分解代谢途径。开始于脱氨作用；氨与天冬氨酸的N原子结合，形成尿素并被排放；氨基酸的碳骨架（脱氨基产生的α-酮酸）转化为一般的代谢中间物。
  一、脱氨基作用
氨基酸脱氨有氧化脱氨和非氧化脱氨两种方式，氧化脱氨又和转氨作用组成联合脱氨基作用。非氧化脱氨主要在微生物体内进行。
1.氧化脱氨基作用
氧化脱氨是酶催化下伴随有脱氢的脱氨，α-氨基酸转变为α-酮酸。主要的酶有L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脱氢酶。前二类是黄素蛋白酶，辅基为FMN和或FAD，在动物体内作用都不大，所形成的FMNH2或FADH2被氧分子氧化，产生毒性的过氧化氢，可由过氧化氢酶分解为水和氧。
L-谷氨酸脱氢酶广泛分布于动物、植物和微生物，辅酶为NAD+或NADP+。L-谷氨酸脱氢酶活性高，专一性强，只催化L-谷氨酸氧化脱氨生成α-酮戊二酸、NH3、NADH或NADPH，反应是可逆的。此酶是一种变构酶，ATP、GTP和NADH是变构抑制剂，而ADP、GDP是变构激活剂。
味精生产即利用微生物体内的L-谷氨酸脱氢酶将α-酮戊二酸转变为谷氨酸，进而转化为谷氨酸钠。
2.转氨基作用
一种α-氨基酸的氨基在转氨酶催化下转移到α-酮酸上，生成相应的α-酮酸和另一α-氨基酸，反应是可逆的。
转氨作用沟通了糖与蛋白质的代谢。大多数转氨酶以α-酮戊二酸作为氨基的受体，这样许多氨基酸的氨基通过转氨作用转化为谷氨酸，再经L-谷氨酸脱氢酶的催化使氨基酸氧化分解。所以谷氨酸在很多氨基酸合成和降解代谢反应中是一个关键的中间代谢物。
已发现50种以上转氨酶。谷丙转氨酶（GPT）在肝脏中活性最高，谷草转氨酶（GOT）在心脏中活性最高，都是细胞内酶。肝细胞受损，血清GPT明显升高。
而心肌梗死患者GOT显著上升。
转氨酶的辅酶只有一种，即磷酸吡哆醛，是VB6的磷酸酯。在转氨过程中，磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺之间相互转变，起着传递氨基的作用，类似于打乒乓球，所以称为乒-乓反应机制。
3.联合脱氨基作用
两种或两种以上的酶联合催化氨基酸的α-氨基脱下，并产生游离氨的过程，称为联合脱氨基作用。动物体内大部分氨基酸是通过这种方式脱氨的，常见的有两种途径：
（1）转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶的联合
主要在肝、肾等组织，转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶的联合作用，可使大部分氨基酸脱去氨基，全过程是可逆的，其逆过程可以合成新的氨基酸。在这一过程中，α-酮戊二酸是一种氨基传递体，可由三羧酸循环中大量产生。
（2）连续转氨偶联嘌呤核苷酸循环
主要在心肌、骨骼肌和脑进行。活动的肌肉会生氨是因为肌肉内L-谷氨酸脱氢酶活性不高，氨基酸通过连续脱氨，将氨基转移给草酰乙酸，生成天冬氨酸，再与次黄嘌呤核苷酸（IMP）生成AMP。AMP在腺苷酸脱氢酶催化下，生成IMP并释放氨，完成联合脱氨基作用。IMP既是接受天冬氨酸的起始物，又是释放氨基后的再生物，于是构成了嘌呤核苷酸循环。
二、氨的去路
1.氨对动物是有毒的
氨在pH7.4时主要以NH4＋的形式存在，在兔体内，血氨达到5mg/100mL，兔即死亡，正常人血氨浓度小于60μmol/L,血氨升高会引起脑功能紊乱，出现中毒症状，是肝昏迷发病的重要机制之一。
血氨的去路：①合成尿素（人体80%～90%的氨以尿素形式排出，鸟类和生活在比较干燥环境中的爬虫类以尿酸形式排出，水生动物可直接排出）；②合成谷氨酰胺（这是神经组织解氨毒的重要方式，也是氨的储存、运输方式。在植物体内，氨的运输、储存和利用形式是天冬酰胺）；③合成非必需氨基酸或其他含氮物（嘌呤或嘧啶碱）。
2.尿素的合成
（1）部位：肝脏线粒体和胞液。
（2）机理：1932年，德国学者Krebs和Hensleit根据实验研究，提出了鸟氨酸循环（ornithine cycle）合成尿素的学说，这比三羧酸循环发现早5年。实验的根据是：将鼠肝切片置于胺盐和重碳酸盐介质中，有氧条件下保温数小时，发现胺盐含量减少，而尿素增多。当加入少量鸟氨酸、瓜氨酸或精氨酸能大大加速尿素的合成。肝脏又含有精氨酸酶，可催化精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素。于是一个循环机制就出现。
（3）反应过程：有5步反应，前2步在肝细胞线粒体，其他3步在胞质溶液中进行。尿素循环本身是四步酶促反应组成。
氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ（CPS-Ⅰ）激活氨结合CO2形成氨甲酰磷酸。
鸟氨酸转氨甲酰酶催化氨甲酰磷酸转移到鸟氨酸上生成瓜氨酸。
精氨琥珀酸合成酶催化瓜氨酸与天冬氨酸缩合生成精氨琥珀酸。这是尿素中第2个氮原子的来源。
精氨琥珀酸酶催化精氨琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸（后者可进入三羧酸循环，并转变为草酰乙酸，转氨后又形成天冬氨酸）。
精氨酸酶水解精氨酸生成尿素，并重新产生鸟氨酸，进入第二轮循环。
总反应式：NH3 + HCO3- +天冬氨酸 +3ATP → CO( N H 2)2 + 延胡索酸 + 2ADP+2Pi+AMP+PPi
尿素的合成是一个耗能的过程，循环中使用了4个高能磷酸键（3分子ATP水解为2ADP及Pi、一个AMP和PPi，后者随之水解为Pi）。
尿素循环产生的延胡索酸可进入TCA，精氨酸与甘氨酸缩合形成瓜基乙酸，进而合成肌酸磷酸（肌肉中的一种高能仓库）。
（4）调节：氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ是变构酶，乙酰谷氨酸（AGA）是该酶的激活剂，而精氨酸又是AGA合成酶的激活剂，因此，精氨酸浓度增高时，尿素生成加速。精氨琥珀酸合成酶活性最低，是限速酶。
三、α-酮酸的去路
α-酮酸的去路：①氨基化生成非必需氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸由一步转氨反应合成，其它的也是通过短的，不太耗能的途径合成）；②转变成糖和脂肪；③氧化供能。
脊椎动物体内的20种氨基酸的碳骨架由各自的酶系进行氧化分解，途径各异，但集中形成5种产物进入柠檬酸循环。这5种产物是乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸。它们最后氧化成CO2和H2O，释放能量。
降解为柠檬酸循环中间代谢物的氨基酸还可以进入糖异生途径生成葡萄糖，这样的氨基酸称为生糖氨基酸；那些形成乙酰CoA氨基酸可以成为脂肪酸和酮体的前体，称生酮氨基酸；既可生成柠檬酸循环中间代谢物，又可生成乙酰CoA的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸。氨基酸碳骨架进入TCA的途径如下图。

第三节  氨基酸合成代谢的概况
一、氨基酸的N原子及碳骨架的来源
不同的生物合成氨基酸的能力不同,合成氨基酸的种类也有差异。只有少数生物（能合成固氮酶的微生物和藻类）可以利用N2和简单的碳化合物合成氨基酸。氨可以被所有生物所利用，由N2衍生的氨通过谷氨酸和谷氨酰胺整合到氨基酸等代谢物中，它们的碳骨架来自糖酵解、柠檬酸循环和戊糖磷酸途径。
氨基酸生物合成途径不是分解途径的逆转，是多酶体系催化的多步骤反应。所有自身能合成的非必需氨基酸都是生糖氨基酸。而必需氨基酸有生糖和生酮氨基酸，因为它们转变成糖和转变成酮体的过程是不可逆的，所以脂肪很少或不能用来合成氨基酸。
不同氨基酸的生物合成途径不同，按相关代谢途径的中间物提供的起始物的不同分为六个类型： 
二、氨基酸与一碳单位
生物体内许多物质的代谢和含有一个碳原子的基团有关，如卵磷脂的生物合成中有由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基的反应。某些氨基酸在分解代谢过程中可以产生一碳单位。
1.概念：甲基、亚甲基（-CH2-）、次甲基（-CH=）、甲酰基、亚胺甲基（-CH=NH）等，称为一碳单位。但CO2不属于这种类型。
2.产生和转运：一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的代谢。一碳单位不能游离存在，必须与载体四氢叶酸（FH4或THFA）结合转运和参与代谢。叶酸为B族维生素，在体内经二氢叶酸还原酶作用，加氢形成FH4。一碳单位通常结合在FH4分子的N5、N10位上，如N5，N10 -甲烯四氢叶酸。
丝氨酸在羟甲基转移酶催化下，生成甘氨酸的过程中产生N5，N10–CH2-FH4，而甘氨酸在甘氨酸裂解酶作用下，也会产生N5，N10–CH2-FH4。
组氨酸在体内经酶促分解产生N-亚氨甲基谷氨酸，进而转化为谷氨酸。（FH4接受亚氨甲基生成N5-CH=NH-FH4，再生成N5，N10=CH-FH4，后者可参与合成嘌呤碱C8原子。）
色氨酸在分解过程中产生甲酸，结合FH4，生成N10-甲酰四氢叶酸，参与合成嘌呤碱C2原子。
不同形式的一碳单位可通过氧化还原反应而彼此转变。其中N5-甲基四氢叶酸的生成是不可逆的，它的含量较多，成为细胞内四氢叶酸的储存形式和甲基的间接供体，即将甲基转移给同型半胱氨酸生成甲硫氨酸（Met），在腺苷转移酶催化下生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），再在甲基转移酶催化下，将活性甲基转移给甲基受体，然后水解去除腺苷生成同型半胱氨酸，从Met活化为SAM到供出甲基及其再生成的整个过程称为甲硫氨酸循环。体内一些有重要生理功能的化合物，如肾上腺素、胆碱、肉碱、肌酸等的合成都是从SAM获得活性甲基。
3.生理功用：主要是作为合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料。是将氨基酸和核苷酸代谢联系起来，与细胞的增殖、生长和机体发育过程有密切关系。
一、 一些氨基酸衍生物的合成
氨基酸除了作为蛋白质的构件分子外，还是许多特殊生物分子的前体，包括激素、辅酶、核苷酸、卟啉、NO及一些胺类分子。以下仅介绍几种：
1．神经递质和激素
氨基酸的脱羧作用在微生物中很普遍，在高等植物组织中亦有，但不是机体氨基酸代谢的主要方式。体内部分氨基酸可在专一性很高的氨基酸脱羧酶的催化下，生成相应的胺。如在脑组织，谷氨酸在谷氨酸脱羧酶作用下，脱去α-羧基生成γ-氨基丁酸（GABA），是一种抑制性神经递质。
组氨酸脱羧生成的组胺可控制血管收缩以及胃分泌胃酸。
色氨酸经羟化后脱羧生成5-羟色胺（5-HT），也是一种神经递质，还是某些非神经组织的激素。
苯丙氨酸和酪氨酸是两种重要的芳香族氨基酸。苯丙氨酸经羟化作用生成酪氨酸。后者参与儿茶酚胺、黑色素等代谢。苯酮酸尿症、白化病等遗传病与它们代谢异常有关。
2.牛磺酸
牛磺酸是某些胆酸的组分，于1827年在牛的胆汁中发现。牛磺酸分布于心、肝、肾、肺、脑、骨骼肌，来源于半胱氨酸氧化脱羧，也被认为是一种抑制性神经递质。


