濮阳职业技术学院  授课教师： 刘 殿 锋 授课专业： 观光农业、园林技术 第六章 酶与维生素 教学目的：了解酶的概念及特性，熟悉酶的分类和命名，掌握酶的结构和功能、酶的作用特点及影响因素，了解维生素和辅酶 教学重点：酶的结构和功能、作用特点及影响因素 生命活动的基本特征是能够进行新陈代谢，新陈代谢的本质是一系列受严格调控的化学反应。生物体内进行的这些化学反应，是在常温、常压、酸碱适中的温和条件下，有条不紊地迅速完成的，如果这些化学反应在体外进行，则速度非常缓慢，或者需要高温高压等特殊条件下才能进行。这是为什么呢？原来在生物体内含有一类特殊的催化剂-----酶，细胞内的化学反应几乎都是在酶催化下进行的。可以说，没有酶的参与，生命活动一刻也不能进行。因此从酶作用的分子水平上研究生命活动的本质及其规律无疑是十分重要的。 维生素也是生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质，对生物体的新陈代谢起促进和调节作用。维生素发挥生理作用经常和酶联系在一起，这是因为多数维生素参与辅酶或辅基的组成。 一、酶的概念及特性 （一）、酶的概念 概念：酶是由生物活细胞产生的，具有高效催化功能和高度专一性的一类特殊蛋白质（核酶化学本质是RNA，不是蛋白质），又叫生物催化剂。 酶的本质基本上是蛋白质，但不能是所有的蛋白质都是酶，只有那些具有催化活性的蛋白质才是酶。 酶促反应：由酶催化的反应。 底物：被酶催化的物质称为底物（S）。 产物：反应生成的物质。 酶的活性：酶所具有的催化能力。 酶的失活：如果酶失去催化能力。 （二）、酶的特性 酶具有一般催化剂的共性： 1、能显著地改变化学速率，使之加快达到平衡，但不能改变反应的平衡常数。 2、酶本身在反应前后也不发生变化。 酶作为生物催化剂的特点： 酶易失活。 凡能使生物大分子变性的因素，如高温、强酸、强碱、重金属盐等能使酶失去催化活性，因此酶催化的反应所需要的条件都是比较温和的。 酶具有很高的催化效率。 同一化学反应，酶比一般催化剂效率高107－1013倍。 据报道，如果在人的消化道中没有各种酶类参与催化作用，那么，在体温370C的情况下，要消化一餐简单的午饭，大约50年，经过实验分析，动物吃下的肉食，在消化道内只要几小时就可完全消化分解。再如将唾液淀粉酶稀释100万倍后，仍具有催化能力。 酶具胡高度专一性。 酶对催化的反应和反应物有严格的选择性。酶往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。而一般催化剂没有这样严格的选择性。 根据专一性的严格程度分： A、绝对专一性：只作用于一种底物，催化一定的底物。 B、相对专一性：只作用于一类化合物或一种化学键。 C、立体异构专一性：只能催化一种立体异构体。 酶活性受调节和控制。 生物体对酶的催化活性能够通过多方面的因素进行调节和控制，使生命活动中各个反应能有条不紊地进行。调控方式有： 诱导或抑制酶的合成 调节酶的浓度 调节酶的降解 通过激素调节酶活性 反馈抑制调节酶活性 　　　抑制剂和激活剂对酶活性的调节 　　　其他调节方式：别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰、同工酶 二、酶的命名和分类 迄今为止已发现约4000多种酶，在生物体中的酶远远大于这个数量。1961年前酶的分类和命名都很混乱，酶的名称往往是沿用下来的，缺乏系统性和科学性，有时会出现一酶数名或一名数酶的情况。1961年国际生物化学学会酶学委员会推荐了一套新的系统命名方案及分类方法，已被国际生物化学学会接受。决定每一种酶应有一个系统名和一个习惯名称。 (一)、习惯命名法 习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管缺乏系统性，但现在还被人们使用。主要依据两个原则： 第七章 生物膜 教学目的：了解生物膜的概念，熟悉生物膜的化学组成和结构，掌握生物膜的功能 教学重点：生物膜的化学组成和结构及功能 生物膜的概念、功能和研究意义 生物的基本结构和功能单位是细胞，任何细胞都以一层薄膜(厚度约6-10nm)将其内含物与环境分开，这层膜称细胞膜或外周膜。此外，真核细胞中还有许多内膜系统，组成具有各种特定功能的亚细胞结构和细胞器，例如，细胞核、线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体和过氧化物酶体，在植物细胞中还有叶绿体等。与真核细胞相比，原核细胞的内膜系统不很丰富，只有少量的膜结构，如某些细菌的单体，蓝绿藻中进行光合作用的类囊体膜等。细胞的外周膜和内膜系统称为“生物膜”。 生物膜结构是细胞结构的基本形式，它对细胞内很多生物大分子的有序反应和整个细胞的区域化都提供了必需的结构基础，从而使各个细胞器和亚细胞结构既各自恒定、动态的内环境，又相互联系，相互制约，从而使整个细胞活动有条不紊、协调一致地进行。 生物膜具有多种功能，生物体内许多重要过程（如物质运送、能量转换、细胞识别、神经传导和代谢调控）以及激素和作用、肿瘤发生等等，分析到最后无不与生物膜有关。 生物膜的研究不仅具有重要的理论意义，而且在工、农、医实践方面也有广阔的应用前景。在工业方面，生物膜的各种功能正在成为模拟对象。如果生物膜选择透性的功能一旦模拟成功，将大大提高污水处理、海水淡化以及回收有用的工业副产品的效率。在农业方面，从生物膜结构与功能的角度来研究农作物的抗寒、抗旱、耐盐和抗病等的机制正在进行，这方面的研究成果将为农业增产带来显著成效。在医药方面，几乎所有疾病都与膜的变异有密切关系。很多细胞质膜上的可能是药物的的靶体。人工膜（脂质体）药物载体已经进行了大量研究，有的已经进入临床试验。 总之，20世纪70年代以来，生物膜的研究已深入到生物学的很多领域，当前仍然是分子生物学、细胞生物学中最活跃的研究领域之一。 生物膜的化学组成和结构 一、生物膜的组成 生物膜主要由蛋白质（包括酶）、脂质（主要是磷脂）和糖类组成，还有水、金属、离子等。 生物膜的组分，尤其是蛋白质和脂质的比例，因膜的种类不同可以有很大的差异。一般讲，功能复杂或多样的膜，蛋白质的比例较大。相反，膜功能愈简单，其膜蛋白质的种类和数量愈少。 （一）膜质 生物膜内的脂质有磷脂、胆固醇、糖脂等，其中以磷脂为主要组分，分布很广泛。 1、磷脂 磷脂构成了膜质的基本成分，约占整个脂质的50%以上。主要是甘油磷酸二酯，另外还有鞘磷脂。无论是甘油磷酯还是鞘磷脂都系两亲性分子，每一分子既有亲水部分又有疏水部分。这一特征决定了它们在生物膜中的双分子排列。 2、糖脂 动物细胞的质膜几乎都含有糖脂，其含量约占外层膜质的5%，这些糖脂大多都是鞘氨醇的衍生物。 细菌和植物细胞质膜的糖脂几乎都是甘油的衍生物，非极性部分以亚麻酸的含量较为丰富，极性部分则是糖残基，可以是一个（如半乳糖）、两个或多个。 3、胆固醇 一般讲动物细胞胆固醇的含量较植物细胞高，而质膜的胆固醇含量又多于细胞内膜系。胆固醇的两亲性特点对生物膜中脂质的物理状态有一定调节作用。在相变温度以上时，胆固醇阻扰脂分子脂酰链的旋转异构化运动，从而降低膜的流动性。在相变温度以下时，胆固醇的存在又会阻止磷脂脂酰链的有序排列，从而降低其相变温度，从而防止向凝胶态的转化，保持了膜的流动性。 （二）膜蛋白 膜蛋白是膜的生物学功能的主要体现者。按蛋白质在膜中的位置和与膜结合的紧密程度，通常将膜上的蛋白质分为外在膜蛋白和内在膜蛋白两类。 外在膜蛋白为水溶性蛋白，靠离子键与其他较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子结合，因此，只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，膜结构并不被破坏。内在膜蛋白与膜结合非常紧密，只有用去垢剂使膜崩解后方可以分离出来。 （三）糖类 生物膜中含有一定量的糖类，在真核细胞中，无论质膜还是细胞内膜系都有糖类分布，前者约占质膜重量的2%－10%。它们大多与膜蛋白结合，少量与膜脂结合。分布于质膜表面的糖残基形成一层多糖──蛋白质复合物或称细胞外壳。在生物膜中组成寡糖的单糖主要有：半乳糖、甘露糖、岩露糖、半乳糖胺、葡萄糖胺、葡萄糖和唾液酸等，膜蛋白或膜脂寡糖侧链的功能尚未完全阐明。糖蛋白可能与大多数细胞的表面行为有关，细胞与周围环境的相互作用都涉及到糖蛋白，因此有人将细胞膜的糖类部分比喻为细胞表面的“天线”，在接受外界信息以及细胞间相互识别方面具有重要作用。 二、生物膜的结构模型 为了阐明生物膜的功能，自20世纪30年代以来，许多学者设想出数十种模型试图揭示生物膜的结构特点，但都有不同程度的局限性。1972年，Singer和Nicolson提出了生物膜的“流动镶嵌学说”。这一学说虽然仍不完善，但得到了比较广泛的支持。现将这个学说归纳为以下几点： 1、脂质双层是膜的基本结构，膜脂质分子在不断运动中，在生理条件下，呈流动的液晶态，脂双层结构既是屏障，又是膜蛋白表现功能的舞台。 2、细胞质膜上的蛋白质有外在蛋白和内在蛋白两种形式，它们与膜脂分子之间存在相互作用，也处于运动中。部分膜脂分子对于维持膜蛋白的构象和发挥其功能有直接的影响。 3、膜的脂质、膜蛋白和膜糖在脂双层两侧的分布是不对称的，膜上的糖基总是暴露在质膜的外表面上。这种不对称表明了膜的功能的复杂性。 生物膜的基本结构模型如图所示：  第三节　生物膜的物质运送功能 生物膜的主要功能可归纳为：能量转换，物质运送，信息识别与传递。下面我们将着重介绍生物膜的物质运送功能。 生物膜的通透性具有高度选择性，细胞能主动地从环境中摄取所需要的营养物质，同时排出代谢产物和废物，使细胞保持动态的恒定，这对维持细胞的生命活动是极为重要的。大量证据表明，生物界中的很多生命过程都直接或间接与物质的跨膜运输密切相关。例如神经冲动传播，细胞行为和细胞分化，以及感觉的接受及传导等重要生命过程。因此，了解物质跨膜运输的规律和机制具有重要意义。 本节将对小分子与离子和大分子物质的过膜运送分别进行叙述。 