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教学教案
医学院 2008-08-07 15:07:42 浏览159212次
生物化学
                                      2008 
绪   论
教学目的与要求：掌握生物化学的含义，主要研究内容、学科分支、学科特
点、生物化学的地位，以及学习生物化学的意义。
教学内容提要：
生物化学的概念（0.2学时）
生物化学的研究内容（0.25学时）
             生物大分子
             重要物质的代谢
             生命现象的信息传递与表达
生物化学发展简史（0.15学时）
生物化学的发展趋势（0.15学时）
生物化学的学习方法（0.25学时）
教学重点与难点：生物化学研究内容；生物化学的发展趋势
教学内容（1学时）
一、生物化学的概念
生物化学（Biochemistry）这门学科，顾名思义是研究生命的化学。它的准确定义是：在分子水平上研究生物体的化学本质及其在生命活动过程中的化学变化规律。即，运用化学的原理和方法来探究生命现象的分子基础。
分子水平     化学本质
化学变化规律
二、生物化学的研究内容
1、生物体的化学组成、结构、性质和功能
   
2、生物体内的物质代谢、能量转换以及调节
3、生物体生命现象的信息传递与表达
    生物化学研究的第三个方面，通过DNA的复制由亲代传递给子代。在子代的生长发育过程中，遗传信息从DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能。
以上就是我们这个学期的生物化学课程将要学习的内容的一个概括，希望能够给大家一个粗略的轮廓，对大家以后的学习有所帮助。下面我简要介绍一下生物化学的发展简史。
三、生物化学的发展简史
1、生物化学的产生阶段（17～18世纪）
2、生物化的独立阶段（19世纪）
3、生物化学的发展阶段（20世纪上半叶）
4、生物化学的深化阶段（20世纪50年代至今）
四、生物化学的发展趋势
我们刚才讲过，蛋白质是生命的物质基础。对于生命活动领域，我们仍然了解的太少，大量的未知事件等待被研究。由于基因工程技术的逐渐成熟，后基因组时代，利用基因工程技术对蛋白质进行研究将会是生物化学领域的生长点。举例来说，在老年痴呆这一疾病的研究中，我们已经知道有一种叫做APP的蛋白起到非常重要的作用，它分解后形成的小分子肽Aβ是老年痴呆的重要致病因子之一。
今后生物化学发展的另外一个重要的特点就是学科间的交叉。由于研究内容越来越深入，单纯的生物化学知识和技术已经不能满足需求，细胞生物学、神经生物学、发育生物学和生物制药已经与现在生物化学的研究密不可分。如果我们要研究一种酶在细胞内的生理功能，我们就必然结合细胞生物学的技术；如果我们要研究神经活性物质的作用机理，我们也无法避免要结合已有的神经生物学研究成果；生物制药，由于它在造福人类方面不容忽视的影响以及它对于社会经济发展的促进，也会是今后生物化学研究的一个热点。
思考与练习：1、什么是生物化学？它的研究内容主要有哪些？
2、生物化学在生命科学中占有什么地位？
3、生物化学在实践中有何意义？
第一章 蛋白质
教学目的与要求：
掌握氨基酸的结构及理化性质；蛋白质分子的基本结构、空间结构及理化性质；蛋白质变性、复性的过程。
了解蛋白质的各种分类方法。
教学内容提要：
一、蛋白质的分子组成（0.5学时）
1、蛋白质的元素组成特点
2、氨基酸的结构通式，氨基酸的理化性质氨基酸的连接方式
二、蛋白质的分子结构（2。3学时）
1、蛋白质的一级结构：蛋白质一级结构的概念及其主要的化学键。
2、蛋白质的空间结构：
蛋白质的二级结构的概念、主要化学键和形式：α-螺旋，β-折叠，β-转角与无规卷曲。掌握α-螺旋，β-折叠的结构特点
蛋白质的三级结构概念和维持其稳定的化学键：疏水作用、离子键、氢键和范德华引力
蛋白质的四级结构的概念和维持稳定的化学键
3、蛋白质结构与功能的关系：一级结构决定空间结构，空间结构决定生物学功能。
三、蛋白质的理化性质（2学时）
1、两性解离和等电点
2、胶体性质
3、蛋白质的变性、沉淀和凝固
4、紫外吸收和呈色反应。
四、蛋白质的分类（0.2学时）
教学重点与难点
重点：氨基酸的重要理化性质，蛋白质的性质；蛋白质的结构层次
难点：蛋白质的二级结构。 
教学内容（5学时）
前言
一、蛋白质的概念
     蛋白质是生物体的基本组成成份。蛋白质是由20种氨基酸组成的高分子有机物质，典型的蛋白质分子含数百至数千个aa残基，分子量数千至数百万。
蛋白质在自然界及生物体中分布广、含量高、功能多种多样。它是生命体系中最重要的成分。肌肉、毛发、血细胞等以及常见的鸡蛋、皮革、蚕丝等都主要是由蛋白质组成的。蛋白质在人体内的含量很多，约占人体固体成分的45%。
它的分布很广，几乎所有的器官组织都含蛋白质，所以它又与所有的生命活动密切联系。它不仅是生物体的最基本的组成物质，又是生命活动的主要体现者。 
二、蛋白质的生物学意义（功能多样性）  
1、迄今为止，几乎所有的酶都是蛋白质。
酶：酶的化学本质主要是蛋白质，且催化的反应温和、快速、专一，任何生命活动之必须，有的还具有辅酶
2、组成成分，如参与细胞结构的建造，起支持和保护作用。
结构成分：胶原蛋白（肌腱、筋），角蛋白（头发、指甲），膜蛋白等。生物体就是蛋白质堆积而成，人的长相也是由蛋白质决定的。
3、营养和储存蛋白
4、调节物质代谢的激素有许多也是蛋白质或它的衍生物；
5、疾病的发生与防御也与蛋白质有关。
防御异体侵入机体，清除抗原，具高度专一性。病毒外壳蛋白
免疫系统：防御系统，抗原（进入"体内"的生物大分子和有机体），发炎。
细胞免疫：T细胞本身，分化，脓细胞。 
体液免疫：B细胞，释放抗体，导弹，免疫球蛋白（Ig）。
三、蛋白质的元素组成
    蛋白质--它是构成生物体的一类最重要的有机氮化合物； 蛋白质不论其来源如何(动植物、微生物)，各种蛋白质的元素组成很近似各元素的百分比对于大多数蛋白质都较相似；所含的主要元素有：
  碳(50％一55%)， 平均52％； 氢(6.9％一7.7％)， 平均7％；
  氧(21％一24％)， 平均23％； 氮(15％一17.6％)， 平均16％；
  硫(0.3％一2.3％)，平均2％。
除此之外，不同种类的蛋白质中尚含有少量的其他元素，这些称为微量元素。蛋白质中所含的微量元素主要有：
  磷(0.4％一0.9%)，平均0.6％；如酪蛋白中含磷；
  铁(0.496-0.9％)，动物肝脏是含铁丰富的食物；
  碘，主要存在于甲状腺球蛋白中。此外还有锌，铜等。
    蛋白质元素组成的特点是一切蛋白质都含有氮元素（或者说是区别于糖和脂的特征性元素），且比较恒定，平均为16%。而糖、脂多不含氮，即使含氮，其量也甚微，且不恒定。
           蛋白含量＝含氮量/16％＝含氮量x 6.25
四、蛋白质分子的形状
是由多种氨基酸结合而成的一类具有特定的空间构象和生物学活性生物大分子。
形状：纤维状蛋白质对称性差，分子类似纤维或棒状，通常在生物体内作为结构成分存在，比如胶原纤维、角蛋白、丝心蛋白等；球状蛋白质分子对称性好，接近球型或椭球型，在细胞内通常承担动态的功能，大多数蛋白属于这一类。
第一节 蛋白质的基本组成单位——氨基酸
一、氨基酸的一般结构特征
目前，已发现的氨基酸可能超过200种左右，但组成蛋白质分子的氨基酸只有20种左右。这20种氨基酸也称为蛋白质氨基酸。这20种aa中，除脯氨酸外，都具有下图所示结构：
 
二、氨基酸的分类（自学）
三、氨基酸的重要理化性质
氨基酸的两性与等电点
氨基酸的化学性质是由它的结构决定的，不同氨基酸之间的差异仅在侧链上，因此氨基酸具有许多共同的性质，个别氨基酸由于侧链的特殊结构尚有许多特殊的性质。
（1）、两性性质
    这是氨基酸最重要的性质。氨基酸分子中既含有羧基，又含有氨基，故它是两性电解质。两性离子，又称为兼性离子即在同一个分子中含有等量的正负两种电荷或在同一氨基酸分子上带有能放出质子的-NH3+正离子和能接受质子的-COOH-负离子。
（2）氨基酸的等电点
    氨基酸既是两性电解质，它在溶液中的带电情况，随溶液的pH的变化而变化。改变溶液的pH，可以使氨基酸带正电，或带负电。
    在一定的pH条件下，氨基酸分子中所带的正电荷和负电荷数相同，即净电荷为零，此时溶液的pH称为该种氨基酸的等电点（pI）。氨基酸的等电点是它呈现电中性时所处环境的pH。不同氨基酸由于分子中所含的可解离基团不同，解离程度不同，等电点不同。在等电点时，氨基酸的物理性质有所不同，最显著的特性是溶解度降低。氨基酸的等电点可由实验测定，也可根据氨基酸分子中所带的可解离基团的pK值来计算（课本方程式）。
 从上述结论知，等电溶液的pH与离子浓度无关，其值决定于两性离子两侧的可解离基团的pK值。
例如：甘氨酸在PH值为1的酸性条件下带正电荷，而当溶液的PH值为11的碱性环境时，则带负电荷；当溶液的PH值调到5.97时，甘氨酸主要以两性离子存在。此时甘氨酸分子中正负电荷相等，净电荷为0，不显电性，因此，5.97就是甘氨酸的等电点，即PI=5.97。
当氨基酸处于等电状态时，由于静电的作用，此时氨基酸的溶解度最小，容易沉淀（正负电荷相等，分子之间通过静电引力而结合成集聚体而易于沉淀）。由此，我们可以用调节溶液pH值的方法（即等电点法），使某一氨基酸大量沉淀而达到分离制备的目的。例如在味精生产中常采用等电点法使谷氨酸从发酵液中沉淀出来，只要调节发酵液的pH值至谷氨酸的等电点pI=3.22时，谷氨酸就可大量沉淀出来。
    第二节 肽
一、有关肽的一些基本概念
在蛋白质分子中，氨基酸之间是以肽键相连的。肽键就是一个氨基酸的α-
羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱去一分子水缩合形成的键，又称为酰胺键。
 
    氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽(peptide)，其实就是一种酰胺化合物。两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽……，以此类推。十个氨基酸形成的肽叫十肽，一般将十肽以下称为寡肽(oligopeptide)，以上者称多肽(polypeptide)或称多肽链。50个氨基酸以上，有特定的构象，就被称为蛋白质。组成多肽链的氨基酸在相互结合时，失去了一分子水，与原来的相比，分子稍有残缺，因此把多肽中的氨基酸单位称为氨基酸残基(amino acid residue)。
肽链结构中有主链和侧链之分，主链骨架是指除侧链R以外的部分。

 
二、肽的表示法及命名
在多肽链中，肽链的一端保留着一个自由的α－氨基，另一端保留一个自由
的α－羧基，带α－氨基的末端称氨基末端(N端)；带α－羧基的末端称羧基末端
(C端)。书写多肽链时可用略号，N端写于左侧，C端于右侧。
三、天然活性肽
    除蛋白质水解可以产生长短不一的各种肽段之外，在生物体内还存在许多游离状态的天然肽，它们各自具有特殊的生物学功能，叫做活性肽，能够发挥重要的生物学功能。
（1）谷胱甘肽：还原型GSH和氧化型GSSG，多种酶的激活剂，参与体内多项代谢，主要作用是还原剂，消除体内的自由基（过氧化物）。全名是γ－谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称谷胱甘肽(glutachione,简写GSH)。其中N末端的谷氨酸是通过γ－羧基与半胱氨酸的氨基相连。
    主要功能：
a.解毒功能：与重金属离子、环氧化物（致癌物）结合排出体外。
b.维持红细胞膜的完整性。
c.参与高铁血红蛋白的还原作用。
d.促进铁的吸收
（2）激素：催产素和加压素，9肽或环8肽，都是脑垂体后叶激素， 都有升血压、抗利尿、刺激子宫收缩、排乳的作用，催产素促进遗忘，加压素增强记忆；胰高血糖素，29肽，升高血糖，作用同肾上腺素。


第三节 蛋白质的分子结构
组织层次
一级结构 初级结构（共价结构，即氨基酸的排列顺序）
二级结构 
高级结构（空间结构）
三级结构 
四级结构 

一、 蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构包括指多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置。胰岛素的一级结构见课本P16。
二、 蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子的局部空间排布或盘绕折叠并依靠氢键维持固定的有规律性的结构。它不涉及侧链部分的构相。
1、蛋白质的几种二级结构
蛋白质的二级结构是主链的折叠和盘绕方式，已经提出的蛋白质的二级结构模型主要有以下几种：α－螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。
1）、α－螺旋(α－helix)
α－螺旋是人们首先肯定的一种蛋白质空间结构形式，并广泛存在于各种蛋白质的结构中。α－螺旋的结构特点如下：
(1) α－螺旋结构是一个类似棒状的结构，多个肽键平面通过α－碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧。
(2)主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于向上平移0.54nm（螺距），每个氨基酸残沿轴旋转1000；相邻两个氨基酸残基之间的轴心距为0.15 nm。
(3)相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和H形成许多链内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和后面相隔3-4个残基的（第四？五个）C＝O之间形成氢键；氢键的取向几乎与中心轴平行。这是稳定α－螺旋的主要键。氢键环内包含13（3n+4，n≥3）个原子，因此称为3.6（13）螺旋。
(4)天然蛋白质中的α－螺旋绝大多数都是右手螺旋。
(5)影响α－螺旋结构的稳定的因素：
一条多肽链能否形成α－螺旋，且能否稳定，与其氨基酸的组成和排列顺序有极大的关系，特别是R基团的影响。由于肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷都影响α－螺旋的形成。
① R基团电荷性质的影响：酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于α－螺旋形成
② R基团大小的影响：有较大的R基(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸、缬氨酸)氨基酸集中的区域，也妨碍α－螺旋形成。
2)、β－折叠（β－片层） 
左：顺向平行　右：逆向平行
    β－片层结构特点是：
    ①是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110°角。氨基酸残基的R侧链交替伸出在锯齿的上方或下方，以避免相邻侧链R基团之间的空间障碍。
    ②由两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的所有肽键的C＝O与H形成氢键，使构象稳定，氢键与肽链的长轴近于垂直。
    ③两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从"N端"到"C端"是同方向的，氢键不平行，如β－角蛋白；后者是反方向的，"N端"和"C端"交替排列，氢键近于平行，如丝蛋白。β－片层结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。从能量上讲，反平行结构更稳定。
    ④平行的β－片层结构中，两个残基的间距为0.33nm；反平行的β－片层结构，则间距为0.35nm。
3)β－转角
蛋白质分子的构象中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β－转角。
4)无规卷曲
    没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲。

三、三级结构
1、概念   
定义：蛋白质的三级结构是建立在二级结构的基础上的。二级结构的基础上(包括超二级结构和结构域)再进一步盘曲或折迭形成含主链和侧链在内的具有一定规律的紧密的近似球形的专一性的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构。   
    具备三维结构的蛋白质分子都有近似球状或椭圆状的物理外形，所以常常称它们为球蛋白，都具有高度的生物活性。换句话说，重要的生命活动都与蛋白质的三维结构直接相关并且对三维结构有严格的要求。所以，三维结构是蛋白质构象中的一个至关重要的等级或层次，从整体观念看，它实际包含着除亚基缔合以外的蛋白质分子结构的全部内容。在此，我们以球蛋白为典型对象来讨论蛋白质分子的三维结构。 
四、四级结构
概念：由二条或二条以上具有三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构的聚合体称为蛋白质的四级结构。
1、其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基(subunit)。由两个或多个亚基组成的蛋白称寡聚蛋白（有同源，非同源之分）。四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。
2、四级缔合的驱动力，主要还是范德华力、氢键、离子键和疏水作用等次级键。在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。
五、稳定蛋白质三维结构的作用力
在球状蛋白质中，亲水基团多位于分子表面，而疏水基团多位于分子的内部，形成疏水的核心，蛋白质构象的稳定主要靠次级键（主要是非共价键），包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力。这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远的氨基酸残基的R基团之间。次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质构象的稳定上起着重要作用。
(1)氢键
氢键是保持肽链折叠结构的主要因素。它在维持蛋白质空间构象中起着重要的作用。当氢原子与一个电负性较大的原子形成共价键时，氢原子带有正电性，可与另一个电负性较强的原子形成氢键，
 (2)疏水键（疏水的相互作用）
是由疏水基团为避开水相而相互靠近形成的。蛋白质分子中有许多疏水的氨基酸，蛋白质的多肽链在盘绕折叠形成特定的构象时，这些疏水侧链相互靠近趋向于分子内部以减少其与水的界面，这是蛋白质空间构象形成的驱动力之一。称为疏水力或疏水的相互作用。
(3)范德华力
范德华力是1873年，Van der Waals为修正气体的状态方程而提出的力学概念。可以是极性基团与极性基团之间、两个偶极之间的相互吸引力，也可以是极性基团的偶极与其对非极性基团的诱导而产生的诱导偶极之间的相互吸引力，即诱导力，它们共同组成范德华力。
(4)离子键(盐键)
它是存在于带相反电荷的基团之间的静电吸引力。
（5）二硫键(-S-S-)
二硫键是两个硫原子之间所形成的共价键。它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有重要作用。在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质的生物活性立即丧失，如核糖核酸酶有四对二硫键，在8M尿素中，用巯基乙醇处理，由于其分子中的二硫键被还原，其空间结构也随之被破坏，且丧失生物活性。除去这些试剂，被还原的二硫键可自发地重新恢复折叠结构（烫发的原理）。
        以上这些次级键都是一些比较弱的化学键，但各种次级键加在一起就可产生足以维持蛋白质构象的强大作用力。
第四节 蛋白质分子结构与功能的关系
一、蛋白质的一级结构与功能的关系
   蛋白质实现其生物学功能，从根本上来说是由它的一级结构决定的。1、同源（同功能）蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与生物的分子进化
   1 一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。
一级结构上的细微变化可直接影响其功能——分子病
分子病的概念是L．Pauling提出来的。如地中海贫血病、血浆凝血因子缺乏所引起的血友病、胰岛素分子病是由于胰岛素分子中B链第24位的苯丙氨酸被亮氨酸取代，使胰岛素成为活性很低的分子，不能降血糖。
    在蛋白质的结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。最突出的例子就是引起人类恶性贫血并在非洲较为流行的镰刀型贫血病。正常红细胞是圆盘状的，而患有此病的人的红细胞呈镰刀型。患者有头昏、胸闷等贫血症状，其红血球在缺氧时粘结成块（表面积减少），形似镰刀，且易破裂发生溶血，严重影响与氧的结合力。   
镰刀型红细胞贫血症是一种分子病。它是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸的突变导致该蛋白分子中β链第六位的谷氨酸被缬氨酸取代，红血球聚集成镰刀状，其表面积减少，载氧能力下降，且细胞也变得脆弱而易发生溶血。 
二、蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质的变性是可逆的，变性蛋白在一定的条件下之所以能自动折叠成天然的构象，是由于形成复杂的三维结构所需要的全部信息都包含在它的氨基酸排列顺序上，蛋白质分子多肽链的氨基酸排列顺序包含了自动形成正确的空间构象所需要的全部信息，即一级结构决定其高级结构。由于蛋白质特定的高级结构的形成，出现了它特有的生物活性。
第五节 蛋白质的重要性质
蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离、等电点、侧链基团的反应等等；也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性、变性等。
一、蛋白质的两性电离和等电点
    蛋白质是由氨基酸组成的，其分子中除两端的游离氨基和羧基，因此，在一定pH条件下，这些基团可以解离成带电基团，使得蛋白质带酸性或者碱性，是一种两性电解质。
作为带电颗粒它可以在电场中移动，移动方向取决于蛋白质分子所带的电荷。我们把带电大分子（胶体颗粒）在电场中的泳动现象称为电泳。蛋白质颗粒在溶液中所带的电荷，既取决于其分子组成中碱性和酸性氨基酸的含量，又受所处溶液的pH影响。不处在等电状态的蛋白质溶液其颗粒上带有同种电荷，在电场中能够向正极或负极移动。蛋白质在电场中移动的速度和方向取决于分子上所带电荷的正负性、电荷的数目及分子颗粒的大小。在一个混合蛋白质样品中，每种蛋白质在同一pH下各具有不同的带电性，再加上分子有大有小，因此在电场中能以不同的方向和速度移动，从而达到分离纯化蛋白质的目的。
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质游离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子(净电荷为O)，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点(isoelectric point,简写pI)。各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和酸性氨基酸的数目不同，因而有各自的等电点。蛋白质的等电pH将随介质的离子组成、pH而有所变动。故测定蛋白质的等电点时，要在一定pH、离子强度的缓冲液中进行。在等电状态的蛋白质分子，其物理性质有所改变，但最显著的是溶解度最小、易沉淀，同时，粘度和导电能力也最小。
    二、蛋白质的胶体性质
    蛋白质分子量大，介于一万到百万之间，它在水中的颗粒直径在1～100nm范围之内，处于胶体颗粒的范围内。所以蛋白质具有胶体性质，如布朗运动、丁达尔现象、电泳现象、粘度大、不透过半透膜以及具有吸附力等性质。
    原因：①球状蛋白质的表面多亲水基团，具有强烈地吸引水分子作用，使蛋白质分子表面常为多层水分子所包围。②蛋白质具有两性性质，在非等电点状态时，相同蛋白质带相同电荷，同性见的相斥力使其不易凝聚沉淀。基于以上两个原因，使蛋白质虽然分子量大，但仍然能构成为亲水的胶体溶液。
    胶体溶液的一个很重要的性质是不能通过半透膜。所谓半透膜是指这类膜上具有小孔，只允许水及小分子物质通过，而蛋白质等大分子不能通过，故称为"半透膜"。动物体内的各种生物膜，另外像人造火棉胶、羊皮纸、玻璃纸等都是半透膜。与低分子物质比较，蛋白质分子扩散速度慢，不易透过半透膜，粘度大，在分离提纯蛋白质过程中，我们可利用蛋白质的这一性质，将混有小分子杂质的蛋白质溶液放于半透膜制成的囊内，置于流动水或适宜的缓冲液中，小分子杂质皆易从囊中透出，囊内保留了比较纯化的蛋白质，这种方法称为透析。
蛋白质的亲水胶体性质具有重要的生理意义。它能与体内大量的水结合形成各种流动性不同的胶体系统，例如细胞原生质。而且，细胞的形状、弹性、粘度等也与蛋白质亲水胶体密切相关。
三、蛋白质的沉淀作用
蛋白质分子由于受到某些因素的影响而凝聚从溶液中析出的现象称为蛋白质沉淀作用。变性蛋白质一般易于沉淀，但也可不变性而使蛋白质沉淀；在一定条件下，变性的蛋白质也可不发生沉淀。
    蛋白质所形成的亲水胶体颗粒具有两种稳定因素，即颗粒表面的水化层和电荷。然而除掉这两个稳定因素(如调节溶液pH至等电点和加入脱水剂)，蛋白质就可能因为失去电荷和水膜变得不稳定，容易凝集析出而沉淀。
1．中性盐沉淀（可逆的沉淀作用）
    蛋白质发生沉淀后，若用透析等方法除去使蛋白质沉淀的因素后，可使蛋白质恢复原来的溶解状态，这就是蛋白质的可逆沉淀作用。
低浓度的中性盐溶液可使多数蛋白质的溶解度增加，这种现象称为盐溶作用。这种现象的原理是蛋白质分子表面吸附了盐离子，于是分子表面同性电荷增加，相互间的排斥增加了与水分子的相互作用，使得蛋白质的溶解度提高。
如果在蛋白质溶液中加入大量的中性盐，由于盐离子的亲水性比蛋白质强，它们将与蛋白质争夺水膜，引起蛋白质分子脱水。同时，盐又是强电解质，大量的中性盐解离能够抑制蛋白质这一弱电解质的解离，减少了蛋白质所带的电荷。蛋白质的胶体稳定性被破坏后，溶解度逐渐下降，以致从溶液中沉淀出来，这种现象称为盐析。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。硫酸铵是常用的沉淀蛋白质的盐类，因它在水中的溶解度大。
    不同的蛋白质由于氨基酸组成、结构和带电量不同，从溶液中析出所需要的盐的浓度不同。向含有多种蛋白质的溶液中加入不同浓度的盐，使不同的蛋白质依次从溶液中沉淀出来的方法称为分段盐析。例如先用半饱和的硫酸铵来沉淀出血浆中的球蛋白，然后加大硫酸铵的浓度至饱和，可以使清蛋白也都沉淀出来。盐析沉淀的蛋白质，经透析除盐，仍保证蛋白质的活性。这种方法常用于制备酶、激素、抗体等具有生物活性的蛋白质。
2．不可逆的沉淀作用
重金属盐类、有机溶剂、生物碱试剂等也可使蛋白质发生沉淀，但不能用透析等方法除去沉淀剂而使蛋白质重新溶解于原来的溶剂中，这种沉淀作用称为不可逆的沉淀作用。
（1）有机溶剂沉淀蛋白质
    可与水混合的有机溶剂，如酒精、甲醇、丙酮等，对水的亲和力很大，能破坏蛋白质颗粒的水化膜，降低溶液的介电常数（是两种电荷被真空隔绝时的电势与被介质隔绝时的电势之比值），影响蛋白质分子的解离程度，使其易于聚集沉淀。在常温下，有机溶剂沉淀蛋白质往往引起变性，例如酒精消毒灭菌就是如此；但若在低温条件下则变性进行较缓慢，短时间内完成的操作可用于分离制备各种血浆蛋白质。
（2）重金属盐沉淀蛋白质
    在碱性条件下蛋白质带负电，可与重金属离子如汞、铅、铜、银等离子结合，形成不溶性的重金属蛋白盐沉淀。沉淀的条件以pH稍大于等电点为宜。因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与重金属离子结合成盐。重金属沉淀的蛋白质常是变性的，但若在低温条件下，并控制重金属离子浓度，也可用于分离制备不变性的蛋白质。
    临床上利用蛋白质能与重金属盐结合的这种性质，抢救误服重金属盐中毒的病人。给病人口服大量蛋白质如牛奶或的蛋清，然后用催吐剂将结合的重金属盐呕吐出来解毒。长期从事重金属作业的人，应吃高蛋白食物，以防止重金属离子被机体吸收后造成的损害。
（3）生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质
    生物碱是植物组织中具有显著生理作用的一类含氮的碱性物质。能够沉淀生物碱的试剂称为生物碱试剂，如苦味酸、钨酸、鞣酸以及某些酸(如三氯醋酸、过氯酸、硝酸) 。蛋白质在酸性条件下正电荷易于与带酸根负离子生物碱试剂结合成不溶性的盐沉淀，沉淀的条件应当是pH小于等电点。
    临床血液化学分析时常利用此原理除去血液中的蛋白质，此类沉淀反应也可用于检验尿中蛋白质。"柿石症"的产生就是由于空腹吃了大量的柿子，柿子中含有单宁酸，使肠胃中的蛋白质凝固变性而成为不能被消化的"柿石"。
（4）加热凝固
    将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热，可使蛋白质发生凝固而沉淀。加热首先是使蛋白质变性，有规则的肽链结构被打开呈松散状不规则的结构，分子的不对称性增加，疏水基团暴露，进而凝聚成凝胶状的蛋白块。如煮熟的鸡蛋，蛋黄和蛋清都凝固。加热沉淀法常用于从红细胞中提取较耐热的SOD。
    蛋白质的变性和沉淀之间有很密切的关系。但蛋白质变性后并不一定沉淀，变性蛋白质只在等电点附近才沉淀；沉淀的变性蛋白质也不一定凝固。例如，蛋白质被强酸、强碱变性后由于蛋白质颗粒带着大量电荷，故仍溶于强酸或强减之中。但若将强碱和强酸溶液的pH调节到等电点，则变性蛋白质凝集成絮状沉淀物，若将此絮状物加热，则分子间相互盘缠而变成较为坚固的凝块。 
四、蛋白质的呈色反应
    蛋白质主链的肽键和侧链基团能与某些试剂作用，发生颜色反应。利用它的这种性质，可以确定蛋白质的存在与否。其中某些反应还可用于定量测定蛋白质。
第五节 蛋白质的分类与应用
蛋白质的种类繁多，结构复杂，迄今为止没有一个理想的分类方法。着眼的测面不同，分类也就各异。
1、从蛋白质分子的形状上，可将它们分为球状蛋白质及纤维状蛋白质。
球状蛋白：易溶解，功能性蛋白
纤维状蛋白：不溶于水，结构蛋白
2、从蛋白质组成上可分为单纯蛋白质(分子中只含氨基酸残基)及结合蛋白质(分子中除氨基酸外还有非氨基酸物质，后者称辅基)；
    单纯蛋白质
    结合蛋白又可按其辅基的不同分为核蛋白、磷蛋白、金属蛋白、色蛋白等。

思考与练习

1、a.卵清蛋白、b.β－乳球蛋白和c.糜蛋白酶原的pI分别为4.6、5.2和9.1。指出在下述pH下，它们在电场中向阳极、阴极移动还是不动？①a在pH5.0②b在pH5.0和7.0③c在pH5.0、9.1和11？
【a向阳极；b向阴极、向阳极；c向阴极、不动、向阳极】
2、蛋白质在一级结构和四级结构间还包括哪些结构？简述它们各自所包含的类型以及维持它们的作用力？
第二章 核酸化学
教学目的与要求：
掌握常见核苷酸的结构、符号和性质；核酸分子中核苷酸的连接方式、键的方向性；DNA的二级结构的特点；tRNA二级结构的特点；DNA的变性和复性概念和特点。 
熟悉核蛋白体RNA的结构与功能；核酸分子杂交原理。
了解病毒的基本结构；染色体的组装和结构。
教学内容提要：
一、核酸的化学组成 （1.5学时）
核酸的组成成分，核糖和脱氧核糖，嘌呤碱基和嘧啶碱基，核苷与核苷酸。 DNA 和 RNA 的区别 。 
二、核酸的结构 （2学时）
核苷酸的连接方式，核酸的一级结构；核酸测序的方法、原理，测序的步骤和条件。
核酸的二、三级结构（DNA、RNA）：其中 DNA 的二级结构（双螺旋结构模型），DNA 的三级结构，构型与构象，原核和真核生物基因组 DNA 的结构特点；几种RNA大致的二级结构和生理功能。
三、核酸的性质 （1.5学时）
核苷酸的性质，核酸的一般性质、重要性质，包括紫外吸收（含 增色效应与减色效应 ）、颜色反应、 变性与复性 ，分子杂交。 
教学重点与难点
重点：DNA的二级结构；三种RNA的立体结构与功能；核酸的重要性质。
难点：核酸一级结构测序；超螺旋结构（DNA三级结构） 
教学内容（5学时）
前 言
蛋白质是生物体的重要组成成分，与各种生命现象和生命活动有着密切的关系。生物体内的这些蛋白质各自都有独特的氨基酸排列顺序及空间结构。一切细胞都有合成蛋白质所必需的信息，子代细胞也知道蛋白质要怎样合成，这种信息是在细胞分裂时由亲代传递给子代的，而且是非常精确的。这种信息就是我们常说的遗传信息，它的物质基础（化学组成）就是核酸。与蛋白质一样，核酸是一切生物机体不可缺少的组成部分，是生命遗传信息的携带者和传递者。它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础内容之一。
第一节 核酸的种类、分布与化学组成
核酸是生物体内又一类重要的高分子化合物，是生物体的最基本的组成物质或成分。它由许多的核苷酸通过磷酸二酯键连接而成。它存在于几乎所有的生物细胞内，具有储存和传递遗传信息的功能，对生物体的个体发育、生长、繁殖、遗传变异等生命过程中起着重要的决定作用。
一、核酸的种类和分布
    根据核酸的化学组成，即核酸分子内所含的戊糖和碱基成份的不同，将其分为两大类：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。二者因结构不同，功能也不同。DNA是遗传物质，它作为遗传信息的载体，负责遗传信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传递给子代。RNA负责遗传信息的表达，转录DNA的遗传信息，参与蛋白质的生物合成，自身也发挥一定的生理功能。生物体内的核酸一般是和蛋白质结合在一起的，即以核蛋白的形式存在。


DNA          含碱基为：A、T、C、G
戊糖为：脱氧核糖


RNA          含碱基为：A、U、C、G
戊糖为：核糖

种 类 分   布 功 能
DNA 原核生物：拟核区
真核生物：95%在细胞核、
5%在线粒体和叶绿体  遗传信息的载体
RNA：        tRNA 原核生物：细胞质
真核生物：90%在细胞质
10%在细胞核  携带、转移aa
mRNA 肽链合成的模板
rRNA 核糖体主要成分

