试用 教材 业 Ce RE 等 学 (工业 发 酵 专 业 用 ) ey ay 7 上 as fais pie J] a FI a * % —(¢ 高 等 学 校 轻 工 专业 试用 教材 生物 .化 (工业 发 酵 专业 用 ) 大 连 轻工业 学 院 ”主编 学 Ac uk £m # 中 科 院 植物 所 图 书 MOM wii “3s 人 AS 提 要 ea Sew eta ns arence ARAM, Me, aaa *, BRAS Ee 概论 、 生 物 氧化 、 糖 类 代谢 、 脂 类 代谢 、 烃 类 代谢 '` 氨 基 核 昔 酸 代谢 七 章 。 第 三 篇 为 遗传 的 分 子 基础 及 代谢 的 调节 分 为 遗传 的 分 子 基础 及 代谢 的 调节 控制 二 章 。 本 教材 为 工 专业 生物 化 学 课程 教科 书 , 也 可 供 有 关 科 研 人 员 、 工厂 技术 人 iv 及 高 等 院 校 有 关 专业 师 生 参考 。 高 等 学 校 轻 工 专业 试用 教材 生 物 化 学 (工业 发 酵 专业 用 ) ae , ATER ER . TY 北京 印刷 一 厂 印 刷 新 华 书店 北京 发 行 所 发 行 各 地 新 华 书店 经 售 a > 850% 1168 毫米 1/32 印张 ，1652。 MTs 2 2 字数 ，405 te be ae phi ; 1980 年 11 月 第 一 版 第 一 次 印 剧 eee, 印 数 ， 1 一 13,000 wht: 2.15 7 Re 统一 书号 ; 15042。1557 7) 2a VES Bae) —_ Ad |e Lo eee | 4 eS . 7. ya a ee oe SS us > suena see bes Donk Saleh MDE eis Ch SR US ane he Mere nee Ts a er ce Saree cies hl eT ee aa gh te! SET ee oS ape > ito : Ce ale, et 7 ot 2 2 th ae Z ER >. } a ae th Bi esac. 绪 言 、 氨 基 酸 代谢 由 严复 编号， 蛋白质、 本 由 彭 志 英 编 号 ， 酶 、 BACT AS; BARE. 脂 类 代谢 由 陈 «BRS, RNC. PRIMARIES, AER EG BT, ATM KMS TA ail een KIER LER ES, PRE TA. | AB BET RES WE RCE A, WT A 人 员 、 工 厂 技术 人 员 和 高 等 院 校 有 关 专 业 师 生 人 参考 。 cs oranrsccxennneesnne 六 和 保证 了 编写 工作 的 顺利 进行 。 轻 工业 部 食品 发 酵 研 究 所 、 沈 “ 阳 药 学 院 抗菌 素 专 业 、 上 海 化 工学 院 抗菌 素 专业 对 编写 工作 提供 TREE, RNR BI. < ”由 于 我 们 水 平 所 限 ， 编 写 中 难免 有 错误 、 缺 点 ， 请 读者 批评 编者 2 oie ad leg ls te lads Be a ll Se = ee a > . ; aot “ ; oa rei: 一 节 概述 和 pp < ; oe mS ; Sa ae G7) ee 4 4 第 二 节 SS Wig ed Fe SSH Ia nate eae reek aie eo aan FG eames EW rH Lit nn sos eckas Mo nnaeevsnnsacetveades ovavddeeasog 6 7 7 Sn BERNDT Besser eneetee eect nnnetenstieesnsenees Bia B= SAT OPA A RR ee =, FAR RE WYSE HIE Beene ee te eee ete eeee ee eeeeneeeeeeee =. Be se ee SN 5: cE | A a | en al aa eames, ; eS ee | AY paaee FE £7 SAT HY ZS |B] 2E fp ceeceececeeeeeceececcecsereescerenceesersenee DQ “第 五 节 “蛋白 质 的 理化 性 质 -34 ae 0 gears FE 6 VA WY BPE PE RH, Bence eeeeeeeeeeeeneeceeeeeeeeee37 a 人 | es alesah st mm = NS Oe PP Oe | RECA | > SEY ee Fee ‘ . a ‘ ge 一 、 酶 的 化 学 本 质 .……: 本 于 et See 0 Se 0 0 Na 三 S 如 种 重要 的 辅酶 或 输 基 "ve 2 第 三 节 时 的 结构 及 共 与 全 化 功名 的 大 素 、 0 二 、 酶 的 活性 部 位 ee Ce 三 、 酶 的 构象 与 催化 功能 的 关系 … 和 0 “第 四 节 ，” 酶 的 催化 特性 PP 机 — BRAY TEAL, RR prc eecece ce eteseeenceeeserscenens ee 二 、 酶 的 催化 效率 …………" 本 seed ee 四 、 酶 催化 功能 的 转换 .pp opal eT) if ring ith teal 和 oe a ee a oe 2) Ae Cee 区 第 六 节 “ 酶 的 反应 动力 学 .pe 本 . ca . 一 ae ehauh cc eenee < 8 四 、 PE adil ee osc ee din 激活 剂 对 酶 促 作 用 的 影响 ee Toy PEL 对 酶 促 作 用 的 影响 pp # 7 me LURE AD BE TEE FAY 0 elec eee cere ee cere rece eeeeeweeeeeeeesneens a7 >} YY Ane —s ee TOL 48 | ee ih . 一 、 酶 的 命名 :pe oo “oan ~~ en a + A “OA. > ‘ a 的 > = 和 = ">* ee 2 ra By ee 二 、 酶 的 分 类 及 应 用 ee 96 ， 第 八 节 酶 在 细胞 内 的 分 布 seaeaeisa ease eeccesescescacoseccoceceses 101- Bas. IAG AE a ae oe a pe102 eae eter. 酶 的 抽 提 cceeeeeeeeeeeteeeeeeeeeeteeeeereetereeeeneeeeeetenens 102 pee 三 酶 竟 纯 化 ee 103 Fe ae 纯度 鉴定 pe 108 四 、 酶 的 保存 pp 让 109 o | 第 十 节 国 相 酶 与 模拟 酶 简介 pp 110 Y 一 、 固 相 酶 Cue vhwaskvncs acd babe yacavnpeel = Up éod chad de eewesune sway eOe 110 pay (0) 0: Meee 115 第 三 章 ”核酸 pe 117 3 第 一 节 概 说 coetseteeeeeceereeeeeeneeeeesceeceeeeeeneeeenscesseccess 117 第 二 节 ”核酸 的 化 学 组 成 ………………… 汪汪 相让 119 一 、 核 酸 的 化 学 组 成 pe cigarettes 119 Sy RR AAR nt ee 和 eo B= 核酸 的 分 子 结构 pp 129 - RANE ER HE BE XK (— EIN) veers 129 a =, DNA WW HEE (DNA 的 立体 结构 ) sseeseeeeseeees 131° ee Peo. RNA 的 立体 结构 一 ……………… 37 相 第 四 节 核酸 在 生物 体内 的 存在 方式 ……… 人 139 —. DNA 在 细胞 内 的 存在 方式 ppp 139 og Safe 1 st DNA AHI DNA 人 140 =, 细胞 中 的 PRI AS eaivevge cbs ceciams ces onde se nesaabenncdcnc us oes en 核酸 的 理化 性 质 ppp 141 oe 一 般 物 理性 质 cree eee eeeeeeeeeeee a ceacecscccecccvesevcccevees 141 ee TER 5 KAR YF SE UBL Revie cer eee ca¥ccdccrevencsevvesis ie 142 ‘ =< 紫外 吸收 性 质 人 这 全 让 aod ch'e (sede oanuleepind ceneneine 146 四 、 核 酸 的 变性 作用 pp 149 Tt. 核酸 的 显 色 反应 ov 150 3 ~ PE | tee er oe he . FT 村 4 - n 二 we > pe F +)" aA 去 节 ” 核 背 酸 及 其 衍生 物 。……. 2 “cat Ss —, ATP 与 ADP pe 0 =, H-BER PRE (181 HK CAMP) -+acneccerecdsoncorcensss seen ; 2. CR AER SIRE meen 第 四 章 新 陈 代谢 概论 Sabre erent. Aomeress woes ee -15¢ ae AR es roe) 新 陈 代 谢 概念 ptoasie sine date tub re “ae ee ; Me 第 二 节 ”微生物 新 陈 代 谢 的 特点 ………- eens ‘ren 461, | BHP :新 陈 代 谢 与 发 醇和 工业 .Te so Raaa wea 6: 第 四 六 研究 中 间 代谢 的 方法 ee 6: 、 试 验 材 料 处 理 。…………………… 本 二 、 代 谢 途 径 的 探讨 .………: 全“ 站 人 2 Eo LY) | Ae 0 ae 第 一 节 ” 概 说 …… senescent ae s 169 us EM RMA crereeeeteeeees = oneal aa 和 ahead 2 a A HE AAC HABE …… 本 Ee 、 生 物 氧 化 体系 …………， RAR, rere 0 11 . oa 生物 氧化 酶 类 ， gine saa ine nadie mine Bere ed te ere 三 、 生 物 氧化 体系 中 的 传递 体 rr 1 第 三 节 ”生物 氧化 过 程 中 能 量 的 转移 和 利用 ……… ae 一 、 氧 化 还 原 电 仓 及 自由 能 的 变化 2 2 A RARE : 18 三 、 线 粒 体 与 氧化 磷酸 化 的 关系 cece 8 第 六 章 “” 糖 类 代谢 ……… sive kates 0 9 et 4 第 一 节 要 说 eee eee eeeee CRORE REE EHH HEHEHE EHH EEE tata 2 é 0 i es Pe 第 二 节 “多 糖 的 分 解 ky» dapediee Sate 0 】 4 ee oo hd: eee eaeb ind aks ynpe rat 2 二 、 纤 维 素 和 纤维 素 酶 ee 199 lag 双 糖 的 分 解 pp 200 = 一、 FE BE AY AD FF 本 200 卫 麦芽 糖 的 分 解 人 gts ino kioe FES AEE oe 201 xi 葡萄 糖 的 降解 ar stteeeeesaeeeeees GPE EST 0 +203 、 葡 萄 糖 的 酵 解 TREE RD 了 203 二 、 丙 酮 酸 的 有 氧 降解 ………. 有 222 a . Bee 三 、 =. ZPRRO PRE 径 ee 途径 ) ee eo ee aeveeeeeeeeeeZQA() a DY, eS BRE IRR (ED 和 途径) 249 ee FL, BREE BIR BW LRA ppp 252 — FEE BRAUER on eee eec eee eec eee eceseeencuerseeseecseeens 254 、 果 糖 的 降解 人 700 D5A age =F FTE HY DE FR Sa: OAS oe oes iiss «chien Magee ieee eee a + cole 256 i. Ab BE RE hy EF pp 260 节 ”成 糖 的 降解 pe 261 — | D—-FPE AY BGR cere e cee ec ec erecec ccc ececerecnsesteneneeensones 261 二 、D- 核 糖 的 降解 pp 262 " = -阿拉伯 糖 的 降解 pp 263 四 、 皮 糖 乳 酸 发 酵 ……… 本 0 =e 263 第 七 章 脂 类 代谢 ppp ER 266 第 一 节 “ 脂 类 ……… 9 jee ck gis 用 的 于 全 HA ..266 cag 脂 类 的 组 成 及 其 类 别 pe 266 二 、 脂 类 的 存在 形式 与 生理 功能 .pe 4e20 967 人 269 二 把 肪 的 组 成 与 脂肪 的 乳化 作用 core nenececeeeceeceeeseaees 269 脂肪 酶 人 人 和 272 三 、 虽 肪 的 水 解 站 273 WO, Hyd BY FB FR creer cee ceeeeeceeeceseessccrcctecscesenssesssesenns 274 五 、 脂 肪 酸 的 降解 一 - B - BAY HE Sion eee eee cecene nnn eneeeesene D7 第 三 节 “脂肪 的 合成 代谢 pm 280 一 、c- 磷 酸 甘 油 的 合成 pe 281 ee Ce Lee +281 三 、- 脂 肪 ( 鞭 油 三 琵 ) 的 合成 :ee 289 四 、 酯 (低级 脂肪 酸 酯 ) 的 合成 人 2 第 四 节 磷脂 及 其 代谢 once cece wee cscecceceeeesesessscssesessseees 293 ， 一 、 磷 脂 的 结构 与 在 生物 膜 中 的 位 置 ………- ee 293 二 、 和 磷脂 的 代谢 .ee Peers 295 GE BE IRAE PRB eee eeeececeeeeeceeeeeeeeeee +02 eye s0e geal 300 一 、 基 质 的 特异 性 .ev 0 300 . 二 、 正 烷烃 的 代谢 cece ee teen ennees 0 301 三 、 异 构 烷 烃 的 代谢 pp 0 «805 Mt, Se LS Ok ee) eee 305 五 : 辅 和 氧化 作用 有 307 ee ae id eer 307 Bee "HE DRI FRY ceeec cece nsec eccenseesceeecennseaeteneesaesecens 309 — FR TRIB HYPER osnecesscecccnedontaosesscteesneeasieanennn +25096309 | 二 、 芳 香 烃 的 代谢 ee 311 第 三 节 石油 发 醇 的 生化 特点 ooooooooooooooouioisioisoioooaaass 319 一 、 石 油 微 生物 的 菌 体 成 分 pp 900319 Se te ke pee et ee ne ,320 er Je 322 - 四 、 毒 性 问题 pe 324 第 九 章 ”和 氨基 酸 代 谢 ESE D1; ions ie | pM eee 326 第 二 节 蛋白质 的 水 解 与 蛋白 质 水 解 酶 类 327 pe 人 2 a ee iin 、 脱 氨基 作用 cree Sathana akan sect is pees Sen ER Rs 0 ser, 2 oa CO, 的 去 路 ee eocese ecccccce ec ccescacceccvecenccss scenes ees one pte ne oe ”三 、 谷 氨 酸 生物 合成 的 代谢 途径 cee wh dengeasiideesns ee 环境 条 件 对 谷 氨 酸 发 酵 的 影响 veces Lr set 本 第 七 氨基 酸 与 糖 、 Res RM ALLE sees ee a RHR 与 糖 代谢 的 联系 Ss pas a oe a 核酸 的 降解 与 有 关 的 酶 9 8 、 核 酸 的 解 聚 作用 ，……… Sa diigie std betes 人 和 > w- 酮 基 酸 的 代谢 see se oa wee 3.46 RR cee EOE iw Te 1 人 ee e 9387s BAF os 349. 381. 384 386 “390 390 yf eet os ve Sis EW HE Hy Ae ER pe | —, HEARRRERBHA R 0 393 =, RE PSE BW AR ee eT ee 401 = RPE BW ARR cocceereerensecctecneretebbasbenmans 404. 第 十 一 章 “” 遗传 的 分 子 基 础 ………………… Cs 409 第 一 节 ”核酸 的 生物 合成 pp 409 Fe DNA EMER wrrteseet onsen 本 410 二 、RNA 的 生物 合成 全 二， 所 - 第 二 节 “核酸 与 蛋 自 质 的 生物 合成 和 pp : 2 和 ，， 一、 遗传 信息 及 其 传递 ow 二 422- 二 、 信 使 RNA 与 遗传 密码 ee 423 三 、 与 蛋白 质 生 物 合成 有 关 的 及 NA pe 425 四 、 肥 白质 的 生物 合成 ee 428 五 、 蛋 自 质 与 基因 435 第 十 二 章 ”代谢 的 调节 控制 ppp 438 第 一 节 “调节 控制 的 一 般 往 念 os asnnneneeenceecnnencnssuanmenseses 438 第 二 节 “细胞 水 平 的 调节 机 制 ceeee es eeeeeeeeeeeeeee 0 440 一 、 两 个 反馈 体系 控制 酶 的 活动 cece rece eeeeeee eee eereeensees 440 二 、 细 胞 水 平 调 节 控 制 模式 pp 442 =. ATRORAMT OFS. Bie) — 第 三 篇 ”遗传 的 分 子 基础 及 代谢 的 调节 控制 操纵 子 学 说 (operontheory ) pp 443 四 、 酶 活性 的 调节 反馈 抑制 和 激活 ee 455 五 、 调 节 的 分 子 基础 一 一 变 构 蛋白 与 调节 酶 eeesss 456 六 、 分 枝 售 成 途径 的 反馈 调节 模式 creeeeeceee cee eeseenerennes 464 七 、 微 生物 中 儿 种 效应 的 调节 控制 解释 pe 473 第 三 节 “工业 发 酵 是 微生物 代谢 调节 的 措 置 过 程 ooo 481 8 et " mn 过 Pane os se 2 eer ae SO ke. oe a att Ao AM ite. eee as poling aa Sa atid Wea aac i reeled eR ae seh dee Zi ex ‘er Ape” has tah < Wa a rae Fs D > : ae UO eae ae ss > ae 5 Ye Ss [小 » - - SS > . ee ale Bre! et, cop a las os = MQ =o ie AT % ie es 4 ; = ‘re: 7 Oe 1 Set ae i ae | ee 研究 生命 本 质 - 的 科学 是 用 化 学 、 物 理 和 生物 学 的 方法 研究 生命 物质 的 化 学 和: 生物 化 学 的 任务 是 用 辩证 唯物 主义 的 观点 研究 生物 体 的 化 学 组 成 ， 以 蛋白 质 核酸 为 主 的 生命 物质 的 结构 、 功 能 ， 及 其 在 生 。。 命 活动 过 程 中 的 化 学 变化 ， 以 及 从 分 子 水 平 前 明生 长、 分 化 、 繁 全 现 杀 的 化 学 本 质 。 ”恩格斯 早 就 指出 : “生命 是 蛋白 体 的 存在 方式 ， 这 个 存在 方 。 武 的 基本 因素 在 于 和 人 它 周围 的 外 部 自然 界 的 不 断 的 新 陈 代谢 ， 而 RR AARIR HL, LOMO, CLLR Si 恩格斯 对 生命 的 这 一 辩证 唯物 主义 的 光辉 论断 ， 揭 示 了 生 ” 命 的 本 质问 题 ， 即 蛋白 体 是 生命 的 物质 基础 ， 新 陈 代谢 是 生命 的 基本 特 征 ， 半 个 多 世纪 以 来 ， 生 物化 学 已 经 深入 揭示 了 糖 类 、 脂 ， 类、 蛋白质、 核酸 等 物质 的 新 陈 代谢 过 程 。 一 九 五 三 年 以 来 ， 又 。 ” 搞 清 了 脱氧 核糖 核酸 的 双 螺 旋 结 构 ， 证 实 了 核酸 是 遗传 物质 、 信 。 ， 息 大 分 子 ,蛋白 质 合成 是 以 核酸 为 模板 ， 并 形成 了 以 蛋白 质 、 核 酸 ， 为 中 心 的 生物 化 学 基本 理论 ， 充 分 证 实 并 发 展 了 恩格斯 的 伟大 预 0 见 ， 阐 明了 生命 本 质 ， 批 判 了 生命 神秘 论 的 唯心 主义 观点 ， 及 把 MCR RRR, 今后 生物 化 学 将 进 一 步 揭示 生命 活动 的 机 制 与 规律 ， 阐 明生 命 物质 的 结构 与 功能 ， 以 其 下 大 的 成 果 为 基 他 各 学 种 及 工农 业 生产 服务 * 恩格斯 : “自然 辩证 法 > P 277 ， 人 民 出 版 社 ， 1971 年 8 月 第 一 版 。 AE, OR, A PEAKE RR, MAR MMe 的 了 解 ; 各 种 现代 技术 ， 例 如 层 析 、 电 恋 、 EMD. ht. 条、 生成 ， 是 在 人 工控 制 的 条 件 下 ， 通 过 微生物 的 新 陈 代谢 Cho 人 研究 成 果 ， 互 相 渗透 发 展 而 成 为 独立 的 学 科 。 同 位 素 示 踪 法 了 物质 代谢 中 间 过 程 的 了 解 ， X- SERRA T EUR 外 分 光 光 度 法 、 质 谱 、 核 磁 共振 等 实验 方法 ， 解 决 了 物质 的 提纯 与 分 析 检定 。 这 些 都 促进 了 生物 化 学 的 发 展 。 此 外 ， 生 物化 学 与 农业 、 工 业 ( 特 别 是 发 酵 工业 、 食 品 工业 )、 ADR 都 很 密切 。 由 于 生产 实践 发 展 的 需要 ， 向 生物 化 学 提出 各 种 各 的 要 求 也 推动 了 生物 化 学 向 前 发 展 。 几 十 年 来 ， 生 物化 学 已 成 为 自然 科学 中 发 展 很 快 ， 在 社会 主义 建设 中 起 重大 作用 的 很 引信 重 视 的 基础 理论 学 科 之 一 。 生 物化 学 的 发 展 正在 推动 着 工农 业 、 2 药 卫生 事业 的 发 展 。 生物 化 学 是 发 酵 工 业 的 重要 理论 基础 。 “RRL RUA a 物 的 生命 活动 ， 生 产 人 类 所 需要 的 产品 的 工业 。 由 原料 到 产品 学 变化 ) 而 实现 的 。 由 于 微生物 细 有 内 酶 系统 的 种 类 和 性 质 的 郑 别 ， 带 来 微生物 代谢 类 型 的 多 样 性 和 复杂 性 。 nee 产品 多 种 多 样 ， 对 原料 也 有 不 同 的 选择 及 要 求生 产 工艺 i 各 具 特 色 。 ee 此 外 ， 物 质 代谢 的 调节 及 控制 对 提高 产品 的 质 和 量 提供 的 理论 根据 。 所 以 生物 化 学 是 工业 发 酵 专 业 的 专业 基础 课 。 ee 阐明 发 酵 机 理 ， 选择 合理 工艺 途径 ， Ae AR, em 艺 ， 研 制 新 产品 的 理论 基础 。 | 本 教材 分 为 三 篇 。 oe 第 一 篇 “生物 体内 活性 物质 的 化 学 。 和 蛋白 质 和 核酸 是 构成 生物 体 的 活性 高 分 子 物 质 ,哪里 有 生命 哪里 就 有 蛋白 质 和 核酸 的 物质 运动 。 按 目 前 科学 发 展 看 来 ， 蛋 自 质 和 核酸 是 生命 的 物质 基础 ， 酶 是 具有 催化 性 的 蛋白 质 。 体 内 的 2 yet ae ek ee, s PCRs, eee ot Ns a) Ce RS Bebe ee ee AN Se eee oS TG BY be LP ee 4 Leh, ate ee) hg ee: in PH : WDE Sh “ = a . AW Nn Set Ci ae oa f a a ‘ 已 ZX = ACUMEN HEL SE me 所 以 本 教材 首先 介绍 主要 生命 活性 帕 质 HER, 酶 和 核酸 的 化 学 。 -| 新 陈 代谢 。 a as: onacen. 生物 体内 各 种 成 分 和 周围 环境 ee “进行 不 断 的 物质 交换 ， 进 行 同化 和 异化 作用 。 新 陈 代谢 包括 物质 ”和 代谢 和 能 量 代谢 。 蜡 化 作用 以 分 解 代谢 为 主 ， 释 放 能 量 ， 同 化 作 以 合成 代谢 为 主 ， 需 要 能 量 。 二 者 同时 发 生 ， 紧 密 联系 ， 进 行 质 代谢 同时 进行 能 量 代谢 。 为 使 内 容 系统 性 ， 本 教材 将 能 量 代 。 谢 放 在 前 。 随 后 是 糖 类 及 脂 类 产能 物质 的 代谢 。 糖 类 代谢 和 工业 ”发酵 关系 最 为 密切 。 糖 类 是 微生物 主要 的 矶 源 ， 是 工业 发 酵 的 重 。 要 原料 。 工 业 发 酵 的 各 种 各 样 产 物 大 都 通过 糖 代 谢 生 成 。 本 教材 — 着重 介 绍 糖 类 分 解 代 谢 的 各 种 途径 及 重要 发 酵 产 品 生成 的 机 理 。 a SE FRU EY 28 T HBR AY ASA _ 由 于 蛋白 质 合成 与 核酸 关系 密切 ， 故 将 蛋白 质 合成 与 核酸 合 人 第 三 篇 中 介绍 ， 而 将 氨基 酸 的 代谢 及 核 昔 酸 代谢 各 单列 一 ， 举 ， 分 别 介绍 氨基 酸 的 分 解 合成 途径 ， 核 背 酸 的 分 解 与 合成 。 鉴 于 看 油 发 本 的 发 展 ， 本 教材 中 增加 了 烃 关 的 代谢 一 章 。 at 第 三 篇 ”遗传 的 分 子 基础 及 代谢 的 调节 控制 。 近代 生化 戌 就 来 越 显示 出 核酸 在 生命 活动 中 的 重要 地 位 。 分子、 是 合成 蛋白 质 及 酶 的 模板 。 核 酸 与 蛋白 质 的 。 相 豆 作用 体现 了 生长 、 分 化 、 繁 殖 、 遗 传 等 生命 现象 。 因 此 本 篇 ”介绍 了 核酸 合成 、 蛋 白质 合成 、 遗 传 分 子 基础 、 代 谢 的 调节 控制 aM. 为 在 工业 发 酵 中 提高 产品 质量 、 培 育 新 菌 种 、 研 制 发酵 新 产品 提供 有 关 的 理论 基础 ， 使 生物 化 学 理论 成 为 运用 自然 规律 改 RIL AAA, S— ie AKA e-em eA Wi RT Hh | OR 蛋白 质 是 一 类 复杂 的 高 分 子 含 氛 化 合 物 ， 其 分 子 量 一 般 在 二 万 至 一 百 万 之 间 ， 有 的 可 达 数 百 万 或 数 千 万 。 它 是 极为 重要 的 活 性 物质 。 自然 界 中 一 切 生 物 ， 包括 动物 、 植物 及 微生物 均 含 有 蛋白 质 。 就 微生物 而 言 ， 其 蛋白 质 含量 尤为 丰富 ， 若 按 菌 体 的 后 重 计 算 ， 酵 母 菌 含 蛋白 质 50~75%;， BRAM U4~50%; 细菌 含 蛋白 质 50~80%; 噬菌体 和 病毒 除 含 少量 核酸 外 ， 几乎 都 是 蛋白 质 。 RM MCCAW At LRH SESH. BEA HMMM EAR, CISPR AKA— Deets B 蛋白 与 生物 的 遗传 变异 紧密 相关 ; c- 角 蛋白 和 <- 纤维 状 蛋白 分 别 作为 维持 机 体 的 弹性 及 非 弹性 结构 ;肌肉 收 缩 是 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 的 束 状 物 彼此 之 间 发 生 滑动 的 结果 ， 有 些微 生物 的 鞭毛 活动 也 类 似 于 肌 球 蛋白 的 活动 ， 某 些 激素 蛋白 或 多 肽 作为 新 陈 代谢 调 节 的 一 个 因子 ， 机 体内 产生 的 抗体 为 免疫 球 蛋白 ;使 机 体 致 病 的 病毒 也 仅 由 蛋白 质 和 核酸 组 成 ， 具 有 载 氧 功能 的 血红 蛋白 是 氧气 ， 和 二 氧化 碳 的 运载 工具 ， 生 物 氧 化 中 电子 的 得 失 也 靠 某 些 色素 蛋 4 和 x 人 区 “i haus. SS ln TR ei te, 本 = 区 二 4 eos th ht phe oe ors RS Si) Dee Ne Mi : - 7 OR ee ae 。 自 来 完 成 ， 细 胞 膜 是 蛋白 质 - 脂 类 的 复合 物 ， 具 有 半 透 膜 的 特点 ， 。 目 对 所 传送 的 分 子 及 方向 具有 选择 性 ， 能 更 好 地 吸收 营养 物质 和 ”释放 代谢 产物 ， 蛋 白质 也 是 蛋白 质 自我 更 新 所 需 氨 基 酸 的 来 源 ， 。 这 主要 由 机 体内 迪 存 性 蛋白 质 来 供应 。 总 之 ， 蛋 白质 体现 了 生命 eagle 由 此 可 见 ， 蛋 白质 与 生命 活动 息息相关 ， 没 有 蛋白 质 存在 ， 。 年 亲生 全 活动 是 难 于 起 人 的 早 在 一 百 多 年 前 革命 导师 恩格斯 就 。 揭示 了 生命 的 木质 和 特征 ， 他 指出 ,“ 生 命 是 蛋白 体 的 存在 方式 。 。 这 种 存在 方式 本 质 上 就 在 于 这 些 蛋白 体 的 化 学 组 成 部 分 的 不 断 的 。 自我 更 新 。? 现 代 生物 化 学 和 分 子 生物 学 的 发 展 ， 完 全 证 实 了 这 一 科学 论断 。 蛋白 质 和 核酸 是 生命 的 主要 物质 基础 。 第 二 节 蛋白 质 的 化 学 组 成 二 全 一 、 蛋 白质 的 元 素 组 成 0 不 同 来 源 的 蛋白 质 ， 其 分 子 大 小 虽 不 ， 其 化 学 元 素 的 组 成 、 数量 大 致 是 相似 的 。 它们 除 含 气 〈N) on MAAC), ACH), M(0), RIMS ADRES), BE 全)， 有 的 还 含有 铁 (Fe)， 铜 (Gu) 、 锰 (Mn)、 锌 (Zn) 等 金属 元 HK, HBA). | 蛋白 质 含 所 有 一 定 的 比例 ， 这 是 一 个 重要 的 特点 。 一 般 蛋 白 RERUN) 在 15~17.6%, 其 平均 值 为 16% 。 故 在 任何 生物 样 和 ae xonnanasr aces 。“ 质 。 因 此 只 要 测定 样品 中 气量 [一 般 用 凯 氏 (Kjeldabl) 定 所 法 ] 就 能 算出 其 中 蛋白 质 的 含量 。 ai 4g ORE th PY N FY SE BE x 6 . 25 x 100 = 蛋白 质 的 含量 ( 克 %) - ~ td < £. ‘yy = > ¢ 多 s gilt he ey a bY vel Eten Se Pye 4 Pe ep nthe i ey ete aie th “ise PP ek Se aA) * ’ , rs i. eos ak mo 站 ay 2 * j $ se ode ee et . F ‘ - x 有 “i. 和 7 il * 4 G 7 站 — =~ : P. ee Mh 26 ie a * 4 Ree > vost -s) * . 