一、穿膜运送 穿膜运送是小分子物质与离子进出细胞的方式，它们是直接的膜运送，主要有简单扩散、协助扩散、主动运输和基团转移4种方式。 1、简单扩散 这是小分子与离子由高浓度向低浓度穿越细胞膜的自由扩散过程，不需要提供代谢能量，也不需要任何形式的转动载体帮助，因此，称为简单扩散。不同小分子物质穿膜运送的速率差异极大。由于膜的基本结构是脂质双层，因此一般来说，脂溶性小分子的透过性较好，而离子和多数极性分子透过性较差。 2、促进扩散 促进扩散也是物质由高浓度向低浓度的运送过程，也不需要提供代谢能量。但不同的是这种物质的穿膜运送需要膜上被称作载体蛋白的特异的膜蛋白参与。促进扩散的穿膜运送机制如图所示：  主动运输 主动运输需要转运载体，消耗能量并且能够逆浓度梯度进行。主动运输需要的能量来自ATP的消解。 在动物细胞质膜两侧或细胞器膜两侧的某些离子浓度有很大的差别，这些离子浓度的维持依赖于多种所谓“泵”的主动运输功能来实现。这些“泵”本身具有ATP酶的活性。例如，细胞膜的钠钾泵，又称Nａ＋－K＋－ATP酶，其作用是保持细胞内的高K＋和低Nａ＋、细胞外的高Nａ＋和低K＋。其机制是：Nａ＋－K＋－ATP酶有两种不同的构象E1和E2。通过它们之间的互变，把K＋胞外转入胞内，把Nａ＋从胞内转到胞外。如图所示：  基团转移 基团转移最早发现于大肠杆菌中，它是细菌在吸收营养时采用的一种物质穿膜运送的方式，通过对运送到细胞内的分子进行共价修饰，使其在细胞中始终维持较低的浓度从而保证这种物质不断地沿浓度梯度从细胞外向细胞内运送。典型的例子是细菌磷酸基团转移体系，完成某种特异的糖向细胞内的转运。基团转移过程中所需要的能量由磷酸烯醇式丙酮酸提供。 二、膜胞运送 膜胞运送是大分子和颗粒物质进出细胞的主要方式，在运送过程中，物质在双层膜围绕的囊泡中主要有内吞和外排两种穿膜运送方式。 1、内吞作用 是通过细胞质膜内陷形成囊泡，将外界物质襄进并输入细胞的过程。根据内吞作用是否有专一性，可将内吞作用分为受体介导的内吞作用和非特异性的内吞作用。受体介导的内吞作用是被运送的物质与细胞质膜上的专一的受体相结合后诱发的内吞作用。如动物细胞中胆固醇的穿膜运送。 2、外排作用 是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程，从形式上看是内吞作用的逆过程。例如产生胰岛素的胰岛细胞，将合成的胰岛素分子累积在细胞内的囊泡里，然后这些分泌囊泡与细胞质膜融合并打开，向细胞外释放出胰岛素。 第八章　糖代谢 教学目的：了解新陈代谢的概念，熟悉生物氧化的生化知识，掌握糖的分解代谢与合成代谢 教学重点：糖酵解与三羧酸循环 第一节　新陈代谢概述 新陈代谢简称代谢，是生物体表现其生命活动的重要特征之一，是生物体广泛与外界环境进行的物质交换及能量的转变过程。 生物体内的新陈代谢并不是自发进行的，而是靠生物催化剂──酶来催化的。生物体内酶催化的化学反应是连续的，前一种酶的作用产物往往成为后一种酶的作用底物。这种在代谢过程中连续转变的酶促产物统称为代谢中间产物，或简称代谢物。 新陈代谢途径中的个别环节，个别步骤称为中间代谢。 虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶的催化反应，但通过仔细地分析研究，仍然可以从错综复杂的代谢网络中总结归纳成一些具有共同规律的途径，并将这些途径称之为主要代谢途径。人们还发现，这些主要代谢途径，在千差万别的生物界都具有相当的普遍性。 新陈代谢包括合成代谢和分解代谢两个方面。 合成代谢 生物体从外界环境中取得营养物质，转化为机体自身物质，同时吸收能量的代谢过程，称为合成代谢，又称为同化作用。此代谢过程是将小分子合成生物大分子，是一个吸能过程。 分解代谢 生物体将体内物质，转化为环境中的物质，同时释放能量的过程称为分解代谢，又称异化作用。此代谢过程是将生物大分子分解为小分子物质，是一个放能过程。 合成代谢与分解代谢途径所包括的物质转化，都属于物质代谢。以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的，是蕴藏在化学物质中的能量转化，统称为能量代谢。 新陈代谢中的物质代谢和能量代谢的相互关系可以表示为：  第二节 生物氧化 生物氧化的含义 生物体生命活动需要能量，而能量的来源主要依靠生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物质的氧化作用。有机物在生物体细胞内进行的氧化放能反应过程，称为生物氧化。 生物氧化的特点 生物氧化与非生物氧化的化学本质相同，两者释放的能量相同。但生物氧化与非生物氧化所进行的方式是大不相同的，生物氧化有如下特点： 1、生物氧化是在活细胞内进行的。 2、反应在酶的催化下进行，在体温和近中性pH及有水环境中进行。 生物氧化是经过一系列连续的化学反应逐步进行氧化，并逐步释放能量。 生物氧化过程产生的能量，通常先贮存在一些特殊的高能化合物(主要是ATP)中，再通过能量转换作用，以满足机体对能量的需要。 生物氧化的方式 生物氧化的方式有加氧、脱氢、脱电子等。其中最主要的是脱氢反应。生物氧化根据最终受氢体是否是分子氧，可分为两种方式： 1、有氧氧化：以分子氧为最终受氢体，是生物氧化的最主要的方式，结果是将底物氧化成CO2和H2O。 2、无氧氧化：以有机物为最终受氢体。 生物氧化体系──呼吸链 在有氧氧化过程中，代谢底物脱下的2H和电子经一系列递氢体和电子传递体的传递，最后与O2结合，所经过的途径形象地称为电子传递链，或称呼吸链。 呼吸链的基本成份可分成5大类： 1、酰胺脱氢酶类。此类酶的辅酶有两种：一种是NAD+，即辅酶I(CoI)；另一种是NADP+，即辅酶II(CoII)。 2、黄素脱氢酶类。此类酶的辅基有两种：即FMN和FAD。 3、铁硫蛋白(铁硫中心)。铁硫蛋白含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，在线粒体内膜上，铁硫蛋白常与黄酶或细胞色素结合成复合物存在。 4、辅酶Q(CoQ)。 5、细胞色素类。细胞色素类是一种结合蛋白，用符号Cyt表示，其辅基是铁卟啉的衍生物。在生物体呼吸链中主要含有5种细胞色素，即Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta、Cyta3。a和a3不能分开，统称细胞色素a a3。它是呼吸链中最后一个传递体，可直接将电子传递给氧，所以称其为细胞色素氧化酶，又称末端氧化酶。 生物体内有两条重要的呼吸链，如图所示：一条是由NADH+H+开始的NAD呼吸链；另一条是由FADH2开始的FAD呼吸链。两者均存在于线粒体中。  呼吸链是一个完整的连续反应体系，它的任何一个部位的电子流受到抑制，都能抑制ATP在其部位的形成，从而造成细胞呼吸的中断。我们把能够抑制呼吸链中某一部位电子流的物质，称电子传递抑制剂。例如：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素能阻断电子由NADH向辅酶Q的传递；氰化物、硫化氢和一氧化碳等有阻断电子由Cytaa3传递到氧的作用。 五、ATP的生成和利用 （一）、ATP的生成 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分以热能的形式散失外，大部分可以通过ADP的磷酸化作用转移到高能磷酸化合物ATP中，生成方式有两种： 1、底物水平磷酸化。 代谢底物在分解过程中，因脱氢、脱水等到作用，使分子中能量重新分布，形成高能磷酸键。此高能键可转移给ADP生成ATP。这一过程称为底物水平磷酸化。 2、氧化磷酸化。 代谢底物脱氢经呼吸链氧化放能的同时，伴有与ADP磷酸化生成ATP吸能相偶联的过程，称为氧化磷酸化。其偶联部位如图所示：  （二）、ATP的作用 一切生物体内，能量的释放、贮存和利用，都以ATP为中心，ATP在生物体能量代谢中起着非常重要的作用。但ATP在机体内的含量并不多，确切地说，ATP不是能量的贮存物质，而是能量的携带者或传递者。 糖的分解代谢 机体的生存需要能量，机体内主要提供能量的物质是ATP。ATP的形成主要通过两条途径，一条是由葡萄糖彻底氧化为CO2和水，从中释放出大量自由能形成大量的ATP，另一条是在没有氧分子参加的条件下，即无氧条件下，由葡萄糖降解为丙酮酸，并在此过程中产生2分子ATP。另外，糖的分解代谢还包括磷酸戊糖途径等。生物体不但通过糖的分解代谢获取能量外，而且糖类代谢的中间产物可为氨基酸、核苷酸、脂肪酸等的合成提供碳原子和碳链骨架，以构成组织细胞。 一、糖的无氧分解 糖的无氧分解是指糖在无氧情况下的不彻底分解。从生物氧化的角度，代谢底物的氢原子的最终受体是有机物，故又称无氧氧化。 一、糖酵解（EMP） 在生物体内葡萄糖在无氧条件下转变成丙酮酸，并同时生成ATP的一系列反应称为糖酵解。用EMP表示（EMP为人名的缩写）。 1、糖酵解的反应过程 糖酵解过程从葡萄糖到形成丙酮酸共包括10步反应，可划分为两个主要阶段。前5步为准备阶段，葡萄糖通过磷酸化、异构化裂解为三碳酸。每裂解一个已糖分子，共消耗2分子ATP。使已糖分子的1,6位磷酸化。磷酸化的已糖裂解和异构化，最后形成一个共同中间物即甘油醛－3－磷酸。 后5步为产生ATP的贮能阶段。磷酸三碳糖转变成丙酮酸。每分子三碳糖产生2分子ATP。整个过程需要10种酶。这些都存在于胞质溶胶中，大部分过程都有Mg2+离子作为辅助因子。 糖酵解的第一阶段——准备阶段： （1）、葡萄糖的磷酸化 葡萄糖在已糖激酶的催化下，消耗ATP，生成6－磷酸葡萄糖。 （2）、6－磷酸葡萄糖异构化形成6－磷酸果糖。 在磷酸葡萄糖异构酶的催化下，6－磷酸葡萄糖形成6－磷酸果糖。 （3）、6－磷酸果糖形成1,6－二磷酸果糖。 在磷酸果糖激酶的催化下，6－磷酸果糖形成1,6－二磷酸果糖。 （4）、1,6－二磷酸果糖转变为3－磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。 