生物化学基础知识整理总结

生物化学基础知识整理总结

第一节蛋白质的分子组成

一、蛋白质的元素组成

碳50～55%、氢6%～7%、氧19%～24%、氮13%～19%，硫0～4%。有的蛋白质含有磷、碘。少数含铁、铜、锌、锰、钴、钼等金属元素。

蛋白质的含氮量平均为16%

每克样品中含氮克数×6.25×100=100克样品中蛋白质含量克%

二、蛋白质的基本组成单位氨基酸（aminoacid）

1氨基酸的结构通式

天然蛋白质的基本氨基酸共20种。为L-α-氨基酸甘氨酸除外生物界中也发现一些D系氨基酸，主要存在于某些抗菌素以及个别植物的生物碱中。

2氨基酸的分类

按其α-碳原子上侧链R的结构和理化特性的不同可分为：

1）非极性疏水性氨基酸： 氨基酸的R基团不带电荷或极性极微弱的，如：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。R基团具有疏水性。

2极性中性氨基酸： R基团有极性，但不解离，或仅极弱地解离，它们的R基团有亲水性。如：丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺、天门冬酰胺。

3酸性氨基酸：

R基团有极性，且解离，在中性溶液中显酸性，亲水性强。如天门冬氨酸、谷氨酸。

4碱性氨基酸：

R基团有极性，且解离，在中性溶液中显碱性，亲水性强。如组氨酸、赖氨酸、精氨酸。

3氨基酸的理化性质

1）两性解离及等电点

氨基酸分子都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，因而是一种两性电解质。在溶液中其所带电荷取决于溶液的pH值，当氨基酸分子带有相等正、负电荷，即所带净电荷为零时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。 2）紫外吸收性质

色氨酸、酪氨酸吸收峰在280nm左右，苯丙氨酸吸收峰在254nm。可利用此性质采用紫外分分光度法测定溶液中蛋白质的含量，该法简便快捷。

3）茚三酮反应

氨基酸可与茚三酮缩合产生蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm。可利用此性质测定氨基酸的含量。

四、蛋白质的分类

（一）组成：单纯蛋白质及结合蛋白质

（二）蛋白质分子形状：球状蛋白质及纤维状蛋白质

（三）蛋白质的功能：

活性蛋白质：酶、激素蛋白质、运输和贮存蛋白质等非活性蛋白质：胶原、角蛋白等

第二节蛋白质的分子结构

蛋白质为生物高分子物质，具有三维空间结构，执行复杂的生物学功能。蛋白质结构与功能之间的关系密切。将蛋白质分子结构分为一级、二级、三级、四级结构四个层次，后三者统称为高级结构或空间构象（conformation）。

一、蛋白质的一级结构

1概念：

蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序sequence）。

由基因上遗传密码的排列顺序所决定。氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，肽键是蛋白质结构中的主键。

蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构

二、蛋白质的二级结构

蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。

一蛋白质的二级结构

1概念：

蛋白质的二级结构secondarystructure）多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。

2肽键平面或称肽单位，peptideunit1）中的C-N键长0.132nm，比相邻的N-C单键0.147nm）短，而较一般C=N双键0.128nm）长，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将固定在一个平面之内

2）肽键的C及N周围三个键角之和均为360°，六个原子基本同处一个平面，肽链中能够旋转的只有α碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。

3蛋白质主链构象的结构单元

蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋，β-折迭，β-转角及无规卷曲

α——螺旋

1）多个肽键平面通过α－碳原子紧密盘曲成稳固的右手螺旋。2）主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm。3）相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和N-H之间形成许多链内氢健，每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的C＝O之间形成氢键。4）肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧。

极大的侧链基团（存在空间位阻）；连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基；有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。

β——片层结构

β-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象。

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侧链伸出在锯齿的上方或下方。②两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与NH之间形成氢键。③两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。④平行的β－片层结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的β－片层结构，则间距为0.7nm。

β——转角

蛋白质分子中，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β－turn或β－bend。β－转角通常有4个氨基酸组成，靠第一个氨基酸残基的C＝O与第四个残基的NH之间形成氢键，而使结构稳定。

无规卷曲

多肽主链中除可形成前述α－螺旋、β－片层、β－转角等有规律的构象外，其他部分没有确定规律性的肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，称无规卷曲randomcoil）。

模序 模序是指在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构肽段常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成一个具有特殊功能的空间结构。如钙结合蛋白中的结合钙离子模序，锌指结构等。

三蛋白质的三级结构

1概念：

一条多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折迭形成具有一定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构tertiarystructure），即整条多肽链中所有原子在三维空间的排布位置。

2维系力：

维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等，但也有共价键，如二硫键等。

3结构域domain） 结构域也是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。在较大的蛋白质分子中，蛋白质三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，每个区域折叠得较为紧密，有独特的空间构象，各行其功能，称为结构域。

四蛋白质的四级结构

1概念：

是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。quarternarystructure）每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基subunit）。

2维系力：

维持蛋白质四级结构稳定的有氢键、疏水键、盐键以及范德华力等次级键。

一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。

第三节蛋白质的结构与功能的关系

一、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系

（一）一级结构是空间结构的基础

特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。

变性与复性的研究也说明了蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构。（二）一级结构与功能的关系

一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似，不同种属的生物体的同一功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小。

二、蛋白质空间橡象与功能活性的关系

蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。

（一）血红蛋白和肌红蛋白的结构

Mb的功能主要是在肌肉中储存O2，Hb在体内的主要功能为运输氧气，是含有血红素辅基的蛋白质，血红素的铁原子共有6个配位键，其中4个与血红素的吡咯环的N结合，一个与珠蛋白亚基F螺旋区的第8位组氨酸F8）残基的咪唑基的N相连接，空着的一个配位键可与O2可逆地结合。

血红蛋白的蛋白质部分称为珠蛋白globin），非蛋白质部分辅基称为血红素。Hb分子由四个亚基构成，结合一分子血红素。正常成人Hb分子的四个亚基为两条α链，两条β链。

α链由141个氨基酸残基组成，有7个α－螺旋区在E和F螺旋段间的20多个巯水氨基酸侧链构成口袋形的疏水区，血红素就嵌接在其中。

β链由146个氨基酸残基组成，有8个α－螺旋区。

α亚基中α亚基和β亚基构象相似。四亚基间有8对盐键，它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。

（二）血红蛋白的构象变化和结合氧

在血红素中，四个吡咯环形成一个平面：

1、未与氧结合时Hb的α/β和α/β呈对角排列，结构较为紧密，称为紧张态（tensestateT态）Fe++的位置高于平面0.075nm。

2、当O2进入某一个α亚基的疏水"口袋"时，与Fe++的结合会使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向该平面内移动约0.075nm，铁的位置的这一微小移动，牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个α亚基间盐键断裂，使亚基间结合变松，使α/β和α/β的长轴形成15°的夹角，结构较为松弛，称为松弛态（relaxedstateR态）并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合，进而使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。

协同效应cooperativity）的定义是指一个亚基与其配体结合后，能影响寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应，反之称为负协同效应。

第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化

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、呈色反应、成盐反应等，也有一部分又不同于氨基酸，如高分子量、胶体性、变性等。根据蛋白质的理化特性，常采用盐析、透析、电泳、层析及超速离心等方法来分离纯化蛋白质。

一、蛋白质的理化特性

（一）蛋白质的两性电离

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外，侧链中尚有一些解离基，如谷氨酸、天门冬氨酸残基中的γ和β-羧基，赖氨酸残基中的ε-氨基，精氨酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基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，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点isoelectricpoint，简写pI →处于等电点的蛋白质颗粒，在电场中并不移动。蛋白质溶液的pH大于等电点，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。

碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏碱性，如组蛋白、精蛋白等。反之，凡酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性，人体体液中许多蛋白质的等电点在pH5.0左右，所以在体液中以负离子形式存在。

（二）蛋白质的胶体性质

蛋白质分子量颇大，介于一万到百万之间，故其分子的大小已达到胶粒1～100nm范围之内。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，称水化膜，从而阻止蛋白质颗粒的相互聚集。

（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固

天然蛋白质的严密结构在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，称之为蛋白质的变性作用denaturation）。变性蛋白质只有空间构象的破坏，蛋白质变性本质是次级键，二硫键的破坏，并不涉及一级结构的变化。变性蛋白质和天然蛋白质最明显的区别是溶解度降低，同时蛋白质的粘度增加，结晶性破坏，生物学活性丧失，易被蛋白酶分解。

蛋白质变性的原因

物理因素加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波等；化学因素强酸、强碱、乙醇、尿素、重金属盐、十二烷基磺酸钠SDS）等。

在临床医学上，变性因素常被应用于消毒及灭菌。反之，注意防止蛋白质变性就能有效地保存蛋白质制剂。

蛋白质变性后，疏水基团外露，肽链融合相互缠绕继而聚集，因而从溶液中沉淀析出，此称蛋白质的沉淀。引起蛋白质沉淀的方法主要有：盐析、有机溶剂沉淀，重金属盐沉淀，生物碱试剂沉淀等。

将接近于等电点附近的蛋白质溶液加热，可使蛋白质可形成比较坚固的凝块，称蛋白质凝固。加热首先是加热使蛋白质变性，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。

蛋白质的变性、沉淀，凝固相互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，故仍溶于强酸或强碱之中。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）蛋白质的紫外吸收

蛋白质中含有Tyr和Trp，因此在280nm处有特征性紫外吸收峰，且在一定浓度范围内，其A280nm与蛋白浓度呈正比，可用于蛋白质定量。

（五蛋白质的呈色反应

1茚三酮反应

α－氨基酸与水化茚三酮苯丙环三酮戊烃作用时，产生蓝色反应，由于蛋白质是由许多α－氨基酸组成的，所以也呈此颜色反应。

2双缩脲反应

蛋白质在碱性溶液中与硫酸铜作用呈现紫红色，称双缩脲反应。凡分子中含有两个以上－CO－NH－键的化合物都呈此反应。

二、蛋白质的分离纯化

一丙酮沉淀及盐析

用丙酮沉淀时，必须在0-4℃的低温条件下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白体积。

在蛋白质溶液中加入大量的中性盐以破坏蛋白质的胶体稳定性而使其析出，这种方法称为盐析。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。调节蛋白质溶液的pH至等电点后，再用盐析法则蛋白质沉淀的效果更好。

（二）电泳

带电粒子在电场中移动的现象称为电泳。蛋白质分子在溶液中可带净的负电荷或带净的正电荷，故可在电场中发生移动。不同的蛋白质分子所带电荷量不同，且分子大小也不同，故在电场中的移动速度也不同，据此可互相分离。

（三）透析与超滤

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，可利用透析袋将生物大分子物质与小分子物质分开的方法称为透析dialysis）。利用正压或离心力使蛋白质溶液透过有一定截留分子量的超滤膜达到浓缩蛋白质的目的称超滤。

（四）层析

层析（chromatography）是一种利用混合物中各组分理化性质的差异，在相互接触的两相（固定相与流动相）之间的分布不同而进行分离分析的技术方法。主要的层析技术有离子交换层析，凝胶层析，吸附层析及亲和层析等。图1-26

（五）超速离心

超速离心可用来分离纯化蛋白质，也可用来测定蛋白质的分子量。蛋白质分子在强大的离心力作用下，在溶液中回发生沉降，直至其所受的浮力与离心力相等，此时沉降停止。此时，不同的蛋白质分子分布于不同的液层而分离。

（六）分子筛

又称凝胶过滤，是层析的一种，利用多孔状的凝胶颗粒根据蛋白质的分子大小进行分离的一种层析技术。

第一节核酸的化学组成

核酸包括DNA和RNA两大类。

组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，P含量恒定，约占9～10%。测定P含量来代表核酸量。

核酸经水解可得到核苷酸，核苷酸水解产生核苷和磷酸，核苷水解，产生戊糖和含氮碱基。

一、核苷酸中的碱基成分

核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱purine）主要是鸟嘌呤guanine，G）和腺嘌呤adenine，A），嘧啶碱pyrimidine）主要是胞嘧啶cytosine，C）、尿嘧啶uracil，U）和胸腺嘧啶thymine，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）只存在于DNA，而尿嘧啶U）只存在于RNA。

嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析。

二、戊糖与核苷

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。戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C-1′与嘧啶碱的N-1或嘌呤碱的N-9相连接。

第二节核酸的一级结构

核酸（DNA和RNA）的一级结构是指其中的核苷酸的排列顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的3′-OH与下一位核苷酸的5′位磷酸形成3′，5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，核酸具有方向性末端分别称为5′末端和3′末端。DNA的书写应从5''到3''。

RNA与DNA的差别主要有：

1）DNA中核苷酸的戊糖是脱氧核糖；2）RNA中的嘧啶碱基不含胸腺嘧啶。

表示一个核酸分子结构的方法有多种。碱基序列的书写是由左向右书写，左侧是5′末端，右侧为3′末端。

寡核苷酸oligonucleotide）是指二至十个甚至更多个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。目前多由仪器自动合成而用作DNA合成的引物Primer）、基因探针probe）等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。

第三节DNA的空间结构与功能

一、DNA的二级结构双螺旋结构模型doublehelixmodel）

（一）DNA的碱基组成

Chargaff规则

（1）几乎所有的DNA，无论种属来源如何，A=TG=C，A＋G=C＋T；2）不同生物来源的DNA碱基组成不同，即A＋T/G＋C比值不同；3）同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同;4）一种生物DNA碱基组成不随年龄、营养状态、环境变化而改变（二）DNA双螺旋结构模型的要点 1953年，Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNA的X-射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：

⑴反平行的右手双螺旋结构螺距为34nm，直径为20nm。每圈10对碱基存在大沟、小沟⑵主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧⑶两链间A与T互补形成两个氢键，G与C三个氢键⑷螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力

DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。

二、DNA的超螺旋结构

一DNA超螺旋-原核生物DNA的高级结构

环状和超螺旋示意图 双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环covalentlyclosedcircle，CCC）分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构superhelix或supercoil研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。

二DNA在真核细胞内的组装

1染色质chromatin）

染色质的基本单位是核小体nucleosome）。由DNA和组蛋白组成。

组蛋白histones）分为五种类型，即H1、H2A、H2B、H3和H4。H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体，以及缠绕其长度为146bp的DNA链；核心颗粒间约60bp的连接DNA和组蛋白H1有构成的连接区连接起来形成串珠样结构图2-8）。 三、DNA的功能

DNA是遗传信息的载体，基因就是DNA分子中的某一区段。DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。

第四节RNA的空间结构与功能

DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现，但DNA并非蛋白质合成的直接模板，合成蛋白质的模板是RNA。正常细胞遗传信息的流向是：DNA→RNA→蛋白质

与DNA相比，RNA种类繁多，分子量相对较小，一般以单股链存在，但可以有局部二级结构，其碱基组成特点是含有尿嘧啶uridin，U）而不含胸腺嘧啶，碱基配对发生于C和G与U和A之间，RNA碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。此外，tRNA还具有明确的三级结构。

一、信使RNAmRNA）的结构与功能

1mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。2mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA35’-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子43’-端的多聚腺苷酸polyA）尾5mRNA分子中带有遗传密码

二、转运RNAtRNA）

1）分子最小，含有稀有碱基最多10%～20%2）二级结构局部双螺旋的形成三叶草结构。包括：氨基酸臂3′末端CCA-OH、DHU环、反密码环、Tψ环等

功能：转运氨基酸tRNAtransferRNA）在假尿嘧啶核苷中，不是通常嘧啶环中1位氮原子，而是嘧啶环中的5位碳原子与戊糖的1′位碳原子之间形成糖苷键。

tRNA的共同三级结构均呈倒L形，其中3′末端含CCA-OH的氨基酸臂位于一端，反密码子环位于另一端，DHU环和TΨ环虽在二级结构上各处一方，但在三级结构上却相互邻近。三

核蛋白体RNArRNA）

●核蛋白体RNAribosomalRNA）：是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，核蛋白体ribosome）是蛋白质生物合成的场所。

大肠杆菌核蛋白体小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成大亚基由5S、23SrRNA和31种蛋白质构成。

真核生物核蛋白体小亚基含18SrRNA和30多种蛋白质，大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA，近50种蛋白质。

四、其它RNA分子

小核RNAsnRNA，smallnuclearRNA）存在于真核细胞的细胞核内其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的剪接，在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中起着十分重要的作用。

小胞浆RNAscRNA，smallcytosolRNA）：存在于细胞浆中，是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体的组成成分。

核仁小RNAsnoRNA，smallnucleolarRNA）：催化性小RNAsmallcatalyticRNA）●小片段干扰RNAsiRNA，smallinterferingRNA）：与外源基因表达的相mRNA结合并诱发其mRNA降解。

五、核酶

某些RNA分子本身具有自我催化能力可以完成rRNA的剪接.这种具有催化作用的RNA被称为核酶第五节核酸的理化性质及其应用

一、核酸的一般理化性质

核酸为多元酸，具有较强的酸性。DNA是线状高分子，粘度很大，RNA分子较小，因此粘度也小得多。DNA分子在机械力的作用下易发生断裂。DNA和RNA都具有紫外吸收特性，最大吸收峰在260nm。

二、DNA的变性、复性与分子杂交

1DNA变性denaturation）

在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变

●变性的因素：

①高温②强酸强碱③有机溶剂等

变性后的性质改变：

①增色效应：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象②旋光性下降③粘度降低④生物学功能丧失或改变

DNA解链温度：

加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度（融解温度，Tm）G+C的含量越高，则Tm越高

2、DNA复性renaturation）

指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分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annealing）。

3分子杂交：hybridization）

两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。

DNA变性、复性与分子杂交核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。不同来源的核酸变性后，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，形成所谓的杂化双链这个过程称为杂交

酶

第一节酶的分子结构与功能

一、酶的分子组成

根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。

单纯酶simpleenzyme）是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。结合酶conjugatedenzyme）的催化活性，除蛋白质部分酶蛋白外，还需要非蛋白质的物质，即酶的辅助因子cofactors）。

■全酶结合蛋白质=酶蛋白蛋白质部分+辅助因子非蛋白质部分

酶的辅助因子金属离子小分子有机化合物。与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶。与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅基。酶蛋白决定反应的特异性辅酶与辅基运载氢原子、电子、基团。金属离子稳定构象、构成酶的活性中心、连接作用。

现知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二、酶的活性中心

酶的分子中存在有许多功能基团例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但并不是这些基团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团essentialgroup）。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心activecenter），对于结合酶来说，辅酶或辅基上的一部分结构往往是活性中心的组成成分。

构成酶活性中心的必需基团可分为两种，与底物结合的必需基团称为结合基团，促进底物发生化学变化的基团称为催化基团。还有些必需基团虽然不参加酶的活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶的活性中心以外的必需基团。

不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。

第二节酶促反应的特点与机制

酶是生物催化剂biologicalcatalyst），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。

酶与一般催化剂的共同点包括：

①能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应；②能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点；③一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。

酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能因为酶是蛋白质，所以酶促反应又固有其特点： 一、酶促反应的特点

1高度的催化效率

酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率。

酶促反应速度比非催化反应高107-13倍，例如，反应

2H2O2→2H2O+O2

在无催化剂时，需活化能18，000卡/克分子；胶体钯存在时，需活化能11，700卡/克分子；有过氧化氢酶存在时，仅需活化能2，000卡/克分子以下。

2高度的专一性

一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性。

1）绝对特异性absolutespecifictity）：有的酶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。

2）相对特异性relativespecificity）：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类。

3）立体异构特异性stereopecificity）：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。如α-淀粉酶只能水解淀粉中α-14-糖苷键，不能水解纤维素中的β-1，4-糖苷键。

3酶活性的可调节性

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。

4酶活性的不稳定性

酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，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。

二、酶促反应的机制

（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合学说

当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。

酶催化某一反应时，首先在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，此过程可用下式表示：



E代表酶，S代表底物，ES代表酶底物复合物（中间产物）

（二）酶促反应的机制

1临近效应

酶在反应中将底物结合到它的活性中心使他们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系酶与底物间的靠近具有一定的取向，这样反应物分子才被作用，大大增加了ES复合物进入活化状态的机率。

2张力作用

底物的结合可诱导酶分子构象发生变化，比底物大得多的酶分子的三、四级结构的变化，也可对底物产生张力作用，使底物扭曲，促进ES进入活性状态。

3酸碱催化作用

酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团往往是良好的质子供体或受体，在水溶液中这些广义的酸性基团或广义的碱性基团对许多化学反应是有力的催化剂。

4共价催化作用

某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复合物，这些复合物比无酶存在时更容易进行化学反应。

第三节酶促反应的动力学

酶促反应动力学kineticsofenzyme-catalyzedreactions）主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。

一、底物浓度对反应速度的影响

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rectangularhyperbola）。

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。

一米曼氏方程式

解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最合理学说是中间产物学说。酶首先与底物结合生成酶底物复合物（中间产物），此复合物再分解为产物和游离的酶。

Michaelis和Menten，1913年提出了反应速度和底物浓度关系的数学方程式，即著名的米-曼氏方程

Vmax指酶促反应的最大速度，[S]为底物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓度时相应的反应速度。当底物浓度很低时，[S]<>Km，此时V≌Vmax，反应速度达最大速度，底物浓度再增高也不影响反应速度。



米-曼氏方程的推导基与两个假设

①测定的确反应速度为初速度②[S]超过[E]

ES的生成速度d[ES]∕dt=K1（[E]-[ES]）[S]ES的分解速度-d[ES]∕dt=K2[ES]+K3[ES]当反应处与稳态时ES的生成速度=ES的分解速度即K1[E]-[ES]）[S]=K2[ES]+K3[ES]

经整理

令

Km为米氏常数则[E][S]-[ES][S]=Km[ES]



由于反应速度取决于单位时间内P产物的生成量所以V=K3[ES]

代入上式得

当底物浓度很高所有的酶都与底物生成中间产物即[E]=[ES]时反应达到最大速度即

Vmax=K3[ES]=K3[E]

代入上式得米式方程

（二Km及Vm的意义

1．当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：



进一步整理可得到：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。

因为Km=K2+K3／K1，当K2>>K3，即ES解离成E和S的速度大大超过分离成E和P的速度时，K3可以忽略不计，此时Km值近似于ES解离常数KS，此时Km值可用来表示酶对底物的亲和力。



Km值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。

3．Km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，同一种酶与不同底物作用时，Km值也不同。各种酶的Km值范围很广，大致在10-1～10-6M之间。

4．如果Km值已知，任何底物浓度时酶的饱和度形成中间产物的酶占总酶的比例，saturationfractionfEsfEs便可计算出来。



5．Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。

如果酶的总浓度已知便可从Vmax计算酶的转换数例如10-6mol／L的碳酸酐酶溶液在一秒钟内可催化生成06mol／L的碳酸则每秒钟可催化生成6105个分子的碳酸



K3又称为酶的转换数其定义是当酶被底物充分饱和时单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数

（三Km和Vmax的求法

底物浓度曲线是矩形双曲线。从图中很难精确地测出Km和Vmax。为此人们将米氏方程进行种种变换，将曲线作图转变成直线作图。

1双倒数作图

将米氏方程两边取倒数，可转化为下列形式：



1/V对1/[S]的作图得一直线，其斜率是Km/V，在纵轴上的截距为1/Vmax横轴上的截距为-1/Km。（图3-4）

图3-4双倒数作图法

2Hanes作图法

将米氏方程经移项整理后可写成：



以[S]/V为纵坐标对[S]横坐标作图，所得直线，其纵轴的截距为Km/Vm，斜率为1/Vm。（图3-5）

图3-5Hanes作图法

二、酶浓度对反应速度的影响

在一定的温度和pH条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正比关系。

三、温度对反应速度的影响

化学反应的速度随温度增高而加快。但酶是蛋白质，可随温度的升高而变性。一般地说，温度每升高10℃，反应速度大约增加一倍。但温度超过一定数值后，酶受热变性的因素占优势，反应速度反而随温度上升而减缓，形成倒V形或倒U形曲线。在此曲线顶点所代表的温度，反应速度最大，称为酶的最适温度optimumtemperature）。

从动物组织提取的酶，最适温度多在35℃～40℃之间，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。

四、pH对反应速度的影响

反应介质的pH可影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。只有在特定的pH条件下，酶、底物和辅酶的解离情况，最适宜于它们互相结合，并发生催化作用，使酶促反应速度达最大值，这种pH值称为酶的最适pH。

动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约18，肝精氨酸酶最适pH约为98。

最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素的影响。

五、抑制剂对反应速度的影响

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。分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。

一不可逆性抑制作用irreversibleinhibition）

抑制剂通常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，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

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。某些重金属Pb++、Cu++、Hg++及对氯汞苯甲酸等，能与酶分子的巯基进行不可逆适合，许多以巯基作为必需基团的酶通称巯基酶，会因此而遭受抑制，属于此种类型。（图3-T15）用二巯基丙醇Britishanti-Lewisite，BAL）或二巯基丁二酸钠等含巯基的化合物可使酶复活。（图3-T16）

图3-T15路易士气对酶的影响

图3-T16二巯基丙醇的解毒作用

2专一性不可逆抑制

抑制剂专一地作用于酶的活性中心或其必需基团，进行共价结合，从而抑制酶的活性。有机磷杀虫剂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。（图3-T17）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。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。

图3-T17有机磷杀虫剂对酶的作用

二可逆性抑制reversibleinhibition）

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三类。

1竞争性抑制competitiveinhibition）

（1）含义和反应式

抑制剂I在化学结构上与底物S个相似，能与底物S竞争酶E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底物的浓度比，加大底物浓度，可使抑制作用减弱。例如，丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

图丙二酸、苹果酸及草酰乙酸和琥珀酸的结构式

2）反应速度公式及作图

抑制剂、底物和反应速度之间的动力学关系及其双倒数方程式为：

以1/V、1/[S]分别为横坐标和纵坐标作图，绘成竞争性抑制作用的特性曲线。

磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构，而对氨基苯甲酸、二氢喋呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料，后者能转变为四氢叶酸，它是细菌合成核酸不可缺少的辅酶。由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，进而减少菌体内四氢叶酸的合成，使核酸合成障碍，导致细菌死亡。抗菌增效剂-甲氧苄氨嘧啶TMP）能特异地抑制细菌的二氢叶酸还原为四氢叶酸，故能增强磺胺药的作用。

图磺胺药物与对氨基苯甲酸的结构

特点：

⑴竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物；⑵抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同；⑶抑制剂浓度越大，抑制作用越大；增加底物浓度使抑制程度减小；⑷动力学参数：Km值增大，Vm值不变。

2非竞争性抑制non-competitiveinhibition）

（1）含义和反应式



I和S在结构上一般无相似之处，I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I对酶的抑制程度。

2）反应速度公式及作图

抑制剂、底物浓度和反应速度之间动力学关系：



以1/V、1/[S]为横坐标和纵坐标作图，绘成非竞争性抑制作用的特性曲线。

中性氨基酸如丙氨酸则是非竞争性抑制剂。

特点：

⑴非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；⑶抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；⑷动力学参数：Km值不变，Vm值降低。

3反竞争性抑制

仅与酶和底物形成的中间产物（ES结合，使中间产物ES的量下降。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。



特点：

⑴反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；⑶必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；⑷动力学参数：Km减小，Vm降低。（表3-3）

表3-3各种可逆性抑制作用的比较



可逆性抑制

六、激活剂对酶促反应速度的影响

能使酶活性提高的物质，都称为激活剂activator），可分为必须激活剂和非必须激活剂两类。其中大部分是离子或简单的有机化合物。如Mg++是多种激酶和合成酶的激活剂，动物唾液中的α-淀粉酶则受Cl-的激活。

第四节酶的调节

一、酶活性的调节

（一）酶原与酶原的激活

有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前身物称为酶原zymogen）。酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。

例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶。

酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。

（二）变构酶

有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价地结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性，酶的这种调节作用称为变构调节allostericregulation），受变构调节的酶称变构酶allostericenzyme），这些特异性分子称为效应剂。变构酶分子组成，一般是多亚基的，分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部位，凡与效应剂相结合的部位称为调节部位，这二部位可以在不同的亚基上，或者位于同一亚基。

（三）酶的共价修饰调节

酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称酶的共价修饰调节。包括磷酸化和去磷酸化、乙酰化和去乙酰化、甲基化和去甲基化以及腺苷化和去腺苷化等，其中以磷酸化和去磷酸化最为常见。酶的共价修饰是体内快速调节酶活性的有一种重要方式。

二、酶含量的调节

除通过别构调节和共价修饰调节来改变体内现有酶的活性外，机体还可以通过诱导与阻遏酶的合成或改变酶的降解速度来调节体内酶的含量。

三、同工酶

同工酶isoenzyme）是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。

第五节酶的分类和命名

一、酶的分类

国际酶学委员会I、E、C）规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类：

1氧化还原酶类oxidoreductases）指催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。2转移酶类transferases）指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。3水解酶类hydrolases）指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。4裂解酶类lyases）指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。5异构酶类isomerases）指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。6合成酶类连接酶类，ligases指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸：tRNA连接酶等。

二、酶的命名

一习惯命名法

1一般采用底物加反应类型而命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。2对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等。3有时在底物名称前冠以酶的来源，如血清谷氨酸－丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等。

习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的现象。

二系统命名法

鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱，国际酶学委员会规定了一套系统的命名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号。例如对催化下列反应酶的命名。

ATP+D-葡萄糖→ADP+D-葡萄糖-6-磷酸

该酶的正式系统命名是：ATP：葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类数字是：EC、2、7、1、1，E、C代表按国际酶学委员会规定的命名，第1个数字2）代表酶的分类名称转移酶类，第2个数字7）代表亚类磷酸转移酶类，第3个数字1）代表亚亚类以羟基作为受体的磷酸转移酶类，第4个数字1）代表该酶在亚-亚类中的排号D葡萄糖作为磷酸基的受体。

第一节概述

、糖的生理功能

1、提供能量是糖类最主要的生理功能。2、糖是机体重要的碳源。3、糖也是组成人体组织结构的重要成分。糖蛋白和糖脂是细胞膜的构成成分，部分膜糖蛋白还参与细胞间的信息传递作用，与细胞的免疫、识别作用有关。4、具有特殊生理功能的糖蛋白，如激素、酶、免疫球蛋白、血型物质和血浆蛋白等。

二、糖的消化吸收

人类食物中的糖主要有植物淀粉和动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等。淀粉消化主要在小肠内进行。在淀粉酶作用下，淀粉被水解为麦芽糖和麦芽三糖。

糖被消化成单糖后在小肠被吸收，再经门静脉进入肝。小肠粘膜细胞对葡萄糖的摄人是一个依赖于特定载体转运的、主动耗能的过程，在吸收过程中同时伴有Na+的转运。这类葡萄糖转运体被称为Na+依赖型葡萄糖转运体。

三、糖代谢的概况

1在缺氧时，进行糖酵解生成乳酸2）在供氧充足时，葡萄糖进行有氧氧化；3葡萄糖也可进人磷酸戊糖途径进行代谢4）葡萄糖也可经合成代谢聚合成糖原糖原也可分解成葡萄糖5）非糖物质如乳酸、丙氨酸等可经糖异生途径转变成葡萄糖或糖原。

以下将重点介绍糖的主要代谢途径、生理意义及其调控机制。

第二节糖的无氧分解（glycolysis

一、糖酵解的反应过程

在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸的过程称之为糖酵解。

无氧酵解的全部反应过程在胞液中进行，代谢的终产物为乳酸一分子葡萄糖经无氧酵解可净生成两分子ATP。



糖酵解的代谢反应过程可分为两个阶段：第一阶段是由葡萄糖分解成丙酮酸的过程，称之为酵解途径；第二阶段为丙酮酸转变成乳酸的过程。

一葡萄糖分解成丙酮酸

1葡萄糖磷酸化成为6-磷酸葡萄糖

催化此反应的是己糖激酶。反应不可逆。哺乳类动物体内已发现有四种己糖激酶同工酶，分别称为I至Ⅳ型。肝细胞中存在的是Ⅳ型，也称为葡萄糖激酶。它对葡萄糖的亲和力很低，Km值为10mmol／L左右，而其他己糖激酶的Km值在01mmol／L左右。