天 a | SAR. AY TRICE A, HAD FICK IA FIRES 基 或 肛 基 的 氨基 酸 受 到 破坏 ， 同 时 使 某 些 氨基 酸 失 去 旋光 性 。， 一 、 蛋 白质 的 分 子 组 成 从 蛋白 质 的 水 解 产物 就 可 得 知 其 分 子 组 成 。 因为 ， 蛋 fin, Wi, Wk, eee "- 氨 基 酸 。 蛋 自 质 一 > 际 一 > 陈 -> 肽 一 >c- 氨 基 酸 党 im. IT 解 ， 最 终生 成 “- 氨 基 酸 。 因此 ，“- 氨 基 酸 为 蛋 自 质 分 子 组 基本 单位 。 根据 基 白 质 的 水 解 程度 ， 可 分 为 完全 水 解 和 不 完全 水 解 全 水 解 一 般 采 用 加 酸 ( 酸 法 ) 或 加 奏 ( 雁 法) 在 高 温 (100 一 110* ee 进行 ， 水 解 较为 迅速 彻底 ， 水 解 的 最 终 产物 为 -氨基 酸 ， 而 不 党 全 水 解 则 在 稀 酸 、 pivieliinelajcrmpibinse 解 产 物 中 除 含有 oR GER, 尚 含有 一 定数 量 的 肘 、 RA 中 间 产 物 。 ia, eo REE 解 蛋 白 均 为 蛋白 质 的 不 完全 水 解 产 物 。 RN 雁 法 水 解 的 作用 比较 强烈 ， 常 使 水 解 产物 中 一 些 含 硫 、 有 酸 法 水 解 时 ， 将 蛋白 质 与 相当 于 蛋白 质 10~15 借 体 天 2596 浓度 的 了 SO4 或 30% 浓度 的 HCl, 在 100~110°C 的 条 er , 加 热 ， 约 经 12~48 UBD AL SE AMR @- SIEM, Ue ARR 优点 是 比较 稳定 ， 但 个 别 氨基 酸 ( 如 色 氨 酸 ) 也 会 受到 破坏 。 采用 蛋白 酶 对 蛋白 质 进 行 水 解 ， 其 作用 条 件 温和 ， 可 加 多 前 两 法 的 缺点 。 但 酶 法 的 完全 水 解 ， 尚 需 多 种 蛋白 酶 的 联合 催化 “ hw. 人 fe: ore edad ee 用 ， 在 技术 上 仍 有 许多 问题 有 待 研究 解决 。 * Bee ss cas ee eee a: 天 然 氮 基 酸 的 结构 特点 hs NH; Sie: Secretar Ts 其 他 氨基 酸 所 含 的 o- WER FY 对 称 矶 原子 ， 因 此 ， 氨 基 酸 (甘氨酸 除外 ) 均 具有 光学 活性 ， 振 光 平面 向 左 或 向 右 旋转 。 向 右 旋转 的 称 为 右 旋 体 ， 通 党 F) 号 表示 ， 向 左旋 转 的 称 为 左旋 体 ， 以 (一 ) 表 示 。 了 统一 氨基 酸 的 光学 异 构 体 的 表示 方法 及 命名 ， 选 择 了 屯 为 原始 参考 标准 。 从 D- 及 工 -乳酸 与 D- 及 工 -甘油 醚 的 关系 ， 可 得 到 了 及 工 -氨基 酸 结构 式 并 表示 如 下 ， COOH - COOH eke oe HO—C—H “NCH CH,OH CH, 及 工 (一 )- 甘 油 栈 (十 )- 乳 酸 ， “ 工 ( 二 )- 氨 基 酸 ay ies COOH | iss | H—C—OH ee 下 二 C 一 NH， | D(+ )- 甘 油 醛 D(- )- 乳 酸 D(- )- 氨 基 酸 从 上 列 结 构 式 的 对 比 可 知 ， 把 -次 基 写 在 上 方 时 ， 邻近 次 COOH COOH ° | | Boks Og H—C—NH, CHg CHs 工 (二 )- 丙 氨 酸 D(-)-AAR ”所 基 酸 的 构 型 与 旋光 性 是 两 种 不 同 的 概念 。 同 糖 类 一 样 , D- 型 或 工 -型 甩 基 酸 只 表示 其 在 构 型 上 的 不 同 ， 并 不 表示 它们 的 旋 光 性 。 其 旋光 性 则 以 ( 士 ) 或 (一 ) 表 示 。 由 于 在 天 然 蛋 白质 中 所 发 现 的 氨基 酸 都 属 工 -型 ， 因此 , L- 型 氨基 酸 称 为 天 然 氨 基 酸 。 只 是 在 微生物 中 发 现 过 几 种 含有 了 - 型 氨基 酸 的 多 肽 。D- 型 与 工 -型 氨基 酸 在 化 学 组 成 上 虽然 没有 区 别 ， 但 是 ,在 生理 功用 上 却 互 不 相同 。 各 种 生物 一 般 只 能 利用 王 - 氨基 酸 ， 而 不 能 利用 D- 氨 基 酸 。 例 如 ， 乳 酸 菌 在 含有 工 - 亮 氨 酸 的 培养 基 上 可 以 生长 ， 而 在 D- 亮 氮 酸 的 培养 基 上 ， 乳酸 菌 不 仅 不 能 利用 ， 相 反 ， 还 会 抑制 其 生长 。 组 成 蛋白 质 的 氨基 酸 ， 目 前 绝 大 部 分 可 用 发 酵 法 或 用 化 学 合 成 法 生产 。 用 发 酵 法 生产 的 氨基 酸 皆 为 工 -型 ， 而 化 学 合成 靶 生 产 的 氨基 酸 往往 为 卫 -型 与 工 -型 氨基 酸 的 混合 物 ， 但 可 用 适当 的 方法 处 理 把 它们 分 离 出 来 。， =, AERA . 按 氨基 酸 的 分 子 结构 分 为 ， 链 状 氨基 酸 ( 即 脂肪 族 氛 基 酸 )、 矶 环 氛 基 酸 〈 即 芳香 族 氨基 酸 ) 和 杂 环 氨基 酸 三 大 类 。 也 可 按 其 分 子 中 氨基 (一 NH; 基 ) 及 羧基 (一 GOOH) 的 数目 ， 或 其 在 溶液 中 的 酸 奏 性 质 分 为 中 性 氨基 酸 、 酸 性 氨基 酸 和 奏 性 氨基 酸 。 从 许 许 多 多 天 然 蛋 白质 水 解 得 到 的 氨基 酸 ， 虽 然 其 种 类 和 含 量 有 差别 但是， 比较 普遍 存在 于 多 数 蛋 白质 中 的 氮 基 酸 有 二 十 - 种 。 现 将 这 些 氨基 酸 归 类 列 如 表 1-1。 mw HOOOCHNDHO'HO—C OH HOOO CEN )HO*HO"HO HOOD HN) HO CHO) HOFHO%HO 96z 86°S HOOO HN) HO*HO (HD) HO*HO 862 96°S HOOO@HN)HOCHO)HO%HO » 88Z 729 HOOOCHN)HO*HOCHOS)*HO | 89z 91T'9 HOOD(CHN)HD(HO)HOsHD a: 092 人 HOOD @HN)HO(HS)*HO z, 22 89°S - HOOOC@HN)HOCHO)*HO 162 0079 | HOOO (HN) HO®HO HOOOCHN)*HO Yl -2-Fu Fw bd IM NEAL IK o- Fee -0 BIR J FE YE—v WT thy I-FEN-» BID NIN-n Mal 0G FE YG -0 BL FEM hh-d-5E YE WL IRE o-FE-» WMI 9-H Y-0 WM HEE 9) FENG WIM SEE» WIE (org) les Wil (aXq,) Salve Hil (edd) We Mx (nay) Bale 3 (nary)! Male Be (Te A) 潮 普 多 (19JN) AYE Hr (24,1) WEE (SAD) Bike Mae (10g) WY 7 ; (CaIV) Blew (AID) 潮 交 上 AM Fa- b-9 - Ff FE -0 (sty) WY HOOOC@HN)HO*HO ¥22 HOOOC@HN)HO®(@HO) (@HN)*HO Wi FE YE —-2‘0 (shy) 2a PE Mik 08Z HOOOCHN) HO®8@HO)—HN—ON*H SX FE Vl - 9 -FEYE-» (Sry) wile iy ATE YS TA St 012 Lez HOOOCGHN)HO(HOOD)*HD Wi — 1 FF ¥-0 (dsy) WYM2M 8hZ Zz°¢ HOOO@C@HN)HO*HO(HOOD)*HO Yl — Xl FE YS -0 (upp) Wee 2d Ff YS Fh 922 -一 HOOOC@HN)HOC@HNOD)*HO NAY 9/-Ff YE-0 (usy) WWYX ret = HOOO @HN)HO*HO (FHNOD)*HO WLW 4-Fe eo (ID) AWEY < eee | 682 68°S | 于 2A SA 44 | fu - FF PE - (Ary) WED HOOOCHN)HO*HO———\_ Mal Sif FS Fe es gS. + @.% I-l 3G 10 a (© Shee -sa-eemew) (Bese ae eh Ft) Fp SRE (NEL, 基 ) 与 羧基 (一 COOH 、 MELAS, AAEM Te, JEM I I 这 是 SE AARON FHI, BIT | RATER. 其 分 子 式 为 ， aes CH,COOH a 甘氨酸 (氨基 乙酸 ) (Glycine) ee Pe Se Ber rang a i ret ONE, OH NEA oo: Sh NE = L(+) ARR EL(- ) 丝 氨 酸 工 (一 ) 半 胱 氨 酸 (cx- 氮 基 丙 酸 ) ， 〈x- 氨 基 -&- 羟 基 两 酸 ) 《cx- 氛 基 -6 羟基 两 酸 ) (Alanine) (Serine) (Cysteine) ee 匡 (一 SHE 基 )。 这 两 个 基 团 增加 了 氨基 酸 的 化 学 活性 。 ere SARANRE. SAREE. 4%, 网 2x 工 (一 )- 半 胱 氛 酸 L (— )-RtA RR (Cystine) Bec 这 种 二 硫 键 在 蛋白 质 分 子 结构 中 常 可 找到 ， 它 可 使 蛋白 质 分 。 。 子 多 肤 链 可 以 不 通过 肽 键 形 成 的 方式 使 之 交 联 或 环 联 ， 这 是 稳定 白质 结构 的 一 种 方式 。 ay sais BRT AMES TE MERA, 33 2 AS eae 。 。 物 ， 称 为 蛋氨酸 或 称 为 甲 硫 氨 酸 2 | SCHs NH, L( —)-H RR (a-RSE-y PET MB) (Methionine) 生物 体 中 硫 的 代谢 ， 主 要 同 这 三 个 含 硫 氮 基 酸 的 转变 有 关 。 在 蛋白 质 中 的 苏 氨 酸 及 统 气 酸 ， 它 们 是 丁 酸 及 蜡 成 酸 的 衍生 物 。 CH;—CH—CH—COOH - CHey. (ae OH NH, CHg NH; 工 ( 一 )- 苏 氨 酸 工 (+ )- 纺 氨 酸 (cx- 氨 基 -C 羟基 丁 酸 ) (cx- 氨 基 蜡 戊 酸 ) (Threonine) (Valine) SURAT MHARAR. FEAR. CHa ‘ Sine ME 一 OH 一 CE 一 CO / oH CH— COOH CH; | CH,;CH, | NH, NH: 工 ( 一 )- 亮 氨 酸 L(+)-#RAR (cx- 氮 基 异 己 酸 ) (x- 氮 基 6&- 甲 基 戊 酸 ) (Leusine) (Isoleusine) FETS ACERT , iC PA APSA HE AS a ee AR AY HE BE OK 源 。 ~ 葵 丙 氛 酸 、 酷 氨 酸 和 色 氛 酸 ， 是 矶 环 族 及 杂 环 族 化 合 物 的 衔 生物 。 它 们 可 以 看 作 是 丙 氨 酸 分 子 中 一 QHs 的 一 个 气 原 子 为 一 环 状 基 所 取代 而 形成 的 。 《__ 汪 cm 一 9arcooz mo-C >》 cm-9arcool NH, NH, L(-)-K AAR 工 (一 )- 酷 氨 酸 (a- 氨 基 6 AFAR) (ca- 氮 基 6 MAIER ARR) (Phenylalanine) (Tyrosine) 12 iy oe | | ame cee OF / NH, : 工 (一 )- 色 氮 酸 (wx- 氮 基 -6- 吗 吃 丙 酸 ) (Tryptophane) 上 述 三 种 所 基 酸 是 形成 颜色 反应 的 重要 成 分 。 且 氨 酸 并 不 是 真正 的 氨基 酸 ， 而 是 一 种 亚 氛 基 酸 。 在 代谢 中 由 于 亚 气 基 酸 与 氮 基 酸 间 有 密切 关系 ， 也 存在 于 天 然 蛋 白质 中 ， 因而 也 把 它 列 入 氨基 酸 中 。 其 结构 式 为 : H.C—CH, | H.C CH—COOH 或 | ae e \y/ H ] L (— )- Hii RB (Be -2-FRM) (Proline) 4A AMR ”- 羧 基 栈 胺 化 成 谷 受 酰胺 ， 天 冬 氨 酸 6- 羧基 酰胺 化 成 天 冬 酰 胺 时 ， 它 们 对 石 蕊 呈 中 性 反应 。 这 两 种 酰胺 也 普遍 存 ， 在 于 蛋白 质 中 。 CH,—CH,—CH—COOH CH, —CH—COOH CONH: NH, CONH, NH, 工 (+)- 谷 氮 酰 胺 工 ( 二 )- 天 冬 栈 胺 (Glutamine) (Asparagine) (=) 酸性 氨基 酸 (二 羧基 -和 氨基酸 ) 此 类 氨基 酸 对 石 芒 呈 酸 性 反应 。 如 谷 氨 酸 、 天 冬 氨 酸 。 HOOC—CH,—CH,—CH—COOH =HOOC—CH,—CH—COOH NH, NH, L(+)-F#AR(e-REROM) L(+)-KF AMR (o-AETOM) (Glutamic acid) (Aspartic acid) 谷 氮 酸 为 白色 结晶 ， 在 代谢 中 起 重要 作用 ， 甚 发酵 产品 〈 纯 13 制品 ) 在 医药 上 已 得 到 广泛 应 用 。 其 单 钠 盐 ( 含 一 分 子 结 晶 水 ) 具 有 强烈 的 鲜 味 ， 故 名 为 味精 ， 是 一 种 重要 的 调味 品 。 已 采用 用 琵 法 工业 化 大 量 生产 。 其 结构 式 为 ， H,O-HOOC—CH,—CH,—CH—COONa / NH, 工 (十 )- 谷 氨 酸 单 钠 (俗名 为 味精 ) (=) 礁 性 氨基 酸 (二 和 氨基 -羧基 和 氨基酸) KKAEZRUASSRERM., MMAR. RAMANA A 酸 。 Mae Fe H,N—C—NH |—(CH;,);—CH—COOH NH; NH; | i | ie | L(+)-FFRR(o-AsE J-HME RMB) L(+)- 赖 氛 酸 (cs 二 氨基 已 酸 ) (Lysine) N—jCH,—CH—COOH ! (Arginine) NH; | | | Nag H L(— )-# AR (a-KIE-B 咪唑 -两 酸 ) (Histidine) 除 上 述 三 类 氨基 酸 外 ， 尚 有 一 些 氨基 酸 仅 存 在 个 别 蛋 白质 中 或 游离 存在 于 生物 体内 ， 与 蛋白 质 代 谢 有 关 。 ERMA MP IL Bi H,N—C—NH—C ee O NH, EL (+)- 瓜 氨 酸 (wx- 氨 基 -9- 所 甲 酰 氨基 戊 酸 ) (Citrulline) Ba. Chi Chee NH, L(+)-8 BM(a, 3 二 氨基 戊 酸 ) (Ornithine) okt rs | 3 ae Beemer eC. 8" Coon | —COOH Hi : H L ( — )- FSI SAP (4-PR3E DO A -2- FRB) (Hydroxyproline) i x nay ,| Eee | ote : - ‘ : a 上 SS oe)” 本 Bie oo a Bs, 2 on ; gate 了 总 + HC]l——> | NH,t . Ni, + 01 氨基酸 盐 酸 盐 | 氨基 酸 在 雁 性 溶液 中 ， 氨 基 阳 离子 析出 一 个 氨 离 子 与 溶 波 中 的 所 所 离子 (OHL ) 结 合 而 生成 水 分 子 。 故 氮 基 酸 此 时 作为 阴离子 而 存在 ， 在 电场 中 向 阳极 移动 。 Bee 5: h-—CH—-COO- R—CH—COO- Nat ore : | -+ NaOH—> ne 十 HzO es! CRIES) 。 ， 因此， 氨基酸 属 两 性 化 合 物 ， 具 有 酸性 和 奏 性 的 双重 性 质 ， 是 一 种 两 性 电解 质 ， 能 与 酸 或 奏 化 合 而 形成 盐 。 一 般 情况 下 ， 氨 基 酸 中 次 基 的 解 离 程度 大 于 氨基 ， 因 之 氨基 。 “” 酸 中 的 羧基 与 氮 基 的 数目 相等 时 ， 其 水 溶液 偏 于 酸性 ， 即 其 水 深 波 中 除 含有 两 性 离子 外 ， 还 含有 少量 的 阴离子 (一 GOO-)。 相 反 ， ”车 氨基 酸 分 子 含 有 二 氨基 一 羧基 时 ， 其 氨基 的 电离 程度 大 于 羧基 fas, mia. 此 时 ， 氨 基 酸 水 溶液 除 含 两 性 离子 外 ， ， 疝 含 有 少量 的 阳离子 (一 NEHs+)。 在 上 述 两 种 情况 下 ， 如 果 把 氨基 酸 水 溶液 的 酸 礁 性 加 以 适当 的 调节 ,促使 其 酸性 电离 与 雁 性 电离 恰好 相等 ,使 气 基 酸 在 溶液 中 。 。“ 旺 两 性 离子 存在 ,氨基 酸 分 子 内 的 正 电荷 与 负电 荷 相 等 , 即 净 电 闪 AS, 在 电场 中 因 受 阴极 与 阳极 的 同等 吸引 力 ， 故 既 不 向 阳极 移 “i — 动 也 不 向 阴极 移动 ， 此 时 的 PH 值 ， 称 为 氮 基 酸 的 等 电 点 ， 以 PT ， 人 和 值 表 示 。 氨 基 酸 在 等 电 点 时 ， 由 于 正 负电 荷 相 等 ， 净 电荷 为 零 ， ” ， 其 分 子 间 容 易 聚 集成 大 分 子 而 沉淀 析出 ， 其 溶解 度 最 小 。 型 把 近 共 酸 在 浴 液 中 酸 答 调节 的 离子 转变 的 反应 归结 pi ah te NH; : on | ut H,O+R—CH—COO-4=5 一 一 R—CH—COO =—=R—CH—COOH ae Ht ie OH 人 (SEND) CSET (所 生生 了) Se RR SA A, HSA, BAM ESCA AS FA SR BE HS 7 Te], TA SCRA Re Si RAS. Al 此 ， 各 种 氨基 酸 的 等 电 氮 (Pl 值 ) 是 不 同 的 。 现 将 各 种 氨基 酸 不 同 基 团 的 解 离 常数 (在 25"C 条 件 下 ) 及 等 电 点 列 如 表 1-3。 表 1-3 氨基 酸 不 同 基 团 解 离 常数 及 等 电 点 〈 在 25`G 时 ) pk, (—NHs3*)| (-COOH) (一 NHs+) 或 其 它 基 团 | 或 其 它 基 团 | 或 其 它 基 团 | (PI 值 ) 名 称 (- Soak 全 人 HER 2.35 一 9.78 一 一 6.06 L-AAR 2.34 一 9.69 一 一 6.00 L-ARR 2.32 一 9.62 ~ -- 5.96 L-BAR 2.36 一 9.60 we 一 5.98 L-F#EAR 2.36 一 9.68 a 一 6.02 工 -丝氨酸 1.21 一 9.15 一 去: 5.68 L-hhae 1.99 一 10.60 ieee 一 6.30 L-#FAAR 1.83 一 9.13 一 5.48 L-f AR 2.38 一 9.39 ae 一 5.89 工 -蛋氨酸 2.28 2 下 > {eg 5.74 L-MAR 2.20 一 9.11 10.97 一 5.66 —OH) 工 - 半 胱 氨 酸 1.96 一 8.18 一 10.28 5.05 (SH) é L-K* aR 1.88 3.65 一 一 9.60 2.77 L-FAR 2.19 4.25 一 - 一 9.67 3.22 L-AAR 1.82 一 6.00 一 9.17 7.59 (咪唑 +) 工 - 精 氨 酸 2.17 一 9.04 一 12.48 10.97 (Wh Zs") L-#iee 2.18 一 8.95 一 10.53 9.74 例如 ， 甘氨酸 在 结晶 状态 下 是 一 内 盐 或 两 性 离子 。 这 种 两 性 离子 在 酸性 水 溶液 中 ， 则 成 为 正 离子 。 H H | Ht H—C—COO-—> H— C—COOH NH,t NH,* 18 Ait nS pee x: AEE HT 3 TY Be SH Fs be Ky Ky | 到 aN *—CH,cOOH Ht + H,N*—CH,COO“—=II*-+ HaN—CH,COO™ 锅子] _ [两 性 离子 ] [负离子 ] 质量 作用 定 委 MA ARS ee ee x =a, 5x 10-* a LharmF ICA") _ —10 Ss ey PEE MRE So ve 如 果 Ki 乘 Ks 则 可 得 ; [两 性 离子 并 负离子 ][H+]? Be ERS LER] os tea [负离子 ] 一 [ 正 离子 ] aaa aa oo ee KK, =[ HP 或 [H*J=V KKs a oe. pH=—log(H*] an 等 电 点 时 pI=—log[H*]= oe ve 甘氨酸 的 pK,=—logK,=—log4,.5x10-°=2.35 — pK,=—logK,=—logi.6 x 10-'°=9.78 aa 因此 ， 甘氨酸 的 PT 二 BEI 二 PKs _2.3549.78 _ 06 2 2 | 又 例如， L$ SR 酸 的 解 离 可 为 三 级 解 离 ， dp us COOH coo" coo: ~ .” 6007 ais ‘ee 4 | Ke | Ks Sasi, ee Cee 7 4CH;); (CHz), = (CHa) (CHs)， oo Papen <<. GOoR >. S00* = C007 F a 和 CERT] CRABS] [二 负 一 正 离 子 ] (CAB) ea » ee 当 谷 气 酸 在 等 电 点 时 ， 第 三 级 解 离 可 忽略 不 计 。 a m KARR pig Pees Ee Ie RA) RE IE RIE, HA (PT) Be EF PAT RI RES EH (pK AM pK2). Ti BLM) IERIE EM, HEA OI) EE REF ATA FRE BA, (Al pK. pKs), K.+pK3. 8.95+10.53 WMA plate Ps = = 9,74 扼 基 酸 的 两 性 电离 及 等 电 点 的 概念 ， 在 氨基 酸 的 分 离 技术 上 k 已 得 到 广泛 的 应 用 。 由 于 各 种 氨基 酸 的 电离 程度 及 等 电 点 不 同 , 因此 ,在 同一 也 值 的 溶液 中 ， 各 种 氨基 酸 所 带 的 电荷 不 同 。 例如 ， 当 PH=6.00 时 ， 丙 氨 酸 呈 两 性 离子 存在 ， 即 为 它 的 等 电 点 ， 革 氨 酸 接近 两 性 离子 状态 ， 谷 氨 酸 、 天 冬 氛 酸 以 阴离子 状态 存在 ， 而 赖 氨 酸 、 精 ， 氮 酸 则 以 阳离子 状态 存在 。 利 用 这 一 性 质 ， 便 可 采用 离子 树脂 交 换 法 及 电泳 法 等 将 这 些 氨基 酸 从 混合 液 中 分 离 出 来 。 又 由 于 氨基 酸 在 等 电 点 时 净 电 荷 为 零 ， 通 过 静电 引力 易 迅 速 结合 沉淀 析出 ， 故 在 生产 上 可 作为 提取 氨基 酸 的 理论 依据 ， 如 于 谷 氮 酸 的 等 电 点 pH 3.22 提取 谷 氮 酸 。 2. 与 金属 离子 反应 氨基 酸 可 与 一 些 金属 离子 反应 生成 络 合 物 。 例 如 ， 谷 所 酸 与 Zntr+、Gar+、Bat+ 等 离子 作用 生成 难 溶 于 水 的 络 合 物 。 当 PH 6.3 时 ， 谷 氨 酸 与 Zn++ 生 成 难 溶 于 水 的 谷 氨 酸 锌 盐 络 合 物 。 其 结 构 式 为 i OV. ,.79 . ge Saga OOC+(CH:)2*CH Zn CH+ (CHz)2*>COO | +ZntenH,O Neca eo 也 NH， (FREAD) 20 + i - ¢ : 2 2a: j ee vet it) See (Ue) Se po Le ae ape | oe »s 和 Ney ot eek PTT ps et rene te aN Bio ous a] ee oe me Kix Tom a Ng | = ySwa 所 了 过 一 性 质 ， 也 可 应 用 于 分 了 其 和 38. 与 亚 硝酸 反应 a. ‘PR SALW LR 吧 彩 所 酸 ) 外 ,， 均 可 与 亚 硝 ty : vie. es 7 OH 基本 sR RBG CARR AER FH betes: RAT DOR MIE AGRA. ARR VEG EE (Van ve -SI7ke) 来 测定 氨基 酸 、 蛋白 质 及 蛋白 质 水 解 产 物 中 自由 “- 氨 基 酸 -< eae ie GRE RE RARE, HR ce: he bs | fe: R 一 CH 一 COO- a ge A +HCHO==R—CH—COO- 十 Ht 了 NH—CH,0OH i} HCHO ‘ R—CH—COO+Ht N(CH,OH)s | agate ee. N— 2 ERE eS 由 于 氨基 酸 为 两 性 电解 质 ， 当 用 奏 来 注定 其 次 基 时 ， 人 氨基酸 的 羧基 与 氨基 的 相互 作用 生成 两 性 离子 。 这 种 离子 在 滴定 终点 也 Be 不 之 全 分 解 ， 影 响 其 结果 的 准确 性 。 但 是 ， 采 用 中 性 甲醛 与 氨基 ， ， 酸 的 氨基 化 合 ， 先 固定 其 氨基 使 不 致 生成 两 性 离子 。 然 后 再 用 奏 MERA PORE, RRMA MM, 的 甲醛 ， 使 氨基 酸 完全 变 为 N-— PII, AHI 二 准确 的 结果 。S5rensen 氏 首 先 根据 这 种 反应 用 滴定 法 测定 氨基 酸 i ” 售 量 。 此 法 也 可 用 来 测定 蛋白 质 水 解 或 合成 的 程度 。 其 精确 度 稍 21 差 ， 但 其 所 用 的 仪器 设备 简单 ， 操 作 简便 ， 也 被 广泛 应 用 。 5. 脱羧 反应 氨基 酸 经 特定 的 脱羧 酶 作用 ， 生 成 伯 胺 并 相应 放出 GO, 挟 tk, : R—CH—COOH——>R—CH,—NH,+ CO, 小 NH, {Ae 例如 : TAFE i PSA — BE 工 - 谷 氨 酸 脱羧 酶 能 够 专门 使 工 - 谷 氮 酸 进行 脱羧 反应 。 COOH (CHz)， COOH + 工 - 谷 氨 酸 脱羧 酶 | ， CH‘NH, -OoE COOH CH.NH, L-Fam y-BIET RR 上 述 反 应 生成 的 GO; 气 体 ， 一 般 可 用 气量 法 进行 测定 。 如 采 用 华 勃 氏 气体 分 析 仪 可 从 其 测 压 计 中 压力 的 变化 换算 成 氨基 酸 的 | . 与 节 三 酮 的 反应 酮 的 水 合 物 一 起 加 热 起 氧化 脱 氨 反应 ， 放 出 的 氛 与 一 分 子 曹 三 酮 及 一 分 子 荫 三 酮 还 原 产 物 反应 生成 蓝 色 化 合 物 。 所 生成 的 酮 酸 则 被 加 热 分 解放 出 GO。 反应 中 蓝 色 的 深度 及 GO, 的 量 可 以 作为 c- 氮 基 酸 定量 分 析 的 依据 。 凡是 含 有 “- 氨 基 .酰胺 化 的 化 合 物 也 能 起 这 种 反应 。 其 反应 式 如 下 : O 1 sh +H20 7S ee WE < =a 让 Sou ne 人 22 “Tis Bid aie. 本 aa nt er wh at Le: cto “iets -¥ f » SAT | —H20 CHg AAR HAR Cee | ee. | CH, 5 Fi SAW Ht SR (— Ik) 一 而 三 种 不 同 氨基 酸 缩 合 时 ， 就 有 六 种 连结 方式 ， 形 成 六 种 同 分 异 构 体 。 例 如 ， 由 甘氨酸 (G)、 丙 氛 酸 (A) 与 亮 氮 酸 ( 工 ) 形成 PITRE: ot G—A—L A—G—L L—A—G G—L—A eel ee L—G—A 当 四 种 不 同 的 氨基 酸 缩合 时 就 可 得 到 24 种 不 同 的 四 肽 ,由 五 种 不 同 氨 基 酸 则 可 得 到 120 种 不 同 的 五 肽 。 参 加 缩合 的 氨基 酸 越 多 ， 其 连结 而 成 的 多 肽 就 越 多 。 这 也 说 明 二 十 种 氨基 酸 就 可 组 成 多 种 多 样 的 蛋白 质 。 es. 实际 上 在 生物 体 中 也 存在 一 些 多 肽 化 合 物 ， 在 生物 体 中 具有 特殊 的 功能 。 例 如 ， 微 生物 及 一 切 生物 中 都 存在 一 种 称 为 谷 腕 甘 肽 的 三 肽 ， 它 是 由 谷 氨 酸 、 半 胱 氨 酸 及 甘氨酸 三 种 不 同 氛 基 酸 通 过 肽 键 ( 一 GO 一 NH 一 ) 缩 合 而 成 的 。 HOOC—CH—CH,—CH,—COOH+ H—- / NH, 谷 氨 酸 26 ae st | ber Sa ees We Pee PB ae oy a ees ae Se ee ae i os ¢ _ ~ ee ng AR oe ae ade a a ne $0 —N—CH—COOH+ HN —CH,—COOH sae 下 ere: Set 2 SEO - | CH,—SH H HAR 6 半 胱 氨 酸 Rae ST, —2 H,O : i ek wee | A O-=-H O H Oe ai ed te | , BHOOC—CH—CH,—CH,— C —N—CH— C —N—CH,—COOH | | 4 DE HK 8 GSH) aa 它 是 活 细胞 中 的 重要 组 成 成 分 ， 特 别 在 酵母 中 含量 较 高 ， 同 “时 又 是 某 些 酶 (如 磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 ) 的 组 成 成 分 ， 由 于 它 含有 活 Heng eAE(—SH), 极 易 被 氧化 ， 在 生物 氧化 过 程 中 起 重 要 的 作 a = a. ; . ee PERRET THREREK, ERDUREETRS sz 多 数 多 肽 链 是 直 链 结 ee ee 。 区 在 微生物 中 也 有 存在 。 AFR BG, EEE 3 zs 一 类 环 状 结构 抗菌 素 。 其 结构 如 下 ， “a | a ee Re ee ee FERN -< © WA <9 < WRT KAM > D-RAM RAB 亮 氨 酸 < 乌 氨 酸 < 统 氨 酸 < 酷 氨 酸 < 谷 氨 酰胺 酷 杆 菌 肽 (ITyrocidine) 一 “代表 肽 键 代表 肽 键 以 外 的 某 些 化 学 键 i“ (=) 和 氨基酸 在 蛋白 质 多 肽 链 中 的 排列 顺序 蛋白 质 功能 的 多 样 性 及 种 族 特异 性 ， 首 先决 定 于 蛋白 质 多 肽 链 中 氨基 酸 的 排列 顺序 。 。 氨基 酸 在 多 肽 链 中 排列 顺序 的 测定 是 一 个 相当 精细 而 又 复杂 27 的 工作 ， 一 般 研究 过 程 大 致 包括 ， 先 将 蛋白 质 或 多 肽 提纯 ， 将 蛋 白质 或 多 肽 用 稀 酸 或 稀 奏 或 用 蛋白 酶 水 解 测定 氨基 酸 的 种 类 、 数 量 ， 未 端 分 析 确 定 肽 链 数 目 ; 使 肽 链 中 不 同位 置 的 肽 键 水 解 断 开 成 若干 小 肽 并 分 离 提纯 ;再 进行 末端 分 析 ， 测 定 多 肽 或 小 肽 的 所 基 与 羧基 末端 ， 并 使 之 逐步 降解 从 而 测 出 它们 所 含 为 数 不 多 的 氨 基 酸 排列 顺序 ， 最 后 根据 上 述 结果 进行 综合 分 析 ， 得 出 蛋白 质 多 ” 肽 链 中 氨基 酸 的 排列 顺序 。 