在醛缩酶的催化下，1,6－二磷酸果糖转变为3－磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。 （5）、磷酸二羟丙酮转变为3－磷酸甘油醛。 1，6－二磷酸果糖裂解后形成的两分子三碳糖磷酸中，只有甘油醛－3－磷酸能继续进入糖酵解途径，二羟丙酮磷酸必须转变为甘油醛－3－磷酸才能进入糖酵解途径。丙糖磷酸异构酶正是担负这一转变的酶。 糖酵解的第二阶段——放能阶段： （1）、3－磷酸甘油醛氧化成1,3－二磷酸甘油酸。 此反应是由3－磷酸脱氢酶催化，是糖解过程中唯一的脱氢反应。生成的NADH＋H＋D在无氧条件下用于丙酮酸的还原，生成乳酸或乙醇；在有氧条件下，进入呼吸链，最终下氧结合形成水，同时产生ATP。 （2）1,3－二磷酸甘油酸生成3－磷酸甘油酸。 此步反应由磷酸甘油酸激酶催化，1,3－二磷酸甘油酸将高能磷酸键和磷酰基转移给ADP，经底物水平磷酸化，生成ATP。 （3）、3－磷酸甘油酸转变为2－磷酸甘油酸。 该反应由磷酸甘油酸变位酶催化。 （4）、2－磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸。 这一反应是烯醇化酶催化的。2－磷酸甘油酸在第2，3碳原子上脱水后，分子内部能量重新分配，使原来低能量的磷酸酯键变为高能磷酸键。 （5）、磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸并产生一个ATP分子。 这是糖酵解的最后一步反应，由丙酮酸激酶催化。磷酸基团由磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP上同时形成丙酮酸是一个不可逆反应。 糖酵解中所产生的能量 从葡萄糖转变为丙酮酸的总反应如下： C6H12O6＋2ADP＋2H3PO4＋2NAD＋—→2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O 糖酵解过程中净产生两分子ATP。 3、糖酵解的生理意义 （1）糖酵解是生物体获得能量的一种方式。因为此过程产生的能量较少，所以它不是生物体获得能量的主要方式。 （2）糖酵解是生物体在特殊生理和病理情况下补充能量的形式。例如，在动物体激烈运动、机体呼吸和循环机能发生障碍及植物被水淹的情况下，机体则通过糖酵解来补充参量供应的不足，以维持生命活动。 （3）糖酵解的中间产物为脂肪、蛋白质、核酸的合成提供碳源。例如，6－磷酸葡萄糖可生成核糖；磷酸二羟丙酮可转化为甘油，进而合成脂肪；丙酮酸可转化为氨基酸，用以蛋白质的合成。 二、丙酮酸的去路 从葡萄糖到形成丙酮酸的酵解过程，在生物界都是极其相似的。丙酮酸以后的途径却随着机体所处的条件和发生在什么样的生物体中各不相同。 1、由丙酮酸形成乳酸。 在动物、某些植物或某些微生物体中，无氧或缺氧条件下，由乳酸脱氢酶催化，NADP＋H+还原丙酮酸形成乳酸。 2、由丙酮酸形成乙醇。 在植物或某些微生物（如酵母菌）体内，无氧或缺氧条件下，丙酮酸降解为和CO2。反应分两步： 第一步：丙酮酸在丙酮酸脱羧酶催化下，脱羧生成乙醛和CO2。 第二步：乙醛在乙醇脱氢酶催化下，加氢还原成乙醇。 3、由丙酮酸形成乙酰辅酶A和CO2。 在有氧条件下，由丙酮酸脱氢酶系催化，丙酮酸进行脱羧反应，生成乙酰CoA、CO2和NADH+H+。  二、糖的有氧分解——柠檬酸循环 糖的有氧分解是指在有氧条件下，糖被氧化成CO2和H2O，并释放大量能量的过程。从生物氧化的角度，由于氧是代谢底物脱掉的氢原子的最终受体，故又称有氧氧化。它是生物体获得能量的主要过程。 1、糖有氧分解的反应过程。 糖有氧分解的反应过程可划分为四个阶段： （1）丙酮酸的生成。即糖酵解的过程。 （2）丙酮酸氧化生成乙酰辅酶A。 由葡萄糖转变为丙酮酸，是在细胞的胞液中进行的。在有氧条件下，丙酮酸从胞液穿过线粒体膜进入线粒体中，所以丙酮酸以后的氧化都是在线粒体内进行的。 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化，进行脱羧反应，生成乙酰CoA、CO2和NADH+H+。 （3）柠檬酸循环。 在有氧条件下，乙酰辅酶A经过一个由柠檬酸开始又回到柠檬酸的反应过程，被彻底氧化为CO2和H2O，这个过程称为柠檬酸循环，又称三羧酸循环，用TCA表示。它不仅是糖的有氧分解途径，也是生物体一切有机物碳链骨架氧化成CO2的共同途径。 柠檬酸循环包括下列反应： 柠檬酸的生成。乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸进行综合，然后水解成柠檬酸。 柠檬酸脱水生成顺乌头酸。 顺乌头酸加水生成异柠檬酸。 异柠檬酸脱氢生成草酰琥珀酸。 草酰琥珀酸脱羧生成α－酮戊二酸。 α－酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。 此反应不可逆，是三羧酸循环的调控部位。 琥珀酰CoA在琥珀酸激酶的催化下，转移其高能硫酯键至二磷酸鸟苷（GDP）上，生成三磷酸鸟苷（GTP），同时生成琥珀酸。然后GTP再将高能键和磷酸基团转移给ADP，生成一个ATP。 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下，脱氢生成延胡索酸，同时产生FADH2。 延胡索酸加水生成苹果酸。 苹果酸被氧化成草酰乙酸。 至此草酰乙酸又重新形成，又可与另1分子乙酰CoA缩合成柠檬酸，开始下一轮的循环。 三羧酸循环中，消耗1分子乙酰CoA，产生2分子CO2,3分子NADH＋H＋和1分子FADH。  （4）氢的氧化。代谢过程产生的氢原子，经呼吸链传递，最终与氧化合成水，同时经氧化磷酸化产生ATP。 2、糖有氧分解能量计算 葡萄糖有氧分解的总反应可表示如下： C6H12O6＋6O2＋38ADP＋38H3PO4─→6H2O＋6CO2＋38ATP 糖有氧分解的生理意义 （1）糖有氧分解产生的能量多，是生物机体获得能量的最有效方式，生物体95%的能量来自于糖的有氧氧化。 （2）糖有氧分解过程中的三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质彻底氧化的共同途径，是各类有机物相互转化的枢纽。 （3）糖有氧分解的中间产物可为其他物质（脂肪、蛋白质、核酸）的生物合成提供碳架和碳素。 （4）在植物体内三羧酸循环形成的有机酸即是生物氧化基质，也是一定器官中的积累物质。如柠檬酸果实富含柠檬酸，苹果中富含苹果酸。 （5）发酵工业利用微生物的三羧酸循环途径生产有关的有机酸。例如柠檬酸、谷氨酸等。 三、磷酸戊糖途径 葡萄糖磷酸化生成6－磷酸葡萄糖后，再经磷酸戊糖、磷酸丙糖等，最后重新生成6－磷酸葡萄糖的代谢途径，称为磷酸戊糖途径。用HMP表示。此途径发生在胞液中。 HMP途径与EMP途径有着密切的关系，因为HMP途径中的3－磷酸甘油醛可以进入EMP，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力（NADPH）和中间代谢产物。 1、磷酸戊糖途径的反应过程 磷酸戊糖途径可分为两个阶段，第一个阶段──氧化阶段为不可逆过程，第二个阶段──非氧化阶段为可逆过程。 氧化阶段： （1）6－磷酸葡萄糖脱氢氧化。 在6－磷酸葡萄糖脱氢酶催化下，6－磷酸葡萄糖脱氢生成6－磷酸葡萄糖酸内酯。 （2）6－磷酸葡萄糖酸内酯水解。 在6－磷酸葡萄糖酸内酯酶催化下，6－磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6磷酸葡萄糖酸。 （3）6－磷酸葡萄糖酸氧化脱羧。 在6－磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下，6－磷酸葡萄糖脱氢、脱羧，生成5－磷酸核酮糖。 非氧化阶段： 5－磷酸核酮糖以过丙、丁、戊、已、庚糖等中间产物，重新生成G－6－P，形成了一个循环，即磷酸戊糖途径。 上述过程中，若6mol 6－磷酸葡萄糖，产生6molCO2,12molNADH+H+,并消耗7molH2O。其总反应如下： G－6－P＋7H2O＋12NADP＋—→6CO2＋12NADPH＋H＋＋H3PO4  2、磷酸戊糖途径的生理意义 （1）实验证明，磷酸戊糖途径也是普遍存在的糖代谢的一种方式。在不同的组织和器官中，它所占的比重不同。例如，高等植物在成熟期，此途径的代谢量可达到50%；植物在干旱、染病和受损伤的情况下，磷酸戊糖途径反应加速；动物的肝脏、骨髓、脂肪组织等也有磷酸戊糖途径反应。 （2）磷酸戊糖途径中产生的NADPH＋H＋，是生物体内NADPH＋H＋的主要来源。NADPH＋H＋为脂肪酸合成提供重要的氢源。 （3）磷酸戊糖途径中产生的5－磷酸核糖，是核酸生物合成的必需原料。在植物中，4－磷酸赤藓糖与3－磷酸甘油酸可合成莽草酸，进而转变成多元酚，也可转变成色氨酸及吲哚乙酸等。因此，这一代谢途径与分解代谢、合成代谢均有密切的联系。 第四节　糖的合成代谢 自然界中绿色植物或光合细菌通过光合作用合成葡萄糖，而动物可以从外界摄取的营养物质通过消化、吸收转化为葡萄糖。另外，动植物还可通过异生作用合成葡萄糖。 一、葡萄糖异生作用 1、葡萄糖异生作用的概念及生理意义 葡萄糖异生作用指的是以非糖物质作为前体合成葡萄糖的作用。非糖物质包括乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等。葡萄糖异生作用对于人类以及其他动物是绝对需要的途径。例如，人脑以葡萄糖作为主要燃料，对葡萄糖有高度的依赖性。机体在一般情况下，体内的葡萄糖量足够维持一天的需要，但是如果机体处于饥饿状态，同时由非糖物质转化成葡萄糖提供急需。当机体剧烈运动时，也需要由非糖物质及时提供葡萄糖。 2、葡萄糖异生作用与糖酵解的关系 葡萄糖异生作用并不是糖酵解作用的直接逆反应。虽然葡萄糖可由丙酮酸合成，其所经历的途径绝大部分是糖酵解过程的逆反应，但并不完全是糖酵解过程的逆反应。