第八章  核苷酸代谢

教学目标：
1.熟悉核酸的酶促降解（核酸酶的种类，嘌呤和嘧啶的分解及代谢终产物）。
2.掌握核苷酸生物合成的基本途径及特点（嘌呤核苷酸从头合成的原料、途径、产物、调节和抗代谢物；嘧啶核苷酸从头合成的原料、途径、产物、调节和抗代谢物）。
3.了解核苷酸合成的补救途径和脱氧核苷酸的合成。
导入：核苷酸是核酸的基本结构单位，具有多种重要的生理功能。人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成。因此，一般不作为营养必需物质。食物中的核酸多以核蛋白的形式存在，受胃酸作用，分解成核酸与蛋白质；核酸经胰液和肠液各种水解酶的作用逐步水解，食物来源的嘌呤和嘧啶极少被机体利用。本章重点讨论核苷酸在体内的合成。

第一节   核酸的酶促降解
一、核酸酶类
动物可以分泌水解酶类来分解食物中的核蛋白和核酸类物质，植物一般不能消化体外的有机物质。但所有生物细胞都含有与核酸代谢有关的酶类。
核酸酶作用核酸链的磷酸二酯键产生寡聚核苷酸和单核苷酸。按作用底物分为核糖核酸酶（RNase）和脱氧核糖核酸酶（DNase）；按作用部位有核酸内切酶和核酸外切酶；在细菌中存在一类能识别并水解外源DNA的核酸内切酶，称作限制性内切酶，可用于特异切割DNA，是很有用的工具酶。核酸的分解过程如下：
核酸 → 核苷酸 → 核苷+磷酸 →嘌呤碱和嘧啶碱+戊糖-1-磷酸
核苷酸酶（磷酸单脂酶）水解核苷酸生成核苷和磷酸。
分解核苷的酶有两类：核苷磷酸化酶将核苷和磷酸转化成游离碱基和戊糖-1-磷酸，反应是可逆的，此酶存在广泛。核苷水解酶主要在植物和微生物体内，只对核糖核苷水解，生成碱基和戊糖。
二、嘌呤碱的分解
1.不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因而代谢终产物不同。
人、猿、鸟类和某些爬虫类和昆虫以尿酸作为嘌呤碱分解的终产物而排泄。其他生物能进一步降解尿酸为尿嚢素、尿嚢酸、尿素，甚至氨。
2.嘌呤的分解首先是由各种脱氨酶水解脱去氨基，腺嘌呤转化成次黄嘌呤，鸟嘌呤转化为黄嘌呤。脱氨反应也可在核苷或核苷酸水平上发生。在动物组织中，腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺苷酸脱氨酶和腺苷脱氨酶的活性较高，生成的次黄苷酸和次黄苷经磷酸化酶催化生成次黄嘌呤，然后在黄嘌呤氧化酶作用下氧化生成尿酸。
3.在人体内嘌呤的分解主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。正常人血浆中尿酸的含量为20～60mg/L，超过80 mg/L时，尿酸盐晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾而导致关节炎、尿路结石和肾病，称痛风症。治疗痛风的常用药物是别嘌呤醇，与次黄嘌呤结构非常类似，在细胞内被转换为别黄嘌呤，是黄嘌呤脱氢酶的一个很强的抑制剂，可防止非正常的高水平的尿酸的形成。
三、嘧啶碱的分解
1.有氨基的嘧啶先水解脱氨，如胞嘧啶脱氨生成尿嘧啶。在人和某些动物体内其脱氨过程也可能在核苷或核苷酸水平进行。先是5＇- 核苷酸酶水解三种嘧啶核苷酸生成相应的核苷和磷酸，然后，胞苷经胞苷脱氨酶催化脱氨形成尿苷。尿苷和胸苷经磷酸化酶磷酸解分别生成尿嘧啶和核糖-1-磷酸以及胸腺嘧啶和脱氧核糖-1-磷酸。
2.嘧啶降解产物易溶于水，有氨、碳酸、β-丙氨酸或β-氨基异丁酸。进一步降解生成乙酰C0A和琥珀酰C0A。
胞嘧啶→尿嘧啶→二氢尿嘧啶→β-脲基丙酸→β-丙氨酸→乙酰C0A→TCA
胸腺嘧啶→二氢胸腺嘧啶→β-脲基异丁酸→β-氨基异丁酸→琥珀酰C0A→TCA
3.在哺乳动物中，嘧啶的降解主要在肝脏进行。

第二节   核苷酸的生物合成
一、合成的基本途径
1.有从头合成和补救合成两条基本途径。从头合成是由简单的前体分子（如氨基酸、CO2、NH3、戊糖磷酸）经过较复杂的酶促反应逐步合成核苷酸，是主要途径。补救合成是利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸，是省能的、简单的反应过程，消耗的ATP少，节省一些氨基酸的消耗。
2.肝组织主要进行从头合成，而脑、骨髓、红细胞等只能进行补救合成。新生及年轻组织的内源性核苷酸从头合成比例大；而衰老组织及肝功能降低时，补救合成比例增大。
二、嘌呤核苷酸的合成  
(一)从头合成
1.原料和部位
用同位素标记示综实验，证明生物体内能利用二氧化碳、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸作为合成嘌呤环的前体。嘌呤环的N-1来自天冬氨酸的氨基；N-3、N-9来自谷氨酰胺的酰胺基；C-2、C-8的来自甲酸盐；C-6来自CO2；C-4、C-5、N-7来自甘氨酸。
从头合成的器官主要有肝脏、小肠粘膜及胸腺，在胞液中进行
2.反应过程 
嘌呤核苷酸合成的起始物是核糖-5-磷酸（来自戊糖磷酸途径），PRPP合成酶催化ATP的焦磷酸基团转移到核糖-5-磷酸的C-1，形成PRPP。从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸（IMP），其他各种嘌呤核苷酸都是IMP衍生而来。
（1）次黄嘌呤核苷酸的合成
由PRPP到IMP的合成过程有十步反应，全过程含酰胺键合成、脱水环化、酰基化、氨基化和裂解几个类型的反应：
第一阶段第5步反应形成咪唑五元环。先是PRPP转酰胺酶(关键酶)催化PRPP脱去焦磷酸并结合来自谷氨酰胺的氨基，生成5-磷酸核糖胺（PRA）。然后由甘氨酰胺核苷酸合成酶、甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶、甲酰甘氨脒核苷酸合成酶、氨基脒唑核苷酸合成酶依次将甘氨酸、一碳单位等基团连接上去形成5-氨基咪唑核苷酸（AIR）。
第二阶段的第10步反应形成嘧啶六元环。涉及的酶有氨基脒唑核苷酸羧化酶、氨基脒唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶、腺苷酸基琥珀酸裂解酶、氨基脒唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶、IMP环化水解酶。
（2）AMP和GMP是IMP的衍生物 
由IMP合成AMP的两步反应类似于IMP合成中的第（7）、（8）步反应。腺苷酸基琥珀酸合成酶与腺苷酸基琥珀酸裂解酶催化，消耗GTP，反应是可逆的。 
IMP转换成GMP在IMP脱氢酶和GMP合成酶催化下完成，先氧化成XMP，再以谷氨酰胺上的酰胺基取代XMP中C-2上的氧，消耗ATP，反应是不可逆的。
（二）从头合成的调节和抗代谢物
1.调节位点：有3处。PRPP合成酶受AMP和GMP等的反馈抑制；谷氨酰胺-PRPP转酰胺酶是最主要的调控部位，它受到AMP和GMP等的变构抑制；由IMP转变成AMP或GMP时也受它们的反馈抑制。
2.抗代谢物
抗代谢物是一些与嘌呤、氨基酸或叶酸等结构类似的物质。它们主要以竞争性抑制等方式干扰或阻断嘌呤或嘧啶核苷酸的合成，进而阻止核酸及蛋白质的合成。肿瘤细胞的核酸及蛋白质合成十分旺盛，抗代谢物具有抗肿瘤作用。
嘌呤类似物有6-巯基嘌呤（6-MP）等，对急性白血病疗效显著。它竞争性抑制补救合成途径中的HGPRT活性，阻止了补救合成途径；而6-MP在体内经酶催化生成巯基嘌呤核苷酸，可阻断IMP转变成AMP及GMP，抑制核酸的合成。
氨基酸类似物有重氮丝氨酸及6-重氮-5-氧正亮氨酸等。它们的结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用。
（三）补救合成
外源的或降解产生的碱基和核苷，可被生物体重新利用。在哺乳动物的某些组织及微生物中广泛存在多种磷酸核糖转移酶，催化嘌呤碱和PRPP合成嘌呤核苷酸。腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤与PRPP形成AMP和PPi（PPi水解，使得反应不可逆）。次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）催化次黄嘌呤转变为IMP或鸟嘌呤转变为GMP，同时生成PPi（此酶的特性使低浓度的PRPP条件下，补救合成比从头合成优先发生）。
1964年，Lesch-Nyhan描述了一种严重的代谢病，其特征是智力迟钝，痉挛，表现出强制性的自残行为，甚至自毁容貌，称为莱-纳综合症或自毁容貌症。该病限于男性，是X染色体上HGPRT酶基因缺陷引起，缺乏HGPRT酶的细胞含高浓度的PRPP，从头合成的速率大大增加，过量的IMP降解的尿酸达到正常的6倍，体内过量的尿酸引起该症。
三、嘧啶核苷酸的合成
（一）从头合成
1． 原料和部位
 嘧啶环的原料来自谷氨酰胺、天冬氨酸及CO2。主要在肝脏胞液中进行。
2. 合成过程
与嘌呤核苷酸从头合成不同的是先合成嘧啶环，再与PRPP反应形成最初产物尿嘧啶核苷酸（UMP），涉及6步反应。
（1）UMP的合成  
氨甲酰磷酸合成酶（CPS-Ⅱ）催化谷氨酰胺、HCO3-和ATP生成氨甲酰磷酸（在真核生物中，有两种氨甲酰磷酸合成酶，线粒体中的是CPS-I，是首先发现的，生成的氨甲酰磷酸用于合成尿素；胞液中的CPS-Ⅱ，催化嘧啶合成的第一步关键反应）。
天冬氨酸转氨甲酰酶催化氨甲酰磷酸结合天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸；二氢乳清酸酶将其环化；二氢乳清酸脱氢酶进一步氧化生成乳清酸；然后由乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸与PRPP反应生成乳清苷酸（OMP），乳清苷酸脱羧酶催化脱羧生成UMP。
（2）CTP是由UMP合成的  
UMP转换成CTP涉及三步反应。尿苷酸激酶催化ATP的γ-磷酸转移给UMP形成UDP，核苷二磷酸激酶催化第二个ATP的γ-磷酸转移给UDP生成UTP，最后 CTP合成酶催化来自谷氨酰胺的酰胺氮转移至UTP的C-4，形成CTP。
（3）脱氧核苷酸的合成
在大多数生物中，ADP、GDP、CDP和UDP四种核苷二磷酸可在核苷二磷酸还原酶的催化下生成相应的脱氧核苷二磷酸dNDP。NADPH为合成的还原力，电子从NADPH向还原酶转移需要经过黄素蛋白和硫氧还蛋白的转递。
DNA合成需要的dTMP是由dUMP甲基化形成的。首先dUDP转换为dUMP（有多条途径，一条是核苷单磷酸激酶催化dUDP与ADP反应生成dUMP和ATP；另一条是dUDP先形成dUP，然后水解生成dUMP和PPi。dCMP经脱氨也可形成dUMP）。dUMP转换成dTMP的反应是由胸苷酸合成酶催化的， N5，N10–CH2-FH4提供一碳单位后，形成二氢叶酸，经二氢叶酸还原酶催化又成为FH4，再在丝氨酸羟甲基转移酶催化下，结合丝氨酸生成N5，N10 –CH2-FH4。
（二）从头合成的调节和抗代谢物
1.调节位点
原核生物和真核生物从头合成的酶不同，途径受到的调节也不同。
大肠杆菌嘧啶核苷酸的合成在三个控制点上受到终产物的反馈抑制。第一
个调节酶是氨甲酰磷酸合成酶，它受UMP反馈抑制。另两个调节酶是天冬氨酸转氨甲酰酶（主要调节位点）和CTP合成酶，它们受CTP的反馈抑制。
在哺乳动物，主要调节酶氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ受UMP反馈抑制，PRPP和IMP可以激活该酶。
嘧啶与嘌呤两类核苷酸合成上有协调控制关系，PRPP合成酶是共同需要的酶，可同时接受这两类核苷酸的反馈调节。
2.抗代谢物
5-氟尿嘧啶（5-FU）的结构与胸腺嘧啶相似，在体内经补救合成途径转变为脱氧5-氟尿嘧啶核苷酸后，可抑制胸苷酸合成酶，阻断dUMP合成dTMP。
氨基蝶呤及氨甲蝶呤都是叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，结果阻止四氢叶酸的生成，从而抑制了它参于的各种一碳单位转移反应。氨甲蝶呤的主要作用点是dTMP合成中的一碳单位转移反应。
大多数正常细胞的分裂要比癌细胞慢得多，对氨甲蝶呤的敏感性低。
（三）补救合成
催化UMP补救合成的酶类有尿嘧啶磷酸核糖转移酶，尿苷磷酸化酶，尿苷激酶。催化的反应如下：
尿嘧啶 + PRPP → UMP + PPi
尿嘧啶 + R-1-P → 尿苷+ Pi
尿苷 + ATP → UMP + ADP
第九章  DNA的生物合成（复制）