26-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖这是由磷酸己糖异构酶催化的异构反应。

36-磷酸果糖转变为1，6-双磷酸果糖这是第二个磷酸化反应，需ATP和Mg2+参与，由6-磷酸果糖激酶-1催化。

4磷酸己糖裂解成2个磷酸丙糖由醛缩酶催化，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。5磷酸丙糖的同分异构化3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮是同分异构体。当3-磷酸甘油醛在下一步反应中被移去后，磷酸二羟丙酮迅速转变为3-磷酸甘油醛，继续进行酵解。

63-磷酸甘油醛氧化为1，3-磷酸甘油酸由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，以NAD+为辅酶接受氢和电子。参加反应的还有无机磷酸，该酸酐含一高能磷酸键，可将能量转移至ADP，生成ATP。

71，3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶催化混合酸酐上的磷酸从羧基转移到ADP，形成ATP和3-磷酸甘油酸，反应需要Mg2+。这是糖酵解过程中第一个产生ATP的反应，将底物的高能磷酸基直接转移给ADP生成ATP，这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程，称为底物水平磷酸化作用。

83-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶催化。

92-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸该反应形成了一个高能磷酸键。磷酸甘油酸变位酶催化该反应。

10磷酸烯醇式丙酮酸转变成ATP和丙酮酸这一步反应由丙酮酸激酶催化反应不可逆。这是糖酵解途径中第二次底物水平磷酸化。

二丙酮酸转变成乳酸

这一反应由乳酸脱氢酶催化，丙酮酸还原成乳酸所需的氢原子由NADH+H+提供。

除葡萄糖外，其他己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。例如：果糖经己糖激酶催化可转变成6-磷酸果糖；半乳糖经半乳糖激酶催化生成1-磷酸半乳糖后，再经过几步中间反应生成1-磷酸葡萄糖，后者经变位酶的作用而生成6-磷酸葡萄糖；甘露糖则可先由己糖激酶催化其磷酸化形成6-磷酸甘露糖，再在异构酶作用下转变为6-磷酸果糖。

二、糖酵解的调节

在酵解途径中，己糖激酶葡萄糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶分别催化的3个反应是不可逆的，是糖酵解途径的3个调节点，分别受变构效应剂和激素的调节。

一6-磷酸果糖激酶-1

调节酵解途径流量最重要的是6-磷酸果糖激酶-1的活性。6-磷酸果糖激酶-1是四聚体，受多种变构效应剂的影响。

1、ATP和柠檬酸是此酶的变构抑制剂。2、变构激活剂有AMP、ADP、1，6-双磷酸果糖和2，6-双磷酸果糖。

1，6-双磷酸果糖是磷酸果糖激酶1-的反应产物，这种产物正反馈作用是比较少见的，它有利于糖的分解。2，6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂，在生理浓度范围内即可发挥效应。其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对6-磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用。

6-磷酸果糖激酶-2／果糖双磷酸酶-2还可在激素作用下，以共价修饰方式进行调节。

二丙酮酸激酶

1、1，6-双磷酸果糖是变构激活剂，2、而ATP则有抑制作用。3、在肝内，丙氨酸也有变构抑制作用。丙酮酸激酶还受共价修饰方式调节。依赖cAMP的蛋白激酶和依赖Ca2+、钙调蛋白的蛋白激酶均可使其磷酸化而失活。胰高血糖素可通过cAMP抑制丙酮酸激酶活性。

三葡萄糖激酶或己糖激酶

己糖激酶受6-磷酸葡萄糖的反馈抑制，葡萄糖激酶不受6-磷酸葡萄糖的影响。长链脂酰CoA对其有变构抑制作用，胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成。

糖酵解是体内葡萄糖分解供能的一条重要途径。当消耗能量多，细胞内ATP／AMP比例降低时，6-磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶均被激活，加速葡萄糖的分解。细胞内ATP的储备丰富时，通过糖酵解分解的葡萄糖就减少。

三、糖酵解的生理意义

1、糖酵解最主要的生理意义在于迅速提供能量，当机体缺氧或剧烈运动肌肉局部血流相对不足时，能量主要通过糖酵解获得。2、成熟红细胞没有线粒体，完全依赖糖酵解供应能量。3、神经、白细胞、骨髓等代谢极为活跃，即使不缺氧也常由糖酵解提供部分能量。

第三节糖的有氧氧化（aerobicoxidation

定义：葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳并释放出大量能量的过程称为有氧氧化此代谢过程在胞液和线粒体内进行。一分子葡萄糖彻底氧化分解可产生30/32分子ATP。

一、有氧氧化的反应过程

糖的有氧氧化大致可分为三个阶段。

第一阶段：葡萄糖循糖酵解途径分解成丙酮酸。第二阶段：丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA。第三阶段：三羧酸循环及氧化磷酸化。

一丙酮酸的氧化脱羧

丙酮酸进入线粒体后，氧化脱羧生成乙酰CoA。反应不可逆。由丙酮酸脱氢酶复合体催化

丙酮酸脱氢酶E1），辅酶TPP二氢硫辛酰胺转乙酰酶E2）辅酶硫辛酸二氢硫辛酰胺脱氢酶E3）辅酶FAD

此外还需NAD+和CoA。

丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应可分五步描述。

1丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP丙酮酸脱氢酶E1）2、形成乙酰硫辛酰胺-E2二氢硫辛酰胺转乙酰酶E2）3、生成乙酰CoA二氢硫辛酰胺转乙酰酶E2）4、生成NADH+H+二氢硫辛酰胺脱氢酶E3）

（二三羧酸循环

三羧酸循环，又称柠檬酸循环或Krebs循环

1三羧酸循环的反应过程

1）柠檬酸的形成：乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸。反应由柠檬酸合酶催化，反应不可逆。

2）异柠檬酸的形成：柠檬酸与异柠檬酸的异构化可逆互变反应由顺乌头酸酶催化。

3）第一次氧化脱羧：异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，生成α-酮戊二酸，脱下的H由NAD+接受。

4）第二次氧化脱羧：α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。催化α-酮戊二酸氧化脱羧的酶是α-酮戊二酸脱氢酶复合体。

5）底物水平磷酸化反应：由琥珀酰CoA合成酶催化。也是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。

6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸：由琥珀酸脱氢酶催化辅酶是FAD。

7）延胡索酸加水生成苹果酸：由延胡索酸催化。

8）苹果酸脱氢生成草酰乙酸：由苹果酸脱氢酶催化。脱下的氢由NAD+接受。



2三羧酸循环的特点：

①循环反应在线粒体进行，为不可逆反应。②每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成10分子ATP。③循环的中间产物既不能通过此循环反应生成，也不被此循环反应所消耗。④三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。⑤循环中有四次脱氢反应，生成三分子NADH和一分子FADH2。⑥循环中有一次底物水平磷酸化，生成一分子GTP。⑦三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶系。

三羧酸循环的生理意义

1）三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路2）三羧酸循环又是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽3）提供生物合成的前体

二、有氧氧化生成的ATP

NADH+H+的氢传递给氧时，生成25个ATP；FADH2生成15个ATP。加上底物水平磷酸化生成的1个高能磷酸键，三羧酸循环循环一次共生成10个ATP。若从丙酮酸脱氢开始计算，共产生125分子ATP。lmol的葡萄糖彻底氧化生成C02和H20，可净生成30~32molATP。

三、有氧氧化的调节

丙酮酸脱氢酶复合体

乙酰CoA、ATP、NADH+H+反馈抑制AMP、ADP、NAD2、Ca2+有激活作用

异柠檬酸脱氢酶和α酮戊二酸脱氢酶

在NADH／NAD+，ATP／ADP比率高时被反馈抑制。ADP还是异柠檬酸脱氢酶的变构激活剂。Ca2+可直接与异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶结合，降低其对底物的Km而使酶激活。

氧化磷酸化的速率

NADH+H+及FADH2不能有效进行氧化磷酸化三羧酸循环中的脱氢反应将无法继续进行。

有氧氧化的调节是为了适应机体或器官对能量的需要，有氧氧化全过程中许多酶的活性都受细胞内ATP／ADP或ATP／AMP比率的影响。



四、巴斯德效应

定义：酵母菌在无氧时可进行生醇发酵；将其转移至有氧环境，生醇发酵即被抑制，这种有氧氧化抑制生醇发酵的现象称为巴斯德效应。此效应也存在于人体组织中。

有氧时，由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产能，故糖的无氧酵解代谢受抑制。

第四节磷酸戊糖途径

细胞内绝大部分葡萄糖的分解代谢是通过有氧氧化生成ATP而供能的，这是葡萄糖分解代谢的主要途径。磷酸戊糖途径就是另一重要途径。

一、磷酸戊糖途径的反应过程

部位：磷酸戊糖途径的代谢反应在胞浆中进行。

过程：可分为两个阶段。

第一阶段氧化反应，生成磷酸戊糖、NADPH及C02；第二阶段非氧化反应，包括一系列基团转移。

1磷酸戊糖生成

6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核糖的过程中，同时生成2分子NADPH及1分子C026-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化。

2基团转移反应

通过一系列基团转移反应，将核糖转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入糖酵解途径。因此磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路。重要的酶有转酮醇酶和转醛醇酶。



二、磷酸戊糖途径的调节

6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径限速酶。其活性的快速调节，主要受NADPH／NADP+比例的影响。其比例升高，磷酸戊糖途径被抑制；比例降低时则被激活。NADPH对该酶有强烈的抑制作用。因此，磷酸戊糖途径的流量取决于对NADPH的需求。

三、磷酸戊糖途径的生理意义

一为核酸的生物合成提供核糖

二提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应

1NADPH是体内许多合成代谢的供氢体合成脂肪酸、胆固醇；非必需氨基酸。2NADPH参与体内羟化反应有些羟化反应与生物合成有关。合成胆固醇，胆汁酸、类固醇激素等。有些羟化反应则与生物转化有关。3NADPH还用于维持谷胱甘肽的还原状态

还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂，可以保护一些含-SH基的蛋白质或酶免受氧化剂尤其是过氧化物的损害。在红细胞中还原型谷胱甘肽更具有重要作用。它可以保护红细胞膜蛋白的完整性。

第五节糖原的合成与分解

糖原是动物体内糖的储存形式。肝和肌肉是贮存糖原的主要组织器官肌糖原主要供肌收缩时能量的需要；肝糖原则是血糖的重要来源。这对于脑、红细胞等尤为重要。

一、糖原的合成代谢

1、进入肝的葡萄糖在葡萄糖激酶作用下磷酸化成为6-磷酸葡萄糖；2、后者转变成1-磷酸葡萄糖。3、1-磷酸葡萄糖与UTP反应生UDPG及焦磷酸反应可逆，由UDPG焦磷酸化酶催化。UDPG可看作"活性葡萄糖"，在体内充作葡萄糖供体。4、在糖原合酶作用下，UDPG的葡萄糖基转移给糖原引物的糖链末端，形成1，4糖苷键。糖原引物指原有的细胞内较小的糖原分子。游离葡萄糖不能作UDPG的葡萄糖基的接受体。上述反应反复进行，可使糖链不断延长。

在糖原合酶的作用下，糖链只能延长，不能形成分支。当糖链长度达到12-18个葡萄糖基时，分支酶将一段糖链，约6-7个葡萄糖基转移到邻近的糖链上，以-1，6糖苷键相接，从而形成分支。

糖原合成的特点

1、必须以原有糖原分子作为引物；2合成反应在糖原的非还原端进行；3耗能，每增加一个葡萄糖残基，需消耗2个高能磷酸键；4关键酶是糖原合酶glycogensynthase）；5需UTP参与（以UDP为载体）。



二、糖原的分解代谢

定义：糖原分解是指肝糖原分解成为葡萄糖。

过程：

1从糖链的非还原端开始，在糖原磷酸化酶作用下生成1-磷酸葡萄糖，磷酸化酶只能分解α-1，4糖苷键，对α-1，6糖苷键无作用。2当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。由α-16-葡萄糖苷酶催化。生成一分子葡萄糖。

糖原分解的特点：

1水解反应在糖原的非还原端进行；2是一非耗能过程；3关键酶是糖原磷酸化酶glycogenphosphorylase）；

葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝、肾中，所以只有肝和肾可补充血糖；而肌糖原不能分解成葡萄糖，只能进行糖酵解或有氧氧化。

三、糖原合成与分解的调节

糖原合成途径中的糖原合酶和糖原分解途径中的磷酸化酶都是催化不可逆反应的关键酶。这两个酶分别是二条代谢途径的调节酶，其活性决定不同途径的代谢速率，从而影响糖原代谢的方向。糖原合酶和磷酸化酶的快速调节有共价修饰和变构调节二种方式。

一磷酸化酶

肝糖原磷酸化酶有磷酸化和去磷酸化二种形式。通过一系列酶促反应将激素信号放大的连锁反应称为级联放大系统反应快，效率高。磷酸化酶还受变构调节，葡萄糖是其变构调节剂。这种调节方式速度更快，仅需几毫秒。

二糖原合酶

糖原合酶分为a、b两种形式。糖原合酶a有活性，磷酸化成糖原合酶b后即失去活性。

磷酸化酶和糖原合酶的活性受磷酸化和去磷酸化的共价修饰。两种酶磷酸化和去磷酸化的方式相似，但效果不同。

胰岛素抑制糖原分解，促进糖原合成，胰高血糖素促进糖原分解。肾上腺素促进糖原分解。

肌肉内糖原代谢的两个关键酶的调节与肝糖原不同。肌肉主要受肾上腺素调节。肌肉内糖原合酶及磷酸化酶的变构效应剂主要为AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖。

四、糖原累积症

糖原累积症是一类遗传性代谢病，其特点为体内某些器官组织中有大量糖原堆积。

第六节糖异生

定义：由非糖化合物乳酸、甘油、生糖氨基酸等转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生。机体内进行糖异生补充血糖的主要器官是肝。

一、糖异生途径

酵解途径与糖异生途径的多数反应是共有的，是可逆的，但酵解途径中有3个不可逆反应，在糖异生途径中须由另外的反应和酶代替：

1丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸催化该反应的是丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。

上述二步反应共消耗2个ATP。

21，6-双磷酸果糖转变为6-磷酸果糖反应由果糖双磷酸酶-1催化。

36-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖反应由葡萄糖-6-磷酸酶催化。

在以上三个反应过程中，作用物的互变反应分别由不同的酶催化其单向反应，这种互变循环称之为底物循环。

二、糖异生的调节

酵解途径与糖异生途径是方向相反的两条代谢途径主要依赖2个底物循环进行调节。

第一个底物循环在6-磷酸果糖与1，6-双磷酸果糖之间：

6-磷酸果糖磷酸化成1，6双磷酸果糖，而1，6-双磷酸果糖去磷酸而成6-磷酸果糖。磷酸化与去磷酸构成了一个底物循环。胰高血糖促进糖异生而抑制糖的分解。胰岛素则有相反的作用。

第二个底物循环在磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸之间：

1，6-双磷酸果糖是丙酮酸激酶的变构激活剂，胰高血糖素可降低丙酮酸激酶的活性诱导磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因的表达，增加酶的合成。

丙酮酸羧化酶必须有乙酰CoA存在才有活性，而乙酰CoA对丙酮酸脱氢酶却有反馈抑制作用。

胰岛素则显著降低磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶mRNA水平，而且对cAMP有对抗作用，说明胰岛素对该酶有重要的调节作用。

三、糖异生的生理意义

一维持血糖浓度恒定

空腹或饥饿时依赖氨基酸、甘油等异生成葡萄糖，以维持血糖水平恒定。

二补充肝糖原

糖异生是肝补充或恢复糖原储备的重要途径，这在饥饿后进食更为重要。

三调节酸碱平衡

长期饥饿时，肾糖异生增强，有利于维持酸碱平衡。

四、乳酸循环

定义：肌肉收缩尤其是氧供应不足时通过糖酵解生成乳酸。肌肉内糖异生活性低，所以乳酸通过细胞膜弥散进入血液后，再人肝，在肝内异生为葡萄糖。葡萄糖释人血液后又可被肌肉摄取，这就构成了一个循环，此循环称为乳酸循环，也叫作Cori循环。

生理意义：就在于避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起酸中毒。乳酸循环是耗能的过程，2分子乳酸异生成葡萄糖需消耗6分子ATP。

第七节血糖及其调节

一、血糖的来源和去路

定义：血糖指血中的葡萄糖。

含量：血糖水平相当恒定，维持在389-6、11mmol／L之间，这是进入和移出血液的葡萄糖平衡的结果。

血糖的来源为肠道吸收、肝糖原分解或肝内糖异生生成的葡萄糖释入血液内。

血糖的去路则为周围组织以及肝的摄取利用。这些组织中摄取的葡萄糖的利用、代谢各异。某些组织用于氧化供能；肝、肌肉可用于合成糖原；脂肪组织和肝可将其转变为甘油三酯等。

二、血糖水平的调节

一胰岛素

胰岛素是体内唯一的降低血糖的激素，也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。

①促进葡萄糖转运入肌肉、脂肪组织的细胞。②增强磷酸二酯酶活性，加速糖原合成、抑制糖原分解。③激活丙酮酸脱氢酶从而加快糖的有氧氧化。④抑制肝内糖异生。⑤抑制激素敏感性脂肪酶，可减缓脂肪动员的速率。

二胰高血糖素

①激活依赖cAMP的蛋白激酶，抑制糖原合酶和激活磷酸化酶，肝糖原分解，血糖升高。②抑制6-磷酸果糖激酶-2，激活果糖双磷酸酶-2糖酵解被抑制，糖异生则加速。③促进磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成；增强糖异生。④激活激素敏感性脂肪酶，加速脂肪动员。

三糖皮质激素

①促进肌肉蛋白质分解，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成常增强。②抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。

四肾上腺素

激活磷酸化酶，加速糖原分解。在肝，糖原分解为葡萄糖；在肌肉则经糖酵解生成乳酸，并通过乳酸循环间接升高血糖水平。

肾上腺素主要在应急状态下发挥调节作用。

在一次性食人大量葡萄糖之后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。人体对摄人的葡萄糖具有很大耐受能力的这种现象，被称为葡萄糖耐量或耐糖现象。

三、血糖水平异常

临床上因糖代谢障碍可发生血糖水平紊乱，常见有以下两种类型：

一高血糖及糖尿症

临床上将空腹血糖浓度高于722-7、78mmol／L称为高血糖。当血糖浓度高于889-10、00mmol／L，即超过了肾小管的重吸收能力，则可出现糖尿，这一血糖水平称为肾糖阈。

二低血糖

空腹血糖浓度低于333-3、89mmol／L时称为低血糖。

出现低血糖的病因有：

①胰性胰岛β细胞功能亢进、胰岛α细胞功能低下等；②肝性肝癌、糖原累积病等；③内分泌异常垂体功能低下、肾上腺皮质功能低下等；④肿瘤胃癌等；⑤饥饿或不能进食者等。

小结

糖类是自然界中一类重要的含碳化合物。

糖代谢主要指葡萄糖在体内的复杂代谢过程，包括分解代谢与合成代谢。其分解代谢途径主要有糖酵解、糖的有氧氧化及磷酸戊糖途径等。

糖酵解是在不需氧情况下，葡萄糖生成乳酸的反应过程。其代谢反应可分为两个阶段：第一阶段是由葡萄糖分解为丙酮酸的反应过程，称为酵解途径。在此阶段中，由己糖转变为磷酸丙糖的反应过程需消耗ATP；而由3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸的反应过程则生成ATP。第二阶段为丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下加氢还原为乳酸。糖酵解在胞浆中进行。调节糖酵解的关键酶是6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、己糖激酶或葡萄糖激酶。

糖酵解的生理意义在于迅速提供能量，1分子葡萄糖经糖酵解可净生成2分子ATP。

糖的有氧氧化是糖氧化供能的主要方式。其反应过程分为三个阶段：第一阶段为葡萄糖循酵解途径分解为丙酮酸；第二阶段为丙酮酸进入线粒体在丙酮酸脱氢酶复合体催化下氧化脱羧生成乙酰CoA、NADH+H、C02；第三阶段为三羧酸循环和氧化磷酸化。1分子乙酰CoA经三羧酸循环和氧化磷酸化后共生成10分子ATP。调节糖有氧氧化的关键酶包括6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶、己糖激酶或葡萄糖激酶、丙酮酸脱氢酶复合体、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和柠檬酸合酶。

葡萄糖通过磷酸戊糖途径代谢可产生磷酸核糖和NADPH。NADPH作为供氢体参与多种代谢反应。磷酸戊糖途径在胞浆中进行，其关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶。

糖原是体内糖的储存形式。肝和肌肉是储存糖原的主要组织。糖原分解习惯上是指肝糖原分解成为葡萄糖，这是血糖的重要来源。肌糖原的合成是由葡萄糖经UDPG合成的；由于肌组织中缺乏葡萄糖石-磷酸酶，肌糖原不能分解成葡萄糖，只能进行糖酵解或有氧氧化。

糖异生是指由乳酸、甘油和生糖氨基酸等非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。

进行糖异生的主要器官是肝，糖异生的生理意义在于维持血糖水平的恒定；也是肝补充或恢复糖原储备的重要途径。

血糖是指血中的葡萄糖，其正常水平相对恒定，维持在389-6、11mmol/L之间，这是血糖的来源和去路相对平衡的结果。血糖水平主要受多种激素的调控。胰岛素具有降低血糖的作用；而胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素有升高血糖的作用。

第一节脂类的消化和吸收

脂类不溶于水，在小肠经胆汁酸盐的作用，乳化并分散成细小的微团后，被消化酶消化。小肠上段是脂类消化的主要场所。

脂类消化产物主要在十二指肠下段及空肠上段吸收。中链脂酸6-10C）及短链脂酸2-4C）构成的甘油三酯，经胆汁酸盐乳化后即可被吸收。在肠粘膜细胞内脂肪酶的作用下，水解为脂肪酸及甘油，通过门静脉进入血循环。

长链脂酸12-26C）及2-甘油一酯吸收入肠粘膜细胞后，合成甘油三酯。后者再与粗面内质网合成的载脂蛋白等以及磷脂、胆固醇结合成乳糜微粒，经淋巴进入血循环。

第二节甘油三酯代谢

一、甘油三酯的合成代谢

一合成部位

肝、脂肪组织及小肠是合成甘油三酯的主要场所，以肝的合成能力最强。

在肝内质网甘油三酯合成后，与载脂蛋白B100、C等以及磷脂、胆固醇结合生成极低密度脂蛋白VLDL），由肝细胞分泌入血而运输至肝外组织。

脂肪组织可利用乳糜微粒CM）或VLDL中的脂酸合成脂肪，更主要以葡萄糖为原料合成脂肪。脂肪细胞可以大量储存脂肪。

小肠粘膜细胞则主要利用脂肪消化产物再合成脂肪，以乳糜微粒形式经淋巴进入血循环。二合成原料

甘油及脂酸主要由葡萄糖代谢提供。食物脂肪消化吸收后，其脂酸亦可用以合成脂肪。

三合成基本过程

1甘油一酯途径小肠粘膜细胞主要利用消化吸收的甘油一酯及脂酸再合成甘油三酯。

2甘油二酯途径肝细胞及脂肪细胞主要按此途径合成甘油三酯。葡萄糖循糖酵解途径生成3-磷酸甘油。

在脂酰CoA转移酶的作用下，依次加上2分子脂酰CoA生成磷脂酸。后者在磷脂酸磷酸酶的作用下，水解脱去磷酸生成1，2-甘油二酯，然后在脂酰CoA转移酶的催化下，再加上1分子脂酰基即生成甘油三酯。

二、甘油三酯的分解代谢

一脂肪的动员

定义：储存在脂肪细胞中的脂肪，被脂肪酶逐步水解为游离脂酸FFA）及甘油并释放人血以供其他组织氧化利用，该过程称为脂肪的动员。

在脂肪动员中，脂肪细胞内激素敏感性甘油三酯脂肪酶HSL）起决定性作用，HSL是限速酶，它受多种激素的调控，故称激素敏感性脂肪酶。

能促进脂肪动员的激素称为脂解激素，如肾上腺素、胰高血糖素，ACTH及TSH等。

二脂酸的β-氧化

1脂酸的活化--脂酰CoA的生成

活化在线粒体外进行。脂酰CoA合成酶在ATP、CoASH、Mg2+存在的条件下，催化脂酸活化，生成脂酰CoA。

2脂酰CoA进入线粒体

催化脂酸氧化的酶系存在于线粒体的基质内，活化的脂酰CoA须进入线粒体内代谢。长链脂酰CoA不能直接透过线粒体内膜。它进入线粒体需肉碱的转运。

肉碱脂酰转移酶I是脂酸β-氧化的限速酶，饥饿、高脂低糖膳食或糖尿病时，肉碱脂酰转移酶I活性增加，脂酸氧化增强。饱食后，脂肪合成及丙二酰CoA增加，后者制肉碱脂酰转移酶I活性，因而脂酸的氧化被抑制。

3脂酸的β-氧化

脂酰CoA进入线粒体基质后，在线粒体基质中疏松结合的脂酸β-氧化多酶复合体的催化下，从脂酰基的β-碳原子开始，进行脱氢、加水、再脱氢及硫解等四步连续反应，脂酰基断裂生成1分子比原来少2个碳原子的脂酰CoA及1分子乙酰CoA。

1）脱氢：脂酰CoA脱氢酶催化，生成烯脂酰CoA、FADH2。2）加水：烯脂酰CoA水化酶催化生成β-羟脂酰CoA3）再脱氢：β-羟脂酰CoA脱氢酶的催化，生成β-酮脂酰CoA、NADH。4）硫解：β-酮脂酰CoA硫解酶催化，生成1分子乙酰CoA和少2个碳原子的脂酰CoA。

β-氧化的特点：

①β-氧化过程在线粒体基质内进行；②β-氧化为一循环反应过程，反应不可逆；③需要FAD，NAD，CoA为辅助因子；④每循环一次，生成一分子FADH2，一分子NADH，一分子乙酰CoA和一分子减少两个碳原子的脂酰CoA。

4乙酰CoA一部分通过三羧酸循环彻底氧化，一部分缩合生成酮体。

脂酸氧化的能量生成以软脂酸为例

7次β-氧化分解产生5×7=35分子ATP；8分子乙酰CoA可得12×8=96分子ATP；

共可得131分子ATP，减去活化时消耗的两分子ATP，故软脂酸彻底氧化分解可净生成129分子ATP。

三脂酸的其他氧化方式

1不饱和脂酸的氧化不饱和脂酸也在线粒体中进行β-氧化。2过氧化酶体脂酸氧化除线粒体外，过氧化酶体中亦存在脂酸β-氧化酶系，它能使极长链脂酸氧化成较短链脂酸，而对较短链脂酸无效。3丙酸的氧化人体含有极少量奇数碳原子，脂酸β-氧化后除生成乙酰CoA外，还生成1分子丙酰CoA。此外，支链氨基酸氧化亦可产生丙酰CoA。丙酰CoA经β-羧化及异构酶的作用可转变为琥珀酰CoA，然后参加三羧酸循环而被氧化。

四酮体的生成及利用

定义：乙酰乙酸、β-羟丁酸及丙酮三者统称酮体。

1酮体的生成

酮体生成部位肝脏的线粒体原料乙酰CoA。

1）乙酰CoA在乙酰乙酰CoA硫解酶催化下，生成乙酰乙酰CoA。2）乙酰乙酰CoA再与1分子乙酰CoA缩合，生成HMG-CoA。HMG-CoA合成酶是酮体生成的关键酶。3）HMG-CoA裂解生成1分子乙酰乙酸和1分子乙酰CoA。4）乙酰乙酸在β-羟丁酸脱氢酶的催化下，加氢还原为β-羟丁酸。5）乙酰乙酸也可自发脱羧生成丙酮

2、酮体的利用

1）琥珀酰CoA转硫酶：心、肾、脑及骨骼肌的线粒体具有较高的酶活性。在有琥珀酰CoA存在时，此酶能使乙酰乙酸活化，生成乙酰乙酰CoA。

2）乙酰乙酰CoA硫解酶：心、肾、脑及骨骼肌线粒体中还有乙酰乙酰CoA硫解酶，使乙酰乙酰CoA硫解，生成2分子乙酰CoA。

3）乙酰乙酰硫激酶：肾、心和脑的线粒体中尚有乙酰乙酰硫激酶，可直接活化乙酰乙酸生成乙酰乙酰CoA，后者在硫解酶的作用下硫解为2分子乙酰CoA。

β-羟基丁酸在β-羟丁酸脱氢酶的催化下，脱氢生成乙酰乙酸；然后再转变成乙酰CoA而被氧化。部分丙酮可在一系列酶作用下转变为丙酮酸或乳酸，进而异生成糖。

3酮体生成的生理意义

1）在正常情况下，酮体是肝脏输出能源的一种形式是肌肉，尤其是脑组织的重要能源2）在饥饿或疾病情况下，为心、脑等重要器官提供必要的能源。

酮体生成超过肝外组织利用的能力，引起血中酮体升高，可导致酮症酸中毒，并随尿排出，引起酮尿。

4酮体生成的调节

饱食及糖供给充足

胰岛素分泌增加肝糖原丰富脂解作用抑制、合成脂肪酮体生成减少。

饥饿脂解激素分泌增加有利于β-氧化及酮体生成。

三、脂酸的合成代谢

一软脂酸的合成

1合成部位

脂酸合成酶系存在于肝、肾、脑、肺、乳腺及脂肪等组织，位于线粒体外胞液中。肝是人体合成脂酸的主要场所，

2合成原料

乙酰CoA、ATP、NADPH是合成脂酸的主要原料，乙酰CoA不能自由透过线粒体内膜，主要通过柠檬酸—丙酮酸循环完成

3、脂酸合成酶系及反应过程

1）丙二酰CoA的合成：

乙酰CoA羧化成丙二酰CoA由乙酰CoA羧化酶所催化，这是一种变构酶，是脂酸合成的限速酶。该酶存在于胞液中，辅基为生物素，Mn2+为激活剂

2）脂酸合成：

从乙酰CoA及丙二酰CoA合成长链脂酸，是一个重复加成过程，每次延长2个碳原子。16碳软脂酸的生成，需经过连续的7次重复加成反应。大肠杆菌中，此种加成过程是由7种酶蛋白聚合在一起构成的多酶体系所催化的；

大肠杆菌的脂肪酸合成酶系中，有酰基载体蛋白ACP），其辅基与CoA-SH相同，是脂酸合成过程中脂酰基的载体，脂酸合成的各步反应均在ACP的辅基上进行。

二脂酸碳链的加长

1内质网脂酸碳链延长酶体系

以丙二酰CoA为二碳单位的供给体，由NADPH+H+供氢，通过缩合、加氢、脱水及再加氢等反应，每一轮可增加2个碳原子，反复进行可使碳链逐步延长。

2线粒体酶体系

通过此种方式，每一轮反应可加上2个碳原子，一般可延长脂酸碳链至24或26个碳原子，而以硬脂酸最多。

三不饱和脂酸的合成

去饱和酶催化

（四）脂酸合成的调节

1代谢物的调节

高脂肪食物肝细胞内脂酰CoA增多，别构抑制乙酰CoA羧化酶，从而抑制体内脂酸的合成；进食糖类而糖代谢加强，NADPH及乙酰CoA供应增多，有利于脂酸的合成，

2激素的调节作用

胰岛素诱导乙酰CoA羧化酶、脂酸合成酶、ATP-柠檬酸裂解酶等的合成，从而促进脂酸合成。同时，由于胰岛素也能加强脂酸合成磷脂酸，因此增加了脂肪合成。

胰高血糖素增加蛋白激酶A活性使乙酰CoA羧化酶磷酸化而降低其活性，抑制脂酸的合成，减少肝脂肪向血中释放。

肾上腺素、生长素抑制乙酰CoA羧化酶，从而影响脂酸合成。

四、多不饱和脂酸的重要衍生物--前列腺素、血栓噁烷及白三烯

一PG、TX及LT的化学结构及命名

PGF1α PGF2α

血栓噁烷A2 白三烯LTA4）

（二PG、TX及LT的合成

1前列腺素及血栓噁烷的合成除红细胞外，全身各组织均有合成PG的酶系，血小板尚有血栓噁烷合成酶。2白三烯的合成花生四烯酸在脂过氧化酶作用下生成氢过氧化廿碳四烯酸，然后在脱水酶作用下生成白三烯LTA4）。白三烯在酶催化下转变成具有重要生物活性的化合物。