糖酵解过程有三步反应是不可逆的，即：由已糖激酶催化的葡萄糖和ATP形成葡萄糖－6－磷酸和ADP，由磷酸果糖激酶催化的果糖－6－磷酸和ATP形成果糖－1,6－二磷酸和ADP，由丙酮酸激酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸和ADP形成丙酮酸和ATP的反应。葡萄糖异生作用要利用糖酵解过程中的可逆反应步骤必须对上述3个不可逆过程采取迂回措施绕道而行。 3、葡萄糖异生对糖酵解的不可逆过程采取的迂回措施。 迂回措施之一：丙酮酸通过草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸。该措施分两步进行： A、丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下，消耗一个ATP分子的高能磷酸键形成草酰乙酸。 B、草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化下，形成磷酸烯醇式丙酮酸。 迂回措施之二：果糖－1,6－二磷酸在果糖－1,6－二磷酸催化下，其C1位的磷酸酯键水解形成果糖－6－磷酸。 迂回措施之三：葡萄糖－6－磷酸在葡萄糖－6磷酸酶催化下水解为葡萄糖。 上述三步迂回措施实际上是由不同的酶绕过了糖酵解中不可逆的三步反应。 二、光合作用 光合作用是自然界中将光能转变为化学能贮存在营养物质中的一个复杂而重要的过程。地球上一切生物生命活动所需的能量，归根结底都来自太阳能。 光合作用可简单地概括为含光合色素主要是叶绿素的植物细胞和细菌，在日光利用无机物质（CO2、H2O、H2S等）合成有机化合物（C6H12O6），并释放氧气或其他物质（如S）的过程。 对绿色植物而言，可用下式表示： CO2＋2H2O—光能———→（C?H2O）＋O2↑＋H2O 这个反应式只表示了反应物和生成物，并没有表示出反应是怎样进行的。实际上，光合作用是一个非常复杂的过程，可分为光反应和暗反应两个阶段。 1、光反应 这个阶段需要光，所以称光反应。在光反应阶段，叶绿体利用所吸收的光能，将水分解放出氧气，并产生ATP和NADPH＋H＋。光反应可表示为： H2O＋NADP＋＋ADP—光能———→1/2O2＋ATP＋NADPH＋H＋ 2、暗反应 暗反应是指在叶绿体内，利用光反应产生的同化力，将空气中的CO2转变成糖，最终完成了从光能→电能→活跃化学能→稳定化学能（糖）的转变过程。此过程发生在叶绿体的间质中，在有光和无光的情况下均可进行。 在暗反应中，CO2和受体结合的过程称为CO2的固定。由于植物类型和生态环境的不同，CO2被还原的途径也有不同。根据CO2固定的第一个产物不同，分为C3和C4两个主要途径。 （1）C3途径（C3循环） 在光合作用中，同化CO2生成的第一个产物是三碳物（磷酸甘油醛）的途径，称为C3途径。又称C3循环或卡尔文循环。仅进行C3途径的植物，叫做C3植物，主要有小麦、水稻、大豆、棉花、烟草、菠菜等。 C3循环的化学反应过程可分为三个阶段。 羧化阶段（CO2的固定）。CO2在1,5－二磷酸核酮糖羧化酶催化下与受体1,5－二磷酸核酮糖反应，生成3－磷酸甘油酸。 还原阶段。利用光反应产生的同化力（ATP和NADPH＋H＋），将3－磷酸甘油酸还原成3－磷酸甘油醛。 再生阶段。3－磷酸甘油醛经丙、丁、戊、已、庚糖，重新生成1,5－二磷酸核酮糖，完成了循环过程。 C3途径的全过程如图所示：  （2）C4途径。在光合作用中，同化CO2生成的第一个产物是四碳物（草酰乙酸）的途径，称为C4循环。按照这条途径同化CO2植物（如玉米、甘蔗、高梁等），称为C4植物。 C4植物的叶子结构和C3植物不同。C4植物的维管束鞘细胞富含叶绿体，维管束鞘细胞胞外面包围着叶肉细胞。C3植物的维管束鞘细胞不发达，也不含叶绿体，所以C3植物的C3循环发生在叶肉细胞内。C4植物的C3循环发生在维管束鞘细胞的叶绿体中。 C4循环的反应过程是：空气中的CO2在叶肉细胞的叶绿体中，与磷酸烯醇式丙酮酸结合，生成草酰乙酸，然后被还原成苹果酸。 生成的苹果酸从叶肉细胞的叶绿体中穿梭进入维管束鞘细胞的叶绿体中，经脱氢、脱羧生成丙酮酸。 生成的丙酮酸穿梭返回叶肉细胞的叶绿体中，重新磷酸烯醇式丙酮酸，完成C4循环。 这样，C4循环起着CO2泵的作用，将空气中的CO2压入维管束鞘细胞中，为C3循环提供了比空气中更高的CO2浓度，提高了光合效率。C4植物同化CO2的过程如图所示：  3、光合作用的意义 光合作用是地球上一切生物体物质转化和能量转化的基础，它为所有生物的生存、发展提供了所必需的碳源、氢源、氮源和能源。 植物通过光合作用制造有机物的规模是巨大的。据估计，自然界每年大约形成四五千亿吨有机物。人类和动物的食物都直接或间接地来自光合作用所产生的有机物。光合作用是地球上氧气的最大来源。据估计，每年经光合作用可产生5﹡1011t氧气。生物的呼吸和燃料的燃烧消耗O2，产生CO2，光合作用吸收CO2，放出O2，从而使得大气中的CO2和O2的含量基本上保持稳定。因此，绿色植物可以称为“自动的空气净化器”。 总之，光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，它在整个生物界以至整个自然界中都具有极其重要的意义。 第十章　蛋白质降解和氨基酸代谢 活细胞的组成成份在不断地转换更新。蛋白质有自己的存活时间，短到几分钟，长到几周。不论何种情况，细胞总是不断地从氨基酸合成蛋白质，又把蛋白质降解为氨基酸。表面看来，这样的变化过程似是一种浪费，实际上它有二重功能，其一是排除那些不正常的蛋白质，它们若一旦积聚，将对细胞有害；其二是通过排除累积过多的酶和调节蛋白使细胞代谢的井然有序得以维持。酶的活动能力实际是根据它的合成速度和降解速度决定的。在细胞“经济学”中，控制蛋白质的降解与控制其合成速度是同样重要的。下面我们将讨论蛋白质的酶促降解，氨基酸的降解与转化，氨基酸的生物合成。至于蛋白质的生物合成将在下一章讨论。 第一节　蛋白质的酶促降解 蛋白质的酶促降解，就是在酶的催化下通过加水分解，使蛋白质中的肽键断裂，最后生成氨基酸的过程。就人和动物而言食物中的蛋白质、组织蛋白质或细胞内合成蛋白质都必须通过蛋白质的酶促降解，生成氨基酸后才进行代谢，它们可以进一步进行氨基酸的分解代谢，也可以供机体自身合成蛋白质。植物和微生物的营养类型与动物不同，不能直接利用蛋白质作为营养物质，但其细胞内的蛋白质在代谢时仍然需要通过蛋白酶将蛋白质水解为氨基酸。如木瓜中的木瓜蛋白酶，菠萝中的菠萝蛋白酶，无花果中的无花果蛋白酶等都可使蛋白质水解，其水解作用在种籽萌芽时最为旺盛。发芽时，胚乳中贮存的蛋白质在蛋白酶催化下水解氨基酸，当这些氨基酸运输到胚，胚则利用来重新合成蛋白质，以组成植物自身的细胞。 一、蛋白酶──肽链内切酶 肽链内切酶是使肽链断裂的蛋白质水解酶，称蛋白酶也叫内肽酶，目前用于肽链断裂的蛋白酶已有十多种，最常用的蛋白酶有胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、嗜热菌蛋白酶等。 胰蛋白酶是最常用的蛋白酶，专一性强，只能水解赖氨酸或精氨酸等碱性氨基酸的羧基所形成的肽键，用它断裂多肽经常可以得到合适的肽段。 糜蛋白酶的专一性不如胰蛋白酶，主要水解芳香族氨基酸的羧基所形成的肽键。 胃蛋白酶的专一性与糜蛋白酶类似，但它要求被断裂键两侧的残基都是疏水性氨基酸，此外与糜蛋白酶不同的是酶作用的最适ｐH，胃蛋白酶是2，糜蛋白酶是8－9，由于二硫键在酸性条件下稳定，因此确定二硫键位置时，常用胃蛋白酶水解。 嗜热菌蛋白酶是一个含锌和钙的蛋白酶，是酶活力必需的，与酶的热稳定有关，此酶的作用专一性较差，常用于断裂较短的多肽链或肽段。 植物的根、茎、叶、花、果及种子中也普遍存在蛋白酶。例如，木瓜叶片中的木瓜蛋白酶由212个氨基酸残基组成，具有高度的专一性，只能水解肽链中的赖氨酸、精氨酸及甘氨酸的羧基侧形成的肽键，在医药上可以治疗消化不良，工业上可用于啤酒的澄清剂。另外，菠萝的叶、果中含有菠萝蛋白酶；无花果中含有无花果蛋白酶，它们的性质和作用与木瓜蛋白酶相似。 二、肽酶──肽链端切酶 肽链端切酶可以分别从蛋白质多肽链的游离羧基端或游离氨基端逐一地将肽链水解成氨基酸。作用于氨基端的称为氨肽酶，作用于羧基端的称为羧肽酶。蛋白质经肽链端切酶作用产生许多氨基酸或二肽。 氨肽酶是一类肽链端切酶，也称外肽酶，它们水解氨基末端的肽键，能从多肽链的N端逐个地向里切。 羧肽酶也是一类肽链端切酶，它专一地从肽链的C末端开始逐个降解，释放出游离氨基酸。羧肽酶有A、B两种，分别称为羧肽酶A、羧肽酶B。羧肽酶A（相对分子量为34000）主要水解由各种中性氨基酸为羧基末端构成的肽键。羧肽酶B主要水解由赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸为羧基末端构成的肽键。 蛋白质经过各种酶的协同作用，转变为游离氨基酸后，在细胞内的代谢有多种途径。一种是经生物合成形成蛋白质，一种是进行分解代谢。氨基酸的分解一般总是先脱去氨基，形成碳骨架──α－酮酸，可进行氧化，形成二氧化碳和水，产生ATP，也可以转化为糖和脂肪。 多数细菌，体内氨基酸的分解不占主要位置，而以氨基酸的合成为主。有些细菌又以氨基酸作为唯一碳源，这类细菌则以氨基酸的分解为主。高等植物随着机体的不断增长需要氨基酸，因此合成过程胜于分解过程。下面主要讨论动物体内氨基酸的分解代谢。 第二节　氨基酸的降解与转化 α－氨基酸的功能除去它是蛋白质的组成单位外，还是能量代谢的物质，又是许多生物体内重要含氮化合物的前体。这些含氮化合物突出的有血红素，生物活性的胺，谷胱甘肽，核苷酸及核苷酸的辅酶等。已于前述，哺乳动物可自代谢物前体合成非必需氨基酸，而必需氨基酸则自膳食中获取。膳食中获取的多余氨基酸既不为后来使用而贮存，也不被排泄。多余的氨基酸则转化为常见的代谢中间体，例如，丙酮酸、草酰乙酸、α－酮戊二酸等。由此，氨基酸又是葡萄糖、脂肪酸及酮体的前体物，也就是说，它又是代谢过程的“燃料”。 氨基酸的分解一般有三步： 第一步脱氨（脱氨基），这里脱下的氨基或转化为氨，或转化为天冬氨酸或谷氨酸的氨基。 