教学目标：
1.掌握DNA复制的概念、特点和参与复制的酶与蛋白质。比较原核细胞DNA复制与真核细胞DNA复制的不同。
2.掌握反转录的概念、反转录酶、主要反应过程。
3.了解DNA损伤的概念、影响因素和修复方式。
4.了解基因重组、DNA克隆、聚合酶链式反应的概念。 
导入：DNA的生物合成反应有三种方式：DNA指导的DNA合成，RNA指导的DNA合成和修复合成。第一种就是DNA复制，是最主要的合成方式。复制是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。碱基配对规律和DNA双螺旋结构是复制的分子基础，其化学本质是酶促的生物细胞内单核苷酸聚合。本章重点讲述复制的特点、机制和过程。

第一节  DNA的复制
自从1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型和DNA半保留复制假说后，关于遗传信息的传递，科学界出现了一场空前热烈的探索。遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，通过DNA复制由亲代传递给子代；在子代的生长发育过程中又自DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种功能，使后代现出与亲代相似的遗传性状。
一、DNA的半保留复制（semiconservation replication）
1.概念：DNA复制的一种方式。每条链都可作为合成互补链的模板，合成出的两分子双链DNA，每个分子都是由一条亲代链和一条新链组成。
2.实验证明：1958年，Meselson和Stahl通过一个著名的实验证明了Watson和Crick的推测。实验设计是以大肠杆菌为材料，培养基以15N标记的NH4Cl作为N的惟一来源（重氮培养基）。经过15代传代培养，使其DNA全部变成[15N]DNA。然后转移到轻氮培养基传代培养，每隔一定时间取样，对DNA进行分析（CsCl密度梯度离心），其结果呈规律性的变化：
在0代细菌中，DNA双链中氮的分布为15N/15N，对DNA密度梯度离心，得浮力密度为1.724g/ml；在第1代细菌中，DNA双链中氮的分布由15N/15N转为15N/14N，其浮力密度为1.717g/ml；在第1代以后的细菌中，DNA双链中氮分布有两种，即15N/14N和14N/14N；随着传代次数的增加，双链均含14N的DNA的比重越来越高。
1963年Cairus用放射自显影的方法第一次观察到完整的正在复制的大肠杆菌染色体DNA。
3.意义：半保留复制是DNA复制最重要的特征。这种方式使子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，说明DNA在代谢上的稳定性。物种稳定的分子基础就是遗传的相对保守性，体现在代与代之间DNA碱基序列的一致性，或者说某种生物的后代只能是它的同种生物而不是其他。
二、DNA复制的起点和方式
基因组能独立进行复制的单位称为复制子（replicon）。每个复制子都含有控制复制起始的起点（origin），可能还有终止复制的终点（terminus）。
（一）环状DNA双链的复制
大肠杆菌DNA复制始于单一起点或原点（oriC），双向、等速、对称进行。在电镜下复制的起点与复制的DNA部分犹如眼睛，称复制眼，包括两个反向运动的复制叉（replication fork），形成θ型。复制叉移动速度约50000 bp/min。染色体完成复制需要40 min。
某些病毒及噬菌体DNA复制时，可以观察到单向滚环型复制。在哺乳类动物线粒体DNA复制中发现，两条链的合成是高度不对称，一条链上迅速合成出互补链，另一条则为游离的单链环（即D-环）。
（二）线性DNA双链的复制
真核生物染色体DNA是线性双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子。虽然其复制叉移动慢（1000~3000bp/min），但同时起作用的复制叉数目大，DNA复制的总速度比原核生物还快。
三、与DNA复制有关的酶
DNA指导下的DNA合成，是一个复杂、有序的酶促反应过程，涉及几十种酶和因子参与。
1.DNA聚合酶（polymerase）
1956年Kornberg等首先从大肠杆菌中发现DNA-polＩ，能催化脱氧核苷酸加到引物链的3′-OH末端，引物延伸方向5′→3′。该酶需要的条件：4种dNTP、Mg2+、DNA模板（template）、引物（primer），此酶有三种活性：5′→3′聚合酶，5′→3′外切酶（切除引物和突变片段），3′→5′外切酶（校正活性）。
70年代初又从大肠杆菌分离出DNA-polⅡ和polⅢ。polⅡ无5′→ 3 ′外切酶活性。polⅢ是大肠杆菌主要的DNA聚合酶，其全酶由10种亚基组成，α、ε、θ组成核心酶，α亚基具有5′→ 3′方向合成DNA的催化活性，ε亚基具有3′→ 5′核酸外切酶的活性，起校对作用。DNA polⅢ为异二聚体，使DNA解开的双链可同时进行复制。这种复杂的亚基结构使其具有更高的忠实性、协同性和持续性。
2.拓扑异构酶（topoisomerase）和解链酶（helicase）
环状DNA的三级结构（超螺旋）存在拓扑异构体，“拓扑”一词原意是指物体做弹性移位而又保持不变的性质。DNA复制时必先要解旋和解链，拓扑异构酶对DNA分子兼有内切酶和连接酶的作用，有Ｉ型和Ⅱ型。前者可切断双链中的一条链，使解旋中不致打结（适时又把切口封闭，DNA呈松弛态，这过程不耗能）。后者在无ATP供能时，可同时切开超螺旋状态DNA的两条链，使其松弛，然后将切口封闭（用于分离复制后的两个子环）。在利用ATP时，该酶可使松弛态的DNA变成负超。
解链酶可通过水解ATP供能来解开双链，每解开一对碱基，需水解2分子ATP。该酶和rep蛋白共同参与解链，rep蛋白是沿着前导链的模板（母链）3′→5′方向移动，而解链酶按母链5′→3′方向移动。
3.引物酶（primase）和引发体
DNA聚合酶没有催化两个游离dNTP聚合的能力，而RNA聚合酶依靠模板可酶促游离NTP聚合，生成的一段短RNA引物提供3′- OH末端供dNTP加入、延长。所以，解开双链并不是马上进行复制，先以模板脱氧核苷酸序列，按碱基互补原则合成一小段RNA引物，这一过程称“引发”。引物RNA与模板DNA形成杂交。催化RNA引物合成的RNA聚合酶称引物酶（或引发酶）。该酶只有与相关的蛋白结合为引发体才有明显的活性。引发体是解链酶、DnaC、引物酶和DNA起始复制区组成的复合结构。
4.DNA连接酶（DNA ligase）
催化相邻DNA片段间的连接，即把有缺口的3′-  OH末端与相邻核苷酸5′-磷酸连接形成磷酸二酯键，连接反应是耗能的。大肠杆菌的DNA连接酶以NAD+为能量来源，动物细胞和某些噬菌体以ATP为能量来源。这两个DNA片段必需与同一个互补链结合。 
5.单链结合蛋白（single-strand bindingprotein，SSB）
一旦DNA双螺旋解开成单链，SSB便牢固地结合到分开的单链上，防止它们重新形成双螺旋，保证模板链的复制和不被核酸内切酶水解。原核生物的SSB与DNA的结合表现出明显的协同效应，当第一个SSB结合后，其后的SSB与DNA的结合力可提高103倍，且结合迅速扩展，直到全部单链DNA都被SSB覆盖。而真核生物的SSB没有此协同效应，也不象DNA聚合酶那样沿复制方向向前移动，而是不断地结合、脱离，直到复制完成。
6.其他因子
和引发酶结合成引发体的相关蛋白有6种，priA、priB、priC、、dnaB、dnaC、dnaT。与复制过程有关的起始因子、终止蛋白因子等。
四、DNA半不连续复制
DNA分子的两条链是反向平行且互补的，而所有已知的DNA聚合酶的合成方向都是5′→ 3′。这很难说明DNA在复制时两条链同时作为模板合成新的互补链。为了解决这个矛盾，1968年, 日本学者冈崎通过实验研究 (3H标记的脱氧胸苷的密度梯度离心技术)，提出了半不连续复制理论。
DNA解链复制时，以3′→ 5′走向为模板的复制链可顺着解链方向延
长，其复制过程是连续的，此链称为前导链（leading strand）。而沿着解链方向5′→     3′模板链合成的互补链，出现了复制方向与解链方向相反，此时，必须等模板链解出足够长度，在引物3′-OH末端，沿5′→ 3′方向先合成小的DNA片段（冈崎片段），这些片段是不连续的，最后连成一条完整的链，称后随链（lagging strand）。前导链的连续性在许多因素作用下也会出现不连续性。如模板链的损伤、一条链上有多个复制起始点、复制因子和底物供应不足等，都会引起前导链复制的中断，并从一新的起始点开始复制。前导链和后随链是指同一复制叉上的两条链。
五、原核生物DNA的复制过程
（一）复制的起始
这是复制中较复杂的环节，参与因子较多，是把DNA解成单链和生成引物。
E.coli复制始于单个位点（oriC），有245bp的序列，一般含两个反向重复单位和三个串联重复单位。
解链是一种高速的反向旋转，其下游势必发生打结现象。拓扑酶通过切断、旋转和再连接作用，实现DNA超螺旋的转型，正超螺旋变负超；DnaA蛋白辩认并结合oriC重复序列的位点，解链酶（DnaB蛋白，rep蛋白）解开双链（DnaC蛋白协助解链）；SSB和引发酶进入，生成的引发体到达适当位置就可按模板催化NTP的聚合，生成引物，这标示复制起始的完成。后随链是不连续复制的，引发体需多次生成。 
（二）复制的延长
DNA-polⅢ在引物的3′-OH端，按模板碱基序，催化加入的dNTPs生成磷酸二酯键，子链的延长按5′→3′方向延伸，其速度相当快。E.coli基因组，即全套基因染色体上的DNA约3 000kb。按20分钟繁殖一代，每秒加入的核苷酸数达2500bp。随从链先是生成若干短的冈崎片段，片段之间的连接由RNA酶水解去掉引物，留下的空缺（gap）由DNA-polＩ催化填补，再由DNA连接酶将两个片段连在一起。
（三）复制的终止
一般说来，复制的终止不需要特定的信号，未发现有关的酶。E.coli环状DNA是双向复制，起始点和终点刚好把环分为两个半圆，两个方向各进行180度，复制至最后的3′-OH末端，可延长填补起始复制时形成的引物所留下的缺口。
六、真核生物DNA的复制
真核生物基因组比原核生物大得多，其染色体以核小体为结构单位组成，因此DNA的复制过程相当复杂。其特点：
1.有多个复制原点，可分段复制。一个复制叉的移动速度虽比原核生物慢，且不连续，但利用多个复制原点可加速复制，所以总的复制速度还是快的。
2.真核生物DNA聚合酶有5种，以α、β、γ、δ、ε命名。polα主要催化合成引物，随从链多次合成的引物包含有DNA片段。polδ有解螺旋酶的活性，催化链的延长。β与ε修复DNA，γ复制线粒体DNA。
3.端粒复制
端粒（telomere）是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。形态学上，像两顶帽子盖在染色体两端。端粒在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性上有重要作用。
线性DNA复制终止时，新链最早出现的5′-端引物被降解后，留下的空缺没法填补，导致DNA末端有可能缩短。事实上染色体多次复制并没有变短，这是因为端粒有一特化的DNA序，富含T、G短序列的多次重复。端粒酶可催化端粒的复制。
端粒酶（telomerase）是1985年发现的一种核糖核蛋白酶，由三部分组成：端粒酶RNA、端粒酶协同蛋白和端粒酶逆转录酶。该酶兼有提供RNA模板和催化逆转录的功能，通过一种称为爬行模型的机制维持染色体的完整。端粒酶结合后，依其RNA模板，在端粒单链3′-OH为引物基础上，不断反向转录，催化其延长，到一定长度，形成G-G配对的发夹结构，3′-OH端回折与互补链方向一致，端粒酶脱落，由DNA聚合酶催化，按新延伸的链为模板合成互补链。DNA末端复制变短和用端粒酶增加其长度，这两个过程处于平衡状态，所以染色体保持大致相同的长度。
 