例如 ， 经 分 析 测 定 结果 ， 胰 岛 素 被 发 现 为 含有 两 条 多 ht (A 链 和 B 链 )， 通 过 两 个 二 硫 键 相连 结 。 图 1-1 中 展示 了 牛 胰岛 素 的 氨基 酸 组 成 及 其 排列 顺序 。 A 链 由 21 个 氨基 酸 组 成 ， 以 堪 _ BIBRA N- 末 端 氮 基 酸 ， 而 以 天 冬 酰 胺 为 G- 末 端 。 此 链 中 的 三 硫 键 包含 三 个 半 胱 氨 酸 和 两 氨 酸 、 丝 氨 酸 及 纺 氨 酸 的 环 状 结构 ;了 链 由 30 个 氨基 酸 组 成 ， 以 某 丙 氨 酸 为 N- 未 端 ， 而 以 丙 氨 酸 为 G- 末 端 。 ARE NH: pas | H2N-#H * 3° He Be Be EM + Hs Ae & « Sil + “ERE eae & : 8 9 40 a S 了 链 NH: Ag ? HoN-#A* He KA Fee He LM HHA 2 45.6) 8. 7 1 eS NHe ic hs NHe 亮 “ 酷 。 谷 。 。 天 冬 。 酷 。 半 胱 。 天 冬 -OH 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Pee Gee Fh + Bee FE + Be KE He Ae Hi-ee ip ree fo. 16 17° 18 19°-20. a ae HERG + AEP ° BA * Ds Tih + Hi» A-COOH 23. ‘24. 26 . 26° 27. 28 29: 30 图 1-1 牛 胰岛 素 一 级 结构 28 - S py — ” 时 44 Pee! =i 一 ey ; 3 s a pat bho be Saale gmat - 二 了 四川 a ‘ * 和 > « 到 % Te Care 可 本 人 . io a 不 同 来 源 的 蛋白 质 其 一 级 结构 是 有 差异 的 ， 说 明 蛋 白质 一 级 = ead oh 结构 与 生物 的 种 族 特异 性 有 关 。 不 同 来 源 的 胰岛 素 在 A 链 环 状 结 “ 构 的 氨基 酸 配置 方面 与 牛 胰岛 素 不 同 。 例 如 ， 马 胰岛 素 含 苏 氨 OB, HR AEE 氮 酸 ， 而 猪 胰岛 素 含 苏 氨 酸 、 丝 氨 酸 和 异 亮 氨 iB. 7 ， sre ; “ 近 二 十 年 来 由 于 生化 分 析 分 离 技术 的 进展 ， 蛋 白质 一 级 结构 被 确定 的 愈 来 愈 多 ， 至 目前 为 止 ,已 被 确定 的 蛋白 质 一 级 结构 就 有 一 百 多 种 ， 为 进一步 分 析 确定 蛋白 质 的 空间 结构 打下 了 基 FF =O 本 x ‘i 3 ” 二 、 蛋 白质 的 空间 结构 蛋白 质 的 空间 结 者 构 ( 即 蛋白 质 二 级 、 三 级 和 四 级 结构 )， 对 蛋 _ 自 质 的 生理 活性 很 重要 。 当 其 空间 构象 有 所 损害 ， 蛋 白质 的 构象 “ ”随即 改变 或 失去 其 原 有 的 生理 活性 : 蛋白 质 空间 结构 的 确定 ， 主 要 利用 X -射线 衍射 法 ， 形 成 街 neste SR warns: ae 和 分 子 的 空间 构象 。 蛋 白质 多 肽 链 的 卷 昌 、 折 适 形 成 的 紧密 结 构 ， 是 由 于 蛋白 质 多 肽 链 间 各 种 化 学 键 交互 作用 的 结果 。 故 在 具 ， 信介 四 蛋白 质 空间 结 才 构 之 前 ， 必 须 首 先 了 解 其 有 关 的 各 种 化 学 键 的 性 质 及 其 作用 。 (一 ) 蛋白 质 空间 结构 有 关 的 化 学 键 蛋白 质 的 空间 结构 一 角 是 通过 非 定向 的 静电 引力 、 范 德 华 (Van der Waals)5| MASE RIN, 一 般 这 些 键 的 键 能 比较 小 ， 故 不 大 稳定 ， 容 易 受 各 种 理化 因素 影响 而 破坏 。 有 关 的 化 学 。 。， 键 主 要 有 下 列 几 种 ， - SS a 1. n¥(do-0 --- Nd) Be O H | atm Loom — ct joa —N=)2m 29 通过 氢 原 子 被 两 个 负电 性 较 大 的 原子 所 吸引 而 形成 的 一 种 键 。 由 于 肽 链 上 有 许多 兰 基 和 亚 氨基 。 因 此 ， 和 蛋白 质 分 子 中 氢 键 较 多 。 氨 键 具有 离子 的 特性 ， 只 有 电 负 性 较 大 的 原子 间 才 能 形成 ， 它 需 要 极 化 的 一 OH 一 NH 一 .一 NH, 等 基 团 作为 供 氨 体 ” 而 电 负 性 较 - 大 的 原子 ， 如 ON\GL. 了 等 作为 受 体 。 ”所 键 为 蛋白 质 空间 结构 中 最 重要 的 副 价 键 。 它 普 过 存在 于 和 蛋 白质 分 子 中 。 无 论 在 肽 链 与 肽 链 间或 是 一 条 多 肽 链 卷曲 后 相 邻 的 基 团 之 间 ， 都 可 以 形成 气 键 。 氢 键 的 键 长 约 2.7A， 键 能 较 小 ， 约 为 5.6 千 卡 。 故 容易 受 外 力 影响 而 破坏 。 这 一 点 对 于 蛋 自 质 生 理 活 性 有 紧密 关系 。 2. 二 硫 键 (一 S 一 S 一 ) 蛋白 质 分 子 中 的 二 Behe, JET} KEL) TL BE 化 而 结合 形成 的 一 种 化 学 键 。 此 键 在 蛋白 质 一 级 结构 中 是 连接 不 同 肽 链 或 同一 肽 链 不 同 部 分 的 键 。 它 结合 得 比较 牢固 ， 在 蛋白 质 空间 结构 中 则 起 着 稳定 肽 链 空间 构 型 的 作用 。 二 硫 键 一 旦 遭受 破 坏 ， 蛋 白质 的 生理 活性 随即 丧失 。 这 种 键 的 数目 越 多 ， 其 蛋白 质 就 越 稳定 ， 对 抗 外 界 能 力 就 越 强 。 例 如 ， 毛 、 发 、 鳞 、 甲 壳 等 之 所 以 比较 坚固 ， 其 原因 之 一 为 其 蛋白 质 中 含 二 硫 键 较 多 。 3. 盐 键 (一 NHs+*- OO0G 一 ) © 蛋白 质 分 子 中 自由 的 氨基 及 羧基 ， 在 适当 的 条 件 下 ， 可 以 分 别 以 正 负离子 形式 存在 ， 因 而 形成 盐 键 。 盐 键 的 结合 力也 较为 牢 固 ， 也 为 稳定 蛋白 质 空间 结构 的 一 个 因素 ， 但 其 在 蛋白 质 分 子 中 一 般 数 量 不 多 ， 而 且 容 易 受 酸 、 奏 的 作用 而 破坏 。 O 1. (noZo- 】 30 / i er a eT : ae ee ee ee ee ee a ae Ae. Oe ee ae ree ee AOL ot i tad Ah a ai Meare 7 r ai ea AN Sat Non cat aay Tt log ， 酯 键 是 由 羟基 氨基 酸 分 子 中 的 羟基 (一 OH 基 ) 与 二 羧 酸 的 或 /羧基 脱水 缩合 而 成 的 键 。 酯 刍 在 蛋 自 质 分 子 中 不 多 ,水解 时 可 受 破坏 。 res a se. Bi Ja a Ft — 2 Bak a YEH A EF TG A WARS SIT Re, SR RE RA os — i ok DE TAB 9 SE 中 于 中 心 区域 ， 只 有 少数 是 暴露 在 溶液 中 。 了 疏水 键 对 蛋白 质 的 稳 。 定 也 起 着 一 定 的 作用 。 下 水 键 与 盐 键 对 在 溶液 中 加 盐 或 有 机 溶剂 。 的 反应 恰恰 相反 。 非 极 性 溶剂 能 破坏 下 水 键 ， 但 由 于 它 降 低 了 溶 。 。 液 的 解 电 常数 ， 因 而 加 强 了 盐 键 。 盐 的 作用 则 使 朴 水 键 强度 增 ， 3 大 ， 这 是 因为 它 降 低 了 非 极 性 基 团 在 水 中 的 溶解 度 。 pis, 6. 3h 42 46 (Van der Waals) #|# - ey Lp ea Pee ee eat E. 相国 之 的 ，。 偶 极 与 诱导 侦 极 的 相互 作用 。 ( 例 如 ， 一 GHs 与 一 GHs 之 间 的 引 ee ee Pe EL — EH He REE EKA K 3~4 A, Hebb ix ; 两 种 键 的 键 能 小 。 7. SRR 许多 蛋白 质 的 三 、 四 级 结 $ 构 需要 有 爹 属 参与 维持 其 构 型。 这 ”类 金属 所 起 的 作用 ， 也 属于 一 种 化 学 键 的 作用 。 当 金 属 被 除 去 -< ? # 1-4 蛋白 质 (Mi) 中 的 金属 键 Sa 称 分 子 量 | 金属 及 数目 金属 键 位 置 及 作用 羧 肽 酶 A ”34;300 Zn 1 Zn 与 一 SH 相连 羧 肽 酶 也 34,300 Zn 1 Zn 为 分 子 一 部 分 酵母 醇 脱 气 酶 151,000 Zn 4 维系 四 个 亚 基 ” 枯草 杆菌 -淀粉 酶 97,000 Zn 1 连结 两 个 亚 基 后 肝 谷 氮 酸 脱氧 酶 1,000,000 Zn 1 连结 四 个 亚 基 碳酸 酝 酶 30,000 Zn 1 与 蛋白 质 紧 密 相连 3] 时 ， 四 级 结构 也 随即 破坏 ， 蛋 白质 则 解 离 为 亚 基 ， 或 者 三 级 结构 局 部 受 破坏 ， 其 生理 活性 则 减弱 或 趟 失 。 蛋 白质 中 的 金属 键 的 位 置 与 作用 如 表 1-4 Pra. (=) 蛋白 质 的 二 级 结构 4 蛋白 质 的 二 级 结 $ 构 是 指 蛋白 质 分 子 的 肽 链 的 螺旋 卷曲 或 折 闪 所 成 的 空间 结构 。 氢 键 可 用 来 维持 “- 螺 旋转 之 间 及 肽 链 HF HS 片 状 结构 的 稳定 性 。 «AYE x Sat 25 AG St PE BO 蛋白 质 的 空间 构 型 是 遵循 严格 的 键 长 、 键 角 的 规定 。 纤 维 状 蛋白 是 最 初 被 研究 最 多 的 一 种 。 首 先 美国 的 鲍 林 (Pauling) 等 认为 这 种 蛋白 质 的 肽 链 呈 螺旋 卷曲 ， 螺旋 每 上 升 一 转 ， 升 高 5.4 A， 其 中 共 包 含 3.7 个 氨基 酸 残 基 。_ 螺旋 主要 是 靠 氢 键 来 维持 其 稳定 性 。 当 氧 键 受到 破坏 ， 其 紧密 的 空间 就 变 得 松散 ， 肽 链 就 展开 ， 蛋 白质 随 之 变性 。 天 然 蛋白 质 形状 可 分 为 两 大 类 : 一 是 纤维 状 蛋 白 ， 一 是 球状 蛋白 。 在 生 物体 中 球状 蛋白 占 绝 大 多 数 。 近 年 来 由 于 结构 分 析 技术 的 进展 ， 认 为 球状 蛋 白 的 肽 链 既 有 螺旋 结构 (图 1-2) 也 有 片 状 结构 (图 1-3)。 因 此 ，c- 螺 旋 Bin? «Rae 结构 及 片 状 结 构 为 蛋白 质 二 级 结构 的 基本 构象 。 (三 ) 蛋白 质 的 三 级 结构 蛋白 质 的 三 级 结构 是 在 二 级 结构 的 基础 上 进一步 弯曲 盘 绕 成 更 复杂 的 构 型 。 这 种 结构 主要 由 盐 键 、 气 键 和 芷 水 键 来 维持 的 。- 经 过 这 样 的 盘 绕 和 弯曲 后 ， 蛋 白质 多 肽 链 虽 然 很 长 ， 由 于 二 、 三 级 结构 的 存在 ， 蛋 白质 变 为 更 紧密 的 空间 结构 s 例如 ， 由 1534 32 ia age Sea $e RATA 届 PR Ye 家 ‘ia te aay ‘ ome * eek Oe ee -图 1-3 蛋白 质 片 状 结构 ea” ee 的 肌 红 蛋白 1-4), AIA KH RS a eae REE A 有 一 条 肽 链 的 蛋白 质 只 有 三 级 结 构 ， 而 无 四 级 结构 。 (四 ) 蛋白 质 的 四 级 结构 -蛋白质 的 四 级 结构 是 由 几 个 . 图 1 -4 册 红 性 自 三 级 结构 或 数目 个 以 上 的 亚 基 形 成 的 。 而 ee + 图 1-5 烟草 斑纹 病毒 四 级 结构 eee te faethe _ 级 、 一 级 和 三 级 结构 的 基础 “下 形成 的 蛋白 质 小 单位 。 亚 基 之 间 借助 于 氨 键 、 盐 键 、 朴 水 键 和 ” 范 德 华 引力 等 稳定 其 结构 - Glin, (APA ia, OPRAH 40,000,000, 分子 的 形 态 是 以 蛋白 质 ( 含 95% ) 为 外 这 、 核 酸 ( 含 5%) 为 轴 心 的 螺旋 排 列 的 柱状 体 。 分 子 的 大 小 为 50~180Ax3000A， 分 子 中 共有 2300 个 相同 的 蛋白 质 亚 基 〈( 见 图 1-5)， 每 个 亚 基 的 分 子 量 为 18,000， 亚 基 之 间 以 氢 键 等 连结 而 排列 成 一 个 厚 壁 空心 简 。 分 子 中 的 核酸 呈 遍 圆 盘 状 与 轴 平 行 。 蛋白 质 空间 结构 的 研究 ， 是 生化 研究 领域 中 的 重要 课题 之 一 。 一 九 六 五 年 我 国 在 世界 科学 史上 第 一 次 人 工 合成 胰岛 素 成 ” 功 ， 开 创 了 揭 开 生命 奥秘 的 新 一 页 。 后 来 ， 采用 X- 射 线 衍射 法 研究 胰岛 素 的 空间 结构 ， 又 取得 了 新 的 成 果 。 目 前 对 蛋 和 白质 结 构 分 析 的 分 辩 率 达到 了 1.8 人 的 先进 水 平 。 : SEAT 妥 白 质 的 理化 性 质 - 一 、 蛋 白质 的 分 子 量 蛋白 质 在 溶液 中 不 稳定 ， 易 受理 化 因素 的 影响 而 变性 。 所 以 通常 用 来 测定 分 子 量 的 方法 如 ， 燕 汽 密度 法 、 沸 点 升 高 法 等 均 不 能 适用 于 蛋白 质 分 子 量 的 测定 。 就 是 利用 冰点 下 降 法 测定 蛋 自 质 分 子 量 也 是 不 准确 的 ， 因 为 ， 蛋 白质 分 子 量 很 大 ， 即 使 百 分 浓 度 很 高 的 蛋白 质 溶液 ， 其 冰点 下 降 的 数值 也 很 小 。 同 时 ， 在 蛋白 质 制品 中 很 难免 夹杂 有 微量 的 盐 类 ， 这 会 影响 其 测定 的 准确 性 。 比 较 适 用 于 测定 蛋白 质 分 子 量 的 方法 ， 主 要 有 下 列 几 种 ， 现 将 其 测 定 的 原理 分 别 阐 明 如 下 ， (一 ) 超 离心 沉降 速度 法 的 原理 蛋白 质 溶液 是 一 种 胶体 溶液 ， 其 胶体 粒子 在 溶液 中 能 产生 不 规则 的 扩散 ， 这 种 运动 称 为 布朗 运动 。 但 是 ， 在 重力 作用 下 ， 胶 体 粒 子 下 沉 ， 这 种 现象 则 称 为 沉降 。 扩 散 与 沉降 是 两 个 相反 的 作 用 。 当 两 者 的 速度 相等 时 ， 即 达到 沉降 平衡 。 胶 体 粒子 的 大 小 与 沉降 速度 成 反比 ， 胶 体 粒 子 愈 小 ， 达 到 平衡 所 需 时 间 就 合 长 。 为 34 ”了 加 速达 到 沉降 平衡 ， 则 须 施 以 远 远 超过 重力 加 速度 的 离心 力 ， 。” ， 才 可 达到 目的 。 超 离心 沉降 速度 法 就 是 根据 这 种 作用 原理 。 采 用 ”超速 离心 机 以 每 分 钟 60000~80000 转 的 速度 旋转 ， 产 生 强大 的 由 于 蛋 自 质 分 子 的 密度 大 于 溶液 的 密度 ， 蛋 白质 在 溶液 。 中 的 颗粒 就 离开 旋转 轴 方 向 而 大 大 地 加 速 其 沉降 。 因 此 ， 测 得 了 ae 。 午 自 质 的 沉降 速度 和 人 它 的 扩散 常数 ， 就 可 以 用 下 式 推算 出 蛋白 质 RT _ du/at - cor D(i—vp) ~ ow | ae Bs 式 中 人 一 一 蛋白 质 的 分 子 量 区 ee 工 一 一 绝对 温度 RR HE BC(0.082 升 . 大 气压 / 度 ) 4 it .134x/d 一 一 沉降 速度 (厘米 / 秒 ) / oo : co— Ff ik BE (aM. BE / BD) 4 一 一 离心 机 机 轴 至 蛋白 质 微 粒 间 的 距离 (厘米 ) D—# Ru D=—-—-) "HE 〈 以 厘米 2/ 秒 表示) ,一 蛋 自 质 的 微分 比 容 〈 即 蛋白 质 密度 的 倒数 或 一 克 蛋 白质 的 体积 ) ?一 一 委 白 质 溶液 中 溶剂 的 密度 上 式 可 简化 为 : 0 了 (1 一 vp) For g=efet aS s 表示 一 个 单位 的 离心 场 中 的 沉降 速度 ， 称 为 蛋白 质 的 沉降 0 常数 。 其 量度 单位 以 秒 计 。1 x 10-43 秒 为 一 个 Svedbeg 单 位 ( S )， 一 般 蛋 白质 的 Svedberg 单位 为 1~200 S 。 因 此 ， 可 用 S 值 来 表 示 蛋 白质 分 子 的 大 小 SRK, ORBEA; SD, OF RB 小 。 所 以 ， 也 同样 可 用 S 值 表示 其 它 生 物 高 分 子 的 大 小 。 et Ss ean 4 es ' x , . ao ek by Nate coat C108 ge A Oe Ca he Se ee Te ee yee eee we es ee, > 全 R ta. Sinn 35 eh om aie o's A ya Lao I hy 4 a, (=) 渗透 压 法 的 测定 原理 . 当 溶 液 与 纯 溶剂 用 理想 的 半 透 膜 隔 开 时 ， 为 了 使 纯 溶剂 不 渗 入 溶液 ， 而 必须 在 溶液 面 上 加 压力 ， 此 压力 称 为 该 溶液 的 渗透 压 。 例 如 ， 人 工 制 造 的 亚 铁 氨 化 铜 半 透 膜 具有 良好 的 半 渗 透 性 的 性 能 。 由 于 和 蛋白质 分 子 量 大 ， 不 能 通过 半 透 膜 。 而 水 及 小 分 子 物 质 、 离 子 等 则 可 以 通过 半 透 膜 。 国 而， 可 把 蛋白 质 溶液 装 在 半 透 BAH, RNA RAB, RARE AMT, BBR 压 与 蛋白 质 的 渗透 压 恰 相 等 时 ， 此 溶剂 分 子 进出 半 适 膜 的 扩散 速 度 达 到 动态 平衡 的 静水 压 ， 其 袋 内 外 液 柱 之 差 〈 以 王 表示 ) BA 和 蛋 白 质 的 渗透 压 。 由 于 稳 溶 液 的 性 质 接近 理想 气体 ， et A 分 子 量 ; PV=nkRT= aR 式 中 一 一 蛋白 质 殉 数 卫 一 一 测定 的 渗透 压 〈 以 大 气压 表示 ) V —& ¢ 克 蛋 白质 溶液 的 体积 (以 升 表示 ) 7 一 一 绝对 温度 (zc + 273) 及 一 一 气体 常数 (0.082 升 ， 大 气压 / 克 分 子 / 度 ) 表 1-5 蛋白 质 的 分 子 量 名 称 超 离心 沉降 法 渗 透 压 法 核糖 核酸 酶 14,000 15,000 i 2&8 Be 35,000 36,000 2- 球 蛋白 180,000 177,000 血红 蛋白 68,000 67,000 血清 蛋白 69,000 69,000 36 od as an * s aa 人 二 CP PE) ev ae "Pee NT Manet) Me he yea ey One et 4 i, A) CRA tr . *S. he ay ¥ r 办 hare id 了 La ro : 多 et SO + 2 ;— ~ ¢ a 和 下 本 4 RE (j DL Lea IW AAR DL FERRE, JHE 1-5. be (= ) cppaheogae Re IER. CRAMER, t+ ee RimeNe STEAMER. 故 称 为 SDS- 凝 胶 电 泳 法 ， 此 —— 法 也 可 应 用 于 分 离 提 纯 蛋白 质 。 六 SDS 是 一 种 阴离子 去 污 剂 ， 它 在 一 定 条 件 下 可 与 蛋白 质 分 子 岂 .结合 而 形成 带 阴 离子 的 SDS- 蛋 白质 复合 物 ， 在 电场 作用 下 ,该 复 二 合 物 向 阳极 移动 。 其 移动 的 速率 及 距离 与 蛋白 质 分 子 量 的 大 小 有 。， ， 关 。 据 此 ， 就 可 用 已 知 分 子 量 的 蛋白 质 的 对 数 对 其 在 SDS- 凝 Be 电泳 中 的 泳 动 率 作 图 ， 得 到 一 直线 关系 ， 称 为 标准 曲线 。 然 后 在 中 对 照 而 求 出 蛋白 质 的 分 子 量 。 此 法 重复 性 好 ， 操 作 简 便 ， 且 准 WETS = | 二 、 重 白质 的 两 性 解 离 及 等 电 点 氨基 酸 具 有 两 性 解 离 及 等 电 点 ， 蛋 白质 也 具有 这 种 性 质 。 由 “于 时 自 质 所 含 氨 基 酸 的 种 类 和 数目 众多 ， 并 且 尚 有 许多 侧 链 上 各 种 基 团 的 离 解 〈 例 如 ，8-NH2、?;-GQGOOH、p8-GOOH 、 酚 基 、 咪 唑 ” 基 及 肌 基 等 基 团 ), 因 而 ， 其 解 离 情况 比较 复杂 。 尽 管 如 此 ， 蛋 白 质 总 的 解 离 和 等 电 点 性 质 仍 可 按 下 式 表 示 : Hz COOH NE on] NH,t Ht Ht oe enc ioe = ery CO”. > On COOH 蛋白 质 阴 离子 蛋白 质 两 性 离子 蛋白 质 阳 离子 ( 往 : 了 一 一 蛋白 质 ) 从 上 式 可 知 ， 蛋 白质 也 是 一 种 两 性 电解 质 ， 同 样 能 按 化 学 规 37 同样 条 件 下 ， 测 定 未 知 蛋 白质 分 子 量 的 泳 动 率 ， 即 可 从 标准 曲线 “ 5 < re ae eer Kiet ws ey ee aes ‘ a te ee ba i ed a toa, 律 与 定量 的 酸 或 奏 化 合成 盐 。 其 成 盐 反应 为 : H,* NH, Jt ®\coo- +H | PCa si 蛋白 质 盐酸 盐 Sy H ee Be +NaQOH—»>» Ee , | -Nat+H,0 COO- COO 蛋白 质 钠 盐 也 就 是 说 ， 在 酸性 环境 中 ， 和 蛋白 质 分 子 各 基 团 离 解 的 结果 ， 其 正 电 荷 数 比 负 电荷 数 多 ， 使 整个 蛋白 质 分 子 带 上 正 电 荷 。 若 改 变 溶液 的 P 互 值 ， 使 之 由 小 到 大 或 由 大 到 小 ， 蛋 白质 分 子 上 的 电 荷 便 产 生 一 个 量变 到 质变 的 变化 ， 即 由 带 正 电荷 变 为 带 负 电荷 或 由 带 负 荷 变 为 带 正 电荷 。 在 这 个 电荷 随 PH 值 变化 而 变化 的 过 程 中 ， 总 能 控制 到 某 一 pH 值 ， 使 蛋白 质 分 子 上 的 正 负 电荷 相等 ， 准 电 荷 为 零 ， 整 个 蛋白 质 分 子 呈 两 性 离子 存在 ， 在 电场 中 既 不 同 阳极 移动 ， 也 不 向 阴极 移动 。 此 时 的 PHA, PAR AMA 点 (以 PI 表 示 )。 _ 般 溶 于 水 的 天 多 数 蛋白 质 ， 其 次 基 的 离 解 程度 大 于 氨基 的 离 解 。 为 使 其 两 者 的 离 解 程度 相等 ， 达 到 其 等 电 点 状态 ， 就 必须 增加 溶液 中 的 氢 离 子 浓度 ， 以 抑制 蛋白 质 分 子 中 羧基 的 离 解 。 所 以 ， 此 类 蛋白质 的 等 电 点 一 般 是 偏 于 酸性 。 相 反 ， 当 和 蛋白 质 分 子 中 氨基 的 离 解 程度 大 于 羧基 的 离 解 ， 其 等 电 点 则 偏 于 奏 性 。 当 和 蛋白 质 溶液 处 于 等 电 点 时 ， 其 溶解 度 、 粘 度 、 渗 透 压 、 朋 胀 性 及 导电 能 力 均 降 为 最 低 值 。 蛋白 质 分 子 中 由 于 所 含 氨基 酸 种 类 、 数 目 、 空间 构 型 以 及 所 含 其 它 离 解 基 团 的 不 同 ， 故 不 同 蛋白 质 就 有 不 同 的 等 电 点 《 见 表 1-6)。 根 据 这 一 性 质 ， 各 种 蛋白 质 在 同一 P 互 值 的 溶液 中 ， 具 有 不 同 的 带电 性 ， 其 在 电场 中 的 移动 的 方向 、 速 度 就 各 有 差别 。 因 而 ， 可 用 电泳 法 把 和 蛋白质 从 混合 液 中 分 离 出 来 。 38 . oe at ¥ 下 er a | = a eee an GPS aan OES ee ea ee ee 5 Big2 Ne ahs Wath ciate, hoa” heel oS AE a pak ite ig er eS Sos Dl ak © oo set r=. NR ET Cs aunt x ; > je . cr en e 区 几 种 蛋白 质 的 等 电 点 Se ry pA (pI ff) 4.10 核糖 核酸 酶 9.43 4.50 ZIRE 6.50 5.90 血红 和 蛋白 人 10.60 Be ARS 2.50 5.35 bo 7B 2.20 4.75 , RAR 11.86 =, SARA Be _ 蛋 自 溶液 是 一 种 胶体 溶液。 蛋白 质 颗 粒 直径 在 10~.1000 人 ， 之 间 ， 它 分 散在 溶液 中 与 普通 胶体 质点 一 样 具 有 布朗 运动 、 丁 道 尔 现象 、 电 泳 ， 不 能 透 过 半 透 膜 及 具有 吸附 能 力 等 胶体 溶液 的 特 性 | 蛋白 质 溶液 是 一 种 亲 水 胶体 (或 称 乳胶 )， 这 种 胶体 浴 窜 液 的 形 成 ， 主 要 有 如 下 两 个 原因 ， 促 使 其 胶体 质点 在 溶液 中 的 稳定 性 ; (一 ) 蛋白 质 的 水 化 作用 ”一 GOOH ,一 OH 一 GONH 一 等 )， 它 们 具有 亲 水 性 质 , 故 称 为 亲 水 基 。 它 们 和 水 接触 时 能 起 水 化 作用 ， 吸 聚 着 水 分 子 ， 使 蛋白 质 颗 粒 被 水 化 层 ( 或 称 水 化 膜 ) 所 包围 ， 使 各 个 颗粒 彼此 分 离开 来 ， 从 而 增强 蛋白 质 溶液 的 稳定 性 ， 阻 止 蛋 白质 颗粒 从 溶液 中 沉淀 析 出 。 (二 ) 电荷 作用 2 ee 蛋白 质 是 两 性 离子 ， 在 酸性 溶液 中 颗粒 带 正 电荷 ， 在 雁 性 溶 “” 滚 中 颗粒 则 带 负 电荷 。 在 一 定 的 pH 值 的 溶液 中 ， 蛋 白质 颗粒 带 有 相同 的 电荷 。 由 于 同性 电荷 互相 排斥 ， 也 使 蛋白 质 颗 粒 互相 隔 开 而 不 会 粘 合 在 一 起 。 这 就 增强 蛋白 质 溶液 的 稳定 性 。 .9 1% 7 下 六 ern Aa) oe. ae bie pe Sel. *% : a —- eee ee ee Te et Pp OR ee ee Pe ee Pee 和 蛋白质 分 子 中 的 多 肽 链 上 含有 多 种 极 性 基 困 (如 一 NH2、 . ‘ ee - A ees. Ses re era ~~ 亲 水 胶体 (或 乳胶 ) 还 具有 一 种 特性 ， 即 在 某 些 条 件 下 ， 它 可 以 由 溶胶 状态 变 为 凝 胶 。 族 胶 是 不 对 称 胶体 颈 粒 的 特性 ， 即 在 颗粒 周围 由 水 分 于 所 胸 成 的 水 膜 是 不 均匀 的 ， 有 的 部 分 水 化 作用 强 一些 ， 而 有 的 部 分 则 水 化 作用 罚 一 些 。 颗 粒 结构 的 不 对 称 性 就 使 得 它们 彼此 以 一 定 部 位 结合 。 这 样 ， 原 来 在 水 分 子 中 自由 来 往 的 颗粒 ， 就 彼此 连结 起 来 成 为 长 链 。 这 些 长 链 又 彼此 结合 成 为 复杂 的 网 状 结构 ， 在 网 眼 中 水 分 子 被 牢固 地 保持 着 ， 并 且 失 去 其 活动 性 。 在 凝 胶 里 面具 有 两 种 不 同形 态 的 水 一 种 是 化 合 态 的 水 ， 它 被 蛋白 质 胶体 粒子 吸 牢 着 ， 另 一 种 是 游离 态 水 ， 存 在 于 胶体 粒子 之 间 的 毛细 管 空间 。 因此 ， 溶 胶 是 一 种 蛋白 质 颗 粒 分 散在 水 中 所 形成 的 胶体 ， 而 凝 胶 可 以 看 成 水 分 散在 蛋白 质 颗粒 之 中 所 形成 的 胶体 。 干燥 过 的 凝 胶 ， 置 于 水 中 能 吸收 大 量 的 水 分 ， 同 时 其 体积 增 ”大 ， 变 成 柔软 具有 弹性 的 胶 块 ， 这 种 作用 称 为 膨胀 ， 同 时 产生 很 大 的 压力 。 温 度 升 高 时 ， 胶 粒 间 的 结合 力 便 降 低 而 彼此 分 离 。 为 了 有 利于 蛋白 质 生 理 活性 的 保存 ， 往 往 采 用 冰冻 干燥 的 方法 ， 使 蛋白 质 外 层 水 膜 和 和 蛋白质 颗粒 之 间 的 自由 水 ， 在 低温 下 结 成 冰 ， 然后 在 高 真空 下 升华 除去 水 分 而 达到 干燥 保存 的 目的 。 - YY, RAMEE 前 面 已 提 及 ， 和 蛋白 质 胶体 溶液 的 稳定 因素 主要 是 由 于 蛋白 质 的 水 化 作用 和 在 一 定 PH AR PEP rar AST PE EFA. 如 果 利 用 外 界 条 件 设 法 破坏 这 两 种 因素 ， 和 蛋白 质 就 失去 其 稳定 性 而 凝聚 并 沉淀 析出 ， 这 种 作用 称 为 蛋白 质 涡 演 作 用 。 酒精 、 两 酮 等 有 机 溶 州 ， 其 亲 水 性 大 于 蛋白 质 分 子 ， 它 们 可 与 大 量 水 分 子 相 缔 合 ， 使 蛋白 质 颗粒 表面 的 水 分 子 层 (或 水 化 膜 ) 逐渐 消失 ， 这 些 物质 称 为 脱水 剂 。 当 脱水 剂 破坏 了 水 化 膜 后 ， 和 蛋 白质 颗粒 处 于 不 规则 的 扩散 过 程 中 ， 颗 粒 之 问 互 相 碰撞 ， 在 分 子 的 亲和力 (内 聚 力 ) 的 影响 下 ， 聚 合 形成 大 颗粒 ,溶液 先 发 生 浑浊 ， 40 pause, semocve or. 车 蛋白 质 溶液 加 入 电解 质 或 调整 溶液 的 PH 值 至 该 蛋白 质 的 ”等 电 点 ， 蛋 白质 颗 粒 就 失去 电荷 。 但 因 颗 粒 表面 仍 有 水 膜 的 保护 ”作用 ， 仍 不 能 形成 沉淀 ， 如 果 此 时 加 入 脱水 剂 除去 水 化 膜 ， 则 颗 。 粒 便 凝 聚 而 沉淀 析出 。 若 先 加 入 脱水 剂 然 后 中 和 其 电荷 ， 也 同样 使 蛋白 质 沉淀 析出 。 从 蛋白 质 的 溶胶 状态 《〈 即 乳胶 ) 直至 沉淀 析出 所 经 历程 如 图 1-6 所 示 。 He “OH Or O-C | coxa | CREAR) | (脱水 剂 ) JO O +2 图 1-6 蛋白质 沉 演 作用 示意 图 。 蛋 自 质 的 沉 作 用。 实际 上 就 包括 了 蛋白 质 的 盐 析 作用 和 朋 水 作用 = 一 在 蛋白 质 溶液 中 加 入 大 量 电解 质 ， 如 硫酸 铵 、 硫 酸 钠 和 氧化 ， 钠 等 奏 金 属 中 性 盐 ， 用 相反 离子 中 和 了 和 蛋白质 的 电荷 及 破坏 其 水 化 膜 ， 使 重 白质 沉淀 析出 ， 这 种 电解 质 盐 类 使 蛋白 质 沉淀 析出 的 作用 ， 称 为 盐 析 作用 。 ”不 同 种 类 的 离子 对 蛋白 质 有 不 同 的 盐 析 能 力 ， 按 这 种 能 力 强 弱 所 排列 的 顺序 称 为 感 胶 离 子 序 。 其 感 胶 离子 序 的 排列 如 下 : Mgt+>Catt>srtt>BattSLit>Nat>Kt>Rbt>Cst CeHsOy (Fr te BHR) >CH.O, 〈 酒 石 酸根) 一 SO4 >>CHsCGOO- >GCl- >NOs >I >CNS- 不 同 蛋 白质 盐 析 出 所 需 盐 类 浓度 是 不 同 的 。 因 此 ， 可 用 不 同 ” 狂 度 的 盐 溶 液 使 不 同 蛋白 质 分 段 沉淀 析出 而 加 以 分 离 ， 这 种 作用 称 为 分 段 盐 析 。 这 一 作用 在 实践 中 得 到 广泛 的 应 用 。 例 如 ， 微 生 4] 物 发 酵 生 产 酶 制剂 就 是 采用 盐 析 作 用 原理 ， 从 发 酵 液 中 分 离 提取 出 来 的 。 盐 析 作 用 是 一 种 可 逆 过 程 ， 在 一 定 条件 下 可 以 重新 溶解 并 恢复 原来 的 生理 活性 。 因 此 ， 盐 析 方 法 在 生化 分 离 技术 上 应 用 ， 较 广 泛 。 在 蛋白 质 等 电 点 时 加 入 酒精 或 丙酮 等 脱水 剂 也 可 使 蛋 自 质 沉 淀 析出 。 这 种 作用 生成 的 沉淀 在 短 时 间 内 也 是 可 逆 的 。 若 放置 时 间 太 长 则 成 为 不 可 逆 的 沉淀 。 另外 ， 重 金属 盐 类 (如 Ga** Hg**, Pb** 、Ag vvEe 等 所 成 盐 类 ) 和 生物 奏 试 剂 (如 苦味 酸 、 靶 酸 、 三 氯 乙酸 、 黄 血 盐 、 磷 钨 RB. BARS) 均 为 蛋白 质 的 沉淀 剂 。 前 者 是 在 礁 性 溶液 中 ， 与 ”蛋白 质 结合 成 不 溶性 的 重金 属 -蛋白 质 复合 物 而 沉淀 析 出 。 后 者 则 在 酸性 溶液 中 与 蛋白 质 结合 ， 生 成 蛋白 盐 复 合 物 而 沉淀 析出 。 coO0- oH- COO- Agr COO'Ag+ ek = ee nei 金属 蛋白 复合 物 JOO Ht COOH CC1,COO- /COoH 一 P ANHs+ \yu;t \NH,OOCCCI, + 蛋白 质 复合 盐 fi, RAVAN EEE A 天 然 蛋白 质 分 子 都 有 紧密 的 特殊 空间 结构 ， 决 定 其 具有 特殊 生理 功能 与 活性 。 如 果 ， 蛋 白质 受到 外 界 各 种 因素 的 作用 ， 使 其 构成 空间 结构 的 氢 键 等 副 价 键 受到 破坏 ， 和 蛋白 质 的 二 级 、 三 级 结 构 破坏 ， 天 然 蛋白 质 的 空间 构 型 解体 ， 有 秩序 的 螺旋 构 型 、 球 状 构 型 变 为 无 秩序 的 伸展 肽 链 ， 使 天 然 蛋白 质 的 理化 性 质 改变 并 失 去 原来 的 生理 和 生理 活性 ， 这 种 作用 称 为 蛋白 质 的 变性 作用 。 换 言 之 ， 蛋 白质 的 变性 作用 是 外 界 条 件 作 用 于 蛋白 质 分 子 ， 使 其 内 ， 部 构 型 发 生 改 变 的 结果 。 而 其 分 子 组 成 及 分 子 量 并 没有 改变 。 42 (一 ) 蛋白 质变 性 的 外 界 因素 1. 物理 因素 如 加 热 、 紫 外线、 超声 波 、 强烈 的 搅拌 振荡 及 各 种 放射 线 (如 和 -射线 、”- 射 线 、 电 磁 波 、 快 中 子 等 ) 均 能 引起 蛋白 质变 性 。 这些 物理 因素 均 具有 较 高 能 量 ， 一 方面 促使 蛋白 质 分 子 的 剧烈 运 ” ， 动 ， 分 子 间 互 相 磁 撞 ， 破 坏 了 氢 键 ， 另 方面 ， 这 些 能 量 也 足以 破 “。” 坏 其 构 型 中 的 气 键 或 其 它 副 价 键 ， 从 而 引起 蛋 自 质 空间 构 型 的 改 STARR. E> 2. 化 学 因素 | fn Th GB RATT BE EP RPE 重金 属 盐 能 与 蛋白 质 侧 链 上 的 一 SH,\ 一 GOOH`. -< 》- 一 0OEE 等 基 团 作用 ， 生 成 难 溶 于 水 的 蛋白 质 盐 ， CORT RA 空间 构 型 而 变性 。 强酸 、 强 奏 的 作用 主要 是 破坏 蛋白 质 中 的 盐 键 和 酯 键 等 副 价 键 ， 使 蛋白 质 二 级 、 三 级 结构 受到 破坏 而 变性 。 ，， 脲 是 一 种 常用 的 蛋白 质变 性 剂 ， 它 具有 特别 高 的 解 电 常数 而 能 破坏 氨 键 等 副 价 键 而 引起 蛋白 质 二 级 、 三 级 结构 的 改变 而 变 性 。 其 他 化 学 试剂 在 不 同 程度 上 也 起 类 似 的 作用 。 (=) 变性 后 蛋白 质 的 特性 蛋白 质变 性 后 ， 往 往 发 生 一 系列 物理 .化 学 和 生物 学 功能 及 生理 活性 的 改变 。 1。 物理 性 质 的 改变 蛋白 质变 性 后 失去 了 天 然 蛋白 质 的 结晶 能 力 ， 由 于 氢 键 等 副 价 键 破坏 ， 蛋 白质 空间 构 型 解体 ， 原 来 卷曲 在 球状 体内 部 的 疏水 CO 基 团 暴露 在 表面 ， 破 坏 了 水 化 膜 ， 从 而 导致 溶解 度 降低 ， 由 于 和 蛋 自 质 空间 构 型 变 为 兹 乱 而 又 散漫 的 状态 ， 使 分 子 摩擦 力 增 大 而 增 加 蛋白 质 的 粘度 。 同 时 ， 使 分 子 的 扩散 系数 降低 。 2， 化 学 性 质 的 改变 43 上 天 pe aA Bae >, ay ices oe eee kine hs i Celie An . 4 a A et ee ee a OT Ne The te a ee TREES Age Eee . 蛋白 质变 性 后 ， 有 些 蛋 白质 分 子 的 侧 链 基 团 ; WIE, DRM 基 、 了 酚 基 和 羟基 等 暴露 出 来 。 故 它们 与 相应 的 试剂 起 反应 ， 测 定 ” 这 些 基 团 的 姑 露 程度 ， 可 以 判断 蛋白 质 的 变性 程度 。 变 性 后 的 蛋 白质 更 易 为 蛋白 酶 所 水 解 ， 而 易于 被 消化 。- 3. 生物 学 功能 及 生理 活性 的 改变 生理 功能 及 活性 的 减弱 或 形 失 ， 这 是 变性 蛋白 的 主要 特征 。 例如 ， 有 具有 催化 功能 的 酶 ， 酶 蛋白 变性 后 ， 则 失去 其 催化 活性 。 因为 酶 催化 某 种 化 学 反应 时 ， 必 须 具 有 由 许多 基 团 构成 一 定位 置 和 方向 的 活性 中 心 ， 蛋 白质 变性 后 ， 其 空间 构 型 解体 ， 活 性 中 心 各 基 团 相互 分 散 ， 互 不 相关 ， 活 性 中 心 解体 而 失去 原来 的 催化 活 性 。 其 它 生 理 功 能 同样 要 求 一 定 的 空间 构 型 ， 空 间 构 型 体 ; SE 白质 变性 后 同样 其 生理 活性 也 随 之 形 失 。 如 血红 蛋白 拓 去 载 送 氧 ， 的 功能 ， 抗 体 蛋 白 失 去 免疫 能 力 ， 激 素 蛋 白 失 去 调节 代谢 功能 以 ， 及 病毒 蛋白 失去 致 病 能 力 等 等 。 蛋白 质变 性 作用 的 理论 ， 无 论 在 理论 上 和 实践 上 均 具 有 重要 意义 。 我 国生 化 学 者 吴 宪 于 一 九 三 一 年 首先 提出 这 个 理论 概念 ， 而 且 经 过 几 十 年 的 研究 证 明 ， 吴 宪 所 曾 明 的 蛋白 质变 性 作用 机 制 基本 上 是 正确 的 。 当 然 ， 还 有 许多 理论 性 问题 有 待 于 进一步 研究 解决 。 光头 蛋白 质变 性 作用 的 应 用 是 多 方面 的 ， 它 不 仅 在 工 、 农 、 医 有 着 广泛 的 应 用 ， 而 且 在 理论 上 对 于 阐明 蛋白 质 结构 与 功能 关系 等 问题 具有 重要 的 意义 。 | 在 发 酵 工 业 生 产 及 研究 工作 中 经 常 要 牵涉 到 蛋白 质 这 二 活性 物质 。 在 工艺 操作 及 分 析 分 离 工作 中 均 必 须 选 择 适当 的 方法 、 条 件 ， 根 据 生 产 的 工艺 要 求 ， 有 时 必须 设法 防止 其 变性 ， 有 利于 保 持 其 原来 的 生理 活性 ， 有 时 设法 促使 其 变性 。 例 如 发 酵 生 产 酶 制 剂 ， 就 必须 尽量 设法 使 微生物 合成 更 多 的 酶 并 在 提取 、 后 燥 、 保 藏 等 工艺 条 件 必 须 有 利于 保持 其 催化 活性 在 操作 过 程 中 注意 保持 低温 ， 吕 免 强酸 、 强 碱 、 重 金属 盐 类 及 防止 振荡 等 条 件 。 相 反 ， 44 ii hake niet ee < r nes ds en Poi , x, BOR SER RAAT AANA, MULT RRANMITE. seh 。 现 各 种 颜色 。 其 主要 的 显 色 反应 有 下 列 用 种 ， (一 ) 双 缩 腺 反应 pe 将 尿素 (NHGONH2) 加 热 至 132"C， 则 两 分 子 尿 素 缩合 生成 WRI IEW AER, TEMPER RS SE A ~PTERAM, RK-ZARMKOWAREM, KRM, 3 /NHs NH, | 132°C 2G 一 0 ——4C=0 +NHs ‘ a C=O * = 7 ; \wH, 尿素 WHA i HO—NH,——Cu-—_NH, OH eg i 20=0 C 一 0 C 一 0 ANNH +CuSO,+4 KOH= ANNH ONE +K,SO4 G0 f. .. in C=O BY Ss K—NH,-OH K—NH,—OH AiR AAA oy BS 蛋白 质 分 子 中 含有 许多 肽 键 (一 GONH 一 )， 故 可 呈 此 反应 。 KARE RRO, MEM BET, SHIRE. 故 可 王 利用 此 反应 的 颜色 变化 以 观察 蛋白 质 的 水 解 程度 。 凡 含有 两 个 以 上 肤 键 的 其 他 化 合 物 ， 如 草 酰 二 胺 (H,.N—GO—CO—NH,), W 二 酰胺 (HzsN 一 GO 一 NH: 一 GO 一 NH2) 等 也 能 呈 此 反应 。 45 (=) 黄 蛋 白 反应 蛋白 质 在 浓 硝 酸 溶液 中 会 产生 黄色 反应 ， 中 和 后 转变 为 栖 色 。 这 是 因为 硝酸 与 蛋白 质 分 子 中 所 含 的 葵 环 氨基 酸 ( 如 酷 氨 酸 、 A PSE SPER) RS A PET Fed 5 JE We ce as (=) Ke (Millon) RE 蛋白 质 溶 液 中 加 入 米 伦 试 剂 CHIARA. TAMIL AR AL RR 配制 而 成 )，. 经 加 热 起 反应 生成 砖 红色 的 沉淀 。 这 是 由 于 和 蛋白质 中 含有 酚 基 的 酷 氨 酸 在 酸性 条 件 下 与 汞 作用 生成 的 呈 色 反应 。 一 般 蛋 白质 中 皆 含 有 酷 氨 酸 ， 故 均 能 呈 此 反应 。 (四 ) 乙 醛 酸 反应 . 蛋白 质 溶液 中 加 入 乙 醛 酸 ， 经 混合 后 ， 缓 慢 地 加 入 浓 硫 酸 ; 硫酸 沉 在 底部 ， 液 体 分 为 两 层 ， 在 两 层 界 面 处 出 现 红色 、 绿 色 或 紫色 环 ， 摇 动 后 则 全 部 混合 为 此 色 。 这 是 蛋白 质 中 的 色 氨 酸 与 乙 _ 醛 酸 缩合 的 呈 色 反应 。 BAT “和 蛋白质 的 分 类 蛋白 质 结 构 较为 复杂 ， 和 蛋白 质 的 分 类 目前 还 不 能 按 其 化 学 结 构 而 分 类 。 一 般 按 其 组 成 和 性 质 分 类 。 通 常 把 它 Ea AAU Ai 和 结合 蛋白 质 两 大 类 ， 大 类 又 分 为 亚 类 和 次 亚 类 。 一 、 单 纯 重 白质 当 蛋 白质 水 解 时 ， 一 般 是 指 其 水 解 产 物 仅 为 氨基 酸 者 称 为 单 纯 蛋 白质 。 单 纯 蛋 白质 按 其 在 水 中 或 其 它 溶剂 中 的 溶解 度 、 沉 演 所 需 盐 类 的 浓度 、 分 子 大 小 及 来 源 等 的 不 同 ， 又 可 分 为 eA 类 、 球 蛋白 类 、 谷 蛋白 类 、 醇 溶 谷 蛋白 类 、 精 蛋白 类 和 硬 蛋 自 类 等 七 种 。 一 ) 清 蛋白 类 ERE ARIAT A, INGE, ARM. Se TRAE ALIS 46 x PS eae VO ca eM eee A Ae me Oe yee a gS ood ON iF bal ot tet ms 四 oe ‘ 4 ap ion : ; apron, seem, Sea — Hy 4.5~ a o- OD (=) 球 蛋白 类 此 类 蛋白 质 不 溶 于 水 ， 溶 于 中 性 稀 盐 溶液 ， 加 热 蜂 因 ， 为 有 PUTT. INRA WAAL MET, SEH ho - AAPI) Ay 5.5~6.5, < 清 蛋白 类 与 球 蛋 白 类 的 溶解 度 比较 ， 见 表 1-7, #17 WEG SRE AKANE 溶剂 名 OBR 清 蛋 白 类 mE A 类 蒸馏 水 溶解 不 OR _ 稀 盐 溶液 (NaCl 溶解 溶解 — Na,SO, 饱和 溶液 a a #& CNH) 2804 半 饱 和 溶液 “ 溶解 不 “ 溶 不 溶解 x 溶 (ONHs)2SOs 饱和 溶液 - 在 化 学 成 分 上 ， 清 蛋白 类 与 球 蛋 白 类 也 有 区 别 。 清 蛋白 类 所 “ 含 的 甘氨酸 极 少 ， 而 球 蛋白 类 则 含 甘 氨 酸 较 多 。 (GE) 谷 蛋白 类 ，” 此 类 蛋白 质 不 溶 于 水 及 中 性 盐 溶液 ， 溶 于 稀 酸 及 稀 奏 溶液 ， ”加 热 凝 固 。 “ 谷 蛋 自 关 不 是 均一 的 蛋白 质 ， 它 们 是 多 种 相似 蛋白 质 的 混合 Be. 物 。 (四 ) 醇 溶 谷 蛋白 类 a ”此 类 和 蛋 白质 不 溶 于 水 及 中 性 盐 溶液 ， 可 溶 于 酸 及 礁 ， 并 可 溶 “于 乙醇 溶液 (60~80%) 中 ， 加 热 凝 固 。 醇 溶 谷 蛋白 含 较 多 的 且 氛 酸 ， 其 水 解 时 生成 有 捕 氨 酸 ， 其 次 还 生成 多 量 的 谷 所 酸 。 此 类 和 蛋白质 多 存 于 大 麦 、 玉 米 的 麦 胶 蛋白 及 47 玉米 胶 蛋 白 中 。 (A) #SGR 此 类 和 蛋白质 溶 于 水 、 稀 酸 或 稀 奏 。 得 加 亿 则 沉 省 ， 加 热 不 固 ， 并 为 乙醇 所 沉淀 。 其 等 电 点 (PI) 为 12.0 一 12.4。 精 蛋 白 类 为 最 简单 的 蛋白 质 ， 仅 约 含 八 种 毛 基 酸 ， 主 要 为 精 须 酸 ， 其 次 为 赖 氨 酸 及 组 氮 酸 。 此 类 和 蛋白质 多 存在 于 卵子 、 精 子 及 脾 中 ， 是 细胞 核 的 构成 成 分 之 一 。 (FX) 组 蛋白 类 KARE AMAT, BATA, (MDL EMT tH, INGE, BERR AA Tee. PIE 蛋 日 质 的 主要 为 动物 组 织 中 的 蛋白 质 。 (+t) 硬 蛋白 类 此 类 蛋白 质 完全 不 溶 于 水 、 稀 的 酸 、 奏 和 盐 溶液 。 =. RAR RAM 结合 蛋白 质 是 由 一 个 蛋白 质 分 子 与 一 个 或 多 个 非 蛋 自 质 分 子 ， 结合 而 成 的 物质 ， 其 非 蛋白 质 部 分 称 为 辅 基 。 蛋白 质 部 分 与 辅 基 的 结合 力 因 蛋白 质 类 型 而 异 ， 这 些 结合 力 Ai ELAR (1) 离子 基 团 间 的 结合 力 ， 即 带 正 电 的 离子 基 团 与 带 负电 的 离子 基 团 借 静 电力 彼此 相 吸 引 而 结合 。 蛋 白质 与 有 机 或 无 机 离子 的 结合 键 属 于 此 类 。 = (2) 非 离子 的 极 性 基 之 间 的 结合 力 ， 如 氢 键 、 羟 基 、 芋 基 、 氨基 等 的 结合 键 。 它 的 生成 也 是 依靠 静电 的 吸引 力 。 蛋 白质 与 糖 分 子 结合 生成 的 化 合 物 属于 此 类 。 (3) 非 极 性 基 之 间 的 结合 力 。 这 种 结合 力 比 上 述 两 种 结合 力 为 弱 。 蛋 白质 与 磷脂 的 结合 属于 此 类 。 结合 蛋白 质 按 其 辅 基 的 不 同 可 分 为 下 列 五 类 ， (一 ) 色 有 蛋白 类 48 HME GR SeBAA TER. USE PULA A eh Sy Me Bt A BB BE, uk i Oy SH RS AC 过 氧化 氨 酶 、 过 氧化 物 酶 等 ) 属于 此 类 。 (二 ) 脂 蛋 白 类 此 类 蛋白 质 是 由 蛋白 质 与 酯 类 结合 而 成 的 化 合 物 。 通 常 此 类 不 溶 于 栈 、 苯 或 气 仿 等 溶剂 。 脂 蛋白 类 是 细胞 膜 的 重要 成 分 ， 它 _ 同 细胞 膜 的 半 透 性 有 关 。 (=) 糖 蛋 白 类 | 此 类 蛋白 质 是 由 蛋白 质 与 含有 糖苷 基 的 物质 结合 而 成 的 化 合 物 。 糖 蛋白 类 和 脂 蛋 白 类 存在 于 细菌 的 黄 膜 ， 胞 膜 及 原 浆 的 外 层 结构 与 细菌 的 抗原 构造 及 半 透 性 均 有 关系 。 糖 蛋白 水 解 时 ， 其 水 解 产 物 除 氨基 酸 外 ， 尚 有 糖 基部 分 的 水 ， ” 解 产 物 ， 主 要 有 葡萄 糖 胺 、 氛 基 半 乳糖 腕 、 半 乳糖 、 岩 藻 糖 、 甘 ， ” 露 糖 等 。 但 这些 物质 不 是 同时 都 存在 于 各 种 糖 蛋 白 的 含 糖 辅 基 ， 中。 多数 糖 蛋白 的 含 糖 辅 基 ， 一 般 为 粘 多 糖 。 (四 ) 磷 蛋 白 类 此 类 蛋白 质 是 由 蛋白 质 与 磷酸 结合 而 成 的 化 合 物 。 磷 蛋白 水 解 时 ， 其 产物 除 氨基 酸 外 ， 尚 可 得 到 不 同 量 的 磷酸 。 磷 蛋白 在 等 电 点 时 不 溶 于 水 ， 但 溶 于 奏 中 ， 将 奏 溶 液 酸化 时 ， 磷 蛋白 又 重新 析出 沉淀。 (五 ) 核 蛋 白 类 此 类 蛋白 质 是 由 蛋白 质 与 核酸 结合 而 成 的 化 合 物 。 它 在 细菌 和 有 震 菌 中 含量 很 高 ， 约 占 总 蛋白 质量 的 三 分 之 一 到 二 分 之 一 。 是 细胞 核 和 原生 质 的 重要 组 成 成 分 。 核 蛋 白 在 不 完全 水 解 时 ， 可 将 蛋白 质 解 离 出 来 ， 剩 下 核酸 。 ， 当 它 完全 水 解 时 ， 除 产生 氨基 酸 外 ， 尚 有 核酸 的 水 解 产 物 (磷酸 、 核糖 、 嗓 叭 或 喀 啶 奏 )。 49 7 4- ab i ‘ : - eer” iy ae Oe Ee Te ES pe Te ee ee ee ee ee, a ee ee Re eee ce, Sel cat ys 8 Oa om ee ee Pree Mies ch oo bo — 4, TS 全 ss oie See bt ae Pee) 而 复习 症 .生命 的 本 质 是 什么 ? . 和 蛋白质 有 哪些 生物 学 功能 ? .组 成 蛋白 质 的 基本 单位 是 什么 ? 其 结构 的 特点 如 何 ? 写 出 下 列 氨基 酸 的 分 子 结构 式 并 用 系统 命名 法 进行 命名 ， ARR. AAR. MIR. PRAM. RAK, BAR, HAR. FAM, | 5 . 什么 叫做 氨基 酸 的 等 电 点 它 有 何 实际 意义 ? 试 计算 组 氨 酸 的 等 电 点 。 已 知 组 氨 酸 的 PK:( 一 GOOH)=1.82、 PK 2(0R WEIE) =6.00. pK3(—NH;3*)=9.17, 6. 氨基 酸 在 蛋白 质 多 肽 链 中 的 连接 方式 是 什么 ? 7。 试 述 蛋 白质 结构 〈 一 、 二 8. 何谓 蛋白 质 的 变性 作用 ? 简 述 各 种 变性 因素 引起 变性 作 用 的 机 制 ? 50 % " oe — ' = 于 ay" . - a —. 四 cr 三 、 四 级 结构 ) 的 基本 概念 。 a ee ee eae 第 一 六 BE 述 生命 的 基本 特征 之 一 是 新 陈 代 谢 。 一 切 生 物体 经 常 不 断 地 进 行 着 一 连 串 复杂 的 化 学 变化 ， 这 些 变化 是 在 温和 条 件 下 ， 在 酶 的 催化 作用 下 迅速 地 进行 的 。 酶 是 生物 体内 产生 的 一 类 具 催 化 作用 的 物质 ， 能 加 快 化 学 反应 速度 ， 并 使 反应 以 一 定 的 顺序 转换 。 由 手 酶 由 生物 体 产生 ， 所 以 也 称 生 物 催化 剂 。 ”” 酶 的 催化 反应 在 有 史 以 前 ， 就 被 人 类 所 利用 。 如 用 于 发 酵 制 ， ” 酒 、 造 醋 、 制 色 等 。 这 些 实际 应 用 ， 在 酶 学 史上 占有 很 重要 的 位 置 。 酶 这 个 词 ， 按 我 国 “ 五 音 集 揭 称 ， 酶 “ 酒 母 "也 ， 又 “会 竟 ” 载 ， 酶 “ 通 作 媒 ”， 即 与 酒精 发 酬 有 关 的 催化 作用 。 但 现在 酶 这 一 词 已 用 来 泛 指 生物 催化 剂 。 任何 活 细胞 都 能 产生 各 种 各 样 的 酶 ， 生 物体 中 的 化 学 反应 ， 几乎 都 在 酶 的 催化 下 进行 的 ， 因 此 可 认为 没有 酶 便 没 有 生命 。 大 们 根据 对 生命 活动 规律 的 认识 ， 发 现 离 体 的 酶 同样 起 着 高 效率 的 催化 作用 ， 这 对 酶 的 生产 和 应 用 有 着 重要 的 意义 。 近 代 酶 制剂 工业 的 兴起 就 是 为 了 适应 离 体 酶 在 工农 业 、 医 学 上 的 广泛 应 用 。 酶 制剂 是 利用 生物 体 合 成 的 酶 ， 通 过 各 种 理化 方法 分 离 提取 的 酶 制品 。 近 年 来 ， 采 用 微生物 发 酵 生 产 酶 制剂 发 展 迅 速 ， 已 成 为 发 酵 工 业 的 一 个 分 枝 ， 称 酶 制剂 工业 。 51 BBA AR SAR 一 、 酶 的 化 学 本 质 关于 酶 的 化 学 本 质 ， 学 者 们 曾 有 过 热烈 的 争论 。 但 随 着 结晶 纯化 的 酶 愈 来 愈 多 ， 从 对 一 百 多 种 结晶 酶 的 分 析 ， 特 别 是 对 结 章 脲酶 (1926 年 ) 的 研究 , 都 证 明 酶 的 化 学 本 质 是 蛋白 质 。 如 酶 可 被 水 解 蛋 白质 的 蛋 折 酶 所 水 解 ; 加 热处理 时 ， 酶 也 失去 催化 活性 ; 其 他 理化 因素 对 酶 的 影响 与 蛋白 质 完全 一 样 ， 几 能 使 蛋白 质变 性 或 沉淀 的 理化 因素 均 能 使 酶 变性 或 沉淀 。 在 其 他 理化 性 质 方面 ， 如 溶解 性 、 两 性 解 离 性 等 方面 ， 酶 都 与 蛋白 质 相 同 。 =, Me AS AA 蛋白 质 按 其 组 成 可 分 为 单纯 蛋白 质 和 结合 蛋白 质 两 大 类 。 而 酶 也 可 按 其 组 成 相应 地 分 为 单 成 分 酶 和 双 成 分 酶 。 单 成 分 酶 一 般 是 仅 由 蛋白 质 分 子 组 成 ， 双 成 分 酶 的 组 成 除 蛋白 质 部 分 ( 称 酶 蛋 ， 白 ) 外 , 尚 有 非 蛋白 质 部 分 ( 称 辅酶 或 辅 基 )。 在 双 成 分 酶 中 ， 此 两 部 分 缺 一 不 可 ， 缺 了 就 会 形 失 催化 活性 。 双 成 分 酶 又 称 为 全 酶 ， 其 组 成 可 表示 如 下 : 双 成 分 酶 = 酶 蛋白 十 辅酶 (或 辅 基 ) (或 全 酶 ) 在 双 成 分 酶 中 ， 如 酶 蛋白 与 非 蛋 白质 部 分 结合 得 比较 牢固 ， 不 易 用 透析 方法 把 它们 分 离 的 、 这 种 非 蛋白 质 部 分 称 辅 基 ， 如 果 容易 用 透析 方法 把 它们 分 开 , 这 种 非 蛋白 质 部 分 称 辅酶 ,辅酶 能 与 不 同 的 酶 蛋白 结合 ， 形 成 不 同 的 酶 ， 这 些 酶 能 催化 同一 类 型 的 化 学 反应 ， 但 它们 所 能 作用 的 底 物 是 不 相同 的 。 例 如 ， 乙 醇 脱 氢 酶 与 乳酸 脱 气 酶 的 辅酶 均 为 NAD ( 烟 酰 胺 腺 味 叭 二 核 苷 酸 )， Si 蛋白 结合 后 均 能 催化 脱 氢 反 应 ， 但 前 者 只 能 催化 乙醇 脱 气 ， 而 后 者 只 能 催化 乳酸 脱 氢 。 52 Am 三 、 几 种 重要 的 辅酶 或 辅 基 | 双 成 分 酶 中 的 辅酶 或 辅 基 一 般 是 由 较 小 分 子 的 有 机 化 合 物 组 。 成 ， 或 是 由 简单 的 金属 离子 构成 。 它们 在 整个 酶 的 催化 作用 过 程 中 担负 着 传递 电子 、 原 子 或 其 它 化 学 基 团 的 功能 。 现 将 几 种 重要 - ”的 辅酶 或 辅 基 分 述 如 下 ， (一 ) Kop ut 铁 中 啉 是 一 些 氧 化 酶 (如 细胞 色素 氧化 酶 .过 氧化 受 酶 、 过 氧 ”化 物 酶 等 ) 的 辅 基 。 它 通 过 主 价 及 副 价 与 酶 蛋白 牢固 地 结合 。 经 对 酵母 菌 细胞 色素 G 的 辅 基 结构 研究 表明 ， 其 铁 原子 与 蛋白 质 的 ， 一 段 肽 链 上 的 组 气 酸 相 连结 ， 中 啉 环 则 与 该 肽 链 上 的 两 个 半 胱 所 酸 相连 结 ， 如 图 2-1 所 示 。 氧 化 酶 的 铁 中 啉 的 功能 在 于 靠 铁 的 价 电子 的 变化 (Ee “= 一 He 十 e) 来 传递 电子 ， 俱 化 氧化 还 原 反 应 。 ~ AFB I5 — 8 ED BFE — EB i - Th - I-A HOOCH. CHC CH,CH,COOH 图 2-1 ARRAN CIA SHE A EAA ss (=): RH CFMN 和 FAD 等 ) HARA DARA B;( 核 黄 素 ) 的 衍生 物 ， 为 黄 素 酶 类 (如 AAC MLN, RUMBA WOE, 黄 素 单 核 背 酸 (FMN 及 黄 素 腺 哪 只 二 核 攻 酸 (FAD) 的 氧化 型 均 呈 黄色 并 有 黄 绿 色 茧 ‘ 53 ¥ q 光 ， 因 此 所 形成 的 酶 呈 黄 色 ， 称 黄 ( 素 ) 酶 类 ( 黄 素 蛋白 )。 FMN 的 最 大 吸收 高 峰 在 445 SAK (mu), FAD 的 最 大 吸收 高 峰 在 450, 375 及 260 纳米 。 它们 的 分 子 结构 为 9 9 Ne 3 CH 2—(CHOH); —CH; O—P— O-P-O—CH Un On bu Logins HAC. AT | NH HO OH . O . 一 / FMN . F AD 在 酶 的 催化 作用 中 ，EMN 和 了 AD 的 功能 是 传递 氢 CERF 和 电子 2 孔 二 全 2 互 十 2e)， 亦 称 气 载体 而 自 成 氧化 -还 原 体系 ， 反应 主要 表现 在 6，7- 二 甲 基 异 咯 嗪 基 团 中 的 第 1 位 及 第 10 位 原子 的 脱 受 与 加 气 。 其 反应 式 为 ; 引 Eee .) Aa ana on ©. 氧化 型 还 原型 (FMN x FAD) (FMN-H, 或 FAD: He) (=) 烟 酰胺 核 苷 酸 (NAD R NADP) 烟 酰胺 核 苷 酸 是 许多 脱 氢 酶 (如 蜡 柠 楼 酸 脱 氢 酶 、 谷 氨 酸 脱 氢 酶 、 乙 醇 脱 氢 酶 等 ) 的 辅酶 。 主要 有 两 种 ， 烟 酰胺 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 (NAD、 辅酶 工 ) 和 烟 酰胺 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 磷酸 (NADPR、 畏 酶 工 )， 它 们 都 是 维生素 PP 的 衍生 物 ， 结 构 式 如 下 * 54 eS HO OP OsH, _OHOH am ane ‘ee NAD ~ 氧化 型 +2H . NAD(P)t | saa NAD(P)H+Ht 因此 NAD(P) 亦 有 用 NAD(P)+ 表 示 其 氧化 型 ，NAD(P) 芯 表示 — | 3 : (四 ) 硫 辛 酸 (6，8- 二 硫 辛 酸 ) ” 在 生物 体 广泛 存在 ， 呈 黄色 。 它 与 酶 蛋白 呈 牢 只 有 被 酸 、 伦 或 酶 水 解 后 成 为 自由 态 。 硫 辛酸 具 氧 化 型 及 还 原型 两 种 状态 ， 它 们 的 结构 式 如 下 ， +2H 人 Hi GH (CHl,).— COOBy—CH,—CH,--CH— (GH) COOH 2 S SH SH 氧化 型 还 原型 S 当 两 者 互相 转变 时 ， 起 传递 气 的 作用 。 另 外 硫 辛酸 在 酮 酸 氧化 脱 羧 反 应 中 ， 作 为 辅酶 起 传递 酰基 的 作用 ， 因 此 它 在 糖 类 代谢 中 起 - 着 重要 作用 。 | (Fi) 泛 配 (辅酶 Q, 简写 为 UQ) 泛 柄 是 生物 体 中 广泛 存在 的 一 种 醒 类 衍生 物 。 它 是 呼吸 链 上 的 一 个 组 成 分 ， 其 功能 为 传递 气 和 电子 ， 在 氧化 磷酸 化 作 中 起 重 要 作用 ， 其 结构 式 为 ， O | CHasO 一 | | 一 CHa ae CHasO 一 —(CH,—CH=C—CH,),—H ! O Tih SRA z， 可 以 为 6、7、8、9 或 10， 不 同 来 源 的 省 醒 , 其 的 数目 不 同 。 例 如 ,啤酒 酵母 菌 的 了 为 8 ( 通 前 写作 UQs) 、 ALAA 2 7% 6(UQz), (六 ) 辅酶 A(CoA) 辅酶 A 在 脂肪 代谢 中 极为 重要 ， 其 分 子 结构 中 含有 维 壬 素 了 族 的 泛酸 部 分 ， 此 外 ， 尚 含有 腺 嗓 叭 核 背 酸 和 氨基 乙 硫 醇 部 分 ， 其 结构 式 如 下 ， 56 ae a ee ee O / aie C 一 — C—N—CH,—CH,— C —N—CH,—CH,SH | CH, OH 辅酶 A 铺 酶 A 也 可 写 为 CoASH。CoASH 通过 其 琉 基 (一 SH ) 的 受 酰 << 其 反应 式 为 ; CoASH 五 一 酶 en. Ze eX nak CH, aren : CH, ; ~ Hie 人 CH; ; 二 ,再 O ERA RSE IORI, BARBS, Chthiie A (CH;CO~ SGoA) 的 硫 酯 键 为 一 种 高 能 键 ， 当 脱 酰 基 时 可 放出 大 量 的 自由 能 ， 供给 合成 反应 的 需要 。 在 酰 化 时 则 需要 能 量 。 因 此 ， 在 酰 化 与 脱 酰 过 程 中 有 能 量 的 转移 。 脂 肪 酸 的 分 解 与 合成 也 必须 在 酯 酰 辅 酶 人 的 参 予 下 才能 进行 。 所 以 ， 辅 酶 A 在 脂肪 代谢 上 非常 重要 。 (七 ) 磷酸 腺 苷 及 其 他 核 苷 酸 类 磁 酸 腺 背 及 其 他 核 背 酸 类 在 代谢 过 程 中 起 着 重要 作用 。 它 们 是 许多 转 磷 酸 基 酶 (如 磷酸 激酶 ) 的 辅酶 。 