三PG、TX及LT的生理功能

PG等在细胞内含量很低，但具有很强的生理活性。

1PG

PGE2能诱发炎症，促进局部血管扩张，毛细血管通透性增加，引起红、肿、痛、热等症状。PGE2、PGA2使动脉平滑肌舒张，有降低血压的作用。

PGE2及PGA2抑制胃酸分泌，促进胃肠平滑肌蠕动。卵泡产生的PGE2及PGF2在排卵过程中起重要作用。

PGF2可使卵巢平滑肌收缩，引起排卵。子宫释放的PGF2能使黄体溶解。分娩时子宫内膜释出的PGF2能引起子宫收缩加强，促进分娩。

2TX

血小板产生的TXA2及PGE2促进血小板聚集，血管收缩，促进凝血及血栓形成。而血管内皮细胞释放的PGI2则有很强的舒血管及抗血小板聚集，抑制凝血及血栓形成的作用，与TXA2的作用对抗。

3LT

过敏反应的慢反应物质SRS-A）是LTC4、LTD4及LTE4的混合物，其使支气管平滑肌收缩的作用较组胺及PGF强100-1000倍，作用缓慢而持久。

LTB4还能调节白细胞的功能，促进其游走及趋化作用，刺激腺苷酸环化酶，诱发多形核白细胞脱颗粒，使溶酶体释放水解酶类，促进炎症及过敏反应的发展。

第三节磷脂的代谢

定义：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。

分类：甘油磷脂分为磷脂酰胆碱卵磷脂、磷脂酰乙醇胺脑磷脂、磷脂酰丝氨酸，磷脂酰甘油，二磷脂酰甘油心磷脂及磷脂酰肌醇等。

一、甘油磷脂的代谢

一甘油磷脂的组成、分类及结构

甘油磷脂由甘油、脂酸、磷酸及含氮化合物等组成。

在甘油的1和2位羟基上各结合1分子脂酸，3位羟基结合1分子磷酸称磷脂酸。与磷酸羟基相连的取代基团不同，将甘油磷脂分为六类。

二甘油磷脂的合成

1合成部位

全身各组织细胞内质网均有合成磷脂的酶系，以肝、肾及肠等组织最活跃。

2合成的原料及辅因子

1）脂酸、甘油主要由葡萄糖代谢转化（2）2位的多不饱和脂酸须从植物油摄取（3）磷酸盐、胆碱、丝氨酸、肌醇等（4）ATP、CTPCDP-乙醇胺、CDP-胆碱及CDP-甘油二酯。

3合成基本过程

1）甘油二酯合成途径：

磷脂酰胆碱及磷脂酰乙醇胺主要通过此途径合成。胆碱及乙醇胺由活化的CDP-胆碱及CDP-乙醇胺提供。

2）CDP-甘油二酯合成途径：

磷脂酸由CTP提供能量，磷脂酰胞苷转移酶催化，生成CDP-甘油二酯。在相应合成酶的催化下，与丝氨酸、肌醇或磷脂酰甘油缩合，生成磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇或二磷脂酰甘油心磷脂。

三甘油磷脂的降解

1）磷脂酶A1及A21，2位酯键2）磷脂酶Bl溶血磷脂1位酯键3）磷脂酶C3位磷酸酯键4）磷脂酶D磷酸取代基间酯键。

鞘磷脂的代谢

第四节胆固醇代谢

胆固醇是最早由动物胆石中分离出具有羟基的固体醇类化合物，故称为胆固醇。所有固醇包括胆固醇均具有环戊烷多氢菲的共同结构。

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。肝、肾、肠、皮肤有及脂肪组织亦含较多的胆固醇，每100g组织约含200-500mg，其中以肝最多。

一、胆固醇的合成

一合成部位

除成年动物脑组织及成熟红细胞外，几乎全身各组织均可合成胆固醇，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胞液及光面内质网膜上，因此胆固醇的合成主要在胞液及内质网中进行。

二合成原料

乙酰CoA、NADPH+H+及ATP是合成胆固醇的原料每合成1分子胆固醇需18分子乙酰CoA，36分子ATP及16分子NADPH+H+。

乙酰CoA及ATP大多来自线粒体中糖的有氧氧化，而NADPH则主要来自胞液中糖的磷酸戊糖途径。

三合成基本过程

分为下列三个阶段：

1甲羟戊酸的合成

此过程在胞液和微粒体进行NADPH+H+供氢。

2×乙酰CoA→乙酰乙酰CoA→HMG-CoA→MVA

HMGCoA还原酶是合成胆固醇的限速酶，这步反应是合成胆固醇的限速反应。

2鲨烯的合成

此过程在胞液和微粒体进行。

MVA→二甲丙烯焦磷酸→焦磷酸法呢酯→鲨烯

3胆固醇的合成

鲨烯为含30个碳原子的多烯烃，具有与固醇母核相近似的结构。鲨烯结合在胞液中固醇载体蛋白（SCP上，经内质网单加氧酶、环化酶等的作用，环化生成羊毛固醇，后者再经氧化、脱羧，还原等反应，脱去3个甲基以C02形式生成27C的胆固醇。

四胆固醇合成的调节

主要是对限速酶HMGCoA还原酶的调节。

1饥饿与饱食

饥饿与禁食可抑制肝合成胆固醇。禁食除使HMGCoA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。摄取高糖、高饱和脂肪膳食后，肝HMGCoA还原酶活性增加，胆固醇的合成增加。

2胆固醇

反馈抑制HMGCoA还原酶的合成从而抑制肝胆固醇的合成。

3激素

胰岛素及甲状腺素能诱导肝HMGCoA还原酶的合成，增加胆固醇的合成。甲状腺素除能促进HMGCoA还原酶的合成外，同时又促进胆固醇在肝转变为胆汁酸，且后一作用较前者强，因而甲状腺功能亢进时患者血清胆固醇含量反而下降。

胰高血糖素及皮质醇则能抑制并降低HMGCoA还原酶的活性，因而减少胆固醇的合成。

二、胆固醇的转化

一转变为胆汁酸

胆固醇在肝中转化成胆汁酸是胆固醇在体内代谢的主要去路。正常人每天约合成1-15g胆固醇，其中2／50、4-0、6g）在肝转变成为胆汁酸，随胆汁排人肠道。

二转化为类固醇激素

胆固醇是肾上腺皮质、睾丸，卵巢等内分泌腺合成及分泌类固醇激素的原料。

肾上腺皮质球状带，束状带及网状带细胞分别合成睾丸酮、皮质醇及雄激素

睾丸间质细胞合成睾丸酮

卵巢的卵泡内膜细胞及黄体可合成及分泌雌二醇及孕酮。

三转化为维生素D3

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。

第五节血浆脂蛋白代谢

一、血脂

定义；血浆所含脂类统称血脂。包括：甘油三酯、磷脂、胆固醇及其酯、以及游离脂酸等。磷脂主要有卵磷脂约70％、神经鞘磷脂约20％及脑磷脂约10％。

来源：外源性从食物摄取的脂类经消化吸收进入血液；内源性由肝、脂肪细胞以及其他组织合成后释放人血。

二、血浆脂蛋白的分类、组成及结构

（一）血浆脂蛋白的分类：

1电泳法电泳法可将脂蛋白分为α、前β、β及乳糜微粒四类。

2超速离心法脂蛋白根据密度由低到高，可分为乳糜微粒、极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白和高密度脂蛋白。

二血浆脂蛋白的组成

主要由蛋白质、甘油三酯、磷脂、胆固醇及其酯组成。

CM颗粒最大，含TG最多，蛋白质最少，血浆静置即可漂浮。VADL含甘油三酯亦多，但其蛋白质含量高于CM，故密度较CM大。LDL含胆固醇及胆固醇酯最多。HDL含蛋白质量最多，故密度最高，颗粒最小。

三脂蛋白的结构

疏水性较强的甘油三酯及胆固醇酯均位于脂蛋白的内核，而具极性及非极性基团的载脂蛋白、磷脂及游离胆固醇则以单分子层借其非极性的疏水基团与内部的疏水链相联系，覆盖于脂蛋白表面，其极性基团朝外，呈球状。

三、载脂蛋白

定义：血浆脂蛋白中的蛋白质部分称载脂蛋白apo）。

分类：分离出apo有18种之多。主要有apoA、B、C、D及E等五类，其中apoA又分为AI、AⅡ、AⅣ；apoB又分为B100及B48；apoC又分为CI、CⅡ、CⅢ。不同脂蛋白含不同的载脂蛋白。

载脂蛋白不仅在结合和转运脂质及稳定脂蛋白的结构上发挥重要作用，而且还调节脂蛋白代谢关键酶活性，参与脂蛋白受体的识别，在脂蛋白代谢上发挥极为重要的作用。

四、血浆脂蛋白代谢

一乳糜微粒CM）

合成部位小肠粘膜细胞

功能：转运外源性甘油三酯及胆固醇作用：

过程：正常人CM在血浆中代谢迅速，半寿期为5-15分钟，因此空腹12-14小时后血浆中不含CM。

二极低密度脂蛋白VLDL）

合成部位肝细胞、小肠粘膜细胞

功能：VLDL是运输内源性甘油三酯的主要形式。

过程VLDL在血中的半寿期为6-12小时。

三低密度脂蛋白LDL）

合成：人血浆中的LDL是由VLDL转变而来的。

功能转运肝合成的内源性胆固醇的主要形式。

过程：LDL受体广泛分布于肝、动脉壁细胞等全身各组织的细胞膜表面，LDL在血浆中的半寿期2-4天。

游离胆固醇在调节细胞胆固醇代谢上具有重要作用：

①抑制内质网HMGCoA还原酶，从而抑制细胞本身胆固醇合成；②在转录水平阻抑细胞LDL受体蛋白质的合成，减少细胞对LDL的进一步摄取；③激活内质网脂酰CoA胆固醇脂酰转移酶ACAT）的活性，使游离胆固醇酯化成胆固醇酯在胞液中储存。

四高密度脂蛋白HDL）

合成部位：肝、小肠与血浆。

功能将胆固醇由肝外组织转运至肝脏。

代谢过程：新生HDL进入血液后，在血浆卵磷脂胆固醇脂酰转移酶LCAT）的催化下，HDL表面卵磷脂的2位脂酰基转移至胆固醇3位羟基生成溶血卵磷脂及胆固醇酯。LCAT由肝实质细胞合成，分泌人血，在血浆中发挥作用。HDL主要在肝降解。成熟HDL可能与肝细胞膜的HDL受体结合，然后被肝细胞摄取，其中的胆固醇可用以合成胆汁酸或直接通过胆汁排出体外。HDL在血浆中的半衰期为3-5天。

五、血浆脂蛋白代谢异常

一高脂蛋白血症

定义：血脂高于正常人上限即为高脂血症。由于血脂在血中以脂蛋白形式运输，实际上高脂血症也可以认为是高脂蛋白血症。

1970年世界卫生组织WHO）建议，将高脂蛋白血症分为六型。

二遗传性缺陷

已发现参与脂蛋白代谢的关键酶如LPL及LCAT，载脂蛋白如apoCⅡ、B、E、AI和CM，以及脂蛋白受体如LDL受体等的遗传性缺陷，并阐明了某些高脂蛋白症及发病的分子机制。

小结

脂类是人体的重要营养素，分为脂肪甘油三酯及类脂两大类。脂肪的主要功能是储能及供能。类脂包括胆固醇及其酯、磷脂及糖脂等，是生物膜的重要组分，参与细胞识别及信息传递，并是多种生理活性物质的前体。

脂类消化主要在小肠上段，经各种脂或酯酶及胆汁酸盐的共同作用，脂类被水解为甘油、脂酸及一些不完全水解产物，主要在空肠被吸收。

甘油三酯是机体储存能量的主要形式。肝、脂肪组织及小肠是合成甘油三酯的主要场所，以肝合成能力最强。合成所需的甘油及脂酸主要由葡萄糖代谢提供。机体可利用3-磷酸甘油与活化的脂酸酯化生成磷脂酸，然后经脱磷酸再酯化即可合成甘油三酯。

甘油三酯水解产生甘油和脂酸。甘油活化、脱氢、转变为磷酸二羟丙酮后，循糖代谢途径代谢。脂酸则在肝、肌、心等组织中分解氧化、释出大量能量，以ATP形式供机体利用。脂酸的分解需经活化，进入线粒体，β-氧化脱氢、加水、再脱氢及硫解等步骤。

脂酸合成是在胞液中脂酸合成酶系的催化下，以乙酰CoA为原料，逐步缩合而成的。乙酰CoA需先羧化成丙二酰CoA后才参与还原性合成反应，所需之氢全部由NADPH提供，最终合成16碳软脂酸。更长链的脂酸则是对软脂酸的加工，使其碳链延长。碳链延长在肝细胞内质网或线粒体中进行。

磷脂分为甘油磷脂和鞘磷脂两大类，甘油磷脂的合成是以磷脂酸为前体，需CTP参与。甘油磷脂的降解是磷脂酶A、B、C、D催化下的水解反应。

人体胆固醇一是自身合成，二从食物摄取，摄人过多则可抑制胆固醇的吸收及体内胆固醇的合成。胆固醇的合成以乙酰CoA为原料，胆固醇在体内可转化为胆汁酸、类固醇激素、维生素D3及胆固醇酯。

血脂不溶于水，以脂蛋白形式运输。按超速离心法及电泳法可将血浆脂蛋白分为乳糜微粒、极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白及高密度脂蛋白四类。

CM主要转运外源性甘油三酯及胆固醇，VLDL主要转运内源性甘油三酯，LDL主要将肝合成的内源性胆固醇转运至肝外组织，而HDL则参与胆固醇的逆向转运。

第一节生成ATP的氧化体系

一、呼吸链

定义：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。

递氢体：在呼吸链中，酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。

一呼吸链的组成

用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到四种仍具有传递电子功能的酶复合体。

1复合体INADH-泛醌还原酶

将电子从NADH，传递给泛醌。人复合体I中含有FMN为辅基的黄素蛋白和以铁硫簇Fe-S）为辅基的铁硫蛋白。NAD+，与NADP+是烟酰胺脱氢酶类的辅酶

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1个氢原子和1个电子，将另1个H+游离出来。

FMN中含有核黄素（维生素B），其发挥功能的结构是异咯嗪环。

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半胱氨酸残基的硫相连接。

泛醌即辅酶QCoQ，，是一种脂溶性醌类化合物。因侧链的疏水作用，它能在线粒体内膜中迅速扩散。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。

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，后者又可脱去电子和质子而被氧化为泛醌。

2复合体Ⅱ，琥珀酸-泛醌还原酶

将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有以FAD为辅基的黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素Cyt）b560。

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，参与呼吸链组成的细胞色素有细胞色素a、b、cCyta，Cytb，Cytc三类，每一类中又因其最大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。

3复合体Ⅲ，泛醌-细胞色素C还原酶

将电子从泛醌传递给细胞色素C。人复合体Ⅲ中含有2种细胞色素b、细胞色素Cl和铁硫蛋白。Cytc呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复合体中。

4复合体Ⅳ，细胞色素C氧化酶

将电子从细胞色素C传递给氧。人复合体Ⅳ中含有Cyta和Cyta3。由于两者结合紧密，很难分离，故称之为Cytaa3

二呼吸链成分的排列顺序1NADH氧化呼吸链

NAD+接受氢生成NADH+H+，然后通过NADH氧化呼吸链将其携带的2个电子逐步传递给氧。即NADH+H+脱下的2H经复合体IFMN，Fe-S传给CoQ，再经复合体ⅢCytb，Fe-S，Cytcl传至Cytc，然后传至复合体ⅣCyta，Cyta3最后将2e交给02。

2琥珀酸氧化呼吸链

琥珀酸由琥珀酸脱氢酶催化脱下的2H经复合体ⅡFAD，Fe-S，b560使CoQ形成CoQH2，再往下的传递与NADH氧化呼吸链相同。

二、氧化磷酸化

定义：细胞内ATP形成的主要方式是氧化磷酸化，即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。

底物水平磷酸化：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的过程，称为底物水平磷酸化。

一氧化磷酸化偶联部位

1P／O比值：

定义：P／O比值是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数或ADP摩尔数，即生成ATP的摩尔数。

线粒体离体实验的P／O比值。

近年来实验证实，一对电子经NADH氧化呼吸链传递，P/O比值约为25，一对电子经琥珀酸氧化呼吸链传递，P/O比值约为15。

2自由能变化

合成1molATP时，需要提供的能量至少为ΔG0''=-305kJ/mol，相当于氧化还原电位差ΔE0''=02V。根据计算，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。

二氧化磷酸化偶联机制

1化学渗透假说

1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。

基本要点：电子经呼吸链传递时，可将质子H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度H+浓度梯度和跨膜电位差。当质子从膜间腔返回基质中时，这种势能可被位于线粒体内膜上的ATP合酶利用以合成ATP驱动ADP与磷酸生成ATP。

电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路，每个回路均有质子泵的作用。

2ATP合酶

复合体V，即ATP合酶。位于线粒体内膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主要由Fo疏水部分和Fl亲水部分组成。

Fl其功能是催化生成ATP，催化部位在β亚基中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。

Fo是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道。

当H+顺浓度递度经Fo回流时，Fl催化ADP和Pi，生成并释放ATP。 此外，在Fo和Fl之间的柄部还有其他亚基存在，其中一个称之为寡霉素定感蛋白OSCP），使ATP合酶在寡霉素存在不能生成ATP。

三、影响氧化磷酸化的因素

一抑制剂

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。

鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等与复合体I中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递。

抗霉素A、二巯基丙醇抑制复合体III中Cytb与Cytcl间的电子传递。

CO、CN-、N3及H2S抑制细胞色素C氧化酶，使电子不能传给氧。因此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

它们使氧化与磷酸化偶联过程脱离。

其基本作用机制是使呼吸链传递电子过程中泵出的H+不经ATP合酶的Fo质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使ATP的生成受到抑制，由电化学梯度储存的能量以热能形式释放。

二硝基苯酚DNP）为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基质侧释出H+，返回胞液侧结合H+，从而破坏了电化学梯度。

3氧化磷酸抑制剂

例如，寡霉素可与ATP合酶Fl和F0之间柄部之间的寡霉素敏感蛋白结合，阻止质子通道回流，抑制ATP合成。

二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。

呼吸控制率RCR）：这种调节作用可使ATP的生成速度适应生理需要。用离体线粒体进行实验，当有过量底物存在时，加入ADP后的耗氧速率与仅有底物时的耗氧速率之比称为呼吸控制率RCR）。它可以作为观察氧化磷酸化偶联程度较敏感的指标。

三甲状腺激素

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，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。

四线粒体DNA突变

线粒体DNAmtDNA）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。

mtDNA突变可影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少而致病。常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等

四、ATP

高能磷酸键：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，一般称之为高能磷酸键，常用"～P"符号表示。

高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。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。

ATP还可将-P转移给肌酸生成磷酸肌酸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。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。

五、通过线粒体内膜的物质转运

线粒体基质与胞液之间有线粒体内、外膜相隔，外膜通透性较高，允许分子量在1000以内的物质通过。线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同的转运载体对各种物质进行转运，以保证生物氧化的顺利进行。 一胞液中NADH的氧化

线粒体内生成的NADH可直接参加氧化磷酸化过程，但在胞液中生成的NADH不能自由透过线粒体内膜，故线粒体外NADH所携带的氢必须通过某种转运机

制才能进入线粒体，然后再经呼吸链进行氧化磷酸化过程。这种转运机制主要有α-磷酸甘油穿梭和苹果酸-天冬氨酸穿梭两种。

1α--磷酸甘油穿梭作用

部位：α--磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。

过程：线粒体外的NADH在胞液中磷酸甘油脱氢酶催化下，使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油，后者通过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜近胞液侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至胞液，继续进行穿梭，而FADH2则入琥珀酸氧化呼吸链，生成15分子ATP。



2苹果酸-天冬氨酸穿梭作用

部位：苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。

过程：NADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α-酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成25分子ATP。线粒体内生成的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。

二腺苷酸载体

腺苷酸载体又称ATP-ADP载体或称ATP-ADP转位酶。ADP与ATP经该载体反向交换。

三线粒体蛋白质的跨膜转运

90％以上的线粒体蛋白质是由核DNA编码的，它们在线粒体外合成。定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质经基质中的加工肽酶作用后，暴露出新的氨基端疏水肽段，引导多肽链重新穿过内膜。此疏水肽段被膜间隙中的酶切除后，才能生成成熟的蛋白质。

一、需氧脱氢酶和氧化酶

氧化酶

直接利用氧为受氢体催化底物氧化，其辅基含铜离子，产物中有H20。属于这类氧化酶的有细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶等。

需氧脱氢酶催化底物脱氢并以氧为受氢体，其辅基是FMN或FAD，但反应产物是过氧化氢。

二、过氧化物酶体中的氧化酶类

一过氧化氢酶

过氧化氢酶又称触酶，其辅基含有4个血红素，在粒细胞和吞噬细胞中，H202可氧化杀死入侵的细菌。

二过氧化物酶

过氧化物酶也以血红素为辅基，它催化H202直接氧化酚类或胺类化合物。

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，将联苯胺氧化成蓝色化合物。

三、超氧物歧化酶

超氧物歧化酶SOD）可催化1分子O氧化生成02，另一分子0还原生成H202：

SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。

体内还存在一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，可使H202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。作用此类酶具有保护生物膜及血红蛋白免遭损伤的作用。

四、微粒体中的氧化酶类

一加单氧酶

加单氧酶催化一个氧原子加到底物分子上羟化，另一个氧原子被氢还原成水。故又称混合功能氧化酶或羟化酶。

反应需要CytP450，它属于Cytb类，波长450nm处出现最大吸收峰。细胞色素P4so在生物中广泛分布，此酶在肝和肾上腺的微粒体中含量最多，参与类固醇激素、胆汁酸及胆色素等的生成，以及药物、毒物的生物转化过程。

连结NADPH的是NADPH细胞色素P450还原酶。

二加双氧酶

色氨酸吡咯酶的作用此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。如色氨酸吡咯酶

小结

物质在生物体内氧化称为生物氧化。生物氧化主要指供能物质在体内分解时，逐步释放能量以维持生命活动，并最终生成C02和H20的过程。

呼吸链分离得到4种功能复合体：NADH-泛醌还原酶复合体1、琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ、泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ、以及细胞色素C氧化酶复合体Ⅳ。CoQ和Cytc不包含在这些复合体中。

根据传递顺序的不同可分为两条呼吸链：NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链。

呼吸链电子传递过程中释放的能量，大约有40％可使ADP磷酸化生成ATP，此过程称为氧化磷酸化偶联。

通过测定不同底物经呼吸链氧化的P/O比值及通过呼吸链各组分之间电位差与自由能变化之间的关系计算所得的结果表明，NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位。此外体内还有一种磷酸化方式，称之为底物水平磷酸化。

化学渗透假说是解释氧化磷酸化机制的主要学说。

氧化磷酸化可受一些化合物的抑制。呼吸链抑制剂阻断呼吸链某部位使电子不能传给氧；解偶联剂使氧化和磷酸化偶联过程脱离；氧化磷酸化抑制剂对电子传递和磷酸化均有抑制作用。此外氧化磷酸化还受细胞内ADP／ATP比值，以及甲状腺激素的调控。

线粒体DNA突变也可影响氧化磷酸化的功能。

生物体内能量的转化，储存和利用都以ATP为中心。在肌肉和脑组织中，磷酸肌酸可作为ATP末端高能磷酸键的贮存形式。

除线粒体的氧化体系外，在微粒体、过氧化物酶体以及细胞其他部位还存在其他氧化体系，参与呼吸链以外的氧化过程，其特点是不伴磷酸化，不能生成ATP，主要与体内代谢物、药物和毒物的生物转化有关。

第一节蛋白质的营养作用

氨基酸是构成蛋白质分子的基本单位，蛋白质是生命活动的基础。体内的大多数蛋白质均不断地进行分解与合成代谢。由于蛋白质在体内首先分解成为氨基酸而后进一步代谢，所以氨基酸代谢是蛋白质代谢的中心内容。氨基酸代谢包括分解代谢和合成代谢。本章重点讨论分解代谢。

一、蛋白质营养的重要性

1是构成组织细胞的重要成分。2参与组织细胞的更新和修补。3参与物质代谢及生理功能的调控。4氧化供能。5其他：如转运、凝血、免疫、记忆、识别等均与蛋白质有关。

二蛋白质的需要量和营养价值

（一）氮平衡nitrogenbalance）

体内蛋白质的合成与分解处于动态平衡中，故每日氮的摄入量与排出量也维持着动态平衡，这种动态平衡就称为氮平衡。

1．氮的总平衡:摄入N=排出N，反映正常成人的蛋白质代谢情况。2．氮负平衡:摄入N＜排出N，蛋白合成＜分解。见于蛋白质需要量不足，例如饥饿或消耗性疾病患者。3．氮正平衡:摄入N＞排出N，蛋白合成＞分解，部分摄入的氮用于合成体内蛋白质。

（二）生理需要量

成人每日须补充30-50g蛋白质,才能维持N总平衡。为了长期保持氮平衡，我国营养学会推荐,成人每日蛋白需要量为80g。此外、孕妇、乳母、儿童、脑力或强体力劳动应相应增加。

（三）蛋白质的营养价值

有的蛋白质含有体内所需要的各种氨基酸，并且含量充足，则此种蛋白质的营养价值高；有的蛋白质缺乏体内所需要的某种氨基酸，或含量不足，则其营养价值较低。

①必需氨基酸EAA）:体内不能合成,必须由食物供给的氨基酸：

MetTrpLysValIleLeuPheThr

His儿童半必需氨基酸。

②非必需氨基酸（NEAA）：除8种以外的氨基酸

决定蛋白质营养价值高低的因素有：

1必需氨基酸的含量；2必需氨基酸的种类；3必需氨基酸的比例，即具有与人体需求相符的氨基酸组成。

将几种营养价值较低的食物蛋白质混合后食用，以提高其营养价值的作用称为食物蛋白质的互补作用。

谷类蛋白含Lys少，Trp多；而豆类蛋白含Lys多，Trp少，把这两种蛋白质混合，营养价值升高。所以食物必需多样化，合理搭配。

第二节蛋白质的消化、吸收与腐败

一、蛋白质的消化

蛋白质未经消化不易吸收，须在胃及肠道内多种蛋白酶的作用下，进行消化，水解成氨基酸及少量寡肽，在小肠被吸收。未被消化吸收的蛋白质、氨基酸在大肠经肠菌作用产生腐败作用。

唾液中不含水解蛋白质的酶，故食物蛋白质的消化自胃中开始，但主要在小肠中进行。

（一）胃中的消化

胃中消化蛋白质的酶是由胃粘膜分泌的胃蛋白酶，它由胃蛋白酶原经胃酸激活而生成。蛋白质经胃蛋白酶消化后，主要分解成多肽及少量氨基酸。胃蛋白酶对乳中酪蛋白有凝乳作用，使乳液凝成乳块后在胃中停留时间延长，易于消化，这对乳儿较为重要。

（二）小肠中的消化

在小肠中，蛋白质的消化产物及未被消化的蛋白质再受胰液及肠粘膜细胞分泌的蛋白酶及肽酶的共同作用，进一步消化成为氨基酸。

胰液中的蛋白酶基本上分为两类：

内肽酶水解蛋白质肽链内部的一些肽键，胰蛋白酶、糜蛋白酶及弹性蛋白酶等。这些酶对不同氨基酸组成的肽键有一定的专一性。外肽酶主要有羧基肽酶和氨基肽酶，羧基肽酶自羧基末端开始，每次水解掉一个氨基酸；氨基肽酶从氨基末端逐个水解氨基酸。

二氨基酸的吸收

氨基酸的吸收主要在小肠中进行。吸收机理尚未弄清，一般认为它主要是一个耗能的主动吸收过程。

（一氨基酸吸收载体

肠粘膜细胞膜上具有转运氨基酸的载体蛋白，能与氨基酸及Na+形成三联复合物，将氨基酸及Na+转运到细胞内，Na+借钠泵排出细胞外，并消耗ATP，吸收到胞浆中的氨基酸从门静脉进入血液。

人体内至少有中性、碱性、酸性、亚氨基酸与甘氨酸四种类型的载体，分别参与不同氨基酸的转运。

此类氨基酸的转运主要存在于小肠粘膜细胞、肾小管细胞、肌肉细胞、白细胞等细胞膜上。

（二）γ-谷氨酰基循环（Meister循环）

图7-2γ-谷氨酰基循环

氨基酸吸收及向细胞内的转运过程是通过谷胱甘肽起作用的，称为γ-谷氨酰基循环。其反应过程首先由谷胱甘肽对氨基酸的转运，其次是谷胱甘肽的再合成，由此构成一个循环（图7-2）。

存在于小肠粘膜细、肾小管细胞、脑组织细胞。γ-谷氨酰基转移酶位于细胞膜上，为关键酶，其余的酶均在胞液中。转运1分子氨基酸需要消耗3分子ATP。

（三）肽的吸收

肠粘膜细胞上还存在着吸收二肽和三肽的转运体系。此种转运也是一个耗能的主动吸收过程，吸收作用在小肠近端较强。不同二肽的吸收具有竞争作用。

三蛋白质的腐败作用

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、吲哚、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。

实际上，腐败作用是细菌本身的代谢过程。食物蛋白95%被消化吸收，5%在大肠被细菌分解。

（一）胺类的生成

氨基酸经脱羧基作用生成胺类。

组氨酸脱羧基生成组胺，赖氨酸脱羧基生成尸胺，酪氨酸脱羧基生成酪胺等



酪胺和由苯丙氨酸脱羧基生成的苯乙胺，若不能在肝内分解而进入脑组织，则可分别经β-羟化而形成β-羟酪胺和苯乙醇胺，它们的化学结构与儿茶酚胺类似，称为假神经递质，它们不能传递神经冲动，可使大脑发生异常抑制。当肝功能障碍时，血中胺类升高，而引起肝昏迷。

（二氨的生成

肠道中胺的来源：

1未被吸收的氨基酸在肠道细菌作用下脱氨基而生成；2血液中尿素渗入肠道，受肠菌尿素酶的水解而生成氨。

（三其它有害物质的生成

除了胺类和氨外，通过腐败作用还可产生其它有害物质，例如苯酚、吲哚、甲基吲哚及硫化氢等。

正常情况下，上述有害物质大部分随粪便排出，小部分吸收后经肝转化解毒。肠梗阻、便秘等会造成上述有害物质的吸收量增加，引起头昏、不舒服等症状。

第三节氨基酸的一般代谢

外源性氨基酸:

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。

内源性氨基酸:

机体各组织的蛋白质在蛋白酶和肽酶的作用下，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。

图7-4氨基酸代谢概况

外源性氨基酸和内源性氨基酸共同构成了机体的氨基酸代谢库metabolicpool）。机体没有专一的组织器官储存氨基酸，氨基酸代谢库实际上包括细胞内液、细胞间液和血液中的氨基酸。（图7-4）

一氨基酸的脱氨基作用

联合脱氨基作用 体内氨基酸除用于合成蛋白质外，主要的分解代谢是脱氨基生成NH3及α-酮酸。氨基酸可以通过多种方式脱氨基，如转氨、氧化脱氨、联合脱氨、非氧化脱氨等，以联合脱氨为最重要。

（一）转氨基作用transamination）

1．转氨酶与转氨作用：体内各组织中都有氨基转移酶或称转氨酶。催化一个氨基酸的α-氨基转移到另一种α-酮基上，生成相应的氨基酸，原来的氨基酸则转变成α-酮酸。辅酶都是维生素B6的磷酸酯，即磷酸吡哆醛（PLP）。

转氨基作用可以在各种氨基酸与α-酮酸之间普遍进行。除Gly，Lys，Thr，Pro外，均可参加转氨基作用。其中α-酮戊二酸、丙酮酸和草酰乙酸三种α-酮酸作为氨基受体的谷丙转氨和谷草转氨最为常见，也最重要。

较为重要的转氨酶有：

⑴丙氨酸氨基转移酶（alaninetrans-aminase,ALT），又称为谷丙转氨酶（GPT）。催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高，在肝脏疾病时，可引起血清中ALT活性明显升高。

⑵天冬氨酸氨基转移酶（aspartatetransaminase,AST），又称为谷草转氨酶（GOT）。催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应，为可逆反应。该酶在心肌中活性较高，故在心肌疾患时，血清中AST活性明显升高。