1、DNA
对于真核生物，DNA主要存在于核的染色质中(细胞分裂时期除外)，极少量的存在于核外，如线粒体、叶绿体。核内的DNA通常与组蛋白结合，以染色质的形式存在。
2、RNA
细胞内的RNA，根据其功能和性质的不同，主要的有mRNA、tRNA、rRNA三类。另外还有些小的RNA，如不均一核RNA（hnRNA）和核小RNA（snRNA）。前者是mRNA前体，后者可以促进mRNA成熟。
    mRNA，即信使RNA(messenger RNA)，约占RNA总量的5-10％左右，单链结构。蛋白质合成时，mRNA结合到核糖体上，通过传递DNA上面的遗传信息，作为决定蛋白质肽链中氨基酸排列顺序的模板。
    tRNA，即转运RNA(transfer RNA)， tRNA作为氨基酸的载体，携带氨基酸到达核糖体mRNA的指定部位，起转移氨基酸的作用。tRNA有多种，每一种tRNA携带一种持定的氨基酸。
    rRNA，即核糖体RNA(ribosomae RNA)，约占RNA总量的75-85％。它分子量较大，是蛋白质生物合成的主要场所——核糖体的组成成分。
90％的RNA存在于细胞质中，10％存在于细胞核内(主要集中在核仁区)。三种RNA共同协作，在蛋白质的生物合成中起着重要作用。
二、核酸的化学组成
1、 元素组成
组成核酸的元素有C、H、O、N、P等。与蛋白质比较，它在组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S；二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～10%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。
2、 核酸的基本单位——核苷酸
 核酸是高分子化合物，基本结构单位是核苷酸，由数量巨大的单核苷酸聚合
成长链。它被水解后可得到很多核苷酸，核苷酸又可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。
 

戊 糖
核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。
碱 基
核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤碱和嘧啶碱。核苷酸中的嘌呤碱主要是鸟嘌呤G和腺嘌呤A；嘧啶碱主要是胞嘧啶C、尿嘧啶U和胸腺嘧啶T。DNA和RNA都含有鸟嘌呤G、腺嘌呤A和胞嘧啶C；胸腺嘧啶T一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶U只存在于RNA中，不存在于DNA中。（化学结构见课本P36图2-2，2-3）
核 苷
核苷是由1分子戊糖与1分子嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。由于戊糖分为核糖和脱氧核糖，因此，核苷也相应地分为核糖核苷和脱氧核糖核苷。
核苷酸
核苷酸是核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸二酯键连接而成的化合物，即核苷的磷酸酯，有核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸之分。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C5′上羟基被磷酸酯化，形成5′核苷酸。DNA分子中含有A,G,C,T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中则是含A,G,C,U四种碱基的核苷酸。核苷酸在戊糖的5′位进一步磷酸化就生成核苷二磷酸和核苷三磷酸。以腺苷酸为例，除AMP外，还有二磷酸腺苷ADP和三磷酸腺苷ATP两种形式。核苷二磷酸和核苷三磷酸多为核苷酸有关代谢的中间产物或者酶活性和代谢的调节物质，以及作为储存和供应能量的重要形式。
第二节 DNA的分子结构
一、核苷酸的连接方式
1、3'，5'－磷酸二酯键
构成核酸大分子的基本单位是核苷酸。一个核苷酸残基的5`-羟基通过"磷酸二酯键"与下一个核苷酸残基的3`-羟基相连。相邻二个核苷酸之间的连接键即：3'，5'－磷酸二酯键。
 
DNA和RNA中的磷酸二酯键在主链中都有相同的取向，并有独特的5`或3`末端。5`末端在5`位上缺少核苷酸残基，而3`末端在3`位置上缺少核苷酸残基。
结构特点：
具有方向性，两个末端分别为5'端和3'端；
2、核酸链的简写式
    核酸分子的简写式是为了更简单明了的叙述复杂的核酸分子而使用的一些简单表示式。它所要表示的主要内容是核酸链中的核苷酸（或碱基）。常用的简写式有二种：线条式、字母式。
    简写式表示的中心含义就是核酸分子的一级结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。通常记录一条单链核酸的核苷酸顺序总是从左到右，左边表示核酸的5`末端，右边表示3`末端，即5`→3`方向。双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残基的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链即可。
二、DNA的一级结构
DNA的一级结构指脱氧核苷酸在DNA链中的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以不同DNA分子的差异也就是碱基序列不同。 DNA是巨大的生物高分子，所含碱基对数目从几千至几千万不等。它的生物学功能是携带和传递遗产信息。生物世界里形形色色的遗传信息以所谓"密码"的形式编录在组成DNA的A,G,C,T这四种核苷酸的排列顺序之中。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，这就是基因，不同基因的功能各异，各自分布在DNA的一定区域。基因的功能取决于DNA的一级结构，要想解释基因的生物学含义，就必须弄清DNA顺序。因此，DNA顺序测定是分子遗传学中一项既重要又基本的课题。
三、DNA的二级结构
核酸也是生物大分子。对于它结构的研究发现，核酸也具有比较复杂的空间结构，与蛋白质类似，它也可以分为一级、二级和三级几个层次来讨论和研究。核酸的一级结构是它的共价结构和核苷酸顺序；对于DNA来说，双螺旋结构就是它的二级结构；细菌的拟核及真核生物中巨大染色体的复杂折叠方式一般被看成是三级结构。
DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的，是20世纪最伟大的发现之一，它导致一些全新学科的诞生并影响许多学科的进程。现在对细胞如何储存和利用遗传信息的知识都是在这个发现的基础上进行研究获得的。
(一）、Watson和Crick的DNA双螺旋模型
    基于以上的研究，1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双螺旋结构模型。这是一个能够在分子水平上阐述遗传(基因复制)的基本特征的DNA二级结构，揭示了遗传信息是如何储存在DNA分子中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。这是生物学发展的重大里程碑。
    1、在DNA分子中，两条逆向平行（一股链是5′→3′走向，另一股链是3′→5′走向）的DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构。
2、碱基对层间的距离为0.34nm、双螺旋每一转（匝）有10个核苷酸，所以，双螺旋的螺距为3.4nm、其相邻核苷酸（碱基）之间的夹角为36o。螺旋的直径为2.0nm。
3、双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，宽0.6nm，深0.75nm；另一条叫大沟，宽1.2nm，深0.85nm。它们对DNA &蛋白的识别很重要。
4、双螺旋的两条链呈互补关系。一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对。双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键。碱基配对规律有重要的意义：知道一条DNA的核苷酸序列就可以知道与其互补的另一条链；DNA的复制、转录、反转录等都是以此为基础的。A=T G≡C
（三）维持双螺旋结构稳定性的力
1、 互补碱基之间的氢键
是水平方向的作用力，虽是次级键，但由于数量大，在稳定双螺旋中起重要作用。
2、 碱基堆集力
垂直方向的作用力。碱基的芳香环是疏水性的，双螺旋内部大量碱基层层堆积，形成了一个疏水区域，与介质中的水分子隔开。  
3、离子键
四、DNA的三级结构
细胞中的DNA是极细长的分子，它必须经过致密的包装折叠以便被细胞所容纳。这种折叠应该是高度有序的，因为它们不仅要适合它们所处的细小空间，而且这种折叠和包装还得允许DNA能被接近以进行复制和转录。
    在双螺旋的基础上，DNA进一步扭曲形成更高的折叠形式，即三级结构。DNA超螺旋是三级结构中一种比较常见的形式。超螺旋从字面上看意味着在螺旋基础上的再螺旋。例如，电话话筒和电话机之间的电话线一般是螺旋的，这种螺旋线的再卷曲缠绕就形成超螺旋。DNA是以双螺旋的形式围绕着同一个轴缠绕的，当双螺旋DNA的这个轴再弯曲缠绕时，此时DNA就处于超螺旋状态。DNA的超螺旋状态是结构张力的表现，主要有两种形式：正超螺旋：左手超螺旋，是B-DNA加剧螺旋形成的超螺旋，非自然选择，不利于基因表达；负超螺旋：右手超螺旋，是B-DNA减弱螺旋形成的超螺旋，自然选择，利于基因表达。
    大部分细胞DNA呈负超螺旋，它主要是由于闭合环形DNA的螺旋不足造成的。换句话说，这些DNA中两条链的互相缠绕次数比所预期的B型结构螺旋数要少，这就造成这段DNA偏离最稳定的DNA结构。这种扭力可能导致两种后果：其一是DNA的两条链能够被简单分开一定距离，其他部分仍保持正常的B型结构；另一种方式是DNA形成一个超螺旋，此时DNA的双螺旋轴能被弯曲成一定的方式，使分开的碱基通过氢键重新形成配对形式，从而使DNA中的碱基堆积力最接近于B型结构。从细胞中制备的环形闭合DNA，其螺旋不足造成的张力一般都以超螺旋的形式而不是以两链分开的形式存在，因为DNA轴弯曲所需的能量要比断裂稳定碱基配对的氢键要少。负超螺旋有利于一些DNA分子的结构改变，使得DNA的双链易于被分开，以便被复制或转录，这是生物体保持DNA螺旋不足状态的一个重要原因。 
另外，原核生物的DNA被压缩成"拟核"的结构；真核生物的细胞核内，DNA需要经过折叠和组装形成染色体的结构。它们都是以超螺旋结构为基础来进行的组装和折叠的，这主要是因为超螺旋结构即有利于压缩和包装，体积大大减小，而且，这种超螺旋结构的稳定性也比较好。
第三节 RNA的分子结构
RNA是细胞内核酸的第二种主要类型，它在把DNA中的遗传信息变成功能性蛋白的过程中起中介作用。与DNA相比，RNA种类繁多，分子量相对较小，一般以单链存在，但可以有局部二级结构。其碱基组成特点是含有尿嘧啶而不含胸腺嘧啶，碱基配对发生于C和G与U和A之间。由于是单链结构，RNA碱基组成之间无一定的比例关系，并且稀有碱基较多。
RNA的一级结构与DNA相同，都是通过3’，5’-磷酸二酯键将核苷酸相连。因此，RNA也具有5’→3’的方向性，书写和阅读方式与DNA相同。RNA不像双链DNA一样有一个简单的有规律的二级结构。许多RNA与蛋白质相似，具有复杂、独特的三维结构。
RNA虽然是单链的，但它们在分子内的部分区域也能通过碱基互补配对形成氢键，在这些部位产生双螺旋结构；不能形成双螺旋的部分，则形成环状突起，这种结构可以形象地称为发夹结构，也被称为RNA的茎环结构。
一、tRNA的分子结构
    转运RNA，即tRNA，它的一端可以共价连接一个氨基酸，在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用。它们和mRNA配合使各种氨基酸以正确的顺序连接。由于tRNA分子的同工性，即一种以上的tRNA对一种氨基酸特异，所以细胞内tRNA的种类比氨基酸的种类多。
A．tRNA的分子量一般在25KD左右，沉降系数约4S，由70-90个核苷酸组成。
B．tRNA中含大量稀有碱基，如假尿嘧啶核苷(ψ)，各种甲基化的嘌呤和嘧啶核苷，二氢尿嘧啶(hU或D)和胸腺嘧啶(T)核苷等。对绝大多数原核细胞和真核细胞一个tRNA分子来说，一般有10-15个稀有碱基。这些稀有碱基的功能不十分清楚。
C．tRNA的3'端含CCA-OH序列，活化的氨基酸总是接在该序列腺苷酸残基(A)上，所以它被称为接受末端。
D．5'端大多是pG，有时也会是pC。
E．tRNA分子是单链RNA，十分利于与单链的模板mRNA形成氢键。绝大多数胞浆tRNA含(76+1或76-1)个核苷酸，其中有15-16个核苷酸为固定核苷酸，即在绝大多数胞浆tRNA上这些核苷酸的种类和位置不变，其它的61-62个核苷酸为可变核苷酸。
二级结构
tRNA的二级结构一般都是三叶草结构。所有的tRNA均有这样的类似结构，其基本特征为
(1) 3'端第5-11位核苷酸与5'端第1-7位核苷酸形成螺旋区，称为氨基酸臂。突出出来的3'端接受末端可以接受活化的氨基酸。
(2)二氢尿嘧啶环：由8-12个不配对的碱基组成，主要特征是含有2个修饰碱基二氢尿嘧啶。它通过3～4bp的双螺旋区与tRNA分子相连。
(3)反密码环：由7个不配对的核苷酸组成，处于中间位的3个反密码子可与mRNA中的密码子结合，在蛋白质合成中起解读密码子，把正确的氨基酸引入合成位点的作用。该环通过一个5bp的双螺旋区与tRNA分子相连。次黄嘌呤常出现在反密码子环中。
(4)额外环：也叫可变环。这个环的碱基种类和数量高度可变，在3-18个不等，可以作为tRNA分类的重要指标。
(2)TψC环：由7个不配对的核苷酸组成，含有胸腺嘧啶核苷酸和假尿嘧啶核苷酸，通过一个5bp的双螺旋区与tRNA分子相连。该环涉及tRNA与核糖体表面的结合，几乎所有的tRNA都含有这个环。
    此外，前述的15-16个固定碱基几乎全部位于这些环上。tRNA的三叶草型二级结构可以概括为四环四臂。现发现的所有tRNA均可呈现这种三叶草样结构。
二、rRNA和核糖体
    核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，是蛋白质合成机器——核糖体的组成成分。
三、mRNA与不均一核RNA(hnRNA)
    DNA绝大部分存在于细胞核/拟核内，而蛋白质合成则发生在细胞质内的核糖体上。因此，必定有另一类分子把遗传信息带到细胞质中以指导蛋白质的合成。在20世纪50年代初期，RNA被估计为执行这种功能最合适的候选分子。因为RNA既存在于核中也存在于细胞质中，并且蛋白质合成的开始总是伴随着细胞质中RNA数量的增加和RNA周转速度的加快。研究发现，信使RNA把细胞中DNA遗传信息携带到核糖体。在核糖体上，mRNA提供多肽链中氨基酸序列的模板以进行多肽合成。所以不同基因相应的mRNA在长度上有很大的不同，从一个特定基因来的mRNA有特定的长度。mRNA是单链，其二级结构是通过单链自身折叠而形成发夹（茎环）结构。不同生物类别间，mRNA的结构差别较大。   
mRNA的最低长度可由它所编码的肽链长度来确定。例如，一个含有100个氨基酸残基的多肽起码需要一个含300个核苷酸残基的mRNA。但是从DNA上转录产生的mRNA总是稍长一些，这些附加的顺序用于调节蛋白质的合成。

第四节 核酸的理化性质
一， 光学性质
在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱。核酸吸收紫外的波段是240～290nm，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。
    DNA变性后碱基展开程度变大、充分外露，因此紫外吸收就增加——增色效应；与之相对应，DNA复性后变回双螺旋结构，紫外吸收减小——减色效应。于是，根据光吸收度的多少可以分析DNA形成螺旋结构的程度。
   
二、DNA的变性、复性与分子杂交
DNA双螺旋结构模型，不仅与其生物功能有密切关系，还能解释DNA的重要特性——变性与复性，这对于深入了解DNA分子结构与功能的关系有重要意义。
1、DNA变性：
    指DNA分子由稳定的双螺旋结构变成单链、无规则“线团”状结构的现象。变性时维持双螺旋稳定的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素等，均可以引起核酸分子变性。
变性DNA常发生一些理化性质的改变：①溶液粘度降低。DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后代之以柔软而松散的无规则单股线性结构，DNA粘度因此而明显下降；②增色效应：指变性后DNA溶液的紫外吸收作用增强的效应。在DNA双螺旋结构中碱基处于内侧，变性时DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。③由于空间结构空间结构发生改变，从而引起生物活性的降低或丧失。
    对双链DNA进行加热变性，当温度升高到一定高度时，DNA溶液在260nm处的吸光度突然明显上升至最高值，随后即使温度继续升高，吸光度也不再明显变化。若以温度对DNA溶液的紫外吸光率作图，得到的典型DNA变性曲线呈S型。可见DNA变性是在一个很窄的温度范围内发生的。通常将核酸加热变性过程中，紫外光吸收值达到最大值的50%时，即核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏时的温度称为核酸的解链温度，又称融解温度(Tm, melting temperature)。DNA的Tm值一般在70~85℃之间。
影响Tm值的因素：
a．DNA的均一性——均一性高，则融解过程爆发的温度范围窄；
b．DNA分子中GC碱基对的含量—— DNA分子中GC含量高，则Tm
值大，两者的关系可表示为：Tm=69.3＋0.41(%G+C)。测定Tm值可推算DNA中碱基的百分组成。
c．DNA溶液的离子强度——离子强度高，Tm高，熔解温度范围窄；离子强度低，Tm低，熔解温度范围宽。
d．核酸分子的长度——一定条件下(相对较短的核酸分子)，Tm值大小还与核酸分子的长度有关。核酸分子越长，Tm值越大。
    RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有DNA那样明显，Tm值较低，变性曲线也较平缓。
2、DNA复性
DNA复性指变性DNA在适当条件下，二条互补链恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火。复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过Tm的温度下迅速冷却至低温(如4℃以下)，复性几乎是不可能的，核酸实验中经常以此方式保持DNA的变性(单链)状态。这说明降温时间太短以及温差大均不利于复性。
    DNA的复性不仅受温度影响，还受DNA自身特性等其它因素的影响：①DNA浓度：溶液中DNA分子越多，相互碰撞结合的机会越大②DNA顺序的复杂性：简单顺序的DNA分子，如多聚(A)和多聚(U)这二种单链序列复性时，互补碱基的配对较易实现。而顺序复杂的序列要实现互补，则困难得多。③DNA片断越大，复性的速度越慢。
3、核酸的分子杂交 
    定义：指将不同来源的两条DNA单链或者单链的DNA和RNA形成双螺旋的方法，得到的产物叫杂交分子。分子杂交(简称杂交)是核酸研究中一项最基本的实验技术。其基本原理就是应用核酸分子的变性和复性的性质，使来源不同的DNA(或RNA)片段变性后，合并在一处进行复性。这时，只要这些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，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，按碱基互补关系形成杂交双链分子。杂交双链可以在DNA与DNA链之间，也可在RNA与DNA链之间形成。
核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能常用手段之一，不仅可用来检验核酸的缺失、插入，还可用来考察不同生物种类在核酸分子中的共同序列和不同序列以确定它们在进化中的关系。例如，一段天然的DNA和这段DNA的缺失突变体(假定这种突变是DNA分子中部丢失了若干碱基对)一起杂交，电子显微镜下可以看到杂化双链中部鼓起小泡。测量小泡位置和长度，可确定缺失突变发生的部位和缺失的多少。利用核酸杂交技术，人们发现了发现原核生物的基因是连续基因，而真核生物的基因是断裂基因，并且还发现了癌基因的普遍性。
    在医学上，核酸杂交技术目前已用于多种遗传性疾病的基因诊断、恶性肿瘤的基因分析、传染病病原体的检测等领域中，其成果大大促进了现代医学的进步和发展。
第五节 核蛋白
一、 病毒
    无细胞结构的侵染性粒子：核酸与蛋白质。RNA病毒多为植物病毒；DNA病毒，动物病毒既有RNA病毒，也有DNA病毒；侵染细菌的病毒叫做噬菌体。
    核酸位于中心，蛋白质在外面包成衣壳，并决定病毒粒子的外形。病毒的侵染性由核酸引起，蛋白质起保护作用和识别作用（识别宿主表面的位点）。
二、染色体
1、化学组成
一条染色体包含一条DNA双链分子以及大量的蛋白质和有限的RNA，它们与DNA共同构成十分紧密的复杂结构。这种结构不仅能满足贮存DNA的数量要求，而且还应该有利于其功能的实现。生化研究表明：组成染色体的化学成分中，蛋白质含量约为DNA的二倍，根据组成蛋白质的氨基酸特点分为组蛋白和非组蛋白两类。RNA含量很少，还不到DNA量的10%。
    研究从细胞中分离出来的染色质发现，它们是由差不多等量的DNA和蛋白质组成的。染色质中的DNA紧紧地和一类称为组蛋白的蛋白质结合包装成"核小体"的结构单位。染色质中还发现一些非组蛋白，它们参与调节特殊基因的表达。以核小体为基础真核染色体可以形成更高级有序的结构。
    组蛋白（histones)是碱性蛋白质，富含二种碱性氨基酸（赖氨酸和精氨酸）。根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例（赖/精）又将组蛋白分为五种小类型，H1、H2a、H2b、H3、H4。所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。在各物种间，H3和H4的序列极少有差异，这种生物进行上的高度保守性预示着其功能的重要性；其它三种组蛋白在不同种属之间存在着较大的差异。组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。
    非组蛋白是指染色体中组蛋白以外的其它蛋白质。已经知道，一些非组蛋白与基因表达及染色体高级结构的维持有关。参与基因复制、转录及核酸修饰的酶类（如各种DNA和RNA聚合酶等）就是一类重要的非组蛋白。但是仍有一部分非组蛋白的结构和功能，目前还了解甚少。
1、 核小体
真核染色体被高致密度的包装是由几个层次高度有序的折叠组成的，最基本结构单位是核小体。核小体是DNA和组蛋白形成的复合物，成球体状。这些球状体之间有一定间隔，被DNA链连成串珠状。每个核小体含有8个组蛋白分子，各含两个H2a、H2b、H3和H4。在染色质上每个核小体和间隔所含的DNA约200碱基对，其中146bp紧紧缠绕着组蛋白八聚体核心，其余的用于连系两个核小体，称为连接DNA。组蛋白H1不参与核小体的组成，但它通常和连接DNA相结合。X-射线衍射法分析结果表明，核心DNA以左手螺旋的方式围绕着组蛋白八聚体形成线圈形超螺旋。核小体中缠绕组蛋白八聚体核心的DNA是负超螺旋(螺旋不足)，每缠绕一圈DNA需要解开一螺旋以解除缠绕所加给DNA上的扭力。
核小体由核心颗粒和连接区DNA二部分组成。致密八聚体位于颗粒中央，外绕1.75圈的DNA链，组蛋白主要为α-螺旋，处于DNA双螺旋的大沟中，靠静电引力与DNA保持稳定结合。
思考与练习
1、 比较DNA、RNA在化学组成、大分子结构上、生物学功能上的特点。
2、 如果人体有1014各细胞，每一个细胞DNA含量为6.4ⅹ109bp，试计算一下人体DNA的总长度为多少米？它相当于地球到太阳距离（2.2ⅹ109米）的几倍？【2.2ⅹ1011，100倍】
3、 DNA变性后会引起哪些理化性质的改变？其机理是什么？热变性的一个重要参数Tm值表示什么？其影响因素有哪些？
4、 核酸分子杂交的含义是什么？简要列举这一技术的应用。
第三章 酶  学
教学目的与要求
掌握酶的概念，酶的分子组成；酶促反应的特点；酶的活性中心的概念；底物浓度对酶促反应的影响；抑制剂对酶促反应的影响；酶原与酶原激活的过程与生理意义；同工酶的概念和生理意义。
熟悉酶促反应的机理；酶浓度、底物浓度、温度、pH、激活剂对酶促反应的影响。
了解酶的作用原理；酶的分类与命名的原则；酶在疾病发生、疾病诊断、疾病治疗中的应用。
教学内容提要：
一、概述（1.5学时）
酶的化学组成和化学本质
酶的特性：生物催化剂（高效性，特异性，可调节性，不稳定性） 
酶作用的专一性：相对专一性和绝对专一性，结构（键、基团）专一性和立体异构专一性。
酶的分类 、命名和编号
二、酶的作用机理（2学时）
酶的活性中心：必需集团、结合集团、催化集团及其作用。
酶催化作用机制：诱导契合学说。
影响酶催化作用的因素
三、酶促反应动力学（2学时）
底物浓度对酶活性的影响：米氏方程及米氏常数的物理意义
酶浓度对反映速度的影响
温度pH对酶活性的影响：最适温度、最适pH。
激活剂和抑制剂的影响：可逆与不可逆性抑制作用，竞争性、竞争性与反竞争性抑制作用。
四、别构酶、同工酶、诱导酶和核糖酶（1.5学时）
调节酶：共价酶和别构酶。酶的别构调节
五、酶工程简介（1学时）
教学重点与难点
重点：酶的作用机理；酶促反应动力学
难点：激活剂、抑制剂的影响； 
教学内容（8学时）
第一节 概 述
酶学知识最初来源于生产生活实践（如发酵和酿造）和对疾病的治疗等。酶的系统研究始于19世纪中叶对发酵本质的研究。Pasteur提出，发酵离不了酵母细胞。Liebig则认为发酵只需要活细胞中的一种物质——酶。
    1982年以后陆续发现某些RNA也具有酶的催化功能，使人们进一步认识到，酶不都是蛋白质。
现代科学认为，酶是由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。本章主要讨论蛋白质属性的酶。
    已有二千多种酶被鉴定出来，其中有二百余种得到结晶。近几十年来，随着蛋白质分离技术的进步，酶的分子结构、酶作用机理的研究得到发展，有些酶的结构和作用机理已被阐明。
一、酶的化学组成
（一）酶的化学本质
    蛋白质：酶的性质符合蛋白质的特性，这是主要的。    RNA：1982年新发现的某些酶的成分是RNA，称为核糖酶。这打破了酶的本质是蛋白质的论断。
（二）酶的组成分类
    A. 根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类：
1、单纯蛋白质酶
是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。
2、结合蛋白质酶
除蛋白质部分（称酶蛋白）外，这一类酶还含有非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子。两者结合成的复合物称作全酶。
全酶  =  酶　蛋　白  + 辅助因子
(结合蛋白质) (蛋白质部分) (非蛋白质部分)
酶的辅助因子可以是金属离子、金属有机化合物，也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有Mg2+、Cu2+(或Cu+)、Zn2+、Fe2+(或Fe3+)等等；金属有机化合物的代表则是前面在蛋白质的结构中举例讲过的肌红蛋白和血红蛋白所含的铁卟啉；小分子有机化合物方面，例如，现在知道的大多数维生素（特别是B族维生素）可以作为酶的辅助因子的成分。酶的辅助因子作为酶组成部分，或者起到连接底物和酶分子的桥梁作用，或者在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。
    按与酶蛋白结合的紧密程度不同，酶的辅助因子可以分成辅酶和辅基两大类。辅酶与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤方法除去；辅基与酶蛋白结合紧密，不易用透析或超滤方法除去。辅酶和辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格的界限。
    酶蛋白和辅酶、辅基是酶的催化活性不可缺少的两部分。酶蛋白决定反应的专一性，在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分；辅酶或辅基则在催化底物反应中起转移电子、原子和功能基团的作用。它们单独存在时都无活性，只有二者结合成全酶才有活性。
二、生物催化剂
    生物体内的新陈代谢过程包含着许多复杂而有规律的物质代谢和能量变化。绿色植物和某些细菌利用太阳光能以及水、CO2、无机盐等简单物质，合成复杂的糖、脂、蛋白质等大分子物质；而动物又利用植物中的这些物质，并经过错综复杂的分解和合成、反应转化为自身所需要的一部分，使自己得以生长、繁殖等等。在实验室中，这些复杂有机物的合成与分解必须要在高温、高压、强酸强碱等剧烈条件下才能进行；并且，其中一些反应在体外难以进行，如蛋白质的合成。但是，在生物体内虽然条件十分温和（37oC左右、近中性pH值），这些反应却能顺利和快速的进行。例如，动物吃下的肉食在消化道内只需要几个小时便被完全消化分解；细菌在合适的条件下，二十分钟就增殖一代，在这短短的二十分钟内，合成了新细胞所需要的全部的各种复杂的物质。体内化学反应容易并且迅速进行的根本原因就是生物体内普遍存在一种起催化作用的蛋白质——酶。酶又被称为生物催化剂。它具有两方面的特性：既有与一般催化剂相同的催化性质，又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。
    与一般催化剂一样，酶只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变，并且微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能。
（活化能：在任何化学反应中，反应物分子必须具有高于初态时的能量，成为活化的状态，才能发生变化，形成产物。这种比一般分子高出的能量称为活化能，具有这样活化能的反应物分子便进入“过渡态”。从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能。活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，使得相同的能量能使更多的分子活化，从而加速反应的进行。在反应中，活化能稍有降低，速度会显著增大。）
除了具有一般催化剂的共性之外，酶作为生物催化剂，又有其自身特点：
①极高的催化效率
酶促反应速度比非催化反应高108~1020倍，比一般催化反应高107~1013。这主要是因为酶能显著降低活化能，并且在参加一次化学反应后，酶分子立即恢复到原来的状态继续参加反应，所以一定的酶在短时间内能催化大量的底物发生变化，故能表现为高度的催化效率。
②高度专一性
酶对所作用的底物有严格的选择性，一种酶只作用于一种或者一类化合物，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物。受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物。
a绝对专一性
    只作用于一种底物产生一定的反应，称为绝对专一性，如脲酶只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。
b相对专一性
只要求作用于一定的化学键，对于键两侧的基团没有严格要求。这一类的酶对底物结构要求最低。例如酯酶对于含酯键的化合物都可以催化，只是速度不同而已。
c、立体异构特异性
    酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构专一性或特异性，分为光学专一性和几何异构专一性。
③易失活
酶的催化活性易受到外界条件的影响。这主要是因为酶是生物大分子，其催化活性与空间构象密切相关，凡是破坏空间构想稳定的因素都可以影响催化活性。因此，酶要求的反应条件一般比较温和。
反应条件：室温、常压、温和的PH。强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。课本P58
④酶的活性可调控
酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢。酶的催化活性也受多方面的调控。例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶原激活以及激素调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地进行。
⑤催化活性与结构有关
    对于双成分酶，辅基、辅酶或者金属离子与酶的催化活性密切相关，如果将它们除去，酶就会失去活性（失活）。
三、酶的命名和分类
（一）命名（自学）
（二）六类催化反应的主要特征  
1、氧化还原酶类
指催化底物进行氧化还原反应的酶类。它包含的数量最多，多具有生物氧化的功能。包括：脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶等等。其反应通式：
AH2十B＝A十BH2。
2、转移酶类
指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。反应通式为：
AR十C＝A+C-R
转移酶类包括8个亚类，每一亚类表示被转移基团的性质（课本P60表格）。例如，转甲基酶、转氨酶、己糖激酶（转磷酸基）、转酰基、转糖苷基、转醛、酮基等。
谷丙转氨酶（GPT）催化丙氨酸和α-酮戊二酸之间氨基转移的反应（课本P60）。
    还有一个转氨酶叫谷草转氨酶（GOT）为谷氨酸与草酰乙酸之间的转氨基酶。GPT和GOT在血液中的含量的高低在临床医学中是肝功能检验的一个指标。当肝细胞由于各种原因遭到损害以至发炎、坏死（肝炎）时，细胞中的转氨酶被释放到血液中并引起血液中转氨酶浓度升高。测定转氨酶是肝功检查中较灵敏的方法之一。心脏、皮肤等组织若发生病变，血液中的转氨酶浓度也会增加，但不如肝脏那样显著。
    3、水解酶类 
催化底物的加水分解反应或其逆反应。反应通式：
AB＋H2O＝AH＋BOH
水解酶多数都是胞外酶，在生物体内分布广，数量最多。目前生产上常用的酶多数属于此类酶，如胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、核酸酶、磷酸酶等。    水解酶类一般不需要辅酶或辅基。 
4、异构酶类
催化同分异构体之间的相互转变。反应通式：A＝B。包括：顺反异构酶、消旋酶、差相异构酶等。
    例如，如6-磷酸葡萄糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖之间的相互转变。该类酶包括6个亚类，亚类表示异构作用的类型（课本P60表）。
5、合成酶（连接酶）
催化由两种或两种以上的小分子物质合成较大分子物质的反应，且必须偶联有ATP参加。反应通式：
                 A十B十ATP=A-B十ADP十Pi
例如，谷氨酰胺合成酶（课本P61反应式）、氨基酸：tRNA连接酶等。合成酶类包括4个亚类，亚类表示所形成键的类型（课本P60表）。
第二节 酶的作用机理
一、酶分子的活性中心
1、概念
酶分子很大，作为生物催化剂，在起作用时，并不是整个酶分子都与催化活性有关。实验证明，与催化活性有关的往往只是酶分子中的一小部分。如果用氨基肽酶处理木瓜蛋白酶，可以使木瓜蛋白酶的肽链从N端开始逐渐缩短。当原有的180个a.a残基被水解掉20个后，剩余的160个a.a的短肽仍有水解蛋白质的活性。又比如，将核糖核酸酶肽链C末端的三肽切断，余下部分也有酶的活性。以上两个例子中我们可以发现有些酶的催化活性只与其分子的一小部分有关，这部分发挥酶的生物学作用的关键部位被称为酶的活性中心。
2、活性中心与必需基团
一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。关于酶的活性中心，一般认为它主要执行两个生物学功能：一是在酶与底物的结合中起作用，使得酶具有专一性，专门结合某一种或者某一类的底物；二是作为催化剂催化化学反应的进行，使得底物的敏感键断裂或者形成新的共价键，即，决定酶的催化能力。构成酶活性中心的必需基团也相应地分为两种，与底物结合的必需基团称为结合基团或结合部位，促进底物发生化学变化的基团称为催化基团或催化部位。活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。
虽然酶的催化作用取决于构成活性中心的几个氨基酸，但并不意味着酶分子中的其他部分就不重要了。因为酶活性中心的形成首先依赖于整个酶分子的结构。如木瓜蛋白酶，在失去N端的20个氨基酸后虽然仍有活性，但此时酶分子并不稳定，很容易丧失活性。因此，没有酶蛋白结构的完整性，酶蛋白分子的稳定性就随之降低，活性中心也就不存在了。
在活性中心以外的某些区域，还有些必需基团虽然不参加酶活性中心的组成，不和底物直接作用，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需或有一定的调节作用的基团，这些基团是酶的活性中心以外必需基团。活性中心和必需基团的形成，易于这些基团相互协调发挥作用，同时也提供了反应所需的环境（微环境、疏水环境或低介电常数环境）。
补：（调节作用的基团：酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。）
3、活性中心地基本特征
不同酶之间在结构和功能上差别都较大，但是，它们的活性中心都拥有一些共性：
（1）酶的活性部位只占酶分子总体积的一小部分（约1-2%），并且具有三维空间结构；
（2）酶与底物结合的专一性取决于活性中心原子的精确排布。活性中心的结构具有柔性或可运动性，在与底物结合时可以发生一定的变化，获得合适的构象与底物互补结合；
（3）底物通过次级键实现与酶的活性部位的结合；
（4）活性中心常位于酶分子表面凹陷的凹穴内，这个部位多为疏水区域，含有较多的非极性基团，有的也含有部分极性基团；
（5）酶的催化活性与活性中心的极性基团密切相关。
二、与酶催化作用有关的因素
（一）邻近效应和定向效应
酶可以将它的底物结合在它的活性部位。由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域，底物浓度增高，则反应速度也随之提高。曾有一实验证明某底物在溶液中的浓度为0.001M，而在其活性中心的浓度竟达100M，比溶液中的浓度高一万倍。由此可以想象到，在酶的活性中心区域的反应速度必定是极高的。所以，人们认为底物与酶分子在活性中心结合时有一个相互靠近的过程，这成为加速反应速度的一个重要因素。这就是邻近效应。
但仅有“邻近效应”还不够，还需要使反应的基团在反应中彼此互相严格地“定向”，使相互接近的分子具有正确的轨道排列。这主要是因为两个反应物分子为了进入过渡态，它们的反应基团的分子轨道要交叉，并有极强的方向性；稍稍脱离基团之间的正确方向，就要付出多余的能量才能进入“过渡态”。在酶催化的反应中，反应物结合在酶的专一性活性部位上，给反应物分子轨道交叉提供了良好的条件（P66图3-4）。这就是定向效应。
“靠近”和“定向”紧密相关地影响着酶催化反应的效果。只有既“邻近”又“定向”，反应物分子才被作用，使反应迅速地进行。
（二）酶使底物分子的敏感键发生形变
    X-射线衍射分析证明，酶和底物结合并进行反应时，底物分子向酶的活性部位靠近并结合，底物诱导酶的构象发生改变，特别是酶的活性部位的结构；同时，比底物大得多的酶分子的三、四级结构的变化对底物产生张力作用。酶分子中的某些基团或离子可以使底物分子敏感键的某些基团的电子云密度改变，从而导致这些键发生扭曲，于是底物分子变形。
酶与底物之间相呼应的分子变形，使酶与底物更容易进入过渡态，降低反应的活化能，加速了反应的进行。
第三节 酶促反应的动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。这些因素主要包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。但必须注意，酶促反应动力学中所指明的速度是反应的初速度，因为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系，这样避免了反应产物以及其他因素的影响。
一、底物浓度对酶促反应速度的影响
（一）中间络合物（产物）学说
    在酶的浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线：在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反应；随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降；如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为0级反应。此时，无论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有的酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需底物浓度各不相同而已。
关于饱和现象的解释目前有多种学说，这里就讲一下比较有代表性的“中间络和物”学说。目前一般认为，是由于在酶催化某一反应时，酶的活性中心与底物结合生成酶－底物复合物，此复合物再进行分解而释放出酶，同时生成一种或数种产物。课本P71公式所示。式中E代表酶，S代表底物，ES代表酶的中间产物，P代表反应产物。由于ES的形成速度很快，且很不稳定，因而大大降低了反应分子的活化能。从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了X线衍射图，证明了ES复合物的存在。ES的形成，改变了原来反应的途径，可使底物的活化能大大降低，从而使反应加速。
根据这一学说，在酶浓度恒定的条件下，底物浓度较低时，只有一部分酶与底物结合成络合中间物ES；底物浓度增加时，单位时间内生成ES的量也增加，反应速度随之升高。但是，当底物浓度很大时，反应体系的酶已经全部与底物结合生成ES，反应速度达到最大，再增加底物浓度也没有多余的酶可以与之结合，因此反应速度没有改变。
（二）米氏方程式
V＝Vmax[S]／（Km+[S]）
（三）米氏常数的意义
⑴当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：
1/2Vmax=Vmax[S]／（Km+[S]）→ Km=[S]
可知，Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。它的单位与浓度单位相同，是mol/L或者mmol/L，即M或mM。
 ⑵Km值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同。而对一特定的酶来说，当Ph值、温度、离子强度等因素不变时，Km就是一个常数，如脲酶为25mM，苹果酸酶为0.05mM。
有一些专一性很差的酶，往往可以作用于几种底物，同一种酶与不同底物作用时，Km值也不同。其中Km值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物，如葡萄糖是己糖激酶的最适底物；蔗糖是蔗糖酶的最适底物。
（3）Km值的大小，可以大致认识到细胞内的底物浓度并正确测定酶作用所需的底物浓度。一般来说，作为酶的天然底物，它在体内的浓度水平应接近于它的Km。因为若底物浓度太低，[S]<<< Km，那麽v<<<Vmax。虽然酶对底物浓度的变化很敏感，但反应速度太小，酶的催化作用潜力发挥不出来。相反，如果体内的[S]>>>Km，那么，V始终接近于Vmax，这也不符合实际情况。
另外，[S]=Km和[S]=1000Km两种情况下，其反应速度只差一倍，过多的底物是没用的。所以，底物浓度太高，反应速度对底物浓度变化不敏感，不利于生理活动。当[S]=10Km时，v可达到Vmax的近90%；当[S]=100Km时，则v可达到Vmax的99%。
二、影响酶促反应速度的其它因素
（一） pH对反应速度的影响
    若用不同的pH条件下测得的酶活力对pH变化图可得一钟罩形曲线。从曲线可以看出，一种酶只在某一pH范围内，表现出最高的催化活性，偏离此值则反应速度下降。这种pH值称为酶的最适pH。大多数植物和微生物来源的酶，最适pH值在4.5-6.5左右。动物体内多数酶的最适pH值接近中性，一般6.5-8.5。但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约1.5，精氨酸酶最适pH约为9.7。
    