第二步氨与天冬氨酸的氮原子相结合，成为尿素并被排放。 第三步氨基酸的碳骨架（由于脱氨基产生的α－酮酸）转化为一般的代谢中间体。 一、脱氨基作用 1、转氨基作用 氨基酸分解代谢的第一步常是α－氨基的脱离。分离出多余的氮，并留下碳骨架进一步降解。 绝大多数氨基酸的脱氨基是出自转氨基作用。氨基酸脱下的氨基转移到一个α－酮酸分子上，产生与氨基酸相应的酮酸和一个新氨基酸，这种作用称转氨基作用。此反应中具有优势接受脱下的氨基的是α－酮戊二酸，新生成的氨基酸为谷氨酸。催化转氨基反应的酶叫转氨酶，它催化的反应是可逆的。其可逆反应是动物体合成非必需氨基酸的重要途径。转氨基作用示意图如下： α-氨基酸 α-酮戊二酸 α-酮酸碱度 转氨酶 α-谷氨酸 大多数转氨酶都需要α－酮戊二酸作为氨基受体是有意义的，这就意味着许多氨基酸的氨基，通过转氨基作用转化为谷氨酸，再以L－谷氨酸脱氢酶的催化导致氨基酸的氧化分解。 2、氧化脱氨基作用 这是氨基酸脱氨基的主要方式，脱去氨基后，氨基酸转变为相应的酮酸。谷氨酸在线粒体中受谷氨酸脱氢酶作用发生氧化脱氨基反应。这是唯一为人所知的，至少在一些组织中，既可把NAD＋又可把NADP＋作为它的氧化还原辅酶的酶。氧化的发生被认为是由于谷氨酸的Cα的带一对电子的质子转移到NAD（P）＋所致。这时，形成α－亚氨基戊二酸。这个具有亚氨基的中间产物经水解即形成α－酮戊酸及氨。如图所示： 谷氨酸+NAD(P)+H2O─→α-酮戊二酸+NAD(P)H+NH3 3、联合脱氨基作用 氨基酸的转氨作用虽然在生物体内普遍存在，但是单靠转氨作用并不能最终脱掉氨基。当前联合脱氨基作用有两个内容，其一是以谷氨酸脱氢酶为主的联合脱氨基作用；其二是嘌呤核苷酸的联合脱氨基作用。 其一，以谷氨酸脱氢酶为主的联合脱氨基作用是指氨基酸的α－氨基借助转氨作用，转移到α－酮戊二酸的分子上，生成相应的α－酮酸和谷氨酸，然后谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，脱氨基生成α－酮戊二酸，同时释放出氨。如下图所示： 氨基酸 α-酮戊二酸 NH4++NAD(P)H+H+ α-酮酸 谷氨酸 NH4++NAD(P) + 转氨酶 L-谷氨酸脱氢酶 其二是嘌呤核苷酸的联合脱氨基作用，这一过程的内容是：次黄嘌呤核苷酸与天冬氨酸作用形成中间产物腺苷酸代琥珀酸，后者在裂合酶的作用下，分裂成腺嘌呤核苷酸和延胡索酸，腺嘌呤核苷酸（腺苷酸）水解后即产生游离酸和次黄嘌呤核苷酸。 天冬氨酸主要来源于谷氨酸，由草酰乙酸与谷氨酸转氨而来，催化此反应的酶称为谷氨酸－草酰乙酸转氨酶，简称谷草转氨酶，又称谷氨酸：天冬氨酸转氨酶。从α－氨基酸开始的联合脱氨基作用可概括如图所示：  以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用，虽然在机体内广泛存在，但不是所有组织细胞的主要脱氨方式。骨骼肌、心肌、肝脏以及脑的脱氨方式可能都是以嘌呤核苷酸循环为主，实验证明脑组织中的氨有50%是经嘌呤核苷酸循环产生的。 二、氨基酸的脱羧基作用 机体内部分氨基酸可进行脱羧而生成相应的一级胺。催化脱羧反应的酶称为脱羧酶，这类酶的辅酶为磷酸吡哆醛，其所催化的反应如下： 氨基酸脱羧酶的专一性很高，一般是一种氨基酸一种脱羧酶，而且只对L－氨基酸起作用。在脱羧酶中只有组氨酸脱羧酶不需要辅酶。 氨基酸的脱羧反应普遍存在于微生物、高等动、植物组织中。动物的肝、肾、脑中都发现有氨基酸脱羧酶，脑组织中富有L－谷氨酸脱羧酶，能使L－谷氨酸脱羧形成γ－氨基丁酸。氨基酸脱羧后形成的胺，有许多具有重要的生理作用。如上述的γ－氨基丁酸是重要的神经递质。组氨酸脱羧形成的组胺又称组织胺，有降低血压的作用，又是胃液分泌的刺激剂。酪氨酸脱羧形成的酪胺有升高血压的作用。绝大多数胺类是对动物有毒的。但体内有胺氧化酶，能将胺氧化为醛和氨。醛可进一步氧化在成脂肪酸，氨可合成尿素，又可形成新的氨基酸。 三、氨基酸分解产物的去路 氨基酸在体内分解主要通过氨基酸的脱氨基作用脱去氨基生成NH3和α－酮酸，因此氨基酸分解产物的去路包括氨的代谢去路和α－酮酸的代谢去路。 1、氨的代谢去路 氨基酸经过前述的氧化脱氨基作用、脱酰氨基作用，或经嘌呤核苷酸循环等途径将氨基氮转变为氨。氨对生物机体是有毒物质，特别是高等动物的脑对氨极为敏感，血液中1%的氨就可引起中枢神经系统中毒，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必需的。 有些微生物可将游离氨用于形成细胞的其他含氮物质。当以某种氨基酸作为氮源时，从氨基酸上脱下的氮，除一部分用于进行生物合成外，多余的氨即排到周围环境中。 某些水生的或海洋动物，如原生动物和线虫以及鱼类、水生两栖类等，都以氨的形式将氨基氮排出体外。这些动物称为排氨动物。 绝大多数陆生动物将脱下的氨转变为尿素。鸟类和陆生的爬行类，因体内水分有限，它们的排氨方式是形成固体尿酸的悬浮液排出体外。因此鸟类和爬行类又称为排尿酸动物。 有些两栖类处于蹭位置，幼虫为排氨动物如蝌蚪，变态时肝脏产生出必要的酶，成蛙后，即排泄尿素。 概括地说，生活着的有机体把氨基酸分解代谢产生的氮的多余部分排出体外，取3种形式。排氨：包括许多水生动物，排泄时需要少量的水。另一种形式排尿素：包括绝大多数陆生脊椎动物。第三种是排尿酸，包括鸟类和陆生爬行动物。有些生物在水供应受到限制时，可以从排氨类转变为排尿素为或排尿酸类。 在动物体内氨还可以生成谷氨酰胺的形式进行氨的储存、运输和解毒作用。也可参加嘌呤及嘧啶碱等化合物的合成。 2、α－酮酸的代谢去路 氨基酸脱氨基生成的α－酮酸有以下三条代谢途径： （1）经氨基化作用生成非必需氨基酸。 α－酮酸的氨基化须经联合脱氨基作用的逆过程合成非必需氨基酸。而α－酮戊二酸则在谷氨酸脱氢酶作用下直接氨基化生成谷氨酸。 （2）转变为糖及脂肪。 体内多数氨基酸脱去氨基后生成的α－酮酸可经糖异生途径转变为糖，这些在体内能转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸，亮氨酸可转变为酮体（β-羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮），称为生酮氨基酸。生酮氨基酸可通过脂肪酸合成途径转变为脂肪酸。苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、异亮氨酸既可转变为糖，也能生成酮体，故称为生糖生酮氨基酸。 （3）氧化供能。 α－酮酸在体内可通过三羧酸循环彻底氧化成水和二氧化碳，并释放出能量供机体需要。 第三节　氨基酸的生物合成 不同生物合成氨基酸的能力不同，以合成原料为例，有的能利用二氧化碳，有的能利用有机酸，有的能利用单糖。不同生物能够合成氨基酸的种类也不完全相同，有的可以合成构成蛋白质的全部氨基酸，有的则不能全部合成，这些生物所需的氨基酸必需从其他生物获得。人们把凡是机体不能自行合成，必须来自外界的氨基酸称为必需氨基酸，凡机体能自己合成的氨基酸称为非必需氨基酸，人和动物体内就有必需氨基酸和非必需氨基酸之分。其中必需氨基酸有：苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、组氨酸及精氨酸（对幼小动物需要）。高等植物有能力合成自己所需的全部氨基酸，而且既可利用氨又可利用硝酸根作为合成氨基酸的氮源。微生物合成氨基酸的能力有很大的差异，例如，大肠杆菌可合成全部所需氨基酸，而乳酸菌却需从外界获取某些氨基酸。虽然生物合成氨基酸的能力有种种差异，但仍可总结出氨基酸生物合成的某些共性，本节着重讨论它们的共性。 一、氮的来源 氮是构成氨基酸的重要元素，自然界的氮和碳、氧一样不断地循环称为氮循环，含有大量氮化合物的动、植物遗体和排泄物，经微生物作用分解为氮，某些微生物又能够将空气中的氮气固定为氨。一方面在自然界中的大量的蛋白质、氨基酸、尿素以及其他的有机含氮化合物由微生物作用，通过氨化作用生成氨。另一方面植物还能利用NH4＋或硝酸化合物（NO2－、NO3－）作为所需氮源，通过生物固氮作用合成氨。动物体内氨基酸的脱氨基作用产生的氨等，这些氨的来源都可作为生物体合成氨基酸的原料。 二、氨基酸的合成 氨基酸的合成需要有氨基和碳架。氨基是由转氨基作用已有的氨基酸（主要是谷氨酸）提供的，碳架则有不同的来源，先形成α－酮酸，然后通过转氨基作用合成不同的氨基酸。根据氨基酸合成的碳架来源不同，可将氨基酸分为若干类型。在每一类型内，几种氨基酸有共同的碳架来源，本节不详细讨论每一种氨基酸的合成过程，只概括地介绍它们的碳架来源和合成过程的相互关系。 1、丙氨酸类型 这一类型包括丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸。它们的共同碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸。由丙酮酸经转氨基作用生成丙氨酸： 丙酮酸＋谷氨酸═转氨酶═丙氨酸＋α－酮戊二酸 由2分子丙酮酸缩合并放出1分子CO2，再经几步反应，便生成缬氨酸的前体α－酮异戊酸，经转氨反应生成缬氨酸： α－酮异戊酸＋NH4＋──→缬氨酸 由α－酮异戊酸再经几步生成α－酮异已酸，并经转氨基作用生成亮氨酸。 上述三种氨基酸的合成关系如下： 　　　　　　丙氨酸 丙酮酸　　　　　　　　　　　　缬氨酸 　　　　　→α－酮异戊酸　　 　　　　　　　　　　　　　　 →α－酮异已酸─→亮氨酸 丝氨酸类型 这一类型包括丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸。由光呼吸乙醇酸途径形成的乙醛酸经转氨作用可生成甘氨酸，由甘氨酸可转变为丝氨酸： 乙醛酸＋谷氨酸═转氨酶═甘氨酸＋α－酮戊二酸 甘氨酸＋H2O══丝氨酸＋NH3＋CO2＋2H＋＋2ｅ 丝氨酸还有其他合成途径，其碳架来自糖酵解中间产物3－磷酸甘油酸。 磷酸化途径：3－磷酸甘油酸经脱氢生成3－磷酸羟基丙酮酸，后者通过转氨基作用形成磷酸丝氨酸，然后在磷酸酶作用下脱去磷酸生成丝氨酸。 