2转氨作用的机制

PLP通过其醛基结合于转氨酶活性中心赖氨酸的ε-氨基上，缩合形成Schiff碱而共价结合于酶分子中。在转氨基过程中，磷酸吡哆醛先从氨基酸接受氨基转变成磷酸吡哆胺，同时氨基酸则转变成α-酮酸。磷酸吡哆胺进一步将氨基转移给另一种α-酮酸而生成相应的氨基酸，同时磷酸吡哆胺又变回磷酸吡哆醛。在转氨酶的催化下，磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺的这种相互转变，起着传递氨基的作用。

3转氨基作用的生理意义

1调节体内非必需氨基酸的种类和数量，以满足蛋白质合成时对非必需氨基酸的需求。2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，沟通了机体的糖代谢、脂代谢和氨基酸代谢的互相联系。

二L-谷氨酸氧化脱氨作用

氨基酸的氧化脱氨基反应主要由L-氨基酸氧化酶和L-谷氨酸脱氢酶催化。

L-氨基酸氧化酶是一种需氧脱氢酶，以FAD或FMN为辅基，脱下的氢原子交给O2，生成H2O2。

第四节氨的代谢

一、体内氨的来源与去路

氨的来源:

1氨基酸的脱氨基作用2肠道吸收:肠菌作用氨基酸,尿素水解3肾Gln的水解4胺

氨的去路:

1尿素的生成2Gln的生成3含氮化合物的生成4肾排氨图7－T4

二氨的转运

1丙氨酸－葡萄糖循环：（alanineglucosecycle）

图7-7丙氨酸－葡萄糖循环

肌肉组织中以丙酮酸作为转移的氨基受体，生成丙酸经血液运输到肝脏。在肝脏中，经转氨基作用生成丙酮酸，可经糖异生作用生成葡萄糖，葡萄糖由血液运输到肌肉组织中，分解代谢再产生丙酮酸，后者再接受氨基生成丙氨酸。这一循环途径称为"丙氨酸-葡萄糖循环"。通过此途径，肌肉氨基酸的NH2基，运输到脏脏以NH3或天冬氨酸合成尿素。（图7-7）

2谷氨酰胺的运氨作用：

氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下生成谷氨酰胺，并由血液运输至肝或肾，再经谷氨酰胺酶水解成谷氨酸和氨。谷氨酰胺主要从脑、肌肉等组织向肝或肾运氨。图7－T4

谷氨酰胺还可以提供其酰胺基使天冬氨酸转变成天冬酰胺。机体细胞能够合成足量的天冬酰胺以供蛋白质合成的需要，但白血病细胞却不能或很少能合成天冬氨酸，必须依靠血液从其它器官运输而来。由此，临床上应用天冬酰胺酶以减少血中天冬酰胺，以达到治疗白血病。三尿素的生成

氨是有毒的物质，人体必须及时将氨转变成无毒或毒性小的物质，然后排出体外。氨的主要去路是在肝脏合成尿素，随尿排出。

一）鸟氨酸循环的过程

图7-8鸟氨酸循环

肝脏是尿素合成的主要器官，肾脏是尿素排泄的主要器官。1932年Krebs等人提出了鸟氨酸循环ornithinecyclc）学说。鸟氨酸循环可概括为：（图7-8）

尿素中的两个N原子分别由氨和天冬氨酸提供，而C原子来自H2CO3。尿素循环共有五步酶促反应，二步在线粒体中，三步在胞液中进行。其详细过程如下：

1氨基甲酰磷酸的合成

氨基甲酰磷酸是在Mg2+、ATP及N-乙酰谷氨酸N-acetylglutamicacid,AGA）存在的情况下，由氨基甲酰磷酸合成酶ICPS-I）催化NH3和HCO3在肝细胞线粒体中合成。

反应是不可逆的，消耗2分子ATP。CPS-1是一种变构酶，AGA是此酶变构激活剂。由乙酰CoA和谷氨酸缩合而成。CPS-1和AGA都存在于肝细胞线粒体中。

真核细胞中有两种CPS：

1）线粒体CPS-Ⅰ利用游离NH3为氮源合成氨基甲酰磷酸，参与尿素合成。2）胞液CPS-Ⅱ利用谷氨酰胺作氮源，参与嘧啶的从头合成。

2瓜氨酸的生成：

鸟氨酸氨基甲酰转移酶OCT）存在于线粒体中，通常与CPS－I形成酶复合物催化氨基甲酰磷酸转甲酰基给鸟氨酸生成瓜氨酸。此反应在线粒体内进行，不可逆，而鸟氨酸在胞液中生成，需通过一特异的穿梭系统进入线粒体内。

3精氨酸的合成

瓜氨酸穿过线粒体膜进入胞浆中，在胞浆中由精氨酸代琥珀酸合成酶催化瓜氨酸的脲基与天冬氨酸的氨基缩合生成精氨酸代琥珀酸，获得尿素分子中的第二个氮原子。此反应由ATP供能。

精氨酸代琥珀酸裂解酶催化精氨酸代琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索酸。上述反应中生成的延胡索酸可经三羧酸循环的中间步骤生成草酰乙酸，再经谷草转氨酶催化转氨作用重新生成天冬氨酸。由此，通过延胡索酸和天冬氨酸，使三羧酸循环与尿素循环联系起来。

4尿素的生成

尿素循环的最后一步反应是在胞液中由精氨酸酶arginase）催化精氨酸水解生成尿素并再生鸟氨酸，鸟氨酸再进入线粒体参与另一轮循环。

尿素合成的特点：

1．合成主要在肝脏的线粒体和胞液中进行;2．合成一分子尿素需消耗四分子ATP;3．精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的限速酶;4．尿素分子中两个氮原子，一个来源于NH3，一个来源于天冬氨酸。 二尿素合成的调节

1．食物蛋白质的影响

高蛋白膳食时尿素的合成速度加快，排出的含氮物中尿素约占90%；反之，低蛋白质膳食时尿素的合成速度减慢，尿素排出量可低于含氮排泄量的60%。

2．CPS－I的调节

当氨基酸分解旺盛时，由转氨作用引起谷氨酸浓度升高，增加AGA的合成，从而激活CPS-I，加速氨基甲酰磷酸合成，推动尿素循环。精氨酸是AGA合成酶的激活剂，因此，临床利用精氨酸治疗高氨血症。

3．尿素合成酶系的调节

精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶，活性最低，可调节尿素合成的速度。

三）高氨血症和氨中毒

正常生理情况下，血氨的来源与去路保持动态平衡，尿素循环是维持血氨低浓度的关键。当肝功能严重损伤时，尿素循环发生障碍，血氨浓度升高，称为高氨血症。氨进入脑组织，与α-酮戊二酸结合成谷氨酸，谷氨酸又与氨进一步结合生成谷氨酰胺，从而使α-酮戊二酸和谷氨酸减少，导致三羧酸循环减弱，从而使脑组织中ATP生成减少。谷氨酸本身为神经递质，且是另一种神经递质γ-氨基丁酸GABA）的前体，其减少亦会影响大脑的正常生理功能，严重时可出现昏迷。

第五节个别氨基酸的代谢

一、氨基酸的脱羧基作用

部分氨基酸可在氨基酸脱羧酶催化下进行脱羧基作用生成相应的胺，脱羧酶的辅酶为磷酸吡哆醛。脱羧基作用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。

（一）γ-氨基丁酸γ-aminobutyricacidGABA）

GABA由谷氨酸脱羧基生成，催化此反应的酶是谷氨酸脱羧酶。此酶在脑、肾组织中活性很高，所以脑中GABA含量较高。

GABA是一种仅见于中枢神经系统的抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。在脊髓，作用于突触前神经末梢，减少兴奋性递质的释放，从而引起突触前抑制，在脑则引起突触后抑制。

二）牛磺酸

体内牛磺酸主要由半胱氨酸脱羧生成。半胱氨酸先氧化生成磺酸丙氨酸，再由磺酸丙氨酸脱羧酶催化脱去羧基，生成牛磺酸。牛磺酸是结合胆汁酸的重要组成分。

此外，活性硫酸根转移也可产生牛磺酸。现已发现脑组织中含有较多的牛磺酸，表明它可能有更为重要的生理功能。

（三）组胺histamine）

由组氨酸脱羧生成。组胺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舒张剂，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。组胺可刺激胃蛋白酶和胃酸的分泌，所以常用它作胃分泌功能的研究。

四）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。

目前已肯定中枢神经系统有5－羟色胺能神经元。5－羟色胺可使大部分交感神经节前神经元兴奋，而使付交感节前神经元抑制。其它组织如小肠、血小板、乳腺细胞中也有5-羟色胺，具有强烈的血管收缩作用。

（五）多胺palyamine）

鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶催化下可生成腐胺，S－腺苷蛋氨酸SAM）在SAM脱羧酶催化脱羧生成S－腺苷－3－甲硫基丙胺。在精脒合成酶催化下将S－腺苷－3－甲硫基丙胺的丙基移到腐胺分子上合成精脒,再在精胺合成酶催化下，再将另一分子S－腺苷－3－甲硫基丙胺的丙胺基转移到精脒分子上，最终合成了精胺。腐胺、精脒和精胺总称为多胺或聚胺。

多胺存在于精液及细胞核糖体中，是调节细胞生长的重要物质，多胺分子带有较多正电荷，能与带负电荷的DNA及RNA结合，稳定其结构，促进核酸及蛋白质合成的某些环节。在生长旺盛的组织如胚胎、再生肝及癌组织中，多胺含量升高。可利用血或尿中多胺含量作为肿瘤诊断的辅助指标。

一、核苷酸类物质的生理功用：

核苷酸类物质在人体内的生理功用主要有：

①作为合成核酸的原料：如用ATP，GTP，CTP，UTP合成RNA，用dATP，dGTP，dCTP，dTTP合成DNA。

②作为能量的贮存和供应形式：除ATP之外，还有GTP，UTP，CTP等。

③参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使。

④参与构成酶的辅酶或辅基：如在NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA中均含有核苷酸的成分。

⑤作为代谢中间物的载体：如用UDP携带糖基，用CDP携带胆碱，胆胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（SAM）等。二、嘌呤核苷酸的合成代谢：

1从头合成途径：利用一些简单的前体物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳单位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径。这一途径主要见于肝脏，其次为小肠和胸腺。嘌呤环中各原子分别来自下列前体物质：Asp→N1；N10-CHOFH4→C2；Gln→N3和N9；CO2→C6；N5N10=CH-FH4→C8；Gly→C4、C5和N7。合成过程可分为三个阶段：

⑴次黄嘌呤核苷酸的合成：在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，消耗ATP，由5''-磷酸核糖合成PRPP1''-焦磷酸-5''-磷酸核糖。然后再经过大约10步反应，合成第一个嘌呤核苷酸——次黄苷酸（IMP）。

⑵腺苷酸及鸟苷酸的合成：IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸（AMP-S），然后裂解产生AMP；IMP也可在IMP脱氢酶的催化下，以NAD+为受氢体，脱氢氧化为黄苷酸（XMP），后者再在鸟苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸（GMP）。

⑶三磷酸嘌呤核苷的合成：AMP/GMP被进一步磷酸化，最后生成ATP/GTP，作为合成RNA的原料。ADP/GDP则可在核糖核苷酸还原酶的催化下，脱氧生成dADP/dGDP，然后再磷酸化为dATP/dGTP，作为合成DNA的原料。2、补救合成途径：又称再利用合成途径。指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。这一途径可在大多数组织细胞中进行。其反应为：A+PRPP→AMP；G/I+PRPP→GMP/IMP。3、抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制：能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物，通常是属于嘌呤、氨基酸或叶酸的类似物，主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用，来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗肿瘤治疗作用。在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似物主要是6-巯基嘌呤（6-MP）。6-MP的化学结构与次黄嘌呤类似，因而可以抑制IMP转变为AMP或GMP，从而干扰嘌呤核苷酸的合成。三、嘌呤核苷酸的分解代谢：

嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱，最后产生的I和X经黄嘌呤氧化酶催化氧化生成终产物尿酸。痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾脏，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。可用别嘌呤醇予以治疗。四、嘧啶核苷酸的合成代谢：

1从头合成途径：指利用一些简单的前体物逐步合成嘧啶核苷酸的过程。该过程主要在肝脏的胞液中进行。嘧啶环中各原子分别来自下列前体物：CO2→C2；Gln→N3；Asp→C4、C5C6、N1。嘧啶核苷酸的主要合成步骤为：⑴尿苷酸的合成：在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下，以Gln，CO2，ATP等为原料合成氨基甲酰磷酸。后者在天冬氨酸转氨甲酰酶的催化下，转移一分子天冬氨酸，从而合成氨甲酰天冬氨酸，然后再经脱氢、脱羧、环化等反应，合成第一个嘧啶核苷酸，即UMP。⑵胞苷酸的合成：UMP经磷酸化后生成UTP，再在胞苷酸合成酶的催化下，由Gln提供氨基转变为CTP。⑶脱氧嘧啶核苷酸的合成①CTP→CDP→dCDP→dCTP。

②dCDP→dCMP→dUMP→dTMP→dTDP→dTTP。胸苷酸合成酶催化dUMP甲基化，甲基供体为N5N10-亚甲基四氢叶酸。2、补救合成途径：由分解代谢产生的嘧啶/嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成途径。以嘧啶核苷的补救合成途径较重要。主要反应为：UR/CR+ATP→UMP/CMP；TdR+ATP→dTMP。3、抗代谢药物对嘧啶核苷酸合成的抑制：能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物，通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成。主要的抗代谢药物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在体内可转变为F-dUMP，其结构与dUMP相似，可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性，从而抑制胸苷酸的合成。五、嘧啶核苷酸的分解代谢：

嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下，除去磷酸和核糖，产生的嘧啶碱可在体内进一步分解代谢。不同的嘧啶碱其分解代谢的产物不同，其降解过程主要在肝脏进行。胞嘧啶和尿嘧啶降解的终产物为（β-丙氨酸+NH3+CO2）；胸腺嘧啶降解的终产物为（β-氨基异丁酸+NH3+CO2。第一节复制的基本规律

半保留复制（semiconservativereplication）复制时，母链的双链DNA解开成两股单链，各自作为模版（template）指导子代合成新的互补链。子代细胞的DNA双链，其中一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新组合成。由于碱基互补，两个子细胞的DNA双链，都和亲代母链DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。

一半保留复制的实验依据

实验结果说明：子一代DNA双链中有一股是15N单链，而另一股是14N单链，前者是从亲代接受和保留下来的，后者则是完全新合成的。

亲代双链复制出子代DNA有三种可能情况即全保留、半保留和混合试的复制

二半保留复制的意义

DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，决定细胞蛋白质结构和功能，包括酶、代谢类型、免疫特性及生物的表现型。

遗传信息的相对稳定，是物种稳定的分子基础，但并不意味着同一物种个体与个体之间没有区别。除了单卵双胞胎之外，两个人之间不可能有完全一样的DNA分子组成（基因型）。因此在强调遗传的恒定性同时，不能忽视其变异性。

第二节DNA复制的特点与条件

条件

（1）底物dATP，dGT，dCTP和dTTP，总称dNTP；

2）聚合酶（polymerase）依赖DNA的DNA聚合酶，简称为DNA-pol；

3）模版（template）解开成单链的DNA母链；

4）引物（primer）提供3′-OH末端，使dNTP可以依次聚合；

5）其他酶和蛋白质因子。

特点

（1）半保留复制

2）有一定的复制起始点

3）需要引物

4）双向复制

5）半不连续复制

6）复制方向5''→3''

一复制的化学反应

核苷酸和核苷酸之间，是通过磷酸二脂健的生成而逐一聚合的。反应的底物是dNTP。

新链只能从5′-端向3′-端延长。底物的5′-P是加合到原有的链3′-末端核糖的3′-OH基上形成磷酸二脂健的，这就是复制的方向性。由于DNA双螺旋的两股链走向相反，因此复制时也按相反走向各自按模版链指引合成新链。

二DNA聚合酶（DNA-dependentDNApolymerase）

（一原核生物的DNA聚合酶

在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，DNA聚合酶Ⅰ（polⅠ），DNA聚合酶Ⅱ（polⅡ），DNA聚合酶Ⅲ（polⅢ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。DNA-polⅠⅡ，Ⅲ的比例为40040：20。参与DNA复制的主要是polⅢ和polⅠ。

polⅠ

1958年，AKornberg在大肠杆菌中发现为单一肽链的大分子蛋白质具有5''→3''聚合酶活性和3''→5''外切酶的活性。只能催化延长约20个核苷酸左右，主要功能是对复制中的错误进行校正，对复制和修复出现的空隙进行填补。

DNA-polⅢ

由十种亚基组成不对称的二聚体活性大于DNA-polⅠ10倍以上，每分钟能催化至多105个核苷酸聚合，α，ε，θ组成核心酶，α-亚基有5′→3′聚合活性，ε有3′→5′核酸外切酶活性以及碱基选择功能。θ亚基未发现有催化活性，可能起维系二聚体的作用兼有核苷酸的聚合和核酸链的3′-5′外切酶活性。两边的β亚基起着夹住模版链又能使酶沿模版链滑动的作用。其余的亚基统称为γ-复合物，每一亚基的具体功能尚在研究中。DNA-polⅢ是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶

DNA-polⅡ：

只是在无polⅠ及polⅢ的情况下才起作用，其真正的功能也未完全清楚。

原核生物中的三种DNA聚合酶

polⅠ polⅡ polⅢ 5''→3''聚合酶活性 + + + 5''→3''外切酶的活性 + - - 3''→5''外切酶的活性 + + + 生理功能 去除引物,填补空缺

修复损伤,校正错误 未知 DNA复制,校正错误

二）真核生物的DNA聚合酶

DNA聚合酶α参与染色体DNA复制（延长随从链）

DNA聚合酶β只在其他聚合酶无活性时才发挥作用

DNA聚合酶γ参与线粒体DNA复制

DNA聚合酶δ（延长领头链）

DNA聚合酶ε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关

真核生物的DNA-polγ在线粒内。人类的mtDNA已知有37个基因。

mtDNA容易发生突变，损伤后的修复又较困难。mtDNA的突变与衰老等自然现象有关，也和一些疾病的发生有关。

三）复制保真性的酶学依据

1核酸外切酶活性和校读

DNA-polⅠ，Ⅲ3′→5′方向外切酶活性，DNA-polⅠ还具有5′→3′外切酶活性，切除引物，切除突变片断。

2复制的保真性和碱基选择

为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：

DNA复制的保真性至少要依赖三种机制：

1遵守严格的碱基配对规则；

2聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；

3复制出错时有即时的校读功能。

三复制中的解链和DNA分子拓扑学变化

活细胞内的复制应先解开DNA的超螺旋和双螺旋。目前已知的解旋、解链酶有解螺旋酶、DNA拓扑异构酶（DNAtopoisomerase）和单链DNA结合蛋白（singlestrandedDNAbindingprotein）三大类。

一解螺旋酶（helicase）

又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。目前发现存在至少存在两种解螺旋酶。

与复制相关的基因dnaA，dnaB，dnaC…dnaX，相应的蛋白质DnaA，DnaB…DnaX等。

DnaB蛋白就是解螺旋酶。在DNA-pol参与复制过程之前，首先起作用的始物质有DnaAmDnaB，DnaC蛋白。DnaA蛋白辨认复制起始点，DnaC蛋白辅助DnaB使其在起点上接合并打开双链。

（二DNA拓扑异构酶（DNAtopoisomerase）

拓扑指物体或图像作弹性移位而又保持物体的性质。闭环状态的DNA按一定方向扭转形成超螺旋。

拓扑酶广泛存在于原核及真核生物，既能水解，又能连接磷酸二酯键，分为Ⅰ型和Ⅱ型两种，最近还发现了拓扑酶Ⅲ。

拓扑异构酶Ⅰ

可使DNA双链中的一条链切断，松开双螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。催化反应不需ATP。

拓扑异构酶Ⅱ

切断DNA双链，使DNA的超螺旋松解后，再将其连接起来。在无ATP时，切断处于超螺旋状态的DNA分子双链某一部位，断端通过切口使超螺旋松弛；利用ATP供能情况下，断端在拓扑酶催化下恢复连接松弛状态的DNA又进入负超螺旋状态。

拓扑酶Ⅱ这些作用，均使复制中的DNA能解结、连环或解连环，达到适度盘绕。复制末期，母链DNA与新合成链也会相互缠绕，形成打结或连环，也需拓扑异构酶Ⅱ的作用。DNA分子一边解链，一边复制，可见，拓扑酶是在复制全过程都是有作用的。

（三）单链DNA结合蛋白质（singlestrandedDNAbindingproteinSSB）

曾称螺旋反稳定蛋白（helixdestabilizingproteinHDP），在Ecoil，它是由177个氨基酸残基组成的相同四聚体，结合单链DNA的跨度约32个核苷酸单位。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：

①使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其为模板复制子代DNA；

②保护单链DNA，避免核酸酶的降解。

四引物酶和引发体

催化引物合成的是一种RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物primer），以提供自由的3''-OH，使子代DNA链能够开始聚合。在Ecoli，引物酶是dnaG基因的产物。DnaB蛋白和DnaA、DnaC蛋白，还有其他复制因子，一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模版DNA上，这种复合物称为引发体（primosome）。引发体的下游解开双链，再由引物酶催化引物的合成。

五DNA连接酶

DNA连接酶（DNAligase）连接DNA链3′-OH末端和相邻DNA链的5′-P末端，使两者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连成完整的链。连接酶的催化作用需要消耗ATP。如果比较一下DNA聚合酶、拓扑酶和连接酶，三者都催化3′，5′-磷酸二酯键的生成，但又各不同。

第三节DNA生物合成过程

一、原核细胞的DNA生物合成

（一复制的起始

1解旋解链，形成复制叉：

从固定的起始点oriC开始，同时向两个方向进行复制，称为双向复制（bidirectionalreplication）。

复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模版生成，复制中形成这种Y字形的结构称为复制叉（replicationfork）。

真核生物的染色体庞大、复杂，有多个复制起点，同时形成许多复制的单位，两个起点之间的DNA片段，称为一个复制子（replicon）。

由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）结合在两条单链DNA上，形成复制叉。

Ecoli复制起始点 复制的起始需要多种蛋白质参与，这些蛋白质需要与复制起点上一些特有的核苷酸序列结合，形成蛋白质-DNA结合物。Ecoli复制起点oriC跨度为245bp，有3组重复序列和2对反向重复序列。

复制起始时，DnaA蛋白辨认并结合于这些重复序列的位点上。然后，几个Dna蛋白互相靠近，形成类似核小体的DNA蛋白质复合体结构。这一结构可促使其相邻的DNA进行解链。在已解开的局部单链上，DnaB蛋白（解螺旋酶）在DnaC蛋白的协同下，可沿解链的方向继续移动，使双链解开足够用于复制的长度，并且逐步置换出DnaA蛋白。

SSB此时也参与进来。SSB在一定范围内使DNA保持开链状态。

2引发体的生成

由蛋白因子（如DnaA等）识别复制起始点，并与其他蛋白因子以及引物酶一起组装形成引发体。

是由引物酶催化合成的短链RNA分子。在上述解链的基础上，已形成了DnaBDnaC蛋白与起点相结合的复合体，此时引物酶即可进入，形成的复合物有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶（即DnaG蛋白）、和DNA的起始复制区域。这样的一个复合结构称为引发体。

引发体的蛋白质部分在DNA链上可以移动，并需由ATP提供能量。引发体到达适当位置就可按照模版的配对序列，催化NTP的聚合，生成引物。

（二）复制的延长

脱氧单核苷酸逐个加入而延长DNA新链，其化学反应本质是生成磷酸二酯键。催化反应的酶，在原核生物为DNA-polⅢ真核生物为DNA-polα和δ。

1复制的延长的生化过程聚合子代DNA

由DNA聚合酶催化，以3''→5''方向的亲代DNA链为模板，从5''→3''方向聚合子代DNA链。在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶Ⅲ；而在真核生物中，是DNA聚合酶α延长随从链和δ（延长领头链）。

2引发体移动

引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。

Ecoli基因组，即其全套基因染色体上的DNA约3000kb（千碱基对）大小。按此推算，每秒钟能加入的核苷酸数大约达2500个：

3000kg/20min=3000000bp/20×60s）=2500bp/s

3、复制的半不连续性和罔崎片段

由于DNA聚合酶只能以5→3’方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方为3→5’。因此DNA复制时，一条链是连续合成的，另一条链的复制必须等待模版链解开至足够长度，才能从5→3’方向生成引物后复制这股链在延长时，又要等到下一段暴露出足够长度的模版，再次生成引物而延长故是不连续合成的。此称半不连续复制。以3→5’方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5→3’，这一条链被称为领头链leadingstrand）。而以5→3’方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是5→3’，该链称随从链laggingstrand）。

由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段Okazakifragment）。在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，真核生物中约为100个核苷酸。

在同一个复制叉上．领头链的复制先于随从链，但两链是在同一DNA—polⅢ催化进行延长的。这是因为随从链的模板DNA可以折叠或绕成环状，因而与前导链正在延长的区域对齐。由于随从链作360‘的绕转，领头链和随从链的生长长点都处在DNA—polⅢ核心酶的催化位点上，解链方向就是酶的前进方向。

三复制的终止

1去除引物，填补缺口：

在原核生物中，DNA聚合酶Ⅰ水解去除RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，RNA引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由DNA聚合酶来延长。

原核生物的环状DNA多采用双向复制的方式。复制的起始点和终止点刚好把环状DNA分为两个半圆，两个反向进行180°，同时在终止点汇合。另一些生物两个方向并不是等速的。为了定位方便，习惯把Ecoli的DNA分为100等分。Ecoli复制起始点oriC在82位点，复制终点ter（termination）在32位点。

2连接冈崎片段：

在DNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。

复制不连续而生成的许多罔崎片段，其5′起点又是RNA而不是DNA，所以复制还包括去掉这些RNA引物并环成DNA，最后把DNA片段连接成完整的新链。

参与DNA复制的酶及蛋白因子

酶及蛋白因子 作用 解螺旋酶（DnaB DnaA辩认复制起始点,DnaC帮助DnaB使其在起始点上结合并打开双链 单链结合蛋白 结合解开的DNA单链以保持单链状态 引发体（引物酶） 以DNA为模版，合成RNA引物 拓扑异构酶ⅠⅡ 解超螺旋以克服解链时打结 polⅢ 以5′→3′方向延伸，复制，领头链，随从链，冈崎片段 polⅠ 切除引物，填补空隙，校对，修复。 DNA连接酶 催化一个片断3′-OH和另一片断5′-P基结合以连接缺口。

二真核生物DNA的生物合成

真核生物在细胞分裂的合成期S）合成DNA典型的细胞周期分为4期在营养条件良好的细胞，历程24小时

特点：

1DNA分布在许多染色体上，各自进行复制；

2每个染色体上有上千个复制子，复制起始点多但短；

3复制有时序性。

在真核生物中：DNA聚合酶α（polα）DNA聚合酶β（polβ）DNA聚合酶γ（polγ）DNA聚合酶δ（polδ）DNA聚合酶ε（polε）。

其中，参与染色体DNA复制的是polα（延长随从链）和polδ（延长领头链），参与线粒体DNA复制的是polγ，polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关，polβ只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。

DNA-polα（引物酶活性）DNA-polδ（解螺旋酶活性）

（一）复制的起始

解链形成复制叉，引发体和引物。细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点，蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。相关的激酶都有调节亚基即细胞周期蛋白cyclin），和催化亚基即细胞周期蛋白依赖激酶cyclindependentkinaseCDK）

哺乳类动物细胞内还发现天然抑制CDK的蛋白质，例锚蛋白ankynin）是CDK4的特异性抑制物，P2l蛋白能抑制多种CDK。锚蛋白和P21蛋白的活化，可阻止细胞进入s期进行复制，它们属抑癌蛋白类

（二）复制的延长

DNA-polδ：有解螺旋酶活性，延长核酸链长度的能力远比后者大，对模板链的亲和力也是较高。

DNA-polα：有引物酶活性，

核内RNA酶与核酸外切酶：切除引物

真核生物是以复制子为单位复制的，引物和随从链的岡崎片段都比原核生物的短。在复制叉上引物生成后，DNA-polδ通过PCNA的协同作用，逐步取代polα，在RNA引物的3＇-OH基础上连续合成领头链；随从链引物也由polα。催化合成。然后由PCNA协同，polδ置换polα，继续合成DNA子链。复制子复制完成后，切除引物。

实验证明，原有组蛋白大部分可重新组装全新DNA链上，但在s期细胞也大量、迅速地合成组蛋白。这样才能满足新的核小体重新装配。真核生物DNA合成，就酶的催化速率而言，远比原核生物慢，估算为50dNTP／s。但真核生物是多复制子复制，总体速度是不慢。

原核生物复制速度与其培养营养条件有关。真核生物在不同器官组织、发育时期和生理状况下，复制速度大不一样。复制速度与其培养营养条件有关。真核生物在不同器官组织、发育时期和生理状况下，复制速度大不一样。

三复制终止和端粒酶

真核生物DNA复制与核小体装配同步进行，复制完成后随即组合成染色体并从G2期过渡到M期。

端粒telomere）是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。端粒在维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性有重要作用。

端粒酶（telomerase），它是一种RNA-蛋白质复合物。复制终止时，染色体线性DNA末端确有可能缩短。

通过端粒的不依赖模版的复制，可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。端粒的这种生长形式，称为爬行模型（inchwornmodel）

端粒是的NDA末端的结构，其中一股是单链。该单链的下方是端粒酶所含的RNA分子部分序列。

端粒既有模版，又有逆转录酶这两方面的作用。端粒借助其RNA与DNA单链有互补碱基序列而辨认结合。

在细胞水平的老化，可能与端粒酶的活性下降有关。基因突变、肿瘤形成时，端粒也可表现缺失、融合或序列缩短等现象。在临床研究中也发现某些肿瘤患者肿瘤细胞的端粒比正常人同类细胞显著缩短。在另一些肿瘤细胞中，发现端粒酶活性的增高。深入研究端粒和端粒的变化，是目前肿瘤研究中的一个新领域。

第四节逆转录和其他复制方式

一逆转录病毒与逆转录酶

1970年，HTemin和DBaltimore分别从RNA病毒中发现了能以单链RNA为模版合成双链DNA的反应的酶称为逆转录酶（reversetranscriptase）。也称反转录酶。该酶有RNA为模版催化DNA合成、水解杂化链上的RNA及用DNA作模版催化DNA合成三种活性。酶的作用需Zn2+的辅助。合成反应也是从5′向3′延伸新链。合成过程所用引物，现在认为是病毒本身的一种tRNA。

反应过程

1、以单链RNA的基因组为模版，催化合成一条单链DNA2、产物与模版生成RNADNA杂化双链

3、杂化双链中的RNA被RNA酶水解后

4、以新合成的单链DNA为模版，催化合成第二链的DNA。

逆转录（reversetranscription）是依赖RNA的DNA合成作用以RNA为模版，由dNTP聚合成DNA分子。此过程中，核酸合成与遗传信息的流动方向相反（RNA→DNA），故称为逆转录。

整合（integration）病毒感染活细胞后，病毒基因组通过基因重组（recombination）方式，参加入宿主细胞基因组，并随宿主细胞复制和表达。

对逆转录病毒（retrovirus）的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。至70年代初，从逆转录病毒中发现了癌基因。至今，癌基因研究仍是病毒学、肿瘤学和分子学的重大课题。人类免疫缺陷病毒（humanimmuno-deficiencyvirusHIV）也是RNA病毒，也有逆转录功能。目前认为，HIV是艾滋病（acquiredimmuno-deficiencysyndromeAIDS）的病原。

分子生物学研究还应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA图。

（二）滚环复制（rollingcirclereplication）

简单低等生物或染色体以外的DNA采取的特殊复制形式。环状双链DNA先打开一个缺口，5′-端伸出环外与特殊蛋白质相连，伸展出的单链模版可使新链由5′→3′进行复制。没有开环的另一股单链，一边滚动一边进行连续复制。开环与不开环的两股母链，各自作为模版，可能不需另外合成引物，最后合成两个环状子双链。

（三）D环复制

复制开始时，在一个复制起始点打开双链，先以亲代分子中的负链为模板，合成一条新链，将亲代分子的正链置换出来。当新合成的链达到全环的2／3时，从另一起始点开始以亲代分子正链为模板合成另一条新链。两条新链的合成方向相反，由于二者的合成起始时间不同，所以复制是不对称进行的，两个子代分子的合成也不是同时结束。从第一