（二） 温度对反应速度的影响
温度对反应速度的影响有两方面：一方面当温度升高时，反应速度加快，这和一般的化学反应一样。另一方面，对酶来讲，有一个温度界限，因为，酶是蛋白质，有特定的空间结构，若吸收过多的能量，其次级键会解体，导致热变性。随着变性程度的进一步加深，反应速度也进一步降低。所以，最适温度是这两种影响相互作用的结果。只有这两方面的作用达到动态平衡时，反应速度才会达到最大，此时的温度称为酶的最适温度。
从动物组织提取的酶，其最适温度多在35℃～40℃之间。80℃以上，多数酶的变性不可逆。尽管如此，还是有许多酶比较耐热，如核糖核酸酶、胰酶、溶菌酶等。而生活在温泉中的细菌其体内的酶也是非常耐热的。
    酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不破坏酶。温度回升后，酶又恢复活性。临床上低温麻醉就是利用酶的这一性质以减慢组织细胞代谢速度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受体，有利于进行手术治疗。
酶的最适温度不是酶的特征性常数，这是因为它不是一个固定的值，与反应时的条件有关，如作用时间的长短、底物浓度、酶浓度、pH值等都有关。另外，最适温度值也不是固定的。酶可以在短时间内耐受较高的温度，相反，延长反应时间，最适温度便降低。因此，在生产上使用酶制剂时，必须注意温度的调节，如果温度太低，反应时间太长，既延长了生产周期，又影响了产品质量。
（三）酶浓度
在酶促反应中，当底物浓度足够大时，酶浓度越高，生成的中间络和物[ES]就越多，因此反应速度就越快。根据米氏方程，推导（课本P74-75）得知，此时的反应速度与酶浓度成正比。
（四）激活剂
凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质都称为该酶的激活剂。
（五）酶的抑制作用--抑制剂对反应速度的影响：
酶的催化活性可被专一性小分子或离子抑制，这些物质能与酶分子上的某些基团结合，从而引起酶活力下降或丧失。这种作用称为抑制作用。凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称做酶的抑制剂。
   
    抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。
1、不可逆性抑制作用
某些酶的抑制剂，以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性，且不能用透析等方法除去抑制剂而使酶活性恢复的作用叫不可逆抑制作用。按其作用特点，又有专一性及非专一性之分。
1）、非专一性不可逆抑制：
    这一类的抑制剂可以作用于不同的酶分子上不同的基团或作用于几类不同的酶。例如，烷化剂DNFB可以使酶蛋白的氨基、巯基、羧基和咪唑基环化；酰化剂可以使酶蛋白羟基、巯基、氨基、酚基发生酰化反应，造成酶失活。
2）、专一性不可逆抑制
抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，不论是必需基团与否，皆可共价结合，由于其中必需基团也被抑制剂结合，从而导致酶的失活。属于此类的抑制剂有某些重金属(Pb++、Ag+、As3+、Cu++、Hg++)、对氯汞苯甲酸、有机汞、有机砷化合物等等。砒霜就属于含砷的化合物。
有机磷杀虫剂（农药，如敌敌畏、敌百虫等）能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基，使其磷酰化而不可逆抑制酶的活性。当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，胆碱能神经末稍分泌的乙酰胆碱不能及时分解，过多的乙酰胆碱会导致胆碱能神经过度兴奋的症状。
胆碱酯酶与中枢神经系统有关。正常机体在神经兴奋时，神经末梢释放出乙酰胆碱传导刺激。乙酰胆碱发挥作用后，被乙酰胆碱酯酶水解为乙酸和胆碱。若胆碱酯酶被抑制，神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时地分解掉，造成突触间隙乙酰胆碱的积蓄，引起一系列胆碱能神经过度兴奋，如抽搐等症状，最终导致死亡。所以这类物质又成为神经毒剂。 
    由这些抑制剂引起的中毒可以利用其它药物防护合解毒。例如，二巯基丙醇就可以解除重金属盐引起的巯基酶失活；解磷定等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。
2、可逆性抑制作用
这类抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。这类抑制剂大致可分为以下几类：
1）、竞争性抑制
    抑制剂I和底物S对游离酶的结合有竞争作用，互相排斥。已结合底物的ES复合体，不能再结合抑制剂。同样已结合抑制剂的EI复合体，不能再结合底物S。  
这类抑制剂在化学结构上与底物相似，能与底物竞争酶分子活性中心的结合基团。因此，抑制作用大小取决于抑制剂与酶亲和力的大小，也取决于抑制剂与底物的浓度比。加大底物浓度，可使抑制作用减弱。
    按米氏公式推导方法，也可演算出竞争性抑制时抑制剂、底物和反应速度之间的动力学关系，绘成竞争性抑制作用的特性曲线（略）。对比有竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂的曲线，人们证明这一类抑制作用并不影响酶促反应的最大速度，而只是使Km值变大，即，降低了酶与底物的亲和力。（Km变大，Vmax不变）
例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸都和琥珀酸的结构相似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。另外，很多药物都是酶的竞争性抑制剂。例如磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构，后者是细菌合成核酸不可缺少的辅酶。因此，磺胺药是竞争性抑制剂，引起细菌核酸合成障碍，导致细菌死亡。
2）、非竞争性抑制作用
抑制剂I不影响底物S与酶E的结合。它们完全互不相关，既不排斥，也不促进结合。抑制剂I可以和酶E结合生成EI，也可以和ES复合物结合生成ESI。底物S和酶E结合成ES后，仍可与I结合生成ESI，但一旦形成ESI复合物，再不能释放形成产物P。
    这一类抑制剂与底物在结构上一般无相似之处。它们常与酶分子上结合基团以外的化学基团结合，这种结合并不影响底物和酶的结合，增加底物浓度并不能减少它们对酶的抑制程度。该抑制作用，并不影响底物与酶的亲和力，而使酶促最大反应速度变小。即，Km不变，Vmax变小。
3）反竞争性抑制作用
抑制剂I不与酶结合，只与ES复合物结合，形成ESI。产生这种现象的原因可能是底物和酶的结合改变了酶的构象，或抑制剂直接与和酶键合在一起的底物反应。
当反应体系中存在反竞争性抑制剂时，不仅不排斥E和S的结合，反而增加二者的亲和力；这与竞争性抑制作用恰巧相反，故称为反竞争性抑制作用。    由于ESI形成后，酶不能催化底物形成产物，因此Vmax下降；同时，由于E＋S→ES的平衡倾向于ES，因此Km减小，即亲和力增大。
三、酶活力测定及其单位
1、 酶活力及其测定
酶活力也称酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。酶活力的大小可以用它催化某一化学反应的速度来表示，即酶催化的反应速度愈大，酶活力就愈高；反之亦然。测定酶活力就是测定酶促反应的速度。
    2、酶活力的表示方法
酶活力单位
    1961年国际酶学委员会规定：一个酶活力单位是指在特定条件下，在一分钟内转化1微摩尔（uM）底物的酶的量（温度要选定为25℃，pH、底物浓度采用最适条件）。实验条件如果变化，测得的酶活力单位数会不同。此外，还有一个单位kat可以表示酶活力，它是国际酶学委员会于1972年规定的一种新单位。在最适条件下，在1秒钟内催化1mol底物转化所需的酶量。  1 kat＝ 6×107 IU         1 IU = 16.67nkat
第四节  同工酶
一、同工酶
    同工酶是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子结构、组成和理化性质不同的一组酶。这类酶可以存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中，也可以存在与同一细胞的不同亚细胞结构中。目前已发现了多种同工酶，如6－磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性和碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酸、肌酸磷酸激酶、核糖核酸酶、过氧化酶和胆碱酯酶等。其中乳酸脱氢酶最为大家所熟悉。
乳酸脱氢酶（LDH）有五种同工酶，它们的分子量在130，000～150，000范围内，都由四个亚基组成。LDH的亚基可以分为两型：骨骼肌型（M型）和心肌型（H型），它们由不同的基因编码形成。两种亚基以不同比例组成五种四聚体，即五种LDH同工酶，分别为H4、H3M、H2M2、HM3和M4。M、H亚基的氨基酸组成有差别，可用电泳分离。电泳时它们都移向正极，但是速度不同。其速度从1型至5型逐渐降低，因而可以被分离。每种酶由于亚基组成不同，进行电泳可以得到特征电泳图谱。
不同类型的LDH同工酶在不同组织中的比例不同，心肌中以1型及2型较为丰富，骨骼肌及肝中含有5型及4型LDH较多。这都与它们的生理功能关。LDH1和LDH2对乳酸亲和力高，易使乳酸脱氢氧化生成丙酮酸，后者进一步氧化可释放出能量供心肌活动的需要；LDH5与LDH4对丙酮酸的亲和力高，而使它得到氢还原成乳酸，这对保证肌肉在短暂缺氧时仍可获得能量有关。
    在临床检验方面，通过观测病人血清中LDH同工酶的电泳图谱，辅助诊断哪些器官组织发生病变，这比单纯测定血清LDH总活性的方法敏感。例如，心肌受损病人血清LDH1含量上升，肝细胞受损者血清LDH5含量增高。基于每种组织LDH同工酶酶谱具有特定的相对百分率，若某一组织发生病变，必将释放其中LDH同工酶到血液中，导致血清酶谱的变化，这些变化常常是一特定疾病或该疾病特定阶段的特征。