这 些 辅酶 主要 有 : PRR 叭 核 背 三 磷酸 (ATP)、 乌 味 叭 核 背 三 磷酸 (GTP)、 尿 喀 陀 核 苷 三 磷酸 (UTP) 和 胞 喀 啶 核 背 三 磷酸 (GTP) 等 。 由 于 它们 的 磷酸 键 (如 ATP) 是 富有 能 量 的 高 能 键 ， PAPA LRA ASH 能 量 可 以 被 贮存 并 有 效 地 供给 合成 时 利用 。 57 ( 八 ) 焦 磷 酸 硫 胺 素 (TPP) 焦 磷 酸 硫 胺 素 为 维生素 Bi 的 焦 磷 酸 酯 ， 简写 为 TPP, 其 结 构 式 如 下 : 焦 磷 酸 硫 胺 素 焦 磷 酸 硫 胺 素 是 “- 酮 酸 脱羧 酶 和 糖 类 的 转 酮 酶 (催化 自 酮 糖 上 转 2G 单位 至 醛 糖 上 去 的 酶 ) 的 辅酶 。 它 在 丙酮 酸 的 脱羧 反 应 中 ， 首 先 ， 以 其 唆 唑 环 上 的 第 二 位 碳 原 子 与 丙酮 酸 结 合生 成 @O， 随即 脱 去 羧基 生成 “活性 乙 醛 ?@@， 活 性 乙 醛 不 脱离 酶 体 ， 但 可 以 与 另 一 个 丙酮 酸 分 子 交 换 ， 而 生成 游离 的 乙 醛 @， 被 交换 上 去 的 丙酮 酸 又 脱羧 生成 “活性 乙 醛 ”>， 再 和 另 一 个 分 子 的 丙酮 酸 交 换 ， 如 此 往复 进行 ， 其 过 程 如 下 : 一 Ry— N—7—CH, Ry—Nt——CH, Ri 一 N -全 一 CHs | “+cscocoo- ， iL. ‘= C0, s= —R Ho—c ° HCc coo- nog @® @ “HCE” 一 - ti Hg 及 a +CHscocoo- 一 | | -+CH,CHO tas HO—C So, HC” \coo- 乙 醛 活性 乙醚 ® @ - (HL) 磷酸 吡 哆 醛 和 磷酸 吡 哆 胺 _ ”磷酸 吡 哆 醛 是 氨基 酸 的 转氨酶 、 消 旋 酶 和 脱羧 酶 的 辅酶 。 磷 酸 吡 哆 胺 与 转 氮 作 用 有 关 。 这 两 种 辅酶 的 结构 如 下 ; 58 Bie 六 ; 用 s ° a Ve UP Vi £0 LAER Png: lore, Chay ie eee i a ee, Ae ae Vie PS Rk ee Na eg pata aN, Sh So idle Sie ic adiach cian Wee ae? CM os oS mM ART AN ey 2 i a a Pt =-: ‘ $ rm Lis , : p ‘ wi ; ‘ t : ares 0 | HO 一 i: P—OH ao HO , —OH wet OH soa OH BN 人 BERN SRE AORN Se 吡 哆 醛 及 吡 哆 胺 属 维生素 By, HEHE SE Be 亦 称 吡 哆 素 。 划 酸 吡 哆 醛 与 磷酸 吡 哆 胺 可 以 相互 转化 ， 在 转化 过 程 中 起 了 转 氨 基 作用 。 转 氛 基 作 用 机 理 见 第 九 章 氨基 酸 代谢 中 的 “ 转 氨 作 (+) 生物 素 (维生素 H) Hye DR (LM HIE, REA B 族 。 它 与 酶 蛋白 结合 后 可 催化 GD, 的 挫 人 与 转移 。 生 物 素 是 酶 母 及 其 他 微生物 的 生长 因子 ， 其 结构式 为 ， HN NH HG 一 一 CH aig See : } 生物 素 生物 素 的 羧基 与 酶 蛋白 中 的 氨基 结合 。 它 在 CO, 的 固定 和 脂 ” 肪 的 合成 中 起 催化 作用 。 当 进行 羧 化 反应 时 ，GO; 首先 与 生物 素 — ”分 子 结合 形成 酶 与 Q9;* 的 复合 体 ， 然后 将 CO, 转交 给 其 他 分 子 ， 其 作用 机 理 见 第 三 章 中 脂肪 酸 的 合成 。 反 应 中 所 需 的 能 量 一 般 由 ATP 供给 。 (十 一 ) 四 氢 叶 酸 (辅酶 F，THFA) 叶酸 的 5、6、7、8 位 上 各 加 一 个 氨 原 子 则 ROS, 结构 式 如 下 ; 09 yNy ,N EN 一 1 | 8 Na 4 | ae ¥ 二 本 aa va e NA ou # COOH 四 氧 叶酸 (THFA) AY 去 四 气 时 酸 是 甲酸 基 ( 互 _G 么 “) 元 甲 基 (CGH) 等 三 证 的 载体 能 参与 一 碳化 合 物 代谢 。 例 如 氨基 酸 的 互 变 ; 甲 基 的 生物 合成 ; 味 吟 碱 与 喀 啶 碱 的 生物 合成 (具体 将 于 第 二 篇 介绍 )。 在 酶 的 作用 下 ， 羟 甲 基 和 甲 酰基 结合 于 四 所 叶酸 的 5 位 、10 位 或 5、10 位 氮 原 子 上 ， 形 成 甲 酰 四 氨 叶 酸 (NI- 甲 酰 THEA)、 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 (N5、N10- 亚 甲 基 THEA) 等 。 如 甲 酰 THEA 的 、 甲 酰 基 在 转 甲 酰基 酶 的 作用 下 ， 被 转移 到 其 他 化 合 物 上 ， 如 在 叮 叭 合成 中 作为 甲 酰基 供 体 。 THEA 与 其 他 载体 不 同 的 是 ， 被 转移 基 团 在 与 THEA 结合 后 ， 可 以 发 生 一 些 变化 ， 如 从 供 体 处 接受 的 甲 酰 基 可 变 成 状 甲 基 或 甲 基 ， 再 转 给 受 体 。 叶酸 是 维生素 B 族 之 一 ， 有 维生素 BC 之 称 。 (十 二 ) 金属 除 中 啉 环 含 铁 或 铜 离子 外 ， 还 有 许多 酶 尚 含有 铜 、 镁 、 锌 、 钴 等 金属 离子 作为 辅 基 ， 为 酶 的 催化 作用 中 不 可 缺少 的 组 成 。 从 上 述 的 辅酶 或 辅 基 中 可 知 其 中 部 分 是 维生素 的 衍生 物 。 维 生 素 是 人 类 维持 正常 生命 活动 所 必需 的 物质 。 但 就 微生物 而 言 ; 对 各 种 维生素 的 需要 情况 有 显著 的 差别 ， 微 生物 生长 所 需要 的 维 生 素 称 生长 因子 ， 主 要 是 维生素 B 族 物 质 。 今 将 辅酶 的 组 成 及 功 能 ， 归 纳 如 表 2-1, 60 ES oe _s oe rs eS “i le le D wy -s-™ 7 am 内 / 本 ak 和 - 酮 酸 氧 化 脱 | 促进 <- 酮 酸 6,8- 二 硫 辛 酸 | some 氧化 脱羧 Toe |} TPP | 维生素 Br | 丙 坪 酸 脱产 酶 | 促进 脱 效 作 用 RRR | FMN | am eegeer | 气 FRM BE 气 基 酸 氧化 酶 | ， Re -NAD | 人 了 | E Et Je He RS — 组 cone ee | NADP | 维生素 Bs | Whe 2 i | a A 磷酸 吡 哆 本 转 转 。 磷酸 吡 哆 胺 | eam, Fe EE CoF 维生素 Bit 转 去) PO AH AR IBF) THEA (叶酸 ) 人 j : =e ES Bs | rere | ean 传递 电子 促进 HzO: 分解 促进 过 氧化 物 分 解 过 氧化 物 酶 腺 嘎 叭 核糖 和 | BR SCEBE | 转移 厂 酸 基 及 9 酸 转 移 二 合成 | 能 第 三 “ 酶 的 结构 及 其 与 众 化 功能 的 关系 酶 的 催化 功能 是 由 酶 的 分 子 结构 ， 特 别 是 由 酶 的 特殊 的 空间 61 构象 所 决定 的 。 当 酶 的 构象 发 生 改 变 时 ， 酶 的 催化 功能 将 相应 地 发 生疏 恋 。 一 、 酶 的 结构 酶 是 一 种 具有 催化 功能 的 蛋白 质 。 其 分 子 结构 也 与 蛋白 质 一 样 ， 具 有 一 级 、 二 级 、 三 级 有 的 具 四 级 结构 。 到 目前 为 止 ，i 清楚 。 例如 ， 有 的 二 级 、 三 级 和 四 级 结构 也 已 阐明 。 牛 胰 核 糖 核酸 酶 ， 其 分 子 量 为 14,000， 基 酸 组 成 ， 只 有 一 条 肽 链 ，N- 末 端 为 赖 气 酸 ，QG- 未 端 为 顷 氨 酸 ， 由 124 个 所 用 链 上 的 八 个 尘 胱 气 酸 通过 四 个 二 硫 键 连接 。 如 图 2-2 所 示 。 ( 注 Hz2N- 赖 。 谷 。 苏 。 1 .2—>3 ope / “天 冬 " 充 图 2-2 ”和牛 胰 核 糖 核酸 酶 的 氨基 酸 排 列 顺 序 丝 。 两。 两 。 丝 。 丝 。 丝 。 天 冬 。 酷 。 两 4 。 丙 。 丙 。 赖 。 葵 两 。 谷 tee See 18 19 20 21 22 23 24 26 NHe phe 34 35 36 37 。 丝 *。 亮 内 。 50 51 52 “Kes 53 iif « 天 冬 。 精 。 半 胱 。 38 39 40 o Hie 谷 。 丙 54 55 56 57 NHe ag “tie Fs ENE « 26 ii ° Mit ° 10 11 F ret WH: Tice 13 ps 天 冬 。 ae i 27 bs NHe 41 42 43 44 58 NHe | ti + DE + 2 + AE + He 59 60 61 | Wi RA 苏 。 45 NHe 46 KF + Bi 62 63 A 人 Le eT ee oy ee Sik 2H «a 人 5 ; Fy Se ae ea ft a i - Re rin ‘ WME a ial ttl 了 NL Tn oe a 2 oe rs NH2 NHe2 8 NHe | ERE MRE He KE Het Mm Ae 2M Be > Pike 65 66 67 68 69 70 71 12 GO..44 80. 20,47 88 77 RIE He RA EM HA The eee MM RE 81 82 8&3 84 85 36 87 88 89 90 91 92. 93 94 95 NHe NHe DE + Bh Wie He The RAs He Bh A RI + RIE BEM A 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108109 110 Mil NHe . HK: Wie Be Mie Hie Bee HRA KE * 4i-COOH) A402 213. 134 245.116 117 118 119.120 #121 ‘oy te 124 “该 酶 的 二 级 结构 为 <- 螺 旋 结 构 。 酶 分 子 中 的 四 个 二 硫 键 中 的 三 个 在 螺旋 体 中 侧 向 地 按 三 个 不 同 的 方向 连接 两 个 平行 的 螺旋 环 团 。 其 第 四 个 二 硫 键 所 连结 的 第 65 号 和 第 72 号 半 胱 氨 酸 以 及 其 间 的 六 \ 个 氨基 酸 则 位 于 螺旋 环 圈 的 内 侧 。 大 多 数 酶 只 由 一 条 肽 链 组 成 ， 有 的 酶 有 二 条 、 三 条 或 多 条 肽 链 组 成 。 这 种 由 数 条 相同 或 相 类 似 的 肽 链 组 成 的 酶 呈 四 级 结构 。 其 中 每 一 条 肽 链 称 为 一 个 亚 基 。 具有 四 级 结 构 的 酶 通常 含 2~6 VWs, THE AIL. SRAM oA, WEBNS Bs. 二 、 酶 的 活性 部 位 酶 的 活性 部 位 或 酶 的 活性 中 心 ， 指 的 是 酶 蛋白 分 子 中 直接 与 底 物 结合 ， 形 成 酶 - 底 物 复合 物 的 特殊 部 位 。 酶 的 活性 部 位 可 分 为 结合 部 位 和 催化 部 位 。 前 者 的 功能 是 直 接 与 底 物 相 结合 ， 而 后 者 则 催化 底 物 进行 特定 的 化 学 反应 。 酶 的 话 性 是 肽 链 特定 折 登 ， 或 肽 链 具 有 构象 的 结果 。 而 酶 的 催化 效能 最 通常 的 解释 是 在 “活性 中 心 ” 存 在 着 氨基 酸 残 基 〈 有 的 还 有 金属 离子 ) 的 参与 而 引起 反应 。 这 些 氨基 酸 残 基 一 般 仅 由 几 个 氨基 酸 组 成 ， 它 们 在 肽 链 中 所 处 的 位 置 可 能 相距 较 远 ， 也 可 能 位 于 不 同 的 肽 链 土 。 但 是 ， 它 们 在 酶 的 空间 结构 中 ， 却 必须 按 一 定 的 相对 位 置 ， 靠 近 在 一 起 。 因 此 ， 酶 的 活性 部 位 只 人 63 保持 一 定 的 空间 构象 时 才能 存在 并 发 挥 其 催化 功能 。 例如 上 述 的 牛 胰 核 糖 核酸 酶 ， 其 活性 中 心 由 第 12 号 和 第 119 号 二 个 组 氨 酸 和 第 41 号 的 赖 氨 酸 组 成 。 他 们 在 空间 位 置 上 o on 相距 很 近 ， 其 相对 位 置 如 图 2-3 1,608: FAR 酶 的 活性 部 位 这 一 概念 已 为 许多 实验 所 证 明 。 例 如 酵母 菌 的 烯 醇化 酶 ， 无 论 从 N- 端 还 是 从 活性 部 位 不 受 破 坏 ， 故 酶 的 活性 并 不 消失 。 当 然 ， 在 强调 酶 的 活 - 图 2-3 ”核糖 核 酶 的 活性 部 位 区 域 性 部 位 的 重要 性 时 ， 并 不 认为 酶 的 其 它 部 分 就 成 为 不 必要 的 了 。 事 实 上 ， 酶 的 其 它 部 分 ， 对 于 维 : 持 酶 的 空间 构象 、 保 护 酶 的 活性 部 位 、 保 持 酶 的 催化 能 力 方 面 ， 都 有 不 同 程度 的 重要 性 。 酶 的 活性 部 位 可 用 化 学 标记 法 和 X- 射 线 衍 射 法 进行 测定 。 Bo | 42-2 。 。 某 些 酶 的 活性 中 心 的 氨基 酸 所 在 位 置 氨基 酸 总 数 牛 胰 核 糖 核酸 酶 124 个 (1956) 2H 12, A119» Hhlaa 溶菌 酶 129 个 (1962) K%¥35, K¥50 AF WR Az A Bg A 245 个 (1964) 4Hs7, 241955 R102 牛 胰 蛋 白 酶 也 245 4 (1968) 4157, 24195) K¥10 AR 2 Bit 212 个 (1965) 半 胱 5， 组 is9 LAF 275 4* (1967) 组 et， 丝 221 240 4 (1970) 44s, 22188, RA os 64 C- vin BR JS 150 个 氨基 酸 ， 由 于 其 Be 2-2 中 列 出 的 是 已 被 测定 的 某 些 酶 的 活性 中 心 的 氨基 酸 所 在 位 i 三 、 酶 的 构象 与 催化 功能 的 关系 酶 的 特殊 构象 决定 了 酶 的 催化 功能 。 酶 构象 的 改变 必 将 引起 酶 催化 功能 的 改变 ， 使 其 催化 功能 增强 或 减弱 ， 甚 至 完全 形 失 。 (一 ) 酶 的 一 级 结构 与 催化 功能 的 关系 酶 的 一 级 结构 是 酶 的 基本 化 学 结构 。 是 酶 催化 功能 的 基础 。 一 级 结构 的 改变 将 使 酶 的 催化 功能 发 生 相应 的 改变 。 这 主要 是 由 于 酶 分 子 中 的 肽 键 和 二 硫 键 的 断裂 和 联结 所 引起 的 。 1. 肽 键 的 改变 与 酶 催化 功能 的 关系 肽 键 (一 GO 一 NH 一 ) 是 酶 的 一 级 结构 的 主键 。 它 的 断裂 与 连 结对 酶 的 催化 功能 的 影响 ， 根 据 实 验证 明 ， 不 同 的 酶 蛋白 ， 不 同 位 置 的 肽 键 ， 其 影响 是 不 同 的 。 例如 :核糖 核酸 酶 (RNase), 由 124 个 氨基 酸 组 成 。 只 有 一 条 肽 链 。 当 用 枯草 杆菌 蛋白 酶 有 限 水 解 的 条 件 下 ， 使 它 的 第 20 号 和 第 21 号 氨基 酸 之 间 的 肽 键 断裂 ， 形 成 20 个 残 基 的 S- 肽 和 104 © 个 残 基 的 S- 蛋 白 ， 两 者 酶 的 活性 完全 形 失 。 而 在 中 性 溶液 中 ， 两 个 肽 眉 合 在 一 起 时 ， 则 酶 的 活性 又 恢复 。 在 G- 末 端 用 羧 肽 酶 -去 掉 三 个 所 基 酸 时 ， 对 酶 活性 几乎 没有 影响 ， 而 若 用 胃 蛋 白 酶 去 $i G- 未 端的 四 个 氨基 酸 时 ， 则 酶 活性 全 部 走失 。 在 个 别 情况 下 ， 肽 键 的 断裂 可 使 酶 的 活性 呈现 出 来 。 例 如 : ” 胰 蛋 白 酶 原来 是 没有 活性 的 ， 但 当 受 肠 激 酶 的 作用 而 去 掉 一 个 六 肽 时 ， 则 使 其 呈现 出 胰 蛋 白 酶 的 催化 功能 。 2. 二 硫 键 的 改变 与 催化 功能 的 关系 许多 酶 在 肽 链 中 或 肽 链 间 ， 都 存在 有 二 硫 键 (一 S 一 S 一 )。 一 般 二 硫 键 的 断裂 将 使 酶 变性 而 丧失 其 俱 化 功能 ， 但 是 在 某 些 情况 下 ， 二 硫 键 断 开 ， 而 酶 的 空间 构象 不 受 破 坏 时 ， 酶 的 活性 并 不 完 全 形 失 。 如 果 使 二 硫 键 复原 ， 酶 又 重新 恢复 其 原 有 的 催化 功能 。 (=) 酶 的 二 级 和 三 级 结构 与 催化 功能 的 关系 - 酶 的 二 级 、 三 级 结构 是 所 有 酶 都 必需 具备 的 空间 结构 ， 是 维 65 ate Ret eT Pad 持 酶 的 活性 部 位 所 必需 的 构 型 。 酶 的 二 级 和 三 级 结构 的 改变 ， 可 以 使 酶 遭受 破坏 而 形 失 其 催 化 功能 ， 也 可 以 使 酶 形成 正确 的 催化 部 位 而 发 挥 其 催化 功能 。 前 “ 者 以 蛋白 质变 性 理论 为 依据 ， 后 者 则 可 通过 诱导 契合 学 说 《Inad- uced fit theory ) nL) fA) HH | 酶 的 诱导 契合 学 说 是 由 Koshland 首先 提出 的 。 也 综 ATE 多 实验 结果 认为 : 由 于 底 物 的 诱导 而 引起 醇 蛋 白 二 、 三 级 空间 结 构 的 某 些 变化 ， 才 使 酶 发 挥 其 催化 功能 。 因 此 ， 诱 导 契 合 就 是 通 过 底 物 和 酶 活性 部 位 的 结合 部 位 相 结合 ， 使 酶 蛋白 的 空间 构 型 发 生 某 些 精 细 的 改变 ， 以 适应 与 底 物 相互 作用 ， 从 而 形成 正确 的 催 化 部 位 ， 使 酶 发 挥 其 催化 功能 .一 如 图 2-4 所 示 。 图 2-4 〈 甲 ) 酶 的 诱导 契合 示意 图 SP: 结合 部 位 CT: 催化 部 位 个 : 催化 基 团 从 图 中 可 以 看 到 ， 当 酶 未 与 底 物 分 子 接触 时 ， 三 个 催化 基 团 没有 配 位 ，( 图 2-4 甲 ) 所 以 酶 不 能 发 挥 催化 作用 。 而 当 运 宜 的 底 物 与 结合 部 位 接触 时 ， 酶 的 空间 结构 发 生 改 变 ， 使 三 个 催化 基 团 很 好 配合 ， 形 成 正确 的 催化 部 位 (图 2-3 乙 )， 使 催化 反应 顺利 进 行 。 这 样 ， 由 于 底 物 的 诱导 作用 ， 使 酶 从 A 至 B 达 到 了 了 诱导 契 合 。 诱导 契合 学 说 已 得 到 许多 的 实验 证 明 。 通 过 X -射线 衍射 法 “ 的 研究 ， 为 此 学 说 提供 了 最 直接 的 证 据 。 66 和 人 如 羧 肽 酶 人 是 由 307 个 氨基 酸 组 成 的 单一 肽 链 ， 酶 分 子 中 含 一 原子 匀 ， 锌 对 酶 活性 是 必需 的 。 当 和 底 物 甘 氨 酰 -L- 酷 氨 酸 ( 甘 - 酷 ) 结 合 时 ， 酶 的 活性 部 位 的 空间 构 型 发 生 了 改变。 其 中 栈 氨 酸 4 的 酚 基 侧 链 移动 12 A CR) 左右 ， 而 与 底 物 的 酰胺 键 上 的 玉 原 子 形成 氨 键 。 精 氨 酸 1 的 股 基 移动 2A 左右 ， 与 底 物 的 羧基 形成 块 键 。 还 有 和 谷 所 酸 ?roj 从 -原来 位 置 移 动 2 A EA, Hit poy 水 分 子 而 与 底 物 的 c- 氮 基 形 成 SH ( 见 图 2-4-2)。 如 果 使 用 赖 氨 酰 - 酷 酰 胺 ( 赖 - 酷 -NHy) 为 底 物 ， 就 看 不 到 酶 的 构象 有 ise — Zn — Bes CH: aN HC- ade SP | 也 Hen 248 ERC, LA, BUR ~ Ott HO Has 酰 - 酷 酰 胺 不 能 被 羧 肽 酶 作用 。 a is ALTE, eae = el a 导 ， 酶 的 二 、 三 级 空间 结构 发 生 某 些 改变 ， 使 催化 基 团 形成 ”图 2-4 〈 乙 ) 二 肽 ( 甘 酷 ) 底 物 与 正确 的 配 位 ， 才 使 酶 的 催化 功 UKE A 的 络 合 。 能 发 挥 出 来 。 (=) 酶 的 四 级 结构 与 催化 功能 的 关系 具有 四 级 结构 的 酶 ， 按 其 功能 可 分 为 两 类 。 一 类 与 催化 作用 有 关 ， 另 二 类 与 代谢 调节 关系 密切 。 现 分 述 如 下 ， 1. 酶 的 四 级 结构 及 亚 基 与 催化 活性 的 关系 只 与 催化 作用 有 关 的 具有 四 级 结构 的 酶 ， 由 数 个 相同 的 亚 基 组 成 。 每 个 亚 基 都 有 一 个 活性 中 心 。 “四 级 结构 完整 时 ， 酶 的 催化 功能 充分 发 挥 出 来 。 当 四 级 结构 被 破坏 时 ， 亚 基 便 分 离 。 若 采用 的 分 离 方法 适当 ， 被 分 离 的 亚 基 各 自 具 有 催化 活性 ， 否 则 各 亚 基 失去 催化 活性 。 Fie 例如 : 天 冬 氨 酸 转氨酶 的 亚 基 是 具有 催化 活性 的 。 当 用 琥珀 酰 化 的 方法 使 四 级 结构 破坏 时 ， 分 离 的 亚 基 各 自 保持 催化 活性 。 67 而 用 酸 、 碱 、 表 面 活性 剂 等 破坏 其 四 级 结构 时 ， 所 得 到 的 亚 基 没 有 催化 活性 ， 这 是 由 于 所 使 用 的 化 学 药剂 抑制 了 酶 活性 所 造成 的 。 2. 酶 的 四 级 结构 与 代谢 调节 的 关系 与 代谢 调节 有 关 的 具有 四 级 结构 的 酶 ， 其 组 成 亚 基 中 ， 有 的 具有 活性 中 心 ， 可 与 底 物 结合 ， 执 行 酶 的 催化 功能 。 有 的 亚 基 具 调节 中 心 ， 调 节 中 心 可 分 为 激活 中 心 和 抑制 中 心 ， 可 分 别 与 激活 剂 或 抑制 剂 结合 ,使 酶 的 活性 受到 激活 或 抑制 ,从 而 调节 酶 反应 的 速度 和 代谢 进程。 、 调节 中 心 又 称 变 构 中 心 。 这 类 酶 对 代谢 的 调节 机 制 可 由 变 构 效应 来 说 明 。 将 于 十 二 章 中 的 调节 酶 中 予以 介绍 。 第 四 节 ” 酶 的 催化 圣 性 催化 作用 是 指 能 改变 化 学 反应 速度 (主要 应 用 加 速 反应 ) 的 过 程 。 凡 是 能 起 催化 作用 的 物质 称 催化 剂 。 催 化 剂 可 缩短 反应 到 达 平衡 点 的 时 间 ， 但 不 能 改变 平衡 点 ， 在 反应 过 程 中 其 本 身 不 被 消 和 酶 是 一 种 催化 剂 ， 与 一 般 催化 剂 的 作用 是 相同 的 。 但 由 于 酶 的 化 学 本 质 是 蛋白 质 ， 故 尚 有 其 特点 。 一 、 酶 的 催化 反应 条 件 酶 能 够 在 常温 和 pH 值 近乎 中 性 的 温和 条 件 下 发 挥 其 催化 功 能 。 但 一 般 催化 剂 却 往往 需要 高 温 高 压 ， 强 酸 强 碱 等 剧烈 条 件 ， 然而 ， 在 这 些 剧烈 条 件 下 ， 酶 却 会 受到 变性 而 丧失 其 催化 能 力 。 二 、 酶 的 催化 效率 酶 的 催化 效率 要 比 一 般 催 化 剂 的 催化 效率 高 得 多 。 例 如 ， 过 氧化 气 (H202) 可 由 铁 离子 (Fer++) 催 化 ， 也 可 由 过 氧化 氨 酶 催化 ， 68 pa it & aS ieee ee ee | 而 分 解 为 水 和 氧气 ， 在 0C 时 ， 一 克 分 子 铁 每 种 钟 仅 能 分 解 107° 克 分 子 过 氧化 气 ， 而 在 同样 条 件 下 ， 每 克 分 子 过 氧化 氢 酶 却 能 分 WR 105 克 分 子 过 氧化 气 。 过 氧化 气 酶 的 催化 效率 比 铁 离 子 高 10"° 借 。 又 如 ， 一 克 结晶 的 细菌 “淀粉 本 ， 在 65"C 的 条 件 下 ， 15 分 ME EY ARTE =, MNS —te 一 种 酶 仅 能 作用 于 某 一 种 物质 或 一 类 结构 相似 的 物质 并 催化 某 种 类 型 的 反应 ， 这 种 特性 称 为 酶 的 专 一 性 。 又 叫做 酶 的 特异 性 或 选择 性 。 酶 的 专 一 性 是 相对 而 言 的 。 按 其 严格 程度 的 不 同 ， 可 以 区 分 为 下 列 几 种 。 (一 ) 相对 专 一 性 一 种 酶 能 够 催化 一 类 具有 相同 化 学 键 或 基 团 的 物质 进行 某 种 类 型 的 反应 ， 这 种 专 一 性 称 为 相对 专 一 性 。 例如 ， 脂 肪 酶 可 以 催化 所 有 含 酯 键 的 一 类 物质 水 解 。 所 以 它 不 仅 可 以 水 解 脂肪 ， 也 可 以 水 解 所 有 的 脂肪 酸 和 醇 所 形成 的 酯 。 O R—C-—-O=R'+H, o=SSR—COOH + ROH 酯 类 -脂肪酸 醇 -又 和 如， 蔗糖 酶 可 以 催化 含 6- 果 糖苷 键 的 类 物质 进行 水 解 ， 故 亦 称 8- 果 糖苷 酶 。 它 可 以 催化 蔗糖 及 其 他 8- 果 糖苷 化 合 物 一 一 棉 子 糖 、 龙 胆 三 糖 等 物质 的 水 解 ， 而 生成 一 分 子 5- 果糖 和 另 一 分 子 其 他 化 合 物 。 fey 1,0 ES a apy + oe ee +H, e— 一 糖 十 6- 果 糖 (二 ) 绝对 专 一 性 一 种 酶 只 能 催化 一 种 化 合 物 进行 一 种 反应 ， 这 种 专 一 性 称 为 69 绝对 专 一 性 。 例如 ， 甩 酶 只 能 催化 尿素 进行 水 解 而 生成 二 氧化 矶 和 氨 。 ate NH, 它 不 能 催化 尿素 以 外 的 任何 物质 发 生 水 解 ， 也 不 能 使 尿素 发 生 水 解 以 外 的 其 它 反应 。 (三 ) 立体 异 构 专 一 性 当 底 物 含有 不 对 称 碳 原子 时 ， 酶 只 能 作用 于 异 构 体 的 一 种 ， 而 对 另 一 种 则 全 无 作用 。 这 种 专 一 性 称 为 立体 异 构 专 一 性 。 例如 ， 醇 母 中 的 糖 酶 类 只 作用 于 D- 型 的 糖 而 不 能 作用 于 工 - 型 的 糖 ，L- 氨 基 酸 氧化 酶 只 作用 于 工 -氨基 酸 ， 而 不 作用 于 了 D- 氮 基 酸 。 同样 ， 对 于 顺 反 异 构 体 ， 酶 也 仅 能 作用 于 其 中 之 一 种 ， 如 反 丁 烯 二 酸 酶 只 作用 于 反 式 丁 烯 二 酸 ， 顺 乌 头 酸 酶 只 作用 于 顺 式 鸟 头 酸 等 等 。 酶 的 专 一 性 在 科研 和 生产 中 都 得 到 广泛 的 应 用 。 利 用 这 一 特 性 ， 可 以 从 原料 得 到 单一 的 产物 ， 防 止 副 产物 的 生成 ， 这 样 不 仅 可 以 提高 质量 ， 同 时 还 可 以 增加 产量 。 酶 法 王 萄 糖 的 生产 便 是 一 个 例子 。 另 外 ， 酶 的 专 一 性 还 可 应 用 于 酶 的 鉴定 、 酶 的 分 类 、 酶 的 活力 测定 、 以 及 对 某 些 物 质 的 定性 定量 分 析 等 方面 。 四 、 酶 催化 功能 的 转换 上 述 酶 的 专 一 性 ， 是 酶 的 催化 特性 的 基本 性 质 。 但 有 的 酶 在 某 种 特定 的 条 件 下 ， 如 使 用 酶 的 底 物 类 似 物 ， 或 用 化 学 药剂 等 ， 可 以 引起 酶 催化 功能 的 转换 。 (一 ) 底 物 类 似 物 引起 酶 催化 功能 的 转换 某 种 酶 按 其 专 一 性 本 来 只 能 催化 某 种 底 物 进行 某 种 类 型 的 反 a 70 应 。 然 而 ， 当 加 进 底 物 类 似 物 时 ， 却 使 原来 的 催化 活性 降低 或 消 。。 失 ， 而 催化 另 一 类 型 的 反应 。 iden, BCR AL, ARIE PLR Ee AR I ALR BE. HE | PETRA TE A, BBL, AR ORE SR (6- 氨 基 戊 栈 胺 ) 并 使 二 原子 氢 与 另 一 原子 氧 生成 水 。 如 下 式 所 示 : ) CH,—(CH,)3,—CH—COOH | 2 Og Sart NH; NH; ; 赖 氨 酸 CH,—(CH,),—C=O8 ~ | +CO,+H,0'% EN Ae ee ETE TE. TEL Tk 7 . , 2 i Gr 7 ‘ NH: NH; 9- 氨基 戊 酰胺 然而 ， 如 使 用 比 赖 氨 酸 少 一 个 矶 的 鸟 氛 酸 为 底 物 时 ， 这 个 加 氧 酶 不 再 催化 加 氧 反 应 ， 却 呈现 出 氧化 酶 的 功能 ， 催 化 氧化 脱 氨 Re, HSA MA, HE <- 酮 -0- on — Hl - 0-3 FE 8) FN H,0,, BN PAPA: 站 ain * a es Ce ear eee Z 4 + Oo,” + H,0-—> E. CH.— (CH;).— C —COOH 一 一 > | | 十 NHa 二 Hz2O2H NH, 四 全 =e ot — Bil — 0-5 FE phe (=) 化 学 药剂 等 引起 酶 催化 功能 的 转换 用 化 学 药剂 等 对 酶 进行 处 理 ， 可 使 酶 蛋白 中 特定 的 氨基 酸 残 “ 基 发 生 改 变 ， 从 而 引起 酶 催化 功能 的 转换 。 例如 ， 上 述 的 赖 氨 酸 加 氧 酶 ， 当 加 进 对 - 氧 示 葵 甲 酸 (P- GMB), MLR (HeCl,), *R(He—<__ )aggHAL (SEDI 制剂 时 ， 失 去 加 氧 酶 活性 而 呈现 出 氧化 酶 活性 ， 引 起 赖 气 酸 的 氧 71 _ seit ages HOM sR DE, AE "- 酮 -8- 氮 基 己 酸 、 孔 ?9: 并 放出 所 。 甚 反应 式 Ais Co (Celica COR am o;* + H,O——~> NH; NH, Hil FBR CH,—(CH;)3;—C—COOH ot | | + N Hz ++ H,0,*8 NH, o x- 酮 -s- 氮 基 己 酸 这 种 催化 功能 的 转换 是 部 分 可 逆 的 。 把 上 述 用 P-GMB 等 处 理 过 的 酶 ， 再 加 进 DTT( 二 硫 苏 糖 醇 ) 时 ， 氧 化 酶 的 活性 消失 ,而 使 加 氧 酶 的 活性 回复 到 原来 的 9096。 另外 ， 还 可 以 用 其 它 酶 使 酶 蛋白 中 特定 的 氨基 酸 残 基 发 生 改 变 ， 从 而 引起 酶 催化 功能 。 关于 酶 催化 切 能 的 转换 这 一 新 课题 的 研究 才刚 刚 开 始 。 然 而 ， 已 经 看 到 ， 它 对 于 研究 酶 的 催化 特性 及 其 催化 机 制 是 很 重要 的 。 