起始点开始的新链合成进行到一定阶段时，被置换出的正链呈现如D环形状

第五节DNA损伤（突变）与修复

DNA复制的保真性是维持物种相对稳定的主要因素。另一方面，突变是与遗传保守性相对立而又相统一的自然现象。突变（mutation）是指一个或多个脱氧核糖核苷酸的构成、复制或表型功能的异常变化，也称为DNA损伤（DNAdamage），即遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。

一、突变的意义

（一）突变是进化、分化的分子基础

从长远的生物进化史看，进化过程是突变的不断发生所造成的。没有突变就不可能有现今五彩缤纷的生物世界。没有突变就不会有遗传学。

（二）只有基因型改变的突变

这种突变没有可察觉的表型改变，例如在简并密码子上第三位碱基的改变，蛋白质非功能区段上编码序列的改变等等。多态性（polymophism）一词是用来描述个体之间的基因型差别现象。

（三）致死性的突变

突变发生在对生命过程至关重要的基因上，可导致个体、细胞的死亡。人类常利用这些特性消灭有害的病源体。

（四）突变是某些疾病的发病基础

这些疾病包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。

二引发突变的因素

物理因素紫外线和各种辐射。紫外线（ultravioletUV）可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合，发生嘧啶二聚体，或称环丁基环（cuclobutane胸苷酸二聚体（thyminedimmerTT）。

化学诱变化工原料、化工产品和副产品，各种工业的排放物、农药、食品防腐剂，汽车排放的废气等已检出的致突变化合物已达6万多种。

Ames检验卫生学上常用的致癌物检测，是检测化合物是否对细菌致突变试验用一种有如下缺陷的沙门菌：

①his-即组氨酸异养型，需加入组氨酸才能成长；

②胞壁缺陷，化学物质易于透入；

③修复系统不活化。

被检测的药物涂布于不含组氨酸的培养平板上，用含氨酸及无缺陷的菌作对照，观察细菌的成活菌落数目，经过推算，确定被检药物是否为致癌突变剂。

三突变分子改变的类型

突变也称DNA损伤，分为错配mismatch）、缺失deletion）、插入insertion）和重排rearrangement）几种类型。缺失或插入均有可能导致框移frame-shift）突变。

（一）错配

称点突变（pointmutation）。化学诱变剂引起碱基在DNA链上的置换，属于点突变。点突变发生在基因的编码区域，可导致氨基酸的改变。

（二）缺失、插入和框移

图10-29缺失引起移框突变

缺失或插入都可导致框移突变，框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同

（三）重排

地中海贫血基因型 DNA分子内发生较大片段的交换，称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。图10-31

四DNA损伤的修复

DNA损伤和修复，是细胞内DNA复制中同时并存的两个过程。修复是指针对已发生了的缺陷而实行的补救机制，主要有光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。

（一）光修复（lightrepairing）

图10-27嘧啶二聚体的形成和解聚

光修复过程是通过修复酶（photolyase）催化而完成的，仅需300-600mm波长照射即可活化，普遍存在于各种生物，人体细胞中也有发现。通过此酶作用，可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态，DNA完全恢复正常。

（二）切除修复（excissionrepairing）

是细胞内最重要的修复机制，由DNA聚合酶Ⅰ及连接酶执行修复。原核生物和真核生物需要不同的酶系统。原核生物DNA损伤的研究，早期以紫外线照射来建立损伤的模型，并因此发现与紫外线损伤及修复有关的一些基因，称为uvrA、uvrBuvrC。uvrA，uvrB是辨认及结合DNA损伤部位的蛋白质，uvrC有切除作用，可能还需要有解螺旋酶（helicase）的协助，才能把损伤部位除去。

（三）重组修复（recombinationrepairing）

当DNA分子的损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制时，损伤部位因无模版指引，复制出来的新子链会出现缺口，这时，就靠重组蛋白RecA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。RecA是recA基因的产物，是Ecoli中与重组（recombination）有关的一系列基因之一。重组基因除recA外，还有recBrecC等。图10-33

（四）SOS修复

SOS是国际海难信号，这一命名表示这是一类应急性的修复方式。细胞采用这一修复方式是由于DNA损伤广泛至难以继续复制，由此诱发出一系列复杂的反应。参与这一反应的，除了前述的切除修复基因uvr类，重组修复基因rec类的产物外，还有调控蛋白LexA等。最近还发现，EColi的DNA聚合酶Ⅱ是参与这一修复反应的。所有这些基因，组成一个称为调节子（regulon）的网络式调控系统。用细菌为研究材料的试验还证明：不少能诱发SOS修复机制的化学药物，都是哺乳类动物的致癌剂。对SOS修复和突变、癌变的关系，是肿瘤学上研究的热点课题之一。



第一节RNA转录合成的特点与条件

特点

1、转录的不对称性

2、转录只发生在部分基因

3、转录的连续性

4、转录的单向性

5、有特定的起始和终止位点

条件

1、底物：ATP，GTP，CTP，UTP

2、模板：以一段单链DNA作为模板

3、RNA聚合酶（DDRP）

4、终止因子：ρ蛋白

第二节转录模板和酶

转录时，DNA双链中一股单链用作模板链，按碱基配对原则指导新的核苷酸链的合成，所需的酶叫做依赖DNA的RNA聚合酶（DNA-dependentRNApolymerase,DDRP）。

一、转录模板

在基因组庞大的DNA链上，并非任何区段都可以转录。能转录出RNA的DNA区段，称为结构基因。

模板链（templatestrand）：

DNA双链中按碱基配对转录生成RNA的单股链为模版链；相对的另一股则称为编码链。

不对称转录：RNA的转录合成以DNA的一条链为模板进行的转录方式。（图11-1）转录产物若是mRNA，则可用作翻译模板。

二、RNA聚合酶

特点：

①以DNA为模板；以DNA一条链作为模板；

②四种三磷酸核苷的为原料；

③遵循DNA与RNA之间的碱基配对原则：A=U、T=A、C=G。

④RNA链的延长方向是5→3’的连续合成。

⑤需要Mg2+或Mn2+离子。

⑥不需要引物。缺乏3→5’外切酶活性，没有校正功能。

图11-3原核生物RNA聚合酶在转录起始结合

（一原核生物的RNA聚合酶

分子量480kD，全酶由4种亚基α、β、β、σ组成的五聚体（α2ββσ），去掉σ亚基的部分称为核心酶。

（二真核生物的RNA聚合酶

真核生物已发现四种RNA聚合酶，RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和线粒体RNA聚合酶，分子量50万道尔顿，专一性地转录不同的基因，转录产物也不相同。

RNA聚合酶Ⅰ：位于核仁，转录编码rRNA的基因。

RNA聚合酶Ⅱ：位于核质，负责mRNA的前体hnRNA合成。

RNA聚合酶Ⅲ：位于核质，负责合成tRNA和许多小的核内RNAs。

线粒体RNA聚合酶：位于线粒体，合成线粒体RNA。

鹅膏蕈碱是真核生物RNA聚合酶特异性抑制剂，三种真核生物RNA聚合酶对鹅膏蕈碱的反应不同。

原核生物靠RNA聚合酶完成从起始、延长、终止的转录全过程，真核生物转录除RNA聚合酶外还需另一叫做转录因子的蛋白质分子参与转录的全过程。

三、模板与酶的结合

转录是从DNA分子的特定部位开始的，DNA双链需解开成单链，形成复制叉。这个部位也是RNA聚合酶全酶结合的部位，也就是启动子。

启动子：位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序。

三个功能区：

①起始部位：开始转录的作用点+

②结合部位：RNA聚合酶与模板DNA结合的部位，在（-10bp处，7bp，富含TATAAT，称Pribnow框。

③识别部位：在（-35bp处，富含TTGACT,是σ识别的部位。

σ因子识别转录起始点，促使核心酶结合形成全酶复合物,被辨认的区段就是位于-35区的TTGACA序列，酶与该区结合后，即滑动至-10区的TATAAT序列，启动转录。

对超过上百个原核基因操纵子转录上游区段进行碱基系列分析,证明RNA-pol保护区机构上有一致性（图11-6）

第三节RNA的转录过程

一原核生物的转录过程

RNA合成分为起始、延长和终止三个阶段。

（一）转录起始

RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3,5’-磷酸二酯键。

1）σ亚基识别位点，全酶与启动子-35区序列结合形成启动子复合物。

2）酶分子向-10序列转移并与之牢固结合，发生局部DNA12-17bp的解链，形成全酶和启动子的开放性复合物。

3）β亚基催化形成RNA的第一个磷酸二酸键，以GTP常见。

4）σ因子从全酶解离下来，靠核心酶在DNA链上向下游滑动，而脱落的σ因子与另一个核心酶结合成全酶反复利用。

由酶－DNA-RNA形成的转录复合物称转录空泡。

（二）转录延长

σ因子从全酶上脱离，核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。RNA聚合酶是沿着DNA链3-5’方向移动，RNA链的合成方向是5-3’。整个转录过程是由同一个RNA聚合酶来完成的一个连续的反应，RNA生成后，暂时与DNA模板链形成DNA·RNA杂交体，长度约为12个碱基对，形成一个转录泡，转录速度大约是每秒钟30-50个核苷酸。在同一DNA基因上可以有很多的RNA聚合酶在同时催化转录，生成相应的RNA链。而且较长的RNA链上已看到核糖体附着，形成多聚核糖体。说明某些情况下，转录过程未完全终止，即已开始进行翻译。

转录的延长阶段，原核生物与真核生物之间没有太大差别。

（三）转录的终止（Termination）

RNA转录合成的终止机制有两种：

1．依赖ρ的终止：

由终止因子ρ因子识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。

2．非依赖ρ的终止：

模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。

两类终止信号有共同的序列特征，在转录终止之前有一段回文结构，回文序列是一段方向相反，碱基互补的序列，不依赖ρ因子的终止序列中富含G·C碱基对，其下游6-8个A；而依赖ρ因子的终止序列G·C碱基对含量较少，其下游也没有固定的特征。

二真核生物的转录起始

（一）转录起始

真核生物转录起始复杂，需要多种蛋白因子的协助，有一类叫做转录因子的蛋白质分子，它们与RNA聚合酶Ⅱ形成转录起始复合物，共同参与转录起始的过程。

1转录起始前的上游区段

-25bP区段多有典型的TATA序列，称Hogness盒或TATAbox，是启动子的核心序列。DNA分子上共有的序列，包括TATA在内的这些序列，称顺式作用元件（cis-actingelement。

能直接或间接辨认、结合转录上游区段的蛋白质，统称为反式作用因子。其中能直接或间接结合RNA聚合酶的,称为转录因子（TF）。相应于RNA-polⅠ、Ⅱ、Ⅲ的TF，分别称为TFⅠ、TFⅡ、TFⅢ。

2转录因子

实验证明，真核生物RNA聚合酶不与DNA分子直接结合。在众多的TFⅡ中TFⅡD是目前已知唯一能结合TATA盒的蛋白质。

TFⅡA，TFⅡF，TFⅡE，TFⅡH在转录起始复合物组装的不同阶段起作用，像TFⅡH就有旋转酶活性，它可利用ATP分解产生的能量，介导起始点双螺旋的打开，使RNA聚合酶得以发挥作用。

3转录起始复合物

真核细胞中基因转录的起始是基因表达调控的关键，多种蛋白质分子之间相互作用，以及与DNA调控元件相结合，构成控制基因转录开始的转录起始前复合物。TFⅡD的TBP亚基结合TATA，在TFⅡA和ⅡB的促进配合下，形成ⅡD－ⅡA－ⅡB－DNA复合体。（图11－14）



4拼板理论

一个真核生物基因的转录需要3至5个转录因子，因子之间互相结合，生成有活性，有专一性的复合物，再与RNA聚合酶搭配而有针对性地结

合、转录相应的基因。人类基因虽数以万计，但需要的转录因子可能300多个就能满足表达不同类型基因的需要。

二转录延长

核生物转录延长过程与原核生物大致相似，但因有核膜相隔，没有转录与翻阵同步的现象。核小体发生了移位。组蛋白精氨酸发生了乙酰化。DNA分子上出现AMP→ADP→聚ADP的现象。核小体在转录过程可能发生解聚。

（三转录终止

真核生物由于RNA转录后很快就进行了加工，因此很难确定原初转录物的3末端。病毒SV40的终止位点经过研究发现，很像大肠杆菌的不依赖ρ因子的终止子，转录后的RNA可形成一个发夹结构，3末端带有一连串的U。爪蟾5sRNA的3末端有4个U，它们前后的序列为富含G·C的序列，这是所有真核生物RNA聚合酶Ⅲ转录的终止信号。这种序列特征高度保守，从酵母到人都很相似，任何改变这种序列特征的突变都将导致转录终止位置的改变。第四节真核生物的转录后修饰

原核或真核生物的rRNAs是以复杂的初级转录本形式被合成，然后加工成为成熟的RNA分子。

绝大多数原核生物转录和翻译是同时进行的，随着mRNA开始合成，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。

真核生物转录和翻译在时间和空间上是分开的，刚转录出来的mRNA是分子很大的前体，即核内不均一RNA（hnRNA）。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。

一、真核生物mRNA的转录后加工

原核生物中转录生成的mRNA为多顺反子，即几个结构基因，利用共同的启动子和共同终止信号经转录生成一条mRNA，所以此mRNA分子编码几种不同的蛋白质。原核生物中没有核模，所以转录与翻译是连续进行的，往往转录还未完成，翻译已经开始了，因此原核生物中转录生成的mRNA没有特殊的转录后加工修饰过程。

真核生物转录生成的mRNA为单顺反子，即一个mRNA分子只为一种蛋白质分子编码。

真核生物mRNA的加工修饰，主要包括对5端和3端的修饰以及对中间部分进行剪接。

（一）首、尾的修饰

1．加帽：在mRNA的5-端加上m7GTP的结构。

鸟苷通过5-5’焦磷酸键与初级转录物的5端相连。当鸟苷上第7位碳原子被甲基化形成m7G-PPNmN时，此时形成的帽子被称为"帽0"，如果附m7G-PPNmN外，这个核糖的第"2"号碳上也甲基化，形成m7G-PPNm，称为"帽1"，如果5末端N1和N2中的两个核糖均甲基化，成为m7G-PPNmPNm2，称为"帽2",生物进化程度越高，其帽子结构越复杂。

真核生物mRNA5端帽子结构的重要性在于它是mRNA做为翻译起始的必要的结构，为核糖体对mRNA的识别提供了信号，还可能增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5外切核酸酶的攻击。

2．加尾：

核酸外切酶切去3-端一些过剩的核苷酸，加入polyA。在大多数真核基因的3一端有一个AATAA序列，这个序列是mRNA3-端加polyA尾的信号。核酸酶在此信号下游10-15碱基外切断磷酸二酯键，在polyA聚合酶催化下，在3-OH上逐一引入100-200个A碱基。（图11-16）功能可能与mRNA从细胞核转送到细胞质有关，但是相当数量的没有polyA尾巴的mRNA，如组蛋白mRNA，也照样通过核

膜进入细胞质。还有人认为这种结构对真核mRNA的翻译效率具有某种作用，并能稳定mRNA结构，保持一定的生物半衰期。

（二）mRNA的剪接

原核生物的结构基因是连续编码序列，真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因,即编码一个蛋白质分子的核苷酸序列被多个插入片断所隔开，结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。

许多基因中的内含子参与基因表达调控，在转录时，外显子及内含子均转录到hnRNA中。在细胞核中hnRNA进行剪接作用，首先在核酸内切酶作用下剪切掉内含子；然后在连接酶作用下，将外显子各部分连接起来，而变为成熟的mRNA（图11-19）。也有少数基因的hnRNA不需进行剪接作用，例如α-干扰素基因。

真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋白体参加，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。

RNA拼接反应需要有核内小分子RNA参与它们与蛋白质形成的复合物称为小核糖核蛋白颗粒，SnRNA分别被命名为U11,U2,U3,U4,U5,和U6RNA。SnRNA中的U2RNA由与内元右端拼接部位附近的UACUAA顺序高度互补，形成一个环状结构，由特定的酶来识别切除该环状结构，完成拼接过程RNA编辑是通过对隐蔽基因转录产生的mRNA中的外显子加工，使遗传信息在mRNA水平上发生改变。隐蔽基因的编码序列与mRNA的相应序列有差异，转录产物上需插入、删除或取代一些核苷酸才能生成有翻译功能的mRNA分子。RNA编辑是一种在RNA水平上改变遗传信息的转录后加工，导致成熟的RNA主要是mRNA编码序列和它的转录模扳DNA间不相匹配。编辑的方式有碱基插入、缺失和取代等。

二、tRNA的转录后加工

原核生物和真核生物刚转录生成的tRNA前体一般无生物活性，需要进行剪切和拼接,碱基修饰及3-OH连接-ACC结构。

1剪切和拼接

tRNA前体在tRNA剪切酶的作用下，切成较小的tRNA分子。

大肠杆菌RNaseP:特异剪切tRNA前体5端顺序，称为tRNA5成熟酶,

3-核酸内切酶:将tRNA前体3端的一段核苷酸序列切下来。

RNaseD:是tRNA3端成熟酶。

大肠杆菌RNaseP是一种非常特殊的酶分子，由RNA和蛋白质组成RNaseP分子中的RNA部分在某些条件下，可以单独地催化tRNA前体的加工成熟，这个发现和四膜虫tRNA能自我拼接被认为是近十年来生化领域内最令人鼓舞的发现之一。说明RNA分子确具有酶的催化活性。经过剪切后的tRNA分子还要在拼接酶作用下，将成熟tRNA分子所需的片段拼起来。

2修饰：

甲基化：Am

还原反应:U-DHU

核苷内的转位反应:U-ψ

脱氨反应:A-I

成熟的tRNA分子中有许多的稀有碱基，因此tRNA在甲基转移酶催化下，某些嘌呤生成甲基嘌呤如A→mA,G→mA。有些尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶。尿嘧啶核苷转变假尿嘧啶核苷。某些腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸（Ⅰ）

33’末端加上CCA：

在核苷酸转移酶作用下，3-末端除去个别碱基后，换上tRNA分子统一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂结构。

三、rRNA的转录后加工

原核生物rRNA转录后加工，包括以下几方面：

1rRNA前体被大肠杆菌RNaseⅢ,RNaseE剪切成一定链长的rRNA；

2rRNA在修饰酶催化下进行碱基修饰；

3rRNA与蛋白质结合形成核糖体的大、小亚基。

真核细胞的rRNA基因属于一种称为丰富基因族的DNA序列，即染色体上一些相似或完全一样的纵列串联基因单位的重复。

真核生物细胞浆中有5s、58s、18s与28s四种RNA，与有关蛋白质组成核糖核蛋白体。成为合成蛋白质多肽链的场所。真核生物rRNA前体比原核生物大，哺乳动物的初级转录产物为45s，需要经过甲基化及拼接反应，才能产生58s、18s与28srRNA。真核生物5sRNA前体独立于其他三种rRNA的基因转录。真核生物rRNA前体中含有插入顺序，rRNA前体要形成成熟的rRNA，需要经过拼接反应。

四核酶

四膜虫的rRNA二级结构及5端核苷酸序列 四膜虫的rRNA前体的拼接是一种无酶催化的自动拼接过程。四膜虫基因组内，26srRNA编码的区域内有413bp的插入顺序。该插放序列可以不消耗能量从rRNA前体中被除掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破坏酶活性办法，都不能破坏拼接活性，但反应中Mg2+和鸟嘌呤核苷酸是必在的。用32P-GTP进行追踪实验表明，起始过程是GTP在插入顺序5端发生亲核反应，同时GMP与5端切点的切除段形成磷酸二酯键并使原RNA断开。

第二步是5切点的外元3-OH与3切点的外元5-P共价连接，获得成熟的rRNA，被切除部分最后环化，形成一个环状结构，同时从5端去掉一个15核苷酸碎片。剩余部分连接成399核苷酸的环状产物，再经过几步，最后切下一个19个核苷酸的线性内含子序列即L-19，它具有催化活性，上面的剪接作用，是由内含子本身的催化性质决定的。

这种rRNA的自身剪接反应给人们一个提示：即RNA分子也有酶的催化活性。这向酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战。这种有酶催化活性的RNA分子命名Ribozyme。TCech和SAltman各自分别发现RNA具有催化作用，他们的发现对于了解生命进行过程有重要意义。很可能在原始生命中，RNA所催化的断裂一连接反应是最早出现的催化过程。为此，他们共同获得了1989年Nobel化学奖。

从大多数Ribozyme的结构中发现一些特征，例如：槌头状结构的RNA分子有13个保守的核苷酸序列，如果它们中的碱基改变会使这种催化活性失去作用。根据这种特点，科学家们在体外没计并人工合成这种RNA分子，用于抗肿瘤及抗病毒的实验中

第十二章蛋白质的生物合成

第一节蛋白质生物合成体系

mRMA为模板，tRNA为运载体，核蛋白体为装配场所，起始因子（initiationfactorsIF），延长因子（elongationfactorsEF），释放因子releasefactors，RF），核蛋白体释放因子（ribosomalreleasefactorsRR）。

一mRNA是翻译的直接模板

二核蛋白体是多肽链合成的装置 三tRNA与氨基酸的活化

第二节蛋白质的生物合成过程

RNA的碱基序列是从5′-端自左至右书写至3′-端，肽链的氨基酸序列从N-端自左至右书写至C-端。翻译过程从读码框架的5′-AUG……开始，按mRNA模板三联体的顺序延长肽链，直至终止密码出现。翻译过程分起始、延长、终止阶段来描述。蛋白质合成后，还需要加工修饰。

一.肽链合成起始

(一)原核翻译起始复合物形成

1核蛋白体的亚基的拆离2mRNA在核蛋白体小亚基上就位

在翻译起始密码子AUG的上游，相距约8－13个核苷酸处，往往有一段由4－6个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。这一序列以…AGGA…为核心，因其发现者是Shine-Dalgarno而得名为S－D序列。原核生物核蛋白体小亚基上的16S-rRNA近3′-末端处，有一段短列…UCCU…是与S-D序列互补的。因此，mRNA上的S-D序列又称为核蛋白体结合位点ribosonmalbindingsite，RBS）。紧接AGGA的小段核苷酸，又可以被核蛋白体小亚基蛋白（rps-1）辩认结合。

3fmet-tRNA的结合4核蛋白体大亚基结合

（二）起始因子IF和eIF

（三）真核生物翻译起始复合物

1．核蛋白体的亚基的拆离 起始因子eI-F2B、elF-3与核蛋白体小亚基结合，在elF-6参与下，促进80S核蛋白体解离成大、小亚基。

2．起始氨基酰-tRNA结合

起始Met—tRNAimet和结合GTP的elF-2共同结合于小亚基P位。

3．mRNA在核蛋白体小亚基的准确就位

真核mRNA不含S-D序列，涉及多种蛋白因子形成的复合物。其中帽子结合蛋白复合物（elF-4F

4．核蛋白体大亚基结合

已经结合mRNA、Met-tRNAimet的小亚基迅速与60S大业基结合，形成翻译起始复合物。

二肽链的延长

翻译过程的肽链延长，也称核蛋白体循环ribosomalcycle）。

核蛋白体循环可分三个步骤：

进位（entrance）或称注册registration），成肽（peptidebondformation）转位（translocation）。

循环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重复，直至肽链合成终止。真核生物核蛋白体无E位转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

三．肽链合成的终止

包括：

1终止密码的辨认2）肽链从肽酰-tRNA水解出，3mRNA从核蛋白体中分离及大、小亚基的拆离。

终止过程也需蛋白质因子，被称为释放因子RF，RR）。RF的作用是辨认终止密码和促进肽链C端与tRNA3-OH酯键的水解，使肽链从翻译中的核蛋白体上释放下来。RR的作用是把mRNA从核蛋白体上释出。RF现至少发现有三种：RF-1和RF-2都能辨认UAA终止密码，而RF-1也辨认UAG，RF-2也辨认UGA。RF-3是酯酶的激活物，酯酶水解肽-tRNA之间的酯键。真核生物翻译终止只有一个释放因子eRF可识别所有终止密码。 原核生物mRNA转录后不需加工即可作为模板转录和翻译紧密偶联不论真核和原核细胞中一条mRNA模板可附着10-100个核蛋白体同时进行肽链合成。这种mRNA和多个核蛋白体聚合物称为多核蛋白循环。



第三节蛋白质合成后的加工和输送

肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工post-translantionlpocessing）。包括高级结构的修饰，一级结构的修饰和靶向输送：

一.多肽链折叠为天然功能构象的蛋白质

细胞中大多数天然蛋白质折叠需要其他酶、蛋白质辅助。

1．分子伴侣molecularchaperon）

是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。细胞至少有两种分子伴侣家族。

1）热休克蛋白heatshockproten，HSP：

属于应激反应性蛋白，高温应激可诱导该蛋白合成增加包括HSP70、HSP40和GreE三族。

基本作用是：结合保护待折叠多肽片段，再释放该片段进行折叠，形成HSP70和多肽片段依次结合、解离的循环。HSP70等协同作用可与待折叠多肽片段的7-8个疏水残基结合，保持肽链成伸展状态，避免肽链内、肽链间疏水基团相互作用引起的错误折叠、凝集：再通过水解ATP释放此肽段，以利于肽链进行折叠。

2）伴侣素chaperonins）：伴侣素是分子伴侣的另—家族，主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。实际上，分子伴侣并未加快折叠反应速度，而是通过消除不正确折叠，增加功能性蛋白折叠产率促进天然蛋白质折叠。

2．蛋白二硫键异构酶proteindisulfideisomerase，PDI多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接。最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。

3．肽—脯氨酰顺反异构酶peptideprolylcis-transisomerase，PPl

多肽链中肽酰—脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽酰—脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。天然蛋白肽链中肽酰—脯氨酸间肽健绝大部分是反式构型，仅6％为顺式构型。肽酰－脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

二．一级结构的修饰

（一）去除N-甲酰基或N-蛋氨酸

细胞内的脱甲酰基酶或氨基肽酶可以除去N-甲酰基，N-末端蛋氨酸或N-末端的一段肽。这个过程不一定等肽链合成终止才发生，有时边合成已可边进行加工。

（二）个别氨基酸的修饰

在结缔组织的蛋白质内常出现羟脯氨酸、羟赖氨酸，这两种氨基酸并无遗传密码、反密码子及t-RNA引导入肽链，而是在脯氨酸、赖氨酸残基经过羟化而出现的。酶的活性中心上有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸，甚至酪氨酸。多肽链内或肽链之间往往可由两个半胱氨酸的-SH形成二硫键。

（三）多肽链水解修饰

真核生物中往往会遇到一条已合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同的活性蛋白质或肽的情况。最典型的例子如：鸦片促黑皮质素原pro-opio-melano-cortin，POMC）。POMC由265个氨基酸残基组成，经过水解修剪，可生成ACTH（三十九肽），β-促黑激素（β-MSH，十八肽），β-内啡肽（β-Endophin，十一肽），β-脂酸释放激素（β-LT，Lipotropin九十一肽）等活性物质。

三.空间结构的修饰

（一）亚基聚合

具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体oligomer）。

（二）辅基连接

蛋白质分为单纯蛋白及结合蛋白两大类。糖蛋白、脂蛋白、色蛋白及各种带辅酶的酶，都是常见的重要结合蛋白。辅基与肽链的结合是复杂的生化过程。很多细节尚在研究中。

（三）疏水脂链的共价连接

某些蛋白质，如Ras蛋白、G蛋白等，翻译后需要在肽链特定位点共价连接一至多个疏水性强的脂链，包括脂肪酸链、多异戊二烯链等。

四．蛋白质合成后的靶向输送

蛋白质合成的部位在核蛋白体，合成后的去向：

1保留在胞浆；2进入细胞核、线粒体或其他细胞器；3分泌至体液，然后输送到该蛋白质应起作用的靶器官和靶细胞。

靶向输送（Proteintargeting）：蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点。

一分泌性蛋白质secretoryproteins）的靶向输送：

穿过合成所在的细胞到其他组织细胞去的蛋白质，其mRNA上有一段疏水氨基酸较多的肽编码。这段肽称为信号肽signalpeptide），其作用是把合成的蛋白质移向胞膜并与胞膜结合，然后把合成的蛋白质送出胞外。

信号假说thesignalhypothesis）：

分泌蛋白进入内质网的过程：

①在胞液游离核蛋白体上以mRNA为模板，合成出N端包括信号肽的最初约70个氨基酸残基。②SRP与新生肽链N端的信号肽和GTP结合，还结合核蛋白体使多肽合成暂停，SRP引导核蛋白体－多肽-SRP复合体，识别结合ER膜上的与GTP结合的

SRP受体。通过水解GTP使SRP解离并再利用，多肽链开始继续延长。③核蛋白体大亚基与核蛋白体受体结合，锚定ER膜上，水解GTP供能，诱导肽转位复合物开放跨ER膜通道，新生蛋白信号肽插入内质网膜。④信号肽启动肽链转位，延长的多肽直接经核糖体及跨ER膜通道进入内质网腔。信号肽被ER腔内信号肽酶切除并迅速降解。⑤内质网腔HSP70消耗ATP，促进延伸多肽进入ER腔并折叠成功能构象。 二线粒体蛋白的靶向输送

线粒体基质蛋白前体的N端有保守的20-35残基信号序列，称为导肽，富有丝、苏及碱性氨基酸残基。

①胞液新合成的线粒体蛋白与分子伴侣HSP70或线粒体输入刺激因子MSF）结合，以稳定的未折叠形式转运到线粒体。②蛋白质先通过信号序列识别、结合线粒体外膜的受体复合物。

③再转运、穿过由线粒体外膜转运体和内膜转运体共向组成的跨内、外膜蛋白通道。以末折叠形式进人线粒体基质。基质HSP70水解ATP释能及利用跨内膜电化学梯度，为肽链进入线粒体提供动力。④蛋白质前体信号序列被蛋白酶切除，在上述的分了伴侣作用下折叠成有功能的蛋白质

三细胞核蛋白的靶向输送

各种大分子及核内组装的核蛋白体亚基都是通过核孔进出核膜；所有靶向输送的胞核蛋白多肽链内含有特异信号序列，称为核定位序列nuclearlocalizationsequence，NLS新合成胞核蛋白靶向输送涉及核输入因子α和β，和一种小GTP酶Ran蛋白。输入因子αβ杂二聚体可作为胞核蛋白受体，识别结合NLS序列。

靶向过程如下：

①胞液合成胞核蛋白结合输入因子αβ二聚体形成复合物，并被导向核膜的核孔。②由小GTP酶Ran水解GTP供能，胞核蛋白-输入因子复合物通过耗能机制跨核孔转位，进入核基质。③转位中，输入因子β和α。先后从上述复合物解离，胞核蛋白定位细胞核内，输入因子αβ移出核孔再被利用

第一节基因表达调控基本概念与原理

基因表达调控是分子生物学及分子遗传学发展的新领域，涉及很多基本概念和原理，这是认识原核、真核基因表达调控的基础。

一基因表达的概念

1基因（gene

是遗传的基本单位或单元，含有编码一种RNA，大多数情况是编码一种多肽的信息单位；从分子生物学物学角度看，基因是负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括由DNA编码序列、非编码调节节序列和内含子组成的DNA区域。cDNA是人为地由mRNA通过反转录而得，即与mRNA互补的DNA，人们习惯地也将其称为基因，它不含基因转录的调控序列，但含翻译调控及多肽链的编码序列。

2基因组（genome）

指一个细胞或生物体所携带的全部遗传信息或整套基因。几乎所有生命有机体的基因都是由双链DNA组成，只有病毒的基因组是由双链或单链的DNA或RNA组成。

（1）细菌的基因组约含4，000个基因。（2）多细胞生物的基因达数万个。（3）人类基因组在某一特定时期，只有部分基因处于表达状态。

例1：大肠杆菌约有5％的基因处于高水平转录活性状态，其余大多数基因以极低的速率进行转录或处于静止状态。例2：平时与细菌蛋白质生物合成有关的延长因子编码基因表达活跃，与DNA损伤修复有关酶分子编码基因却极少表达，当有紫外线照射引起DNA损伤时，这些修复酶编码基因表达异常活跃。

3基因表达：

就是基因转录及翻译的过程。具体说，在一定调节机制控制下，从基因激活开始，经历转录，翻译等过程产生具有生物学功能的蛋白质分子，rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