第二节  反转录
一、反转录概念和反转录酶
    反转录（reverse transcription）是以RNA为模板，由反转录酶催化dNTP合成DNA，又称逆转录或RNA指导的DNA合成。
1970年Temin和Baltimore分别从致癌RNA病毒中发现RNA指导的DNA聚合酶。逆转录酶催化的DNA合成反应要求有模板和引物，以4种脱氧核苷三磷酸为底物，此外还需适当浓度的Mg2+和还原剂（以保护酶蛋白中的巯基）,DNA链的延长方向是5′→3′。此酶是一种多功能酶，兼有3种酶的活力。①RNA指导的DNA聚合酶活力，即利用RNA为模板，在其上合成互补的DNA，形成RNA-DNA杂合分子；②核糖核酸酶H的活力，专门水解RNA-DNA杂合分子的RNA。③DNA指导的 DNA聚合酶的活力，在新合成的DNA链上合成另一条互补DNA链，形成双链DNA分子。
二、反转录过程和生物学意义
所有已知的致癌RNA病毒都含有反转录酶，又称反转录病毒。其生活周期十分复杂，最关键的是反转录过程。有10步反应，需反转录酶两次转换模板。先依RNA为模板先合成一条互补DNA（cDNA）链，形成RNA-DNA杂交体；随后核糖核酸酶（RNaseH）水解它，除去RNA得cDNA单链( 称负链DNA，记作DNA－)；继而以DNA(－)为模板合成DNA(+)。
反转录的发现证明遗传信息可以从RNA到DNA，传统的“中心法则”得以修正，1975年二人获诺贝尔生理学与医学奖。
研究表明，反转录病毒有致癌作用，其基因组含癌基因（oncogene，onc）。正常人的细胞基因组含原癌基因（pro-onc），在胚胎发育期有明显的表达，而成年个体极少表达。当一些化学致癌物诱发这些基因表达时，细胞将发生癌症（白血病等）。1983年发现的HIV是一类反转录病毒，感染人的T淋巴细胞即杀死细胞，造成人的免疫系统损伤，引起AIDS。

第三节   DNA损伤与修复
DNA复制的保真性是维持物种相对稳定的主要因素，而DNA复制时的错误是突变（mutation）发生的原因。突变是生物进化和细胞分化的分子基础。所以遗传的稳定性和突变的绝对性组成生物界对立统一的自然现象，使生物世界五彩缤纷。
一、DNA突变和损伤的概念
突变是指DNA分子碱基的改变或表型功能的异常变化。是通过复制而遗传给子代的永久性DNA序列的改变，逃脱或躲过细胞修复系统。DNA损伤通常指DNA序列可修复的变化（主要是DNA复制中一条链上经修复系统改正的变化）。
突变有自发和诱发两种，其表现是：只有基因型改变而无表型改变（DNA多态性和个体差异的基础）、表型改变（遗传病和遗传倾向性的病的原因）和致死性突变。在复制过程中自然发生的突变几率极低，约为10-9，而外界因素引起的诱变研究不断深入，其形式有：错配（点突变）、缺失、插入和倒位。
点突变指DNA分子上一个碱基的改变；缺失指一个碱基或一段核苷酸序列从DNA分子上消失；插入指一个或一段原来没有的核苷酸序列插入到DNA分子中间；倒位指DNA链内较大片段的重组（反置或内迁）。
物理因素多见于紫外线照射，引起DNA分子结构中出现嘧啶二聚体。化学因素主要有烷化剂、亚硝酸盐和抗生素及类似物。前两者引起DNA分子中碱基改变，后者能嵌入DNA双螺旋的碱基对之间，干扰和影响DNA的复制与转录。
二、DNA损伤的修复
DNA损伤和修复，是细胞内DNA复制中同时并存的两个过程。修复（repairing）是针对已发生的DNA损伤施行补救，可看作很小范围内的DNA合成。主要有光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。
1.光修复  
从单细胞生物到鸟类都有光复合酶，可见光使该酶激活，并催化分解因紫外线照射而产生的嘧啶二聚体，使DNA损伤得以恢复。
2.切除修复  
这是机体细胞内DNA损伤的主要修复方法。由特异的核酸内切酶、DNA-polＩ、DNA连接酶完成。其过程是：核酸内切酶水解核酸链内损伤部位的磷酸二酯键，造成一个缺口；DNA-polＩ在3′-OH端按碱基配对原则催化合成新的DNA片段，置换出的片段还由DNA-polＩ切除；DNA连接酶完成最后的修复。
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP）是一种人类遗传性皮肤病，DNA修复能力的缺陷可能是病因。患者对日光异常敏感，其皮肤受照射后，易诱发皮肤癌。
3.重组修复  
当DNA分子损伤面较大，来不及修复就复制。其损伤部位失去模板作用，造成子链上的缺口，通过链间交换，可填补这缺口，而母链上的缺口由DNA-pol和DNA连接酶完成修复。原有的损伤部位还在，但随多次复制，损伤链所占比例减少。
4.SOS修复  
当DNA损伤严重，细胞处在危急状态下的一种修复方式。这种修复反应特异性低，DNA保留的错误较多，会引起突变，但细胞尚可存活。