另 外 ， 酶 的 功能 转换 亦 有 可 能 作为 生物 体内 代谢 调节 的 一 个 方面 ， 也 是 令 人 感 兴趣 的 。 第 五 节 酶 的 众 化 作用 机 制 一 、 酶 的 催化 本 质 要 使 化 学 反应 能 够 发 生 ， 反 应 物 分 子 必 须发 生 磁 撞 。 但 是 ， 并 非 所 有 的 分 子 磁 撞 都 是 有 效 的 ， 只 有 那些 具有 足够 能 量 的 反应 物 分 子 碰撞 之 后 ， 才 能 发 生化 学 反应 。 这 种 磁 撞 叫做 有 效 磁 接 。 具有 足够 能 量 ， 能 发 生 有 效 碰撞 的 分 子 称 为 活化 分 子 。 活 化 分 子 所 具有 的 能 量 超过 反应 特有 的 能 阔 。 能 阔 是 指 化 学 反应 中 作 用 物 分 子 进 行 反应 时 所 必须 具有 的 能 量 水 平 ， 每 一 个 反应 有 它 二 iz HY REI 72 Ni 5G ' re + Eo , ha - PS : > 本 一 | 2 和 本 - 下 得 应 就 越 易 进 行 。 - DT CA Ag， rx eNews Je 3 + mA 和 本 刘 ’ 1 A ey 站 He ; a or 9 "ed CATER PDD FBR REE ATE LA, TEASER BESS 的 额外 能 量 称 为 活化 能 。 反 应 的 能 国 越 低 ， 即 需要 的 活化 能 越 少 ， 反 催化 剂 的 作用 就 在 于 降低 反应 om os geri ay ERIE 的 能 靖 , 即 减少 所 需 的 活化 能 ,从 而 J BL AY HE BEE AA 使 反应 加 速 进行 。 如 图 2-5 所 示 。 从 图 2-5 可 以 看 到 ， 在 可 逆 反 应 A 十 Bs-AB 中 ， 当 反应 A+B—>AB 进行 时 ， 所 需 的 活化 能 为 B， 反应 结果 放出 热量 Q。 而 当 逆反 应 AB—>A+B 进行 时 ， 所 需 的 活化 能 为 Bay Be 应 结果 吸收 热量 Q。 酶 作为 一 种 高 效能 的 催化 剂 ， 与 一 般 催化 剂 比较 ， 可 使 反应 的 能 闭 降 得 更 低 ， 所 需 的 活化 能 天 为 减少 〈 见 表 2-3), IDL, AB 的 催化 效率 比 一 般 催 化 剂 高 得 多 ， 同 时 能 够 在 温和 的 条 件 下 充分 、 表 2-3 若干 反应 的 活化 能 反 -应 iz. n | 活化 能 〈 千 卡 / 克 分 子 ) 18>, ”He0。 的 分 解 Ese NGS Marae no 、 11 it Ah Se 5 2 13.2 丁 酸 乙 酯 的 水 解 pees SS eas 10.2 FR Se 4.5 Ht | 26 芒 糖 的 水 解 酵母 蔗糖 栈 | 11.5 Ht ee. a 20.6 酷 素 的 水 解 Kis . RAR | 12 73 地 发 挥 其 催化 功能 。 二 、 酶 的 催化 机 制 如 上 所 述 ， 酶 的 催化 本 质 是 降低 反应 的 能 阀 ， 使 所 需 的 活化 能 减少 ， 从 而 加 快 反 应 的 进行 。 为 了 达到 减少 活化 能 的 目的 ， 酶 与 底 物 之 间 必 然 要 通过 某 种 方式 而 互相 作用 ， 并 经 过 一 系列 的 变 化 过 程 。 酶 和 底 物 的 相互 作用 和 变化 过 程 ， 称 为 酶 的 催化 机 制 。 关于 酶 的 催化 机 制 ， 曾 经 提出 过 好 几 种 学 说 和 理论 。 目 前 较 为 公认 的 是 由 米 契 里 斯 (Michaelis) 和 曼 吞 (Menten) 在 1913 年 首 先 提出 的 中 间 产 物 学 说 。 中 间 产 物 学 说 的 基本 论点 是 : 首先 酶 (了 ) 和 底 物 4S) 结 合生 成 中 间 产 物 ES， 然 后 中 间 产 物 再 分 解 成 产物 P, 同时 使 酶 重新 游离 出 来 。 E+S=—ES—>P+E 对 于 有 二 种 底 物 的 酶 促 反 应 ， 该 学 说 可 用 下 式 表 示 ; E 二 Sis 一 ES， ES 十 S- > 下 于 也 中 间 产 物 学 说 的 关键 ， 在 于 中 间 产 物 的 形成 。 酶 和 底 物 可 以 通过 JEG Ht. Ast. APRA ARS 而 结合 成 中 间 产 物 。 中 间 产 物 的 稳 定性 较 低 ， 易 于 分 解 成 产物 并 使 酶 重新 游离 出 来 。 根据 中 间 产 物 学 说 ， 酶 促 分 应 分 两 步 进 行 ， 而 每 一 步 反 应 的 能 国 图 2-6 酶 促 反应 减少 所 需 ，” 较 低 ， 所 需 的 活化 能 较 少 。 如 图 的 活化 能 2-5 FRA. 从 图 2-6 中 可 以 看 到 ， 当 非 催化 反应 时 ， 反应 S~> 卫 所 需 的 74 活化 能 为 a， 而 在 酶 的 催化 下 ， 由 S+BE- 一 >ES， 活 化 能 为 b， 再 ”由 了 Ss 一 >E+P， 需 要 活化 能 c。b 和 E-HzO。 _ E-H,0,+AH,—>E+A+2 H,0 在 此 过 程 中 ， 可 用 光谱 分 析 法 证 明 中 间 产 物 E-H:o; 的 存 在。 首先 对 酶 液 进行 光谱 分 析 ， 发 现 过 氧化 物 酶 在 645、 587、 548, 498 纳米 处 有 四 条 吸收 光 带 。 接着 向 酶 液 中 加 进 过 氧化 氢 ， 此 时 发 现 酶 的 四 条 光 带 消失 ， 而 在 561, 530 纳米 处 出 现 二 条 吸 ” 收 光 带 ， 说 明 本 已 与 过 氧化 气 结 合 而 生成 了 中 间 产 物 E-H,0,, © 然后 加 进 另 一 还 原型 底 物 AH， 这 时 酶 的 四 条 吸收 光 带 重新 出 现 ， 证 明 中 间 产 物 分 解 后 使 酶 重新 游离 出 来 了 。 此 外 ， 为 了 阐 明 酶 的 催化 机 制 ， 还 引进 了 “ 微 环 境 ”的 概念 。 所 谓 微 环 境 指 的 是 酶 活性 部 位 的 催化 基 团 所 处 的 特殊 环境 ， 影 响 催化 基 团 的 离 解 ， 使 催化 基 困 具有 不 寻常 的 特性 。 例如 : “- 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 活性 中 心 的 结构 , 是 由 丝氨酸 195、 HA SAM 57 FIA AMR 102 组 成 。 其 中 和 底 物 直接 作用 的 是 丝 氨 酸 195 的 一 9H 基 和 组 氨 酸 57 的 咪唑 基 ， 而 天 冬 氨 酸 102 也 作为 电子 传递 系统 的 一 员 担负 重要 的 任务 。 %- 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 活性 部 位 的 平面 图 如 图 2-7 所 示 。 相 互 间 用 氢 键 连结 。 RA ARR 102 的 羧基 处 于 由 组 所 酸 57、 两 氛 酸 55、 半 胱 PANG 58、 蜡 亮 所 酸 199、 酷 氨 酸 94、 丝氨酸 124 所 形成 的 疏水 的 微 环 境 中 ， 使 质子 不 能 接近 而 保持 解 离 状 态 。 当 pH 在 中 性 以 上 ， 即 组 氨 酸 57 的 咪唑 基 的 亚 氨基 〈>NH) 能 离 解 的 条 件 下 73 图 2-7 o-RRGEFLE A Ree EB fief i Al (pPK=6.7), 可 提供 一 个 质子 ， 使 天 冬 氮 酸 102 的 羧基 结合 成 —GOOH, 其 电子 则 通过 氢 键 和 咪唑 环 被 传递 到 丝氨酸 195 上 ， 结果 使 催化 部 位 上 的 丝氨酸 195 的 羟基 氧 形成 活化 的 阴 ms a AR &. (BAA 2-7 HAA.) 当 底 物 〈 蛋 白质) 进入 活性 部 位 时 ， 丝 氨 酸 195 的 活化 的 冯 图 2-8 “- 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 催化 机 制 76 ATER ke LAS BRAE, TY 组 氨 酸 57 咪唑 环 上 的 ”“ 亚 氨 基 与 底 物 肽 键 上 的 N 形 成 气 键 。 从 而 引起 肽 键 断 裂 ， 并 使 酶 发 生 酰 基 化 ， 生 成 酰基 化 酶 这 一 中 间 产 物 。 然 后 ， 这 个 中 间 产 物 加 水 进行 脱 酰 基 的 过 程 ， 而 生成 羧 酸 并 使 酶 重新 游离 出 来 。 如 图 2-8 PAR. awa 酶 的 反应 动力 学 酶 反应 动力 学 主要 研究 酶 反应 速度 、 反 应 过 程 的 规律 及 各 种 环境 因素 对 酶 反应 速度 的 影响 ， 这 对 于 深入 了 解 酶 催化 作用 的 本 质 、 机 制 以 及 对 于 酶 的 分 离 提纯 及 应 用 等 方面 均 具 有 重要 意 一 、 酶 反应 速度 的 测定 为 了 研究 酶 反应 速度 的 过 程 和 规律 ， 首 先 要 了 解 酶 促 反应 速 度 的 测定 。 酶 促 反应 速度 和 普通 化 学 反应 一 样 ， 可 用 单位 时 间 内 底 物 的 减少 量 或 产物 的 增加 量 来 表示 。 而 在 实际 测定 中 一 般 以 测 定 产物 在 单位 时 间 的 增加 量 来 表示 ， 因 为 产物 的 形成 测定 起 来 比 较 灵 敏 ， 可 制作 出 酶 反应 产物 浓度 与 时 间 关 系 的 曲线 (如 图 2-9 所 示 )。 反 应 速度 即 图 中 曲线 的 斜率 ， 仅 在 最 初 一 段 时 间 内 其 产物 的 生成 量 与 时 间 成 比例 关系 ， 随 着 时 间 的 延长 ， 反 应 速度 即 逐 渐 降 低 。 这 主 | 。 要 是 因为 随 着 反应 进行 ， 底 物 浓 度 0 ia | 降低， 产物 浓度 增加 ， 从 而 加 速 了 图 og ae et erase 逆反 应 的 进行 。 另 外 产物 对 酶 的 抑 制作 用 及 由 于 pH 值 和 温度 等 因素 的 影响 使 酶 逐渐 失 活 。 因 此 在 研究 酶 反应 时 ， 为 准确 地 表示 酶 活力 ， 就 必须 采用 如 图 2-8 中 的 (7 7 EOE Bee: 直线 部 分 ， 即 用 初速 来 表示 。 后 面 提 到 的 酶 作用 速度 ， 一 般 是 指 初速 而 言 。 酶 反应 的 速度 愈 大 ， 意 味 着 酶 的 催化 活力 愈 大 。 (一 ) 酶 的 活力 单位 在 一 定 条 件 下 ， 酶 所 催化 的 反应 速度 称 酶 活力 ， 即 一 定时 间 内 底 物 分 解 的 量 或 产物 生成 的 量 ， 用 单位 数 表 示 。 对 每 一 种 酶 ， 活力 单位 的 确定 没有 严格 标准 ， 同 一 种 酶 常 有 几 种 不 同 的 单位 。 因此 ,不同 的 酶 的 催化 能 力 不 能 用 活力 单位 数 来 进行 比较 。 一 九 六 一 年 国际 生化 协会 规定 ， 在 特定 条 件 下 (温度 可 采用 25"G， 其 它 条 件 如 PH 值 及 底 物 浓度 等 均 采 用 最 适宜 的 )， 每 分 钟 催化 一 微克 分 子 的 底 物 转化 为 产物 的 酶 量 称 为 1 个 单位 〈D)， 称 国际 单 位 。 这 昌 是 一 个 统一 的 标准 ， 但 使 用 起 来 不 如 习惯 法 方便 。 酶 的 比 活力 是 指 在 固定 的 条 件 下 ， 每 毫克 酶 蛋白 所 具有 的 酶 活力 称 比 活力 。 Mas Lig Dd = Nia / Sy SA a 5x FE MEE AVE PA iB BIN TBE 对 液体 状态 酶 活力 常 以 单位 /毫升 ( 酶 液 ) 表 示 。 (二 ) 酶 活力 测定 条 件 由 于 酶 促 反应 受 许多 条 件 的 影响 ， 因此 ， 在 测定 酶 活力 时 要 尽量 使 反应 的 条 件 保持 恒定 ， 对 于 温度 和 气 离 子 浓度 万 要 如 此 。 温度 对 酶 反应 的 影响 较 一 般 化 学 反应 更 为 灵敏 。 fii Ax Ey th 易 受 热 破 坏 。 所 以 在 观察 测定 酶 反应 时 必须 使 温度 保持 候 生 ， 般 采 用 恒温 器 (如 恒温 水 槽 ) 。 测定 时 的 PH 也 必须 保持 一 定 。 为 此 ， 通 常 在 溶液 中 加 入 组 冲 溶液 ， 在 使 用 缓冲 剂 时 ， 也 要 注意 经 党 校正 。 同时 ， 还 应 注意 避免 混入 任何 微量 杂质 而 造成 的 不 良 后 洒 。 (=) 酶 活力 测定 的 主要 方法 3 Oo 的 ， 化 学 分 析 法 oan _ 般 化 学 的 容量 测定 的 方法 ， 定 量 地 测定 反应 产物 a Loe es {en 4 (Au, 1, FOO, RGLMANE OEP) MEME. BER -优点 是 设备 简单 ， 不 需 特殊 仪器 ， 应 用 较 广 ， 但 工作 量 较 大 。 对 “于 反应 速度 较 快 的 酶 ， 时 间 难 于 控制 ， 也 不 易 测 准确 。 2. 分 光 光 度 计 量 法 。 此 法 在 酶 学 研究 是 常用 的 方法 。 酶 反应 中 的 底 物 或 产物 往往 含有 不 饱和 的 或 环 状 的 原子 团 ， 如 一 GH 一 GH 一 ， >G 一 0， 一 N 一 N 一 ， 一 GuHs 等 ， 它 们 在 光谱 内 的 可 见 光 区 、 紫 外 区 或 红外 光 谱 区 具有 吸光 性 。 由 于 反应 的 底 物 或 产物 显示 不 同 的 吸收 光谱 。 所 以 ， 可 以 根据 光 吸收 的 变化 来 观察 酶 反应 的 进行 。 此 法 的 特点 是 迅速 、 简 便 、 灵 敏和 特异 性 强 ， 而 且 不 必 中 止 反 应 的 进行 。 3. 测 压 法 | 若 酶 反应 中 某 一 产物 为 气体 ， 则 可 采用 压力 计 来 测量 所 产生 气体 的 体积 而 表示 反应 的 程度 ， 这 种 技术 称 测 压 法 。 使 酶 反应 在 一 个 保持 恒温 的 密闭 容器 内 进行 ， 同 时 产生 或 吸收 气体 ， 容 器 与 充满 液体 的 气压 计 相连 ， 仪 器 内 压力 的 改变 可 以 精确 地 读 出 气体 的 量 。 4. 族 光 法 此 法 常用 于 研究 能 引起 旋光 度 变化 的 酶 反应 。 “二 、 酶 浓 庆 对 反应 速度 的 影响 在 酶 促 反应 中 ， 根据 中 间 产 物 学 说 ， 催化 反应 可 分 两 步 进 行 ， 其 反应 式 为 ， E+ S =~ ES — P+ &E Ba Ky . 中 间 产 物 最终 产 物 酶 促 反应 的 速度 通常 是 以 反应 产物 了 的 生成 速度 来 表示 。 根 据 质 量 作用 定律 ， 产物 了 的 生成 决定 于 中 间 产 LES] 的 浓度 。 [LEsJ 的 浓度 越 高 ， 反 应 速度 也 就 越 快 。 在 底 物 大 量 存在 时 ， 形 成 中 间 产 物 的 量 就 决定 于 酶 的 浓度 ， 酶 分 子 愈 多 ， 则 底 物 转化 为 产物 也 就 相应 地 增加 ， 这 就 意味 着 底 79 oh 2 5-29 ye whe Ue Soe See se TT: Woy Fa Aa a A a ARE TG 成 直线 地 增加 ， 如 图 2-10 所 示 。 _ 换言之， 酶 反应 速度 依 酶 浓度 的 一 级 反应 而 变化 。 其 数学 式 表示 为 ; SL 反应 速度 (V) v= ——— =K[(E] Berk BE CE] 图 2-10 MRES Rw wept: i: nigh [S] 一 一 底 物 浓度 [五 一 一 酶 浓度 + 一 一 时 间 下 一 一 速度 稼 数 在 发 酵 生 产 上 或 使 用 酶 制剂 时 ， 应 根据 具体 情况 和 条 件 来 确 定 酶 的 用 量 。 酶 法 生产 葡萄 糖 时 ， 为 缩短 糖化 和 液化 时 间 ， 可 以 适当 增加 淀粉 酶 的 用 量 ， 而 在 白酒 的 酿 制 过 程 中 ， 直 于 采用 边 粮 化 边 发 酵 的 方式 ， 糖 化 作用 不 要 求 迅速 完成 ， 所 以 用 曲 量 可 以 少 一 些 。 具 体 用 量 的 确定 一 般 应 先 做 酶 的 特性 试验 ， 根 据 酶 浓度 与 反应 速度 的 特性 曲线 来 确定 。 三 、 底 物 浓 度 对 反应 速度 的 影响 就 底 物 浓度 变化 而 言 ， 许 多 酶 促 反应 也 近 平一 级 反应 。 在 其 它 条 件 都 相同 的 情况 下 ， 反 应 速度 与 底 物 浓度 的 关系 如 图 2-11 所 7 o 4 Ye RELE —went, Rede 度 [S] 较 低 时 ，[S] 增 加 ， 反应 速 RE v 也 急剧 地 增加 ， 但 反应 曲线 也 随即 开始 弯曲 。 当 [S] 升 高 至 一 定 的 浓度 ，>” 就 不 再 升 高 ， 其 所 能 达 图 2-11 底 物 浓 度 与 反应 到 最 大 的 反应 速度 决定 于 酶 的 浓 速度 关系 80 1 mxniat 反应 速度 (V) Km ie York BE CSI Met RINT ND et hie UR ne ee ee nent Oe = oi = wht | Be. 此 现象 可 用 下 起 反应 加 以 解释 ， Ky 和 + aa > . | TH Ky, Ko, K3 FARRAR PLATE HB. 时 根据 质量 作用 定律 ，P 的 生成 速度 决定 于 中 间 产 物 [已 S] 的 REE, ANA PGE v" EF LES], Bo=K3LES], 4 CSTR RIRE, ROR SAREE & AES” 的 酶 未 结合 成 [五 s]， 因 而 也 就 未 发 挥 其 爹 部 催化 作用 。 若 [S] 增 In, [LESH BARN In, » 也 就 增加 。 当 所 有 的 酶 都 结合 成 [ 瑟 S] 后 ， 即 使 [S] 增 加 ， [已 sj 也 不 再 增加 ， 反 应 速度 也 就 到 了 一 个 极限 。 米 契 利 斯 和 曼 吞 将 上 述 底 物 浓度 [S] 与 酶 促 反 应 速度 关系 进 一 步 作 定量 分 析 ， 用 数学 公式 推导 出 酶 促 反 应 的 基本 公式 ， 称 米 As (一 ) 米 氏 公式 的 推导 根据 ep Ky K, a ee ee 2 中 间 产 物 [五 $] 的 生成 速度 ( 底 物 S 的 消失 速度 ) , 71 = KLSILE] 一 Ka [ES], iti [ES] 的 消失 速度 计生 V»= KES], MRM SAFER RAM, BN i=". Bt K,(EJ(S|—K,[LES]=K,[ES] 移 项 后 得 ， K,+K, _ [EIS] - K, —- [ES] VL. Km RR: K,+ K, K, 代入 后 得 : 81 [B8]=- @ 式 中 酶 浓度 [五 ]， 应 等 于 酶 的 总 浓度 CE]. 减 去 用 于 生成 中 间 产 物 的 浓度 [五 S]， 也 即 : [EJ=(EJ,—(ES] KAKO: ‘ [ES]=(CE],—CES])(S1/K,, 移 项 后 得 : (HS]=(E];-LS]/(K,,+08]) 又 酶 的 反应 速度 ， v= K, ES] 也 即 ， v= K,(EI,S1/(K,,+08]) @) 若 所 有 酶 [五 ]* 都 与 底 物 结合 生成 中 间 产 物 [五 S], WILE S |= [LE ]+, WR PRE ov 也 即 达到 最 大 速度 天， 即 天 = 天 gs[ 五 上 代入 @ 式 得 : vrs = FS) 加 此 方程 式 为 酶 反应 动力 学 的 最 基本 方程 式 ， 从 式 中 可 知 酶 反 应 速度 " 决定 于 底 物 浓度 [S]、 天 RV, Km Hy th Be, NER 应 中 酶 的 总 浓度 [ 瑟 ], 维持 不 变 ， 严 也 是 一 个 常数 。 因此 ， BR 应 速度 " 主要 决定 于 底 物 浓度 [S]。 如 果 Km 比 底 物 浓度 大 得 多 时 为 人 bo 一 了 LSJ 一 常数 x[S] 五 (=) 米 氏 常数 天 " 5SV 的 含义 Km=K2+ K3/K,; RAKKER, Km 也 等 于 [五 LSJ/[ 到 8]。 Alt, Km 的 单位 为 殉 分 子 浓 度 M， 即 死 分 子 / 升 。 若 在 酶 促 反 应 中 K3Ks 更 为 恰当 ， 国 为 它 实际 上 是 一 个 平衡 常数 ， 其 倒数 表示 _ 酶 和 底 物 的 亲和力 的 大 小 。 (DO) 高 浓度 底 物 的 抑制 作用 按照 米 氏 理论 ， 在 酶 促 反 应 中 底 物 浓度 的 提高 是 有 一 个 极限 的 ， 当 底 物 浓度 过 高 时 反应 速度 又 重新 下 降 。 这 是 高 浓度 底 物 对 反应 引起 了 抑制 作用 ， 其 原因 可 能 有 如 下 几 点 : (1)》 酶 促 反 应 是 在 水 溶液 中 进行 的 ， 水 在 反应 中 有 利于 分 子 “的 扩散 和 运动 。 当 底 物 浓度 过 高 时 就 使 水 的 有 效 浓 度 降 低 ， 使 反 (2) 过 量 的 底 物 与 酶 的 激活 剂 (如 某 些 金属 离子 ) 结 合 ， 降 低 -了 激活 剂 的 有 效 浓 度 而 使 反应 速度 下 降 ; (3) 一 定 的 底 物 是 与 酶 分 子 中 一 定 的 活性 部 位 结合 的 ， 而 形 。 成 不 稳定 的 中 间 产 物 。 过 量 的 底 物 分 子 聚 集 在 酶 分 子 上 就 可 能 “成 元 活性 的 中 间 产 物 。 这 个 中 间 产 物 是 不 能 分 解 为 反应 产物 的 。 其 反应 式 如 下 ， E+S=—ES—~>E+P ah nS | ESt4n 85 其 中 :zs 为 过 量 的 底 物 分 子 群 ， ESsiiw 为 无 活性 的 中 间 产 物 。 ~ PO. Feil se ee fe PE FA 酶 促 反应 是 一 个 复杂 的 化 学 反应 ， 有 的 化 学 物质 能 对 它 起 促 进 作用 ， 但 也 有 许多 物质 可 以 减弱 、 抑 制 甚至 破坏 酶 的 作用 ， 后 种 物质 称 为 酶 的 抑制 剂 。 由 于 抑制 而 引起 的 作用 称 为 抑制 作用 。 酶 的 抑制 剂 有 许多 种 ， 重 金属 离子 (如 Ag+\Hgt+t\Gur+ 等 )、 AUC, BEER. MUR. UL. BOLI CA PE), ARR, HERE, SRM, CORD 乙酸 以 及 表面 活性 物质 等 。 有 的 抑制 作用 可 加 入 其 它 物质 或 用 其 它 方 法 解除 ， 使 酶 活性 “恢复 。 这 种 抑制 称 为 可 逆 性 抑制 。 例 如 ， 抗 坏 血 酸 (维生素 G) 对 于 酵母 蔗 迷 酶 具有 较 强 的 抑制 作用 ， 但 加 入 半 胱 氨 酸 后 这 种 抽 制 即 解除 。 相 反 ， 有 的 抑制 作用 不 能 因 加 入 某 种 物质 或 其 它 方法 而 WERE, GAMMA A BAM. Gln, ALWIL A REI 酶 的 作用 和 和 氰 化 物 对 黄 素 酶 的 作用 等 。 研究 抑制 作用 的 机 制 无 论 在 理论 上 、 实 践 上 都 有 重要 意义 。 ” 某 些 物质 使 生物 体 引起 中 毒 现 象 ， 往 往 是 由 于 酶 或 酶 系 被 损害 。 例如 ， 杀 耻 剂 和 消毒 防腐 剂 的 应 用 就 是 由 于 它们 对 昆 息 和 微生物 的 酶 的 抑制 作用 。 同 时 ， 这 个 研究 还 有 助 于 阐明 酶 的 催化 本 质 和 机 制 。 因 为 ， 抑 制作 用 可 以 是 由 于 某 种 抑制 剂 与 酶 的 活性 部 位 结 合 ， 阻 碍 了 中 间 产 物 的 形成 或 分 解 ， 或 由 于 酶 的 变性 作用 等 所 千 成 。 但 因 变 性 而 引起 的 抑制 作用 无 特异 性 ， 不 属 本 节 讨论 范围 。 现 就 对 酶 活性 有 特异 抑制 的 抑制 物 讨论 如 下 ，， 从 酶 的 抑制 动力 学 而 言 ， 可 分 为 竞争 性 抑制 与 非 觉 争 性 抑制 两 种 。 (一 ) 酶 的 竞争 性 抑制 抑制 剂 同 底 物 对 酶 分 子 的 竞相 结合 而 引起 的 抑制 作用 称 为 况 86 ini, 其 反应 违 度 决定 于 抑制 剂 和 底 物 对 酶 分 子 的 灯 和 力 。 < bs 这 种 抑制 作用 ， 有 两 个 反应 觉 相 进行 党 B4+S3E+8—>E+P 四 E+I=EI ~ Ci a eae poet 其 中 : I AMF, [ELAM Shes ATCA ED Al ae Fe Fy, Kit EL RRR. Eo 为 酶 的 总 浓度 。 根 据 质量 作用 — pee, Mate s = “te : ((Ho]—[ES]—[EI])(S]=K,[ES] 加 三 二 二 ey ——s (( Ey J—CES]—CEI)) (1 =K,CET] @Q- 4 yy ? A ‘Y at ya RULES CET] | = :, as [Eo] ) a : | ee TFs) (1 —— 2 cree 4 BPS. 或 ， en ¢ * / i CSE Sa 4 Se VK Bin © 4 HOR GREK, (5) 式 只 多 出 Km 乘 以 1+[T]/ .Ki。 因 此 ， 在 竞争 性 抑制 中 Kv 的 值 增加 了 。 从 @ 趟 可 知 ， 如 果 [s]>Kwn(I+[T]/AK), 则 凡 便 接近 于 或 EV, Ki 值 小 而 [Z 值 大 ， 则 即 有 抑制 作用 ， 其 抑制 程度 决定 于 [S]。 正如 米 攻 方程式 一 样 ，@@ 式 也 可 用 直线 表示 ， 87 i= ‘fe Rot wrt 3 af 42 | | Fite raters | 5, MRE Kn/V TE Km/7(1+42)), a aba KT, (LARP ASIN (2-14), +071 /K: 称 为 抑制 因子 。 这 种 抑制 的 特点 是 底 物 浓 度 增 加 时 ， 则 抑制 作用 减 小 ， 即 抑制 作用 的 大 小 取决 于 抑制 剂 的 浓度 与 底 物 浓度 之 比 。 如 =1/Km-17Km cy « EO V/s ”一些 金属 离子 所 引起 的 抑制 及 RS 丙 二 酸 对 琥珀 酸 脱 氢 酶 的 抑制 ” 图 2-14 See il 作用 ， 此 类 抑制 剂 往往 具有 与 底 物 分 子 相似 的 化 学 结构 。 (二 ) 非 竞争 性 抑制 非 竞 争 性 抑制 与 竞争 性 抑制 有 别 ， 它 不 受 底 物 浓 庆 [S] 的 影 响 。 而 取决 于 酶 浓度 、 抑 制剂 浓度 和 Ks 的 大 小 。 抑制 剂 也 不 必 具有 与 底 物 相似 的 化 学 结构 。 因 为 酶 分 子 的 结合 基 团 或 部 位 不 是 原来 与 底 物 的 结合 基 团 。 根据 质量 作用 定律 ， 从 (2) 式 得 ; (LE, J—CEM CH [ET] K;= 或 ， (EIT Oe ee Ke: v 为 无 抑制 剂 时 的 反应 速度 为 有 抑制 剂 时 的 反应 速度 因 * 与 [ 忆 o] 成 比例 ，% 与 (CE 一 [Z) 成 比例 By, 88 | ie =TRi— [EI] ~ Tee (Holll K,/(K;,+(CI)) KE, +r) WK: | ty Sy any i a By +f ET) @ _ 直 起 加 可 知 ， 有 抑制 剂 时 ， 反 应 速度 受 K; 和 [7] 的 影响 , 而 - -与 区] 无 关 。 当 [S] 很 小 时 ， 则 wy 将 近 于 1, Mose 将 式 四 写成 | K; Series K+ RAR BAIS BRA Wl 4 1. (1+ [1] mys, Kn Mee ® 5 : A tore 1/18 PR 2-15 ise 4e tein 2-15, 由 图 可 知 ， 其 斜 率 和 A 一 无 抑制 齐 截 距 都 增 大 了 ， 即 各 乘 以 一 个 | 抑制 因子 。 1/S Fi, GATE EAB TEA, PRE AEE WRF TE 时 才能 表现 酶 的 催化 话 性 或 加 强 其 催化 效力 。 这 种 作用 称 酶 的 激 活 作用 。 引 起 激活 作用 的 物质 称 激活 剂 。 它 和 辅酶 或 辅 基 (RE 些 金属 作为 辅 基 ) 不 同 ， 如 果 无 激活 剂 存在 时 ， 酶 仍 能 表现 一 定 的 活性 ， 而 辅酶 或 辅 基 不 存在 时 ， 酶 则 完全 不 呈 活 性 。 激 锋 剂 种 类 很 多 ， 其 中 有 无 机 阳离子 ， 如 Nat, Kt, Rb*, Gst\ NH,*, Mgt*,Gat*+,Zn*+,Gd*+, Grttt, Gut+, Mnt+, Fett, Gott, Nit* Alt+++ 等 无 机 阴离子 ， 如 Gl-,\Br-,I7, GN-, NO,7, 89 PO,” , AsO." ,S=,SO,=,SeO,= 等 ， 有机物 分 子 如 维生素 G、 于 及 氨 酸 、 芒 乙酸 、 还 原型 谷 胱 甘 肽 以 及 维生素 Bi、B: 和 Be 的 磷酸 酯 等 化 合 物 和 一 些 酶 。 2 (一 ) 无 机 离子 的 激活 作用 金属 离子 的 激活 作用 在 微生物 发 酵 过 程 中 是 一 个 比较 常见 的 例子 ， 如 Mg++ 离子 对 酵母 葡萄 糖 杰 酸 激酶 的 激活 作用 见 图 2- 16; Mg** 及 Zn** BY >- Xp RE BERR i 4 Be OTR 作 用 如 图 2-17, 心 am co 反应 速度 (V) ， 0 10 20 20x10-3M 11075 1x 10741 x 10791 x 49-2 M «FA 2-16 Mgt+ 对 葡萄 糖 BER 图 2-17 Mgtt 及 Zntt+ 对 磷酸 激酶 的 激活 作用 葡萄 糖 变 位 酶 的 激活 作用 从 曲线 可 知 ， 如 果 缺 Me** 及 Zn… 时， 其 反应 速度 缓慢 二 增加 其 金属 离子 浓度 ， 则 反应 速度 加 快 。 但 当 这 些 离子 超过 一 定 限度 时 则 反应 速度 反而 减 暗 。 如 酵母 谜 酸 葡 萄 糖 变 位 Mt, 无 Mg ”离子 存在 时 ， 其 活性 仅 为 11%， Mg ”浓度 在 1~3x10 MT 时 ， 其 活性 达到 最 大 的 程度 。 一 般 认 为 ， 金 属 离子 的 激活 作用 是 由 于 金属 离子 与 酶 结合 ， 此 结合 物 又 与 底 物 结合 成 三 位 一 体 的 “ 酶 -金属 -= 底 物 " 的 复合 物 ， 这 里 金属 离子 使 底 物 更 有 利于 同 酶 的 活性 (部 位 ) 的 催化 部 位 和 结 合 部 位 相 结合 使 反应 加 速 进 行 。 金 属 离子 在 其 中 起 了 某 种 搭桥 的 VER. - 至 于 无 机 负离子 对 酶 的 激活 作用 ， 在 实践 中 也 是 第 见 的 现 象 。 例 如 毛 离 子 (G1 ) 为 淀粉 酶 活性 所 必需 ， 当 用 透析 法 去 掉 GL- 90 Mth, eM MANERA. M Gl, NOs” 和 SO.” 为 枯草 杆菌 (BE-7658) 演 粉 酶 的 激活 剂 。 