二基因表达的时间性及空间性

无论是病毒、细菌、还是多细胞生物乃至高等哺乳类动物及人，基因表达表现为严格的规律性。即时间、空间特异性。生物物种愈高级，基因表达规律愈复杂，愈精细，这是生物进化的需要及适应。基因表达的时间、空间特异性由特异基因的启动子、增强子、调节蛋白相互作用决定。

（一）时间特异性：temporalspecificity）

指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。按发育阶段出现的这些基因产物与特定代谢功能有关，并决定细胞向特定方向发育分化。

（二）空间特异性（spatialspecificity）

指在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，在多细胞生物个体某一发育阶段，同一基因产物在不同组织、器官分布也不完全相同。这种空间特异性由细胞在器官的分布来决定的，故又称细胞特异性或组织特异性。它在分化、成熟的组织，满足了不同组织、器官功能的需求。

三基因的表达方式

为适应环境，满足机体对不同蛋白质的需求，基因表达在不断变化中，显示了各种表达方式。

（一）基本表达

是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeepinggene）。

例如：三羧酸循环途径中各阶段催化反应的酶编码基因。

（二）诱导和阻遏表达

诱导表达（induction）

是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。刺激诱导发生的分子称诱导剂，介导的调节方式是正性调节

阻遏表达（repression）

是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。引起阻遏发生的分子称阻遏剂，介导的调节方式是负性调节

例如：

1、DNA发生损伤时，细菌为基因修复酶编码的基因就会被诱导激活。2、当培养基中色氨酸供应充分时，在细菌内与色氨酸合成有关的酶编码基因表达就会被抑制。

（三）协调表达Coordinateexpression）

功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致，共同表达，即为协调表达。这对细胞形态、机能等表型的确立、代谢的正常进行具有重要意义。

四基因表达调控的生物学意义

（一适应环境、维持生长和增殖

从低等生物到高等生物，乃至人体中的所有活细胞都必须对外环境变化作出适当反应，调节代谢，以使生物体能更好地适应外环境。

（二维持个体发育与成熟

在多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中的蛋白质分子种类和含量差异很大，这些差异是细胞表型的关键。高等哺乳类动物各种组织、器官的发育、分化都是由一些特定基因控制的。当某种基因缺陷或表达异常时则会出现相应组织或器官的发育异常。

第二节基因表达调控的基本原理

一基因表达的多层次和复杂性

从基因激活至蛋白质合成，至少下述四个环节是基因表达的控制点：

基因结构活化转录起始转录后加工及转运翻译及翻译后加工

在这四个环节中，转录起始是基本控制点，对基因表达起着至关重要的作用。

二基因转录激活调节基本要素

1顺式作用元件：（cis-actingelement）

分子内作用元件，影响自身基因表达活性的DNA序列，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。

原核生物：

大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动基因、操纵基因和调节基因组成。

启动序列：RNA聚合酶结合并起动转录的区域，位于转录起始点上游－10及-35区域，称共有序列或类似序列。

操纵序列：与启动序列毗邻或接近，其DNA序列常与启动序列交错、重叠、它是原核阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时会阻断

RNA聚合酶与启动序列的结合，使RNA向前移，阻遏转录，介导负性调节。

调节功能的DNA序列：可激活蛋白，此时RNA聚合酶活性增强，使转录激活，介导正性调节。

真核基因：与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。

（1）共有序列：TATAboxCCAATbox是顺式作用元件的核心序列，是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。（启动子）（2）增强子：远离转录起始点，决定基因的时间，空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列（3）沉默子：当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

2调节蛋白

原核生物：

1特异因子：决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异识别和结合能力。2阻遏蛋白：结合特异DNA序列－操纵序列，阻遏基因转录，介导负性调节。3激活蛋白：结合启动序列邻近的DNA序列,促进RNA聚合酶与启动序列结合，增强RNA聚合酶活性。

真核生物：

1反式作用因子：

指一些转录调节因子，它们由某一些基因表达后，或蛋白质－蛋白质相互作用控制另一基因的转录。

顺式作用： 有些基因产物特异识别，结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭。具有这种调节方式的调节蛋白称为顺式作用蛋白。

3DNA－蛋白质，蛋白质－蛋白质相互作用

指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别与结合。通常是作共价结合。被调节蛋白识别的DNA结合位点通常呈对称或不完全对称结构。调节蛋的白的一段α－螺旋落入DNA的大沟或小沟时，螺旋中某些氨基酸残基的侧链就会指向DNA中的某些碱基，形成氨基酸与碱基之间的相互联系，形成DNA－蛋白质复合物。

蛋白质－蛋白质相互作用

指两分子调节蛋白质之间的相互作用――二聚化。同种分子间形成的二聚体称为同二聚体，异种分子间形成的二聚体称为异二聚体。后者比同二聚体具有更强的DNA结合能力。

这是由于一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质－蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录。

4RNA聚合酶

DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终由RNA聚合酶活性体现。

启动序列/启动子：

启动序列或启动子核苷酸序列会影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力的大小直接影响转录起动的频率。

例如：Ecoli的共用序列被置换为非共有序列，或将一启动序列的非共有序列代之于共有序列，则会得到转录活性降低或增加两种截然不同的结果。

真核RNA聚合酶单独存在时，与启动子的亲和力极低或无亲和力。必须与基本转录因子形成复合物才能与启动子结合，因此，对真核RNA聚合酶活性来说，除启动子序列外，尚与存在的转录调节因子有关。

调节蛋白：

调节蛋白可通过蛋白质－DNA、蛋白质－蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，表达水平升高或降低，诱导剂、阻遏剂等小分子信号所引起的基因表达变化都是通过使调节蛋白分子构象改变，直接或间接调节RNA聚合酶转录启动过程。

例：热休克反应：

当细菌遭受热窘迫时，全酶中的δ70被δ32取代，这时RNA聚合酶就会改变其对常规启动序列的识别，而结合另一套启动序列，启动另一套基因表达

第三节原核基因的转录调节

一原核基因转录调节特点

（一）δ因子决定RNA聚合酶特异性

RNA聚合酶的δ因子决定特异基因的转录激活，决定mRNA、rRNA、tRNA基因的转录。

（二）操纵子模型的普遍性

1961年，FJacob和JMonod在基因转录水平上的研究诱导，提出了乳糖操纵子的调控模式。原核生物的结构基因常由几个功能相关蛋白质（酶）编码基因排列在一起组成。结构基因连同其上游调控顺序一起构成操纵子。它是原核生物基因表达调控的基本方式，主要调控转录的起始。

（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性。

原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋白参与的开、关调节机制。特异的阻遏蛋白是控制原核启动序列活性的重要因素。当阻遏蛋白与操纵序列结合或解聚时，就会发生特异基因的阻遏或去阻遏。

二原核生物转录起始调节

（一乳糖操纵子的结构

结构基因：Z、Y、A分别编码β－半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶操纵序列：O启动序列：P调节基因：I编码阻遏蛋白与O结合，使操纵子关闭。

分解代谢物基因激活蛋白结合位点：CAP激活位点。

（二阻遏蛋白的负性调节

1无乳糖存在时：Lac操纵子处于阻遏状态。I表达Lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。2乳糖存在时，Lac操纵子被诱导

乳糖透酶进入细胞苷酶β－半乳糖半乳糖。后者作为诱导剂与阻遏蛋白结合，导致其构象变化，与O序列解离。RNA聚合酶与启动子结合，转录mRNA。

（三CAP的正性调节：

CAP分解（代谢）物基因激活蛋白是同二聚体，在其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。

无G及cAmp难浓度较高时，cAmp结合在CAP结合位点，刺激RNA转录活性，可提高50倍,当有G及cAmp浓度降低时，cAmp与CAP结合受阻，Lac操纵子表达下降。图13-5

（四协调调节

对Lac操纵子CAP是正性调节因素，Lac阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节Lac操纵子的表达：

当Lac阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用，但如果无CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚，仍几无转录活性。由于野生型Lac启动序列作用很弱，所以CAP是必不可少的

三原核生物转录终止调节车

大肠杆菌中存在两种主要转录终止机制。

1需RNA聚合酶而不带其他蛋白质成分，称为不依赖Rho因子的转录终止；2除RNA聚合酶外还需转录终止因子Rho因子，称为依赖因子的转录终止。

①两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；②下游含一系列T序列。这种特殊结构使转录生成的RNA分子形成发夹结构及下游的多U序列。

大肠杆菌存在两种终止调节方式，一种为衰减，另一种为抗终止。前者导致RNA链的过早终止，后者则阻止前者的发生是使下游基因得以表达。

四原核生物翻译水平调节

翻译一般在起始和终止阶段受到调节，翻泽起始的调节主要靠调节分子，调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。调节分子可以是白质，也可以是RNA。

一蛋白质分子的自我调节

无论是单顺反子还是多顺反子mRNA，许多体系应用了类似的机制：调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻泽起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，囚而这种调节方式称自我控制attenuation）。

二反义RNA对翻译的调节作用

某些RNA分子也可调节基因表达，这种RNA称为调节RNA。细菌中有种称为反义RNA的调节RNA，含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种凋节称为反义控制antisensecontrol）。

其他转录调节机制

（一转录衰减

是细菌辅助阻遏作用的一种精细调节过程。这一调控作用是通过前导区内的类似于终止子结构的一段DNA序列实现,该序列被称为衰减子。

由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途停止，而近是部分中途停止转录，故称为转录衰减。

E-Colitrp操纵子是目前认识最详尽的一种阻遏型操纵子。当色氨酸浓度低时，操纵子基因开始转录，随着色氨酸浓度升高，转录下降以至停止。

1Trp操纵子组成：

结构基因ED：编码邻氨基苯甲酸合成酶C：吲哚甘油磷酸合成酶BA：色氨酸合成酶启动子P：位于-40－＋18bp操纵基因O：位于-21－＋16bp调节基因R前导序列L：162bp组成。其中43bp组成衰减子。L可被转录生成前导mRNA其中a的转录产物有衰减结构基因表达作用，故称为衰减子。

（1内含4个短序列（2序列1是一个开放阅读框，转录后立即翻译成含14个氨基酸残基的短肽称前导肽。（3序列2与序列3、序列4与序列3之间各有一段互补序列，可分别形成发夹结构（4前导序列3、4可形成一个衰减子结构，其功能类似于转录终止子。

2机制

当Trp缺乏时，没有色氨酸-tRNA供给，翻译序列1时，核蛋白体停止在Trp密码子前，序列2不能与序列1形成发夹结构，而是与序列3形成发夹结构，从而阻止了序列3、4形成衰减子结构。RNA转录持续进行。当Trp浓度高时，核蛋白体很快翻译序列1，并封闭序列2，持续转录却导致序列3与4形成衰减子结构，继而出现连续的U，RNA聚合酶脱落，转录终止。

（二基因重组

如果一个DNA分子中的两个特异序列发生基因重组则会产生复杂后果，若基因重组发生在调节基因或基因调控区，就会影响某些基因的开关机制。沙门菌鞭毛素基因H1、H2分别编码两种不同的鞭毛素H1、H2启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达hin基因编码一种重组酶，它可催化H2启动序列与hin基因倒位、发生基因重组，其结果是

使启动序列方向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，H1基因表达。

（三SOS反应

E-Coli经紫外线照射会发生染色体损伤或DNA复制抑制，诱发一系列表型变化，称为SOS反应。反应涉及RecA蛋白酶活性的激活，LexA阻遏蛋白的裂解以及包括修复酶活性在内的很多酶的系统表达。

三原核生物转录终止调节车

大肠杆菌中存在两种主要转录终止机制。

1需RNA聚合酶而不带其他蛋白质成分，称为不依赖Rho因子的转录终止；2除RNA聚合酶外还需转录终止因子Rho因子，称为依赖因子的转录终止。

①两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸；②下游含一系列T序列。这种特殊结构使转录生成的RNA分子形成发夹结构及下游的多U序列。

大肠杆菌存在两种终止调节方式，一种为衰减，另一种为抗终止。前者导致RNA链的过早终止，后者则阻止前者的发生是使下游基因得以表达。

四原核生物翻译水平调节

翻译一般在起始和终止阶段受到调节，翻泽起始的调节主要靠调节分子，调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。调节分子可以是白质，也可以是RNA。

一蛋白质分子的自我调节

无论是单顺反子还是多顺反子mRNA，许多体系应用了类似的机制：调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核蛋白体识别翻泽起始区，从而阻断翻译。调节蛋白一般作用于自身mRNA，抑制自身的合成，囚而这种调节方式称自我控制attenuation）。

二反义RNA对翻译的调节作用

某些RNA分子也可调节基因表达，这种RNA称为调节RNA。细菌中有种称为反义RNA的调节RNA，含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种凋节称为反义控制antisensecontrol）。

其他转录调节机制

（一转录衰减

是细菌辅助阻遏作用的一种精细调节过程。这一调控作用是通过前导区内的类似于终止子结构的一段DNA序列实现,该序列被称为衰减子。

由于这一终止作用并不能使正在进行的结构基因转录中途停止，而近是部分中途停止转录，故称为转录衰减。

E-Colitrp操纵子是目前认识最详尽的一种阻遏型操纵子。当色氨酸浓度低时，操纵子基因开始转录，随着色氨酸浓度升高，转录下降以至停止。

1Trp操纵子组成：

结构基因ED：编码邻氨基苯甲酸合成酶C：吲哚甘油磷酸合成酶BA：色氨酸合成酶启动子P：位于-40－＋18bp操纵基因O：位于-21－＋16bp调节基因R前导序列L：162bp组成。其中43bp组成衰减子。L可被转录生成前导mRNA其中a的转录产物有衰减结构基因表达作用，故称为衰减子。

（1）内含4个短序列（2）序列1是一个开放阅读框，转录后立即翻译成含14个氨基酸残基的短肽称前导肽。（3）序列2与序列3、序列4与序列3之间各有一段互补序列，可分别形成发夹结构（4）前导序列3、4可形成一个衰减子结构，其功能类似于转录终止子。

2机制

当Trp缺乏时，没有色氨酸-tRNA供给，翻译序列1时，核蛋白体停止在Trp密码子前，序列2不能与序列1形成发夹结构，而是与序列3形成发夹结构，从而阻止了序列3、4形成衰减子结构。RNA转录持续进行。当Trp浓度高时，核蛋白体很快翻译序列1，并封闭序列2，持续转录却导致序列3与4形成衰减子结构，继而出现连续的U，RNA聚合酶脱落，转录终止。

（二基因重组

如果一个DNA分子中的两个特异序列发生基因重组则会产生复杂后果，若基因重组发生在调节基因或基因调控区，就会影响某些基因的开关机制。沙门菌鞭毛素基因H1、H2分别编码两种不同的鞭毛素H1、H2启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达hin基因编码一种重组酶，它可催化H2启动序列与hin基因倒位、发生基因重组，其结果是使启动序列方向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，H1基因表达。

（三）SOS反应

E-Coli经紫外线照射会发生染色体损伤或DNA复制抑制，诱发一系列表型变化，称为SOS反应。反应涉及RecA蛋白酶活性的激活，LexA阻遏蛋白的裂解以及包括修复酶活性在内的很多酶的系统表达。

tRNA基因的ICR:ATGGCNNAGTGG）和B盒GGTTCGANNCC）两个元件组成。RNApolⅢ转录起始需两种转录因子作TFⅢC和TFⅢB，二者均为多亚基结构。转录起始首先由TFⅢC结合A盒和B盒开始，然后TFⅢB结合于A盒上游这一结合主要通过TFⅢC和TFⅢB相互作用实现，而非TFⅢB对DNA序列的特异识别。一旦TFⅢB结合，RNApolⅢ即可结合于转录起始点附近开始转录。TFⅢB结合后TFⅢC即可脱落，对转录起始无影响。因此TFⅢB是必需的转录因子，而TFⅢC是帮助结合的辅助因子。

5srRNA的转录起始需三种转录因子，TFⅢA、TFⅢB和TFⅢC。TFⅢA首先与ICR结合，而后TFⅢC，其余过程与tRNA基因的转录相同。tRNA和5srRNA基因，真正起转录起始因子为TFⅢB，TFⅢA、和TFⅢC起辅助因子的作用。

四RNApolⅡ转录起始调节

参与RNApolⅡ转录起始的DNA调控序列及转录因子复杂。

（一顺式作用元件：

1启动子：是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件。

TATA盒：TATAAAA位于－25―-30bp，控制转录起始准确性及频率。GC盒：GGGCGG位于－30―-110bpCAAT盒：GCCAAT位于－30―-110bp

2增强子：远离转录起始点，决定基因的时间，空间特异性表达，增强启动子转录活性的DNA序列

3沉默子：当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

（二反式作用因子

1转录调节因子：

（1）基本转录因子：是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA转录类别（2）特异转录因子：为个别基因转录所必需，决定该基因的时间，空间特异性表达。

转录激活因子：转录激活作用通常是一些增强子结合蛋白。转录抑制因子；是沉默子结合蛋白。

2转录调节因子的结构：

（1）锌指结构：30个氨基酸残基组成2个Cys和2个His。4个氨基酸分别位于正四面体的顶角，与四面体中心的锌离子配价结合。Cys和His之间有12个氨基酸残基，其中数个为保守的碱性残基，识别CAAT盒的转录因子

（2）亮氨酸拉链：规则有序每隔7个氨基酸残出现一次Leu残基，使其α－螺旋结构中Leu残基全在螺旋一侧，即肽链每绕2个螺旋出现一次Leu二聚体。Leu则在螺旋之间，使Leu残基R侧链的分枝碳骨架正好交错排布形成拉链状构象 （3）螺旋一环一螺旋：连接两个α－螺旋的肽链为环状，每分子N端附近的一个α－螺旋内有一段富碱性氨基酸区，为其与DNA结合所必需

（三）mRNA转录激活及其调节

真核RNA聚合酶Ⅱ不能单独识别，结合启动子，而是先由基本转录因子TFⅡD组成之分TBP识别TATA盒或启动元件，并有TAF参与结合，形成TFⅡD－启动子复合物，继而在TFⅡD－F参与下，RNA聚合酶Ⅱ、TFⅡD。TFⅡB聚合，形成一个功能性的前起始复合物DIC，然后结合增强子的转录激活因子与TFⅡD联系，形成稳定的转录起始复合物。此时，RNA聚合酶Ⅱ才能真正启动mRNA转录。

五、RNApolⅡ转录终止的调节

大多数哺乳类动物转录单位，RNApo1Ⅱ转录终止于poly-A添加点以下3’端O、5-2kb范围内的多处可能位点。有些真核基因及感染细胞中的病毒基因可以靠抗终止方式调节其转录水平。

（一）HIV基因组转录终止调节

HIV基因的有效表达需要病毒蛋白Tat，它是一种抗终止蛋白，可使RNApolⅡ通过转录终止点，其作用方式是通过Tat与转录产物5’端特异RNA序列结合，井与宿主蛋白质、RNApolⅡ相互作用，使延长中的RNA形成一定的二级结构，阻止HlV基因组转录过程的提早终止。

（二热休克蛋白基因的转录终止调节

在环境温度升高或其他应激条件下可作出一系列的反应，包括暂时性停止大多数基因的转录和翻译，启动一套能够提高细胞生存能力的蛋白质即热休克蛋白heatshockprotein，HSP基因的转录。

六、转录后水平的调节

包括hnRNA转录后加工、出胞核转至胞浆等过程。

一hnRNA加工成熟的调节

加工过程包括加帽、加尾、剪接、碱基修饰和编辑等。

二mRNA运输、胞浆内稳定性的调节

mRNA运输、在胞浆内的稳定性等均与从些蛋白质成分有关。mRNA寿命短。mRNA稳定性是由合成速率和降解速率共同决定。

铁转运蛋白受体TfR）mRNA的3’-UTR中若干铁反应元件（ironresponseelementIER富含AU，他们形成特征性茎环结构，并促进mRNA降解。当细胞内铁浓度降低时，活化的IER-BP结合于IRE，从而抑制mRNA降解，造成TfR水平增加，以便更多的铁进入细胞。当细胞内铁足量时，TfRmRNA降解速度加快，致使TfR水平很快下，当细胞内铁不足时，TfRmRNA稳定性增加，受体蛋白合成增多。

某些小分十RNA也可调节真核基因表达。除反义RNA在翻译水平的调节作用，发现在植物，昆虫和哺乳类动物存在一种RNA干涉RNAinterference，RNAi机制，可阻遏基因表达。细胞内存在一类双链RNAdsRNA），可通过一定酶切机制，转变为双链-22个核苷酸的小干扰RNAsmallinterferingRNA，siRNA，双链siRNA参与RNA诱导的沉默复合物，该复合物是一种多成分核酸酶，可使特异mRNA降解，阻断翻译过程。

七、翻译水平的调节

一）翻译起始因子elf）活性的调节

翻译的每个阶段都有许多蛋白因子参与，其活性常与因子自身的磷酸化修饰密切相关。eIF—4F等因子的磷酸化可提高蛋白质的生物合成速度，与之相反，elf—2α等因子的磷酸化却会阻碍翻译的起始过程。

二RNA结合蛋白对翻译起始的调节

RNA结合蛋白RBP），是指那些能够与RNA特异序列结合的蛋白质；基因表达许多调节环节都有RBP的参与，如前述转录终上、RNA剪接、RNA转运、RNA胞浆内稳定性控制以及翻泽起始等。

IRE结合蛋白1RE、BP）作为特异RNA结合蛋白，在调节铁转运蛋白受体TlR）mRNA稳定性力面起重要作用。他还调节铁蛋白和ALA合酶



第一节DNA的重组

自然界不同物种或个体之间的基因转移和重组是经常发生的，它是基因变异和物种演变、进化的基础。人类在进行基因克隆、动物克隆、植物克隆以及基因治疗等科学实验和实践中所进行的基因操作也离不开基因转移和重组。这种人工操作基因的过程就是重组DNA技术。

一、同源重组

发生在同源序列间的重组称为同源重组，又称基本重组。同源重组不需要特异DNA序列，而是依赖两分子之间序列的相同或类似性。如果通过转化或转导获得的外源DNA与宿主DNA充分同源，那么外源DNA就可以整合进宿主的染色体。

1RecB、RecC和RecD的复合物是一种内切酶，兼有解旋酶的活性，可产生单链切口DNA；

2蛋白催化单链DNA对另一双链DNA的侵入、并与其中的一条链交叉，交叉分支移动，待相交的另一链在RecB、RecC和RecD的内切酶活性催化下断裂后，由DNA连接酶交换连接缺失的远末端，这样就形成

了一个交叉连接的中间产物，称为Holliday中间体；

3此中间体再经内切酶RuvC切割、DNA连接酶的作用，完成重组。

同源重组在原核、真核生物都有发生。

二、细菌的基因转移与重组

（一）接合作用

当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA就可从一个细胞转移至另一细胞（细菌），这种类型的转移称为接合作用conjugation）。

接合作用的典型的例子是细菌所含的一种质粒DNA——F因子，该因子含细菌性鞭毛蛋白编码基因，当F+细菌与F-细菌接触时，性鞭毛连接就会在两细胞间形成，F因子被酶切成单链并通过性鞭毛连接桥向F-细胞转移，从而使F-细菌转变为F+细菌。

（二）转化作用

通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型，称为转化作用。例如，当溶菌时，裂解的DNA片段作为外源DNA被另一细菌摄取，并通过重组机制将外源DNA整合进基因组，受体菌就会获得新的遗传性状，这就是自然界发生的转化作用。

（三）转导作用

当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来、再次感染另一（受体）细胞时，发生在供体细胞和受体细胞之间的DNA转移及基因重组即为转导作用。自然界常见的例子就是噬菌体感染宿主时伴随发生的基因转移事件

1）溶菌生长途径噬菌体DNA在宿主菌内迅速繁殖，产生新的病毒颗粒，并溶解细菌、释放出新的噬菌体。

2溶源菌生长途径噬菌体DNA整合进宿主染色体，随宿主DNA复制而被动复制。

在溶源生长方式中噬菌体和宿主菌和平共处可维持无数代，直到宿主遭遇特殊事件（如DNA损伤诱发SOS反应），使原噬菌体DNA从细菌染色体上被切下，进入溶源途径。当原噬菌体DNA被从细菌染色体上切除时，如果有部分宿主DNA被随着切下，新生的噬菌体在下次感染时就可能将前一宿主DNA转移至新宿主细胞，发生转导作用。

三、特异位点重组

由整合酶催化、在两个DNA序列的特异位点间发生的整合称位点特异的重组。

（一）λ噬菌体DNA的整合

由λ噬菌体的整合酶识别噬菌体DNA和宿主染色体的特异靶位点，而后发生的选择性整合即是其中的一种。通常，这种由整合酶催化的整合是十分特异而有效的。反转录病毒整合酶可特异地识别、整合反转录病毒的cDNA的长末端重复序列；转座酶可特异识别转座子的反向末端重复序列，使发生特异性整合。

（二）细菌的特异位点重组

鼠伤寒沙门杆菌Salmonellatyphiraurium）由鞭毛蛋白决定的H抗原有两种，分别为H1鞭毛蛋白和H2鞭毛蛋白。在单茵落的沙门氏菌中经常出现少数呈另一H抗原的细菌，这种现象称为鞭毛相转变phaseVariation）。如果一个DNA分子中的两个特异序列发生基因重组则会产生复杂后果，若基因重组发生在调节基因或基因调控区，就会影响某些基因的开关机制。沙门菌鞭毛素基因H1、H2分别编码两种不同的鞭毛素H1、H2启动序列同时启动H2及一种阻遏蛋白的表达，阻遏蛋白可阻遏H1的表达hin基因编码一种重组酶，它可催化H2启动序列与hin基因倒位、发生基因重组，其结果是使启动序列方向改变，H2及阻遏蛋白表达关闭，H1基因表达。

三免疫球蛋白基因的重排

抗体分子免疫球蛋白，由两条轻链L链和两条重链H链组成，它们分别由三个独立的基因族genefamily）编码，其中两个编码轻链，一个编码重链。决定轻链的基因族上分别有L、V、J、C四类基因片段。L代表前导片段，Y代表可变片段，J代表连接片段，C代表恒定片段。决定重链的基因族上共有L、V、D、J、C五类基因片段，其中D代表多样性片段。

重链1gH）基因的V-D-J重排和轻链IgL）基因的V-J重排发生在特异位点上。在V片段的下游J片段的上游以及D片段的两侧均存在保守的重组信号序列RSS）。该信号序列都由个共同的回文七核苷酸序列CACAGTG）和一共共同的富含A的九核苷酸序列ACAAAAACC），中间为固定长度的间隔序列。此重排的重组酶基因rag共有两个，分别产生蛋白质RAGl和RAG2。RAGl识别信号序列，然后RAG2加入复合物九核苷酸序列提供最初的识别位点，七核甘酸序列为切割位点。

抗体重链和轻链基因重排后转录成初级mRNA前休，经加工修饰产生成熟的mRNA并翻译成免疫球蛋白，第二次重排发生在成熟B细胞经抗原刺激后，这次重排出现重链基因改变恒定区，即类型转换，其抗原特异性不变。B细胞分化至此称为浆细胞，它的特点是可以大量分泌抗体，并且是单特异性的抗体。

四、转座重组

转座又称为转位（transposition），由插入序列和转座子介导的基因移位或重排称为转座。在基因组中自由游动的DNA片段包括插入序列和转座子两种类型。

（一插入序列转座

典型的插入序列是长750-1500bp的DNA片段，包括两个分离的、由9-41bp构成的反向重复序列及以个转座酶编码基因，后者的表达产物可引起转座。反向重复序列的侧翼连接有短的（4-12bp）、不同的插入序列所特有的正向重复序列插入序列发生的转座有两种形式：

1保守性转座插入序列从原位迁至新位；

复制性转座插入序列复制后，其中的一个复制本移至新位，另一个仍保留在原位。

（二）转座子转座

转座子就是可从一个染色体位点转移至另一位点的分散的重复序列。与插入序列相似，转座子也是以两个反向重复为侧翼序列，并含有转座酶基因；与插入序列不同的是，它们含有抗生素抗性等有用的基因。在很多转座子中，它的侧翼序列本身就是插入序列。

第二节DNA重组技术

一、重组DNA技术相关概念

（一DNA克隆

克隆就是来自同一祖先的相同副本或拷贝的集合；获取同一拷贝的过程称为克隆化，也就是无性繁殖。通过无性繁殖获得的克隆可以是分子的，也可以是细胞的，动物的或植物的。在分子遗传学领域所谈的克隆专指DNA克隆。

DNA克隆就是用酶学的方法，在体外将各种来源的遗传物质-同源或异源的，原核或真核的，天然的或人工DNA与载体DNA结合成一具有自我复制能力的DNA分子-复制子，继而通过转化或转染宿主细胞，筛选出含有目的基因的转化子细胞，再进行扩增，提取获得大量同一DNA分子，即DNA克隆。由于早期研究是从较大的染色体的分离、扩增特异性基因，因此又称为基因克隆。

（二）工具酶

DNA重组技术中对核酸的"精雕细刻"主要用酶作为工具。限制性核酸内切酶（restrictionendonuclease）在重组DNA技术中有重要地位。

1、限制性核酸内切酶的概念

识别DNA的特异序列，并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类酶分为ⅠⅡ、Ⅲ三类常用的是Ⅱ类

1962年发现这是因为细菌中含有特异的核酸内切酶能识别特定的核酸序列而将核酸切断同时又伴随有特定的核酸修饰酶最常见的是甲基化酶能使细胞自身核酸特定的序列上碱基甲基化从而避免受内切酶水解外来核酸没有这种特异的甲基化修饰就会被细胞的核酸酶所水解这样细胞就构成了限制一修饰体系其功能就是保护自身的DNA分解外来的DNA以保护和维持自身遗传信息的稳定这对细菌的生存和繁衍具有重要意义。这就是限制性核酸内切酶名称中"限制"二字概念的由来。

大部分限制性核酸内切酶识别DNA序列具有回文结构特征，切断的双链DNA都产生5''磷酸基和3''羟基末端。不同限制性核酸内切酶识别和切割的特异性不同，结果有三种不同的情况：

①产生5''突出粘性末端（cohesiveend）以EooRⅠ为例：

5''…G↓AATTC…3''→5''…GpOHTTAAC…3''

3''…CATAA↑G…5''3''…CTTAAOHpG…5''

②产生3''突出的粘性末端以PstⅠ为例：

5''…CTGCA↓G…3''→5''…CTGCApOHG…3''

3''…G↑ACGTC…5''3''…GOHpACGTC…5

③产生平末端（bluntend）NruⅠ为例：

5''…TCG↓CGA…3''→5''…TCGpOHCGA…3''

3''…AGC↑GCT…5''3''…AGCOHpGCT…5''

限制性核酸内切酶的种类很多，至今已发现近800多种，可以根据它们对DNA有不同的识别序列和切割特征选用，从而为基因工程提供了有力的工具。

（三）目的基因

人们感兴趣的基因或DNA序列就是目的基因。有两种类型：

1cDNA：反转录合成的、与RNA互补的单链DNA以单链cDNA为模板、经聚合反应可合成双链cDNA。

2基因组DNA基因组DNA是指代表一个细胞或生物体整套遗传信息（染色体及线粒体）的所有DNA序列。

四）基因载体

分离或改建的基因和核酸序列自身不能繁殖，需要载体携带它们到合适的细胞中复制和表现功能。基因工程载体有以下几点要求：

①能在宿主细胞中复制繁殖，要有较高的自主复制能力

②容易进入宿主细胞，进入效率越高越好

③有合适的限制性核酸内切酶位点容易插入外来核酸片段，插入后不影响其进入宿主细胞和在细胞中的复制

④容易从宿主细胞中分离纯化出来，便于重组操作

⑤有容易被识别筛选的标志。

基因工程中常用的载体vector）主要包括质粒plasmid）、噬菌体phage）和病毒virus）三大类。这些载体均需经人工构建，除去致病基因，并赋予一些新的功能，如有利于进行筛选的标志基因、单一的限制酶切点等。

1、质粒载体

质粒（plasmid）是存在于细菌染色体外的小型环状双链DNA分子，小的2-3kb，大的可达数白kb。质粒分子本身是含有复制功能的遗传结构，能在宿主细胞独立自主地进行复制，并在细胞分裂时保持恒定地传给子代细胞。