非磷酸化途径：3－磷酸甘油酸也可以在一开始就脱去磷酸生成甘油酸，再经氧化、转氨而生成丝氨酸。 (磷酸化途径) 3-磷酸羟基丙酮酸─────→磷酸丝氨酸 3-磷酸甘油酸 丝氨酸 D-甘油酸────────→3-羟基丙酮酸 (非磷酸化途径) 由丝氨酸可转变为半胱氨酸。 丝氨酸与乙酰CｏA反应生成O－乙酰丝氨酸： 丝氨酸＋乙酰－CｏA─→O－乙酰丝氨酸＋CｏA O－乙酰丝氨酸在半胱氨酸合成酶催化下与硫化物反应生成半胱氨酸： O－乙酰丝氨酸＋硫化物─→半胱氨酸＋乙酸 上述三种氨基酸合成的关系是： 　　　　　　　　　　　　　　　CO2　 NH3 乙醛酸→甘氨酸═════丝氨酸→→半胱氨酸 　　　　　　　　　　　　3－磷酸甘油酸 3、天冬氨酸类型 本类型包括天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和异亮氨酸，它们的共同碳架来自三羧酸循环的草酰乙酸。草酰乙酸经转氨基作用便形成天冬氨酸： 草酰乙酸＋谷氨酸═转氨酶═天冬氨酸＋α－酮戊二酸 天冬氨酸由天冬酰胺合成酶催化下列2个反应生成天冬酰胺： 天冬氨酸＋NH3+ATP Mg2+→天冬酰胺+H2O+AMP+PPi 天冬氨酸＋谷氨酰胺+ATP Mg2+→天冬酰胺＋谷氨酸+AMP+PPi 反应（1）存在于植物和细菌内，反应（2）存在于动物内。 由天冬氨酸可转化为赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸，由苏氨酸又可转变为异亮氨酸，其过程较复杂，在此不详述。上述几种氨基酸合成的关系如下： 　　　　　　　　　 天冬酰胺 草酰乙酸──→天冬氨酸───→→→→→→→→赖氨酸 　　　　　　　　　　　　　　　→→→→甲硫氨酸 　　　　　　　　　　　　　　　　苏氨酸→→→→异亮氨酸 4、谷氨酸类型 这一类型包括谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、羟脯氨酸和精氨酸。它们的共同碳架来源是三羧酸循环中间产物α－酮戊二酸。前面已讨论过谷氨酸和谷氨酰胺的合成过程。由谷氨酸可以转变为脯氨酸。谷氨酸先被还原为谷氨酰半醛，要示ATP、NAD（P）H和Mg2+参加。谷氨酰半醛的γ－酰基和α－氨基自发可逆地形成环式Δ’－二氢吡咯－5－羧酸；后者被还原为脯氨酸： 　　　NAD（P）H　NAD（P）　 NADH NAD 谷氨酸─────→谷氨酰半醛══Δ’－二氢吡咯－5－羧酸───→脯氨酸 　　　ATP Mg2+ ADP 脯氨酸在进入肽链之后才被羟基化，形成羟脯氨酸，这个反应要求氧的参与： 脯氨酸─1/2O2→羟脯氨酸 由谷氨酸也可转变为精氨酸，中间生成鸟氨酸和瓜氨酸，这个过程较复杂，在此不详述。上述几种氨基酸的合成过程关系如下： 　　　　　　　　　　　　谷氨酰胺 α－酮戊二酸──→谷氨酸→→→→脯氨酸──→羟脯氨酸 　　　　　　　　　　　　 →→鸟氨酸─→瓜氨酸─→精氨酸 5、组氨酸和芳香氨基酸类型 这一类型包括组氨酸、色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸。 （1）组氨酸的生物合成 组氨酸的合成过程较复杂，有9种酶参与催化，并经过10步特殊反应。它的碳架主要来自磷酸戊糖途径的中间产物磷酸核糖，此外还有ATP、谷氨酸和谷氨酰胺的参与，它的分子中各个原子的来源如下参看课本。 （2）3种芳香族氨基酸的生物合成 3种芳香族氨基酸只能由植物和微生物合成。合成的起始物是磷酸戊糖途径的中间产物4－磷酸赤藓糖和糖酵解的中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。这两者化合后经几步反应生成莽草酸： PEP＋4-磷酸赤藓糖→→→莽草酸 由莽草酸可生成芳香氨基酸和其他多种芳香族化合物，称为莽草酸途径。 莽草酸经磷酸化后，再与PEP反应，以后生成分支酸；分支酸可以合成色氨酸，分支酸也可以转变为预苯酸，由预苯酸可生成苯丙氨酸和酪氨酸。上述几种氨基酸合成的关系如下： 色氨酸 4－磷酸赤藓糖 苯丙氨酸 →→→→莽草酸→→→分支酸→预苯酸 磷酸烯醇式丙酮酸 酪氨酸 上面简要介绍了各种氨基酸的合成过程。它们的碳架均来自于呼吸作用或光呼吸作用的中间产物，经一系列不同的反应、生成相应的酮酸，最后经转氨基作用而形成相应的氨基酸。各种氨基酸的合成途径及相互关系如下图所示：  第十一章　核酸和蛋白质的生物合成 教学目的：掌握中心法则的主要内容、掌握DNA的半保留复制、RNA的转录和蛋白质的生物合成过程，了解基因工程基础知识 教学重点：DNA的半保留复制、RNA的转录、蛋白质的合成 核酸和蛋白质都是生命的物质基础。核酸是生物性状的内在决定因素，蛋白质则是其外在表现。 DNA是储存遗传信息的物质， DNA分子通过复制成完全相同的两个拷贝，亲代的遗传信息真实地传给子代；DNA分子中的遗传信息又如何表达呢？在生物的个体发育中，遗传信息由DNA通过转录传递到RNA，最后翻译成特异的蛋白质；在某些情况下RNA也能通过逆转录将信息传递到DNA。这就是中心法则的主要内容。  第一节　DNA的生物合成 一、半保留复制 Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋模型，碱基互补配对的原则，为DNA分子的复制提供了理论基础，DNA复制时，亲代DNA的双螺旋先行解旋和分开，然后以每条链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链，这样便形成了两个新的子代DNA分子。在新复制的DNA双链中，有一条是来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。 这个半保留复制首先是由Meselson与Stahl在1958年用同位素15N在大肠杆菌培养试验中发现的，后来在其他生物细胞内也证实了其存在。  二、DNA的复制过程 DNA复制按一定的程序进行，双螺旋的DNA是边解开边合成新链的。复制从特定位点开始双向进行。DNA双链的合成延伸均为5’→3’的方向，所以复制是半不连续的方式进行，即其中一条链相对地连续合成，称之为前导链。另一条链的合成则是不连续的，称为滞后链。整个合成过程如下： 1、双链的解开 实验证明：DNA的复制都是从某一特定位置开始的，这一位置叫做复制原点。该区域一般富含A、T两种碱基。首先由单链结合蛋白与复制原点相结合，然后双链被解开，形成一个“眼”状结构，在眼的两端出现两个叉子状的生长点，叫复制叉。 原核生物基因组一般只有一个复制叉，而真核生物一般有多个，并且复制时可以在多个位点同时进行。 2、RNA引物的合成 在每一个复制原点，DNA的合成必须要一段RNA作为引物。引物是以亲代DNA的单链为模板，在RNA聚合酶的催化下，合成一段含有50－100个核苷酸的RNA短链。方向为5’→3’，与亲代DNA单链成逆向平行。 3、DNA链的合成和延长 亲代DNA双链分子是反向，一条链是沿5’→3’，而互补链则沿3’→5’方向。当原始的双链DNA在复制叉处打开时，新生DNA逆着模板链产生，即一个子代DNA链的生成方向为5’→3’，而另一个则为3’→5’。实际上，在以3’→5’链为模板时, 新生的DNA链以5’→3’方向连续合成,这条新生DNA链称为前导链。在另一条模板链（方向为5’→3’）上, DNA聚合酶以5’→3’方向合成小片段DNA(长度约1000个核苷酸), 然后将这些片段连接起来。这些片段根据发现者命名为冈崎片段。不连续合成的DNA链称为滞后链。 3’ 5’ 前导链 5’ 冈崎片段 3’ 滞后链 5’ 4、切除引物、填补缺口，连接修复 当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其上的RNA引物在核酸酶的催化下，先后被水解切掉。引物脱落后所留下的缺口，在DNA聚合酶催化下，用脱氧核苷酸配对填补上，再由DNA连接酶催化，把各短片段连接起来，并修复掺入DNA链的错配碱基。 这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成了一条新的DNA互补链，结果是形成了两个DNA双螺旋分子，每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，故称为半保留复制。 三、逆转录 一般情况下，遗传信息流传递的方向是从DNA到RNA，即通过转录以DNA为模板生成RNA分子。在一些病毒体内，如鸟类劳氏肉瘤病毒，小鼠白血病病毒等，在这些病毒中都存在有逆转录酶，可以以RNA为模板，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA，这个过程叫逆转录。逆转录酶除需要以RNA为模板外，另外还需要以4种dNTP为原料，以短链RNA或DNA为引物，此外还需要适当浓度的二价阳离子Mg2+和Mn2+，沿5’→3’方向合成DNA，形成RNA－DNA杂交分子。以后，再以RNA－DNA杂交分子中的DNA链为模板，在寄生细胞的DNA聚合酶作用下，可合成另一条DNA互补链，这样便形成了新的双链DNA分子。 几乎所有的真核生物的ｍRNA分子的3’末端都有一段多聚腺苷酸。当加入寡聚ｄT作引物时，ｍRNA就可以成为逆转录酶的模板，在体外合成与其互补的DNA，称为ｃDNA。这种方法已成为生物技术和分子生物学研究中最常见的方法之一，使逆转录酶得到广泛的应用。 四、基因突变和DNA的损伤修复 1、基因突变 基因突变是指DNA碱基顺序发生突然而永久性的变化。其结果使DNA的转录和翻译也跟着转变，因而表现出异常的遗传特征。DNA的突变可以有以下几种形式： 一个或几个碱基对被置换； 插入一个或几个碱基对； 一个或多个碱基对缺失。 最常见的突变形式是碱基对的置换。 突变有自发突变和诱发突变。自发突发主要发生在复制过程中，几率很低；诱发突变可以有物理、化学因素引起，如：电离辐射、紫外光、化学试剂脱氨剂和烷化剂等都可诱发突变。 