第五节 酶与医学的关系
    生物酶工程是酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，因此，亦可称为高级酶工程。主要包括3个方面内容：用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)；对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶(突变酶)；设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶。
    酶基因的克隆和表达技术的应用，已有可能克隆各种天然的酶基因。先在特定的酶的结构基因前加上高效的启动基因序列和必要的调控序列，再特此片段克隆到一定的载体中，然后将带有特定酶基因的上述杂交表达载体转化到适当的受体细菌或酵母中，通过发酵方法可以大量地生产所需要的酶。
    目前，在酶生产的基因工程研究中，已成功地实现a-淀粉酶基因的克隆，使产酶能力提高3-5倍，这是第一个获得美国食品药品管理局(FDA)批准用基因工程茵生产的酶制剂。此外青霉素酰胺酶基因和耐热菌亮氨酸合成酶基因已在E．coli中表达成功。利用DNA重组技术，提高葡萄糖异构酶、木糖异构酶、纤维素酶、糖化酶等酶活力的研究，已取得初步成果。
    在医用酶方面，继第一代溶血栓剂尿激酶、链激酶基因克隆表达以后，现在第二代溶血栓剂尿激酶原及组织纤溶酶原激活物(tPA)表达成功，已投入生产。据报道有近200种酶的基因已经克隆成功，其中一些已进行了高效表达。20世纪70年代以来，被称为第二代遗传工程的蛋白质工程迅速兴起，使得人们有可能根据蛋白质结构的研究结果，按照既定的蓝图，利用定点诱变技术，改造编码蛋白质基因中的DNA顺序，经过寄主细胞的表达，能够产生被改造的具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生物功能的新蛋白质。目前，蛋白质工程技术在生产酶(遗传修饰酶)方面的应用，已取得令人鼓舞的成果。通过对酶基因的遗传修饰，可改变酶的催化活性、底物专一性、最适pH；改变含金属酶的氧化还原能力；改变酶的别构调节功能；改变酶对辅酶的要求；可提高酶的稳定性。
思考与练习
1、 何谓酶的专一性？酶的专一性有哪几类？如何解释酶作用的专一性
2、 酶实现催化作用的高效率的主要因素有哪些？它们的作用机制是什么？
3、 酶促反应速度的主要影响因素有哪些？简述它们是如何发挥作用的？
4、 酶的化学本质是什么？它作为生物催化剂有何特点？
5、 有1g淀粉酶制剂，用水溶解成1000ml，从中取出1ml测定淀粉酶活力。测知每5min分解0.25g淀粉。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。【3000单位】
6、 当一酶促反应进行的速度为Vmax的80％时，在Km和[S]之间有何关系？【Km＝0.25[S]】
第四章 维生素与辅酶
教学目的与要求：
掌握维生素的概念及分类和在生物体内的功能；维生素与辅酶的关系。
了解各种维生素的结构特点
教学内容提要：
一、维生素的概念 （0.5学时）
维生素与辅酶的关系，维生素的分类。 
二、水溶性维生素及其辅酶 （2学时）
维生素 B 1 和羧化辅酶，维生素 B 2 和黄素辅酶，泛酸和辅酶 A ，维生素 PP 和辅酶 I ，辅酶 Ⅱ ，维生素 B 6 和磷酸吡哆醛，生物素，叶酸和叶酸辅酶，维生素 B 12 和 B 12 辅酶，维生素 C 。 
三、脂溶性维生素 （1.5学时）
维生素 A 、维生素 D 、维生素 E 、维生素 K 。 
教学重点与难点
重点：维生素概念；中毒症、缺乏症。
体内活性形式；体内作为酶的辅酶、辅基的形式、所起作用；
难点：脂溶性、水溶性维生素结构特点；
教学内容（4学时）
第一节 概论
一、 一般概念和重要性
1、定义
维生素，是维持生命有机体正常的生命活动过程或机体健康所不可缺少的、微量的一类有机化合物，是维持机体正常生理功能和调节新陈代谢所必需的营养素。
2、功能
就其功能来讲，维生素既不是构成组织的原料，也不是供能的物质，但确是生物生长发育和进行新陈代谢不可缺少的一类物质，在调节物质代谢、促进生长发育和维持生理功能等方面却发挥着重要作用，因为它大多数是以酶的辅酶或辅基的形式参与体内的酶反应体系或是其组成成分，尤其是B族维生素。有些还有特殊的生理功能。但维生素也不是补品，不能过多摄入，否则也会导致疾病。
    动物不能合成自身的维生素或合成的量很少，必须由食物中供给，否则代谢失调，生长停止，疾病随之发生。不同的维生素构成不同的辅酶，故缺乏维生素，可产生不同的疾病，如缺乏VB1易患脚气病、缺VA患夜盲症、缺VC则引起坏血病、缺VD得佝偻病等。
3、维生素缺乏的原因
主要原因：摄入不足、吸收障碍、需要量增加、长期服用某些药物等。高等植物一般可以合成自身所需的各种维生素；有些微生物能合成自身所需要的维生素，如核黄菌能合成维生素B2；有些不能，须由外界供给某种维生素才能正常生长。人体内的肠道细菌可以合成一定量的维生素，供人体需要。
二、维生素的发现
    人们对维生素的认识来自于长期的医疗实践和科学实验。古代我国的孙思邈发现动物肝——夜盲症；谷皮汤——脚气病。19世纪初，欧洲一些研究者认为，人体只需要蛋白质、糖类、脂类、矿物质、水五种营养素，但在航海和探险的传记中早已记载了许多坏血病的病例；这些病人并不能用当时已知的五种营养素来治疗。
    1896年，被荷兰殖民主义者囚禁的爪哇人中普遍发生脚气病，荷兰医生艾克曼发现此病的发生与食米的精、糙有关，可能是由于缺乏米糠中的某种成分引起的。他以鸡做实验，发现鸡长期食用精米后，会产生与人相同的脚气病，即多发性神经炎。 
    1910年，波兰学者冯克从米糠中提取出一种胺类物质，可治疗脚气病，他把它命名为"活性胺或生命胺"(vita-amino)。后来，人们从米糠中获得了硫胺素的结晶。此后，在天然食物中陆续发现了许多为动物和微生物生长所必需的物质，并证明大多数并不是胺类物质，故把这类物质统称为维生素(Vitamin)，意即维持生命之要素。
三、维生素的分类及与辅酶的关系
2、维生素的分类
    通常按其溶解性分为水溶性维生素和脂溶性维生素两大类。  
水溶性维生素包括：
维生素B1(硫胺素thiamine)
维生素B2(核黄素riboflavin)
维生素PP(尼克酸及尼克酰胺nicotinic acid and nicotinamide)
维生素B6(吡哆醇pyndoxine及其醛、胺衍生物)
泛酸(遍多酸pantothenic acid)
生物素(biotin)
硫辛酸(lipoic acid)
叶酸(folic acid)
维生素B12(钴胺素cobalamin)
维生素C(抗坏血酸ascorbic acid)
维生素P(通透性维生素)
脂溶性维生素包括：
维生素A(视黄醇retinol)
维生素D(钙化醇calciferol)
维生素E(生育酚tocopherol)
维生素K(凝血维生素)
3、与辅酶的关系
现在知道的大多数维生素(特别是B族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的成分。体内酶的种类很多，而辅酶(基)的种类却较少，通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异性酶。
    在酶表现其催化活性方面，辅酶或辅基主要参与和底物分子的作用，催化底物反应，起转移电子、原子和功能基团的作用。酶蛋白或辅基(酶)单独存在时都无活性，只有二者结合成全酶才有活性。
第二节　水溶性维生素
维生素B复合体：维生素B复合体是一个大家族(维生素B族)，至少包括十余种维生素。其共同特点是：①在自然界常共同存在，在组织内浓度较恒定；②从低等的微生物到高等动物和人类都需要它们作为营养要素，最丰富的来源是酵母和肝脏；③B族维生素常作为酶的辅酶或辅基而发挥其调节物质代谢作用；④从化学结构上看，除个别例外，大都含氮；⑤从性质上看此类维生素大多易溶于水，对酸稳定，易被碱破坏；⑥体内不易储存，故一般无中毒症，过多既随尿排出。 
    除上述共性外，各个维生素尚有其特点。
一、硫胺素 (维生素B1) 
1、化学结构
    维生素B1(VB1)又称为抗脚气病维生素、抗神经炎因子。其分子式见课本P85图4-1。因分子中含有氨基和S，又称为硫胺素。硫胺素是较早被发现的一种维生素。
2、性质
    维生素B l为白色粉末状，熔点较高(250℃)；有特殊香味，在水中溶解度较大。在酸性（加热到120℃也不被破坏）、中性条件下较稳定；在碱性溶液中加热极易分解破坏。在碱性条件下，氧化剂及还原剂均可使其失去作用，故烹调时不宜加碱。
3、生理功能
    ①维生素B1易被小肠吸收。在肝脏中维生素B1被磷酸化成为焦磷酸硫胺素(TPP，又称辅羧酶)。其主要功能是参与α-酮酸的氧化脱羧作用(图4-2)。
    TPP的功能是由于在催化反应中它容易生成一个负碳离子，作为有效的亲核剂参与共价催化作用。它很容易进攻α-酮酸的羰基而有利于脱羧反应的进行。    若维生素Bl缺乏，TPP不能合成，糖类物质代谢的中间产物α-酮酸不能氧化脱羧而堆积，导致糖的氧化利用受阻。
在正常情况下，神经组织的能量来源主要靠糖的氧化供给，所以维生素B1缺乏首先影响神经组织的能量供应，并伴有丙酮酸及乳酸等在神经组织中的堆积。这些酸性物质堆积的结果，可刺激神经末梢，易患神经炎，出现健忘、不安、易怒或忧郁等症状，并出现手足麻木、四肢无力等多发性周围神经炎的症状。故维生素Bl又称为抗神经炎维生素。
另外，如果糖代谢受阻，能量供应不上，进而影响神经和心肌的代谢和机能，出现心跳加快，下肢深重，手足麻木，并有类似蚂蚁在上面爬行的感觉，临床上称为"脚气病"。所以维生素Bl又称为抗脚气病维生素。
    ②维生素B1尚有抑制胆碱酯酶的作用，胆碱酯酶能催化神经递质——乙酰胆碱水解。而乙酰胆碱与神经传导以及消化腺分泌、胃肠道蠕动有关。因此，缺乏维生素B1时，由于胆碱酯酶活性增强，乙酰胆碱水解加速，使神经传导受到影响，可造成胃肠蠕动缓慢、消化液分泌减少、食欲不振和消化不良等症状。反之，给以维生素B1，则可增加食欲、促进消化。
4、来源、吸收
    维生素B1广泛分布于种子的外皮、胚芽中，因此糙米、全麦等是良好的VB1的来源，另外，豆类以及酵母、蛋黄、瘦肉中含量也多。长期食用精米精面易患脚气病就是这个原因。某些鱼类肌肉中含硫胺素酶，可使VB1分解，故食生鱼易造成其缺乏。由于VB1溶于水，烹调不当如米淘得太多也易损失大量VB1。
人体内VB1的总量约30mg。骨骼肌、心肌、肝脏、肾和脑组织中含量较高，且50%的VB1分布于肌肉中，这些组织都是代谢最旺盛的地方。由于机体储存VB1的能力有限，故每日必须从食物中获取。
二、维生素B2(VB2)和FMN、FAD
1、化学结构：
    维生素B2为6，7-二甲基异咯嗪和核糖醇结合而成的化合物，故其化学名称为6，7-二甲基-9-D-核糖醇异咯嗪(图4-4)。
2、性质：
    维生素B2为桔黄色针状结晶，熔点较高(280℃)。溶于水呈绿色荧光。在酸性条件下稳定，在碱性溶液中受光照射时极易破坏，因此维生素B2应贮于褐色容器，避光保存。因其水溶液呈黄绿色荧光，所以又被称为核黄素，即维生素B2。
3、生理功能：
    维生素B2分子中异咯嗪的第1和第10位N可反复接受和放出氢，因而具有可逆的氧化还原特性，这一特点与它的主要生理功能相关。
在体内，维生素B2和磷酸结合形成磷酸核黄素，又称为黄素单核苷酸(FMN)。FMN和一分子AMP缩合，形成黄素腺嘌呤二核苷酸，简称FAD。FMN和FAD分别构成各种黄酶的辅酶参与体内生物氧化过程，与糖、脂和氨基酸的代谢密切相关。 
4、来源及缺乏症： 
维生素B2在自然界广泛分布，豆类、动物的肝脏、酵母、鸡蛋、鱼、绿色蔬菜中含量丰富。植物和微生物能合成所需要的维生素B2，动物体内一般不能合成，成人每天需要量约为1.2～2.1mg。
    大白鼠饲养实验证明，缺乏维生素B2，大鼠生长停止、皮肤干燥。人体缺乏维生素B2，主要表现为口角炎、舌炎、阴囊炎及角膜血管增生和巩膜充血等。幼儿缺乏它则生长迟缓。但这些症状目前还难以用它参与黄酶的作用来解释，其机理尚不清楚。
三、泛酸与辅酶A
1、化学结构：
    泛酸（遍多酸、维生素B3）由α , γ-二羟基-β，β-二甲基丁酸和β-丙氨酸脱水缩合而成。由于在自然界广泛分布，又是酸性物质而得名。 
2、性质：
    泛酸为淡黄色油状物；在中性条件下稳定；味道发苦。
3、辅酶A结构及功能：
    在体内，泛酸和巯基乙胺、3`-磷酸-AMP缩合形成辅酶A(图4-5)，即CoA。因其活性基团为－SH，所以也常用CoA－SH表示辅酶A。
CoA存在于所有组织中，对于物质代谢中的几个重要的代谢途径都是必须的。在糖代谢的三羧酸循环、脂肪酸的β-氧化和蛋白质代谢等许多反应中起转移酰基的作用，是各种酰化反应的辅酶。它携带乙酰基时形成乙酰辅酶A，交出乙酰基后又恢复为CoA－HS。
另外，硫酯键是一个高能键，分解时可放出8千卡/摩尔的能量。乙酰辅酶A还是胆固醇合成的前体，也是类固醇激素的前体。
4、来源及缺乏症：
    泛酸广泛存在于动植物组织中。酵母、蜂王浆、肝、肾、瘦肉和豆类如花生以及麦麸米糠等中都含有较多的泛酸，白菜、花菜、甘蓝、红苕等含量也较多，人体肠道细菌可以合成，故一般不会缺乏。
    在动物中缺乏泛酸则常出现胃肠道炎症，皮质角质化、脱色、脱皮、脱发等。
辅酶A对厌食、乏力等症状有明显的改善效果，故被广泛用作许多疾病的重要辅助药物，如白细胞减少症、原发性血小板减少性紫癜、功能性低热、脂肪肝、各种肝炎、冠状动脉硬化、心肌梗塞等。 
四、烟酸、烟酰胺和脱氢辅酶
1、化学结构
    烟酸和烟酰胺又分别被称为尼克酸和尼克酰胺，它们统称为维生素PP（以前又叫VB5），又名抗糙（癞）皮病因子或预防癞皮病因子。烟酸在体内主要以烟酰胺形式存在(图4-6)。
2、性质：
    烟酸为白色针状结晶体，性质稳定，不易被酸及热破坏，易溶于水。肉类、花生、酵母、米糠中含量丰富，游离的烟酸在小肠被吸收后可直接进行代谢。
3、生理功能：
    尼克酰胺在体内主要构成脱氢酶的辅酶Ⅰ(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD+)和辅酶Ⅱ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，NADP+)的成分(图4-6)，这两种辅酶结构中的尼克酰胺部分具有可逆地加氢和脱氢的特性，在生物氧化过程中起着传递氢的作用(图4-7)。
NAD+和NADP+参与体内的许多氧化还原反应。NAD+常和产生能量的分解反应有关，NADP+则较多地与还原性的合成反应有关，但也不完全绝对。
4、来源及缺乏症：
    尼克酸和尼克酰胺在自然界分布很广，肉类、家禽、谷类、蔬菜、茶等都是它重要的来源。尼克酸和尼克酰胺的性质都较稳定，不易被酸及热破坏。动物组织中大多以尼克酰胺的形式存在，尼克酸在人体内可从色氨酸代谢产生并可转变成尼克酰胺。由色氨酸转变的量有限，不能满足机体的需要，所以仍需从食物中供给。一般饮食条件下，很少缺乏维生素PP。
但玉米中缺乏色氨酸和尼克酸，长期单食玉米则有可能发生维生素PP缺乏病－癞（糙）皮病 (又称对称性皮炎)，所以烟酸又称为抗癞皮病维生素。癞皮病的主要症状为：体表暴露部分出现对称性皮炎，裸露的皮肤上产生黑红色的斑点（色素沉着），角化过度，并有口炎、舌炎，此外还有消化不良，精神不安等症状，严重时可出现顽固性腹泻和精神失常、胃肠功能失常等。肠结核病患者不能吸收膳食中的烟酸，易得癞皮病。 
    烟酸可维持神经系统的正常功能。人缺乏烟酸或烟酰胺，易头晕、抑郁等。给人注射维生素B5，可治疗精神紊乱症，但注射NAD或NADP无效，说明烟酸在体内不仅构成辅酶。但是这些症状与维生素PP在代谢中所起的作用有何联系，目前尚不十分清楚。
五、维生素B6及其辅酶
1、化学结构：
    维生素B6是吡啶的衍生物：有吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇三种(图4-8)，在体内它们可以相互转变。在机体组织内维生素B6多以其磷酸酯的形式存在。
2、性质：
    维生素B6为无色晶体，易溶于水及乙醇，对光、碱性条件敏感，遇高温易被破坏；在酸性条件下稳定。
3、生理功能：
在体内，维生素B6常以磷酸酯的形式存在，其中磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺在氨基酸的代谢中起重要作用(图4-8)，它们是多种酶的辅酶，参与氨基酸的转氨、某些氨基酸的脱羧以及半胱氨酸的脱巯基作用。
在催化反应中，磷酸吡哆醛可以与α－氨基酸脱水形成中间复合物，然后依据不同酶蛋白的特性，再使氨基酸发生转氨、脱羧、消旋等反应。
4、来源及缺乏症：
    维生素B6在动、植物界广泛分布，酵母、米糠、蛋黄、肉类等都含有丰富的维生素B6，因而人体很少缺乏。维生素B2、维生素PP和维生素B6常共同存在，在营养上亦有共同特点，即，当其缺乏都表现为皮肤炎症。然而从在代谢中的作用来看，前二者共同参与生物氧化过程，维生素B6则主要参与氨基酸的代谢。
    如果缺乏维生素B6，可产生呕吐、中枢神经兴奋、周围神经炎等症状，临床上常用来治疗妊娠呕吐、动脉粥样硬化症等。吡哆醛易与异烟肼结合生成异烟腙而使其失去活性。结核病患者长期服用异烟肼时，需同时补充VB6，故它是治疗结核病的辅助药物。乙醇在体内氧化为乙醛，乙醛可促使磷酸吡哆醛的分解，故酗酒者易导致吡哆醛的缺乏。人体肠道细菌可以合成维生素B6，所以一般不易缺乏。
六、生物素与羧化辅酶
1、化学结构：
    生物素，也称为维生素B7或H，由一个噻吩环和一分子尿素结合而成双环化合物，侧链上有一戊酸(图4-10)。
2、性质：
    生物素为无色针状结晶体，微溶于水；熔点较高(200℃以上)；在酸性条件下耐热，在碱性条件下加热易被破坏。
3、生理功能：
    在体内，生物素构成羧化酶的辅酶，参与二氧化碳的固定反应，在代谢中起着CO2载体的作用，是糖、脂、蛋白质代谢的一个重要辅酶。
它通过戊酸羧基与羧化酶分子中的赖氨酸残基的ε-氨基结合形成酰胺键，其作用的功能基团是尿素环上的一个N原子，COO-就是与这个N原子结合再才被转给适当的受体的。所以，生物素在代谢中起着CO2载体的作用。
4、来源及缺乏症：
    生物素在动、植物体内广泛存在，韭菜、酵母、蛋黄、肝、肾等都含有丰富的生物素，且肠道细菌可以合成，人体对其也能很好吸收，故一般情况下不会缺乏。
1916年，贝特曼首先观察到蛋清的毒性。蛋清中含有抗生物素蛋白，能与生物素结合而使生物素成为不易被吸收的物质，若较长时间吃生蛋清，会导致生物素缺乏。动物缺乏生物素，变得消瘦，导致皮炎、脱毛、食欲不振，恶心、抑郁、贫血、神经过敏等症状。
七、叶酸和四氢叶酸
1、化学结构：
    叶酸又叫维生素B11，由喋啶、对氨基苯甲酸和谷氨酸三部分组成(图4-12)，由于在植物绿叶中含量丰富而得名。食物中的叶酸多以含5分子或7分子谷氨酸的结合型存在，在肠道中受消化酶的作用水解为游离型而被吸收。如果缺乏此种消化酶则可因吸收障碍而致叶酸缺乏。
2、性质：
叶酸为黄色结晶，微溶于水，见光易失去生理活性；在中、碱性溶液中对热稳定。
3、生理功能：
    叶酸在体内小肠上部被吸收后要转变为四氢叶酸，充当一碳单位(即含有一个碳原子的基团)转移酶系统中的辅酶。其功能基团就是N5、N10，它们能和多种"一碳基团"结合，如甲基、亚甲基、甲酰基、羟甲基、亚氨甲基等，形成N5、N10的一碳基团衍生物。通常在FH4前面标以N5或N10字样，表示其携带一碳单位的位置。在适当条件下，这些衍生物可将所运载的一碳基团转给其他的受体，以合成新的物质。故THFA是体内一碳基团的传递体，在氨基酸和核酸的代谢中起重要的作用，与体内许多甲基化反应有关。
4、来源及缺乏症：
    叶酸在自然界分布较广，植物叶中大量存在，动物的肝脏、肾、骨髓、肠等器官中含量丰富，酵母中也较多。人体肠道细菌可以合成叶酸，故人体一般不易缺乏，但当吸收不良、代谢失常或组织需要过多，以及长期使用肠道抑菌药物或叶酸拮抗药等状况下，则可造成叶酸缺乏。
缺乏叶酸，将影响多种物质如氨基酸、蛋白质和核苷酸、核酸的代谢，进而影响血细胞的形成，会导致贫血。当体内缺乏叶酸时，核苷酸特别是胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成减少，以致骨髓中幼红细胞DNA的合成受到影响，细胞分裂增殖的速度明显下降。此时血红蛋白的合成虽也有所减弱，但影响较小。幼红细胞可因分裂障碍而使细胞增大，形成巨幼红细胞。由这种巨幼红细胞产生的成熟红细胞，其平均体积也较正常大，可在周围血液中见到，所以叶酸缺乏引起的贫血属于巨幼细胞性大红细胞性贫血。
八、维生素B12和B12辅酶
1、化学结构：
    VB12分子结构复杂(图4-14)，因含有金属钴和许多酰氨基，故又称为钴胺素。分子中的钴(可以是一价、二价或三价的)能与－CN、－OH、－CH3或5′－脱氧腺苷等基团相连，分别称为氰钴胺、羟钴胺（药用）、甲基钴胺（转甲基酶的辅酶）和5′－脱氧腺苷钴胺（变位酶的辅酶），后二者又称为辅酶B12。
维生素B12的两种辅酶形式——甲基钴胺和5′－脱氧腺苷钴胺在代谢中的作用各不相同。人们早已发现吃猪肝可预防和治疗恶性贫血，但直到1948年才从肝脏中分离到维生素B12并确定了它的结构。
2、性质：
    维生素B12是深红色的晶体，在水溶液中稳定，熔点较高(大于320℃)；易被酸、碱、日光等破坏。
3、生理功能：
    VB12以辅酶的形式参加代谢：
    ①5`-脱氧腺苷钴胺素是某些变位酶的辅酶，可以促进某些化合物的异构化作用，与糖代谢中的三羧酸循环关系密切。
②甲基钴胺素(甲钴素)，是甲基转移酶的辅酶，促进甲基的转移作用。对于核酸和蛋白质的合成比较重要，有促红细胞的合成的作用；缺乏维生素B12时，易导致贫血。
4、来源及缺乏症：
    维生素B12广泛存在于动物性食品中，肝脏、牛奶、肉类等含维生素B12较多；植物中不含维生素B12；有些微生物可以合成VBl2，人体肠道细菌也可以合成一部分。人体对它的需要量非常少，而体内贮存量很充裕，所以因摄入不足而致维生素B12缺乏者在临床上比较少见。    
但是维生素B12的吸收与正常胃粘膜分泌的一种糖蛋白密切相关，这种糖蛋白叫做内源因子。维生素B12只有与内源因子结合后才能在回肠下段被肠粘膜上的受体接纳吸收；另一方面二者的结合有相互保护的作用：内源因子保护维生素B12不被肠道细菌所破坏，维生素B12保护内源因子不被消化液中的酶所水解。内源因子缺乏将导致B12吸收的障碍。某些疾病如萎缩性胃炎、胃全切除的病人或者先天缺乏内源因子，均可因维生素B12的吸收障碍而致维生素B12的缺乏。对这类病人只有采取注射的方式给予维生素B12才有效。
当维生素B12缺乏时，由于代谢途径受阻，代谢中间产物积累，并且，叶酸的周转和利用受到影响，会产生类似缺乏叶酸的巨幼红细胞，引起贫血。
九、硫辛酸
1、化学结构：
硫辛酸是含8个碳原子（辛）的脂肪酸。6、8位上有二硫键相连，因而有氧化型和还原型两种形式。由于分子内含二硫键，故常用 （氧化型）表示。
2、性质：
硫辛酸微溶于水，一般归入B族维生素。
3、功能
硫辛酸是α酮酸氧化脱羧酶系的辅酶之一；起传递氢和转移酰基的作用。
4、适用范围
硫辛酸是酵母、微生物和原生动物生长发育的必要因子，而人体并不十分必须。以上所讲均为B族维生素。
十、维生素C
1、化学结构：
    维生素C是一种不饱和多羟基化合物 (图4-15)，分子中含有烯醇式羟基、易解离放出质子而显酸性。因可治疗和预防坏血病，又称为抗坏血酸。维生素C含有不对称碳原子（4、5位碳原子），具有（两对）光学异构体，自然界存在的、有生理活性的都是L－型抗坏血酸。
分子内的2、3位上的两个相邻的烯醇式羟基可解离出H+，使其水溶液有较强的酸性。维生素C不但是相当强的有机酸（比乙酸强），还可脱氢而被氧化，有很强的还原性，可使许多物质还原。氧化型维生素C（脱氢抗坏血酸）还可接受氢而被还原。在体内，二者可相互转化，来回接受和放出氢，起传递氢的作用，即参与氧化还原反应。
2、性质：
    维生素C呈片状结晶体或粉末状；有酸味，易溶于水，不溶于有机溶剂。在酸性水溶液(pH＜4)中较为稳定；在中性及碱性溶液中易被破坏，有微量金属离子(如Cu2+、Fe3+等)存在时易被氧化分解，被氧化后发黄色；加热或受光照射也可使维生素C分解。
此外，植物组织中含有抗坏血酸氧化酶，能催化抗坏血酸氧化分解，失去活性，所以蔬菜和水果贮存过久，其中维生素C可遭到破坏而使其营养价值降低。
3、生理功能：
    维生素C具有广泛的生理作用，除了防治坏血病外，临床上还有许多应用：从感冒到癌症，维生素C是应用最多的一种维生素。但是其作用机理有些还不十分清楚，从使用的剂量来看，有越来越大的趋势，已超出了维生素的概念，而是作为保健药物使用了。已知维生素C参与体内代谢功能主要有以下几个方面：
（1）还原作用
    维生素C在体内作为重要的还原剂而起作用，主要有以下几个方面。
    ①已知许多含-SH的酶，当其在体内发挥催化作用时需要有自由的-SH。维生素C是重要的氢供体，使酶分子中－SH保持在还原状态，从而保持酶的活性。
    另外，维生素C可使后者可与重金属离子结合。含巯基的酶在重金属中毒(如铅中毒)时被抑制，给以大量维生素C往往可以缓解其毒性。金属离子能与体内巯基酶类的-SH结合，使其失活，以致代谢障碍而中毒。维生素C可以将还原型谷胱苷肽(G-S-S-G)转变为氧化型(GSH)，后者可与金属离子结合而排出体外，所以维生素C具有解毒作用。
    ②促进铁的吸收和利用
    维生素C能使难吸收的Fe3+还原成易吸收的Fe2+，促进铁的吸收；体内的Fe3+被它还原后，有利于血红素的合成。
（2）参与体内的羟化反应
羟化反应又是体内许多重要化合物的合成或分解的必经步骤，例如胶元的生成、类固醇的合成与转变，以及许多有机药物或毒物的生物转化等，都需要羟化作用才能完成。维生素C对于许多物质的羟化反应都有重要作用。这里重点解释它与胶元生成的关系。
胶原是细胞间质的重要成分，是结缔组织中重要的蛋白质。与其他蛋白质比较，其氨基酸组成的特点是含羟脯氨酸较多。当胶元合成时，多肽链中的脯氨酸和赖氨酸残基需要分别被羟化成为羟脯氨酸和羟赖氨酸残基。在羟化反应中，不仅需要相应的羟化酶，而且还需要O2、Fe2+等，维生素C有助于维持Fe2+的还原状态，并能激活羟化酶。
当维生素C缺乏时，脯氨酸不能进行羟化，胶原和细胞间质合成障碍，毛细管壁脆性增大，通透性增强，轻微创伤或压力即可使毛细血管破裂，引起出血现象，临床上称为坏血病。 
（3）维生素C可改善心肌的功能
VC可增强心肌对葡萄糖的利用和糖原的合成，使心肌的氧化还原作用增强，从而增强心肌收缩力，增加心输出量及冠状动脉血量，起到改善心肌缺血的作用。同时，VC有促进心肌蛋白质的合成，有利于损伤心肌的修复，因此可治疗心肌炎、高原缺氧等。
（4）增强机体的免疫功能
抗体分子中含有相当数量的二硫键，所以抗体的合成需要足够量的半胱氨酸。体内高浓度的维生素C可以把胱氨酸还原成半胱氨酸，有利于抗体的合成。  
维生素C增强机体的免疫功能不限于促进抗体的合成，它还能增强白细胞对流感病毒的反应性以及促进H2O2在粒细胞中的杀菌作用等，故可增强人体抗感染、感冒等。
（5）保护肝脏
    据报道，VC可促进肝细胞再生和肝糖元的合成，增强肝脏的解毒功能和抗病的能力。还可抑制肝炎病毒的活性和繁殖，防止肝硬化，阻断肝炎-肝硬化-肝癌的转变，临床上常用VC与葡萄糖作为保肝的常规治疗以及治疗慢性肝炎、肝硬化的药物。喝酒前服用VC有保护肝脏的作用，VC可治疗长期酗酒引起的慢性酒精中毒。
4、来源：
    维生素C在自然界分布广泛。植物的绿色部分，黄瓜、西红柿、辣椒等蔬菜含有大量Vc；许多水果中都含有丰富的维生素C，其中草莓、山楂、鲜枣和橘类含量最多。
    微生物能合成VC，大多数动物能够利用葡萄糖以合成维生素C，但是人类、灵长类和豚鼠因缺乏合成维生素C的一种酶，所以不能合成自身所需要的维生素C，必须从饮食中获得。
食物中的维生素C可迅速自胃肠道吸收，吸收后的维生素C广泛分布于机体各组织，以肾上腺中含量最高。但是维生素C在体内贮存甚少，必须经常由食物供给。
    食物中的VC常常在干燥、久存和研磨中遭到破坏，所以这几种形式的食物几乎不含VC，因此，蔬菜、水果最好食用新鲜的才好。干的植物种子虽没有VC，但种子发芽后立即含有VC，因此，各种豆芽是VC的极好来源。 
第二节 脂溶性维生素
这类维生素通常包括VA、VD、VE、VK等，它们都可溶于脂肪和脂溶性溶剂，不溶于水。在食物中常与脂类共存，在肠道中被吸收时与脂类的吸收有密切关系。若脂类吸收不良（如患胆道阻塞或长期腹泻），则脂溶性维生素的吸收大为减少，甚至引起缺乏症。吸收后的脂溶性维生素可在体内尤其是在肝脏储存。
一、维生素A
    维生素A是不饱和一元醇，也称为视黄醇。人体缺乏维生素A，出现干眼病，故维生素A又称为抗干眼病维生素。
1、性质：
    维生素A不溶于水，溶于脂肪和脂溶剂。它在体内与结合蛋白形成复合物后进行运输和代谢，以增加其溶解度和稳定性。
维生素A的化学性质活泼，易被空气氧化而失去生理作用，紫外线照射亦可使之破坏，故维生素A的制剂应装在棕色瓶内避光贮存。
2、生理功能：
维生素A的生理作用主要表现在维持正常视觉和上皮组织的健康，促进机体的生长发育等三个方面。
(1) 缺乏维生素A影响暗视觉
与暗视觉有关的物质是视网膜杆状细胞中所含的视紫红质。视紫红质是一种结合蛋白，由维生素A的醛衍生物(11-顺视黄醛)与视蛋白结合生成的。
    人们从强光下转而进入暗处，起初看不清物体，但稍停一会儿，由于在暗处视紫红质的合成增多，分解减少，对弱光的感受性加强，便又能看清物体，这一过程称为暗适应。在转变过程中，部分的视黄醛可被分解为无用的物质，所以要经常地补充维生素A，以保证视循环的正常进行。
动物缺乏维生素A，视黄醛得不到足够的补充，视紫红质的合成减弱，暗适应的能力下降，将出现"夜盲症"。
(2)维持上皮结构的完整与健全
    维生素A是维持一切上皮组织健全所必需的物质，缺乏VA会导致上皮组织不健全，机体抵抗微生物侵袭的能力降低，容易感染疾病。另外，还会出现上皮干燥、增生及角化，其中以眼、呼吸道、消化道、泌尿道及生殖系统等的上皮影响最为显著。在眼部，由于泪腺上皮角化，泪液分泌受阻，以致角膜、结合膜干燥产生干眼病，所以维生素A又称为抗干眼病维生素。
    维生素A如何维持上皮组织的健全和促进儿童和幼小动物的生长、发育其机理尚未完全阐明。
3、来源：
维生素A只存在于动物性食品(肝、蛋、奶、肉)中，尤其以鱼肝油含量最丰富。植物中不含维生素A，但是在很多植物性食品尤其是黄绿色植物中含有类胡萝卜素物质，如胡萝卜、红辣椒、菠菜、芥菜等有色蔬菜和水果中也含有较多的这种具有维生素A效能的物质。
每100g鲜胡萝卜肉中，含9.9mg胡萝卜素，其中7.7mg为β-胡萝卜素。它们被吸收后，在小肠、肝脏内可转变为维生素A。胡萝卜素有近10种异构体，但β-胡萝卜素最重要。尽管理论上1分子β-胡萝卜素可以生成2分子维生素A，但由于胡萝卜素的吸收不良，转变有限，所以实际上6微克 β-胡萝卜素才具有1微克维生素A的生物活性。
    冷藏食品可保持大部分VA，而经过日光爆晒过的食品其VA则大量被破坏。天然食品中VA含量较稳定，脱水食品则大量被破坏。
4、缺乏与中毒：
    引起VA缺乏的原因不仅在于摄入不足，而且也可以由于小肠吸收不良或VA源的转变较低（如发生肝病时）。另外，缺锌也可影响VA的代谢而引起VA不足。长期进食低脂食物的人，其VA源的利用不良，也能造成VA缺乏。肠道疾病如重度痢疾、腹腔疾病、胰腺囊性纤维化等都限制VA的吸收。
    过多摄入VA，如长期每日超过50万国际单位（IU）就可引起急性或慢性中毒症状，严重者可危害健康。成年人主要表现为嗜睡、脑压升高伴有头疼、呕吐及皮肤广泛性脱屑；儿童表现为无食欲、烦躁、皮肤瘙痒粗糙、毛发稀疏。
二、维生素D
1、化学结构：
    维生素D又称抗佝偻病维生素，其化学本质为固醇类衍生物。维生素D有多种，其中以维生素D2和D3较重要，二者的区别仅在侧链R上。维生素D2仅比维生素D3多一个甲基和一个双键，两种维生素D具有同样的生理作用。 
2、活性形式：
不论维生素D2或D3，本身都没有明显的生理活性，它们必须在体内进行一定的代谢转化，才能生成活性的化合物，即活性维生素D。给予维生素D3后，在肝脏，它的第25位碳原子被转化为25-羟-维生素D3，后者在肾脏进一步转变为1，25-二羟维生素D3后才能在体内发挥其生物学作用。    
3、生理功能：
    维生素D能调节并促进小肠对食物中钙和磷的吸收，维持血中钙和磷的正常浓度（含量），促进骨和齿的钙化作用。这就是维生素D的成骨作用（新生骨质的钙化作用）。在成人中缺乏维生素D会得软骨病或骨质疏松症（破骨作用），特别是孕妇和乳母更是如此。 
4、来源：
    正常成人所需要的维生素D主要来源于胆固醇，它可以脱氢转变为7-脱氢胆固醇并储存于皮肤内；也可直接由乙酰CoA合成。7-脱氢胆固醇经紫外线照射可再转变为维生素D3，并运输到全身各器官。因此只要充分接受阳光照射，即完全可以满足生理需要。所以，日光浴是预防维生素D缺乏的主要方法之一，适当的日光浴和户外运动可预防佝偻病的发生。
在鱼肝油中VD含量丰富，在肝脏、奶、蛋黄、肾、皮肤等器官组织中含量也较多。
5、缺乏和中毒症：
    肾脏、肝脏是VD的重要代谢所在的器官，故慢性肝病、肾病患者易缺乏VD。小孩及孕妇也易缺乏。但是，如果不适当地过量服用VD可引起中毒症状。急性中毒症状经过数天（2-8天内）发生，表现为食欲下降、恶心、呕吐、腹泻、头疼、多尿等。
三、维生素E
1、化学结构：
    维生素E因可防止大鼠不育症，又称抗不育维生素；维生素E属于酚类化合物，与动物的生殖有关，故又称为生育酚。天然维生素E有多种，主要的生育酚有α、β、γ和δ四种，不同的维生素E结构上的差异仅在侧链上。其中以α-生育酚的生理效用最强。
2、性质：
    维生素E为黄色油状物，对酸和碱有一定抗力，但对氧却十分敏感。维生素E易被氧化成无活性的物质，因而可以保护其它易被氧化的物质，如维生素A以及不饱和脂肪酸，是一种极有效的抗氧化剂。维生素E被氧化后即失效。
3、生理功能： 
①与动物生殖机能有关
雌性动物缺少维生素E则失去正常生育能力，一般虽能受孕，但由于子宫机能障碍，易引起胎儿死亡或吸收、导致流产。在雄性动物（雄鼠）缺少维生素E则引起生殖器官发生退行性变。在人类单纯由于缺少维生素E而发生的病尚属罕见，但在临床上它可作为药物使用，治疗某些习惯性流产、早产等，有时能收到一定效果。
②抗氧化作用
维生素E极易氧化，可保护其他易氧化的物质不被氧化，是有效的抗氧化剂。具体来说，一方面，肠道内或肝脏内的维生素A可因维生素E之存在而减少其被氧化破坏。另一方面，维生素E可以去除代谢过程产生的自由基，保护生物膜中的不饱和脂肪酸不被氧化，使维生素E有抗衰老的作用：减少脂褐素沉着；增加皮肤弹性；延迟性腺萎缩；维持白细胞正常功能；阻止致癌物亚硝胺的生成。
4、来源及缺乏症：
    维生素E在自然界广泛分布，蔬菜、谷类及动物性食品中（鸡蛋、肉、肝脏、鱼、鸡等）都含有。种子的胚芽含维生素E也很多。营养学家认为，膳食中维生素E的最好来源是植物油，以豆油中含量最高(94mg／100g豆油中)，其次是玉米油(83mg／100g玉米油)。
    由于维生素E分布广，来源充足，组织储存相当多，在人类少有发现有缺乏症，也没有中毒的病例。在新生儿如果出现因维生素E缺乏而引起水肿和溶血性贫血，可以用VE治疗，全部症状可立即消失。
四、维生素K
1、化学结构：
    维生素K，即凝血维生素，与凝血酶原的合成有关。天然维生素K有两种，存于绿叶植物中者为维生素K1，肠道细菌合成者为维生素K2。人工合成的维生素K称为维生素K3。它们的化学本质都是2-甲基-1，4-萘醌的衍生物，二者的差异仅在例链R上。 
2、性质：
    从植物中提取出来的维生素K1，是黄色油状物；从腐烂鱼中提取出来的维生素K2是淡黄色晶体，是细菌的代谢产物。维生素K1、K2均对热及还原剂稳定，对光敏感，光照及强酸强碱和氧化剂都能使之失活。
3、生理功能：
    ①维生素K的主要功能是促进凝血酶原的合成，促进肝脏合成多种凝血因子，因而促进血液凝固。缺乏维生素K，凝血酶原合成受阻，导致凝血时间延长，故维生素K又称为凝血维生素。肝肠道疾病患者，脂类的消化吸收不良，或长期服用广谱抗生素抑制了肠道细菌的生长，易导致维生素K缺乏。
    ②维生素K具有还原和氧化两种形式存在，因此可以参与体内的氧化还原反应过程，做为电子传递体参与氧化磷酸化。
4、来源及缺乏症：
    蛋黄、绿色蔬菜、动物肝脏等含有丰富的维生素K，人体肠道细菌也可以合成维生素K，故一般不会缺乏。只有当脂肪酸吸收不良或长期服用广谱抗菌素、磺胺药抑制了肠道细菌的生长或食物中缺乏绿色蔬菜时，才会发生VK缺乏症。
脂溶性维生素中以维生素A和D在营养上更为重要，缺少他们将分别引起维生素A或D缺乏病。维生素E缺乏病仅在动物实验时观察到；因肠道细菌可以合成维生素K，所以人类维生素K缺乏病多系吸收障碍或因长期使用抗生素或维生素K的代谢拮抗药所致。
思考与练习
1. 脂溶性维生素有哪些种类？它们在体内的活性形式是什么？生理作用是什么？
2. 可以作为酶的辅酶（辅基）是哪类水溶性维生素？列表说明其名称、相应的体内活性形式、生理作用。
3. 水溶性维生素有哪些？认识其结构特点。
4. 维生素C的结构特点、生理作用是什么？
第六章 糖代谢
教学目的与要求：
掌握糖酵解、有氧氧化的概念、反应过程；糖原合成与分解及糖异生的过程；正常血糖的来源和去路。
熟悉升高和降低血糖的激素；糖的三条分解代谢途径的生理意义；
了解几种重要多糖、寡糖的代谢；糖的分类；糖复合物的结构与功能。
教学内容提要：
一、概述（1学时）
1、 糖的结构与功能
2、 糖的吸收与消化概况
二、糖的分解代谢（3.5学时）
1、 糖的无氧分解：糖酵解的概念、反应过程、特点、调节及生理意义。
2、 糖的有氧氧化：有氧氧化的概念、反应过程、特点、调节及生理意义。
3、 磷酸戊糖途径：磷酸戊糖途径的反应过程、调节及生理意义。
4、 其它单糖的分解代谢：果糖，半乳糖。
三、糖异生（1学时）
糖异生的概念、反应过程、特点、调节及生理意义。
四、多糖的合成与分解（2学时）
1、糖原合成：原料、部位、过程及特点。
2、糖原分解：肝糖原与肝糖原分解的过程、区别。
3、糖原合成与分解的调节及生理意义血糖。
五、糖复合物（略）（0.5学时）
糖蛋白，蛋白聚糖，糖脂。
教学重点与难点
重点：糖的无氧分解概念、反应过程与限速酶、糖酵解的生理意义及调节；
糖的有氧氧化概念、反应过程与限速酶、有氧氧化的生理意义及调节
磷酸戊糖途径概念、反应的第一阶段、生理意义。
糖异生作用概念、反应过程、生理意义。
难点：代谢途径的调控；产能的计算。 
教学内容（8学时）

碳素循环是重要的、基本的自然现象之一。糖类物质的合成与分解在碳素循环中占有核心地位，它与脂类代谢、蛋白质代谢相互联系、相互转化，构成了生物体内的代谢体系。
机体的活细胞一方面进行糖类的合成，利用各种可能转变为糖的物质合成糖类；绿色植物还可利用CO2、H2O，通过光合作用合成淀粉。另一方面进行糖的分解，通过一系列复杂化学反应产生CO2、H2O及ATP，也可转变为脂类、氨基酸、固醇以及其它许多细胞的成份。
本章对于糖代谢的学习主要包括了糖代谢的三个经典部分：即糖酵解、三羧酸循环以及磷酸戊糖途径。糖酵解：基本上是所有具有细胞结构的生物进行葡萄糖分解代谢的必经过程；三羧酸循环：不仅是糖类氧化分解的途径，还是甘油、脂肪酸和氨基酸氧化分解的共同道路，在生物体内物质与能量代谢中处于枢纽位置，因而也是我们本章学习的重点；磷酸戊糖途径：是生物体内的糖类物质氧化成为CO2的另一条途径，作为代谢的一条支路广泛存在于动物、植物和微生物，也具有重要的意义。
此外，我们还会简要了解动物体内存在糖异生作用，以及在植物中广泛存在的蔗糖、淀粉以及纤维素的合成与降解作用。
第一节 糖类概述
一、 定义
    糖是自然界存在的很大一类有机化合物，主要由绿色植物经光合作用产生。糖类物质由 C, H, O 三种元素组成，是含多羟基(-OH)的醛类(-CHO)或酮类(=CO)化合物，分别被称为醛糖或酮糖。
二、生理功能
    糖类物质在生物界广泛分布，植物中含量尤多，是自然界最丰富的物质之一。它对生命活动的主要功能是重要能源和碳源物质。
人体每日摄入的糖量比蛋白质、脂肪多，占到食物总量的百分之五十以上，是人体能量的主要来源之一。以葡萄糖为主供给机体各种能量，1克葡萄糖完全氧化分解可产生2840KJ的能量。
除了供给机体能量以外，糖也是组成机体组织结构的重要成分。糖类可以与蛋白质结合形成糖蛋白，构成细胞表面受体、配体，在细胞间信息传递中起着重要作用；与脂类结合形成糖脂，是神经组织和细胞膜中的组成成分；还有血浆蛋白、抗体、一些酶和激素中也含有糖。对于植物来讲，它也是机体的结构物质，如植物的细胞壁、树木的木质部等都含有大量的糖分。
三、分类
   根据糖的水解产物可以分为三类：
&#61618; 单糖：不能再水解成更小分子的糖，单糖可根据分子中含碳原子的数目分类；
&#61618; 双糖：由较少的单糖分子结合形成，经稀酸或相关酶的作用可以水解成单糖；
&#61618; 多糖：由多个单糖结合而成，分子量很大的糖。

&#61692;  单糖的链式结构：组成单糖的碳原子连接成一条直线。





单糖的环式结构：


  




 

   

&#61692;  双糖：由较少的单糖分子（2-6个）通过糖苷键结合形成，经稀酸或相关酶
的作用可水解成单糖。重要的双糖包括：蔗糖、麦芽糖、乳糖等，它们均易水解。

蔗糖 = 葡萄糖 ＋ 果糖  (主要存在于甘蔗，甜菜和多种水果中)
麦芽糖 = 葡萄糖 + 葡萄糖(大量存在于发芽的谷粒，特别是麦芽中)
乳糖 = 葡萄糖 + 半乳糖(存在于动物的乳汁中)