第四节  基因重组与DNA克隆
一、基因重组
DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组或基因重组。重组产物称为重组DNA。DNA的重组广泛存在于各类生物。其功能：①在DNA损伤修复中起关键作用，没有重组，损伤和突变不会被消除。②重组和转座产生基因新的组合，供自然选择。③调节DNA表达。
20世纪60年代末，在细菌体内陆续发现一类能识别DNA的特异序列，且在识别序列内或附近切开DNA双链的核酸水解酶，称为限制性核酸内切酶（简称限制酶）。这类酶可将侵入宿主细胞的外源性DNA迅速切开，进而被脱氧核糖核酸酶水解，有防止病毒感染宿主细胞的作用。而对细菌自身的DNA则会通过甲基化酶在该种限制酶切位点的甲基化修饰而得到保护。所以，限制酶和甲基化酶共同构成细菌的限制-修饰系统。
限制酶是一类重要的工具酶，到1999年10月已得到3154种，主要根据其来源菌株，依属、种、株三字母命名，若从同一微生物发现的多种限制酶，则依发现和分离前后的顺序用罗马数字表示。根据限制酶识别切割特性和催化条件有Ｉ、Ⅱ、Ⅲ型，重组DNA中常用的是Ⅱ型。限制酶只有限制性内切作用而无修饰功能，识别序列一般有4~6个碱基对，多数能识别廻文结构DNA序（具有二次旋转对称性）。例如大肠杆菌DNA限制酶EcoRⅠ的切口是交错的，产生能彼此配对的粘端（sticky end），切口是齐头的，产生平端（blund end）。由同一个限制酶切断得到的任何两个DNA片段的粘性末端都可以互相配对，再通过DNA连接酶连接，创建重组DNA分子。
1972年，美国学者Berg等人首次在体外把SV40（一种猴病毒）的DNA和噬菌体DNA用限制性内切酶分别切割，又将两者接在一起，成功地构建了第一个体外重组的人工DNA分子。
1973年，Cohen等人首次将体外重组的DNA分子导入大肠杆菌中，成功地进行了无性繁殖，从而完成了DNA体外重组和扩增的全过程。由此诞生基因工程这门新兴学科。
二、DNA克隆
克隆（clone）是指通过无性繁殖产生在基因型和表型上与亲代完全相同的子代群体。DNA克隆是指在体外对DNA分子按照既定目的分离、剪切和人工重组，然后将重组分子导入合适的宿主细胞，使其扩增的过程。
大部分外源DNA片段不能在细胞中自我复制，必须连到一个可以自主复制的载体（病毒或质粒DNA）上，然后转入宿主细胞复制。这样，外源DNA可以纯化形式重新获得大量拷贝。因在分子水平上操作，又称分子克隆。由于研究对象常是特异的基因片段，所以又称基因克隆。
基因载体（vector）是供插入目的基因并将其导入宿主细胞内复制或表达的运载工具。其基本条件是：能自主复制并能带动插入的目的基因一起复制；具有一个以上的单一限制性酶切位点，以便目的基因插入；具有合适筛选标记（如抗药性基因，酶基因等）；载体分子量小，可插入较大的目的基因而不影响复制；在细胞内稳定性高，以便确保重组体稳定传代而不易丢失。
质粒（plasmid）是一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子。主要存在于微生物，细菌中含量最丰富。质粒控制多种不同的遗传性状，尤其与细菌的抗药性、致病性有关。
λ-噬菌体是一种大肠杆菌病毒，为线性双链DNA，它的两端各有12个碱基的互补粘性末端，称cos位点。当噬菌体侵入宿主细胞，两个粘性末端互补结合，形成环状分子。λ-DNA在体外可包装成病毒颗粒，并高效感染大肠杆菌。天然的质粒、噬菌体、病毒都需经人工改构才可为理想的载体。质粒、噬菌体常用于原核细胞为宿主的分子克隆，动物病毒常用于真核细胞为宿主的分子克隆。
三、聚合酶链式反应（PCR）
PCR是一种体外快速的特定DNA片段扩增技术。Mullis于1985年发明，其基本原理是根据DNA复制机制及DNA在体外随温度发生变性和复性的特点设计的。
一个PCR反应包括靶DNA（含目的DNA的样品）、引物（人工合成的与靶DNA的3′端序列互补杂交）、4种dNTP和热稳定的DNA聚合酶等。然后置高温950C（15~30秒）下使靶DNA变性解链，反应混合物被迅速冷却（单链DNA与引物结合的退火温度要认真计算，45~550C），再升高温度置70~750C左右，由TDNA聚合酶催化引物延伸合成子链。PCR的高温变性—低温退火—适温延伸三步反应反复循环，使靶DNA在两段引物限定范围内的序列以几何级数扩增。20个循环，起始DNA即扩增百万倍，30个循环后，扩增亿倍，全部所需时间不到1小时。PCR已广泛应用于生物学各个领域，如基因工程、DNA测序、筛选人类遗传疾病、病原微生物检测、法医学鉴定等。
概括起来，基因工程（genetic engineering）包括以下几个主要内容：
1.从复杂的生物体基因组中分离出目的基因片段。
2.在体外，将目的基因片段连接到能自我复制的并且具有选择标记的载体分子上，形成重组DNA分子。
3.将重组DNA分子转移到适当的宿主细胞（又称受体细胞），并与之一起增殖。
4.筛选出获得重组DNA的受体细胞克隆。
5.从筛选出的阳性克隆中提取扩增的目的基因片段，供研究。
6.将目的基因克隆到表达载体上，导入宿主细胞，使之实现功能表达。

 
第十章  RNA的生物合成(转录)

教学目标：
1.掌握转录的概念和转录体系的组成。 
2.熟悉原核生物转录的基本过程。比较真核生物的转录与原核生物不同。 
3.了解RNA转录后加工的方式（内含子、外显子、核酶的概念）。 
4.了解RNA复制的概念。
导入：从生物化学意义上说，基因(gene)是为生物活性产物编码的DNA功能片段，这些产物是各种RNA和蛋白质。基因表达包括细胞的遗传信息从DNA到RNA，再由RNA到蛋白质。前者称为转录，后者称为翻译。

第一节 转录
一、转录的概念和特点
转录（transcription）是DNA指导下的RNA合成过程，即DNA模扳的碱基序转抄成RNA的碱基序列。转录和复制有许多相似之处：都是酶促的核苷酸聚合过程；都以DNA为模板；都需依赖DNA的聚合酶；都按模板链的碱基配对原则和5′→  3′方向在核苷酸之间生成磷酸二酯键，且延伸新链。不同的是：
1.不对称转录  
转录不像复制要保留细胞的全部遗传信息，而是在细胞不同的发育时序，按生存条件和生理需要，部分遗传信息（结构基因）的表达。所以转录对基因组庞大的DNA链有选择性，这种选择是不对称的（asymmetric）。即DNA分子中进行转录的某一活化基因区段称模板链（template strand），与其对应的互补链不转录，称编码链（coding strand）。对各种基因来说，模板链并非总在同一条单链上。
2.RNA聚合酶（又称DNA指导的RNA聚合酶，DDRP）
该酶广泛存在于原核生物和真核生物中，以4种NTP为底物，无需引物，直接在模板上合成RNA链。
原核生物中所有的RNA都由一种RNA聚合酶合成。大肠杆菌RNA- pol分子量为460kDa，由5个亚基组成，分别为α2、β、β＇、σ。α2ββ＇称为核心酶，只能使已开始合成的RNA链延长，不具有起始合成RNA的能力，σ因子有识别转录起始位点的作用。启动转录只有全酶与模板DNA启动子结合才发挥作用。
真核生物RNA- pol有多种，分子量大致都在500kDa左右。
DDRPⅠ分布在核仁，合成rRNA前体
DDRPⅡ分布在核质，合成mRNA，hnRNA
DDRPⅢ分布在核质，合成tRNA，5SrRNA，snRNA
线粒体RNA聚合酶合成线粒体RNA
二、转录过程
转录是包括起始—延伸—终止的连续过程。原核生物的转录和真核生物的转录在起始和终止上有较多的不同。
（一）启动子和起始
启动子（promoter）是指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。
原核启动子发现有两个重要序列，一个位于转录起始位点上游10个核苷酸处（习惯上被转录为RNA的DNA模板上的第一个核苷酸指定为+1，即转录起始位点），另一个位于上游35个核苷酸处，它们分别称为－10序列和–35序列。－10序列富含TATAAT，称之TATA box或Pribnow box。该序列富含AT，维持双链结合的氢键相对较弱，易发生解链，是RNA聚合酶的核心酶结合部位。－35序列富含TTGACA，是RNA聚合酶σ亚基的识别部位。实验可知原核生物RNA聚合酶作用的区域为－50~+20。
在转录起始阶段，RNA聚合酶识别将拷贝的基因的上游DNA（即启动子），局部解开双链（特别是TATA box处，约17个bp），当酶移至转录起始位点（+1处），催化按模板链碱基序依次排列的头两个三磷酸核苷聚合，生成RNA链的第一个3′，5′-磷酸二酯键，第一个核苷酸一定是三磷酸嘌呤核苷酸，而且pppG较pppA又占绝对优势，5′-端的pppG这一末端结构一旦生成，一直保持到转录完成。
（二）延伸
转录起始后，RNA聚合酶、DNA模板以及第一个聚合生成的四磷酸二核苷酸（即5′pppGpN-OH3′）三者形成一个复合体，此时σ亚基脱落（与另一核心酶结合而重复使用），核心酶沿DNA链的3′→5′方向移动（转录方向），而RNA链按5′→3′方向延伸。由RNA聚合酶、DNA模板和新生RNA组成的区域叫做“转录泡”（transcription bubble）。新生RNA与DNA模板链暂时形成短的杂交双链（长度约为12bp），这有利于正确阅读模板链的碱基序，但A=U配对稳定性最低。在延伸阶段约有DNA的20个bp被解开，延伸速率约每秒50个核苷酸，在此时间内转录泡移动17.0nm。当RNA从DNA上脱离，暂时局部解开的双链及时复合。
研究发现，在同一DNA模板上，有许多RNA聚合酶同时结合其上，同步催化转录作用，从转录起始点到终止点有一系列长短不一的新生RNA链，它们逐渐加长和不断延伸，还被排斥于DNA模板之外。
（三）终止子和终止
终止子（terminator）是指所转录的RNA行将结束时，模板DNA分子上出现的有终止信号的序列，它可被RNA聚合酶本身或其辅助因子所识别。
E.coli有两类终止子：①不依赖ρ因子的，称简单终止子。该终止子有一特殊序列与终止有关，称回文序列（它是两段由多个GC碱基对组成的反向重复序列），随后相连AT序列，因为回文DNA上合成的RNA是自身互补的，可以形成发夹结构，该结构可使RNA聚合酶减慢移动或暂停RNA合成，导致转录终止；此外，模板DNA5′-末端的AT区中含有一连串A，故在转录出的RNA链的3′-终止端为一连串的U （polyU约有6个），它提供信号使RNA聚合酶脱离模板，RNA链从DNA链上解离（U-A结合最弱）。②依赖ρ因子的终止子，其回文结构不富含G-C序。ρ因子是由6个亚基组成的一种“终止蛋白质”，有RNA-DNA解旋酶的活力。它结合在新生的RNA链上，借助水解NTP获得的能量推动其沿RNA链移动，但速度比RNA聚合酶慢，当聚合酶遇到终止子时发生暂停，ρ因子得以赶上酶，并相互作用，导致释放RNA，并使聚合酶与它一起从DNA上脱离。
（四）真核生物中的基因转录
1.真核生物基因组构复杂，大部分蛋白质编码基因是不连续的，编码序列（称外显子exon）被非编码序列（内含子intron）中断。
2.不同的物种、不同细胞或不同的基因可以有不同的上游DNA序列，统称为顺式作用元件（cis-acting element），DDRPⅡ识别的大部分启动子在–25bp处有一个TATAbox（赫哥尼斯盒）。能直接或间接辩认、结合转录上游区段的蛋白质统称反式作用因子（trans-acting factor），直接或间接结合RNA聚合酶的，则称为转录因子（transcriptional factor，TF）。
3.转录起始，需要几个TFⅡ先后与启动子装配成复合物，进而协助DDRPⅡ结合形成转录起始复合物。
4.DDRPⅡ不在特定的位点终止，会在基因下游不同距离处终止，和转录后加工有关。由DDRPⅡ从蛋白质编码基因上合成的RNA分子称原始转录物（或称RNA前体）。
（五）转录过程的抑制剂
转录过程的选择性抑制可通过与DNA结合改变模板功能或抑制RNA聚合酶的活性阻止RNA的合成。前者有放线菌素D，对原核和真核均有专一抑制作用；后者有利福平、α-鹅膏蕈碱等。利福平仅阻止原核RNA的合成，α-鹅膏蕈碱则是真核细胞中RNA合成的专一抑制剂，通过DDRPⅡ阻止mRNA的合成。