2、DNA的损伤修复 由于复制差错或外来理化因素的作用，使DNA分子中的碱基对遭到破坏的现象，称为DNA分子的损伤。其结果必将阻碍DNA分子的复制和转录，引起错股合成，最终导致细胞死亡。然而在生物细胞内存在着许多修复机制，对DNA的损伤具有一定修复能力。目前已知有4种途径： （1）光复活。这是一种高度专一的修复形式，其机制是利用光能激活光复活酶，切除嘧啶二聚体之间的C－C键，而恢复原来的状态。它只作用于紫外线照射形成的产物。 （2）切除修复。如果DNA损伤较严重，则必须进行切除修复，即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损的部分切除掉，并以另一条完整的链为模板，合成切去的部分，使DNA恢复正常。 （3）重组修复。在重组修复酶的作用下，含有损伤的DNA仍可进行复制，但在子代DNA链与损伤链相对应部位出现缺口，通过分子间重组，从完整的亲代或子代DNA链将相应的碱基顺序片段移至缺口处，然后用再合成的多核苷酸补上缺口。 （4）诱导修复。许多能造成DNA损伤或抑制复制的处理，均能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（SOS反应）。它包括DNA修复和导致变异两个方面。应急反应能诱导切除修复和重组修复中某些关健酶和蛋白质的产生，加强修复能力。此外应急还能诱导产物缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，但却带来了高的变异率。 以上几种修复系统只有光复活是利用光能，其余均利用ATP水解释放的能量。 第二节　DNA指导下RNA的生物合成 1、概述 DNA指导的RNA合成，即转录，RNA链的转录起始于模板DNA链的一个特定起点，并在另一终点处终止。此转录区域称为转录单位，一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因。真核细胞是在细胞核中进行转录的，其中ｍRNA和ｔRNA在核质中被转录，ｒRNA在核仁中被转录。原核细胞中没有细胞核，它是在含有DNA的拟核区进行转录的。 在转录时，DNA双链中仅有一条链可作为转录的模板，其中用作模板的链称为反义链，另一条链则称为有义链，因为有义链的DNA序列正好与转录出的RNA的序列相同（只是T和U的区别），所以也被称为编码链。但各个基因的有义链不一定在同一条DNA链上。RNA的合成沿5’→3’方向进行，催化转录的酶主要是RNA聚合酶，它由核心酶与σ因子可逆地结合为全酶。 核心酶＋σ因子─→全酶 核心酶主要催化RNA链的合成，而σ因子则起着在DNA上识别起始位点的作用。转录的反应物是四种三磷酸核苷，它们之间以磷酸二酯键相结合。 2、转录过程（以原核细胞为例） （1）转录的启动。RNA的转录是从DNA模板上的特定部位开始的。RNA聚合酶的σ因子识别启动子特殊碱基顺序，导致RNA聚合酶与启动子特殊部位紧密结合，并局部打开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起点部位，与模板配对结合，转录从此开始。所谓启动子，是指RNA聚合酶识别、结合和开始转录的一段DNA序列。 （2）RNA链的延伸。模板上转录起始点第一位碱基一般是嘧啶，RNA新链5’端第一个掺入的核苷酸则多为嘌呤核苷三磷酸，当与模板碱基互补的第二个核苷三磷酸的5’－磷酸基与第一个核苷酸的3’－羟基形成3’，5’磷酸二酯键，并释放出焦磷酸则开始了RNA链的延伸。随着RNA聚合酶沿模板3’→5’方向移动，DNA双链不断解开，与模板碱基互补的核苷三磷酸不断掺入，新生的RNA链就不断延伸。当新生的RNA延长到10－20个核苷酸后，σ亚基从全酶上脱落，核心酶继续催化链的延伸。 新生RNA链与模板DNA链形成的RNA－DNA杂交双链不稳定，核心酶移动过后留下的两条单链DNA有更强的复性能力，从而取代了杂交链中的新生RNA链，双链DNA模板恢复原来的双螺旋，RNA新生链便游离出来。 （3）转录终止。在DNA分子上（基因末端）有终止转录的特殊碱基顺序称为终止子，它具有使RNA聚合酶停止合成RNA和释放RNA链的作用。所有原核生物的终止子在终止点之前均有一个回文结构，其产物的RNA可形成由茎环构成的发夹结构，该结构可使聚合酶减慢移动或暂停RNA的合成。大肠杆菌的终止子有两类：一类称依赖于ρ因子的终止子；另一类是不依赖于ρ因子的终止子；ρ因子能与RNA聚合酶结合但不是酶的组分。它的作用是阻止RNA聚合酶向前移动，于是转录终止，并释放出合成的RNA链。对于不依赖于ρ因子的终止子，它转录的RNA链的末端为一边串的U。寡聚U可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板，并使RNA链释放。 3、mRNA的转录后加工 原核生物中，多基因的mRNA生成后，绝大部分直接作为模板去翻译各个基因所编码的蛋白质，不再需要加工。 真核生物编码蛋白质的基因以单个基因作为转录单位，不像原核生物那样组成操纵子，其转录产物为单顺反子，而不是多顺反子。真核生物里转录和翻译的时间和空间都不相同，mRNA的合成是在细胞核内，而蛋白质的翻译是在胞质中进行，而且许多真核生物的基因是不连续的。不边续基因中的不编码蛋白质部分，称为内含子；被内含子隔开的部分称为外显子。外显子和内含子一起被转录在一条很大的原初转录物RNA分子中，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间物，因此它们被称为核内不均一RNA（hnRNA），其中至少有一部分可转变为细胞质的成熟mRNA。 真核细胞mRNA的加工包括：（1）hnRNA被剪接，除去由内含子转录来的序列，将外显子的转录序列连接起来。（2）在3’末端连接上一段约有20－30个腺苷酸的多聚腺苷酸（polyA）的“尾巴”结构。（3）在5’末端连接上一个“帽子”结构m7GpppmNp。（4）在内部少数腺苷酸的腺嘌呤6位氨基酸发生甲基化（m6A）。 第三节　蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成是基因表达的结果。核糖体是蛋白质合成的场所，蛋白质合成体系主要由mRNA、tRNA、rRNA、有关的酶以及几十种蛋白质因子组成。 一、蛋白质合成体系的重要组分 1、mRNA和遗传密码 （1）mRNA。mRNA从DNA分子转录了遗传信息，起传递遗传信息的作用，所以称为信使核糖核酸。以mRNA为模板合成蛋白质。 （2）遗传密码。组成mRNA有4种核苷酸，那么几个核苷酸编码一个氨基酸呢？实验证明，在mRNA链上相邻的3个核苷酸碱基为一组，编码一个氨基酸，称为密码子。因此，4种核苷酸碱基共可组成43＝64个密码子，其中除三个终止密码子外，其他61个密码子，每个可决定一种氨基酸。 遗传密码有以下几个特点： 编码性：61个密码子用来编码氨基酸，其中AUG即是甲硫氨酸的密码子，又是肽链合成的起始密码子。另外3个密码子作为肽链合成的终止信号。 简并性：一个氨基酸可能有几个不同的密码子。密码子的简并性在生物物种的稳定性上具有重要的意义。 通用性和例外：各种不同生物都使用同一套密码，但线粒体的遗传密码去与通用密码不同。 无标点性、无重叠性：无标点性是指两个密码子之间没有任何核苷酸隔开，无重叠性是指每3个碱基编码1个氨基酸，碱基不重复使用。 摆动性：密码子的专一性主要是由前两位碱基决定的，而第三位碱基具有较大的灵活性。 2、tRNA tRNA的主要功能是识别mRNA上的密码子和携带与密码子相对应的氨基酸，并将氨基酸转移到核糖体中，合成蛋白质。tRNA携带氨基酸的部位是氨基酸臂的3’末端。 在tRNA的反密码环上，有3个碱基组成1个三联体，叫做反密码子，能以互补配对的方式识别mRNA上相应的密码子。 3、rRNA和核糖体 rRNA和蛋白质结合成核糖核蛋白，简称核糖体，是蛋白质合成的场所。核糖体有大小两个亚基构成。小亚基有供mRNA附着的部位，可以容纳两个密码的位置。大亚基有供tRNA结合的两个位点，一个叫做P位点，是tRNA携带多肽链占据的位点，又称肽酰基位点；另一个叫做A位点，为tRNA携带氨基酸占据的位点，又称氨酰基位点。 二、蛋白质的合成过程 多肽链的合成是从N端开始延伸的，mRNA上信息的阅读是从5’向3’方向进行。蛋白质的合成过程包括下面几个阶段： 1、氨基酸的活化 氨基酸必须经活化才能掺入多肽，这是多肽合成前的准备工作。氨酰－tRNA合成酶催化这一反应，形成氨酰－tRNA。 AA+ATP+tRNA氨酰－tRNA合成酶→AA-tRNA+AMP+PPi 这类酶具有较高的专一性，即对氨基酸又对tRNA具有高度的选择性，以防止错误的氨基酸掺入多肽。一旦形成氨酰－tRNA后，氨基酸的去向就由tRNA决定。 2、肽链合成的起始 mRNA、核糖体与活化的AA-tRNA结合生成起始复合物，这种过程相当复杂，需要多种起始因子和能源物质GTP的参与。 在大肠杆菌等原核细胞中，合成多肽链的起始氨基酸都是甲酰甲硫氨酸fMet。mRNA链上的起始密码子常为AUG，它也是Met的密码子。起始tRNA和携带Met的延伸tRNA结构和功能不同，分别用tRNAf和tRNAm表示。细菌中多肽的合成并不是从mRNA的5’端第一个核苷酸开始的，大多数转译是从第25个核苷酸以后开始的。过程如下： （1）fMet-tRNAf 的合成。 Met-tRNAf+N10-甲酰四氢叶酸　甲酰化酶→fMet-tRNAf＋四氢叶酸 （2）70S起始复合物的形成。 它需要核糖体30S和50S亚基；带有起始密码子AUG的mRNA；fMet-tRNAf；起始因子IF1、IF2、IF3；以及GTP和Mg2+的参加。 起始复合物形成以后，核糖体上肽基部位（P位）已被fMet-tRNAf占据，并对着ｍRNA上的起始密码子AUG，空着的氨酰－tRNA部位（A位）准备接受一个能与第二个密码子配对的氨酰-tRNA，为肽链的延伸作好了准备。 3、肽链的延伸 这一阶段，与mRNA上的密码子相适应，新的氨基酸不断被相应特异的tRNA运至核糖体的A位，形成肽链。