AHEAD AEA AE, 有 人 认为 这 些 负 再 子 为 酶 的 活性 所 必需 的 因子 ， 而 且 对 酶 的 热 稳定 性 亦 起 着 保护 作用 。 (=) 酶 原 的 活化 有 些 酶 在 细胞 内 分 泌 出 来 时 处 于 无 活性 状态 ( 称 为 酶 原 )。 必须 经 过 适当 物质 的 作用 才能 变 为 活性 的 酶 。 关 酶 原 被 具有 活性 的 同 种 酶 所 激活 称 为 酶 的 自身 激活 作用 。 例如 ， 胰 蛋白 酶 原 在 胰 蛋 白 酶 或 肠 激酶 的 作用 下 ， 使 酶 原 变 为 活性 的 酶 。 这 种 转变 的 实质 是 在 酶 原 肽 链 的 某 些 地 方 断 裂 而 失 去 一 个 六 肽 的 结果 ， 使 得 酶 原 被 隐蔽 的 活性 部 位 显露 了 出 来 。 其 作用 机 制 如 图 2-18 所 示 。 实验 测定 表明 ， 胰 蛋白 酶 原 和 酶 具有 相同 的 分 子 量 ， 都 只 LAR 一 个 肽 链 。 就 氨基 酸 组 成 来 说 ， 两 者 公有 微小 的 差别 ， 这 都 说 明 酶 原 变 成 酶 时 并 不 发 生 重 大 的 改变 。 活 化 时 只 有 一 个 肽 键 被 打 开 ， 即 在 赖 氨 酸 与 异 亮 氛 酸 之 间 , 在 肽 链 的 N 一 末端 部 分 失去 一 个 从 肽 ， 同 时 隐蔽 的 活性 基 被 解放 出 来 或 形成 新 的 活性 部 位 。 | 肠 激酶 作用 点 一 组 WRK er HRA tit Ht + Ie 组 胰 和 蛋白酶 esis os 图 2-18 DRE ARB ATE eX Ay he ae ERB Air) nm 91 7X PH RAE TE ARS 2 Mel 5 BS FP RET NR LS READ RE OG Te PATE RE A Hog pH 值 ， 大 于 或 小 于 这 个 数值 ， 酶 的 活力 就 要 降低 ， 甚至 引 起 酶 蛋白 变性 而 形 失 活性 。 若 以 酶 的 活力 或 反应 速度 对 pH 值 作 图 ， 可 得 到 一 个 PH- 活 - 力 曲线 (图 2-19) 。 处 于 曲线 高 峰 的 PH 称 为 最 适 pH, 在 最 适 pH 处 酶 的 活力 最 大 。 每 种 酶 都 有 其 最 适 PH 值 。 这 是 酶 作用 的 一 个 重 要 特征 。 但 是 ， 最 适 pH 值 并 不 是 一 个 酶 的 特定 党 数 ， 因 为 它 受 其 他 因素 的 影 响 ， 如 酶 的 纯度 、 底 物种 类 和 浓度 、 缓 冲剂 的 种 类 和 浓度 以 一 一 一 | FSM, A, & 图 2-19 AibFlpp3e 及 pH ARE Ee 全 四 ; 的 。 从 图 2-19 wy, WR Beet 对 脲酶 的 影响 a 一 乙酸 盐 b 一 柠檬 酸 盐 一 磷酸 盐 尿素 的 催化 反应 ， 由 于 缓冲 剂 "ie sy ey WAR lel, DORR AB as HA AS Tad By 最 适 pH 值 。 pH 值 对 酶 活力 的 影响 ， 主 要 因为 pH 值 改变 底 物 和 酶 分 子 的 带电 状态 。 (一 ) PH 值 改 变 底 物 的 带电 状态 当 底 物 为 蛋白 质 、 肽 或 氨基 酸 等 两 性 电解 质 时 ， 它 们 随 着 pH 值 的 变化 表现 出 不 同 的 解 离 状态 ， 带 正 电 荷 或 带 负 电 疹 或 不 ” 带电 荷 ( 兼 性 离子 ) 。 而 酶 的 活性 部 位 往往 只 能 作用 于 底 物 的 某 一 种 解 离 状 态 。 (=) PH 改变 酶 分 子 的 带电 状态 酶 的 化 学 本 质 是 蛋白 质 ， WAVER ARE. pH 值 的 改变 92 ” “会 改变 酶 的 活性 部 位 上 有 关 基 团 的 解 离 状 态 ， 从 而 影响 酶 与 底 物 :的 结合 。 假 定 酶 在 某 一 PH 值 时 ， 酶 分 子 的 活性 部 位 上 存在 一 个 _ 带 正 电 帘 的 基 困 和 带 负 电荷 的 基 团 时 ， 此 时 酶 最 易 与 底 物 相 结 合 ,- 当 pH 值 偏 高 或 偏 低 时 ， 活 性 部 位 带电 情况 改变 ， 酶 与 底 物 的 结合 能 力 便 降低 ， 从 而 使 酶 活力 降低 。 例 如 她 糖 酶 具有 当 它 处 “ 手 等 电 点 状态 时 (成 兼 性 离子 时 )， 才 具有 最 大 的 酶 活力 ， 而 在 偏 酸 或 偏 雁 的 溶液 中 酶 活力 都 要 降低 或 形 失 。 每 种 酶 都 有 其 最 适 了 值 ， 如 表 2-6 所 示 。 a ” 表 2-6 几 - 种 酶 的 最 适 了 PH 值 ix j& pH {ff Be OE BE Mm KEL 6.6 蔗糖 酶 酵母 Re BE 4.6~5.0 淀粉 酶 Be OE te aoe 淀粉 酶 As.7658 枯草 杆菌 淀粉 5.2 二 肽 酶 酵母 = 7.8 FARAH 大 肠 杆 菌 HE AMR 8.5~9.0 As.3942 蛋白 栈 栖 土 曲霉 不 同 蛋白 质 9.5~10.0 七 、 温 度 对 酶 促 作用 的 影响 各 种 酶 的 反应 有 其 最 适 的 温度 ， 此 时 ， 酶 的 反应 速度 最 快 。 与 普通 化 学 反应 一 样 ， 在 酶 的 最 适 温度 以 下 ， 温度 每 升 高 10"C， 其 反应 速度 相应 地 增加 1 一 2 倍 。 温 度 对 酶 反应 速度 通常 用 温度 系数 Qio KAM: pire 在 (2? +10°C) fy RPL ERE T° FY AY Be Be ie RE FEE BB in BED, Aik be PA iin BE ABO if FE 1.4~2.0 之 间 。 此 温度 系数 一 般 较 无 机 催化 反应 和 非 催 化 的 同样 反应 为 小 。 当 温 度 超过 酶 的 最 适 温度 时 ， 酶 蛋白 就 会 逐渐 产生 变性 作用 而 减弱 甚至 形 失 其 催化 活性 。 一 般 的 酶 耐 温 程度 不 超过 60°C, 但 ie as 4a : a, é “ r a — ee ~~ *¢ 二 二 nage Che ~ eg 有 的 酶 (来 自 芽 孢 菌 ) 其 热 稳定 性 比较 高 ， 另 外 在 有 的 酶 中 加 一 些 无 机 离子 ， 可 增加 其 热 稳 定性 。 因 此 在 应 用 酶 制剂 前 必须 做 酶 的 温度 试验 ， 找 出 符合 生产 工艺 要 求 的 最 适 温度 。 例 如 ， 栖 土 曲 霉 (As. 3942) 和 蛋白 酶 的 最 适 温 度 的 选择 试验 ， AKAM POE: © 将 蛋白 酶 与 酷 蛋 白 混合 ， 在 不 同 的 温度 下 保温 ， 测 得 酶 活力 的 数据 绘 成 温度 对 酶 活力 的 曲 线 ， 如 图 2-20 所 示 。 从 图 表明 ,保温 时 间 在 30 分 钟 以 内 ， 45 一 50*C BIE 力 最 高 。 随 着 保温 时 间 延 长 ， 最 适 温度 降低。 保温 120 分 钟 , 在 40~45"C 酶 活 最 高 。 如 OL asic) 保温 时 间 为 10 分 钟 ， 该 酶 在 30~40°C 时 较 为 稳定 。 超 过 2-20 温度 对 As 3.94279 50°C MRTG Hi PM, _ 酶 反应 速度 的 影响 至 60°C 时 酶 几乎 全 部 恋 性 类 活 。 试验 结果 说 明 ， 选 择 酶 的 最 适 温度 和 酶 反应 的 时 间 有 关 ， 反 应 时 间 长 ， 则 最 适 温度 要 低 一 些 。 若 最 适 温度 选 择 得 高 ， 则 酶 容 易 变 性 失 活 。 在 制 革 厂 采用 蛋白 酶 脱毛 时 ， 一 般 选 用 最 适 温度 40*C 为 宜 。 温 度 过 高 酶 容易 失 活 而 达 不 到 脱毛 的 目的 ， 同 时 也 会 产生 烂 皮 现象 。 温 度 过 低 则 酶 脱毛 时 间 延 长 ， 影 响 生 产 效 率 。 由 此 可 知 ， 酶 的 最 适 温度 不 象 Km 值 那样 为 酶 的 特征 常数 。 它 是 随 “， 酶 反应 时 间 变 化 而 改变 的 。 至 于 低温 对 酶 促 反 应 的 影响 ， 一 般 地 说 ， 在 低温 下 Cin 0°c 左右 或 更 低 ) 酶 活力 降低 ,但 酶 活性 不 受 破坏 。 一 旦 升 高 温度 也 就 能 恢复 其 原 有 的 催化 活力 。 = Ss vy NA 和 Eee IT ee oP i x a - ot ras ee te hi ae an ie 7 人 ek 和 < ， 第 七 节 “ 酶 的 命名 -分 类 及 应 用 - 一 、 酶 的 命名 由 于 酶 的 化 学 结构 已 卉 清楚 的 为 数 不 多 ， 所 以 还 不 能 按 其 化 学 结构 命名 。 目 前 ， 有 习惯 命名 法 和 系统 命名 法 两 种 。 (一 ) 习惯 命名 法 习惯 命名 法 主要 根据 被 酶 作用 的 底 物 来 命名 ， 如 水 解 淀粉 的 ”” 酶 称 为 淀粉 酶 ， 水 解 蛋白 质 的 酶 称 为 蛋白 酶 等 ， 有 的 还 加 上 其 来 源 ， 如 细菌 淀粉 酶 、 枯 草 杆菌 蛋白 酶 等 。 这 种 命名 方法 比较 混乱 ， 往往 同一 种 酶 有 好 几 种 名 称 。 例 如 ，%- 淀 粉 梅 ， 又 名 液化 型 淀粉 酶 或 糊 精 淀粉 酶 或 淀粉 -1,4 类 精 酶 。 同 时 ， 有 的 将 两 种 不 同 的 酶 使 用 同一 名 称 。 例 如 ， 工 - 乳 酸 :NAD 氧化 还 原 酶 与 工 -乳酸 :细胞 色素 B。 氧化 还 原 酶 ， 它 ” 们 是 两 种 不 同 结构 的 酶 ， 但 都 能 催化 工 -乳酸 脱 氢 生成 丙酮 酸 。 所 以 , -它们 都 称 为 乳酸 脱 氢 酶 。 (二 ) 系统 命名 法 随 着 生产 和 科学 的 发 展 ， 新 发 现 的 酶 越 来 越 多 ， 习 惯 命名 法 “已 不 能 适应 发 展 的 要 求 。 国 际 酶 学 会 经 过 讨论 于 一 九 六 一 年 提出 了 一 个 系统 的 分 类 及 命名 原则 (并 于 1964 年 修订 )， 已 为 国际 生 化 协会 所 采用 。 此 法 将 所 有 的 酶 根据 其 所 催化 的 反应 类 型 ， 把 酶 DARKE: © 氧化 还 原 酶 类 ;，@@ 转移 酶 类 ; © 水 解 MP, ® ARM, © 异 构 酶 ， © 合成 酶 类 。 再 根据 底 物 及 被 作用 基 团 的 性 质 ， 每 一 大 类 又 可 分 为 若干 亚 类 及 次 亚 类 。 每 一 次 亚 类 直接 包括 若干 个 别 的 酶 。 各 级 分 类 及 个 别 的 酶 ， 均 以 数字 表示 其 规定 的 编号 。 所 以 每 一 种 酶 的 编号 有 四 种 数字 ， 用 圆 点 分 开 ， 如 醇 脱 氢 酶 的 编号 为 E.G.1.1.1.1， 其 中 第 一 数字 “12? 代 表 氧 化 还 原 酶 类 ， 第 二 数字 “1? 代 表 醇 基 ， 即 表示 底 物 中 发 生 氧 化 的 基 团 性 质 ， 第 三 数字 “1? 代 表 受 体 为 NAD 或 NADP， 即 表示 氢 或 电子 95 的 受 体 类 型， 第 四 数字 “1? 则 代表 此 酶 在 次 亚 类 中 编 为 第 一 号 ， ” 卫 .G 为 酶 委员 会 代号 。 又 如 己 糖 激酶 的 编号 为 也 G.2.7.1.1， 前 三 个 数字 表示 该 酶 所 属 的 大 类 、 亚 类 、 次 亚 类 ， 由 此 可 知 该 酶 的 催化 类 型 和 性 质 ， 第 四 个 数字 则 表示 该 酶 在 次 亚 类 中 的 位 置 。 这 种 命名 及 分 类 法 有 许多 优点 ， 除 了 可 作为 系统 分 类 和 识别 酶 的 催化 特性 外 ， 还 可 避免 将 全 部 酶 名 录 连 续 编号 〈 即 如 果 发 现 一 个 新 酶 属于 名 录 中 的 某 类 ， 则 会 影响 其 后 一 切 酶 的 编号 ) 的 缺 “ 点 。 二 、 酶 的 分 类 及 应 用 酶 的 种 类 很 多 ， 已 研究 的 酶 接近 二 千 种 ， 国 内 外 应 用 于 生产 - 实践 的 有 一 百 二 十 种 左右 ， 根 据 国 际 生 化 会 议 ， 按 酶 所 催化 的 类 型 ， 分 为 如 下 六 大 类 。 (一 ) 氧化 还 原 酶 类 氧化 还 原 酶 类 是 催化 物质 进行 氧化 还 原 反 应 的 酶 类 ， 其 反应 WH: AH,+ B=—A+ BH, 其 中 AH, 为 供 氨 体 ， 了 为 受气 体 。 根 据 供 氨 体 的 性 质 ， gx 分 为 氧化 酶 和 脱 氢 酶 两 类 。 1。 氧 化 酶 类 (1) 催化 底 物 脱 所 ， 氧 化 生成 H.O., KA: A:2H+0.=—A+H,20,2 jx KM EE FAD 或 EMN 为 辅 基 。 此 酶 作用 时 ， 底 物 脱 下 的 氨 先 交 给 BAD， 使 之 成 为 BAD.2 互 ,然后 FEAD.2 互 与 氧 作用 ， 生成 HO?， 放 出 FAD。 例 如 葡萄 糖 氧 化 酶 等 。 (2) 催化 底 物 脱 氨 ， 氧 化 生成 水 ， 通 式 为 : A+2H-+5-0A+ 1,0 rs 例如 多 酚 氧化 酶 ， 它 催化 含 酚 基 的 化 合 物 氧化 成 醒 ， 然 后 这 柄 类 96 再 经 一 系列 脱水 、 聚 合 等 反应 ， 最 后 可 生成 黑色 物质 。 2. 脱 氢 酶 类 此 类 酶 催化 直接 从 底 物 上 脱 气 ， 例 如 醇 脱 氢 酶 、 谷 氛 酸 脱 所 酶 等 。 (=) 转移 酶 类 此 类 酶 能 俱 化 一 各 化合物 分 子 上 的 基 团 转移 到 怒 一 种 化 合 物 分 子 上 。 其 反应 通 式 为 : A—R+BS—A+B-R kip RMR ARISEHN, -EATDLRAEIE, RANE. 及 氨基 等 。 谷 两 转氨酶 (简称 GPT) 便 属于 此 类 。 其 催化 的 反应 式 为 ; COOH BRIE. REIL COOH a cq (CHz2)， CHs)s 下 0 - CHNH, CHNHs | C=O 了 COOH | COOH COOH COOH oc— fe] 1% AR AAR RAR 丙酮 酸 谷 章 转氨酶 (GGT ) 为 谷 氨 酸 与 章 酰 乙 酸 之 间 的 氨基 转移 酶 。 这 两 种 转氨酶 在 医学 上 用 作 检 验 肝 功 能 的 一 个 指标 。 血 液 中 。 转氨酶 单位 高 ， 反 映 肝 细胞 病变 损坏 大 ， 故 进入 血液 中 的 酶 也 就 多 ° \ 又 如 已 糖 激酶 为 磷酸 基 转 移 酶 ， 其 催化 的 反应 式 为 ， 己 糖 激酶 6-P- 葡 萄 糖 十 ADP ATP+D-# 45 BF 由 于 反应 过 程 中 伴随 着 人 E 量 转移 ， 故 习惯 上 称 为 " x x 激酶 (=) 水 解 酶 类 ”此 类 酶 俱 化 大 分 子 物 质 加 水 分 解 成 为 小 分 子 物质 ， 其 反应 通 式 为 : A—B+HOH==AOH+BH Sh A 一 B 代表 底 物 。 97 这 类 酶 类 都 属于 细胞 外 酶 。 在 生物 体内 分 布 最 广 , 数 量 也 多 ， 应 用 也 最 广泛 。 例 如 淀粉 酶 、 和 蛋白酶、 脂肪 酶 、 果 胶 酶 、 核 糖 核 酸 酶 及 纤维 素 酶 等 。 (四 ) 裂解 酶 类 此 类 酶 催化 一 个 化 合 物 分 解 为 几 个 化 合 物 或 其 道 反应 ， 其 反 应 通 式 为 : 、AB= 一 A 十 B 例如 脱羧 酶 催化 分 子 中 的 C—G 键 裂 解 ， 产 物 中 有 Go; 脱水 酶 催化 分 子 为 C—O 键 裂 ， 产 物 中 有 ALO; 脱毛 酶 催化 分 子 中 的 C—N 键 裂 解 ， 产 物 中 有 所 ;， 醛 缩 酶 催化 分 子 中 的 C—C 键 裂解 ， 产生 醛 。 (A) 异 构 酶 类 此 类 酶 催化 同 分 异 构 化 合 物 之 间 的 互相 转化 ， 即 分 子 内 部 基 团 的 重新 排列 。 其 通 式 为 ， A= F 例如 葡萄 糖 异 构 酶 催化 葡萄 糖 转变 为 果糖 的 反应 ， 目 前 生产 上 已 应 用 此 酶 使 葡萄 糖 制 成 果糖 与 葡萄 糖 的 混合 糖浆 ， 以 提高 甜 度 应 用 于 食品 生产 。 其 反应 式 如 下 ， CHO CH,OH Be ding . die HO—C—H ”葡萄糖 异 构 栈 Le i. H—C—OH <———_ Ree cr ae H— C—O Cant CH,OH CH,OH D- 葡 萄 糖 D-H (六 ) 合成 酶 类 此 类 酶 一 般 是 指 在 有 腺 昔 三 磷酸 (ATP) 参 加 的 合成 反应 。 这 类 酶 关系 着 许多 重要 生命 物质 的 合成 ， 如 蛋白 质 、 核 酸 等 的 生物 ， 合成 。 其 通 式 为 ， 98 ss Pr ee eC Sh ter Bere on can Te ge ee ee Coe 表 2-7 生产 上 常用 微生物 酶 及 应 用 最 适 作用 条 件 iia BE CC) 液化 型 、 淀 eg es 水 解 淀粉 制 葡 萄 糖 、 馆 糖 、 糊 ¥y 枯草 杆菌 6.0 一 6.4 | 85~94 | ye’ 棉布 退 浆 、 酒 精 发 酵 、 啤 酒 酿造 、 制 酷 、 ih Re. 饲料 加 wile by ob Si 红 曲 | -4.5~.4.8 | 6o~65 | 工 和 rr err Oil — \ 应 用 (pH) 枯草 杆菌 、 栖 | 1186 皮草 脱毛、 酱油 酿造 、 胶 卷 回 - Atha, ih | 6.8~7.5 | 40~43 | We, 丝绸 脱胶 、 Bev TPA An this AK | 3942 工 、 明 胶 生 产 及 医药 等 pies” | 1398 7.5~8.0 | 40~45 5114 ~v.0~8.0} 50~55 ae 假 丝 酵母 、 青 绢 淄 脱 婚 、 羊 毛 脱脂 、 山 羊皮 an | 夫 菌 .， 志 酵 | 7.5 | 40 | 坎 化、 洗涤 询 、 医 药 、 发 品 制造 | ae. eae | AB WE, 酒 类 发 酵 、 毛 织品 除草 刺 、 食 人 Page 7 | S| ave, Sele ze. ee. Re, Sea, 8 » » FLY . b i AUR | ere, | 89°35) 80 “| 发酵。 蔬菜 加 工 等 fe aca 木质 素 酶 - | 担子 菌 | | | 纸浆 发 酵 。 棉 布 脱 棉 子 这 枯草 杆菌 、 米 -水解 核 糖 核酸 生产 各 种 核 董 本 核糖 核酸 酶 | whe AE 6.2 37 Re ae 本 和 ee, awe 5.6 | so~se |, SiRboMEn, “Pak era at HE, Mie | 6.8 | 25 | ea ce ee . 大 肠 杆菌 、 胡 抗 癌 药 、 治 疗 白血病 ee |e ramiw | 8.5 | 37 bes $ 酰胺 酶 。 “| 大 肠 杆菌 | 制造 新 型 的 青霉素 99 FIG (EAR EE Mets | Me xX mL — 用 (pH) | if RE CC) ERE scr | ee ee | 分 析 试剂 、 测 定 氨基 酸 葡萄 糖 异 构 | EK yg MR ee res 蔗糖 酶 | 啤酒 酵母 蔗糖 转化 剂 、 糕 点 制造 、 人 造 fa EE 蜂 密 、 糖 果 制 千 杆菌 、 + ANTE ees em ee | is | 果汁 脱 苦味 、 葡 萄 糖 除去 杂 味 ae ae fe TE ae | ne | nN | 柑 桔 弘 头 、 果 汁 中 防止 产生 混 my : : EH Bi ik 7 SMES Rae 6. ‘ | man | a | Pies Rim | £8 | | Mes ae 香味 酶 | 霉菌 、 血 红色 改良 干 酷 及 黄油 的 香味 feMIL ta | mem 6 | Ue, ACEI, RRR, Ae a | a PRE 乳糖 酶 | 腹壁 酵母 、 球 防止 冰 洪 淋 及 脱脂 炼乳 中 乳糖 状 假 丝 酵 县 wh 蜜 二 糖 酶 “| BONE REM 分 解 妨 碍 蓄 糖 析出 的 棉 子 粮 ， 变异 蓝 株 等 提高 芒 糖 质量 脂肪 氧化 酶 | 震 苗 ， 细菌 面包 制造 中 使 胡 葛 下 素 氧化 脱 色 ， 面 包 变 白 ， 分 解 脂肪 酸 fa |e A | rc a ee > 将 青 震 素 分 解 合成 新 的 青 需 WEA | 蜡 状 芽孢 杆 素 、 青 霉 素 鉴定 持 抗 青霉素 敏感 菌 、 糙 章 杆菌 链 激酶 | sea | | 溶血 酶 原 之 激活 、 医 药 100 A+B+ATP==AB+ADP+ FALMER | CRAMP) 《或 无 机 焦 磷 酸 ) 生产 上 常用 微生物 酶 及 其 应 用 如 表 2-7 所 示 。 第 八 节 ， 酶 在 细胞 内 的 分 布 正 象 有 生命 的 地 方 就 有 蛋白 质 一 样 ， 有 生命 的 地 方 同样 有 酶 的 存在 。 酶 作为 催化 剂 在 生物 体 中 是 互相 协调 、 制 约 ， 成 为 有 机 的 统一 ， 保 证 了 生物 体内 的 物质 按 一 定 的 代谢 途径 进行 ， 而 细胞 内 的 各 个 组 成 部 分 都 具有 特殊 的 功能 。 因 此 ， 与 之 相 适应 的 细胞 内 各 种 酶 的 分 布 ， 也 有 其 一 定 的 位 置 与 次 序 。 根据 酶 的 活动 部 位 ， 通 常 可 将 酶 分 为 胞 外 酶 和 胞 内 酶 两 大 ， 类 。 胞 外 酶 是 由 细胞 产生 后 分 泌 于 细胞 外 面 进行 作用 的 酶 ， 这 种 酶 主要 包括 水 解 酶 类 〈 如 水 解 多 糖 、 寡 糖 、 蛋 白质 和 酯 类 的 酶 )。 而 胞 内 酶 是 由 细胞 产生 并 在 细胞 内 部 起 作用 的 酶 ， 这 类 酶 的 种 类 很 多 ， 如 氧化 还 原 酶 类 、 转 移 酶 类 、， 裂 解 酶 类 、 异 构 酶 类 及 合成 酶 类 等 。 这 些 胞 内 酶 在 细胞 内 并 不 是 相互 混杂 在 一 起 ， 而 是 各 有 其 一 定 的 区 域 。 有 些 酶 类 在 细胞 表面 的 质 膜 上 活动 。 大 多 数 酶 是 在 细胞 原生 质 内 活动 ， 有 的 则 呈 可 溶性 的 游离 状态 存在 ， 有 的 酶 是 和 细胞 内 的 特定 结构 结合 在 一 起 。 活动 在 质 膜 上 的 酶 ， 称 “表面 酶 >， 其 中 主要 是 渗透 酶 ， 它 可 把 培养 基 中 的 某 些 营养 物质 传递 到 细胞 内 部 。 在 好 气 细菌 的 细胞 ” 质 膜 上 还 存在 有 呼吸 作用 的 酶 类 ， 如 某 些 脱 氨 酶 和 细胞 色素 等 。 真 核 细胞 是 由 细胞 核 、 细 胞 质 、 细 胞 质 膜 和 细胞 壁 等 部 分 组 成 。 在 细胞 核 和 细胞 质 中 还 有 许多 细微 结构 ( 称 为 亚 细 胞 结构 )， 如 细胞 核 中 有 核 仁和 染色 体 ， 外 面 还 有 一 层 核 膜 。 细 胞 质 中 有 线 粒 体 、 内 质 网 〈 内 质 网 的 碎片 称 为 微粒 体 ) 和 核 蛋 白 体 等 ， 外 面 还 有 一 层 细胞 膜 。 | Ai Fe HHS ZH AER AS TELE. ROEM HG 101 GENK S BEE FE REE HL RL, PERE Pe 细胞 质 的 内 膜 上 。 有 关 三 羧 酸 循环 的 酶 都 溶 于 线粒体 内 部 的 浆液 中 (真菌 有 线粒体 ， 而 细 戎 则 没有 线粒体 )。 由 于 各 种 不 同 的 酶 在 细胞 内 有 着 严格 的 作用 区 域 。 这 样 在 细胞 的 生命 活动 过 程 中 ， 各 种 物质 的 代谢 才能 有 条 不 率 地 顺利 进行 。 St HWA, BARRE 酶 存在 于 一 切 生 物 细胞 ， 种 类 繁多 。 五 十 年 代 以 来 由 于 生化 分 离 技术 及 生化 工程 的 进展 ， 酶 的 分 离 、 提 纯 技术 僵 来 鳄 快速 、 精细 并 向 连续 化 自动 化 方向 发 展 。 酶 的 分 离 、 提 纯 是 为 研究 酶 的 结构 、 催 化 机 理 , 专 一 性 以 及 结构 与 功能 关系 等 问题 的 先决 条 件 ， 也 为 酶 的 应 用 开辟 了 广阔 的 途径 。 目前 工业 上 多 采用 微生物 发 酵 来 企 产 酶 制剂 。 微 生物 酶 制剂 的 生产 不 受气 候 及 地 理 环 境 的 限制 ， 而 且 微生物 种 类 每 多， 培养 时 间 短 ， 繁 殖 快 ， 含 酶 量 丰 富 ， 还 可 通过 诱 变 育 种 来 提高 酶 的 产 量 。 | 由 于 生产 的 酶 与 大 量 的 其 他 物质 同时 存在 。 因 此 ， 就 必需 经 过 分 离 、 提 纯 ， 有 的 还 要 经 过 结晶 纯化 ， 以 便 作为 酶 学 研究 及 基 种 实际 应 用 。 至 于 对 某 一 种 酶 的 具体 制备 方案 ， 通 常 根据 酶 的 来 源 、 性 质 及 纯度 要 求 来 确定 。 在 每 一 步 操作 中 都 需 进行 酶 活力 测定 ， 以 便 了 解 酶 的 提纯 情况 以 及 计算 酶 的 得 率 。 酶 的 提取 及 纯化 ,实质 上 就 是 一 种 蛋白 质 的 提取 及 精制 过 程 ， 因此 在 操作 过 程 中 应 避免 高 温 、 过 酸 过 碱 及 重金 属 离子 的 混 人 以 及 其 他 理化 因素 的 影响 以 防止 酶 蛋白 变性 。 一 、 酶 的 抽 提 提取 就 是 用 溶剂 将 酶 分 离 出 来 。 不 同 的 酶 采用 不 同 的 抽 提 方 102 “3k MEUM, MM EMAKE, MURAI, Be - 出 液 即 为 淀粉 酶 的 提取 液 。 如 为 液体 培养 ， 则 不 需要 经 过 抽 提 ， ”只 要 将 发 酵 液 过 滤 ， 除 去 菌 体 后 ， 其 滤液 即 可 供 进一步 提纯 用 。 而 提取 细胞 内 莓 就 必须 先 收集 菌 体 ， 然后 用 适当 方法 将 细胞 结构 ng: 破坏 (主要 是 破坏 细胞 膜 )， 使 酶 释放 出 来 ， 然后 用 适当 的 溶剂 进 行 抽 提 。 破坏 细胞 结构 的 方法 有 下 列 几 种 ， (一 ) 机 械 破 碎 即将 菌 体 加 石英 砂 或 焉 璃 粉 或 氧化 铝 等 后 研磨 。 (=) BHA eS SONS Rats ADRAC» EI eo 的 提取 。 在 自 溶 过 程 中 常 采 用 保温 的 办 法 以 提高 效果 ， 如 酵母 细 胞 壁 厚 不 易 破 坏 ， 故 从 酵母 细胞 制备 酶 制剂 时 ， 常 将 酵母 悬浮 液 ， 保温 ， 待 其 自 溶 后 再 分 离 提 纯 。 有 的 还 加 氯仿 、 甲 蔡 、 三 毛 乙 烯 等 有 机 溶剂 来 促使 细胞 结构 破坏 。 在 自 溶 过 程 中 可 能 会 产生 酸 (如 乳 酸 、 磷 酸 等 )， 故 要 用 缓冲 剂 来 维持 PH 值 的 稳定 ， 但 同时 也 要 注意 某 些 缓冲 剂 的 离子 的 活化 作用 。 (三 ) 其 他 方法 如 用 丙酮 处 理 菌 体 ， 因 它 可 溶解 细胞 壁 使 酶 释放 出 来 。 溶 菌 酶 亦 可 使 某 些 细菌 细胞 壁 解体 ， 然 后 进行 酶 的 分 离 。 此 外 还 可 用 超 上 声波 、 冻 融 及 从 高 压 急速 减 压 等 方法 也 是 使 细胞 结构 解体 的 有 ~ BATE. 一 、 酶 的 纯化 酶 的 抽 提 液 中 含有 大 量 杂 质 ， 如 杂 蛋 白 〈 非 酶 蛋白 及 一 些 其 EME). 糖 及 无 机 盐 等 *。 这 些 杂质 来 自 菌 体 细 胞 及 培养 基 。 纯化 的 目的 就 是 分 离 除 杂 以 提高 酶 的 纯度 及 其 活力 。 酶 的 纯化 过 程 是 一 种 严密 的 分 离 技术 ， 应 该 特别 注意 到 酶 的 特性 。 除 少数 酶 外 ， 大 多 数 酶 是 对 热 很 不 稳定 的 。 随 着 酶 的 逐渐 担 纯 ， 非 酶 蛋白 的 除去 ， 蛋 白质 之 间 的 互相 保护 作用 也 就 逐渐 减 103 gee ee " Y wei. . tog bles Pe? a) Pe. 少 。 故 酶 愈 纯 ， 其 稳定 性 愈 差 。 因 此 ， 在 纯化 过 程 中 应 尽 可 能 保 持 低温 。 在 过 滤 或 搅 拌 等 操作 中 还 应 避免 泡沫 的 形成 ， 以 免 酶 蛋 白 的 表面 变性 ， 重 金属 离子 对 很 多 酶 有 破坏 作用 ,也 应 尽量 避免 。 同时 ， 溶 液 的 pH 值 、 离 子 强度 及 蛋白 质 浓度 都 要 严格 控制 ， 尽 - 量 避 免 酶 蛋白 的 变性 作用 。 酶 的 纯化 方法 一 般 有 如 下 几 种 ， (一 ) 盐 析 盐 析 是 分 离 提 取 和 蛋白 质 的 方法 ， 也 是 提纯 酶 常用 的 方法 。 在 Big YY $e Hye A on A ie RL (Ny) SO, 1, HERR BA (Na.SO,) 或 氯 化 钠 (NaGl) 等 中 性 盐 ， ERA POPE, 从 而 可 使 酶 与 一 部 分 杂质 分 离 ， 同 时 达到 浓缩 的 目的 。 这 种 方法 可 以 在 室温 操作 ， 大 多 数 中 性 盐 对 酶 没有 破坏 作用 。 生 产 上 用 得 最 多 的 是 硫 铵 盐 析 法 。 因为 硫 镑 溶解 度 大 ， 酶 沉淀 完全 ， 它 的 废 液 可 以 回收 作 肥 料 。 上 有 具体 操作 采用 两 种 方式 进行 ， 一 种 是 带菌 体 盐 析 ， 即 在 发 酵 PARMAR, 此 法 操作 简便 ， 酶 得 率 高 ， 但 它 的 活力 较 低 ， 杂 质 较 多 ( 除 菌 体外 尚 有 培养 基 残 酒 )。 如 BE 7658 pe AG, 就 是 利用 此 法 提取 的 。 另 一 种 是 去 菌 体 盐 析 ， 即 先 将 发 酵 液 压 疲 除去 菌 体 及 培养 基 残 洼 ， 然 后 加 入 硫 贸 ， 此 法 得 率 较 低 ， 但 酶 的 活力 高 ， 杂 质 少 ， 如 As. 3942 蛋白 酶 的 提取 则 采用 此 法 。 至 于 有 体 选 用 哪 一 种 方式 处 理 ， 要 根据 生产 的 要 求 来 决定 。 以 上 所 述 为 一 次 盐 析 法 ， 经 过 这 样 处 理 后 ， 酶 制剂 中 的 非 酶 蛋白 基本 上 没有 很 好 除去 。 要 和 制 成 较 纯 的 酶 ， 就 必须 采用 分 段 盐 ”， 析 。 由 于 各 种 蛋白 质 在 同一 中 性 盐 溶液 中 的 溶解 度 不 同 ， 因 此 ， 可 以 采用 逐步 添加 硫 贸 的 方法 ,使 它们 在 不 同 浓度 的 硫 匀 溶 液 中 ， 先后 沉淀 析出 ， 从 而 达到 分 离 提纯 的 目的 。 这 种 方法 称 为 分 段 盐 析 法 。 | 盐 析 过 程 中 应 注意 PH 值 的 控制 ， 把 PH 调节 在 它 稳定 也 范围 内 。 同 时 在 不 影响 稳定 性 的 前 提 下 ， 尽 可 能 调 市 至 接近 它 的 等 电 点 ， 使 酶 沉淀 完全 。 