第二节 转录后加工
一、mRNA加工
原核细胞合成的mRNA不需要或很少需要加工，许多mRNA甚至在合成前就开始翻译。
真核细胞mRNA的前体是hnRNA（不均一核RNA），hnRNA分子量大，半衰期很短，其加工过程比较复杂，包括5′- 端加帽、3′- 端加尾和中段序列的剪接，一般在核内进行。
1. 帽结构
hnRNA合成一结束，5′-端就被加上一个甲基化的鸟嘌呤帽（capO），帽子结构是5′m7GpppGp。形成过程是磷酸酶将其末端磷酸基除去，和GTP作用形成5′5′三磷酸键，接着在甲基化酶的作用下，由S-腺苷酸甲硫氨酸提供甲基加到末端的鸟嘌呤上形成capO。甲基可以加到G后面的第一个核苷酸的核糖上形成cap1或加到G后面两个核苷酸上形成cap2。该结构的功能可能对mRNA的稳定和它在翻译中起识别作用有关。
2. 3′端加尾
帽化后的hnRNA由核酸内切酶切去3′端一些过剩的核苷酸，3′端切除信号在高等真核细胞是靠近3′端区有一段保守序列AAUAAA，也是多聚腺苷酸化的信号，多聚腺苷酸聚合酶再以ATP为底物催化形成polyA尾（约100~200个）。polyA尾的功能是保护最终的mRNA3′端免受核酸酶的降解而稳定mRNA。
3. RNA剪接（RNA splicing）
剪接在加帽加尾后进行。由核酸内切酶把内含子和外显子连接的磷酸二酯键水解，去除内含子，把相邻外显子的末端连接生成功能性mRNA。不同的剪接途径允许由单个基因合成几种不同的蛋白质。
内含子5′剪切位点总是以GU开始，3′剪切位点以AG结束且上游有一个含A的分支点和保守的嘧啶序。
剪接反应涉及两步转酯反应并在剪接体装配后进行。分支点中腺苷酸残基的2′-     OH攻击5′剪切位点的3′5′磷酸二酯键，使该键断裂；内含子5′回折与分支点上的A形成不寻常的2′5′键（内含子似牛仔的套索）；外显子1的新3′OH攻击3′剪切位点的磷酸二酯键，使得两个外显子连接，释放套索状的内含子。两步转酯反应中，因磷酸酯键的数目没有改变，所以没有ATP的消耗。
RNA剪接需要核内小核糖核蛋白（snRNP）和一些辅助蛋白质，这些蛋白质在将被去除的内含子上装配为剪接体。snRNP由snRNA与一些蛋白质结合形成，snRNA似乎是执行催化作用（催化性的RNA称为核酶）。
成熟的mRNA通过核膜孔转运到细胞质，指导蛋白质的合成。
二、tRNA加工
原核和真核细胞tRNA的基因转录产物为tRNA前体，通过加工形成成熟的tRNA，各种tRNA的前体结构和加工方式不尽相同，一般加工过程包括：
1. 核酸内切酶切断tRNA两端  
核酸内切酶不同于DNA限制性内切酶，它不能识别特异的序列，所识别的是加工部位的空间结构。大肠杆菌核糖核酸酶P（RNaseP）是一类切断前体5′端的加工酶，切除3′端的为RNaseF。真核生物tRNA前体中的内含子位于反密码子环上，由RNA剪接反应除去，不同于mRNA的剪接反应的是不涉及转酯反应。
2. 核酸外切酶（RNaseD）从3′端逐个切除附加序列
3. 3′端加CCA-OH结构，催化反应的酶是tRNA核苷酰转移酶（有些细菌tRNA不需要这种加工）。
4. 修饰碱基的形成，由特异性的tRNA修饰酶作用形成甲基化碱基、二氢尿嘧啶等。
三、rRNA的加工
原核和真核细胞合成蛋白质需要大量的核糖体，要求存在大量的rRNA基因拷贝，转录产物是较长的rRNA前体。
原核的30S rRNA前体分子被特异的核糖核酸酶切割产生23S、16S和5S rRNA及一个tRNA。RNaseⅢ催化裂解产生23S和16S rRNA；RNaseE从前体的3′端切割产生5S rRNA。
大部分真核生物，包括人类，有大于100个拷贝的rRNA基因，18S、5.8S 、28SrRNA基因特征性地成蔟分布并串联重复，RNA聚合酶Ⅰ转录rRNA基因，每转录一次包含18S、5.8S 、28S 的基因即产生一个45S rRNA前体。然后在核仁中进行加工。加工需要核仁小RNA（snoRNA），还涉及前体中18S和28S rRNA区域的大量甲基化。核仁小RNA与一些特异蛋白质偶联构成核仁小核糖核蛋白（snoRNP），以类似snRNP介导的mRNA剪接相似的方式进行加工。5S rRNA基因拷贝存在与以上基因不同的位点，由RNA聚合酶Ⅲ转录，转移到核仁中不再加工且装配到核糖体。
1982年美国的Cech等发现四膜虫大核rRNA前体在成熟过程中能进行自我剪接，加拿大的Altman等发现RNaseP分子中的RNA组分，也像RNaseP的全酶分子一样能单独催化tRNA前体5′端序列的切除。这些有酶样催化活性的RNA称为核酶（ribozyme）。进一步研究发现核酶的催化活性和其一小段保守序列的构象有关（似一种锤头样结构）。
核酶作用的特点：催化自身的RNA或异体RNA；催化效率较酶蛋白低；有一定的特异性；必须有Mg2+的存在。核酶的作用方式为剪切（相当核酸内切酶的作用）或剪接（相当核酸内切酶和连接酶的作用）。

第三节 RNA复制
一、RNA复制酶
某些RNA病毒侵入寄主细胞后，寄主产生RNA复制酶（RNA指导的RNA聚合酶），以病毒RNA为模板，用4种核苷三磷酸为底物合成互补的RNA链，合成方向是5′→3′。RNA复制酶的模板特异性很高，例如噬菌体Qβ的复制酶只能用噬菌体QβRNA作模板，而代用与其类似的噬菌体MS2、R17或寄主细胞的RNA都不行。
二、病毒RNA复制的主要方式
RNA病毒的种类很多，其复制方式也是多样的。
1. 病毒含有正链RNA（噬菌体Qβ和灰质炎病毒为代表）
病毒RNA侵入大肠杆菌细胞后首先合成复制酶，在复制酶的作用下，正链RNA复制互补链（负链），同样的酶又以负链为模板合成正链RNA，再以正链RNA为模板合成病毒蛋白质和复制病毒RNA（具有mRNA功能的链称正链。+RNA → ―RNA → mRNA）。
2. 病毒含有负链RNA和复制酶（狂犬病病毒）
3. 病毒含有双链RNA和复制酶（呼肠孤病毒）
4. 致癌RNA病毒（白血病病毒和肉瘤病毒）
它们的复制是以病毒RNA为模板，由逆转录酶催化生成DNA，再从DNA转录出病毒RNA。

 
第十一章  蛋白质的生物合成(翻译)

教学目标：
1.熟悉遗传密码的特点，记忆起始密码和终止密码。
2.掌握蛋白质合成体系的组成及功能。
3.熟悉蛋白质生物合成过程（氨基酸的活化、转运和核蛋白体循环、肽链合成后的加工修饰、能量变化）。 
4.了解真核生物与原核生物蛋白质合成的差异。
导入：蛋白质是基因表达的最终产物。DNA携带的遗传信息首先转录给mRNA，mRNA所编码的遗传信息再翻译（translation）成蛋白质中氨基酸的排列顺序，这种分子翻译机的组件包括上百种蛋白质及30多种RNA分子，其工作原理很复杂，是一个快速、耗能的合成过程。