&#61692;  多糖：由多个单糖结合而成，分子量很大的化合物。常见的多糖包括淀粉、
纤维素等。
淀粉：它几乎存在于所有的绿色植物中。光照下，在叶中积累；长时间置于黑暗下，则能降解、供能。所以，淀粉是营养物质的一种储存形式，天然淀粉在植物体内都以颗粒状存在。组成淀粉的基本单位是葡萄糖，
糖原：它是动物和细菌储存能源的一种形式，其作用类似于植物中的淀粉，所以也有“动物淀粉”之称。糖原在高等动物组织内分布很广，肝脏和骨骼肌中储量最丰富。在肝脏中，有效葡萄糖过量时即可转化为肝糖原贮存；为了维持血糖的正常水平，它又可以降解为葡萄糖。肝糖原的合成和分解依据血糖水平的高低，而其它组织仅仅为自身功能利用糖原。
细菌生长条件受限制或处于静止状态下，细菌会发生糖原积累。有一种细菌，当开始形成孢子前，这些微生物可以积累达其干重60％的糖原，但当孢子生成时，这些糖原就迅速降解。
纤维素：
第二节 糖的消化、吸收和转运
一、消化
糖类中的二糖及多糖在被生物体利用之前必须水解成单糖。在唾液淀粉酶和麦芽糖酶催化下，口腔能消化部分淀粉和麦芽糖。但食物在口腔停留时间短暂，仅一小部分淀粉、麦芽糖被分解。胃内消化仅仅是口腔消化的继续。食物团一经被胃酸浸透，胃内消化就停止了。所以，小肠才是糖类物质消化的主要部位，那里有消化糖类所必需的各种酶和合适的pH环境。经过消化，多糖、寡糖和双糖几乎全转化为可以被吸收的单糖。
二、吸收
    由于小肠结构和功能上的特点，它成为糖水解产物吸收的集中部位。食物中的糖类经消化后，以D－葡萄糖、D－果糖、D－半乳糖等单糖形式被小肠粘膜细胞吸收。不能被消化的二糖、寡糖及多糖也不能被吸收。它们经肠道细菌分解后，以CH4、酸、CO2或H2的形式释放到体外或参加代谢。
除上述糖类以外，由于人体内无β-糖苷酶，食物中含有的纤维素无法被人体分解利用，但是其具有刺激肠蠕动等作用，对于身体健康也是必不可少的。
临床上，有些患者由于缺乏乳糖酶等酶类，可导致食物中糖类消化吸收障碍而使未消化吸收的糖类进入大肠，被大肠中细菌分解产生CO2、H2等，引起腹胀，腹泻等症状。 
三、转运与贮存  
小肠表皮细胞内的单糖顺着浓度差扩散，离开细胞并进入小肠毛细血管。之后，再经血液循环从肝门静脉进入肝脏、转入体循环后，被运输到全身、供应各个组织的需要。
肝、肌肉等组织可以将糖合成为肝糖原、肌糖原等贮存起来。肌糖原可以随时被分解、为肌肉活动提供能量。肝糖原则用于维持血糖浓度的相对稳定：血糖下降，则动用储备来补充；血糖浓度高，就被合成为糖元贮存起来。如果糖原超过组织贮存量，则被转化为脂肪贮存起来。此外，肝脏组织等组织还可以利用乳酸、丙酮酸和甘油等非糖类的物质转化生成糖，补充机体的需要。    
第二节 糖酵解途径
前面我们已经讲过，人体每日摄入的糖量占到食物总量的百分之五十以上，其中又以葡萄糖为主供给机体各种能量。葡萄糖在体内的代谢要经过一系列复杂的过程，其中糖酵解途径是是生命机体普遍存在的主要途径之一，它能够为机体其它代谢提供能量以及合成原料。
一、糖酵解过程
    糖酵解共10个反应，分为两个阶段进行。第一阶段包括5个反应，每分子葡萄糖经过磷酸化作用被活化、进一步分解为三碳糖，消耗2分子的ATP，是耗能的过程；第二阶段包括剩余的5个反应，三碳糖被转化为丙酮酸，能够生成4分子的ATP，是释放能量的过程。
（一）第一阶段：三碳糖的形成
1、葡萄糖的磷酸化
进入细胞的葡萄糖，首先在其第6位碳原子上被己糖激酶或葡萄糖激酶（激
酶：催化从ATP上转移磷酸基团到受体上的酶）磷酸化，生成6-磷酸葡萄糖(G－6－P)，磷酸根由ATP供给。这个反应的进行需要消耗能量，它活化了葡萄糖，有利于使其进一步参与合成与分解代谢。
己糖激酶的特异性较差，它可以催化葡萄糖、果糖和甘露糖等进行不可逆的磷酸化反应。反应的进行需要消耗能量ATP，并且需要Mg2+作为激活剂，生成的产物为相应的6-磷酸酯类。这个酶是糖酵解过程的第一个调节酶，6－磷酸葡萄糖是它的反馈抑制物。因此这一步反应是酵解途径的第一个调节步骤。
    葡糖激酶存在于肝脏，并仅仅作用于葡萄糖。它对葡萄糖的亲和力低，只有当进食后肝脏中葡萄糖浓度很高时才起作用，将其转变为6－磷酸葡萄糖，再以糖原的形式贮存起来。
2、6-磷酸葡萄糖的异构化
    这是由磷酸己糖异构酶催化的、快速将6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖的过程。此反应也是可逆的，方向由底物、产物的含量水平来控制（7∶3）。随着6-磷酸果糖在随后的反应步骤中被消耗，反应向生成6-磷酸果糖的方向进行。
3、6-磷酸果糖的磷酸化
    这一步反应是不可逆的，由磷酸果糖激酶1催化，使6磷酸果糖在C1原子上被进一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖。反应的进行需要消耗能量ATP（反应的磷酸根即是由ATP供给），并且需要Mg2+作为激活剂。
磷酸果糖激酶1是一种变构酶：ATP是它的变构抑制剂，柠檬酸、脂肪酸可以加强抑制效应；ADP、AMP、二磷酸果糖或Pi等是变构激活剂，胰岛素可诱导它的生成。这一步反应是第二个限速步骤，同时也是对于整个酵解途径的速度调节有决定作用的一步反应。
4、 1，6—二磷酸果糖裂解
醛缩酶催化1，6-二磷酸果糖在C3和C4之间断裂，生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。此反应是可逆的，并且在热力学上也是不利于进行的。但是由于3-磷酸甘油醛在后续的反应步骤中被氧化消耗，因此整个反应仍然朝着裂解的方向进行。
5、磷酸二羟丙酮的异构反应
磷酸丙糖异构酶催化磷酸二羟丙酮转变为3－磷酸甘油醛，此反应也是可逆的。但由于只有3-磷酸甘油醛，而并非磷酸二羟丙酮，与进一步的酵解有关，因此反应朝着生成3-磷酸甘油醛的方向进行。
    至此，第一阶段反应完成。1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，经过了两次磷酸化作用，消耗了2分子ATP。 
（二）第二阶段：三碳糖的氧化
6、3-磷酸甘油醛的氧化
    此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化3-磷酸甘油醛氧化脱氢，并磷酸化生成含有1个高能磷酸键的1，3－二磷酸甘油酸，本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶NAD+生成NADH＋H+，磷酸根则来自无机磷酸。
这一步反应既是酵解途径的第一次氧化作用，同时也包含有磷酸化反应。虽然磷酸化是热力学不利的反应，但由于硫酯中间产物将它与氧化反应偶联起来，由氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。
    由于3-磷酸甘油醛脱氢酶的酶蛋白部分含有-SH基，因此它对Hg2＋或碘乙酸敏感。
7、3－磷酸甘油酸和ATP的生成
    在磷酸甘油酸激酶催化下，1，3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同时将前述反应中所形成的C1上的高能磷酸根转移给ADP生成ATP。此激酶催化的反应是可逆的。
这种利用底物的氧化过程产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，被称为底物水平磷酸化。 
8、3-磷酸甘油酸的异构化
    在磷酸甘油酸变位酶催化下3-磷酸甘油酸C3位置上的磷酸基转移到C2位置上，生成2－磷酸甘油酸。此反应是可逆的。虽然反应的进行需要吸取少许能量，但由于下一步反应可以放出大量的能量，因此反应仍朝右进行。
9、2-磷酸甘油酸脱水磷酸烯醇式丙酮酸
    在Mg2+或Mn2+存在下，由烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸。在脱水过程中，C2被氧化、C3被还原，于是能量重新分配、C2上的磷酸基团由低能变为高能，最终生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。
10、丙酮酸与ATP的生成
    在有ADP、Mg2+和K+存在下，丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根转移至ADP，生成ATP，同时形成烯醇式丙酮酸。烯醇式丙酮酸生成后，迅速转变为稳定的丙酮酸形式。
这又是一次底物水平上的磷酸化过程。磷酸键水解时放出61.94KJ/mol的自由能：一部分用于形成ATP；剩余以热能的形式放出，所以反应不可逆地超生成丙酮酸地方向进行。
（三）总结
    经过糖酵解途径，一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸。在此过程中，经底物水平磷酸化可产生4个分子ATP，如与第一阶段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸、净产生2分子ATP。
葡萄糖＋2Pi＋2NAD+＋2ADP → 2丙酮酸＋2ATP＋2（NADH＋2H+）＋2H2O
二、丙酮酸的去路
    （一）丙酮酸的无氧降解
生成乳酸
    在动物组织（如肌肉等）、乳酸杆菌或藻类的氧供应不足时，经乳酸脱氢酶催化，丙酮酸被NADH＋H+还原，生成乳酸。
乳酸的形成在机体中是受自动调节的。在氧缺乏时，由3-磷酸甘油醛脱氢酶反应生成的NADH＋H+在缺氧时不能经电子传递链氧化，于是，体内的NADH及丙酮酸的浓度增高。此时，丙酮酸起氢受体的作用：通过将丙酮酸还原成乳酸，使NADH转变成NAD+，糖酵解才能连续地进行。 
三、糖酵解的生理意义
无氧条件下，糖酵解后生成乳酸或酒精，产生的能量是2个ATP；但是，在氧充分时，酵解产物丙酮酸进入三羧酸循环，被彻底氧化，可以再生成6分子的ATP。
糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，但其释放的能量不多，而且在一般生理情况下，大多数组织有足够的氧进行有氧氧化，很少进行糖酵解，因此这一代谢途径供能意义不大。
但少数组织，如视网膜、睾丸和红细胞等组织细胞，即使在有氧条件下，仍需从糖酵解获得能量。
在某些情况下，糖酵解有特殊的生理意义。例如剧烈运动时，能量需求增加，糖分解加速，此时即使呼吸和循环加快以增加氧的供应量，仍不能满足体内糖完全氧化所需要的能量，这时肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解过程，以补充所需的能量。在剧烈运动后，可见血中乳酸浓度成倍地升高，这是糖酵解加强的结果。又如人们从平原地区进入高原的初期，由于缺氧，组织细胞也往往通过增强糖酵解获得能量。 
    在某些病理情况下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肿瘤组织等，组织细胞也需通过糖酵解来获取能量。倘若糖酵解过度，可因乳酸产生过多，而导致酸中毒。 

四 、糖异生作用
由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生。非糖物质主要有：生糖氨基酸、乳酸、丙酮酸、脂肪酸及甘油等物质。不同物质转变为糖的速度不同。进行糖异生的器官，首推肝脏，长期饥饿和酸中毒时肾脏中的糖异生作用大大加强。
1、糖异生的途径
    糖异生的途径基本上是糖酵解的逆过程。糖酵解通路中大多数的酶促反应是可逆的，但是其中己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶三个限速酶催化的三个反应过程，都有相当大的能量变化。
己糖激酶(包括葡萄糖激酶)和磷酸果糖激酶所催化的反应都要消耗ATP而
释放能量，丙酮酸激酶催化的反应使磷酸烯醇式丙酮酸转移其能量及磷酸基生成ATP，这些反应的逆过程就需要吸收相等量的能量，因而构成"能障"。为越过障碍，实现糖异生，可以由另外不同的酶来催化逆行过程，而绕过各自能障。
（1）首先由丙酮酸羧化酶催化，将丙酮酸→草酰乙酸；
然后再由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，草酰乙酸→磷酸烯醇式丙酮酸。 
这个过程中消耗两个高能键(一个来自ATP，另一个来自GTP)，而由磷酸烯醇式丙酮酸分解为丙酮酸只生成1个ATP。
（2）由1，6-二磷酸果糖酶催化，1，6-二磷酸果糖水解→6-磷酸果糖
（3）由6-磷酸葡萄糖酯酶催化，6-磷酸葡萄糖水解→葡萄糖
除上述几步反应以外，糖异生反应就是糖酵解途径的逆反应过程。
2、几种原料的路径
糖异生作用的三种主要原料有乳酸、甘油和氨基酸。
乳酸在乳酸脱氢酶作用下转变为丙酮酸，经前述路径糖异生；
甘油被磷酸化生成磷酸甘油后，氧化成磷酸二羟丙酮；
氨基酸则通过多种渠道成为糖酵解或糖有氧氧化过程中的中间产物；
三羧酸循环中的各种羧酸则可转变为草酰乙酸，然后生成糖。 
3、糖异生的生理意义
（1） 维持血糖水平稳定
糖异生作用能够保证机体在饥饿情况下血糖浓度的相对恒定，这对保证某些
主要依赖葡萄糖供能的组织的功能具有重要意义。处于安静状态的正常人每日体
内葡萄糖利用：脑约125g，肌肉(休息状态)约50g，血细胞等约50g。仅这几种
组织消耗糖量达225g，而体内贮存可供利用的糖约150g。贮糖量最多的肌糖原仅供本身氧化供能，若只用肝糖原的贮存量来维持血糖浓度最多不超过12小时，由此可见糖异生的重要性。
（2）协助乳酸的重新利用
    在激烈运动时，肌肉糖酵解生成大量乳酸。后者经血液运到肝脏可再合成肝糖原和葡萄糖，因而使不能直接产生葡萄糖的肌糖原间接变成血糖，并且有利于回收乳酸分子中的能量，更新肌糖原，防止乳酸酸中毒的发生。
（3）协助氨基酸代谢　
实验证实进食蛋白质后，肝中糖原含量增加；禁食晚期，由于组织蛋白质分
解，血浆氨基酸增多，糖的异生作用增强。因而，氨基酸成糖可能是氨基酸代谢的一个途径。
第三节 三羧酸循环
葡萄糖在有氧条件下，氧化分解生成二氧化碳和水的过程称为糖的有氧氧化。有氧氧化是糖分解代谢的主要方式，大多数组织中的葡萄糖均进行有氧氧化分解供给机体能量。糖的有氧氧化分三个阶段进行。
第一阶段：在细胞液中进行，糖酵解：葡萄糖→丙酮酸；
第二阶段：在有氧状态下，上述过程中产生的（NADH＋H+）和丙酮酸进入线粒体中，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（丙酮酸→乙酰CoA）；
第三阶段：即三羧酸循环(能量产生中的中心氧化过程)。乙酰CoA彻底氧化→CO2＋H2O；同时NADH＋H+经呼吸链传递，伴随氧化磷酸化过程生成H2O和ATP。
一、乙酰CoA的形成
在有氧情况下，丙酮酸进入真核细胞的线粒体。在线粒体基质中，经"丙酮酸脱氢酶系"催化产生乙酰CoA和CO2。
二、三羧酸循环(TCA)
    它是乙酰CoA与草酰乙酸结合进入循环，经一系列反应被氧化生成H2O和CO2，再回到草酰乙酸的过程。在这个过程中乙酰CoA被氧化成H2O和CO2，并产生大量的能。由于这个循环反应开始于乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，因此称之为三羧酸循环或柠檬酸循环。
(1)乙酰CoA进入三羧酸循环 
   在柠檬酸合酶催化下，乙酰CoA及草酰乙酸缩合生成柠檬酰CoA中间体，然后高能硫酯键水解，放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。这是很强的放能反应。
    由草酰乙酸和乙酰CoA合成柠檬酸是三羧酸循环的重要调节点。柠檬酸合成酶是一个变构酶，ATP是它的变构抑制剂而AMP可对抗ATP的抑制而起激活作用。 
(2) 柠檬酸异构化形成异柠檬酸
    在顺乌头酸酶催化下，柠檬酸脱水生成顺乌头酸，再加水生成异柠檬酸。这
是一个专一性特别强的酶，可以保证此步骤进行时－OH加在正确的基团上。
（3）异柠檬酸氧化、脱羧
在异柠檬酸脱氢酶催化下，异柠檬酸脱氢形成草酰琥珀酸。由于不稳定，草酰琥珀酸又迅速脱羧生成α-酮戊二酸，并伴随生成NADH和CO2。
这是三羧酸循环中的又一个限速步骤：ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而ATP，NADH是此酶的抑制剂。
（4）α-酮戊二酸氧化脱羧
在α-酮戊二酸脱氢酶系作用下，α-酮戊二酸氧化、脱羧，生成琥珀酰CoA、NADH＋H+和CO2。
α-酮戊二酸脱氢酶系也由三个酶和五个辅酶(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、
FAD)组成。这一段反应与丙酮酸到乙酰CoA的反应相似：也包括脱羧、与硫辛酰胺结合、转琥珀酰基给CoA，以及最后将二氢硫辛酰胺氧化成硫辛酰胺等步骤。 
由α-酮戊二酸到琥珀酰CoA的反应是由三羧酸（C6）转到二羧酸（C4）的
关键。氧化产生的能量一部分储存于琥珀酰CoA的高能硫酯键中，一部分生成NADH，剩余的以热的形式放出。    
（5）琥珀酰-CoA → 琥珀酸
在琥珀酸硫激酶（琥珀酰CoA合成酶）的作用下，琥珀酰CoA的硫酯键水解，生成琥珀酸和CoA。释放的自由能用于合成ATP。在细菌和植物中可直接生成ATP；在哺乳动物中，先生成GTP，再生成ATP。
（6）琥珀酸→延胡索酸
    在琥珀酸脱氢酶催化下，琥珀酸脱氢成为延胡索酸。
该酶结合在线粒体内膜上，而其他三羧酸循环的酶则都是存在线粒体基质中的。它含有铁硫中心和共价结合的FAD，来自琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心进入电子传递链。
(7)延胡索酸的水化
在延胡索酸酶的作用下，延胡索酸被水化生成苹果酸。这个酶高度立体特异性：仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用。
（8）草酰乙酸再生
在苹果酸脱氢酶催化下，苹果酸的羟基脱氢氧化成羰基，形成草酰乙酸。
辅酶NAD+接受氢成为NADH＋H+。草酰乙酸又可以接受乙酰CoA，进行三羧
酸循环。
三、三羰酸循环的化学计量
乙酰CoA＋3NAD＋FAD＋GDP(ADP)＋Pi＋2H2O→ 2CO2＋3(NADH++3H+)＋FADH2＋GTP(ATP)＋CoASH
1、CO2
加上丙酮酸脱去的一个羧基，丙酮酸分子上的三个碳已全部变成CO2。应当指出，通过脱羧作用生成CO2，是机体内产生CO2的普遍规律。由此可见，机体CO2的生成与体外燃烧生成CO2的过程截然不同。
乙酰CoA进入循环，与四碳受体分子草酰乙酸缩合，生成六碳的柠檬酸，在三羧酸循环中有二次脱羧生成2分子CO2，与进入循环的二碳乙酰基的碳原子数相等，但是，以CO2方式失去的碳并非来自乙酰基的两个碳原子，而是来自草酰乙酸。
2、脱氢与能量
三羧酸循环的四次脱氢，其中三对以NAD+为受体，一对以FAD为受体，分别还原生成NADH＋H+和FADH2。它们又经线粒体内的递氢体系传递，最终与氧结合生成水，在此过程中释放出来的能量使ADP和Pi结合生成ATP。
凡NADH＋H+参与的递氢体系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP；而FADH2参与的递氢体系则生成2分子ATP。再加上三羧酸循环中有一次底物磷酸化产生一分子ATP，那么，一分子CH2CO～SCoA参与三羧酸循环，直至循环终末共生成12分子ATP(3ⅹ3 + 2ⅹ1 + 1)。
    加上丙酮酸脱去的一对氢，共产生四个NADH＋H+，一个FADH2和一分子ATP，也就是说，从丙酮酸算起共产生15个ATP(12 + 3ⅹ1)。
15ⅹ2 ＋ 2ⅹ3(2) ＋ 2 = 38(36)
四、糖有氧氧化的生理意义
1、三羧酸循环是机体获取能量的主要方式
1个分子葡萄糖经无氧酵解仅净生成2个分子ATP，而有氧氧化可净生成38或36个ATP。在一般生理条件下，许多组织细胞都从糖的有氧氧化获得能量：
糖的有氧氧化不但释能效率高，而且逐步释能，并逐步储存于ATP分子中，因此能的利用率也很高（40%）。
2、为生物合成提供原料
三羧酸循环的中间产物α-酮戊二酸及草酰乙酸等，可以转变成为某些氨基酸；乙酰CoA可以用于合成脂肪酸；琥珀酰CoA可以用于合成卟啉，进而合成血红素；等等。
3、糖，脂肪和蛋白质代谢的枢纽
三羧酸循环是体内三种主要有机物互变的联结机构：例如，三羧酸循环的起始物乙酰辅酶A，不但是糖氧化分解产物，它也可来自脂肪的甘油、脂肪酸和来自蛋白质的某些氨基酸代谢；草酸乙酸可从天冬氨酸来；α-酮戊二酸可从谷氨酸来。
这说明糖、脂肪和氨基酸在代谢上有相互关系，而且说明三羧酸循环是糖、脂和某些氨基酸分解代谢最后阶段的共同途径。关于这方面的材料将在以后加以阐述。因此三羧酸循环实际上是三种主要有机物在体内氧化供能的共同通路，估计人体内2/3的有机物是通过三羧酸循环而被分解的。
第四节 磷酸戊糖途径 
糖酵解及三羧酸循环无疑是葡萄糖氧化的重要途径，但许多实验指出生物体中除三羧酸循环外，尚有其他糖代谢途径。
一、反应过程
    磷酸戊糖途径在细胞液中进行，全过程没有氧参与，可分为不可逆的氧化阶段和可逆的非氧化阶段。
糖的脱氢、脱羧：6-磷酸葡萄糖 → NADPH＋H+ 、5-磷酸核酮糖、CO2
　    二、生理意义 
1产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供还原力
NADPH+H+与NADH不同，它携带的氢不是通过呼吸链氧化磷酸化生成ATP，而是作为供氢体参与许多代谢反应，具有多种不同的生理意义。
    ①作为供氢体，参与体内多种生物合成反应，例如脂肪酸、胆固醇和类固醇激素的生物合成，都需要大量的NADPH＋H+，因此磷酸戊糖通路在合成脂肪及固醇类化合物的肝、肾上腺、性腺等组织中特别旺盛。
② NADPH＋H+是谷胱甘肽还原酶的辅酶，对维持还原型谷胱甘肽(GSH)的正常含量，有很重要的作用，GSH能保护某些蛋白质中的巯基，如红细胞膜和血红蛋白上的SH基，因此缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶的人，因NADPH＋H+缺乏，GSH含量过低，红细胞易于破坏而发生溶血性贫血。
    ③ NADPH＋H+参与肝脏生物转化反应，肝细胞内质网含有以NADPH＋H+为供氢体的加单氧酶体系，参与激素、药物、毒物的生物转化过程。
    ④ NADPH＋H+参与体内嗜中性粒细胞和巨噬细胞产生离子态氧的反应，因而有杀菌作用。
2、反应过程中产生的5-磷酸核酮糖可通过异构酶作用转变为5-磷酸核糖，后者可为核酸的生物合成及核糖核苷酸辅酶的合成提供核糖。 
补充：
一、糖原的降解
    在肝脏及肌肉中都有糖原分解作用。它是为生成ATP而动员葡萄糖贮备的过程。糖元在有H3PO4存在下，经磷酸化酶催化，由末端开始，α-1，4-糖苷键一个一个地被断裂。于是，一个一个的G-1-P被释放出来，直到距分支点（α-1，6-糖苷键）约4个葡萄糖残基时为止。在α-1，4→α-1，6-葡聚糖转移酶催化下，转移一个三糖单位到另一分支上，从而暴露α-1，6分支点。剩下的α-1，6-糖苷键在去分支酶（即α-1，6-糖苷酶）催化下去除分支。
    产生的G-1-P被磷酸葡萄糖变位酶催化生成G-6-P，在肝脏经葡萄糖-6-磷酸酯酶水解成D-葡萄糖，进入血液循环。肌肉及脑组织不含葡萄糖-6-磷酸酯酶，不能将G-6-P被水解，故能储存大量G-6-P供合成ATP之用。
二、血糖及血糖含量调节
1、血糖水平
血液中的糖被称为血糖。除肝门静脉血外，所谓血糖指的是血液葡萄糖。血糖的含量是反映体内糖代谢状况的一项重要指标。正常情况下，血糖含量有一定的波动范围，正常人空腹静脉血含葡萄糖3.89～6.11mmol/L。
血糖含量维持一定水平，对于保证人体各组织器官特别是脑组织的正常机能活动极为重要。脑组织主要依靠糖有氧氧化供能，所以脑组织在血糖低于正常值的1/3-1/2时，即可引起机能障碍，在动物甚至引起死亡。
当血糖的浓度高于8.89～10.00mmol/L，超过肾小管重吸收的能力，就可出现糖尿现象。糖尿现象：在正常状态下，肾小管能重吸收肾小球滤液中的葡萄糖，使其回到血液中，尿中不含葡萄糖或其含量甚微。若血糖浓度超过正常值，则加速糖元合成，贮于肝脏和肌肉中。若这种合成速度太慢，不足以制止血糖浓度的增高、超出肾小管重吸收葡萄糖的能力，则葡萄糖溢出肾外。所以高血糖患者的尿中出现葡萄糖。
  在进食后，由于大量葡萄糖吸收入血，血糖升高，但一般在2小时后又可恢复到正常范围。在轻度饥饿初期，血糖可以稍低于正常，但在短期内，即使不进食物，血糖也可恢复并维持在正常水平。血糖含量能经常地维持在一定范围内，这是血糖有许多来源和去路，这些来源和去路在神经和激素的调节下，使血糖处于动态平衡状态。肝对血糖浓度很敏感，它是葡萄糖接受、制造、贮存和分布中心。    
2、血糖的来源和去路
    血糖的每一来源和去路都是糖代谢反应的一条途径，血糖的根本来源是食物中的糖类。在不进食而血糖趋于降低时，则肝糖原分解作用加强；当长期饥饿时，则肝脏糖异生作用增强，因而血糖仍能继续维持在正常水平。若血糖浓度低于正常值，则加速肝糖元分解或经糖异生途径形成葡萄糖，进入血液，以补充血糖之不足。
    血糖的主要去路是在组织器官中氧化供能，也可合成糖原贮存或转变成脂肪及某些氨基酸等。血糖从尿中排出不是一种正常的去路。
3、神经、激素对于血糖代谢的控制 
A. 神经因素 
血糖浓度较低，或由于激动而过度兴备，均会刺激延脑第四脑室的糖中枢的反射性兴奋。这种兴奋沿神经途径传至肝脏，均可引起肝糖元的加速分解，释放葡萄糖到血液中。当血糖浓度恢复到正常水平时，神经冲动减弱，于是肝糖元分解停止。
B. 体液，即激素因素
多种激素参与对血糖浓度的调节。根据激素的升糖和降糖作用，可将激素分为两大类，即肾上腺素、生长激素、促肾上腺皮质激素、胰高血糖素和甲状腺素为升高血糖水平的激素；胰岛素为降低血糖水平的激素。它们的作用途径、效果虽各不同，但其作用机理一般是通过"第二信使"，即cAMP实现的。它能够使细胞内的一系列酶被激活，最终导致与糖代谢有关的酶的活性。
4、糖代谢障碍
    人类和动物糖代谢反常的表现为糖尿。尿中有显著的葡萄糖或其他糖类出现。糖尿有生理性的和病理性的两类。
生理性糖尿是由于生理上的暂时性变化而引起的，如：
    饮食性糖尿：由于食糖过多、血糖含量暂时超过肾糖阈或糖耐量而发生。
    妊娠性糖尿：女性受孕后的第30周左右，由于脑垂体功能增高，致糖尿激素增多所致。授乳期间尿中还可能有乳糖出现。
    肾上腺性糖尿：肾上腺素能促进糖原的分解，凡能刺激交感神经的作用，如忿怒、饥饿、剧痛等都可促肾上腺素分泌，使血糖增高，超过肾糖阈而由尿排出。
病理性糖尿：是由于内分泌障碍而引起的糖尿。如：
    真性糖尿病：是因胰腺分泌失常，胰岛素缺乏，机体不能充分利用血糖，以致血糖过高由尿排出。真性糖尿病的主要症状除尿中有糖外，还有口渴、尿频等症状，可用肌肉注射胰岛素治疗。
    先天性糖尿：这是因遗传上的缺陷、身体缺乏某种糖代谢必需的酶所致。例如，戊糖尿就是缺乏L-木酮糖脱氢酶，不能代谢戊糖所致。
低血糖
    空腹血糖浓度低于3.33～3.89mmol/L时称为低血糖。低血糖影响脑的正常功能，因为脑细胞中含糖原极少，脑细胞所需要的能量主要来自葡萄糖的氧化。当血糖含量降低时，就会影响脑细胞的机能活性，因而出现头晕、倦怠无力、心悸、手颤、出冷汗、严重时出现昏迷，称为低血糖休克，如不及时给病人静脉注入葡萄糖液，就会死亡。
思考与练习
1、1分子葡萄糖有氧分解成CO2和H2O能直接产生多少分子的ATP？经过呼吸链的电子传递后，又能再产生多少分子的ATP？列出算式并给予说明。
2、什么叫做糖异生作用？有哪些代谢物可以通过什么方式在体内转变为糖？
3、糖酵解途径是怎样调控的？
3、 总结三羧酸循环的生理意义。
6、简述糖的无氧酵解和有氧氧化的概念、反应过程、关键酶、生理意义及调节。
7、简述磷酸戊糖途径概念及生理意义。
8、哪些B族维生素参与糖代谢，从辅酶的形式、参与的代谢及其在反应中的作用等来总结。
第六章  生物氧化与氧化磷酸化
教学目的与要求
掌握生物氧化和呼吸链的概念；线粒体的两条呼吸链的组成成分和排列顺序；氧化磷酸化的概念及氧化磷酸化的偶联部位。
熟悉影响氧化磷酸化的因素；胞液中NADH氧化的两种转运机制。
了解其他氧化体系。
教学内容提要
一、概述 （0.5学时）
生物氧化的概念和特点，生物氧化中二氧化碳和水的生成，自由能与高能化合物， ATP 的重要生理作用。 
二、呼吸链 （2学时）
呼吸链的概念、组分， 氢和电子传递体在细胞内线粒体膜上的位置排列 ， ATP 的产生，电子传递的抑制。 
三、氧化磷酸化作用 （1.5学时）
氧化磷酸化的概念、 机制，电子传递与 ATP 形成的偶联及调节。 
教学重点与难点
重点：生物氧化的概念；呼吸链：呼吸链的概念，复合物Ⅰ-Ⅳ，NADH氧化呼吸链与琥珀酸氧化呼吸链的组成，两条呼吸链组分的排列顺序，传递H和递电子的机理；氧化磷酸化的概念，氧化磷酸化的偶联部位。
难点：ATP分子高能磷酸键的含义及来源；影响氧化磷酸化的因素和呼吸链的抑制剂、解偶联剂、ADP的调节作用。
教学内容（4学时）
一切生物都需要不断地从外界获取能量、或通过自身储存地能量来维持自身正常生命活动的需要。整个地球的所有生物构成了生物圈，太阳的辐射能是整个生物圈的能量来源，处于这个圈中的生物都可以被看成是能量的转换者。能量的转换大致可以分为三个阶段。
第一阶段：绿色植物通过光合作用将光能转变为化学能。即，光能→电能→化学能。
第二阶段：生物将有机物氧化分解，同时贮存在有机物当中的能量释放出来，其中一部分转化成ATP。这一阶段的活动是本章将要讲解的内容。
第三阶段：生物利用第二阶段产生的能量来完成各种生理活动，例如，生物合成、机械功、主动运输、生物发热、发电、发光，等等。
这种能量的流动驱动着生命的维持与繁衍。

第一节 概　述
一、生物氧化的概念
1、定义
    生物的一切活动（包括内部的脏器活动、各种合成作用、个体的生活活动）都需要能量，它主要来自糖、脂、蛋白质在体内的氧化。我们把机体内进行的脱氢、加氧等氧化反应总称为生物氧化。[定义]：或在活细胞内，糖、脂、蛋白质等有机物质氧化分解，产生CO2、H2O并放出能量的过程叫做生物氧化。
按照生理意义不同，生物氧化 可分为两大类：一类主要是将代谢物或药物、毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴有ATP的生成；另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP等高能化合物的生成。这类反应进行过程中细胞需要摄取O2、会释放出CO2，因此又被形象地称为细胞呼吸、组织呼吸或呼吸作用。
2、特点
　　体内大部分物质都可进行氧化反应，在生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应有许多共同之处：它们都遵循氧化反应的一般规律——具有常见的氧化方式，如失去电子、脱氢和加氧等类型；最终氧化分解产物是CO2和H2O，同时释放能量。
（在生物体内，电子转移的形式：①直接进行电子转移；②氢原子的转移：因为氢原子可分解为H+和e，因此其本质也是电子转移；③有机还原剂直接加氧：因加氧时，常伴有氧接受质子和电子而被还原成水，其本质也是电子转移）
    生物氧化在形式上虽有加氧、脱氢和失去电子的不同形式，但从氧化的基本概念来看，生物氧化与体外的化学氧化本质是相同的，即：一种物质丢失电子是氧化，得到电子是还原，最终的产物都是CO2和H2O，放出的能量也相等。
但是，它们之间也有明显的不同之处：
① 生物氧化是在活细胞内的温和条件下进行的：常压、常温(37℃)、近中性pH环境及有水的环境；
体外氧化往往在高温、强酸、强碱或强氧化剂的催化下进行。
② 生物氧化是在酶、辅酶和电子传递系统参与下，经过一系列连续的化学反应  
逐步氧化、分次放出能量。这样产生的能量既不会突然使体温升高损害机体，
又可使放出的能量得到有效利用；
体外氧化反应是剧烈的游离基反应，能量骤然释放出来，比较剧烈。 
③ 生物氧化主要以生成ATP等化合物的方式储存并释放能量，为生物体需要时所利用，较温和；
体外氧化所产生的能量常常以热或者光的形式，散发到环境中。
二、生物氧化的内容
① 有机化合物中的C如何变成CO2？
通常代谢底物在酶的催化下，经一系列脱氢、加水反应，转变成含-COOH的化合物，然后脱羧生成CO2。根据脱羧过程是否伴随有氧化作用，即脱氢作用，脱羧可以分为以下两种。
直接脱羧——经脱羧酶催化，直接脱去羧基。这种作用也被称为单纯脱羧。如，乙醇发酵中，丙酮酸脱羧生成乙醛。
氧化脱羧——脱羧的同时伴随脱氢。如TCA循环中的中脱羧作用均属此类。
② 细胞怎样利用氧将有机化合物中的H氧化成水？
水是代谢底物脱下的H与O结合而成的。H一般从NADH或FADH2开始，经呼吸链中一系列传递体依次传递，最终与活性氧结合成水。
在物质分解代谢中常常见到脱氢反应。例如已经学习过的糖酵解、三羧酸循环，以及以后要学的脂肪酸氧化、氨基酸氧化脱氨、嘌呤和嘧啶的降解等反应中都有脱氢反应。氢如何脱出，脱出的氢如何与氧结合成水，以及如何释放能量等等问题都是本章要交代的。
③ 有机体被氧化成CO2和水时，释放的能量怎样贮存在ATP中？
2个途径：底物水平磷酸化
         氧化磷酸化（上述氢的依次传递伴随着ATP的生成）
总的来说，生物氧化是生物新陈代谢的重要基本反应之一。没有生物氧化，体内的有机物质就无法进行代谢，生物体就不能构成自己的细胞组织并获得生命所需的能量。
要特别指出的是：在体外，水是燃烧的灭火剂。但在体内水不仅可以为生物氧化等代谢和生理活动提供稳定的内环境，而且还直接参加生物氧化的整个过程，是机体进行物质和能量交换的重要介质。
三、生物氧化的过程
总反应     
A + O2 → 氧化产物 + H2O + 能量(ATP)