同时，核糖体从mRNA的5’端向3’端不断移位以推进翻译过程（图14-4）。肽链延长阶段需要称为延长因子（elongation factors）的蛋白质，GTP，Mg2+与K+的参与。 肽链延长阶段的具体步骤如下： （1）进位。与上一阶段所产生的复合物（70S起始复合体）A位上mRNA密码子相对应的氨基酰tRNA进入受位。此步需要肽链延长因子EF－Tu与EF－Ts。EFTu的作用是促进氨基酰tRNA与核糖体的受位结合，而EFTs是促进EF－Tu的再利用。 （2）转肽。在肽基转移酶的催化下，将P位上tRNA所携的甲酰甲硫氨基（或肽基）转移给A位上新进入的氨基酰tRNA，与其所带的氨基酰的氨基结合，形成肽键。 （3）移位。核糖体向mRNA的3′端挪动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子（图14-4）准确定位在A位，同时带有肽链的tRNA由A位移至P位，此步需要肽链延长因子EF－G(又称转位酶，translocase)、Mg2+与供给能量的GTP。近来发现核糖体在A、P位外，还有tRNA的另一结合位置，即tRNA排“出位（exit site, E位）”。氨基酰脱落后的tRNA先移至E位。 （4）脱落。当A位进入新的氨基酰tRNA后，空载的tRNA从核糖体的E位脱落。 以后肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要进位、转肽、移位和脱落，如此一遍一遍地重复，直到肽链增长到必要的长度。 4、肽链合成的终止 多肽链合成已经完成，并且“受位”上已出现终止信号（UAA），此后即转入终止阶段。终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核糖体与tRNA从mRNA上脱落的过程。这一阶段需要GTP与一种起终止作用的蛋白质因子—释放因子（release factor，RF，或称终止因子）的参与。 原核生物的RF有3种。RF1识别终止信号UAA或UAG，RF2识别UAA或UGA，RF3可与GTP结合，水解GTP为GDP与磷酸，协助RF1与RF2。RF使大亚基“P位”的肽基转移酶（转肽酶）不起转肽作用，而起水解作用。转肽酶水解“P位”上tRNA与多肽链之间的酯键，使多肽链脱落。RF、核糖体及tRNA亦渐次脱离。从mRNA上脱落的核糖体，分解为大小两亚基，重新进入核糖体循环。核糖体大小亚基解离状态的维持需要IF3。 5、真核生物翻译的特点 ①真核生物的蛋白质合成与mRNA的转录生成不偶联；②真核细胞蛋白质合成机构比原核生物复杂；③真核生物的合成起始过程与原核生物的蛋白质合成有所不同；④真核生物蛋白质合成的调控更为复杂；⑤真核生物与原核生物的蛋白质合成可为不同的抑制剂所抑制。 6、肽链的合成后加工与修饰 某些蛋白质在其肽链合成结束后，还需要进一步加工，修饰才能转变为具有正常生理功能的蛋白质。 （1）N－端甲酰基及多余氨基酸的切除。 （2）个别氨基酸残基的化学修饰 有些蛋白质前体需经一定的化学修饰才能成为成品而参与正常的生理活动。有些酶的活性中心含有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。这些磷酸化的氨基酸残基都是在肽链合成后相应残基的-OH被磷酸化而形成的。除磷酸化外，有时蛋白质前体需要乙酰化（如组蛋白）、甲基化、ADP-核糖化、羟化等。胶原蛋白的前体在合成后，经羟化，其肽链中的脯氨酸及赖氨酸残基可分别转变为羟脯氨酸及羟赖氨酸残基。 （3）蛋白质前体中不必要肽段的切除 无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链。现知其它蛋白质也存在类似过程，虽然转变的场所不同；酶原多是在细胞外转变为酶，而蛋白质前体中不必要肽段的切除是在细胞内进行的。分泌型蛋白质如白蛋白、免疫球蛋白与催乳素(pro1actin)等，在合成时都带有一段称为“信号肽(signal peptide)”的肽段。信号肽段约由15-30个氨基酸残基构成。信号肽在肽链合成结束前已被切除。有些蛋白质前体在合成结束后尚需切除其他肽段。 （4）二硫键的形成 二硫键由两个半胱氨酸残基形成，对维持蛋白质立体结构起重要作用。二硫键也可以在链间形成，使蛋白质分子的亚单位聚合。 第十二章 物质代谢的联系及其调节 教学目的：掌握物质代谢与能量代谢的相互关系；掌握糖代谢与脂代谢的相互关系；掌握糖代谢与氨基酸代谢的联系；熟悉脂类代谢与氨基酸代谢的联系；掌握氨基酸代谢与核酸代谢的相互关系 教学重点：物质代谢与能量代谢的相互关系、糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢之间的联系 第一节 物质代谢之间的相互联系 一、糖代谢与脂类代谢的相互关系 糖可以在生物体内变成脂肪。脂肪转变为糖有一定的限制。 糖 ———→乙酰 CoA ， NADPH ———→脂肪酸 糖 ———→ 磷酸二羟丙酮 ———→α - 磷酸甘油 脂肪酸 + α - 磷酸甘油 ———→脂肪 ? 脂肪 ———→ 甘油 ———→ 磷酸二羟丙酮 ———→ 糖 脂肪 ———→脂肪酸———→乙酰 CoA ———→（在植物体内通过乙醛酸循环） 琥珀酸———→ 糖 奇数碳原子脂肪酸———→脂肪酸———→琥珀酸———→ 糖 二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 糖可以转变为非必需氨基酸。蛋白质可以转变为糖。 糖 →→ α - 酮酸 —————→ 氨基酸 （非必须氨基酸） ————→ 蛋白质 ? 蛋白质 ————→ （生糖氨基酸）氨基酸 ————→ α - 酮酸 ————→ 糖 三、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 由脂肪合成蛋白质的可能性是有限的，蛋白质可间接地转变为脂肪。 蛋白质 ——→ （生酮氨基酸）氨基酸 ——→ 酮酸或乙酰 CoA ——→ 脂肪酸 —→ 脂肪 ? 脂肪 ——→ 甘油 ——→ 磷酸二羟丙酮 ——→氨基酸碳架——→氨基酸———→ 蛋白质 四、核酸代谢与糖、脂类、蛋白质代谢的联系 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细胞的成分和代谢类型 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要酶和多种蛋白质因子。 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如 ATP 是能量的“通货”，此外 UTP 参与多糖的合成， CTP 参与磷脂合成， GTP 参与蛋白质合成与糖异生作用。 核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如 CoA 、 NAD+ ， NADP+ ， cAMP ， cGMP ）。 蛋白质代谢为嘌呤和嘧啶的合成提供许多原料；糖类产生的酮酸为氨基酸合成提供碳骨架，为核酸得合成提供戊糖。 代谢的基本要略在于形成 ATP 、还原力和构造单元以用于生物合成。 由 ATP 、还原力和构造单元可合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。生物合成和生物形态建成是一个耗能和增加有序结构的过程，需要由物质流、能量流和信息流来支持。 糖、脂、蛋白质和核酸在代谢过程中彼此影响，相互转化和密切相关。三羧酸循环不仅是各类物质分解代谢得共同归宿，也是它们之间相互转变和联系得枢纽。 ?  ? 第二节 代 谢 调 节 生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同时有那么多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。 生物界代谢的调节，可分为 4 个水平：酶水平调节、细胞水平调节、激素水平调节、神经水平调节。 一 酶水平调节 1. 酶活性的调节 （ 1 ）别构调节作用： 一般为寡聚酶，由催化亚基和调节亚基组成，别构效应物与调节亚基结合，引起酶分子的构象发生变化，从而改变酶的活性。 前馈（ feedforward ）和反馈（ feedback ）是来自电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”，后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节可能是正调控，也可能是负调控，其调节机理是通过酶的变构效应来实现的。 （ 2 ）共价修饰调节作用：酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（ Covalent moldification ）。目前已知有六种修饰方式：磷酸化 / 去磷酸化，乙酰化 / 去乙酰化，腺苷酰化 / 去腺苷酰化，尿苷酰化 / 去尿苷酰化，甲基化 / 去甲基化，氧化（ S-S ） / 还原 (2SH) 。 共价修饰调节对调节信号有放大作用。如磷酸化酶激活的级联反应。 （ 3 ）酶原与酶原的激活 2. 酶含量的调节 酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。 （ 1 ）原核生物基因表达调节： 酶合成的诱导作用与阻遏作用 （ 2 ）真核生物基因表达的调控： 为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平调控。 二、细胞水平调节（在细胞内的集中存在与隔离分布） 代谢酶类区域化具有的生理意义即是实现代谢调控的一个原始方式。 三、激素对代谢的调节 动物激素 4 类： 氨基酸及其衍生物、肽及蛋白质、固醇类、脂肪酸衍生物。 植物激素 5 类 ：生长素、赤霉素类、激动素类、脱落酸、乙烯。 蛋白质肽类激素与类固醇激素的作用机制。 四、神经系统对代谢的调节