第一节  蛋白质合成体系
一、mRNA与遗传密码
1. mRNA是蛋白质合成的直接模板
原核生物一个mRNA带有功能相关的几种蛋白质的编码信息，称多顺反子（几个基因的复本）；真核生物一个mRNA一般只带一种蛋白质的编码信息，称单顺反子。mRNA的生成要经加工，尤其是真核生物细胞，这就造成mRNA的序列和DNA序列间没有完整的一对一的关系。遗传密码（genetic code）是规定mRNA的核苷酸序列翻译成多肽链氨基酸序列的一套法则，也就是mRNA的核苷酸序列和多肽链氨基酸序列的共线性关系。
2. 遗传密码是三联体密码
20世纪中叶，数学推算编码20种氨基酸所需的碱基最低数是3（43=64），密码子（codon）应是三联体（triplet），即mRNA的序列以三个核苷酸为一组。
1961年Crick及其同事通过研究噬菌体基因的移码突变推测三联体密码子是非重叠、无标点的。Nirenberg等用人工合成的mRNA在无细胞蛋白质合成系统中寻找氨基酸与三联体密码子的对应关系。Khorana和他的同事用化学合成结合酶促反应，合成含有2、3、4核苷酸重复序列的多聚核苷酸，以此为模板找出各氨基酸的密码子。技术上的突破来自人工合成的三核苷酸能与对应的氨酰-tRNA一起结合在核糖体上，由此确定绝大多数密码子。1966年全部64个密码子破译，其中AUG编码甲硫氨酸，又是起始密码；UAA、UAG、UGA3个是终止密码，不编码氨基酸；还有 61个编码一特定的氨基酸。
3. 遗传密码特点：①连续性,指密码子必须按5′→3′方向三个一组读码框往下阅读，无标点、不重叠、不跳格。正确的读码框的确立是由核糖体识别在编码序列开头处的起始密码AUG；②简并性，是指同一种氨基酸有两个或更多密码子的现象。编码同一氨基酸的密码子称为同义密码子，通常只在第3位碱基上不同，这样可减少有害突变。密码子第3位碱基与tRNA反密码子不严格遵从碱基配对规律（摆动碱基配对），如tRNA反密码子第一位的I（由A转变而来）可与mRNA密码子第3位碱基U、C、A形成配对，U可对应A、G，因而密码子第3个位置又称摆动位置；③通用性，即所有生物基本共用同一套遗传密码。线粒体以及少数生物基因组的密码子有变异（如在酵母、哺乳动物、果蝇中，AUA = Met而非Ile，UGA=Trp而非终止码。）
二、tRNA与氨基酸的转运
1. tRNA是转运氨基酸的工具
具备倒L型三级结构的tRNA由氨酰合成酶催化氨基酸共价连结到3′端，形成氨酰-tRNA，需要 ATP。tRNA与蛋白质合成有关的位点至少有4个，即①3′端CCA上的氨基酸接受位点；②反密码子位点；③识别氨酰-tRNA合成酶位点；④核糖体识别位点。
2. tRNA第二套密码系统
氨酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对L-氨基酸、tRNA两种底物能高度特异识别。大肠杆菌丙氨酸tRNA的氨基酸接受臂上的G3?U70碱基对决定负载Ala的专一性。精氨酸-tRNA（A20），异亮氨酸-tRNA（G5?G69），酵母苯丙氨酸-tRNA（G20,G34,A35,A36）。由于氨基酸和tRNA正确结合，而tRNA又和mRNA、核糖体准确配对，这就确保遗传信息传递的稳定。氨酰-tRNA合成酶与tRNA之间的相互作用和tRNA分子中某些碱基或碱基对决定着携带专一氨基酸的作用组成tRNA分子第二套密码系统。
三、核糖体与肽链装配
1. 核糖体是合成蛋白质的部位（或称蛋白质合成的分子工厂）
1950年P.Zamecnik将放射性同位素标记的氨基酸注射到小鼠体内，经短时间后，取出肝脏，制成匀浆，离心，分成核、线粒体、微粒体及上清液组分，发现微粒体中的放射性强度最高，再处理微粒体，将核糖体从内质网中分离出，发现核糖体的放射强度比微粒体高7倍。
2. 核糖体的组成和结构
有70S和80S两种，均由大小不同的两个亚基组成。70S核糖体存在于原核细胞和真核细胞的线粒体和叶绿体中，其30S小亚基含有一个16S rRNA和21种不同的蛋白质（称S蛋白），50S大亚基含有一个23S rRNA、5S rRNA和34种蛋白质（L蛋白）。80S核糖体存在于真核细胞，其40S小亚基含有一个18S rRNA和34种S蛋白，60S大亚基含有28S rRNA、5S rRNA、5.8S rRNA各一分子和49种L蛋白。在通常情况下，核糖体的大小亚基游离于细胞质基质中，只有当小亚基与mRNA结合后，大亚基才与小亚基结合形成完整的核糖体。
核糖体上有两个tRNA结合的位点：A位点是氨酰tRNA结合位，P位点是肽酰tRNA结合位。50S亚基上有一个GTP水解位点，为氨酰-tRNA移位提供能量；两亚基接触面空隙有结合mRNA的位点，还有与起始因子、延伸因子、释放因子及各种酶相结合的位点，mRNA和合成的新生多肽链通过外出孔进入膜腔。
四、有关的酶和蛋白因子                                  
除了以上提到的氨酰-tRNA合成酶和L蛋白、S蛋白外，重要的酶还有转肽酶、转位酶等；在肽链合成的起始、延伸和终止过程有许多蛋白因子参与。起始因子（initiation factors，IF），包括IF1、IF2、IF3；延伸因子（elongation factors，EF），有EF-T，EF-G；释放因子（release factors，RF），包括RF1、RF2。

第二节    蛋白质生物合成的分子机制
蛋白质的生物合成要比DNA复制和转录复杂的多，有约300种生物大分子协同作用，全过程大致有5个阶段：氨基酸的活化、翻译起始、肽链延长、肽链合成的终止和释放、翻译后加工。真核生物与原核生物蛋白质合成非常相似，但有差异。
一、氨基酸的激活
1. 每一种氨基酸由专一的氨酰-tRNA合成酶激活。
氨酰-tRNA合成酶能识别并使氨基酸的羧基与tRNA3′端腺苷酸核糖基上3′- O H缩水形成二酯键。反应分两步进行。
氨基酸+tRNA+ATP → 氨酰-tRNA+AMP+PPi
tRNA与相应的AA结合是蛋白质合成的关键，tRNA携带正确的AA，多肽合成准确性才有保障。氨酰-tRNA合成酶有氨基酰化部位和水解活性部位，能纠正酰化的错误（如异亮氨酸与缬氨酸只一个甲基的差异，Ile-tRNA合成酶能在酰化部位区分它们，即使Val取代Ile错误掺入生成的Val-tRNA，也会通过Ile-tRNA合成酶将其水解。经过酰化部位和校正部位的共同作用，可使翻译的错误频率小于万分之一）。
2. 原核生物起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet），起始tRNA是 tRNAfMet。甲酰基转移酶催化fMet-tRNAfMet的形成。
Met + tRNAfMet →  Met-tRNAfMet
Met-tRNAfMet+N10-CHOFH4 → fMet-tRNAfMet+ FH4
真核生物起始氨基酸是甲硫氨酸，有两种tRNAMet，只有tRNAiMet才能与小亚基结合，起始肽链合成，普通tRNAMet携带Met只能被渗入正在延伸的肽链中。
二、在核糖体上合成多肽
此过程分为翻译起始、肽链延长、肽链的终止三个阶段。             
1. 翻译起始  
原核细胞肽链合成的起始需要7种成分：30S小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、起始因子、GTP、50S大亚基、Mg2+。起始分成3步。
①  30S小亚基和起始因子结合，通过SD序列与mRNA结合。
②  fMet-tRNAfMet进入小亚基P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码配对。
③带有tRNA、mRNA和IF的小亚基复合物与50S大亚基结合，形成起始复合物。GTP水解，释放IF。
原核mRNA是多顺反子，有多个起始密码AUG位点，核糖体是如何识别合适位置的AUG？
1970年Shine和Dalgarno发现细菌的mRNA通常含有一段富含嘌呤碱基的序列（SD序），它们在起始AUG上游10个碱基左右的位置，能与16S rRNA3′端的7个嘧啶碱基互补识别，以帮助从起始AUG处开始翻译。
IF3的功能是协助30S小亚基选择mRNA起始位点；IF2具有GTP酶的活性，起始过程需要一分子GTP水解成GDP及磷酸以提供能量，它对30S起始复合物与50S亚基的结合是必需的；IF1则在70S起始复合物生成后促进IF2释放，从而完成起始过程。
2. 肽链的延长
当与起始密码子紧邻的密码子被其氨酰-tRNA上的反密码子识别并结合后，延长反应也就开始。一个氨基酸的掺入是由进位—成肽—转位3个重复的反应完成的。其中肽键的形成靠核糖体自身催化，其它两个反应需要延长因子（elongation factor，EF）的参与。
① 第二个aa-tRNA在 EF-Tu及GTP作用下，生成复合物，并结合到核糖体的A位。 EF-Tu结合GDP离开核糖体。
②肽酰转移酶（转肽酶）催化P位fMet-tRNA携带的fMet转向A位与进入的aa-tRNA形成第一个肽键，催化的实质是使一个酯键转变成肽键。
③移位（translocation），移位因子EF-G催化，GTP和EF-Ts、EF-Tu参与，P位的tRNA脱落，核糖体沿mRNA移动，原A位带有肽链的tRNA转到P位，下一个密码子进入A位，以供继续翻译。
3. 翻译的终止
终止反应由释放因子RF识别进入核糖体A位的终止密码UAA、UAG、UGA开始，大亚基上肽酰转移酶变构，表现水解酶的活性，使P位上tRNA所携带的多肽链与tRNA之间的酯键水解。RR因子使tRNA从P位脱落，70S核糖体随即也从mRNA上脱落，解离为30S和50S亚基，投入下一轮核糖体循环，合成另一新的蛋白质分子。
通常，多个核糖体同时翻译一个mRNA分子，形成多核糖体（polysome），加快蛋白质合成的速度，亦使mRNA得到充分利用。
蛋白质合成消耗的大量能量用于保证mRNA的遗传信息翻译成蛋白质氨基酸序列的准确性。每一aa-tRNA形成需要 1分子ATP（2个高能键）。延长一个氨基酸消耗2分子GTP。因此每形成1个肽键消耗能量7.3×4=29.2kcal/mol（122kj/mol）。
三、翻译后加工
很多蛋白质在肽链合成后要经过一定的加工或修饰，才转变为有生物学活性的蛋白质。举例说明：
1.一级结构的修饰
①去除N-fMet
细菌蛋白质的合成以fMet-tRNA作为第一个进位的起始物，所以N端是fMet，脱甲酰基酶水解除去N端的甲酰基，然后氨基肽酶再切除一个或多个N端氨基酸。 
②靶向运输
新合成的多肽的输送是有目的、定向地进行的，通过信号肽引导到目的地。通常在被转运多肽链的N端，一段10~40个氨基酸残基组成的序列，含高度疏水性的氨基酸，最后信号肽被信号肽酶切除。如胰岛素原是由84个氨基酸组成的一条无活性的肽链，其前面的23个氨基酸残基的信号肽在转运至高尔基体的过程中被切除。最后形成由A链、B链，3个二硫键组成的有活性的胰岛素。许多蛋白激素是以前体蛋白形式合成，经加工后，再分泌出细胞。
③个别氨基酸的修饰
胶原中羟脯氨酸和羟赖氨酸是脯氨酸和赖氨酸经羟化反应形成；许多酶的活性中心的磷酸丝氨酸也是丝氨酸羟基磷酸化而成。
2. 高级结构的修饰
蛋白质的一级结构决定其高级结构，这一原则只给出蛋白质折叠的热力学上的可能性。多肽链准确折叠和组装过程需要某些辅助蛋白质——分子伴侣（chaperon）的参与，通过提供一个保护环境加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣广泛存在从细菌到人的生物体中，其中有很大一部分被称之为热休克蛋白。
3. 活性肽合成                                                
人体内活性肽多数是从非活性的蛋白质前体经特殊的酶系加工而成。包括多肽链裂解、酰化、乙酰化、糖基化和硫酯化等。
四、真核生物与原核生物蛋白质合成的差异
1. 起始因子种类多。已知有9种，称为eIFs。起始氨基酸是Met，起始tRNA称Met-tRNA1。有帽子结合蛋白。
2. 起始复合物形成的次序有差异。
有43S起始复合物形成，48S起始复合物形成和80S起始复合物形成三步。小亚基40S核糖体结合到mRNA的帽子上，沿着mRNA运动，直到遇到第一个AUG密码子，才开始翻译（没有富含嘌呤的序列确定起始位点）。    
3. 肽链延长和终止
目前所知，除因子的种类和名称与原核生物蛋白质合成不同外，其过程非常相似。延长因子是eEF1α和eEF1βγ。终止由单一的释放因子eRF催化。


第十二章 物质代谢的相互联系与调控

教学目标：
1.熟悉物质代谢的特点和相互间的联系，掌握交叉点。
2.了解代谢调节的方式和水平。
3.熟悉酶水平调节的方式、原理（酶活性、酶量、酶的区域化分布）。
4.了解激素和神经水平调节的特点。
导入：动物在生命活动过程中，除摄入氧气排出二氧化碳外，还要不断地摄取食物排出代谢废物。机体这种和环境间不断进行的物质交换，即物质代谢。物质代谢是生命本质特征，是生命活动的物质基础。其特点是什么？