广义的生物氧化分为两大阶段：
    
电子从NADH或FADH2传递给氧的体系 —— 呼吸链
与电子的传递相偶联的ATP的生成 —— 氧化磷酸化
在生物细胞内，由ADP磷酸化形成ATP的方式有二种：  
生物氧化
底物水平磷酸化
第二节 呼吸链
代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。它们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之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用（2H→2H++2e），所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain)。
一、呼吸链的组成
NAD+（辅酶Ⅰ，coenzyme I, Co I），与NADP+（辅酶Ⅱ，Coenzyme Ⅱ Co Ⅱ）是烟酰胺脱氢酶类的辅酶，其结构式如下：
NAD+或NADP+分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个H+ 游离出来，因此将还原型的NAD+和NADP+分别写成NADH + H+（NADH）和NADPH+H+（NADPH）。
FMN中含有核黄素（维生素B2），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH&#8226;,再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型FMNH2。
Fe-S含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分半胱氨酸残基的硫相连接（图8-3）。                                                         
铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+       Fe3++e反应而传递电子，在复合体Ⅰ中，其功能是将FMN的电子传递给泛醌。
泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯（2-甲基丁烯）单位互相连接构成较长的侧链。因侧链的疏水作用，故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来，故不包含在上述复合体中。人的CoQ侧链由10个异戊二烯单位组成，用CoQ10（Q10）表示。
泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌，再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌，后者也可脱去2个电子和2个质子被氧化为泛醌。                              
细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据它们吸收光谱不同，将细胞色素分为细胞色素a、b、c（Cyt a, Cyt b, Cyt c）3类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与蛋白质部分的连接方式。细胞色素b、c的铁卟啉都是铁原卟啉Ⅸ，与血红素相同，但Cyt b中卟啉环上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyt a中与卟啉环相连的1个甲基被甲酰基取代，1个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。                     
二、呼吸链组分的排列顺序
根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到高的顺序排列（电位低容易失去电子）
根据以上实验结果得知，体内存在两条氧化呼吸链：
1．NADH氧化呼吸链  生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以NAD+为辅酶的。NAD+接受氢生成NADH+H+，然后通过NADH氧化呼吸链再被氧化成NAD+。
NADH+H+脱下的2H经复合体I（FMN，Fe-S）传给CoQ，再经复合体Ⅲ（Cyt b, Fe-S，Cyt c1）传至Cyt c，然后传至复合体Ⅳ（Cyt a, Cyt a3）最后将2e交给O2。
     2．琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）  琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的2H经复合体Ⅱ（FAD，Fe-S，b560）使CoQ形成CoQH2，再往下的传递与NADH氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油脱氢酶及脂酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸氧化呼吸链。
第三节 氧化磷酸化
在机体能量代谢中，ATP是体内主要供能的高能化合物。细胞内ATP形成的主要方式是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），即是在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，因此又称为偶联磷酸化。
细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP（或GDP），生成ATP（或GTP），称为底物水平磷酸化，已在糖代谢中叙述。
一、氧化磷酸化偶联部位
根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即ATP生成的部位。
1、 P/O 比值  
将底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷（或ADP）的消耗量，即可计算出P/O比值。P/O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数（或ADP摩尔数），即生成ATP的摩尔数。已知β—羟丁酸的氧化是通过NADH呼吸链，测得P/O比值接近3，即该呼吸链传递2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化时，测得P/O比值接近2，即生成2分子ATP，因此表明在NADH与CoQ之间（复合体Ⅰ）存在偶联部位。此外，测得抗坏血酸氧化时P/O比值接近1，还原型Cyt c氧化时P/O比值也接近1，即两者均生成1分子ATP；此两者的不同在于，抗坏血酸通过Cyt c进入呼吸链被氧化的，而还原型Cyt c则经Cyt aa3被氧化，表明在Cyt aa3到氧之间（复合体Ⅳ）也存在偶联部位。从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cyt c氧化时P/O比值的比较表明，在CoQ与Cyt c之间（复合体Ⅲ）存在另一偶联部位。因此NADH呼吸链存在三个偶联部位，琥珀酸呼吸链存在两个偶联部位。
2．自由能变化
从NAD+到CoQ段测得的电位差约0.36V，从CoQ到Cyt c电位差为0.21V，从Cyt aa3到分子氧为0.53V。自由能变化（△GO’）与电位变化（△EO’）之间有以下关系：
△GO’= - nF△EO’
△GO’表示pH7.0时的标准自由能变化；n为传递电子数；F为法拉弟常数(96.5kJ/mol&#8226;V)。计算结果，他们相应的△GO’分别约为69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩尔 ATP需能约30.5kJ（7.3kcal）,可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。
二、影响氧化磷酸化的因素
1、抑制剂
（1）呼吸链抑制剂  
此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。例如CO、CN&macr; 、N3&macr;及H2S抑制细胞色素C氧化酶，使电子不能传给氧。目前发生的城市火灾事故中，由于装饰材料中的N 和C 经高温可形成HCN，因此伤员除因燃烧不完全造成CO中毒外，还存在CN&macr;中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止，与此相关的细胞生命活动停止，引起机体迅速死亡。
（2）解偶联剂  
解偶联剂（uncoupler）使氧化与磷酸化偶联过程脱离。
（3）氧化磷酸化抑制剂  
这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。
2、ADP的调节作用
正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。当机体利用ATP增多，ADP浓度增高，转运入线粒体后使氧化磷酸化速度加快；反之ADP不足，使氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使ATP的生成速度适应生理需要。
3、甲状腺激素
甲状腺激素诱导细胞膜上Na+，K+–ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP增多促进氧化磷酸化，甲状腺激素（T3）还可使解偶联蛋白基因表达增加，因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状腺功能亢进症患者基础代谢率增高。
4、线粒体DNA突变
线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变，其突变率是核DNA突变率的10～20倍。线粒体DNA含呼吸链氧化磷酸化复合体中13条多肽链的基因，线粒体蛋白质合成时所需的22个tRNA的基因以及2个rRNA的基因。因此线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少而致病。线粒体DNA病出现的症状决定于线粒体DNA突变的严重程度和各器官对ATP的需求，耗能较多的组织器官首先出现功能障碍，常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等。因每个卵细胞中有几十万个线粒体DNA分子，每个精子中只有几百个线粒体DNA分子，受精时，卵细胞对子代线粒体DNA贡献较大，因此该病以母系遗传居多。随着年龄的增长，线粒体DNA突变日趋严重，因此大多数线粒体DNA病的症状到老年时才出现。老年人心脏和骨骼肌中常可发现线粒体DNA 4977个核苷酸缺失。
四、ATP
生物氧化过程中释放的能量大约有40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中，形成磷酸酯(磷酸酐)。这些磷酸酯键水解时释放能量较多(大于21kJ/mol)，一般称之为高能磷酸键，常用“～ P ”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。实际上高能磷酸键水解时释放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量，并不存在键能特别高的化学键。因此，“高能磷酸键”的名称不够确切。但为了叙述方便，目前仍被采用。在体内所有高能磷酸化合物中，以ATP末端的磷酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物。    
为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得～ P。
ATP + UDP          ADP + UTP
ATP + CDP          ADP + CTP
ATP + GDP          ADP + GTP
另外，当体内ATP消耗过多（例如肌肉剧烈收缩）时，ADP累积，在腺苷酸激酶（adenylate  kinase）催化下由ADP转变成ATP被利用。此反应是可逆的，当ATP需要量降低时，AMP从ATP中获得～P生成ADP。
     ADP + ADP ←→ATP + AMP
除此，ATP还可将～P转移给肌酸生成磷酸肌酸（creatine phosphate, CP），作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式，当机体消耗ATP过多而致ADP增多时，磷酸肌酸将～P转移给ADP，生成ATP，供生理活动之用。
生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心（图8-9）。在体外pH7.0，25℃条件下每摩尔ATP水解为ADP和Pi时释放能量为30.5kJ（7.3kcal）；在生理条件下可释放能量约为51.6kJ。人体内ATP含量虽然不多，但每日经ATP/ADP相互转变的量相当可观。
过氧化物酶体中的氧化酶类
（一）过氧化氢酶
过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含有4个血红素，催化反应如下：
2H2O2             2H2O + O2
在粒细胞和吞噬细胞中，H2O2可氧化杀死入侵的细菌；甲状腺细胞中产生的H2O2可使2I–氧化为I2，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素。
（二）过氧化物酶
过氧化物酶(peroxidase)也是以血红素为辅基，它催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物，反应如下：
R + H2O2        RO + H2O  或  RH2 + H2O2       R + 2H2O
临床上判断粪便中有无隐血时，就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性，将联苯胺氧化成兰色化合物。
三、超氧物歧化酶
呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子（O2—）（占耗O2的1%～4%左右），体内其他物质（如黄嘌呤）氧化时也可产生O2—。O2—可进一步生成H2O2和羟自由基（&#8226;OH—），统称为反应氧族。其化学性质活泼，可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，损伤生物膜；过氧化脂质与蛋白质结合形成的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。
超氧物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）可催化一分子O2—氧化生成O2，另一分子O2—还原生成H2O2 ：
                                    SOD
2 O2— + 2H            H2O2 + O2
体内还存在一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，可使H2O2或过氧化物（ROOH）与还原型谷胱甘肽（G—SH）反应，生成的氧化型谷胱甘肽，再由NADPH供氢使氧化型谷胱甘肽重新被还原。此类酶具有保护生物膜及血红蛋白免遭损伤的作用。
思考与练习
1. 生物氧化、呼吸链、氧化磷酸化的概念
2. 呼吸链的组成、氧化磷酸化偶联的部位是什么？呼吸链、氧化磷酸化和物质
代谢的关系是什么？

第七章   脂类代谢
教学目的与要求：
掌握甘油三酯的合成与分解代谢、脂肪酸的氧化分解与合成以及磷脂的代谢
熟悉磷脂的代谢、脂类的命名及分类
了解脂类的存在形式、消化吸收以及胆固醇的代谢
教学内容提要：
一、概述（1学时）
1、脂类的命名和分类
2、脂类的存在形式
3、脂类的消化和吸收
二、甘油三酯的分解代谢（3学时）
1、脂肪的动员
2、甘油的代谢
3、脂肪酸的氧化
4、酮体的生成及利用
四、磷脂的代谢（1学时）
1、甘油磷脂的组成、分类及结构
2、甘油磷脂的合成
3、甘油磷脂的降解
五、胆固醇代谢（1学时）
1、胆固醇的合成
2、胆固醇的转化
教学重点与难点
重点：脂肪酸的β氧化；
难点：脂肪酸合成酶系及反应过程、不饱和脂酸的合成
教学内容（6学时）
第一节 概述
一、脂类的命名和分类
脂类是一类不溶于水而易溶于有机溶剂，并能为机体所利用的有机化合物，它主要包括脂肪和类脂两大类。
1、脂肪
脂肪是三脂肪酸甘油酯或称甘油三酯，它是由1分子甘油与3个分子脂肪酸通过酯键相结合而成。脂肪组织是体内专门用于贮存脂肪的组织，当机体需要时，脂肪组织中贮存在脂肪可动员出来分解供给机体能量。此外，脂肪组织还可起到保持体温，保护内脏器官的作用。
2、类脂
类脂包括固醇及其酯类、磷脂、糖脂三大类。
磷脂包括甘油磷脂和鞘磷脂：甘油磷脂是甘油与2分子脂肪酸、1分子磷酸及含氮化合物结合成。它又包括磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、等。它们是构成生物膜脂双层的基本骨架，含量恒定。鞘磷脂是脂肪酸与鞘氨醇通过酰胺键结合的含有磷酸的脂类。
3、脂肪酸
所有的脂肪酸都有一个长的碳氢链，其中一端带有一个羧基。组织和细胞中的脂肪酸绝大多数都是以结合态的形式存在，游离态的数量极少。不同脂肪酸之间的区别主要在于碳氢链的长度、饱和与否（饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸）、以及双键的数目和位置。饱和脂肪酸中最普遍的是软脂酸和硬脂酸；不饱和脂肪酸中最普遍的是油酸。
必需脂肪酸：某些不饱和脂肪酸，如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等，动物机体自身不能合成，需要从植物油摄取。它们是机体不可缺少的营养物质，同时它们又是机体一些重要生理活性物质如前列腺素（PG）等的前体，因此称必需脂肪酸。
二、脂类的存在形式
1、 脂肪：
分布在脂肪组织，主要包括皮下结缔组织、大网膜、肠系膜、内脏周围等处，又被称为脂库、贮存脂、可变脂。 
2、 类脂：分布在生物体的所有细胞中，又称为组织脂、不可变脂。
三、脂类的消化和吸收
膳食中的脂类主要为脂肪，此外还含少量磷脂、胆固醇等。脂类不溶于水，必须在小肠经胆汁中的胆汁酸盐的作用，乳化并分散成细小的微团后，才能被消化酶消化。
胰液及胆汁均分泌入十二指肠，因此小肠上段是脂类消化的主要场所。胆汁酸盐是较强的乳化剂，能降低油与水相之间的界面张力，使脂肪及胆固醇酯等疏水的脂质乳化成细小微团，增加消化酶对脂质的接触面积，有利于脂肪及类脂的消化及吸收。胰腺分泌入十二指肠中消化脂类的酶有胰脂酶、磷脂酶A2、胆固醇酯酶以及辅脂酶。在这些酶的共同作用下，脂肪和类脂被消化为甘油一酯、脂酸、胆固醇及溶血磷脂等，它们与胆汁酸盐进一步乳化成更小的混合微团。这种微团体积更小，极性更大，易于穿过小肠粘膜细胞表面的水屏障，被肠粘膜细胞吸收。
脂类消化产物主要在十二指肠下段及空肠上段被吸收。中链脂酸（6～10C）及短链脂酸（2～4C）构成的甘油三酯，经胆汁酸盐乳化后即可被吸收。在肠粘膜细胞内脂肪酶的作用下，水解为脂肪酸及甘油，通过门静脉进入血循环。长链脂酸（12～26C）及2-甘油一酯吸收入肠粘膜细胞后，被重新合成为甘油三酯，它与某些载脂蛋白以及磷脂、胆固醇结合成乳糜微粒，经淋巴进入血循环。在肠粘膜细胞中由甘油一酯合成脂肪的途径称为甘油一酯合成途径。
第二节  脂肪的合成代谢
一、甘油三酯的合成代谢
甘油三酯是机体储存能量的形式。机体摄入糖、脂肪等食物均可合成脂肪、在脂肪组织储存，以供禁食、饥饿时的能量需要。
1、合成部位
肝、脂肪组织及小肠是合成甘油三酯的主要场所，其中肝的合成能力最强。上述三种组织、细胞均有合成甘油三酯的脂酰CoA转移酶。
脂肪组织也是机体合成脂肪的重要组织。它可利用从食物脂肪而来的乳糜微粒中的脂肪酸合成脂肪，更主要以葡萄糖为原料合成脂肪。脂肪细胞可以大量储存脂肪，是机体合成及储存脂肪的“仓库”。
小肠粘膜细胞主要利用脂肪消化产物再合成脂肪，以乳糜微粒形式经淋巴进入血循环。
2、合成原料
合成甘油三酯所需的甘油及脂肪酸主要由葡萄糖代谢提供。食物脂肪消化吸收后进入血循环，运送至脂肪组织或肝，其中的脂肪酸也可以用来合成脂肪。合成脂肪的三分子脂肪酸可以是同一种脂肪酸，也可以是三种不同的脂肪酸。
3、合成基本过程
①甘油一酯途径：小肠粘膜细胞主要利用消化吸收的甘油一酯及脂肪酸再合成甘油三酯。
②甘油二酯途径：肝细胞及脂肪细胞主要按此途径合成甘油三酯。

第三节 甘油三酯的分解代谢
脂肪是生物体中重要的贮藏物质，它将能量和各种代谢中间物提供给各种生命活动。
如动物可以利用食物中的脂肪或自身的贮脂（当糖源不足时）作为能源物质，油料种子萌发时所需的能量及物质碳架也主要来自脂肪。这都要通过脂肪的分解代谢来实现。
在分解代谢的过程中，脂肪首先经水解作用生成甘油和脂肪酸，然后水解产物各自按不同的途径进一步分解或转化。
一、脂肪的动员
储存在脂肪细胞中的脂肪，被脂肪酶逐步水解为游离脂肪酸及甘油并释放入血以供其他组织氧化利用，该过程称为脂肪的动员。
动物体中脂肪的消化需要三种脂肪酶的参与，逐步水解脂肪的三个酯键，最后生成甘油和脂肪酸。在植物油料种子萌发时，贮藏在种子内的脂肪也有类似的水解作用。
 二、甘油的代谢
 
甘油在甘油激酶的催化下，被磷酸化成3-磷酸甘油，然后氧化脱氢生成磷酸二羟丙酮。
其中第一步反应需要消耗ATP，而第二步反应可生成还原辅酶Ⅰ。磷酸二羟丙酮是糖酵解途径的中间产物，因此既可以继续氧化，经丙酮酸进入三羧酸循环彻底氧化成CO2和水；此外，它也可以经糖异生作用合成葡萄糖，乃至合成多糖。
三、脂肪酸的氧化
生物体内脂肪酸的氧化分解存在几条不同的途径。其中b-氧化途径最为主要和普遍。
β-氧化
α-氧化
&#974; -氧化
 

脂肪酸的&#61538;-氧化途径
β-氧化途径是在脂肪酸的β-碳原子上进行氧化，然后在α-碳原子和β-碳原子之间发生断裂。每进行一次β-氧化作用，分解出一个二碳片段，生成较原来少两个碳原子的脂肪酸。
β-氧化作用的部位：
               线粒体基质
               乙醛酸循环体（即，乙醛酸体)——油料作物种子萌发时
脂肪酸是人及哺乳动物的主要能源物质。在O2供给充足的条件下，脂肪酸可在体内分解成CO2及H2O并释出大量能量，以ATP形式供机体利用。除脑组织外，大多数组织均能氧化脂肪酸，但以肝和肌肉组织最活跃。
1、 脂肪酸的活化——脂酰CoA的生成
脂肪酸进行氧化前必须活化，活化在线粒体外进行。内质网及线粒体外膜上的脂酰CoA合成酶在ATP、CoASH、Mg2+存在的条件下，催化脂肪酸活化，生成脂酰CoA。
脂肪酸活化后不仅含有高能硫酯键，而且增加了水溶性，从而提高了脂肪酸的代谢活性。反应过程中生成的焦磷酸（PPi）立即被细胞内的焦磷酸酶水解，阻止了逆向反应的进行。故1分子脂肪酸活化，实际上消耗了2个高能磷酸键。
2、脂酰CoA进入线粒体
脂肪酸的活化在细胞液中进行，而催化脂肪酸氧化的酶系存在于线粒体的基质内，因此活化的脂酰CoA必须进入线粒体内才能代谢。
3、脂肪酸的β-氧化
脂酰CoA进入线粒体基质后，在线粒体基质中疏松结合的脂酸β-氧化多酶复合体的催化下，从脂酰基的β-碳原子开始，进行脱氢、加水、再脱氢及硫解等四步连续反应，脂酰基断裂生成1分子比原来少2个碳原子的脂酰CoA及1分子乙酰CoA。
脂酸β-氧化的过程如下：
（1）脱氢：脂酰CoA在脂酰CoA脱氢酶的催化下，α、β碳原子各脱下一氢原子，生成反△2烯酰CoA。脱下的2H由FAD接受生成FADH2。
（2）加水：反△2烯酰CoA在△2烯酰水化酶的催化下，加水生成L（+）-β-羟脂酰CoA。
（3）再脱氢：L（+）-β-羟脂酰CoA在β-羟脂酰CoA脱氢酶的催化下，脱下2H生成β-酮脂酰CoA，脱下的2H由NAD+接受，生成NADH及H+。
（4）硫解：β-酮脂酰CoA在β-酮脂酰CoA硫解酶催化下，加CoASH使碳链断裂，生成1分子乙酰CoA和少2个碳原子的脂酰CoA。
以上生成的比原来少2个碳原子的脂酰CoA，可再进行脱氢、加水、再脱氢及硫解反应。如此反复进行，直至最后生成丁酰CoA，后者再进行一次β-氧化，即完成脂肪酸的β-氧化。
脂肪酸经β-氧化后生成大量的乙酰CoA。乙酰CoA一部分在线粒体内通过三羧酸循环彻底氧化，一部分在线粒体中缩合生成酮体，通过血液运送至肝外组织氧化利用。
4、脂肪酸氧化的能量生成
脂肪酸氧化是体内能量的重要来源。以软脂酸为例，进行
7次β-氧化： 7ⅹFADH2 ＋ 7ⅹNADH＋H+＋ 8ⅹ乙酰CoA。
FADH2：呼吸链氧化→2ⅹ分子ATP；NADH+H+氧化→3ⅹATP；
乙酰CoA：三羧酸循环氧化→12分子ATP。
因此1分子软脂酸彻底氧化共生成（7×2）+（7×3）+（8×12）=131 × ATP。
脂肪酸氧化的特点： 
1、氧化部位：细胞液、线粒体 
2、氧化过程：脂肪酸的活化、脂酰基的转移、b -氧化； 
3、两个限速酶：脂酰CoA合成酶、肉碱脂酰转移酶I 
4、一次b -氧化经历四步：脱氢、加水、再脱氢、硫解； 
5、b -氧化的部位：线粒体；   6、产物：乙酰CoA。
四、酮体的生成及利用
乙酰乙酸、β-羟丁酸及丙酮三者统称酮体。酮体是脂肪酸在肝分解氧化时特有的中间代谢物，这是因为肝具有活性较强的合成酮体的酶系，而又缺乏利用酮体的酶系。
1、酮体的生成  
脂酸在线粒体中经β-氧化生成的大量乙酰CoA是合成酮体的原料。合成在线粒体内酶的催化下，分三步进行。
（1）2分子乙酰CoA在肝线粒体乙酰乙酰CoA硫解酶的作用下，缩合成乙酰乙酰CoA，并释出1分子CoASH。
（2）乙酰乙酰CoA在羟甲基戊二酸单酰CoA（HMG CoA）合成酶的催化下，再与1分子乙酰CoA缩合生成羟甲基戊二酸单酰CoA，并释出1分子CoASH。
（3）羟甲基戊二酸单酰CoA在HMG CoA裂解酶的作用下，裂解生成乙酰乙酸和乙酰CoA。
乙酰乙酸在线粒体内膜β-羟丁酸脱氢酶的催化下，被还原成β-羟丁酸，所需的氢由NADH提供，还原的速度由NADH/NAD+的比值决定。部分乙酰乙酸可在酶催化下脱羧而成丙酮。
肝线粒体内含有各种合成酮体的酶类，尤其是HMG CoA合成酶，因此生成酮体是肝特有的功能。但是肝氧化酮体的酶活性很低，因此肝不能氧化酮体。肝产生的酮体，透过细胞膜进入血液运输到肝外组织进一步分解氧化。
2、酮体的利用  
肝外许多组织，例如心、肾、脑及骨骼肌的线粒体中具有活性很强的利用酮体的酶。
它们作用于酮体后可以生成乙酰乙酰CoA（硫解为2分子乙酰CoA）、乙酰CoA，后者即可进入三羧酸循环彻底氧化。部分丙酮可在一系列酶作用下转变为丙酮酸或乳酸，进而异生成糖。这是脂酸的碳原子转变成糖的一个途径。
总之，肝是生成酮体的器官，但不能利用酮体；肝外组织不能生成酮体，却可以利用酮体。
3、酮体生成的生理意义  
①酮体是脂肪酸在肝内正常的中间代谢产物，是肝输出能源的一种形式。
②酮体溶于水，分子小，能通过血脑屏障及肌肉毛细血管壁，是肌肉尤其是脑组织的重要能源。脑组织不能氧化脂肪酸，却能利用酮体。长期饥饿、糖供应不足时酮体可以代替葡萄糖成为脑组织及肌肉的主要能源（脑组织50~70%的能量）。
③正常情况下，血中仅含有少量酮体，为0.03～0.5mmol/L。在饥饿、应激、高脂低糖膳食及糖尿病时，脂肪动员加强，酮体生成增多。心、肾、骨骼肌摄取酮体代替葡萄糖供能，节省葡萄糖以供脑和红细胞所需。并可防止肌肉蛋白的过多消耗。
④肝内产生酮体超过肝外组织氧化酮体的能力时，血中酮体蓄积，称为酮血症。尿中有酮体排出，称酮尿症。二者统称酮症，可导致代谢性酸中毒，称酮症酸中毒。
4、酮体生成的调节
（1）饱食及饥饿的影响
饱食后，胰岛素分泌增加，脂解作用抑制、脂肪动员减少，进入肝的脂酸减少，因而酮体生成减少。饥饿时，胰高血糖素等脂解激素分泌增多，脂酸动员加强，血中游离脂酸浓度升高而使肝摄取游离脂酸增多，有利于脂酸β-氧化及酮体生成。
（2）肝细胞糖原含量及代谢的影响
进入肝细胞的游离脂酸主要有两条去路，一是在胞液中酯化合成甘油三酯及磷脂；一是进入线粒体内进行β-氧化，生成乙酰CoA及酮体。
饱食及糖供给充足时，肝糖原丰富，糖代谢旺盛，此时进入肝细胞的脂肪酸主要与3-磷酸甘油反应，酯化生成甘油三酯及磷脂；饥饿或糖供给不足时，糖代谢减弱，3-磷酸甘油及ATP不足，脂酸酯化减少，主要进入线粒体进行β氧化，酮体生成增多。
第四节   磷脂的代谢
含磷酸的脂类称磷脂。由甘油构成的磷脂统称甘油磷脂，由鞘氨醇构成的磷脂称鞘磷脂。体内含量最多的磷脂是甘油磷脂。因与磷酸相连的取代基团的不同，甘油磷脂又被分为几种不同的种类。
磷脂：含磷酸的复合脂

一、甘油磷脂的组成、分类及结构
甘油磷脂由甘油、脂肪酸、磷酸及含氮化合物等组成，其基本结构为：
 
二、甘油磷脂的合成
1、合成部位  
和脂肪的合成不同，全身各个组织细胞的内质网均有合成磷脂的酶系，因此均能合成甘油磷脂。但以肝、肾及肠等组织最活跃。
2、合成的原料及辅因子  
除脂肪酸、甘油主要由葡萄糖代谢转化而来外，其2位羟基上的多不饱和脂酸必须从植物油摄取。另外还需磷酸盐、胆碱、丝氨酸、肌醇等。
三、甘油磷脂的降解
生物体内存在能使甘油磷脂水解的多种磷脂酶类，分别作用于甘油磷脂分子中不同的酯键。常见的几种磷脂酶如下。
磷脂酶A1存在于动物各组织的细胞膜及线粒体膜上，使甘油磷脂分子中1位酯键水解，产物为某种溶血磷脂和脂肪酸。
磷脂酶A2存在于蛇、蜂、蝎毒中，作用于甘油磷脂分子中2位酯键，水解产物是溶血磷脂和不饱和脂肪酸。磷脂酶A2作用下生成的溶血磷脂是C2位脱去脂酰基的磷脂，是一类具较强表面活性的物质，能使红细胞膜或其他细胞膜破坏引起溶血或细胞坏死。
溶血磷脂酶作用于溶血磷脂的脂肪酰基。以磷脂酰胆碱为例，它被磷脂酶A1或A2作用后，再被溶血磷脂酶作用，生成的产物是磷酸甘油胆碱和相应的脂肪酸。
第五节   胆固醇代谢
胆固醇是具有羟基的固醇类化合物。不同的固醇均具有环戊烷多氢菲的基本结构（由3个已烷环及1个环戊烷稠合而成），因每种固醇碳原子数和取代基不同，其生理功能各异。
植物不含胆固醇但含植物固醇，以β-谷固醇为最多。酵母含麦角固醇，它是维生素D的前体。细菌不含固醇类化合物。
人体约含胆固醇140g，广泛分布于全身各组织中，大约1/4分布在脑及神经组织中，约占脑组织的2%。肝、肾、肠等内脏（肝最多，肌肉组织较低）以及皮肤、脂肪组织也含较多的胆固醇。肾上腺、卵巢等合成类固醇激素的内分泌腺胆固醇含量较高，达1%～5%。
胆固醇是生物膜和神经髓鞘的重要组分，对调节膜的流动性、维持膜的结构与功能具重要作用。同时，它还是是合成类固醇激素、胆汁酸及维生素D3的前体。
一、胆固醇的合成
（一）合成部位
除成年动物脑组织和成熟红细胞外，几乎全身各组织均可合成胆固醇，每天可合成1g左右。肝是合成胆固醇的主要场所。体内胆固醇70%～80%由肝合成，10%由小肠合成。
胆固醇合成酶系存在于细胞液及光面内质网膜上，因此胆固醇的合成主要在细胞液及内质网中进行。
（二）合成原料
乙酰CoA是合成胆固醇的原料。
（三）合成基本过程
胆固醇合成过程复杂，有近30步酶促反应，大致可划分为三个阶段。
1、甲羟戊酸的合成  
在胞液中，2分子乙酰CoA在硫解酶的催化下，缩合成乙酰乙酰CoA；然后在胞液中羟甲基戊二酸单酰CoA合成酶（HMG CoA合成酶）的催化下再与1分子乙酰CoA缩合生成羟甲基戊二酸单酰CoA（HMG CoA）。
2、鲨烯的合成
MVA经过一系列步骤的转化，最终合成了鲨烯。（步骤略）
3、胆固醇的合成
    鲨烯经过羧化、环化和O2的共同作用，最终生成胆固醇。
（四）胆固醇合成的调节
HMG CoA还原酶是胆固醇合成的限速酶。各种因素对胆固醇合成的调节主要是通过对HMG CoA还原酶活性的影响来实现的。动物实验发现，大鼠肝合成胆固醇有昼夜节律性，午夜时合成最高，中午合成最低。进一步研究发现，肝HMG CoA还原酶活性也有昼夜节律性，午夜酶活性最高，中午酶活性最低。由此可见，胆固醇合成的周期节律性是HMG CoA还原酶活性周期性改变的结果。
1、饥饿与饱食  
饥饿与禁食可抑制肝合成胆固醇。大鼠禁食48小时，合成减少11倍，禁食96小时减少17倍，而肝外组织的合成减少不多。禁食除使HMG CoA还原酶合成减少活性降低外，乙酰CoA、ATP、NADPH＋H+的不足也是胆固醇合成减少的重要原因。相反，摄取高糖、高饱和脂肪膳食后，肝HMG CoA还原酶活性增加，胆固醇的合成增加。
2、胆固醇  
食物胆固醇也可以反馈抑制HMG CoA还原酶的合成。无胆固醇摄入时解除此种抑制，故适量的胆固醇摄入有利于此反馈抑制作用。此外还发现，胆固醇的氧化产物对HMG CoA还原酶有较强的抑制作用。
3、激素
胰岛素、甲状腺素 → 肝HMG CoA还原酶的合成↑ → 胆固醇的合成↑；
胰高血糖素等 → HMG CoA还原酶的活性↓ → 胆固醇的合成↓。
甲状腺素除能促进HMG CoA还原酶的合成外，同时又促进胆固醇在肝脏转变为胆汁酸（作用强于促进胆固醇的合成），因而甲状腺功能亢进时患者血清胆固醇含量反而下降。
二、胆固醇的转化
胆固醇在体内不能被彻底分解为CO2和H2O，其代谢去路是转变为胆汁酸、类固醇激素及维生素D3等物质。
（一）转变为胆汁酸
胆固醇在肝脏中转化成胆汁酸是胆固醇在体内代谢的主要去路。
（二）转化为类固醇激素
胆固醇是很多内分泌腺合成、分泌类固醇激素的原料。例如，肾上腺皮质细胞中储存大量胆固醇酯，其含量可达2%～5%（90%来自血液，10%自身合成）。醛固酮（盐皮质激素）、皮质醇（糖皮质激素）及性激素中的多种激素，都是以胆固醇为原料合成的。
（三）转化为7-脱氢胆固醇
在皮肤，胆固醇可被氧化为7-脱氢胆固醇，后者经紫外光照射转变为维生素D3
思考与练习
1、名词解释
    脂肪动员、类脂、必须脂肪酸
2、试述甘油在体内彻底分解的代谢途径,并指出其氧化脱下的氢是如何生成水的? 
3、写出糖、脂类分解代谢的共同途径,并指出体内糖、脂类是否可互变,为什么?
第八章 氨基酸的代谢
教学目的与要求：
掌握氨基酸的脱氨基作用、脱羧基作用，嘌呤和嘧啶核苷酸的分解、合成代谢，一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷。
熟悉氨基酸与一碳单位代谢、氨的代谢。
了解氨基酸的来源和去路、α-酮酸的代谢去路（脱氨后氨基酸碳骨架的处理）。
教学内容提要：
一、氨基酸的代谢（6学时）
1、概述氨基酸的来源和去路
2、氨基酸的脱氨基作用
3、脱羧基作用
4、氨基酸与一碳单位代谢
5、氨的代谢
6、α-酮酸的代谢去路（脱氨后氨基酸碳骨架的处理）
7、氨基酸的生物合成
二、核苷酸的分解代谢（2学时）
1、 核酸的酶促降解
2、嘌呤的分解代谢
3、嘧啶核苷酸的分解代谢
4、核酸分解代谢的调节与紊乱
三、核苷酸的合成代谢（1学时）
1、嘌呤核苷酸的合成
2、嘧啶核苷酸的合成代谢
3、一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷
4、脱氧核糖核苷酸的生成
5、核苷酸的补救合成途径
教学重点与难点
重点：氧化脱氨基作用、转氨基作用、联合脱氨基作用、核苷酸从头合成与补救难点：α-酮酸的代谢去路、嘌呤的分解代谢、核苷酸从头合成的调节
教学内容（6学时）
第一节　氨基酸的代谢
一、概述氨基酸的来源和去路
细胞内蛋白质代谢是以氨基酸为中心的代谢。
1、来源
食物蛋白经过消化吸收后，以氨基酸的形式通过血液循环运到全身的各组织。这种来源的氨基酸称为外源性氨基酸。机体各组织的蛋白质在组织酶的作用下，也不断地分解成为氨基酸；机体还能合成部分氨基酸(非必需氨基酸)；这两种来源的氨基酸称为内源性氨基酸。外源性氨基酸和内源性氨基酸彼此之间没有区别，这些氨基酸可部分地在机体（可以是细胞、组织或个体）中累积起来形成氨基酸代谢库，供必要时动用。    所谓代谢库是指机体（细胞、组织或个体）中储存的某一代谢物质的总量。这些物质的总量可以因吸收或合成而增加，也可因代谢需要而减少，是处于动态的情况。
2、去路
    氨基酸的主要功能是合成蛋白质，也合成多肽及其他含氮的生理活性物质。如嘌呤碱、嘧啶碱、肌酸、胺类等。
氨基酸分解代谢的主要途径是脱氨基生成氨和相应的α-酮酸；氨基酸的另一条分解途径是脱羧基生成CO2和胺。
氨对人体来说是有毒的物质，在体内主要合成尿素排出体外，还可以合成其它含氮物质(包括非必需氨基酸、谷氨酰胺等)。少量的氨可以直接随尿排出。
二、氨基酸的脱氨基作用
    脱氨基作用是指氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成α-酮酸的过程。这是氨基酸在体内分解的主要方式。参与人体蛋白质合成的氨基酸共有20种，它们的结构不同，脱氨基的方式也不同，主要有氧化脱氨、转氨、联合脱氨等，其中，联合脱氨基最为重要。
（一）氧化脱氨基作用
    氧化脱氨反应是动、植物体中比较普遍的脱氨作用，它是指在酶的催化下氨基酸在氧化脱氢的同时脱去氨基的过程。反应分一般两个步骤进行。第一步脱氢，第二步加水和脱氨。
 