质粒载体需经人工改造。从不同的实验目的出发，设计不同类型的质粒载体。例质粒pBR322及pUC19，质粒的复制起点处序列经过改造，能高频率起动质粒复制；携带一个抗氨芐青霉素基因，编码能水解β-内酰胺环、从而破坏氨芐青霉素的酶，当用pUC19转化细菌后放入含氨芐青霉素的培养基中，凡不含pUC19者都不能生长，结果长出的细菌就是都含有

pUC19的；pUC19还携带细菌lac操纵元中的lacI和lacZ基因编码，β-半乳糖苷酶N端状146个氨基酸的段落，当培养基中含有诱导物IPTG和Xgal时，lacZ基因被诱导表达产生的β-半乳糖苷酶N端肽与宿主菌表达的C端肽互补而具有β-半乳糖苷酶活性（质粒和宿主编码的肽段各自都没有酶活性，两者融为一体具酶活性，称为α-互补，α-complementation），半乳糖苷酶水解Xgal而使菌落呈现蓝色；在lacZ中间又插入了一段人工设计合成的DNA序列，其中密集多个常用的限制性核酸内切酶的位点，使外来的基因和序列能很方便地被插入此位置，当外来序列插入后则破坏了lacZ编码的半乳糖苷酶活性，生长的菌落就呈白色，这种颜色标志的变化就很容易区分和挑选含有和不含有插入序列或基因的转化菌落，称为蓝白筛选法。

2噬菌体：bacteriophage）

可通过转染方式将其DNA送入细菌体内进行增殖。常用的为人工构建的λ噬菌体载体。噬菌体两端的片段对于其包装是必需的，因而应予保留；而其中间部分则可进行改造或置换，使之具有某种单一的限制酶切点。目的基因与噬菌体DNA进行重组时，可采用插入重组方式，也可采用置换重组方式。

3病毒：常用的为SV40，通过感染方式将其DNA送入哺乳动物细胞中进行增殖。目前应用相对较少。如腺病毒载体、逆转录病毒载体等。

4酵母人工染色体（yeastartificialchromosomeYAC）

利用酵母载体改造而成。YAC含有酵母染色体端粒（telesome）、着丝点centromere）及复制起点等功能序列，可插入长度达200-500kb的外源DNA，导入酵母细胞可以随细胞分裂周期复制繁殖供作克隆，成为人基因组研究计划的重要载体。

5柯斯质粒载体cosmidvector）

二、重组技术基本原理

DNA克隆过程应包括：目的基因的获取，基因载体的选择与构建，目的基因与载体的拼接，重组DNA分子导入受体细胞，筛选含重组分子的受体细胞（转化子）。图14-10是以质粒为载体进行DNA克隆的模式图。

（一）目的基因的获取

1化学合成法

已知某种基因的核苷酸序列，或根据某种基因产物的氨基酸序列推导出为该多肽链编码的核苷酸序列，利用DNA合成仪通过化学合成原理合成目的基因。

2基因组DNA

从生物组织细胞提取出全部DNA，用物理方法或酶法将DNA降解成预期大小的片段，然后将这些片段与适当的载体连接，转入受体细菌或细胞，这样每一个细胞接受了含有一个基因组DNA片段与载体连接的重组DNA分子，而且可以繁殖扩增，许多细胞一起组成一个含有基因组各DNA片段克隆的集合体，就称为基因组DNA文库（genomicDNAlibrary）。然后用适当的筛选方法从众多转化子菌落中选出含有某一基因的菌落，再进行扩增，将重组DNA分离、回收，获得目的基因的无性繁殖系-克隆。

3cDNA文库

以mRNA为模板，经反转录酶催化合成与mRNA互补的DNA（cDNA）。提取出组织细胞的全部mRNA，在体外反转录成cDNA，与适当的载体常用噬菌体或质粒载体连接后转化受体菌，则每个细菌含有一段cDNA，并能繁殖扩增，这样包含着细胞全部mRNA信息的cDNA克隆集合称为该组织细胞的cDNA文库。

4聚合酶链式反应

PCR是一种在体外利用酶促反应获得特异序列的基因组DNA或cDNA的专门技术。已知目的基因的序列，用PCR聚合酶链式反应，polymerasechainreaction，从基因组DNA或cDNA中获得目的基因，可不必要经过复杂的DNA文库构建过程。

（二）克隆载体的选择和构建

将外源DNA连到复制子上，外源DNA作为复制子的一部分在受体细胞中复制。

（三）外源基因与载体的连接

将目的基因或序列插入载体，主要靠DNA连接酶和双链DNA粘末端单链序列互补结合的配合使用。有以下主要的方式

1粘性末端连接

如果目的序列两端有与载体上相同的限制性核酸内切酶位点，则同一限制酶切开产生的粘末端，在降低温度退火时，能重新互补结合，在DNA连接酶催化下，目的序列就与载体DNA链相连接

（1）同一限制酶切割位点连接：由同一限制性内切酶切割的不同DNA片段具有完全相同的末端。

2）不同的限制性内切酶位点连接，如果产生的DNA的粘末端相同，也同样可用此法连接，如识别6bp序列的BamHIGGATCC）和识别4bp序列的MboIGATC）切割DNA后都产生5''突出粘性末端GATC，可互补结合连接。

2平端连接

T4DNA连接酶也能催化限制性内切酶切割产生DNA平末端的连接。如果目的序列和载体上没有相同的限制性内切酶位点可供利用，用不同的限制性内切酶切割后的粘性末端不能互补结合，则可用适当的酶将DNA突出的末端削平或补齐成平末端，再用T4DNA连接酶连接，但平末端连接要比粘性末端连接的效率低得多。

3同聚物加尾连接

连接的两个DNA片段没有能互补的粘性末端，可用末湍核苷酸转移酶催化脱氨单核苷酸添加DNA的3''末端，例如一般DNA3''端加上polyG，另一股DNA加上polyC，这样人工在DNA两端做出能互补的共核苷酸多聚物粘性末端，退炎后能结合连接。

4人工接头连接

对平末端的DNA或载体DNA，也可先连上人工设计合成的脱氧寡核苷酸双链接头，使DNA末端产生新的限制内切酶位点，经内切酶割后，即可按粘性末端相连

（四重组DNA导入受体菌

目的基因序列与载体连接后，要导入细菌中才能繁殖扩增，重组DNA分子得以复制、扩增，这一过程即为无性繁殖。导入重组DNA分子有转化、转染和感染等不同方式。

重组质粒可通过转化（transformation）方式导入宿主细胞，即将大肠杆菌用CaCl2处理，增加细菌细胞壁的通透性，再与重组质粒DNA短暂温育，质粒DNA即可导入宿主细胞。

如果是用λ噬菌体作为载体的重组体，则需要用外壳蛋白进行包装，使之成为具有感染能力的噬菌体，再通过转染transfection）方式将重组噬菌体DNA导入大肠杆菌等宿主细胞。

（五）重组体的筛选

筛选dcreening）是基因克隆的重要步骤。

1直接选择法针对载体携带有某种或某些标志基因和目的基因而设计的筛选方法，称为直接选择法，其特点是直接测定基因或基因表型。

（1）抗药性标志选择

如果克隆载体带有抗药性标志因，如抗氨苄青霉素（ampr）、抗四环素（tetr）、抗卡那霉素kanr）等。当培养基中含有抗生素时，只有携带相应抗药性基因载体的细胞才能生存繁殖，这就把凡未能接受载体DNA的细胞全部筛除掉了。

（2）标志补救

若克隆的基因能够在宿主菌表达，且表达产物与宿主菌的营养缺陷互补，那么就可以利用营养突变菌株进行筛选，这就是标志补救。

（3）分子杂交法

利用标记的核酸做探针与转化细胞的DNA进行分子杂交，可以直接筛选和鉴定目的序列克隆。常用的方法是将转化后生长的菌落复印到硝酸纤维膜上，用碱裂菌，菌落释放的DNA就吸附在膜上，再与标记的核酸探针温育杂交，核酸探针就结合在含有目的序列的菌落DNA上而不被洗脱。核酸探针可以用放射性核素标记，结合了放射性核酸探针的菌落集团可用放射性自显影（auroradiography）法指示出来，核酸探针也可以用非放射性物质标记，通常是经颜色呈现指示位置，这样就可以将含有目的序列的菌落挑选出来。

2免疫学方法

利用特异抗体与目的基因表达产物相互作用进行筛选，因此属非直接选择法。免疫化学方法的基本工作原理是：将琼脂培养板上的转化子菌落经绿仿蒸汽裂解、是释放抗原，再将固定有抗血清（目的基因编码蛋白质特异的免疫血清）的聚乙烯薄膜覆盖在裂解菌落上，在薄膜上得到抗原抗体复合物。再使125I-IgG与薄膜反应，125I-IgG即可结合于抗原不同位点。最后经放射自显影检出阳性反应菌落。

六克隆基因的表达

采用DNA技术还可进行目的基因的表达，实现生命科学研究、医药或商业目的。要使克隆基因在宿主细胞中表达，就要将它放入带有基因表达所需要的各种元件的载体中，既表达载体（expressionvector）。例如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母、昆虫细胞、培养的哺乳类动物细胞、以至整体动物。对不同的表达系统，需要构建不同的表达载体。

1原核表达体系

大肠杆菌培养操作简单、生长繁殖快、价格低廉，大肠杆菌表达外源基因产物的水平远高于其它基因表达系统，表达的目的蛋白量甚至能超过细菌总蛋白量的80%。运用大肠杆菌表达有用的蛋白质必须使构建的表达载体符合下列标准：

①含大肠杆菌适宜的选择标志；

②有能调控转录、产生大量mRNA的强启动子；

③含适当的翻译控制序列，如核蛋白结合位点和翻译起始点等；

④含有多克隆位点。

将真核基因放入原核细胞中表达蛋白质的缺陷：

①无真核转录后加工的功能

不能进行mRNA的剪接，只能表达cDNA不能表达真核基因组基因；

②无真核翻译后加工的功能

表达蛋白质，不能进行糖基化、磷酸化等修饰，难以形成正确的二硫键配对和空间构像折叠，产生的蛋白质常没有足够的生物学活性；

③表达的蛋白质不溶，在细菌内聚集成包涵体（inclusiionbody）

当表达目的蛋白量超过细菌体总蛋白量10%时，容易形成包涵体。其原因可能是蛋白质合成速度太快，多肽链相互缠绕，缺乏使多肽链正确折叠的因素，导致疏水基因外露等。虽然包涵体有利于目的蛋白的纯化，但无生物活性的不溶性蛋白，要经过复性。可以设计载体使大肠杆菌分泌表达出可溶性目的蛋白，但表达量往往不高。

2真核表达体系

常用的酵母、昆虫、动物和哺乳类细胞等表达系统。真核表达载体至少要含两类序列：

①原核质粒的序列，包括在大肠杆菌中起作用的复制起始序列、能用在细菌中筛选克隆的抗药性基因标志等，以便插入真核基因后能先在很方便操作的大肠杆菌系统中筛选获得目的重组DNA克隆、并复制繁殖得到足够使用的数量。

②在真核宿主细胞中表达重组基因所需要的元件，包括启动子、增强子、转录终止和加poly-A信号序列、mRNA剪接信号序列、能在宿主细胞中复制或增殖的序列，能用在宿主细胞中筛选的标志基因、以及供外源基因插入的单一限制性内切酶识别位点等。



一、细胞间信息物质：

凡是由细胞分泌的、能够调节特定的靶细胞生理活动的化学物质都称为细胞间信息物质，或第一信使。

1激素：激素hormone）是由特殊分化细胞合成并分泌的一类生理活性物质，这些物质通过体液进行转运，作用于特定的靶细胞，调节细胞的物质代谢或生理活动。

⑴激素的分类：激素可按照其化学本质的不同分为四类。①类固醇衍生物：如肾上腺皮质激素、性激素等；②氨基酸衍生物：如甲状腺激素，儿茶酚胺类激素；③多肽及蛋白质：如胰岛素、下丘脑激素、垂体激素等；④脂肪酸衍生物：如前列腺素。

⑵激素的作用方式：①自分泌：激素分泌释放后仍作用于自身细胞，其传递介质为胞液；②旁分泌：激素分泌释放后作用于邻近的靶细胞，其传递介质为细胞间液。③内分泌：激素分泌后作用较远的靶细胞，其传递介质为血液。2、细胞因子：细胞因子是指由细胞分泌的一类信息分子，可作用于特定的靶细胞，调节细胞的生长，分化等生理功能。细胞因子也可通过自分泌、旁分泌和内分泌三种方式作用于特定的靶细胞。

常见的细胞因子有：表皮生长因子（EGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、神经生长因子（NGF）、胰岛素样生长因子（IGF）等。3、神经递质：由神经元突触前膜释放的信息物质，可作用于突触后膜上的受体，传递神经冲动信号。二、细胞内信息物质：

存在于细胞内，能够传递特定调控信号的化学物质称为细胞内信息物质。

1第二信使：在细胞内传递信息的小分子化学物质称为第二信使。①环核苷酸类：如cAMP和cGMP；②脂类衍生物：如甘油二脂（DAG），14，5-三磷酸肌醇（IP3），花生四烯酸等。③无机物：如Ca2+、NO等。2、信号蛋白：细胞膜上或细胞内能够传递特定信号的蛋白质分子，常与其他蛋白质或酶构成复合体以传递信息。如G蛋白、连接蛋白（SOS，GRB2）、鸟苷酸交换蛋白（GEF）、GTPase激活蛋白（GAP）等。3、信号酶：细胞内能够传递特定调控信号的酶蛋白分子。如胰岛素受体底物-1/2（IRS1/2）、MAPKKK（Raf-1）、MAPKK（MEK-1/2）、MAPK（ERK1/2）、PKA、PKB、PKC、PKG、PAK、PDK、CaMPK等。三、受体的分类、结构与功能：

受体（receptor是指存在于靶细胞膜上或细胞内的一类特殊蛋白质分子，它们能识别特异性的配体并与之结合，产生各种生理效应。1、根据受体的亚细胞定位分类：

⑴细胞膜受体：这类受体是细胞膜上的结构成分，一般是糖蛋白、脂蛋白或糖脂蛋白。多肽及蛋白质类激素、儿茶酚胺类激素、前列腺素以及细胞因子通过这类受体进行跨膜信号传递。

⑵细胞内受体：这类受体位于细胞液或细胞核内，通常为单纯蛋白质。此型受体主要包括类固醇激素受体，维生素D3受体（VDR）以及甲状腺激素受体（TR）。2、根据受体的分子结构分类：

⑴配体门控离子通道型受体：此型受体本身就是位于细胞膜上的离子通道。其共同结构特点是由均一性的或非均一性的亚基构成一寡聚体，而每个亚基则含有4~6个跨膜区。此型受体包括烟碱样乙酰胆碱受体（N-AchR）、A型γ-氨基丁酸受体（GABAAR）、谷氨酸受体等。⑵G蛋白偶联型受体：此型受体通常由单一的多肽链或均一的亚基组成，其肽链可分为细胞外区、跨膜区、细胞内区三个区。在第五及第六跨膜α螺旋结构之间的细胞内环部分（第三内环区），是与G蛋白偶联的区域。大多数常见的神经递质受体和激素受体是属于G蛋白偶联型受体。

G蛋白是由α、β、γ亚基组成的三聚体，存在于细胞膜上，其α亚基具有GTPase活性。当配体与受体结合后，受体的构象发生变化，与α亚基的C-端相互作用，G蛋白被激活，此时，α亚基与β、γ亚基分离，可分别与效应蛋白（酶）发生作用。此后，α亚基的GTPase将GTP水解为GDP，α亚基重新与β、γ亚基结合而失活。

人血浆内蛋白总浓度约为60-80g/L，种类多（目前已知有200多种），但各种蛋白质含量极不相同，多者每升达数十克，少的仅为毫克水平。

（一血浆蛋白的分类

分离蛋白质的常用方法包括电泳（electrophoresis）和超速离心（ultra-centrifuge）。

电泳是最常用的方法。常采用简单快速的醋酸纤维薄膜电泳将血清蛋白质分为五条区带：清蛋白（albumin），a1-球蛋白（globulin），a2-球蛋白，β球蛋白和γ球蛋白。

清蛋白是人体中最主要的蛋白质，浓度达38-48g/L。肝每天约合成12g清蛋白。球蛋白的浓度为15-30g/L。正常的清蛋白与球蛋白浓度的比值（A/G）为15-2、5。

超速离心是根据蛋白质的密度将其分离，如血浆脂蛋白的分离。 （二血浆蛋白质的性质

血浆蛋白质具有以下共同特征：

1血浆蛋白质绝大部分由肝脏合成。除γ球蛋白由浆细胞合成，内皮细胞合成少量血浆蛋白质外。2血浆蛋白质为分泌型蛋白质。在与内质网结合的多核糖体上合成，分泌入血浆前经历了剪切信号肽、糖基化、磷酸化等翻译后修饰加工过程，成为成熟蛋白质。3血浆蛋白质几乎都是糖蛋白，含有N-或O-连接的寡糖链。仅白蛋白、视黄醇结合蛋白和C－反应蛋白等少数不含糖。糖链可参与血浆蛋白分子的三级结构的形成，具有多种功能。4各种血浆蛋白质都具有其特征性的循环半衰期。5许多血浆蛋白质有多态性polymorphism）。多态性指在同种属人群中，有两种以上，发生频率不低于1%的表现型。最典型的是ABO血型物质。研究血浆蛋白多态性对遗传学及临床医学均有重要意义。6急性炎症或组织损伤时，某些血浆蛋白水平增高。这些血浆蛋白被称为急性期蛋白质acutephaseprotein）。包括C反应蛋白CRP）、α1抗胰蛋白酶、α2酸性糖蛋白及纤维蛋白原等。急性期蛋白在人体炎症反应中发挥一定作用。

血浆蛋白的主要功能：

1维持血浆胶体渗透压

主要靠血浆白蛋白，因其含量多而分子小，血浆胶体渗透压的75～80%由它维持。当血浆清蛋白浓度过低时，血浆胶体渗透压下降，导致水分在组织间隙潴留，出现水肿。

2调节血浆正常的pH

维持酸碱平衡正常血浆的PH为735-7.45。血浆蛋白的等电点大部分在pH4～6，血浆中蛋白多以负离子形式存在，以Pr表示血浆蛋白形式构成血浆中的缓冲对，参与维持酸碱平衡。

3运输

血浆蛋白中许多组分具有运输功能，可送输营养物质、代谢物、激素、药物及金属离子等。

4免疫作用，抵御感染

主要靠抗体和补体系统发挥作用。血浆中的免疫球蛋白IgG，IgA，IgM，IgD，IgE又称为抗体，在体液免疫中起至关重要的作用。

5催化作用

分为以下三类：

（1血浆功能酶这类酶主要在血浆发挥催化功能。如卵磷脂二胆固醇酰基转移酶（LCAT）由肝合成后入血，在血浆中发挥催化作用。（2外分泌酶外分泌腺的酶类如胰淀粉酶等正常时极少逸入血浆，当这些脏器受损逸入血浆酶类增加，血浆相关酶的活性增加，在临床上有诊断价值。（3细胞酶为存在于细胞和组织内参与物质代谢的酶类。正常血浆中含量甚微，当有关脏器细胞受损或细胞膜通透性改变，血浆中这类酶活性的测定有助于疾病的辅助诊断。

6营养作用

每个成人3L左右的血浆中约有200g蛋白质可被组织摄取，分解为氨基酸，供组织蛋白质合成或转变成其他含氮化合物或氧化分解供能。

凝血和抗凝血和纤溶作用

各种凝血因子及抗凝血因子及纤溶物质，它们在血液中相互作用，相互制约保持循环血液的畅通。当血管损伤，血液流出血管时而发生血液凝固，以防止血液的大量流失。同时在防止循环阻塞中发挥重要作用。

红细胞是在骨髓中由造血干细胞定向分化而成的红系细胞，在其发育过程中经历了原始红细胞、早幼红细胞、中幼红细胞、晚幼红细胞、网状红细胞等阶段，发生了一系列形态和代谢的改变而成为成熟红细胞。

成熟红细胞不具有细胞核，又无线粒体和核蛋白体，既不能合成蛋白质，也不能进行有氧氧化。红细胞的主要成分是血红蛋白，它是血液运氧功能的物质基础。红细胞只保留与其功能相适应的少数

代谢过程，代谢比一般体细胞简单，葡萄糖是成熟红细胞的主要供能物质。

（一）糖代谢

红细胞每天大约从血浆摄取30g葡萄糖。其中90-95%经糖酵解通路和2、3二磷酸甘油酸旁路进行代谢，5-10%通过磷酸戊糖途径进行代谢。

1糖酵解和2，3二磷酸甘油酸（2，3BPG）旁路。

1）酵解途径是红细胞获得能量的唯一途径。每摩尔葡萄糖经酵解生成2摩尔乳酸的过程中产生2摩尔ATP和NADH+H。红细胞中ATP浓度可维持在185x103摩尔水平。2）存在侧支循环2，3-二磷酸甘油酸旁路。在酵解途径中1，3-二磷酸甘油酸（1，3BPG）在二磷酸甘油酸变位酶的催化下生成2，3BPG，后者再经2，3BPG磷酸酶催化是2，3BPG水解生成3-PG沿酵解途径继续分解，形成2，3BPG旁路。

正常情况下红细胞中2，3BPG对二磷酸变位酶的负反馈作用大于对三磷酸甘油酸激酶的抑制作用，所以红细胞中1，3BPG代谢实际仍以酵解为主，2，3BPG旁路仅占糖酵解的15-50%，只是由于2，3BPG磷酸酶的活性较低，致使2，3BPG的生成大于分解，使红细胞中2，3BPG含量较高。红细胞内23BPG主要功能是调节血红蛋白的运氧功能。

2磷酸戊糖途径

红细胞中5-10%的葡萄糖通过磷酸戊糖途径进行代谢，主要功能是提供NADPH，它是红细胞中产生NADPH的唯一途径，是红细胞氧化还原系统的重要成员，维持红细胞的正常功能。

3红细胞内糖代谢的生理意义

（1ATP的功能，主要维持以下几方面的生理活动：

1）维持红细胞膜上钠泵（Na+-K+-ATPase）的正常运转，维持红细胞的正常形态。2）维持红细胞膜上钙泵的正常运转，以维持红细胞的正常功能。3）维持红细胞膜上脂类的更新。4）少量ATP用于谷胱甘肽、NAD+的生物合成。5）ATP用于葡萄糖的活化，启动糖酵解过程。

（2）2，3-BPG的功能

2，3-BPG是调节血红蛋白运氧功能的重要因素，2，3-BPG是一个电负性很高的分子，它的负电基团与血红蛋白的空间结构孔穴侧壁的β亚基的正电基团形成盐键，从而使血红蛋白分子的T构像更为稳定，降低血红蛋白与O2的亲和力。特别当血液流经PO2较低的组织时红细胞中2，3-BPG的存在有利于氧合血红蛋白（HbO2）释O2以供组织之需，机体通过改变红细胞内的2，3-BPG的浓度来调节对组织的供氧量。（3）NADH和NADPH的功能

NADH和NADPH是红细胞内重要的还原当量，它们具有对抗氧化剂保护细胞膜蛋白，血红蛋白和酶蛋白的巯基等不被氧化，从而维持红细胞的正常功能。

NADPH是谷胱甘肽还原酶的辅酶，红细胞中NADPH能维持细胞内还原型GSH的含量使红细胞免受外源性和内源性氧化剂的损害，NADPH的生成由6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化，此酶缺陷的病人得不到充分的NADPH，在某些因素的影响下不能使氧化型谷胱甘肽还原为还原型谷胱甘肽，使红细胞易于破裂引起溶血。

NADH-MHb还原系统，NADPH-MHb还原系统，此外，谷胱甘肽、VC也能直接还原MHb。

体内由于各种氧化作用，红细胞内经常有少量高铁血红蛋白（MHb）产生，MHb中铁为三价不能带氧，正常红细胞中MHb只占血红蛋白总量的1-2%。红细胞中MHb生成过多、不能及时还原成Hb，会妨碍运氧功能，患者会出现发绀等症状。

（二）脂代谢

成熟红细胞的脂类几乎都存在于细胞膜。膜脂的不断更新是红细胞生成的必要条件，以维持正常的脂类组成、结构与功能。

（三血红蛋白合成与调节

血红蛋白由珠蛋白globin）与血红素heme）组成。血红素是铁卟啉的衍生物。是血红蛋白、肌红蛋白myoglobin），过氧化氢酶catalase），过氧化物酶peroxidase）等的辅基。因而，一般细胞均可合成血红素，且合成通路相同。在人红细胞中，血红素主要在骨髓的幼红细胞和网织红细胞中合成。成熟红细胞不再有血红素的合成。

1血红素的生物合成

血红素合成的基本原料是甘氨酸、琥珀酰辅酶A及Fe2+。合成的起始和终末过程均在线粒体，而中间阶段在胞液中进行。

（1）合成过程：

1）δ-氨基-γ-酮戊酸δ-aminplevulinicacid，ALA）的生成：

在线粒体中，甘氨酸和琥珀酰辅酶A在ALA合酶ALAsynthetase）的催化下缩合生成ALA。ALA合酶是限速酶受血红素的反馈抑制，辅酶为磷酸吡哆醛。

2）胆色素原的生成： ALA进入胞液中，在ALA脱水酶ALAdehydrase）的催化下，二分子ALA脱水缩合成一分子卟胆原prophobilinogen，PBG）。ALA脱水酶含有巯基，对铅等重金属的抑制作用十分敏感。

3）尿卟啉原和粪卟啉原的生成：

在胞液中，四分子PBG由尿卟啉原I同合酶、尿卟啉原Ⅲ同合酶uroporphyrinogenⅢcosynthase）、尿卟啉原Ⅲ脱羧酶依次催化，经线状四吡咯、尿卟啉原Ⅲ最终生成粪卟啉原ⅢcoproporphyrinogenⅢ，CPGⅢ。

4）血红素的生成：

生成的粪卟啉原Ⅲ进入线粒体中，在粪卟啉原氧化脱羧酶作用下，侧链氧化生成原卟啉原IX。再经原卟啉原IX氧化酶催化脱氢，生成原卟啉IX。通过亚铁螯合酶ferrochelatase）又称血红素合成酶的催化下和Fe2+结合生成血红素，铅等重金属对亚铁螯合酶有抑制作用。

血红素生成后从线粒体转入胞液，在骨髓的有核红细胞与网织红细胞中与珠蛋白结合而成为血红蛋白。正常成人每天合成6克Hb，相当于合成210mg血红素。

血红素合成的特点：

1）体内大多数组织均具有合成血红素能力，合成的主要部位是骨髓与肝，成熟红细胞不能合成血红素。2）血红素合成的原料是琥珀酰CoA、甘氨酸及Fe2+等。3）血红素合成是在线粒体和胞液中完成。

铁卟啉合成过程中有关酶的缺馅可引起多种先天性卟啉症

（2）合成的调节：

1）ALA合酶

⑴过多的血红素氧化为高铁血红素，对ALA合成酶有强烈抑制作用。⑵睾丸酮在肝脏5β-还原酶作用下可生成5β-氢睾丸酮，后者能诱导ALA合成酶，促进血红素的生成。⑶致癌剂、药物、杀虫剂等，均可诱导ALA合成酶的合成

2）ALA脱水酶与亚铁螯合酶：

ALA脱水酶和亚铁螯合酶对重金属敏感。

3）促红细胞生成素（erythropoietinEpo）

Epo主要由肾脏合成，当机体缺氧时，肾分泌Epo增加。Epo可促进原始红细胞的增殖和分化、加速有核红细胞的成熟，并促进ALA合成酶生成，从而促进血红素的生成。Epo是红细胞生成的主要调节剂。

铁卟啉合成代谢异常而引起卟啉化合物或中间代谢物的堆积，称为卟啉症。先天性卟啉症是某种血红素合成酶系的遗传性缺陷所致；后天性卟啉症则主要指由于铅中毒及某些药物中毒引起的铁卟啉合成障碍。

2血红蛋白的合成

血红蛋白中珠蛋白的合成受血红素的调控，血红素的氧化产物高铁血红素能促进血红蛋白的合成。

二、白细胞的代谢

人体白细胞由粒细胞、淋巴细胞和单核吞噬细胞三大系统组成，主要功能是对外来人侵起抵抗作用。

一糖代谢

1、糖酵解是主要的糖代谢途径2、磷酸戊糖途径：产生NADPH。经NADPH氧化酶递电子体系可使02接受单电子还原，产生大量的超氧阴离子，超氧阴离子再进一步转变成H2O2，OH·等自由基，起杀菌作用。

（二）脂代谢

单核吞噬细胞受多种刺激因子激活后，可将花生四烯酸转变成血栓素、前列腺素和白三烯，它是速发型过敏反应中产生的慢反应物质。

（三）氨基酸和蛋白质代谢

含有较高的组氨酸代谢产物-组胺，参与变态反应。单核吞噬细胞的蛋白质代谢很活跃，能合成多种酶、补体和各种细胞因子。

肝脏是人体内具有多种功能的重要器官，成人肝组织约重1500g，占体重的2-5%，是人体的最大腺体。

1、肝接受门静脉和肝动脉的双重血液供应：又有肝静脉和胆道两条输出通道与体循环及肠道相通。2、肝细胞索之间有丰富的血窦，有利于进行物质交换。3、大量的线粒体、丰富的内质网，便于与周围物质的交换。

人肝约需25×1011个肝细胞，组成50万-100万个肝小叶。

肝细胞基本的形态结构和化学组成是与它的代谢功能相互适应，肝细胞内丰富的与各种物质代谢有关的酶，构成了肝在物质代谢中的特性使肝具有重要独特的功能：

机体将一些内源性或外源性非营养物质进行化学转变，增加其极性或水溶性，使其易随胆汁或尿液排出，这种体内变化过程称为生物转化biotransformation）。

非营养物质椐其来源：

1）内源性物质：

体内代谢中产生的各种生物活性物质如激素、神经递质等及有毒的代谢产物如氨、胆红素等。

2）外源性物质：

药品、食品添加剂、色素及其它化学物质等。

这些非营养物质既不能作为构成组织细胞的原料，又不能供应能量，机体只能将它们直接排出体外，或先将它们进行代谢转变，一方面增加其极性或水溶性，使其易随尿或胆汁排出，另一方面也会改变其毒性或药物的作用。

生物转化的生理意义：

非营养物质经生物转化使其生物活性或毒性均降低或消失，但有些物质经肝脏生物转化后其毒性反而增强，许多致癌物质通过代谢转化才显示出致癌作用，如3，4-苯并芘的致癌。因而不能将肝脏的生物转化作用一概称为解毒作用。

肝脏是生物转化作用的主要器官，在肝细胞微粒体、胞液、线粒体等部位均存在有关生物转化的酶类。其它组织如肾、胃肠道、肺、皮肤及胎盘等也可进行一定的生物转化，但以肝脏最为重要，其生物转化功能最强。

生物转化所包括的许多化学反应可归纳为两相。

第一相反应：氧化、还原、水解反应；第二相反应：结合反应。

生物转化反应具有反应的连续性、多样性、解毒和致毒的双重性。

一氧化反应

1微粒体依赖P450的加氧酶系

存在于微粒体内依赖细胞色素P450的加单氧酶，该酶又称混合功能氧化酶mixedfunctionoxidase），催化许多脂溶性物质从分子氧中接受一个氧原子，生成羟基化合物或环氧化合物。

加单氧酶系催化的基本反应如下：

加单氧酶的氧化作用：

1）增加药物或毒物的水溶性，有利于排泄。

2）羟化作用：维生素D3经羟化转变成活性维生素D3，类固醇激素和胆汁酸的合成过程需等。3）有些致癌物质经氧化后丧失其活性，而有些本来无活性的物质经氧化后生成有毒或致癌物质。例如多环芳烃经加单氧酶作用生成的环氧化合物是致癌物质，需进一步的生物转化。

2线粒体单胺氧化酶系

存在于线粒体的单胺氧化酶（monoainneoxisase，MAO），它是黄素酶类，可催化组胺，酪胺、色胺、尸胺和腐胺等胺类氧化脱氨基生成相应的醛，后者进一步氧化成酸。