第一节 物质代谢的相互联系
一、物质代谢的特点
1.整体性
各类物质的代谢在相互联系、相互制约下进行，形成一个完整统一的过程（网络）。如在能量供应上，糖、脂、蛋白质可以相互替代，相互制约。一般情况下，糖是主要供能物质（50%~70%），脂主要是储能（供能只占10%~40% ），蛋白质几乎不是供能形式；饥饿或某些病理状态时，糖供能减少，脂和蛋白质分解供能增加。
物质代谢在个体和种属之间都具互补性，这是生态平衡的基础。
2.代谢调节
正常情况下，机体各种物质代谢能适应内外环境变化，有序地进行。这是由于机体存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度以适应内外环境变化。代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。
3.生命物质的降解和合成有共同点
生命物质的降解是一个分子由大到小，生成其单体的过程。降解的方式有水解、磷酸解、焦磷酸解、硫解。降解后的单体进入中间代谢进一步分解。分解的作用一是获得能量，二是获得重要的中间物。ATP是生物体能量利用的共同形式，是机体最主要的能量载体和各种生命活动能量的直接供体。分解的最终产物是CO2、H2O、NH3、H3PO4、SO2等无机物，因种属差异，各类物质分解的最终产物有所不同。生命物质的合成是一个由小到大，由简单到复杂的过程。分为半合成和从头合成。蛋白质、核酸、多糖和脂类的聚合是一种半合成。自养生物可直接将无机物转化为有机物，氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸和胆固醇的合成是从无到有，即从头合成。NADPH是合成代谢所需的还原当量。
物质代谢具共同的代谢池，处于动态平衡中。
4.各组织、器官物质代谢各具特色
动物、植物和微生物的物质代谢以及动物各组织、器官的物质代谢途径有所不同，各具特色。肝脏是物质代谢的中心。
每种物质代谢的活化方式不同（如糖的降解是磷酸化己糖，而糖的聚合是UDPG、ADPG；甘油三酯的合成是甘油-α-磷酸和脂酰辅酶A；氨基酸的活化以氨酰腺苷酸方式进行）。
二、物质代谢的相互联系
物质代谢通过各代谢途径的共同中间产物相互联系，但在相互转变的程度上差异很大，有些代谢反应是不可逆的。乙酰CoA是糖、脂、氨基酸代谢共有的重要中间代谢物，三羧酸循环是三大营养物最终代谢途径，是转化的枢纽。
1. 糖代谢与脂肪代谢的关系
糖可以转变成脂肪、磷脂和胆固醇。二羟丙酮磷酸经甘油磷酸脱氢酶催化变成甘油-α-磷酸；丙酮酸氧化脱羧变成乙酰辅酶A，再合成双数碳原子的脂肪酸。
在动物和人，脂肪转变成糖惟量很少。甘油可经糖异生变成糖原，但脂肪酸代谢的乙酰辅酶A不能转变成丙酮酸，不能异生成糖。虽然甘油、丙酮和丙酰CoA可以转变成糖，其量微不足道。
植物体内有乙醛酸循环途径，所以，脂肪转变成糖惟量大。 
2. 糖代谢与蛋白质代谢的关系
糖不能转变成蛋白质，而蛋白质可转变成糖。糖代谢产生的α-酮酸（丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸）氨基化和转氨生成相应的非必需氨基酸。蛋白质分解的20种氨基酸（亮氨酸、赖氨酸除外），均可生成α-酮酸转变为糖。
3. 脂肪代谢和蛋白质代谢的关系
脂不能转变为蛋白质，而蛋白质可转变为脂类。因为脂肪酸转变成氨基酸仅限于谷氨酸，且需草酰乙酸存在（来源糖）。
氨基酸代谢可生成乙酰CoA及合成磷脂的原料。
4. 核酸和其他物质代谢的关系
核酸和其他物质代谢的关系密切。核酸通过控制蛋白质的合成影响细胞的组成成分和代谢类型，核酸代谢离不开酶及调节蛋白。
许多核苷酸在物质代谢中起重要作用，UTP参与糖的合成，CTP参与磷脂的合成，CTP为蛋白质合成所必需。许多辅酶为核苷酸衍生物。氨基酸及其代谢产生的一碳单位，糖代谢磷酸戊糖途径产生的磷酸核糖是合成核苷酸的原料。

第二节    物质代谢的调节
一、代谢调节的方式和水平
1. 细胞水平的调节
通过改变关键酶的结构或含量以影响酶的活性，进而对代谢进行调节。是生物最基本的调节方式。关键酶催化的反应特点：在整条代谢通路中催化的反应速度最慢，又称限速酶；催化单向反应或非平衡反应；受多种效应物的调节。
2. 激素水平的调节
是通过与靶细胞受体特异结合，将激素信号转化为细胞内一系列化学反应，最终表现出激素的生物效应。
3. 神经水平的调节
是神经系统通过激素、酶或直接对组织、器官施加影响，进行整体调节。
二、细胞水平的调节
（一）酶活性的调节 
通过改变酶结构快速调节酶活性，有2种调节方式。
1. 变构调节 
变构剂与酶的调节亚基或调节部位非共价结合，引起酶分子构象改变，从而改变酶活性。受调节的酶称为变构酶或别构酶。变构剂有底物、产物、代谢途径终产物及小分子核苷酸类物质。变构效应有变构激活和变构抑制。变构调节主要以反馈方式控制酶的活性，反馈抑制（负反馈）普遍存在。
2. 共价修饰调节
酶分子的某些基团在另一种酶催化下发生化学共价修饰（如磷酸化/脱磷酸，乙酰化/脱乙酰，甲基化/脱甲基等），使酶的构象改变，从而改变酶活性。具有放大效应。
以上两种调节相辅相成。对某一具体的酶而言，可同时受到它们的调节。
（二）酶量的调节
通过改变酶的合成或降解以调节细胞内酶的含量，从而调节代谢的速度和强度。属迟缓调节。酶合成是受基因表达调节的，可在转录和翻译水平进行。
1. 原核生物基因表达的调节
1960~1961年Jacob和Monod对大肠杆菌乳糖发酵过程酶的诱导合成及各种突变型研究后，提出了操纵子模型。操纵子是原核生物基因表达的协调单位，一般含2~6个基因。操纵子模型的核心是对原核生物基因的划分，以后为基因结构分析证实并丰富该模型，还发现色氨酸操纵子、半乳糖操纵子等。转录的起始是基因表达的基本控制点。
（1）酶合成的诱导作用
乳糖操纵子（Lactose operon）由一组功能相关的结构基因（z、y、a），操纵基因（o），启动基因（p），调节基因（i）组成。三个结构基因“开放”可转录同一条mRNA，再翻译出3种利用乳糖的酶（β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷 转乙酰酶）。
乳糖操纵子“开”与“关”是在独立的正、负调节因子作用下完成的。阻遏蛋白是负调节因子，cAMP-CAP是正调节因子。CAP是代谢产物活化蛋白，也称cAMP受体蛋白（CRP）。cAMP-CAP结合在启动基因上可促进转录。
葡萄糖的降解物能抑制cAMP酶的活性，并活化磷酸二酯酶，使cAMP的浓度下降，CAP不能活化形成复合物，导致一些酶基因不能转录。大肠杆菌培养基有葡萄糖时，先利用葡萄糖，乳糖是诱导物。 
（2）酶合成的阻遏作用
色氨酸操纵子是阻遏操纵子，可说明某些代谢产物阻止细胞内酶的合成。
trpE、D、C、B、A是结构基因。是开放的，转录并翻译合成trp的5种酶。PO是启动基因和操纵基因；L是前导序，a是衰减子。调节基因（trpR）表达的产物阻遏蛋白原无活性，培养基有trp或trp合成过量，可作为辅阻遏物与阻遏蛋白原结合，使其有活性，结合O，阻止P的启动，结构基因关闭。
阻遏作用只控制转录的起始，是粗调节；衰减子形成的衰减调节可控制转录的进行，使细调节。
2. 真核生物基因表达的调节
真核生物基因表达的调节比原核生物复杂。是多层次，受多种因子协同调控的，以正性调节占主导。在转录激活上主要表现在顺式作用元件和反式作用因子的相互作用。
顺式作用元件指影响自身基因表达活性的DNA序列，有启动子、增强子、沉默子等。增强子是增强基因转录活性的调控序列，远离转录起始点，决定基因的时间、空间特异性表达。沉默子是某些基因含有的负调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。
反式作用因子是与顺式元件结合实现转录调节的蛋白质，有基本转录因子和特异转录因子，一般都有多个结构域。
（三）酶的区域化
同一个细胞内催化各种代谢的酶有2千多种，催化各种代谢途径的酶往往组成各种多酶体系，存在胞液和一定的亚细胞结构区域，酶在细胞内有一定的分布和定位现象称酶的区域化。
真核细胞主要代谢酶系的区域化分布：糖酵解、戊糖磷酸途径、糖原合成、脂肪酸合成在胞液；三羧酸循环、氧化磷酸化、呼吸链、脂肪酸β氧化、酮体生成在线粒体；核酸合成在细胞核；蛋白质合成、磷脂合成在内质网；糖异生、尿素合成在胞液和线粒体；胆固醇合成、类固醇激素合成在胞液和内质网；多种水解酶在溶酶体；ATP酶、腺苷酸环化酶在细胞质膜。
三、激素对代谢的调节
激素是多细胞生物特殊细胞或腺体产生，经体液输送到特定部位引起特定生物学效应的一些微量化学物质。
激素是靶细胞外的信号分子，对代谢的调节是通过细胞信息传递，需受体介导的，和受体的作用有专一性、可逆性、放大性。
受体是与激素、递质或其它化学物质专一性结合并相互作用，最终触发细胞生物学效应的生物大分子，多数是蛋白质。 
1. 膜受体激素
此类激素是蛋白质肽类激素及氨基酸衍生类激素，多为水溶性。
激素（第一信使）与膜受体结合，激活膜上腺苷酸环化酶，使ATP转为cAMP（第二信使），再激活蛋白激酶，进而发挥对靶细胞的调节作用。
2. 胞内受体激素
为类固醇激素，多为脂溶性。激素到达靶细胞，与胞内一种特殊的受体蛋白结合，形成复合物，在一定条件下进入细胞核，作为转录因子，调控相应基因的表达，产生代谢效应。
四、神经系统对代谢的调节
神经系统对代谢的调节是整体调节，以保持内环境的相对稳定。
短期饥饿，胰岛素分泌减少，胰高血糖素分泌增多，引起体内肌肉蛋白质分解，糖异生增强，脂肪分解及酮体生成增多。而长期饥饿，则蛋白质降解减少，脂肪分解及酮体生成进一步增多，肾的糖异生增强。
应激时，肾上腺髓质与皮质分泌增多，胰岛素分泌减少，引起脂肪动员增强，蛋白质分解加强，血糖升高。