（二）转氨基作用
1、概述
指在转氨酶催化下将α-氨基酸的氨基转给另一个α－酮酸，生成相应的α-酮酸和一种新的α-氨基酸的过程。磷酸吡哆醛是转氨酶的辅酶，起到携带NH2基的作用。
转氨基作用是可逆的，平衡常数约为1。反应的方向取绝于四种反应物的相对浓度。因而，转氨基作用也是体内某些氨基酸(非必需氨基酸)合成的重要途径。
        转氨基作用最重要的氨基受体是α—酮戊二酸，产生谷氨酸作为新生成的氨基酸：
      转氨作用的特点：
* 只有氨基的转移，没有氨的生成
* 催化的反应可逆
* 其辅酶都是磷酸吡哆醛
2、转氨酶
催化转氨基作用的酶被称为转氨酶，也称氨基移换酶。转氨酶的种类很多，存在于一切动物组织，心肌、脑、肝、肾、睾丸组织中含量较高。
    谷丙转氨酸(glutamic oxaloacetic transaminase，GOT)和谷草转氨酸(glutamic pyruvic transaminase，GPT)是较为重要的两种转氨酶。
L-谷氨酸与草酰乙酸经谷-草转氨酶作用起转氨作用，产生α-酮戊二酸及L- 天冬氨酸；L-谷氨酸如果将氨基转给转给丙酮酸，则生成α—酮戊二酸和丙氨酸，通过第二次转氨反应，再生出α—酮戊二酸。谷氨酸和天冬氨酸与酮酸所起的转氨作用在生物体中特别重要，因为通过转氨作用可促进氨基酸的分解和合成新的氨基酸。
3、转氨作用的意义
    通过转氨作用可以调节体内非必需氨基酸的种类和数量，以满足体内蛋白质合成时对非必需氨基酸的需求。   
转氨作用可使由糖代谢产生的丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸变为氨基酸，因此，对糖和蛋白质代谢产物的相互转变有其重要性。
    由于生物组织中普遍存在有转氨酶，而且转氨酶的活性又较强，故转氨作用是氨基酸脱氨的重要方式。
    转氨作用的另一重要性是因肝炎病人血清的转氨酶活性有显著增加，测定病人血清的转氨酶含量大有助于肝炎病情的诊断。
转氨基作用还是联合脱氨基作用的重要组成部分，从而加速了体内氨的转变和运输，勾通了机体的糖代谢、脂代谢和氨基酸代谢的互相联系。
（三）联合脱氨基作用
1、一般概念
许多事实证明，体内的氨基酸主要是靠转氨与氧化脱氨联合作用进行脱氨，简称联合脱氨作用。实际上，组织中L-氨基酸（非L-谷氨酸）的脱氨作用非常缓慢，如果加入少量α-酮戊二酸，则脱氨作用即显著增加，显然，L-氨基酸（非L-谷氨酸）的脱氨作用是通过转氨作用来完成的。
2、L－谷氨酸脱氢酶和转氨酶联合
先在转氨酶催化下，将某种氨基酸的α-氨基转移到α-酮戊二酸上生成谷氨酸，然后，在L-谷氨酸脱氢酶作用下将谷氨酸氧化脱氨生成α-酮戊二酸，而α-酮戊二酸再继续参加转氨基作用。L－谷氨酸脱氢酶主要分布于肝、肾、脑等组织中，而α-酮戊二酸参加的转氨基作用普遍存在于各组织中，所以此种联合脱氨主要在肝、肾、脑等组织中进行。联合脱氨反应是可逆的，因此也可称为联合加氨。
3、生理意义
联合脱氨基作用是体内主要的脱氨方式。不过，嘌呤核苷酸循环形式的联合脱氨是不可逆的，因而不能通过其逆过程合成非必需氨基酸。这一代谢途径不仅把氨基酸代谢与糖代谢、脂代谢联系起来，而且也把氨基酸代谢与核苷酸代谢联系起来。
三、脱羧基作用
部分氨基酸可在氨基酸脱羧酶的催化下进行脱羧基作用，生成相应的胺。氨基酸的脱羧作用在组织内和组织外（如动物肠道内）皆有。组织内的脱羧作用是氨基酸分解代谢的正常过程。
 
胺类如被吸收过多，不能及时被胺氧化酶氧化，则可能引起身体不适。对机体毒性较大者有组胺、酪胺（由酪氨酸脱羧）、色胺（由色氨酸脱羧）、尸胺（由赖氨酸脱羧）、腐胺（由鸟氨酸脱羧）。蛋白质腐烂后发出的臭味即由于腐胺和尸胺的缘故。
从量上讲，脱羧基作用不是体内氨基酸分解主要方式，但可生成有重要生理功能的胺。下面列举几种氨基酸脱羧产生的重要胺类物质。
1、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)
     
GABA由谷氨酸脱羧基生成，催化此反应的酶是谷氨酸脱羧酶，它在脑、肾组织中活性很高，所以脑中GABA含量较高。
    GABA是一种中枢神经系统的抑制性神经递质，对中枢神经元有普遍性抑制作用。它对昆虫神经系统的传导具有抑制作用，因而可以提高植物的抗虫力。
谷氨酸具有兴奋作用，GABA有抑制作用，两者可共同调节神经系统的功能。临床上对于惊厥和妊娠呕吐的病人常常使用维生素B6治疗，其机理就在于提高脑组织内谷氨酸脱羧酶的活性，使GABA生成增多，增强中枢抑制作用。 
2、组胺(histamine)
    组胺由组氨酸脱羧生成，主要由肥大细胞产生并贮存。在乳腺、肺、肝、肌肉及胃粘膜中含量较高。





组胺是一种强烈的血管扩张剂，并能增加毛细血管的通透性。可引起血压下降和局部水肿。组胺的释放与过敏反应症状密切相关。医学上认为过敏性鼻炎病人即因体内组胶产生过多，引起鼻道毛细血管扩张，增加分泌，故鼻涕很多。另外，组胺可刺激胃蛋白酶和胃酸的分泌。
3、5羟色胺(5－hydroxytryptamine，5-HT)
    色氨酸在脑中首先由色氨酸羟化酶催化生成5－羟色氨酸，再经脱羧酶作用生成5－羟色胺。

 

5-羟色胺是人脑中的一种神经化学物质，它的作用主要是传递神经信息。5-羟色胺可以直接影响人的心理和生理功能，比如人的喜怒哀乐、睡眠、食欲等。 当5-羟色胺浓度过高时，人会产生过度兴奋现象；如果5-羟色胺浓度过低，又会产生一系列精神和心理上的病态，比如焦虑，惊恐，最主要的是抑郁情绪，从而引发恐怖症、强迫症等。
在外周其它组织，如小肠、血小板、乳腺细胞中也有5-羟色胺，它具有收缩血管的作用。
              
6、多巴胺与黑色素
酪氨酸经羟化作用生成3，4－二羟苯丙氨酸(L－DOPA)(多巴)。多巴经脱羧酶（辅酶：磷酸吡哆醛）催化生成多巴胺，在体内它可以经过一定的步骤生成去甲肾上腺素，并进一步生成肾上腺素。
    在黑色素细胞中，多巴经氧化作用生成多巴醌而进入合成黑色素的途径。所形成的多巴醌进一步环化和脱羧生成吲哚醌。黑色素即是吲哚醌的聚合物。人体若缺乏酪氨酸酶，黑色素合成障碍，皮肤、毛发发白，称为白化病。
四、氨基酸与一碳单位代谢
1、一碳单位代谢一般概念
    某些氨基酸在代谢过程中能生成含一个碳原子的基团，经过转移参与生物合成过程。这些含一个碳原子的基团称为一碳单位。有关一碳单位生成和转移的代谢称为一碳单位代谢。体内的一碳单位有：甲基(－CH3)、甲烯基(－CH2)，甲炔基(－CH＝)、甲酰基(-CHO)及亚氨甲基(-CH＝NH)等。它们可以分别来自甘氨酸、组氨酸、丝氨酸、色氨酸、蛋氨酸等。
2、 一碳单位载体
一碳单位不能游离存在，通常与四氢叶酸（FH4）结合而转运或参加生物代谢。FH4是一碳单位代谢的辅酶，它分子上的N5、N10位可以共价连接一碳单位。
3、一碳单位的来源    
（1）甘氨酸
（2）组氨酸
（3）甲硫氨酸
蛋氨酸分子中的甲基也是一碳单位。在ATP的参与下蛋氨酸转变生成S－腺苷蛋氨酸。S－腺苷蛋氨酸是活泼的甲基供体。因此四氢叶酸并不是一碳单位的唯一载体。
4、一碳单位的功能
①一碳单位是合成嘌呤和嘧啶的原料，在核酸生物合成中有重要作用。
    ②参与许多物质的甲基化过程。SAM提供甲基可参与体内多种物质合成，如肾上腺素、胆碱、胆酸等。  
③一碳单位代谢的障碍会影响DNA、蛋白质的合成，可造成某些病理情况，如巨幼红细胞贫血等。
④磺胺药及某些抗癌药(氨甲喋呤等)正是分别通过干扰细菌及瘤细胞的叶酸、四氢叶酸合成，影响一碳单位代谢和核酸合成而发挥药理作用的。
五、氨的代谢
（一）氨的来源
1、组织中的氨基酸分解生成的氨
组织中的氨基酸经过联合脱氨作用脱氨或经其它方式脱氨，这是组织中氨的主要来源。
2、肠道来源的氨　
这是血氨的主要来源。正常情况下肝脏合成的尿素有15%经肠粘膜分泌入肠腔。肠道细菌有尿素酶，可将尿素水解成为CO2和NH3，这一部分氨约占肠道产氨总量的90%。肠道中的氨可被吸收入血，后经肝门静脉入肝，重新合成尿素。这个过程称为尿素的肠肝循环。
    肠道中的一小部分氨来自腐败作用。这是指未被消化吸收的食物蛋白质或其水解产物氨基酸在肠道细菌作用下分解的过程。腐败作用的产物有胺、氨、酚、H2S等对人体有害的物质，也能产生对人体有益的物质，如脂肪酸、维生素K、生物素等。

3、肾脏来源的氨
血液中的谷氨酰胺流经肾脏时，可被肾小管上皮细胞中的谷氨酰胺酶分解生成谷氨酸和NH3。其它各种氨基酸在肾小管上皮细胞中分解也产生一部分氨。
二）氨的代谢去路
    经脱氨、联合脱氨作用从氨基酸脱下的氨，超过生命机体所能允许的浓度，就会对机体产生毒性作用。因此，机体内氨基酸脱氨放出的氨必须作适当处理才行，必须及时将氨转变成无毒或毒性小的物质，然后排出体外。处理氨的方法，各种生物有所不同。
动物 氨基氮排泄方式
人、哺乳动物、两栖动物 尿素
鸟类 尿酸
大多数鱼类 氨
少数鱼类 三甲氨
（三）尿素的合成
1、部位
肝脏是尿素合成的主要器官，肾脏是尿素排泄的主要器官。
2、原料
尿素的生物合成需要NH3、CO2（或H2CO3）、鸟氨酸、天冬氨酸、ATP、Mg2+和相关酶的参加。
3、过程
全部反应过程可分为3个阶段：
Ⅰ、CO2、NH3与鸟氨酸作用合成瓜氨酸。（线粒体）
Ⅱ、瓜氨酸与天冬氨酸作用产生精氨酸。（细胞液）
Ⅲ、精氨酸被精氨酸水解酶水解后放出尿素，并形成鸟氨酸。（细胞液）
六、α-酮酸的代谢去路（脱氨后氨基酸碳骨架的处理）
氨基酸经联合脱氨或其它方式脱氨所生成的α-酮酸有下述去路。
1、生成非必需氨基酸
α－酮酸经联合加氨反应可生成相应的氨基酸。八种必需氨基酸中，除赖氨酸和苏氨酸外，其余六种亦可由相应的α-酮酸加氨生成。但和必需氨基酸相对应的α－酮酸不能在体内合成，所以必需氨基酸依赖于食物供应。
2、氧化生成CO2和水 
这是α-酮酸的重要去路之一。α－酮酸通过一定的反应途径先转变成丙酮酸、乙酰CoA或三羧酸循环的中间产物。再经过三羧酸循环彻底氧化分解。三羧酸循环将氨基酸代谢与糖代谢、脂肪代谢紧密联系起来。
3、其它
α－酮酸转变成丙酮酸、乙酰CoA或三羧酸循环的中间产物后，也可以不进入三羧酸循环，而是延糖异生途径生成糖，或者参与脂肪酸的生物合成。
以上从脱氨和脱羧的角度介绍了氨基酸的分解代谢，并简要介绍了氨基酸分解后的产物怎样进一步代谢。除了这些途径外，氨基酸还参与体内多种含N物质的合成，例如核酸、激素、叶绿素、血红素等等。  
思考与练习
1、名词解释
转氨作用、一碳单位
2、什么是尿素循环，有何生物学意义？
3、举例说明氨基酸的降解通常包括哪些方式？
4、用反应式说明α-酮戊二酸是如何转变成谷氨酸的，有哪些酶和辅因子参与？
 
第九章  核苷酸的分解代谢
教学目的与要求：
掌握嘌呤和嘧啶核苷酸的分解、合成代谢，一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷。
教学内容提要：
一、核苷酸的分解代谢（1.5学时）
1、嘌呤的分解代谢
2、嘧啶核苷酸的分解代谢
3、核酸分解代谢的调节与紊乱
三、核苷酸的合成代谢（0.5学时）
1、嘌呤核苷酸的合成
2、嘧啶核苷酸的合成代谢
3、一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷
4、脱氧核糖核苷酸的生成
5、核苷酸的补救合成途径
教学重点与难点
重点：核苷酸从头合成与补救难点：α-酮酸的代谢去路、嘌呤的分解代谢、核苷酸从头合成的调节
教学内容（2学时）
核酸是生命机体基本组分之一，它常与蛋白质，如组蛋白、鱼精蛋白等结合成核蛋白，分布于细胞核和细胞质中。病毒也是核蛋白。
    核酸在个体的生长、发育及繁殖等过程中起着重要的作用，它也是遗传的物质基础。核酸的基本结构单位--核苷酸，核苷酸可以是某种辅酶，如NAD+，NADP+，FMN，FAD和CoA的组成成分，或是高能化合物的一部分，如NTP，NDP，dNTP和dNDP（N，dN分别指核糖核苷和脱氧核糖核苷），或充当代谢的调节物质，如cAMP等。
　　嘧啶类核苷酸、核苷和碱基分解代谢研究是从1954年发现遍布动物组织及细菌的胞苷脱氨酶开始的。二、三年以后，动物组织中的尿嘧啶和胸腺嘧啶的分解代谢途径也随着解决了。
在组织中核酸可被不同酶类起分解作用
一、核酸的酶促降解：
1、核酸的消化、吸收：
    食物中的核酸多与蛋白质结合为核蛋白，在胃中受胃酸的作用，或在小肠中受蛋白酶作用，分解为核酸和蛋白质。核酸主要在十二指肠由胰核酸酶(pancreatic nucleases)和小肠磷酸二酯酶(phosphodiesterases)降解为单核苷酸。核苷酸水解为核苷和磷酸。核苷可直接被小肠粘膜吸收，或在核苷酶(nucleosidases)和核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylases)作用下，水解为碱基，戊糖或1-磷酸戊糖。　 
    在胃中，核蛋白受到胃酸的作用，可分解成核酸和蛋白质。核酸进入小肠被逐步分解。核酸在核酸酶催化下，水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，其最终产物是各种核苷酸。来自胰液的核酸酶和小肠粘膜细胞分泌的核酸酶，属磷酸二酯酶类，两者协同作用，使进入小肠腔的核酸水解成为核苷酸。肠粘膜细胞中，含有核苷酸酶，属磷酸单酯酶类，可将核苷酸水解成核苷及无机磷酸。核苷酸酶种类很多，各有各的特异性。核苷似毋须再经消化，即可直接被吸收。核酸的消化产物，单核苷酸及核苷都能被吸收进入体内。人体并不一定需要依靠食物供给核酸，这是因为体内可由其它物质合成核苷酸。体内核苷酸的分解代谢与食物中核苷酸的消化过程类似，可降解生成相应的碱基，戊糖或1-磷酸核糖。1-磷酸核糖在磷酸核糖变位酶催化下转变为5-磷酸核糖，成为合成PRPP的原料。碱基可参加补救合成途径，亦可进一步分解。
2、核苷的分解
    嘌呤核苷分解，最初认为是加水分解，经过研究，核苷磷酸解酶广泛存在于生命机体中，催化反应可逆。而核苷水解酶主要存在于植物、微生物体内，只作用于核糖核苷，催化反应不可逆。
二、嘌呤的分解代谢
    嘌呤的分解代谢产物随动物种类而异。人及灵长类、鸟类及某些爬虫类的嘌呤代谢产物为尿酸。
    嘌呤的分解过程主要是：嘌呤核苷酸可以在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸成为嘌呤核苷：如腺苷经腺苷脱氨酶及核苷酶作用分解为次黄嘌呤，次黄嘌呤经黄嘌呤氧化酶作用变为黄嘌呤；鸟苷经核苷酶作用变成鸟嘌呤，鸟嘌呤经鸟嘌呤脱氨酶作用变成黄嘌呤嘌呤核苷在嘌呤核苷磷酸化酶(purine nucleoside phosphorylase,PNP)的催化下转变为嘌呤。嘌呤核苷及嘌呤又可经水解，脱氨及氧化作用生成尿酸，如黄嘌呤经黄嘌呤氧化酶作用则变为尿酸。
体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。正常生理情况下，嘌呤合成与分解处于相对平衡状态，所以尿酸的生成与排泄也较恒定。正常人血浆中尿酸含量约0.12～0.36mmol/L(2～6mg/dl)。当体内核酸大量分解(白血病、恶性肿瘤等)或食入高嘌呤食物时，血中尿酸水平升高，当超过0.48mmol/L(8mg/dl)时，尿酸盐将过饱合而形成结晶，沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾患，称为痛风症。痛风症多见于成年男性，其发病机理尚未阐明。临床上常用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风症。别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，只是分子中N8，与C2互换了位置，故可抑制黄嘌呤氧化酶，从而抑制尿酸的生成。
三、嘧啶核苷酸的分解代谢：
    嘧啶核苷酸的分解代谢途径与嘌呤核苷酸相似。
第三节 核苷酸的合成代谢
一、嘌呤核苷酸的合成：
    体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径：①利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料合成嘌呤核苷酸的过程,称为从头合成途径，是体内的主要合成途径。②利用体内游离嘌呤或嘌呤核苷，经简单反应过程生成嘌呤核苷酸的过程，称重新利用(或补救合成)途径。在部分组织如脑、骨髓中只能通过此途径合成核苷酸。
(一)嘌呤核苷酸的从头合成：
    早在1948年，Buchanan等采用同位素标记不同化合物喂养鸽子，并测定排出的尿酸中标记原子的位置的同位素示踪技术，证实合成嘌呤的前身物为：氨基酸(甘氨酸、天门冬氨酸、和谷氨酰胺)、CO2和一碳单位(N10甲酰FH4，N、N10－甲炔FH4)。随后，由Buchanan和Greenberg等进一步搞清了嘌呤核苷酸的合成过程。出人意料的是，体内嘌呤核苷酸的合成并非先合成嘌呤碱基，然后再与核糖及磷酸结合，而是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。在生物体中先合成IMP，然后按一定程序转变IMP为其他核苷酸如腺苷酸、黄苷酸和鸟苷酸。合成嘌呤核苷酸的原料需要天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO2、甲酰FH4、5-磷酸核糖等化合物。
 
二、嘧啶核苷酸的合成代谢
    嘧啶核苷酸合成也有两条途径：即从头合成和补救合成。
思考与练习
1、嘌呤核苷酸分子中各原子的来源及合成特点怎样？
2、嘧啶核苷酸分子中各原子的来源及合成特点怎样？
第十章DNA的生物合成
教学目的与要求：
掌握中心法则、半保留复制的概念，原核生物DNA复制的过程及所需酶系；原核生物RNA的生物合成，RNA转录后的加工。
熟悉真核生物DNA复制的特点、逆(反)转录作用，DNA损伤或突变的意义、类型及修复方式，真生物RNA合成的特点。
教学内容提要：
一、中心法则（0.5学时）
二、DNA的生物合成（4学时）
1、半保留复制
2、参与DNA复制的酶和蛋白质因子
DNA聚合酶
引物酶与引物体
DNA 连接酶 
拓扑异构酶
解链酶
单链DNA结合蛋白
3、原核生物的DNA复制过程
复制的起始 
DNA复制的延伸 
DNA 复制的终止 
4、真核生物DNA复制的特点
5、逆(反)转录作用
6、聚合酶链式反应（PCR）
三、DNA的损伤与修复（1学时）
1、DNA的突变
突变的因素
突变类型
2、DNA的修复
五、基因工程简介（0.5学时）
教学重点与难点
重点：原核生物DNA复制过程。
难点：半不连续复制、参与DNA复制的酶和蛋白质因子。
教学内容（6学时）
中心法则
    脱氧核糖核酸(DNA)是生物遗传的主要物质基础。生物有机体的遗传特征是以遗传密码(code)的形式编码在DNA分子上的特定的核苷酸排列顺序，即遗传信息。
现代生物学研究证明，细胞利用遗传信息的过程分为三个步骤进行：
&#61692; 复制、转录、翻译







经过以上三个步骤，由DNA作为遗传信息载体，指导蛋白质合成，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。这种遗传信息的传递方向，是从DNA到RNA再到蛋白质，即所谓生物界遗传信息传递的中心法则。
 
在某些情况下，RNA也可以是遗传信息的携带者。如RNA病毒能以自身为模板进行RNA复制；又如致癌的RNA病毒还能通过反转录的方式将遗传信息传递给DNA。
    DNA的生物合成
一、半保留复制
DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确的自我复制，也就是以亲代DNA为模板产生子代DNA的过程，使DNA的量成倍增加，然后平均分配到子代细胞中。所以，DNA的生物合成，其本质就是DNA的复制，它是细胞分裂的物质基础。
在复制过程中，双螺旋DNA分子的两条多核苷酸链先局部拆开为两条单链，每条单链分别作为模板各自合成一条同自己有互补碱基的新链（即新链的碱基与其模板链的碱基为互补），然后各自同具有互补碱基的新链配对，通过氢键联系形成与亲代双链DNA完全相同的两个新双链螺旋DNA分子。每个子代DNA分子的两条核苷酸链中，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的。
    二、参与DNA复制的酶和蛋白质因子
DNA 的合成是以四种三磷酸脱氧核糖核苷为底物的聚合反应，该过程的反应是很复杂的，催化这个反应的酶也有多种，除 DNA 聚合酶外，还有 RNA 引物合成酶（即引发酶）、DNA 连接酶、拓扑异构酶、解旋酶及多种蛋白质因子参与。 
（一）DNA聚合酶
目前已知的 DNA 聚合酶（ DNA polymerase ）有多种，它们的性状和在 DNA合成中的功能均不相同。
DNA聚合酶Ⅰ是研究得最清楚的一种，而且代表了其他DNA聚合酶的基本特点。
a、DNA聚合酶的5′→3′聚合活性
    这是DNA聚合酶最主要的活性。按模板DNA上的核苷酸顺序，将互补的dNTP逐个加到多核苷酸的3′-OH末端（引物RNA引物或者DNA链），并促进3′-OH与dNTP的5′-PO4形成磷酸二酯键。
大肠杆菌每个细胞中约有400个酶分子，每个酶分子每秒钟在37℃下能催化10个核苷酸参入到DNA链中。

 b、DNA聚合酶的3′→5′外切核酸酶活性
    这种酶活性的主要功能是从3′→5′方向识别并切除DNA生长链末端与模板DNA不配对游离的核苷酸。这种功能称为校对功能，这是保证其聚合作用的正确性不可缺少的，因此对于DNA复制中极高的保真性是至关重要的。
5′→3′聚合活性和3′→5′外切酶活性共同存在于klenow片段上。正常情况下进行DNA的合成时，3′→5′外切酶活性受到抑制。一旦出现碱基错配，合成立即停止，3′→5′外切酶活性表现出来，除去错误进入合成链的核苷酸，反应可以正常进行。两种活性共同作用，保证DNA复制正常、正确地进行。
c、DNA聚合酶的5′→3′外切核酸酶活性
    靠近N端的较小部分的片断能切断磷酸二酯键，从DNA链的5′→3′末端水解已配对成功的核苷酸。因此，这种酶活性在DNA损伤的修复中可能起重要作用，对完成的DNA片段去除5′端的RNA引物也是必须的。
    许多实验证实DNA polⅠ并不是DNA复制过程中的主要酶，它的作用主要与DNA损伤后的修复有关。
（二）引物酶与引物体
DNA复制过程的起始，需要有引物的参与。实验证实，引物是一小段RNA片段，它的合成是以DNA为模板，在一种RNA聚合酶的帮助下完成的。这种RNA聚合酶与经典的RNA聚合酶不同，在一定程度上可用脱氧核糖核苷酸代替核糖核苷酸作为底物、催化短片段RNA（一般十几个至数十个核苷酸不等）的合成，被称为引物酶、引物合成酶或引发酶。
（三）DNA 连接酶 
双链 DNA 中的一条链上存在缺口时，缺口处的相邻 5'-P与3'-OH之间可以在DNA连接酶的作用下被共价连接起来，形成磷酸二酯键。DNA连接酶不能将两条游离的DNA单链连接起来，只能作用于一条链有缺口的双链DNA。
连结的过程需要能量：E.coli和某些细菌中由NAD+提供；真核细胞常常由ATP提供。
DNA连接酶是一种重要的工具酶，在 DNA的复制、修复、重组中都起到重要作用。
（四） 拓扑异构酶
生物体内 DNA 分子通常处于超螺旋状态，而 DNA 的许多生物功能需要解开双链才能进行。拓扑异构酶就是催化 DNA 的螺旋数发生变化的酶，它可分为拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅱ。
Ⅰ型酶可使双链 DNA 分子中的一条链发生断裂和再连接，使负超螺旋放松。反应不需要提供能量。
Ⅱ型酶能使 DNA 两条链同时发生断裂和再连接，因此一次反应可以改变两个螺旋数。它需要由ATP提供能量。
（五）解链酶
解链酶具有ATPase活性，能利用水解 ATP释放的能量将双链DNA打开。大肠杆菌中存在两类解链酶：一类酶结合在DNA模板上由5 ' → 3 '方向移动；另一类由3 '→5 '方向移动。解链酶作用时，每解开一对碱基需要水解2个ATP 分子。
（六）单链DNA结合蛋白
它的功能是稳定已被解开的 DNA 单链，阻止其复性并保护单链不被核酸酶降解。同时，它还可以使前端DNA双螺旋的稳定性降低，使得双链容易解开。
三、原核生物的DNA复制过程
原核生物的DNA复制大致可以分为三个阶段，即起始、延长、终止。由于 DNA 双链的合成延伸均为5 ' → 3 '的方向，因此复制是以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，另一条链的合成是不连续的，称为后随链/后滞链/随从链。 
（一）、复制的起始 
1 ．复制的起始点及复制方向 
复制要从DNA分子的特定部位开始，此特定部位称为复制起始点。原核生物的DNA上一般只有一个复制原点，但在迅速生长时期，第一轮复制尚未完成，就在起点处启动第二轮复制；真核生物则有多个复制原点，可以同时启动复制过程。
由于真核生物在多位点上启动复制，所以尽管其DNA比原核生物DNA大得多，但复制的总速度反而比原核生物快。 
DNA 复制时，新链只能从 5 ' →3 ' 端延长。底物（ dNTP ）的 5 ' -P 加到原有的链 3 ' - OH上形成磷酸二酯键的，这就是复制的方向性。生物界存在多种复制形式，例如定点双向复制、单向复制、两点单向复制。
大肠杆菌的复制是定点双向复制，即从一个起始点开始，同时沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成两个复制叉。 
2、复制叉的形成 
在 DNA 的复制原点，双股螺旋解开，成单链状态，分别作为模板，各自合成其互补链。由于复制原点都是在DNA分子的内部，而不是在末端，所以当复制启动后，在复制原点处将DNA双螺旋局部解链，形成“眼状”结构，被称为复制眼。在“眼”的两端，则出现两个叉子状的生长点，称为复制叉。
复制叉上可以结合多种与复制有关的酶和辅助因子，如引发体、DNA 聚合酶等，它们在 DNA 链上构成复合体，彼此配合，进行高度精确的复制。
3. 起始的过程 
DNA 在开始复制时，首先由 DNA 拓扑异构酶结合到超螺旋双链 DAN 分子上，使 DNA 分子局部解超螺旋，然后由解链酶催化在起始点处解开双链。解链酶需要ATP分解供给能量。解链酶的作用就是打开 DNA 双链之间的氢键。双链解开后，单链DNA结合蛋白结合到开放的单链上，起到稳定和保护单链模板的作用。
当两股单链暴露出足够数量的碱基时，DnaB 蛋白辨认出复制的起始部位，并提供信息，于是相关蛋白结合上来，共同组成引物体/引发体。然后，引物酶按5'→3'方向合成约10个核苷酸的RNA引物。这段RNA引物游离的3'-OH 成为进一步合成 DNA 的起点。
引发体主要在DNA后随链上开始。它连续地与引物酶结合并解离，从而在不同部位引导引物酶催化合成 RNA 引物，并在引物RNA的3'-OH末端接下去合成 DNA 片段，这就是后随链不连续合成的开始。
（二）DNA复制的延伸 
1、一般概念
当RNA引物合成之后，在DNA polⅢ的催化下，以四种脱氧核糖核苷5'-三磷酸（dNTP）为底物，在RNA引物的3'-OH以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸并释放出 PPi 。 
DNA链的合成是以两条亲代DNA链为模板，按碱基互补配对原则进行复制的。目前认为子链DNA是沿5'→3'方向合成的。由于亲代DNA的双股链呈反向平行，一条链是5'→3'方向，另一条链是3'→5'方向，所以，在一个复制叉内两条链的复制方向必然相反。
子链中有一条链沿着亲代DNA单链的3'→5' 方向（亦即新合成的 DNA沿5'→3'方向）不断延长。这条新链称为领头链。
而另一条链的合成方向与复制叉的前进方向相反，只能断断续续地合成5'→ 3'的多个短片段。1968年冈崎发现了这些片段，因此它们被命名为冈崎片段。冈崎片断随后连接成大片段，即新的DNA链。由于这条新链的合成是不连续的，而且总晚于前导链，所以称为随从链。
由于前导链是连续合成，而后随链是断断续续合成的，因此这种DNA复制的方式被称为半不连续复制。原核细胞冈崎片段长度约为1000～2000个核苷酸。真核细胞的较短，长度约100～200个核苷酸。
2、复制叉推进的过程（延伸的过程）
① 领头链的合成
引物酶在复制原点附近合成一段RNA引物；
    DNA聚合酶Ⅲ(原核细胞)在引物的3'-OH逐个添加脱氧核苷酸。
    随着复制叉的推进，亲代DNA双螺旋不断被解开，零头链也不断延伸。
② 随从链的合成
引物的合成：随从链的每个冈崎片段都需要合成RNA引物。也是由引物酶催化。 
冈崎片段的合成：DNA聚合酶Ⅲ(原核细胞)在引物的3'末端使DNA链延伸，直至抵达其下游的另一个冈崎片段的RNA引物的5'端。
（三）DNA 复制的终止 
当复制叉移动到终点后，复制停止。
在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，前导链和冈崎片断上的RNA引物被切除；切去 RNA 引物后留下的空隙，由 DNA 聚合酶Ⅰ催化合成一段 DNA 填补上。即，DNA聚合酶Ⅰ一面以其DNA聚合活性在上游冈崎片段的3'-OH末端添加脱氧核苷酸，一面以其5'→3'核酸外切活性切除引物。
接着，在DNA连接酶的作用下，连接相邻的DNA链。
若有错配的碱基，此时将被修复。接着，DNA连接酶将最后的缺口补好。
这样以两条亲代DNA链为模板，各自形成一条新的DNA互补链，结果是形成了两个DNA双股螺旋分子。 

 
复制的终止没有特殊的信号
&#61656; 原核生物中
其环状的DNA从单点开始双向复制，当两个复制叉在复制原点的对面处相遇并合并时，结束复制，形成两个环状DNA分子。
&#61656; 真核生物中
其线状的DNA上有多个复制原点，因此形成多个复制眼，复制叉的推进使复制眼增大，直至各个复制眼融合，复制终止，形成两个线状DNA分子。
 