3醇脱氢酶与醛脱氢酶

肝细胞内含有非常丰富的醇脱氢酶alcoholdehydrogenaseADH），可分别催化醇类氧化为醛，醛生成酸。

人摄入吸收后的乙醇90-98%在肝代谢。大量饮酒除经ADH氧化外，当血乙醇浓度很高时，可诱导乙醇氧化系统（microSomalethauoloxidigingSystemMEOS），此酶是乙醇P450加单氧酶，其催化产物是乙醛。乙醛对人体是有毒物质。乙醇的持续摄入或慢性中毒，对肝细胞的损害，多见于肝细胞分区的三带。

百浪多息是无活性的药物前体，经还原生成具有抗菌活性的氨苯磺胺。

（三）水解反应

肝细胞的胞液与微粒体中具有多种水解酶类，如脂酶、酰胺酶及糖苷酶等，可将脂类、酰胺类和糖苷化合物水解以减低消除其生物活性，这些水解产物还需进一步反应，以利排出体外。如已酰水杨酸在代谢过程中先发生水解反应，然后是结合反应。

（四结合反应

第二相反应是结合反应（conjugationreaction）含有羟基、羧基或氨基的药物、毒物等非营养物可与肝内某种极性强的物质如葡萄糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽等发生结合反应。葡萄糖醛酸、硫酸结合反应最为重要，葡萄糖醛酸的结合反应最为普遍。

1葡萄糖醛酸的结合反应

（UDP-glucuronyltransferasesUGT），它以尿苷二磷酸a-葡萄糖醛酸uridinediphosphateglucuronicacidUDPGA）为供体催化葡萄糖醛酸基转移到含多种极性基团的化合物分子。例如：临床上用葡萄糖醛酸类制剂如肝泰乐治疗肝病，其原理即增强肝脏的生物转化功能。

硫酸结合反应

以3′－磷酸腺苷5′－磷酸硫酸PAPS）为活性硫酸供体，在肝细胞胞液中有硫酸转移酶，能催化将PAPS中的硫酸根转移到多种醇、酚或芳香族胺类分子上，生成硫酸酯。例如，雌酮在肝内与硫酸结合而失活。 3酰基化反应

异烟肼乙酰化肝细胞胞液中含有已酰基转移酶，由乙酰CoA作乙酰基供体，与芳香族胺类化合物结合生成相应的乙酰化衍生物。例如，抗结核药异烟肼在肝脏经乙酰化而失去作用。此外，大部分磺胺类药物在肝内也通过这种形式灭活。

4谷胱甘肽结合反应

谷胱甘肽在肝细胞胞液丰富的谷胱甘肽S转移酶（glutathiones-transferase）催化下，谷胱甘肽可与许多硫代化合物和环氧化合物结合，生成含GSH的结合产物，主要随肝胆汁排出体外。 5甘氨酸结合反应

甘氨酸在肝细胞线粒体酰基转移酶的催化下可与含羧基的外来化合物结合。例如：胆酸和脱氧胆酸可与甘氨酸或牛磺酸结合，生成结合胆汁酸。

6甲基结合反应

在肝细胞液及微粒体中转甲基酶的催化下，通过甲基化灭活S腺苷蛋氨酸SAM）是甲基供体。例如，尼克酰胺可甲基化生成N甲基尼克酰胺。

1、年龄对生物转化的影响

新生儿生物转化酶发育不完善，对药物及毒物的耐受性较差；老年人因器官逐步退化，肝代谢药物的酶不易被诱导，对药物耐受性下降，服药后可出现中毒症状。

2肝脏功能

肝功能低下可影响肝的生物转化功能，使药物或毒物的灭活速度下降，对肝病病人用药应慎重。

3长期用药可诱导相关酶的生成

某些药物或毒物可诱导转化酶的合成，使肝脏的生物转化能力增强，称为药物代谢酶的诱导。

例如，长期服用苯巴比妥，可诱导肝微粒体加单氧酶系的合成，从而使机体对苯巴比妥类催眠药产生耐药性。苯巴比妥还可诱导肝微粒体UDP－葡萄糖醛酸转移酶的合成，故临床上用来治疗新生儿黄疸。由于多种物质在体内转化代谢常由同一酶系催化，同时服用几种药物时，可发生药物之间对酶的竞争性抑制作用，影响其生物转化。临床用药时应加以注意，如保泰松可抑制双香豆素的代谢，从而增强双香豆素的抗凝作用，甚至引起出血。

胆汁bile）是肝细胞分泌的一种液体，通过胆管系统进入十二指肠。生成胆汁是肝的基本功能之一。正常人平均每天分泌胆汁300-700ml。肝胆汁hepaticbile）是从肝分泌的，肝胆汁进入胆囊后形成胆囊胆汁

胆汁酸是胆汁的主要成分，胆汁中还含有许多酶类。除胆汁酸盐和某些酶类与消化作用有关外，其它成分多属排泄物。

（一）胆汁酸的分类

按胆汁酸结构可分为：

游离型胆汁酸（freebileacid）：

胆酸cholicacid）；脱氧胆酸deoxycholicacid）；鹅脱氧胆酸chenodeoxycholicacid）；石胆酸lithochalicacid）。

结合型胆汁酸：游离胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合的产物。

甘氨胆酸；甘氨鹅脱氧胆酸；牛磺胆酸；牛磺鹅脱氧胆酸等。

按胆汁酸来源进行分类：

初级胆汁酸：肝细胞内以胆固醇为原料直接合成的胆汁酸。包括胆酸和鹅脱氧胆酸及其与甘氨酸和牛磺酸的结合产物。次级胆汁酸：初级胆汁酸在肠道中受细菌作用，进行7－α脱羟作用生成的胆汁酸，包括脱氧胆酸和石胆酸。

胆酸和鹅脱氧胆酸都是含24个碳原子的胆烷酸衍生物。两者结构上的差别只是含羟基数不同，胆酸含有3个羟基3α、7α、12α，而鹅脱氧胆酸含2个羟基3α、7α。次级胆汁酸脱氧胆酸和石胆酸结构特点是C－7位上无羟基。

人胆汁中胆汁酸以结合型为主，甘氨胆汁酸、牛磺胆汁酸含量之比为3：1。胆汁中的初级胆汁酸与次极胆汁酸均以钠盐或钾盐的形式存在，即胆汁酸盐，简称胆盐（bilesalts）

（二）胆汁酸的代谢

1初级胆汁酸的生成与调节

⑴生成肝细胞以胆固醇为原料合成初级胆汁酸，这是肝清除胆固醇的主要形式。催化各类反应的酶类主要分布于线粒体和胞液。胆固醇首先在7a-羟化酶的催化下生成7a-羟胆固醇，后者向胆汁酸的转化归纳起来主要包括胆固醇的还原、羟化、侧链的断裂和加辅酶A等多部酶促反应，最后生成含有24碳的初级胆汁酸以及和甘氨酸、牛磺酸结合成的结合胆汁酸。⑵调节胆固醇7a-羟化酶是胆汁酸合成的限速酶，而HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的关键酶，两者同时受胆汁酸与胆固醇的调节。

1）高胆固醇饮食在抑制HMG-CoA还原酶的同时增加胆固醇7a-羟化酶共同表达，从而提高此酶活性。

2）糖皮质激素、生长激素可以提高胆固醇7a-羟化酶的活性。3）甲状腺素可使该酶的RNA合成迅速增加，降低血浆胆固醇。

2次级胆汁酸的生成与肠肝循环

随胆汁流入肠腔的初级胆汁酸在协助脂类物质消化吸收后，在回肠中段及结肠上段受肠道细菌作用，一部分被水解、脱去7α羟基，形成次级胆汁酸，即胆酸转变成脱氧胆酸；鹅脱氧胆酸转变为石胆酸，并可产生少量熊脱氧胆酸，它和鹅脱氧胆酸均具有溶解胆结石的作用。

排入肠道中的各种胆汁酸平均有95%被肠壁重吸收，其中以回肠部对结合型胆汁酸的主动重吸收为主，其余在肠道各部被动重吸收的胆汁酸经门静脉进入肝，被肝细胞摄取，在肝细胞内游离胆汁酸被重新合成为结合胆汁酸，与新合成的结合胆汁酸一同再随胆汁排入小肠，这样形成了胆汁酸的"肠肝循环"enterohepaticcirculationofbileacid）

●胆汁酸的肠肝循环正常人体内胆汁酸池不过3-5g，而体内每天约进行6-12次肠肝循环，经此从肠道可吸收胆汁酸总量可达12-32g，这样肠肝循环可补充肝合成胆汁酸能力的不足和人体对胆汁酸的生理需要，使胆汁酸重复利用，促进脂类的消化和吸收。

1、促进脂类的消化与吸收

胆汁酸分子内既含有亲水性的羟基及羧基或磺酸基，又含有疏水性烃核和甲基。轻水基团均为a型。所以胆汁酸的立体构型具有亲水和疏水两个侧面能降低油/水两相之间的表面张力。胆汁酸是较强的乳化剂，能使脂类乳化为3-10mm直径的细小微团，既有利于消化酶的作用，又有利于吸收。

2抑制胆汁中胆固醇的析出

胆汁中胆固醇的溶解度与胆汁酸盐，卵磷脂与胆固醇的相对比例有关。如胆汁酸及卵磷脂与胆固醇比值降低小于10：1，易引起胆固醇析出沉淀，形成胆石。

胆色素bilepigment）是含铁卟啉化合物在体内分解代谢的产物，包括胆红素、胆绿素、胆素原和胆素等化合物。其中，除胆素原族化合物无色外，其余均有一定颜色，故统称胆色素。

胆红素是人胆汁中的主要色素，呈橙黄色，胆红素升高可引起皮肤粘膜黄染，称黄疸。胆红素对大脑有毒害作用。近年又发现胆红素具有抗氧化剂功能，肝是胆红素代谢的主要器官。

体内铁卟啉化合物包括血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、过氧化物酶及过氧化氢酶等。正常人每日可产生250～350mg胆红素，其中70%以上来自衰老的红细胞破坏释放的血红蛋白。其它主要来自含铁卟啉酶类。

正常红细胞的寿命为120天，衰老红细胞在肝、脾、骨髓的单核-吞噬细胞系统破坏释放出血红蛋白。正常人每小时有1～2x108个红细胞破坏，约释放6g血红蛋白。

胆红素在单核-吞噬细胞系统细胞（主要是肝和脾的星形细胞）微粒体有非常活跃的血红素加氧酶，在分子O2和NADPH存在下，血红素加氧酶将血红素铁卟啉环上的a-炔基（-CH=）氧化断裂，释放CO并将两端的吡咯环羟化形成胆绿素，后者在还原酶催化下生成胆红素。

胆红素分子中的亲水基团能形成6个分子内氢键，使胆红素形成稳定的构象，使之成为非极性的脂溶性物质。胆红素毒性大，当胆红素有先天性代谢缺陷时，胆红素可透过细胞膜与基底核的脂类结合可干扰脑的正常功能，称胆红素脑病或核黄疸，可引起患儿的智力障碍。

吞噬细胞系统生成的胆红素难溶于水，但与血浆清蛋白有极高的亲和力。当进入血液主要与清蛋白结合而运输。胆红素-清蛋白是胆红素的运输形式。正常人血浆胆红素浓度仅为02-0、9mg/dL。 胆红素-A紧密结合增加了胆红素的水溶性有利于运输，并限制了胆红素自由通过细胞膜而对组织细胞产生毒性作用。胆红素与清蛋白结合力的亲和能力可受到一些因素影响：

血清中清蛋白含量许多外来药物，如磺胺类药物、镇痛剂、抗炎药及一些食品（添加剂等）可通过竞争胆红素结合部位或改变清蛋白构象，干扰胆红素与清蛋白的结合。因此，临床上对新生儿或有黄疸倾向的人，应用上述药物应慎重。

1、肝细胞对胆红素的摄取

胆红素进入肝细胞主要与肝胞浆中两种载体蛋白-Y蛋白和Z蛋白相结合形成复合物并运送至内质网。Y蛋白是主要的载体蛋白与胆红素亲和力比Z蛋白强，它们结合胆红素的能力也受到一些有机离子的影响。

2胆红素在肝中结合

胆红素-Y蛋白复合物被转运至滑面内质网。在葡萄糖醛酸基转移酶的催化下，胆红素接受来自UDP-葡萄糖醛酸的葡萄糖醛酸基，可主要生成双葡萄糖醛酸-胆红素和少量单葡萄糖醛酸-胆红素，尚有少量胆红素与硫酸结合生成硫酸脂。葡萄糖醛酸-胆红素称为结合胆红素（肝胆红素）。此时由于胆红素分子内的6个氢键被破坏，因此结合胆红素水溶性强易随胆汁排出。

血浆中的胆红素通过肝细胞膜特异受体，肝细胞浆内载体蛋白和内质网的葡萄糖醛酸基转移酶的结合作用，不断的被肝细胞摄取、结合、转化与排泄，从而不断的得以清除。

胆素原与胆素的生成反应葡萄糖醛酸胆红素随胆汁进入肠道，在肠道细菌作用下，大部分脱去葡萄糖醛酸基并逐步还原生成无色的胆素原族化合物即中胆素原、粪胆素原及尿胆素原，后三者合称胆素。胆素呈黄褐色，是粪便的主要色素。正常人每日排出总量为40-280mg。肠道完全梗阻时，因胆红素不能排入肠道形成胆素原和胆素，所以粪便呈灰白色。

肠道中约10-20%的胆素原可被肠粘膜细胞重吸收，经门静脉入肝。其中大部分再随胆汁排入肠道，形成胆素原的肠肝循环。

只有少量胆素原可进入体循环，通过肾并随尿排出。胆素原接触空气可被氧化成尿胆素，后者是尿的主要色素。

五、血清胆红素与黄疸

●正常人体中胆红素主要以两种方式存在

结合胆红素经肝细胞内质网转化生成的葡萄糖醛酸胆红素。

游离胆红素：来自单核-吞噬系统中红细胞破坏产生的胆红素，在血浆中主要与清蛋白结合而运输，其侧链上的羧基为自由羧基者。

血液中未结合胆红素由于胆红素分子内氢键的形成与一种重氮试剂反应时需加入乙醇后才表现出紫红色反应，所以称间接反应胆红素或血胆红素。结合胆红素可与重氮试剂作用迅速产生颜色反应，故称为直接胆红素或肝胆红素。

正常时血浆胆红素含量甚微，其中4/5是与清蛋白结合的游离胆红素，其余的为结合胆红素。胆红素是重要的脂溶性物质，对脂类的亲合力极高，易通过细胞与脂类结合严重影响神经系统的功能。

凡是体内胆红素生成过多或肝摄取、转化、排泄过程发生障碍等因素均可引起血浆胆红素浓度升高造成高胆红素血症。胆红素是金黄色物质，当血清中浓度高时，可扩散入组织，造成组织黄染，称为黄疸。血清胆红素不超过2mg/dL时肉眼看不出巩膜与皮肤黄染，这称隐性黄疸，超过2mg/dL肉眼可见组织黄染。

（一）溶血性黄疸

溶血性黄疸也称肝前性黄疸，是由于红细胞破坏过多，超过肝细胞的处理能力造成游离胆红素浓度的升高。

（二）肝细胞性黄疸

肝细胞性黄疸也称肝原性黄疸，是由于肝细胞破坏肝功能障碍时对胆红素摄取、转化、排泄的能力降低所致。

（三）阻塞性黄疸

阻塞性黄疸也称肝后性黄疸，可由各种原因引起的胆汁排出通道受阻，使胆小管或毛细胆管压力增高而破裂，致使结合胆红素逆流入血造成血清胆红素升高。

脂溶性维生素包括维生素A、D、E、K，其中以维生素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，至于维生素K，因肠道细菌可以合成它，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metabolicantagonists）所致。

1、化学特点

由β-白芷酮环和两分子2-甲基丁二烯构成的不饱和一元醇。维生素A（A1），存在于哺乳动物和咸水鱼肝脏中。在淡水鱼肝油中发现的A2，其生理效用仅及A1的40%。维生素A2在β-白芷酮环上比A1多一个双键。

维生素A的侧链含有4个双链，故可形成多种顺反异构体，其中较重要的有全反型AⅡ-trans）和Ⅱ-顺型（11-cis。视黄醇在体内可被氧化成视黄醛retinal），此反应是可逆的。视黄醛进一部被氧化则成视黄酸retinoicacid），但此反应在体内是不可逆的。

维生素A存在于动物性食品肝、蛋、肉中，在很多植物性食品如胡萝卜、红辣椒、菠菜、芥菜等有色蔬菜中也含有具有维生素A效能的物质，例如各种类胡萝卜素carotenoid），其中最重要者为β-胡萝卜素β-carotene）。

β-胡萝卜素可被小肠粘膜或肝脏中的加氧酶β-胡萝卜素-15，15′-加氧酶作用转变成为视黄醇，所以又称做维生素A元provitaminA）。

2生化作用及缺乏症

生理作用：

1）构成视网膜的感光物质

维生素A的缺乏主要影响暗视觉，与暗视觉有关的是视网膜杆状细胞中所含的视紫红质visualpurple）。当视紫红质感光时，视色素中的11—顺视黄醛在光异构作用下转变成全反视黄醛，并与视蛋白分离而失色，这一光异构变化的同时可引起杆状细胞膜的Ca2+离子通道开放，Ca2+迅速流入细胞并激发神经冲动经传导到大脑后产生视觉。视网膜内经上述过程产生的视黄醛，虽少部分可经异构酶作用缓慢地重新异化成为11—顺视黄醛，但大部分被还原成全反视黄醇，经血流至肝变成11—顺视黄醇，合成视色素。

在维生素A缺乏时，必然引起11—顺视黄醛的补充不足，视紫红质合成减少，对弱光敏感性降低，日光适应熊力减弱，严重时会发生夜盲症。

2）维持上皮结构的完整与健全

缺乏时上皮干燥、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xerophthalmia），所以维生素A又称为抗干眼病维生素。皮脂腺及汗腺角化时，皮肤干燥，毛囊周围角化过度，发生毛囊丘疹与毛发脱落。由于上皮组织的不健全，机体抵抗微生物侵袭的能力降低，容易感染疾病。

3）促进生长、发育

缺乏时，儿童可出现生长停顿、骨骼成长不良和发育受阻。在缺乏维生素A的雌性大鼠则出现排卵减少，影响生殖。

近年来的研究表明，维生素A视黄醇及其衍生物视黄酸可影响上皮细胞的分化过程。维生素A具有类固醇激素样的作用，通过与细胞内受体结合，形成复合物转位于细胞核内，启动某种基因的转录和促进某种蛋白质的合成。视黄酸还有促进胚胎的正常发育和分化以及对抗促癌剂的作用。维生素A可促进糖蛋白的合成，特别是作为细胞表面受体的糖蛋白和纤维粘连蛋白的合成。癌变细胞其表面因缺乏纤维粘连蛋白而丧失正常粘附能力，此缺陷可被维生素A所逆转。维生素A还使细胞表面上的EGF受体数目增加，通过促进EGF与细胞的结合而促进生长。

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，最丰富的来源是酵母和肝脏；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；③同其他维生素比较，B族维生素作为酶的辅基而发挥其调节物质代谢作用，了解得更为清楚；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。

一化学本质及性质

硫胺素即维生素B1因其结构中有含S的噻唑环与含氨基的嘧啶环故名，其纯品大多以盐酸盐或硫酸盐的形式存在。盐酸硫胺素为白色结晶，有特殊香味，在水中溶解度较大，在碱性溶液中加热极易分解破坏，而在酸性溶液中虽加热到120℃也不被破坏。氧化剂及还原剂均可使其失去作用，硫胺素经氧化后转变为脱氢硫胺素又称硫色素thiochrome，它在紫外光下呈兰色荧光，可以利用此特性来检测生物组织中的维生素B1或进行定量测定。

（二）生化作用及缺乏症

维生素B1易被小肠吸收，在肝脏中磷酸化成为焦磷酸硫胺素TPP，又称辅羧酶，它是体内催化a-酮酸氧化脱羧的辅酶，也是磷酸戊糖循环中转酮基酶的辅酶。当维生素B1缺乏时，由于TPP合成不足，丙酮酸的氧化脱羧发生障碍，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，出现手足麻木、四肢无力等多发性周围神经炎的症状。严重者引起心跳加快、心脏扩大和心力衰竭，临床上称为脚气病beriberi），因此又称维生素B1为抗脚气病维生素。

维生素B1尚有抑制胆碱酯酶cholineesterase）的作用，胆碱酯酶能催化神经递质－乙酰胆碱acetylcholine）水解，而乙酰胆碱与神经传导有关。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。

一化学本质及性质

维生素B2是由核醇ribitol）与异咯嗪isoalloxazine）结合构成的，由于异咯嗪是一种黄色色素，所以维生素B2又称为核黄素。维生素B2为桔黄色针状结晶，溶于水呈绿色荧光，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。

维生素B2分子中的异咯嗪，其第1和第10位氮原子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。

（二）生化作用及缺乏症

核黄素在体内经磷酸化作用可生成黄素单核苷酸FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD），它们分别构成各种黄酶的辅酶参与体内生物氧化过程，其结构式和作用特点详见第6章。

维生素B2缺乏时，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。

一化学本质及性质

维生素PP即抗癞皮病因子，又名预防癞皮病因子pellagrapreventingfactor）它包括尼克酸烟酸和尼克酰胺烟酰胺，均为吡啶衍生物。

尼克酸和尼克酰胺的性质都较稳定，不易被酸、碱及热破坏。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。由色氨酸转变为维生素PP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，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pellagra）。若将各种杂糖合理搭配，可防止此病的发生。

（二）生化作用及缺乏症

尼克酰胺是构成辅酶ⅠNAD+）和辅酶ⅡNADP+）的成分，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递氢体的作用。

维生素PP缺乏时，主要表现为癞皮病，其特征是体表暴露部分出现对称性皮炎，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。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。

一化学本质及性质 维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛和吡哆胺三种化合物，在体内它们可以相互转变。

（二）生化作用及缺乏症

在机体组织内维生素B6多以其磷酸酯的形式存在，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。

动物缺乏维生素B6亦可发生与癞皮病类似的皮肤炎。在人类尚未发现单纯的维生素B6缺乏症。

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。

一化学本质及性质

泛酸系由β-丙氨酸与羟基丁酸结合而构成，因其广泛存在于动植物组织故名泛酸或遍多酸。

（二）生化作用及缺乏症

泛酸在机体组织内是与巯基乙胺、焦磷酸及3′-磷酸腺苷结合成为辅酶A而起作用的。辅酶A的结构如下，因其活性基为-SH故常用CoA-SH表示之。

一化学本质及性质

生物素为无色针状结晶，耐酸而不耐碱。结构包括含硫的噻吩环、尿素及戊酸三部分

（二）生化作用及缺乏症

生物素是体内多种羧化酶的辅酶，如丙酮酸羧化酶等，参与羧化反应。

一化学本质及性质

四氢叶酸叶酸由蝶酸pteroicacid）和谷氨酸结合构成，在植物绿叶中含量丰富故名。在动物组织中以肝脏含叶酸最丰富。

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。若缺乏此种消化酶则可因吸收障碍而致叶酸缺乏。

（二）生化作用及缺乏症

叶酸在体内必须转变成四氢叶酸FH4或THFA才有生理活性。小肠粘膜、肝及骨髓等组织含有叶酸还原酶，在NADPH和维生素C的参与下，可催化此种转变。

四氢叶酸是一碳基团转移酶系统的辅酶。在体内嘌呤和嘧啶的合成上起重要作用。例如N5，N10-甲炔四氢叶酸N5，N0=CHFH4和N10-甲酰四氢叶酸N10-CHO·FH4）可参与嘌呤核苷酸的合成，其中甲炔基=CH-）和甲酰基-CHO）分别成为嘌呤碱中第8位和第2位上两个碳原子的来源。在尿嘧啶脱氧核苷酸d-UMP）转变成胸腺嘧啶脱氧核苷酸d-TMP）的过程中，N5，N10-甲烯四氢叶酸N5，N10-CH2-FH4可供给甲烯基-CH2-）而形成胸腺嘧啶中的甲基。

当体内缺乏叶酸时，胸腺嘧啶核苷酸的合成减少，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。幼红细胞可因分裂障碍而使细胞增大，形成巨幼红细胞。叶酸缺乏引起的贫血属于巨幼细胞性大红细胞性贫血megaloblasticmacrocyticanemia）。

人类肠道细菌能合成叶酸，故一般不发生缺乏症，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。叶酸拮抗药种类很多，其中氨蝶呤aminopterin）及氨甲蝶呤methotrexateMTX）在结构上与叶酸相似，都是叶酸还原酶的强抑制剂，常用作抗癌药。

一化学本质及性质

因其分子中含有金属钴和许多酰氨基，故又称为钴胺素。

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、甲基钴胺和5′－脱氧腺苷钴胺，后者又称为辅酶B12。其实，甲基钴胺也是维生素B12的辅酶形式。维生素B12的两种辅酶形式一一甲基钴胺和5′－脱氧腺苷钴胺在代谢中的作用各不相同。

（二）生化作用及缺乏症

甲基钴胺CH3·B12）参与体内甲基移换反应和叶酸代谢，是N5－甲基四氢叶酶甲基移换酶的辅酶。此酶催化N5-CH3·FH4和同型半胱氨酸之间不可逆的甲基移换反应，产生四氢叶酸和蛋氨酸。

N5-CH3-FH3来源于N5，N10-CH2-FH4的还原，该反应在体内也是不可逆的。由dUMP甲基化生成dTMP时，只能利用N5，N10-CH2-FH4供给甲基，而不能利用N5-CH3·FH4。因此，必须通过上述甲基移换反应使FH4"再生"，从而保证dTMP的不断合成。

由于甲基钴胺的作用是促进叶酸的周转利用，以利于胸腺嘧啶脱氧核苷酸和DNA的合成，维生素B12缺乏所引起的贫血，同缺乏叶酸一样，也是巨幼细胞性大红细胞贫血。

上述以CH3·B12作辅酶的甲基移换反应不仅促进FH4的再利用，而且还促进蛋氨酸的再利用。

5′－脱氧腺苷钴胺5′－dA·B12是甲基丙二酰辅酶A变位酶的辅酶，参与体内丙酸的代谢。当维生素B12缺乏时，将导致甲基丙二酰COA和丙酰COA的堆积，引起甲基丙二酰COA水解，产生甲基丙二酸由尿排出。患者脑脊液中甲基丙二酸的浓度大于血浆中浓度，表明代谢障碍主要发生在神经组织。同位素示踪实验发现，堆积的丙酰CoA掺入到病变的神经髓鞘，构成异常的奇数碳脂肪酸15C和17C，这可能与神经髓鞘的退行性变有关。所以维生素B12缺乏患者除了造血系统的症状与叶酸缺乏相似外，尚有其独特的神经症状。

1、化学本质及性质

维生素C又名抗坏血酸ascorbicacid），它是含有内脂结构的多元醇类，其特点是具有可解离出H+的烯醇式羟基，因而其水溶液有较强的酸性。维生素C可脱氢而被氧化，有很强的还原性，氧化型维生素C脱氢抗坏血酸dehydroascorbicacid还可接受氢而被还原。

维生素C含有不对称碳原子，具有光学异构体，自然界存在的、有生理活性的是L－型抗坏血酸。

维生素C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Cu++、Fe+++等存在时，更易被氧化分解；加热或受光照射也可使维生素C分解。此外，植物组织中尚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。

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。维生素C在体内分解可以产生草酸和苏阿糖酸threonicacid）。

（二）生化作用及缺乏症

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。

1参与体内的羟化反应

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。

1）胶元的合成

当胶元collancg）合成时，多肽链中的脯氨酸Pro）和赖氨酸Lys）残基需要分别被羟化成为羟脯氨酸和羟赖氨酸残基。维生素C是此种羟化反应必需的辅助因素之一，因为在羟化反应中，不仅需要相应的羟化酶，而且还需要O2、Fe++和a-酮戊二酸等，维生素C有助于维持Fe++的还原状态，并能激活羟化酶。

当维生素C缺乏时，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scurvy）。

2）类固醇的羟化

正常情况下，体内胆固醇约有80%转变为胆酸后排出，在胆固醇转变为胆酸前，需先将环状部分羟化7α羟化作用，参看胆固醇代谢，而后侧链断裂，最终生成胆酸，缺乏维生素C则此种羟化过程受阻，胆固醇转变成胆酸的作用下降，肝中胆固醇堆积，而血中胆固醇浓度增高。因此，临床上用大量维生素C可降低血中胆固醇，其机理可能在于维生素C促进胆固醇向胆酸转变。

此外，肾上腺皮质激素合成加强时，皮质中维生素C含量显著下降，这可能是皮质激素合成过程中某些羟化步骤需消耗维生素C。

3）芳香族氨基酸的羟化

苯丙氨酸Phe）羟化为酪氨酸Tyr），酪氨酸转变为儿茶酚胺catecholamine）或分解为尿黑酸等过程中许多羟化步骤均需有维生素C的参加。又如色氨酸Trp）转变为5－羟色胺5－HT时也需要维生素C参看氨基酸代谢和神经组织生化等章节，儿茶酚胺和5－羟色胺都是重要的神经递质，它们在调节神经活动方面有重要作用。

4）有机药物或毒物的羟化

药物或毒物在内质网上的羟化过程，是重要的生物转化反应，缺乏维生素C时，此种羟化反应明显下降，药物或毒物的代谢显著减慢，给予维生素C后，催化此类羟化反应的酶系活性升高，促进药物或毒物的代谢转变，因而有增强解毒的作用参看肝脏生化一章中生物转化作用。

2还原作用

1）保护巯基和使巯基再生

能使酶分子中－SH保持在还原状态，氧化型的谷光甘肽G－S－S－G还原为还原型的谷胱甘肽G－SH，使－SH得以再生，从而保证谷胱甘肽的功能。例如不饱和脂酸易被氧化成脂性过氧化物，后者可使各种细胞膜，尤其是溶酶体膜破裂，释放出各种水解酶类，致使组织自溶，造成严重后果，还原型谷胱甘肽在谷胱甘肽过氧化酶的催化下可使脂性过氧化物还原，从而消除其对组织细胞的破坏作用，而G－SH便氧化成G－S－S－G，在谷胱甘肽还原酶催化下，维生素C也可使G－S－S－G还原成G－SH，从而使后者不断得到补充。

2）促进铁的吸收和利用

使难吸收的Fe+++还原成易吸收的Fe++，促进铁的吸收，它还能促使体内的Fe+++还原，有利于血红素的合成。此外，维生素C还有直接还原高铁血红蛋白MHb）的作用。

3）促进叶酸转变为四氢叶酸见前

维生素C对缺铁性贫血和巨幼细胞性贫血的治疗都可起辅助作用。

4）抗体的生成

抗体分子中含有相当数量的双S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。

分子生物学实验技术主要包括基因重组技术、分子杂交与印迹技术、PCR技术、核酸序列分析、基因转移与基因敲除、基因表达研究技术、生物芯片等技术。常用的酶是限制性核酸内切酶、逆转录酶、DNA聚合酶和连接酶。

⑴分子杂交技术的原理主要涉及分子杂交特性、印迹技术，探针技术印迹技术定义为，将在凝胶中分离的生物大分子转移印迹或直接放在固定化介质上并加以检测分析的技术。包括DNA印迹技术Southernblotting）、RNA印迹技术Nonthernblotting）、蛋白质印迹技术Westernblotting）。

⑵探针：是指用放射性核素或其他化合物标记的核酸片段，它具有特定的序列，能够与待测的核酸片段互补结合，因此可以用于检测核酸样品中的特定基因。可以在体外将微量目的DNA片段扩增一百万倍以上。它的基本工作原理是以DNA分子为模板，以一对与模板序列相互补的寡核苷酸片段为引物，在DNA聚合酶的作用下，完成新的DNA合成，重复这一过程，使目的DNA片段得到扩增。PCR的基本反应步骤包括变性、复性和延伸。PCR技术主要用于目的基因的克隆、基因的体外突变DNA和RNA的微量分析、DNA序列测定和基因突变分析。

⑶PCR技术：可以在体外将微量目的DNA片段扩增一百万倍以上。它的基本工作原理是以DNA分子为模板，以一对与模板序列相互补的寡核苷酸片段为引物，在DNA聚合酶的作用下，完成新的DNA合成，重复这一过程，使目的DNA片段得到扩增。PCR的基本反应步骤包括变性、复性和延伸。PCR技术主要用于目的基因的克隆、基因的体外突变DNA和RNA的微量分析、DNA序列测定和基因突变分析。