四、逆(反)转录作用
1、定义
    遗传信息的传递一般是从DNA传到RNA。逆转录则是从RNA转到DNA。携带反转录酶的病毒又称为反转录病毒，它侵入宿主细胞后先以病毒RNA为模板靠反转录酶催化合成DNA，随后这种DNA环化并整合到宿主细胞的染色体DNA中去，以原病毒的形式在宿主细胞中一代代传递下去。后来，又发现许多反转录病毒基因组中都含有癌基因，如果由于某种因素激活了癌基因就可使宿主细胞转化为癌细胞。
2、反转录合成DNA的过程
RNA → RNA-DNA ； cDNA → DNA-DNA
    反转录酶首先以dNTP为底物，以单链RNA为模板，按5′→3′方向合成一条与模板RNA链互补的DNA单链，这条DNA单链叫做互补DNA(complementary DNA, cDNA)。然后使单股链同单股cDNA配合形成RNA- DNA杂种分子。
随后又在反转录酶的作用下，水解掉RNA链，再以剩下的cDNA为模板合成第二条DNA链作为模板合成双链DNA分子。至此，完成由RNA指导的DNA合成过程。 
3、反转录现象的发现，在生物学上是有以下两种重大意义的：
    ①它扩充了遗传信息传递过程中由DNA→RNA中心法则的内容。
    ②它对致癌病毒引起癌细胞产生的机制提供了解释。因为反转录酶存在于所有致癌病毒中，它的存在与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。当RNA病毒侵染寄主细胞时，即可通过反转录酶的催化产生反转录作用，形成病毒DNA。后者经过整合到寄主细胞染色体DNA后即可转录成mRNA，然后再转译成病毒专一的蛋白质，使细胞恶性增生，形成癌肿。现已证实癌肿、白血病和爱滋病（AIDS）的发生都与反转录有关。爱滋病就是HIV的反转录病毒所引起的。
五、聚合酶链式反应（PCR）（了解）
1、原理
PCR聚合酶链式反应（polymerase chain reaction）是70年代中期创立的技术。反应过程类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物，用已知需要扩增的基因序列作为模板，利用对热稳定的DNA聚合酶以及合成所需的4种dNTP等物质，在体外大量合成需要的基因序列。
    PCR反应系统包括含有目的基因或序列的DNA模板，DNA聚合酶（对热稳定），一对脱氧寡核苷酸引物、DNA合成所需要的4种脱氧核苷三磷酸以及保证聚合酶催化反应的Mg2+及缓冲液等。
2、过程
PCR由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成：
　　①模板DNA的变性：模板DNA经加热至93℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作准备；
　　②模板DNA与引物的退火(复性)：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；
　　③引物的延伸：72℃左右，DNA模板--引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，从引物3'-OH端开始，与模板DNA上的碱基配对逐个加上核苷酸，合成新的、与模板DNA 链互补的半保留复制链。
重复循环变性--退火--延伸三个过程，就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟， 2～3小时就能将待扩增的目的基因扩增放大几百万倍。
3、PCR的效率及其它
PCR的三个反应步骤反复进行，理论上使DNA扩增量呈指数上升。但由于反应过程中诸多因素的影响，随着PCR产物的逐渐积累，被扩增的DNA 片段不再呈指数增加，而进入线性增长期或静止期，一般循环30-40次，通常可以获得目的序列106-108倍的扩增产物。
人工合成引物的序列设计是PCR成功的关键。一般两条引物的序列反应分别与欲获得的双链DNA两条链3'端的序列互补。扩增的序列主要限制在所设计的一对引物规定的模板序列范围内。
人们可以方便地用PCR在成千上万的基因序列中获得只有极微含量的特定目的基因或序列。将PCR获得的目的序列产物连接在适当的载体上，转化受体细胞，经筛选就能得到目的序列的克隆。
现在PCR技术还在不断发展，已知部分序列或未知序列的基因有的也能设计PCR来扩增和克隆，模板核酸可用双链DNA，单链DNA，甚至RNA。由于PCR的高灵敏度和特异性，在基因诊断上有更广泛的应用。
第三节 DNA的损伤与修复
DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关重要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。一般在一个原核细胞中只有一份DNA，在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之所在。可修复的DNA序列变化，被称为损伤。
与之相对应，在生物进化中DNA分子也会发生突然的、永久性的变化，被称为突变。突变是与遗传相对立统一而普遍存在的现象。DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。即，不变是相对的，变化是绝对的。
一、DNA的突变
（一）突变的因素
引起基因突变的诱因很多，凡能诱发生物体变异的理化条件统称为诱变因素。
1、自发因素
　　自发突变是指自然存在的而非人工诱发的一类突变。人类基因的自发突变频率在1.0×10-5～1.0×10-8之间，人体单基因病大多为自发突变的结果。例如，英国维多利亚王族的血友病，就是一种基因的自发突变。
    DNA分子受周围环境溶剂分子的热碰撞可以发生碱基脱落；
    复制时也经常发生错配。例如，逆转录酶合成DNA时保真度低，因此RNA逆转录病毒常具有高的自发突变频率。
2、物理因素
紫外线：能够使相邻的嘧啶形成嘧啶二聚体，使转录终止，复制受阻。
电离辐射：α, β, γ, X-射线等能量极高的辐射，能使轨道上的电子脱离原子、造成电离，可造成多种损伤，如DNA断裂、碱基脱落、杂环破裂、氧化等。
3、化学因素
    烷化剂、亚硝酸、羟胺或碱基类似物等，都可以诱发DNA突变。烷化剂：有活泼烷基，可转移到碱基或磷酸上，导致错配(GT)或碱基脱落。
（二）突变类型
上述因素会导致DNA分子结构的变化，有以下几种类型：
1、点突变
廉状红细胞性贫血
3、插入(insertion) 
指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。
4、缺失(deletion)　
指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。
在为蛋白质编码的序列中如果缺失或插入的核苷酸数不是3的整倍数，就会影响三联密码子的阅读、发生阅读框的移动，使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变(frame-shift mutaion)。
    这些DNA上的变化对生物可能产生4种后果：①致死性；②丧失某些功能；③改变基因型(genotype)而不改变表现型(phenotype)；④发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。移码突变往往是致使性的。
二、DNA的修复（自学）
思考题
1、简述原核生物DNA复制主要包括哪些阶段。
2、列举原核生物DNA复制需要用到的酶和蛋白质因子。简要指出它们的作用。
3、为什么说DNA的复制是半不连续复制？什么是冈崎片断、前导链、随后链？4、什么是反转录？主要发生在何种生物中？简述它的过程。
5、紫外线照射会引起DNA发生什么样的损伤？细胞如何修复？
6、 简述PCR的内容及步骤。

    
第十一章  RNA的生物合成（转录）
教学目的与要求：
掌握原核生物RNA的生物合成，RNA转录后的加工。
熟悉真生物RNA合成的特点。
教学内容提要：
RNA的生物合成（6学时）
1、RNA聚合酶
2、原核生物RNA的生物合成
3、真生物RNA合成的特点
4、RNA转录后的加工
5、RNA的复制（以RNA为模板合成RNA）
教学重点与难点
重点：原核生物RNA的生物合成。
难点： RNA转录后的加工。
教学内容（6学时）
DNA贮存着决定生物特征的遗传信息，但执行生命功能、表现生命特征的主要物质是蛋白质分子。DNA是通过RNA去决定蛋白质合成的，只有通过蛋白质才能表达出DNA的生命意义。遗传信息从DNA通过RNA传递到蛋白质，称为基因表达。
    基因表达从转录开始。转录（transcription）：以DNA为模板，合成RNA的过程。这是生物界合成RNA的主要方式。转录也是一种酶促的核苷酸聚合过程，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补原则，在一种依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependent RNA polynerase, DDRP）的作用下，合成与DNA模板互补的RNA链。
RNA与DNA合成的异同：
RNA的转录合成从化学角度来讲类似于DNA的复制，都是以5'→3'的方向在3'-OH末端加入核苷酸并形成磷酸二酯键。但是，由于复制和转录的目的不同，转录又具有其特点：
    （1）单体分子主要是ATP、GTP、CTP、UTP四种核苷酸，合成产物是RNA。   
（2）按照碱基互补原则进行合成。以U代替DNA中的T与A配对。
（3）转录是不对称的：DNA双链中，只有一条作为模板进行转录、生成RNA，它被称为模板链或反义链。与之相对应，另一条链被称为编码链或有意义链（序列与RNA相同）。
在一个包含有许多基因的双链DNA分子中，各个基因的有意义链并不一定是同一条链。这就是说，DNA双链中已知的一条链对于有些基因是有意义链，而对另外一些基因则是反意义链。
    （4）转录是有选择的，对于一个基因组来说，转录只发生在一部分基因，而且每个基因的转录都受到相对独立的控制；而DNA复制的是整条DNA分子。
转录时不需要引物，而且RNA链的合成是连续的。
（5）催化转录的酶是RNA聚合酶，它与DNA聚合酶不同。
一、RNA聚合酶
大肠杆菌RNA聚合酶（即转录酶）含Zn2+，全酶含有四个亚基和一个σ因子，结构为α2ββ′σ。
其中，σ能识别DNA链上的转录起始位点，指导RNA聚合酶正确地结合在DNA模板链的起始位点上。缺乏σ因子时，RNA聚合酶的特异性很差。
两个α亚基呈二聚体，在与启动子结合时发挥作用。
β亚基是酶的催化活性中心。
β′亚基为碱性，适合与模板DNA结合。


真核细胞的转录机制复杂，存在三类不同的RNA聚合酶，即RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，相对分子质量在500×103～700×103之间。。它们在细胞中所处的部位不同，分子结构与性质不同，催化转录的产物也不同。目前对于RNA聚合酶的结构、机制还不是非常清楚。
&#61548; RNA聚合酶Ⅰ存在于核仁，能合成rRNA前体。
&#61548; RNA聚合酶Ⅱ存在于核质，能合成mRNA前体。
&#61548; RNA聚合酶Ⅲ存在于核质，能合成5S核糖体RNA前体、tRNA前体及多种其他小分子RNA前体。
二、 原核生物RNA的生物合成
1、起始 
停留在起始位点的全酶结合第一个核苷三磷酸。加入的第一个核苷三磷酸常是 GTP 或 ATP 。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷酸掺入的位置称为转录起始点。这时σ亚基被释放、脱离核心酶；核心酶与DNA的结合变松弛，可以沿着模板移动。 
2、延伸 
核心酶沿模板移动，并按模板序列选择下一个核苷酸，将核苷三磷酸加到第一个三磷酸核苷（ATP/GTP/?）的3 ' -OH端，并催化形成磷酸二酯键。此后，以DNA为模板，依次结合配对的核苷三磷酸到生长的RNA链的3 ' -OH端，并催化形成磷酸二酯键。 
转录延伸方向是沿 DNA 模板链的 3' → 5' 方向，按碱基配对原则生成5 ' → 3 '的RNA产物。 RNA链延伸时， RNA 聚合酶继续解开一段 DNA双链，长度约 17 个碱基对，使模板链暴露出来。
新合成的RNA 链与模板形成 RNA-DNA 的杂交区。随着生成的RNA链离开模板 DNA，两条DNA 链则重新形成双股螺旋结构。 
3、终止 
在DNA分子上（基因末端）有终止转录的特殊碱基顺序，被称为终止子。它具有使 RNA 聚合酶停止合成 RNA、释放 RNA 链的作用。这些终止信号有的能被 RNA 聚合酶自身识别，而有的则需要有ρ因子的帮助。
ρ因子是一个四聚体蛋白质，它能与 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，并释放出已转录完成的 RNA 链。
不依赖于ρ因子的终止子有两个明显的特征：在 DNA 上有一个 15 ～ 20 个核苷酸的二重对称区，位于 RNA 链结束之前，能形成富含 G-C 的发夹结构。接着有一串大约6个A的碱基序列，它们转录的 RNA 链的末端为一连串的U。寡聚 U 可能提供信号使 RNA 聚合酶脱离模板。
三、RNA转录后的加工
不论原核或真核生物的rRNAs都是以更为复杂的初级转录本形式被合成的，然后再加工成为成熟的RNA分子。然而绝大多数原核生物转录和翻译是同时进行的，随着mRNA开始的DNA上合成，核蛋白体即附着在mRNA上并以其为模板进行蛋白质的合成，因此原核细胞的mRNA并无特殊的转录后加工过程，相反，真核生物转录和翻译在时间和空间上是分天的，刚转录出来的mRNA是分子很大的前体，即核内不均一RNA。hnRNA分子中大约只有10%的部分转变成成熟的mRNA，其余部分将在转录后的加工过程中被降解掉。
四、RNA的复制（以RNA为模板合成RNA）
    以DNA为模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式。但有些生物像某些病毒、噬菌体，它们的遗传信息贮存在RNA分子中，当它们进入宿细胞后，靠复制而传代，即，在RNA指导的RNA聚合酶催化下合成RNA分子。
它们以RNA模板，在RNA复制酶作用下，按5'→3'方向合成互补的RNA分子。但RNA复制酶缺乏校正功能，因此RNA复制时错误率很高，这与反转录酶的特点相似。
RNA复制酶需要专一性的RNA模板、只对病毒本身的RNA起作用，而不会作用于宿主细胞中的RNA分子。例如，Qβ噬菌体的RNA复制酶只能用Qβ病毒RNA为模板，它不用寄主的RNA为模板。


思考题
1简述原核生物转录的几个阶段。
2真核生物RNA生物合成有何特点？
第十二章 蛋白质的生物合成（翻译）
教学目的与要求：
掌握遗传密码的原理和特点、tRNA运载氨基酸的机理、蛋白质生物合成过程。
熟悉原核细胞与真核细胞在蛋白质合成上的区别、蛋白质翻译后加工修饰。
了解细胞中蛋白质的穿膜、真核生物蛋白质的分泌。
教学内容提要：
一、参与蛋白质生物合成的物质（2学时）
1、mRNA是合成蛋白质的直接模板
2、tRNA是氨基酸的运载工具： 
3、核糖核蛋白体
二、蛋白质生物合成过程（2.5学时）
1、氨基酸的活化：
2、多肽链合成的起始： 
3、多肽链的延长：
4、多核糖体循环：
5、原核细胞与真核细胞在蛋白质合成上的区别：
三、蛋白质合成后的加工修饰及分泌（1.5学时）
1、蛋白质翻译后加工修饰
2、细胞中蛋白质的穿膜：
3、真核生物蛋白质的分泌
教学重点与难点
重点：遗传密码的原理和特点、氨基酸的活化、多肽链合成的起始、多肽链的延长。
难点：核糖体、细胞中蛋白质的穿膜、蛋白质翻译后加工修饰
教学内容（6学时）
    蛋白质分子是由许多氨基酸组成的，在不同的蛋白质分子中，氨基酸有着特定的排列顺序，这种特定的排列顺序不是随机的，而是严格按照蛋白质的编码基因中的碱基排列顺序决定的。基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译。翻译的过程也就是蛋白质分子生物合成的过程，在此过程中需要200多种生物大分子参加，其中包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。
第一节 参与蛋白质生物合成的物质
自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种，只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。
一、mRNA是合成蛋白质的直接模板
1、 mRNA的结构
mRNA是细胞内更新快、寿命短的一类 RNA（E.coli在最适温度 37℃下的半衰期为1.5-1.8min），它是多肽链合成的模板。原核细胞中每种mRNA分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质，而真核细胞中，每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子的形式。mRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息，作为蛋白质生物合成的直接模板，决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。不同的蛋白质有各自不同的mRNA，mRNA除含有编码区外，两端还有非编码区。非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5'端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。
2、 密码的破译：
mRNA上有许多由相邻的三个核苷酸组成的遗传密码，在所有密码子中，AUG不仅为蛋氨酸编码，而且又是翻译(translation,以mRNA上的遗传信息指导核蛋白体上多肽链合成的过程)的起始信号，UAA、UAG和UGA不为任何氨基酸编码，而是作为翻译的终止信号，统称为终止码(stop codon)，又常被叫作无意义码(nonsense codon)。
    20种氨基酸的60多组密码，编制出了遗传密码字典，密码的阅读方法5＇→3＇。AUG为起始密码，而UAA，UGA和UAG为终止密码。每种氨基酸少的只有一个密码，多的可有六个，但以两个和四个密码的氨基酸为多数。
3、 遗传密码具有以下几种特点：
（1）起始码与终止码
密码子AUG是起始密码，代表合成肽链的第一个氨基酸的位置，它们位于mRNA5′末端，同时它也是蛋氨酸的密码子，因此原核生物和真核生物多肽链合成的第一个氨基酸都是蛋氨酸。在真核生物CUG偶尔也用作起始蛋氨酸的密码。密码子UAA，UAG，UGA是肽链成的终止密码，不代表任何氨基酸，它们单独或共同存在于mRNA3'末端。因此翻译是沿着mRNA分子5′→3′方向进行的。
（2）密码无标点符号
两个密码子之间没有任何核苷酸隔开，因此从起始码AUG开始，三个碱基代有一个氨基酸，这就构成了一个连续不断的读框，直至终止码。如果在读框中间插入或缺失一个碱基就会造成移码突变，引起突变位点下游氨基排列的错误。 
（3）密码的简并性（Degemeracy）：
    一种氨基酸有几组密码子，或者几组密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性，这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。
（4）密码的通用性：
    大量的事实证明生命世界从低等到高等，都使用一套密码，也就是说遗传密码在很长的进化时期中保持不变。因此这张密码表是生物界通用的。然而，出乎人们预料的是，真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码，例如人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子，AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有四组终止码。内部甲硫氨酸密码子有两个，即AUG和AUA；而起始甲硫氨酸密码子有四组，即AUN。
    密码子结构与氨基酸侧链析性之间也有一定关系。①氨基酸侧链极性性质在多数情况下由断面子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶（Y）时，氨基酸侧链为非极性，第二个碱基为嘌呤时，氨基酸侧链则有极性。②当第一个碱基为U或A，第二个碱基为C，第三个碱基无特异性时，所决定的氨基酸侧链为极性不带电。③当第一个碱基不是U，第二个碱基是P时，氨基酸侧链则带电。在此前提下，若是一个是C或A时，表示带正电的氨基酸，第一、二个碱基分别是G、A时，此种氨基酸带负电，但上述关系也有个别例外。
二、tRNA是氨基酸的运载工具： 
1、tRNA的作用：
    RNA推带的遗传信息被翻译成蛋白质一级结构，但mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者"介绍"，而tRNA分子就充当这个角色。有三个作用：
（1）为了正确地转运所需的氨基酸，tRNA能识别专一性的氨酰tRNA合成酶。
（2）tRNA能识别mRNA的密码子，能将它携带的氨基酸引到照mRNA密码顺序特定的"座位上入座"。
（3）tRNA也能使正在生长的肽链与参加转译过程的核糖体相结合。tRNA在转运氨基酸的过程中首先要识别它的对象氨基酸的活化酶（即氨酰tRNA合成酶），因为tRNA没有识别它的对象氨基酸的能力，要靠专一性的氨酰tRNA合成酶的促合才能同它的对象氨基酸接触。氨酰tRNA合成酶实际上是做了特定氨基酸与特定tRNA之间的"介绍人"。
    tRNA有许多种类，分子大小也不相同，每一个特殊氨基酸至少有一个专一性的tRNA去结合转运。接受不同氨基酸的tRNA有不同的碱基顺序。tRNA通过氨酰tRNA合成酶的促合找着它的对象活化氨基酸后，即同其对象氨基酸结合成氨酰tRNA，并将它带到核糖体上去。
    tRNA是类小分子RNA，长度为73-94个核苷酸，tRNA分子中富含稀有碱基和修饰碱基，tRNA分子3'端均为CCA序列，氨基酸分子通过共价键与A结合，此处的结构也叫氨基酸臂。每种氨基酸都有2-6种各自特异的tRNA，它们之间的特异性是靠氨基酰tRNA合成酶来识别的。这样，携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功tRNA，它们在细胞内合成量上有多和少的差别。
2、反密码与密码碱基配对时的摇摆现象（摆动假说）：
tRNA分子中还有一个反密码环，此环上的三个反密码子的作用是与mRNA分子中的密码子靠碱基配对原则而形成氢键，达到相互识别的目的。但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性，即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基酸对时并不严格。配对摆动性完全是由tRNA反密码子的空间结构所决定的。反密码的第1位碱基常出现次黄嘌呤I，与A、C、U之间皆可形成氢键而结合，这是最常见的摆动现象。这种摆动现象使得一个tRNA所携带的氨基酸可排列在2-3个不同的密码子上，因此当密码子的第3位碱基发生一定程度的突变时，并不影响tRNA带入正确的氨基酸。在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA被称为起始tRNA，它们参加多肽链合成的起始，其它在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA，统称为延伸tRNA。
三、核糖核蛋白体
    核蛋白体是由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒，位于胞浆内，可分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成，另一类游离于胞浆，主要参与细胞结构蛋白质的合成。核糖体是细胞中的主要成分之一，在一个生长旺盛的细菌中大约有20000个核糖体，其中蛋白质占细胞总蛋白质的10%，RNA占细胞总RNA的80%。
任何生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成现在认为rRNA与蛋白质共同的构成的核糖体功能区是核蛋白体表现功能的重要部位，如GTP酶功能区，转肽酶功能区以及mRNA功能区等等。
第二节 蛋白质生物合成过程
蛋白质生的合成亦称为翻译（Translation），即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋折质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。这也是基因表达的第二步，产生基因产物蛋白质的最后节段。不同的组织细胞具有不同的生理功能，是因为它们表达不同的基因，产生具有特殊功能的蛋白质，参与蛋白质生物合成的成份至少有200种，其主要体第主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。
    原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多的区别，真核生物此过程更复杂。下面以E.coli所得有关资料说明蛋白质生物合成的条件、过程及机理。着重介绍原核生物蛋白质合成的过程，并指出真核生物与其不同这处。蛋白质生物合成可分为五个阶段，氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。
一、氨基酸的活化：
    氨基酸在进行合成多肽链之前,必须先经过活化以获得额外的能量。,然后再与其特异的tRNA结合，带到mRNA相应的位置上,这个过程靠氨基酰tRNA合成酶（amino acyl-tRNA synthetase）催化，此酶是一类具有较高特异性的酶，催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合。它既能识别特异的氨基酸，又能辨认携带该氨酰基的特异的tRNA分子。每种氨基酸都靠其特有合成酶催化，使之和相对应的tRNA结合，在氨基酰tRNA合成酶催化下，利用ATP供能,在氨基酸羧基上进行活化,形成氨基酰-AMP，再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物，此复合物再与特异的tRNA作用，将氨基酰转移到tRNA的氨基酸臂(即3'-末端CCA-OH)上。这种活化反应是在特异的氨酰tRNA合成酶催化下，在胞液中进行的。在氨酰基腺苷酸（AA～AMP）分子中，氨酰基是同腺苷酸核糖C-5′上的磷酸基结合的。
    氨酰tRNA合成酶对氨基酸及其相应的tRNA的专一性很高，一种特定的合成酶一般只能活化一种氨基酸。蛋白质的20种氨基酸，至少有20种以上的专一性活化酶。

二、多肽链合成的起始：
    原核细胞中mRNA上的起始密码子为AUG，少数为GUG，而AUG与GUG又分别是链内甲硫氨酸与缬氨酸的密码子，那么起始tRNA即甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNAf）怎样找到真正的起始密码子呢？
大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的过程：
    它需要核蛋白体30S和50S亚基，带有起始密码AUG的mRNA，fMet-tRNAf（或Met-tRNAf，N10-甲酰四氢叶酸和甲酰化酶），起始因子ⅠF1，ⅠF2和ⅠF3（分子量分别约为10000，80000和21000的蛋白质）以及GTP和Mg2+。其步骤是：
    （1）在IF3参加下，非功能性70S核蛋白体大小亚基分开。
    （2）核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位：
    （3）30S前起始复合物的形成：在起始因子2作用下，甲酰蛋氨酰起 始tRNA与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即IF2-3S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物，此步需要GTP和Mg2+参与。
    （4）70S起始复合物的形成：50S亚基上述的30S前起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物，即30S亚基-mRNA-50S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延长阶段。
三、多肽链的延长：
它需要带有mRNA的功能性70S核蛋白体，氨酰-tRNA，肽酰基转移酶，延伸因子EF-Tu和 EF－Ts（分别是分子量为19000和400O0的蛋白质）和移位因子（也叫移位酶） EF-G（分子量为80000的蛋白质）， GTP和 Mg2+。在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位，转肽和移位三个步骤。其步骤是：
（1）进位：为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位上。
①核蛋白体"给位"上携甲酰蛋氨酰　基（或肽酰）的tRNA
②核蛋白体"受体"上新进入的氨基酰tRNA;
③失去甲酰蛋氨酰基（或肽酰）后，即将从核蛋白体脱落的tRNA;
④接受甲酰蛋氨酰基（或肽酰）后已增长一个氨基酸残基的肽键
（2）转肽：肽键的形成（peptide bond formation）。
    在70S起始复合物形成过程中，核糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA，当进位后，P位和A位上各结合了一个氨基酰tRNA，两个氨基酸之间在肽基转移酶或核糖体转肽酶作用下，P位上的氨基酸提供α-COOH基，与A位上的氨基酸的α-NH2形成肽键，从而使P位上的fMet-tRNAf的fMet基转给A位上新来的AA-tRNA，fMet的羧基与A位新来氨基酸的NH2基结合形成肽键，这就是转肽。转肽后，在A位上形成了一个二肽酰tRNA，无载荷的OH-tRNAf仍留在P位上。
（3）移位（Translocation)：
在移位因子（即移位酶）EF-G存在下，上步骤生成的肽酰基移位，即由A位点移向P位点，新的密码子进入A位点，同时释放出无负载的tRNA。
    转肽作用发生后，氨基酸都位于A位，P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3'端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入，移位过程需要EF-2，GTP和Mg2+的参加（图18-14）。以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位，转肽，移位的步骤，直至所需的长度，实验证明mRNA上的信息阅读是从5'端向3'端进行，而肽链的延伸是从氮基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端四、翻译的终止及多
肽链的释放：它需要70S核蛋白体，带有终止密码UAA或UAG或UGA的mRNA，终止因子RF1、RF2、 RF3（或叫S）。
无论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG，UAA和UGA。没有一个tRNA能够与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子，原核生物有三种释放因子：RF1、RF2、 RF3。RF1识别UAA和UAG，RF2识别UAA和UGA。RF3的作用还不明确。真核生物中只有一种释放因子eRF，它可以识别三种终止密码子。
    四、多核糖体循环：
    上述只是单个核糖体的翻译过程，事实上在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的3'端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。两个核糖体之间有一定的长度间隔，每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率。多聚核糖体的核糖体个数，与模板mRNA的长度有关，例如血红蛋白的多肽链mNRA编码区有450个核苷酸组成，长约150nm 。上面串连有5-6个核糖核蛋白体形成多核糖体。而肌凝蛋白的重链mRNA由5400个核苷酸组成，它由60多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成。
第三节 蛋白质合成后的加工修饰及分泌
    刚合成出来的多肽链多数是没有功能的，要经过各种方式的加工（processing）才能成为有生物功能的蛋白质，这种蛋白质在翻译完成后经过多种共价修饰的过程叫做翻译后加工。加工的方式很多。例如：
一、蛋白质翻译后加工修饰
    从核糖体上释放出来的多肽链，按照一级结构中氨基酸侧链的性质，自竹卷曲，形成一定的空间结构，过去一直认为，蛋白质空间结构的形成靠是其一级结构决定的，不需要另外的信息。近些年来发现许多细胞内蛋白质正确装配都需要一类称做"分了伴侣"的蛋白质帮助才能完成，这一概念的提出并未否定"氨基酸顺序决定蛋白空间结构"这一原则。而是对这一理论的补充，分子伴侣这一类蛋白质能介导其它蛋白质正确装配成有功能活性的空间结构，而它本身并不参与最终装配产物的组成。目前认为"分子伴侣"蛋白有两类，第一类是一些酶，例如蛋白质二硫键异构酶可以识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基位置上重新形成二硫键，第二类是一些蛋白质分子，它们可以和部分折叠或没有折叠的蛋白质分子结合，稳定它们的构象，免遭其它酶的水解或都促进蛋白质折叠成正确的空间结构。总之"分子伴侣"蛋白质合成后折叠成正确空间结构中起重要作用，对于大多数蛋白质来说多肽链翻译后还要进行下列不同方式的加工修饰才具有生理功能。
1、多肽链的折叠和亚基的聚合： 
    多肽链的折叠：蛋白质的一级结构决定高级结构，所以合成后的多肽链能自动折叠。许多蛋白质的多肽链可能在合成过程中已经开始折叠，并不一定要从核糖体上脱下来以后才能折叠形成特定的构象。但是在细胞中并不是所有蛋白质合成后都能自动折叠，现已在多种细胞中发现了1个能帮助其他蛋白质折叠的蛋白质，称分子伴侣（molecular chaperones）或多肽链结合蛋白（polypeptide chain binding proteins），有些蛋白质在分子伴侣的帮助下，折叠成正确的构象。
    亚基的聚合：有许多蛋白质是由二个以上亚基构成的，这就需这些多肽链通过非共价键聚合成多聚体才能表现生物活性。例如成人血红蛋白由两条α链，两条β链及四分子血红素所组成，大致过程如下：α链在多聚核糖体合成后自行释下，并与尚未从多聚核糖体上释下的β链相连，然后一并从多聚核糖体上脱下来，变成α、β二聚体。此二聚体再与线粒体内生成的两个血红素结合，最后形成一个由四条肽链和四个血红素构成的有功能的血红蛋白分子。
2、氨基端和羧基端的修饰
    在原核生物中几乎所有蛋白质都是从N-甲酰蛋氨酸开始，真核生物从蛋氨酸开始。甲酰基经酶水解而除去，蛋氨酸或者氨基端的一些氨基酸残基常由氨肽酶催化而水解除去。包括除去信号肽序列。因此，成熟的蛋白质分子N-端没有甲酰基，或没有蛋氨酸。同时，某些蛋白质分子氨基端要进行乙酰化在羧基端也要进行修饰。
①N端甲酰基或N端氨基酸的除去：原核细胞蛋白质合成的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，经去甲酰基酶水解除去N端的甲酰基，然后在氨肽酶的作用下再切去1个或多个N端的氨基酸。现在还不很清楚原核细胞中这种加工是发生在肽链合成过程中还是肽链合成后。真核细胞中N端的甲硫氨酸常常在肽链的其他部分还未完全合成时就已经水解下来。
②信号肽的切除：某些蛋白质在合成过程中，在新生肽链的N端有一段信号肽（大约15～30个氨基酸残基），它由高度疏水性的氨基酸组成，这种强的疏水性有利于多肽链穿过内质网膜，当多肽链穿过内质网膜，进入内质网腔后立即被信号肽酶作用，将信号肽除去。
3、共价修饰
    许多的蛋白质可以进行不同的类型化学基团的共价修饰，修饰后可以表现为激活状态，也可以表现为失活状态。
二、细胞中蛋白质的穿膜：
不论是原核还是真核生物，在细胞浆内合成的蛋白质需定位于细胞特定的区域，有些蛋白质合成后要分泌到细胞外，这些蛋白质叫做分泌蛋白。在细菌细胞内起作用的蛋白质一般靠扩散作用而分布到它们的目的地。如内膜含有参与能量代谢和营养物质转运的蛋白质；外膜含有促进离子和营养物质进入细胞的蛋白质；在内膜与外膜之间的间隙称为周质，其中含有各种水解酶以及营养物质结合蛋白。真核生物细胞结构更为复杂，而且有多种不同的细胞器，它们又具有各不相同的膜结构，因此合成好的蛋白质还要面临跨越不同的膜而到达细胞器。
    细胞的内膜蛋白，外膜蛋白和周质蛋白是怎样越过内膜而到其目的地的呢？绝大多数越膜蛋白的N端都具有大约15-30个以疏水氨基酸为主的N端信号序列或称信号肽。信号肽的疏水段能形成一段α螺旋结构。在信号序列之后的一段氨基酸残基也能形成一段α螺旋，两段α螺旋以反平行方式组成一个发夹结构，很容易进入内膜的脂双层结构，一旦分泌蛋白质的N端锚在膜内，后续合成的其它肽段部分将顺利通过膜。疏水性信号肽对于新生肽链跨膜及把它固定的膜上起一个拐掍作用。之后位于内膜外表面的信号肽酶将信号肽序列切除。当蛋白质全部翻译出来后，羧端穿过内膜，在周质中折叠成蛋白质的最终构象。
思 考 题
1、遗传密码表有哪些特点？
2、核蛋白体的主要组成及工作原理？
3、氨基酰tRNA合成酶的特点？ 
4、肽链合成时起始复合物的形成过程。
5、分泌蛋白质的结构特点及加工后分泌过程是怎样进行的。
6、为什么蛋白质生物合成被认为是生命科学重大、基本研究课题之一？
7、简要且明确地解说下列名词、概念：信使假说、密码子和反密码子、密码和遗传密码字典、 p位和A位、氨基酸活化、起始、延伸和终止因子。
8、 mRNA遗传密码是怎样确立的？ mRNA密码子与tRNA反密码子是如何配对的？它在蛋白质合成中起什么作用？
8、tRNA是怎样参与氨基酸活化的？在蛋白质中它是如何起转运和交接氨基酸作用的？
10、蛋白质生物合成有哪些调节方式？
10:56
08:28
10-21
10-14
10-13
10-12
09-22
 
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