104 (=) 有 机 溶剂 沉淀 法 有 机 溶 齐 沉 这 法 是 目前 分 离 提 纯 酶 的 主要 方法 之 _-。 它 的 主 要 优点 是 分 辨 能 力 比 盐 析 法 高 。 在 一 定 条 件 下 ， 蛋 白质 在 一 个 比 _ 较 狭窄 的 有 机 溶剂 浓度 范围 内 沉淀 出 来 。 一 些 能 与 水 相 溶 的 有 机 溶剂 (丙酮 乙醇 和 甲醇 等 )， 都 能 使 酶 沉淀 ， 在 生产 上 常用 乙醇 作为 沉淀 剂 。 一 般 有 机 溶剂 都 是 蛋白 质 的 变性 剂 ， 当 溶剂 浓度 过 高 时 ， 酶 变性 拓 活 比较 严重 。 故 溶剂 浓度 一 般 控制 在 30~60% , 在 纯化 过 程 中 ， 溶 剂 应 少量 地 分 批 加 入 ， 并 不 断 挠 拌 ， 防 止 局 部 过 浓 。 在 使 用 乙醇 为 沉淀 剂 时 ， 加 入 速度 更 应 缓慢 ， 以 免 产 生 大 量 的 热 。 当 酶 沉淀 后 要 迅速 分 离 ， 以 减少 酶 与 溶剂 的 接触 时 间 , 防 止 失 活 。 由 于 酶 在 有 机 溶剂 中 即使 在 常温 下 也 易 变 性 失 活 ， 故 应 在 低温 下 进行 操作 。 此 外 对 酶 液 的 pH (AEA Al We Be ER OF 法 。 对 制备 较 纯 的 酶 制剂 ， 可 采用 有 机 溶剂 分 段 沉淀 法 ， 其 操作 与 分 段 盐 析 法 相似 。 (三 ) 选择 性 变性 (沉淀 ) 选择 二 定 的 条 件 使 那些 杂 蛋 白 变性 沉淀 ， 而 此 条 件 对 所 要 提 纯 的 酶 不 产生 有 害 的 影响 。 这 些 方法 中 应 用 最 多 的 是 蛋白 质 的 执 变性 。 蛋 白质 常 在 一 个 狭窄 的 温度 范围 内 受热 变性 沉淀 。 因 此 ， 有 可 能 利用 蛋白 质 热 变性 的 差异 ， 在 严格 的 控制 条 件 下 ， 将 酶 抽 提 液 加 热 到 一 定 的 温度 ， 使 一 部 分 杂 和 蛋白 变性 沉淀 。 例 如 ， 将 黑 曲 才 的 粗 酶 液 在 PH 3.4, 40°C 保温 150 分 钟 ， 其 淀粉 酶 的 活力 PEA 90% ， 而 所 要 制备 的 脂肪 酶 的 活力 仍 保持 80% 以 上 ， 脂肪 酶 的 比 活力 提高 了 三 倍 。 另外 ， 有 些 酶 在 一 定 条 件 下 对 某 种 变性 剂 不 敏感 。 例 如 ， 细 胞 色素 G 在 2.5% 三 氧 乙酸 中 不 产生 沉淀 ， 而 其 它 杂 质 却 被 沉淀 而 除去 。 (四 ) 层 析 法 柱 层 析 是 酶 提纯 的 最 有 效 方法 之 一 ， 近 年 来 发 展 很 快 。 应 用 105 也 较 广 。 根 据 其 填充 剂 的 不 同 ， 可 以 分 为 下 列 几 各 1. 吸附 野 析 法 利用 吸附 剂 对 不 同 蛋白 质 吸附 能 力 的 不 同 ， 可 以 将 酶 与 杂 蛋 白 分 离 。 常 用 的 吸附 剂 有 氧化 铝 、 活 性 白 士 和 磅 酸 钙 凝 胶 等 。 近 年 来 ， 也 有 用 酶 的 底 物 及 纤维 素 衍 生物 作 吸 附 剂 。 吸 附 齐 的 选择 要 通过 试验 来 决定 。 操 作 时 先 把 吸附 剂 装 入 柱 内 ， 将 酶 提取 液 上 柱 ， 使 所 需 的 酶 被 吸附 ， 而 杂 和 蛋白 随 溶 液 流出 。 然 后 再 用 适当 的 溶剂 将 酶 洗 脱 。 ee AG OLOLSS PH、 温度 、 溶 剂 、 吸 附 剂 的 状态 、 杂 质 及 电解 质 浓度 的 影响 。 通常 在 弱酸 性 (PH= 5~6) 及 低 电 解 质 浓度 下 比 较 适 宣 。 有 些 吸附 剂 对 某 些 酶 没有 吸附 作用 。 此 时 可 以 用 来 吸附 杂 蛋 白 ， 也 能 使 酶 纯化 。 2、 离 子 交换 层 析 蛋白 质 ( 酶 ) 是 两 性 化 合 物 ， 在 一 定 的 pH 条 件 下 ， 各 种 不 同 的 蛋白 质 分 子 的 极 性 基 团 离 解 情况 也 不 相同 。 因 此 ， 可 以 用 离子 交换 树脂 进行 分 离 。 由 于 蛋白 质 分 子 量 大 ， 在 它 的 多 肽 链 上 有 各 种 不 同 的 基 团 。 这 些 基 团 与 离子 交换 树脂 有 差不多 的 亲和力 。 所 以 ， 在 这 里 不 是 单纯 的 离子 交换 作用 ， 而 同时 伴 有 吸附 作用 在 内 。 一 般 离子 交换 树脂 由 于 网 孔 太 小 ， 不 适 于 酶 的 分 离 。 适 用 于 分 离 酶 的 离子 交换 树脂 , 如 二 乙 氨基 乙 基 纤维 素 (DEAE- 纤 维 素 ) GOCE IRM (DEAE-Sephadex) 是 常用 的 阴离子 交换 剂 。 它 们 在 酶 蛋白 等 电 点 的 奏 侧 与 带 负 电 疹 的 酶 蛋白 起 交换 吸附 ， 作用 。 还 有 羧 甲 基 纤 维 素 (GMG- 纤 维 素 ) 与 次 甲 基 葡 聚 糖 (GMG- Sephadex) 是 常用 的 阳离子 交换 剂 。 它们 在 酶 蛋白 等 电 点 的 酸 侧 与 带 正 电荷 的 酶 蛋白 起 交换 吸附 作用 。 这 些 离子 交换 树脂 具有 吸 附 量 大 及 洗 脱 时 分 辨 能 力 高 等 优点 ， 故 适宜 于 分 离 纯 庆 高 的 酶 抽 剂 。 106 ~ og 1 ad le ie ® aoe ee tig bey 2 1 全 AR OTR ee Saye 4 east ‘ . 4 Ci war ft ANS D 2 ce? mi 7 7 Fou / ; cca, 0 eae va pit) ee eee ‘ , gas et ye Pei et ae 0 Oe ie ‘ * a bas a's a IN Hd ‘ A See. % - Pea eg v *' 全 ET 1 ‘ > rie ja, RTRs a el eet ria, fae Sta ’ : ~~ i o~ A a. bey oe EEA. ye. ‘ , ‘ec 本 Dp ; 和 Ww eae 8. AF HEE BT HE LE BH) 一 “分子 得 是 一 类 具有 网 孔 结 构 的 凝 胶 颗 粒 。 它 的 作用 相当 于 一 只 得 子 ， 但 与 普通 的 算 子 作用 相反 。 小 于 筛 孔 的 分 子 能 够 进入 吴 _ 胶 颗粒 内 部 的 网 孔 ， 大 于 筛 孔 的 分 子 不 能 进入 网 孔 而 从 凝 胶 颗 粒 的 间 阶 中 流出 。 利用 这 一 原理 ， 可 以 将 各 种 不 同 分 子 量 的 蛋白 质 a 分 离 。 A FAR 3) Sea HE (Sephadex G)、 聚 丙烯 栈 胺 凝 胶 有 (Bio-Gel P) 与 琼脂 糖 凝 胶 (Bio-Gel A) 等 。 其 中 BRR 由 葡 聚 糖 与 环 氧 所 丙烷 以 醚 链 (一 0 一 QH 一 GHOH 一 GHz 一 0 一 ) “形式 相互 交 联 而 形成 网 状 结构 。 其 结构 式 如 下 ， / 1 O . J ’ : ! _CH, = A “CHO “9 -O-CH, dey, ws ve iJ H CE OH oN) 和 O bs O —CH, H; OH CHOH H 0 OH 2 c re) 2 mn ° OH > 9 KS eS CH, CHOH 图 2-21 WPSEMBIENEM TEAL “由 图 2-21 可 知 ， XA AAAI BEENO BI, {AFL 眼 很 小 ， 用 一 般 显 微 镜 是 观察 不 到 的 。 人 白色 球状 颗粒 ， 不 溶 于 水 、 盐 溶液 、 礁 、 弱 酸 溶液 〈 强 酸 能 使 其 糖苷 键 水 解 )， ae 能 吸水 ， 吸水 后 体 ， 197 下 Pa ar ~~ . 5 ie We ree ie hl ee 积 膨胀 呈 透 明 ， 这 是 由 于 它 的 分 子 中 具有 许多 亲 水 基 团 ， 吸 水 后 它 的 网 眼 张 开 。 这 些 网 眼 能 把 水 溶液 中 分 子 大 小 不 同 的 溶质 位 ” 离 ， 因 而 起 到 “分 子 得 ”的 功能 。 。 每 一 种 分 子 筛 都 有 不 同 的 型 号 ， 各 型 号 的 得 也 大 小 都 不 同 。 在 纯化 酶 的 工作 中 常用 Sephadex G 25 以 上 型 号 的 产品 (型 号 大 ， WFLA) 分 子 得 具有 良好 的 分 离 效 果 ， 适宜 于 高 纯度 酶 制剂 的 制备 。 (五 ) 酶 的 结晶 为 了 研究 需要 ， 在 酶 的 提纯 过 程 中 ， 当 酶 已 经 达到 一 定 纯度 时 ， 即 可 进行 结晶 试验 。 但 酶 的 结晶 ， 至 今 尚 未 总 结 出 普遍 规 律 ， 通 常 是 在 硫酸 贸 的 溶液 中 进行 的 。 重 要 的 是 ， 必 须 注意 控 制 温度 和 pH， 特别 在 加 入 硫酸 铵 溶液 时 需要 逐步 提高 盐 的 浓度 , 不 要 太 快 ， 只 有 这 样 ， 才 能 获得 良好 的 效果 。 有 了 时， 也 可 以 在 某 些 有 机 溶剂 中 进行 结晶 ， 或 利用 特殊 的 沉 淀 剂 制 出 晶体 形式 。 例 如 用 秒 盐 从 酵母 制 出 无 活性 的 晶 形 烯 醇 酶 的 二 价 汞 盐 ， 经 过 对 硫酸 锐 溶 液 (含有 氰 化 物 和 氨 ) 透 析 除 去 金属 后 ， 再 加 入 更 多 的 硫酸 铵 ， 使 具有 活性 的 酶 呈 非 晶 形 状态 而 沉 ti. : 为 了 使 酶 从 溶液 中 较 好 地 结晶 ， 应 特别 注意 除 掉 某 些 杂 质 ， 如 粘 蛋白 等 。 因 为 这 些 杂 质 会 妨碍 酶 的 结晶 。 除 去 粘 蛋白 的 方法 可 以 用 氢 氧 化 铜 或 丙酮 或 强酸 来 处 理 ， 但 须 防 止 其 破坏 作用 ， 也 可 以 用 特种 吸附 剂 以 除去 这 些 杂 质 。 另 外 ， 为 了 获得 纯 酶 ， 必 须 采用 重 结晶 的 办 法 。 =, 2H HEE xe 过 对 于 高 纯度 的 酶 制剂 必须 进行 纯度 鉴定 。 活 力 高 的 酶 制剂 其 至 结晶 形式 的 酶 也 并 不 表明 它 已 经 是 一 个 单一 的 纯粹 蛋白 质 。 例 如 ， 最 初 制 得 的 牛 胰 核 糖 核酸 酶 在 很 多 性 质 上 都 表现 是 一 种 单一 的 物质 ， 但 后 来 证 明 这 种 结晶 体 还 含有 一 个 能 分 解 蛋 白 质 的 成 108 分 ， 通 过 进一步 纯化 可 以 把 它们 分 开 ， 直 到 1951 年 终 于 用 纸 层 析 法 确证 它 是 由 两 个 具有 活性 的 不 同 成 分 所 构成 。 因 此 ， 要 知道 结晶 的 酶 是 否 统一 ， 必 须 用 适当 的 标准 和 方法 加 以 确定 。 常用 的 纯度 鉴定 的 方法 有 下 列 几 种 ， (一 ) 超速 离心 沉降 法 这 是 一 个 测定 蛋白 质 分 子 量 的 方法 。 不 同 分 子 量 的 蛋白 质 能 在 不 同 转速 下 沉降 。 如 果 仅 在 某 一 转速 时 出 现 沉 淀 ， 则 说 明 酶 制 剂 的 纯度 较 高 。 (二 ) 电泳 法 如 电泳 后 只 出 现 一 个 组 分 ， 说 明 此 酶 为 单一 纯粹 的 蛋白 质 。 (=) KDHE. IED, WBA. 四 、 酶 的 保存 酶 是 一 种 不 太 稳 定 的 物质 ， 易 受 各 种 因素 的 影响 而 失 活 ， 因 此 很 难 长 期 保存 。 如 采 保存 条 件 合适 ， 就 可 延长 其 保存 期 。 在 酶 的 保存 中 应 注意 以 下 几 个 条 件 ， (一 ) TRA 绝 大 多 数 酶 在 干燥 的 固体 状态 比较 稳定 ， 这 样 可 以 增强 其 抗 热 性 能 ， 能 在 笛 温 下 保存 数 月 到 一 年 。 干 态 葡 萄 糖 氧化 酶 在 °C 可 保存 两 年 。 因此 ， 通 贡 采 用 低温 干燥 (入 40"C) 或 真空 冷冻 干燥 制 成 酶 粉 。 (二 ) 低温 保存 酶 在 低温 下 比较 稳定 ， 酶 制 齐全 水 分 越 高 ， 保 存 温 诬 应 该 越 低 为 宜 ， 一 般 在 0 "C 以 下 保存 。 酶 溶液 在 冰冻 状态 下 保存 ， 有 时 可 经 入 而 不 失 其 活性 。 但 是 ， 反 复 冰 冻 和 融化 会 导致 酶 蛋白 的 变 ie (=) 避 光 保存 日 光 对 酶 有 破坏 作用 ， 所 以 应 避 光 保存 ， 将 酶 制剂 保存 在 避 109 > 人 in Fo wv bia a ea & Pare Se ea: CTLs Sen OE Pag? te te 83 4 SE: Siacnue ar site DE ee sce De oa RO eA TO NES Og gts gt ee Tk gee ‘ ‘ want te 4 ir ap? OO eee Wee ee 光 的 地 方 为 宜 。 “Mette Ch NCAR, RENAE 情 性 气体 中 保存 。 (四 ) 其 他 保存 方法 另外 ， 把 酶 放 在 甘油 中 保存 ， 也 是 比较 稳定 而 有 效 的 方法 。 第 十 节 ” 固 相 酶 与 模拟 酶 简介 由 于 生物 化 学 及 酶 学 工程 的 进展 。 固 相 酶 与 模拟 酶 的 研究 及 应 用 引起 了 国内 外 的 高 度 重视 。 — HO 酶 ‘ees BEE ECF BAe ER, TE ee aR Pi 许多 优点 。 但 亦 存在 着 一 些 缺 点 ， 如 受 环境 因素 (如 PH 温度 等 ) 的 影响 较 大 、 保 存 期 得、 与 底 物 只 能 作用 一 次 无 法 回收 ， 而 且 有 时 不 易 与 产物 分 开 ， 给 产品 的 提纯 及 质量 的 提高 带 来 困难 。 针 对 酶 在 水 溶液 中 催化 方式 的 弱点 。 近 年 来 发 展 了 一 项 应 用 酶 的 新 技 术 一 一 固 相 酶 。 因 相 酶 是 指 将 水 溶性 的 酶 用 物理 或 化 学 方法 处 理 ， 使 之 变 成 不 溶 于 水 的 仍 具 有 同样 酶 活力 的 酶 衍生 物 。 所 以 固 相 酶 又 称 为 水 - 不 溶 酶 。 在 催化 反应 中 ， 它 以 固 相 状态 作用 于 底 物 ， 这 样 不 但 保 留 了 酶 原 有 的 种 种 优点 ， 而 且 还 具有 反应 后 易 与 反应 液 分 离 、 可 、 反复 使 用 、 避 免 杂 质 带 入 产物 等 优点 。 酶 固 相 化 后 稳定 性 增加 ， 可 延长 酶 的 使 用 期 和 保存 期 ， 酶 固 相 化 后 常 可 使 用 几 百 小 时 甚至 几 个 月 。 固 相 酶 还 具有 一 定 的 机 械 强 度 ， 可 以 用 搅拌 或 装 柱 的 形 式 作用 于 底 物 溶液 。 如 装 成 酶 柱 后 ， 如 同 离子 交换 柱 一 样 ， 底 物 ”溶液 流 经 酶 柱 后 即 可 生成 反应 产物 ， 使 酶 反应 管道 化 、 连 续 化 ， 从 而 可 革新 酶 反应 工艺 。 由 于 固 相 酶 有 这 些 优点 ， 它 将 为 酶 的 应 用 开辟 新 的 途径 。 但 目前 在 固 相 化 技术 与 经 济 上 尚 有 某 些 困 难 。 (一 ) 固 相 酶 的 制备 110 EL AABB NS Hil TERS, KR DAPMEM AE: 1. KDW RA DRS ， 此 法 又 可 分 为 共 价 结合 法 ， 离子 键 结合 法 和 物理 吸附 法 三 er 、 (LD) 共 价 结合 法 “ 即 酶 的 非 活性 基 团 通过 共 价 键 与 水 不 溶 载 体 结 合 而 不 溶化 。 此 法 操作 较 复 杂 ， 处 理 也 较 剧 烈 ， 有 时 会 使 酶 活性 部 位 破坏 ， 酶 的 空间 结构 发 生变 化 。 但 其 优点 是 结合 牢固 ， 可 长 期 使 用 。 此 法 又 可 分 为 载体 偶 联 法 、 肽 键 法 及 烷 化 法 。 © 载体 偶 联 法 ， 有 氨基 的 载体 用 亚 硝酸 ( 稀 盐 酸 与 亚 硝酸 Se CRERER LHe. Bae TREE. AKG 键 相 连接 而 形成 重 持 结合 。 酶 蛋白 中 的 游离 气 基 、 组 氨 酸 的 咪唑 基 、 ne Big ae ¥ 《不 溶 载体 ) Bate 〈 重 级 化 的 不 溶 载体 ) ( 因 相 酶 ) | 不溶 载 体 有 对 -氨基 茉 甲 基 纤 维 素 、 氨基 苯 甲 醚 TR. 基 苯 甲 基 甲 氧 纤维 素 、 氨 基 茶 纤 维 素 、 含 氨基 的 离子 交换 树脂 ， 聚 氮 基 聚 葵 乙 烯 等 。 其 中 以 对 -氨基 葵 甲 基 纤 维 素 用 得 较 多 。 ” 回 KBE: 功能 基 载 体 与 酶 蛋白 中 赖 BM s- SAE BR N- - 末 端 <- 氨 基 结 合成 为 肽 键 而 不 溶 。 例 如 ， R—COCH; a H,N—ii——>R—CO—N H—fig 7 (不 溶 载体 ) CRUISE IEEE He eB) @ 烷 化 法 ， AAHBLAHRASMEA MAM 5- 氮 |B, N-Fe iin c- 氮 基 或 酷 氨 酸 的 酚 基 或 半 胱 所 酸 的 一 SH 基 进 行 烷 化 ， 使 酶 不 溶 。 Cl Cl 有 CO Trans-o-oC on ean ae cr 111 到 - Wy j Mee yar ae sw 2 is. AY ae Poa An a et toe an dle «ae ae Ted _ 图 2-22 Be PR AIG ZS; all FE 4 Bi as FA (2) 离子 键 结合 法 ” 酶 是 两 性 化 合 物 ， 故 能 与 离子 交换 树脂 上 的 交换 基 团 以 静电 引力 相 结合 ， 向 用 的 交换 剂 有 aa fe 维 ”和 款 及 DEAE-RR HE 此 法 操作 简单 ， 处 理 缓和 ， 活 性 部 位 破坏 较 少 ， 可 以 得 到 高 效能 的 固 相 酶 ， 但 键 的 结合 力 较 弱 ， 高 离子 强度 下 会 解 离 出 来 。 此 法 制备 的 固 相 酶 有 ， 乙 酰 化 酶 、 天 冬 酰胺 酶 、 转 化 酶 、 蛋 白 酶 、 过 氧化 氢 酶 、 脂 肪 酶 及 核糖 核酸 酶 等 。 (3) 物理 吸附 法 “ 酶 被 吸附 到 不 溶 的 惰性 载体 上 。 常 用 的 情 性 载体 有 硅胶 、 活 性 炭 、 酸 性 白 士 、 石 英 砂 及 纤维 素 等 。 例 如 ， 糖化 型 淀粉 酶 能 被 酸性 白 土 吸附 ， 液化 型 淀粉 酶 能 被 TH Be 附 。 离子 结合 和 物理 吸附 制 成 的 固 相 酶 如 图 2-23 所 示 。 图 2-23 离子 结合 和 物理 吸附 制 成 固 相 酶 示意 图 112 a 2. 交 联 法 - 用 双 切 能 基 团 试剂 使 酶 蛋 自 分 子 间 发 生 交 联 ， 北 集成 网 状 结 _ 构 而 成 为 固 相 酶 。 例如 : NH—COCH,I NH—COCH,.—S—iig 2 (CHsa)， S + HS—fig— (CHa), NH—COCH.I NH—COCH,;—S— fig CN，N“- 聚 乙烯 双 碘 乙酸 胺 ) 〈 固 相 酶 ) 有 具 双 功 能 基 的 化 合 物 有 :， 双 偶 氮 葵 、N- 羧 基 氨 基 酸 无 水 物 、 无 水 顺 丁 烯 二 酸 的 乙烯 聚合 物 ，N，N“- 聚 乙烯 双 碘 乙酸 胺 和 戊 二 醛 等 。 以 成 二 醛 应 用 较 多 ， 其 反应 式 如 下 : OHC—(CH,),—CHO + ij —>—CH— N—ig— N =CH(CH,),—CH=N : (AM) ag 2-24 Zee Hill AD SA Aes EAT al SS A i BAR I BAB Ye PE il] EL FS 3. 包 埋 法 - 此 法 酶 分 子 不 发 生 结合 或 偶 联 ， 而 是 被 包 埋 在 凝 胶 的 微小 格 子 中 或 在 半 透 性 的 取 合 物 膜 中 ， 此 法 制 成 的 固 相 酶 有 两 种 类 型 ， - C1) 微小 格子 型 即 酶 被 包 埋 在 凝 胶 的 微小 格子 中 。 和 营 用 的 凝 胶 有 聚 丙烯 胺 凝 胶 、 淀 粉 胶 和 硅 橡 胶 等 。 其 中 以 聚 丙 烯 胺 凝 胶 — 为 最 好 ， 可 用 于 制备 乳酸 脱 氢 酶 、 演 粉 酶 及 木 MSA SE 酶 。 és 113 2 | : ‘ ‘ es > t : te ee shine ee ; Si : ae « 和 esd ep ig sg a { 让 >, hat ee dae din J i ») os 有 ww， vd s io rr si 、 Merete Manes eee pee ee eg MAR. Cee bere C " s a ae fe , a Biers rr i 3 i> a et een oan te oe tees 3 ™ « ss PA 3 a hte. < , 中 E a ee ow a eee hae } » 7 = ins ir. te . 名 ean , ~*~, 4. oe “ * 时 ~. te". = Oe tt ee 天 ~~ eo " ’ 时 oe ee RE es See “3 . ~ a, é <2 Pht a 7 apy i . > ee: . in 和 * o~ >. ote 中 0 - (2) 微 胶 襄 型， 即 酶 被 包 埋 在 半 透 性 膜 中 。 微 胶 圳 型 的 膜 是 超 稍 性 的 具有 半 透 性 的 高 聚 物 所 构成 。 膜 内 包含 着 酶 的 液 滴 。 常 用 的 膜 有 尼龙 膜 及 火 棉 胶 膜 等 。 尼龙 膜 可 制备 脲酶 、 天 冬 酰胺 酶 及 胰 和 蛋白酶 等 的 微 胶囊 型 固 相 酶 ， 火 栅 胶 膜 可 制备 脲酶 及 过 氧化 氢 酶 等 的 微 胶 囊 型 固 相 酶 。 2 微小 格子 型 RBA 图 2-25 yee Hah eres 包 理 法 与 前 述 两 种 方法 不 同 。 酶 分 子 本 身 在 固 相 化 过 程 中 几 乎 不 参加 反应 ， 所 以 对 许多 酶 都 可 以 固 相 化 。 但 其 缺点 是 酶 活力 不 够 高 ， 且 对 作用 于 大 分 子 底 物 的 酶 不 适用 ， 因 为 大 分 子 底 物 不 能 进入 凝 胶 小 格 或 透 过 半 透 膜 。 (=) 固 相 酶 在 工业 上 应 用 国 相 酶 具有 许多 独特 优点 ， 这 是 酶 应 用 的 方向 。 在 工业 上 利用 固 相 酶 代替 水 溶 酶 使 得 酶 催化 反应 在 工艺 上 得 到 革新 。 最 简单 的 应 用 是 将 固 相 酶 与 底 物 一 起 在 附 有 搅拌 的 槽 中 进行 反应 ， 反 应 结束 后 ， 不 必 将 酶 变性 除去 ， 只 要 用 简单 的 过 滤 或 离心 分 离 就 可 把 固 相 酶 分 离 ， 又 可 重复 使 用 ， 而 反应 产物 中 并 FEA EAR AEE. | 例如 ， FAB BIRR 5’ - BRR — MEMES A HRS EEE G 200 - Ht Sa DEAE AT AE Dy AS _E Hl AA. «SE A EPE, «Att MWR 0.5 % 的 RNA， 在 67"0、PH5 的 条 件 下 ， 经 80 次 反复 使 JA, 固 相 酶 的 活力 仍 保持 原 有 的 60 % 以 上 ， 其 实际 利用 率 比 水 溶 酶 提高 了 10 倍 以 上 。 114 粒状 固 相 酶 也 可 以 上 柱 ， 象 离子 交换 柱 那 样 连续 地 进行 酶 反 -应 。 柱 内 或 只 用 固 相 酶 装 满 ， 或 适当 挨 加 情 性 填充 剂 (如 育 乙 烯 树脂 、 硅 藻 主 、 纤 维 素 等 ) 。 当 底 物 溶液 流 过 酶 柱 后 ， 流出 液 中 就 包含 了 产物 。 调 节 流 速 可 达到 不 同 程度 的 转化 。 这 种 方式 可 使 .” 酶 反应 连续 化 和 自动 化 。 例如 ， 采 用 DEABE- 葡 聚 糖 凝 胶 作 载体 ， 使 氨基 酸 酰 化 酶 固 ， ” 相 化 后 ， 装 成 酶 柱 就 可 连续 地 进行 反应 。 另 外 ， 用 固 相 的 <- 演 粉 酶 和 固 相 的 糖化 酶 ， 连 续 生 产 葡 萄 糖 等 也 取得 了 一 定 的 效果 。 以 固 相 酶 组 成 连续 反应 的 多 酶 反应 器 代替 微生物 I SBA 统 ， 这 六 面 的 研究 工作 也 在 进行 中 。 例 如 ， 用 聚 丙烯 酰 凝 胶 包 埋 HORM. ARH. Be LEAT HMAKAKARRRSM RM. MMH. ATP 和 Met* fh ik 合 液 通过 酶 柱 ， 经 过 四 个 催化 反应 器 即 可 得 到 3- 磷 酸 甘 油 醛 。 另外 ， 固 相 酶 在 化 学 分 析 及 医药 等 方面 也 得 到 实际 的 应 用 。 ， 二 在 理论 上 ， 通 过 固 相 酶 与 天 然 存在 酶 的 比较 ， 对 阐明 酶 的 结 构 、 活 性 部 位 以 及 酶 反应 机 制 等 方面 也 具有 重要 的 意义 。 | =k UW & HAF RY FAG 2S US, BAS PL ACL AS BET BY 方式 和 途径 。 但 到 目前 为 止 ， 酶 制剂 都 是 从 生物 体 提 取 ， 因 为 酶 在 生物 体 含量 少 ， 故 产量 受到 一 定 限 制 。 如 果 能 大 工 合成 酶 ， 则 可 大 量 生 产 和 应 用 ， 这 对 生化 工程 的 发 展 具 有 重要 意义 。 酶 的 人 工 和 合成 是 极为 复杂 的 工作 ， 目 前 尚 不 能 用 于 工业 生 产 。 近 年 来 ， 由 于 酶 学 研究 的 发 展 ， 对 酶 的 结构 与 功能 以 及 催化 ”作用 机 理 有 了 一 定 的 了 解 。 因 此 ， 有 可 能 仿照 酶 的 活性 部 位 ， 用 人 工 方法 合成 催化 效率 高 的 酶 型 俱 化 剂 ， 即 为 模拟 酶 。 目前 ， 已 有 不 少 酶 正在 进行 酶 的 模拟 研究 。 如 固氮 酶 、 过 和 氧 化 气 酶 、 糜 蛋白酶 ， 氧 化 还 原 酶 、 各 种 水 解 酶 以 及 光合 作用 的 酶 等 ， 其 中 研究 最 多 的 是 固氮 酶 。 115 1 > Soe 豆 科 植物 的 根瘤 菌 (ARE) 中 含有 固 氨 酶 ， 它 能 在 常温 常 ， 压 下 将 大 气 中 的 氛 转 变 为 气 。 而 在 合成 氨 工 业 则 需要 在 300 大 气 压 和 500"C 高 温 下 ， 用 铁 为 催化 剂 才能 使 所 转变 为 握 。 因此 ， 国 “ 氛 酶 的 模拟 极其 重要 。 关于 固氮 酶 的 化 学 结构 、 空 间 构 型 以 及 它 的 活性 部 位 的 组 成 。 据 目前 研究 表明 ， 固 所 酶 有 两 种 成 分 ， 一 种 是 铁 蛋白 ， 含 2~3 个 Fe， 分 子 量 约 为 4~6 Bs 另 一 种 是 铁 钥 蛋白 ， 分 子 量 为 ~27~30 万 。 由 于 铁 和 钼 在 周期 表 上 属于 过 渡 元 素 。 所 以 , 在 模拟 时 可 以 用 其 它 过 渡 元 素 ， 如 钛 、 钒 来 代替 。 目前 已 制 成 几 种 固 所 酶 模型 ， 但 催化 能 力 还 很 低 。 目前 ， 模 拟 酶 的 研究 仍 处 于 开始 阶段 ， 但 已 取得 了 一 定 成 果 。 从 其 发 展 来 看 ， 它 的 研究 和 应 用 具有 强大 的 生命 力 。 如 果 研 RMI, WAR ALERA LACETRELEW MR, mm BSL 现代 化 学 工业 上 一 场 深刻 的 革命 。 ; Rey Oh Fe 1. 何谓 酶 ? 其 化 学 本 质 是 什么 ?， 2. 什么 叫做 辅酶 ? 辅 基 ? 写 出 下 列 物质 的 代号 及 其 酶 催化 作用 中 的 功用 辅酶 I 、 辅 酶 工 、 辅 酶 A、 黄 素 腺 嗓 叭 二 核 昔 酸 3. 何谓 酶 的 活性 部 位 ? 试 指出 核糖 核酸 酶 的 活 心 部 位 ? 4. 简 述 酶 的 结构 与 功能 的 关系 。 5. 什么 叫做 酶 的 专 一 性 ? 试 举例 说 明之 。 6. 试 述 中 间 产 物 学 说 的 基本 要 点 并 举例 说 明之 。 7. 曾 述 底 物 浓度 对 酶 促 反 应 的 影响 。 试 推导 米 氏 公式 并 说 ” 明 其 意义 。 8. 何谓 固 相 酶 、 模 拟 酶 ? 116 poe BR mR a 核酸 与 蛋白 质 一 样 ， 是 生物 体内 极为 重要 的 基本 物质 。 现 在 已 经 知道 ， 生 物体 内 的 一 些 最 根本 现象 如 生长 、 遗 传 、 变 异 等 都 和 核酸 有 非常 密切 的 关系 。 天 然 的 核酸 常常 与 蛋白 质 相 结合 ， 称 为 核 蛋白 。 核酸 的 发 现 比较 晚 ( 一 八 六 万 年 )， 由 米 歇 尔 (Miescher) 首 次 从 腔 细 胞 的 核 中 分 离 出 来 的 ， 称 为 核 素 。 这 种 物质 的 元 素 组 成 中 含 磷 很 多 ,并 含有 矶 、 气 、 氧 、 氮 。 当 发 现 核 素 在 溶液 中 呈 酸 性 时 ， ”就 改称 核酸 。 此 后 人 们 又 从 不 同 来 源 的 各 种 细胞 中 都 分 离 出 了 核 酸 。 现 在 知道 ， 核 酸 存 在 于 一 切 生 物 中 ， 连 最 简单 的 生物 ， 如 病 毒 和 噬菌体 中 都 含有 。 一 般 细 菌 中 含有 10~20% CFR, F 同 ) ,酵母 含 6~8% ， 零 菌 含 1 %， 噬 菌 体 含 40~50%6。 对 于 核酸 的 研究 ， 最 初 人 们 并 不 十 分 重视 ， 仅 停留 在 核酸 的 化 学 成 分 研究 方面 ， 直 到 大 量 的 实验 证 据 证 实 了 核酸 是 遗传 信息 的 载体 ;是 遗传 物质 。 这 一 重要 生物 学 功能 的 发 现 ,使 近 三 十 年 来 对 核酸 的 研究 引起 了 广泛 的 注意 。 进 一 步 研究 证 明 ， 无 论 是 用 某 些 非 天 然 的 味 叭 碱 或 喀 啶 碱 的 衍生 物 来 取代 核酸 分 子 中 的 原 有 碱 基 成 分 ， 或 是 以 理化 因素 来 破坏 核酸 分 子 的 某 一 环节 ， 从 而 使 核 酸 的 特异 结构 发 生 任何 改变 时 ， 都 可 引起 出 现 突 变 或 使 其 原 有 生 畅 学 活性 的 形 失 及 改变 。 微 生物 的 诱 变 育种 即 基 于 此 原理 。 为 弄 清 生 命 现 象 的 本 质 近 年 来 对 核酸 的 研究 有 了 极为 迅速 的 发 展 ， 成 为 生 畅 科学 上 〈 也 是 生物 化 学 上 ) 最 重要 的 中 心 课题 之 一 。 核酸 根据 其 化 学 组 成 特点 ， 可 以 分 为 两 大 类 : 一 类 称 脱氧 核 117 —— ou Ce the ae, eee ee / 要 糖 核酸 (简称 DNA)， 主 要 存在 于 细胞 核 内 ， 微 量 存在 于 细胞 质 ， 另 一 类 称 核糖 核酸 (简称 RNA)， 主 要 存在 于 细胞 质 内 ， 微量 存 在 于 细胞 核 。 两 类 核酸 在 细胞 内 主要 都 与 蛋白 质 结 合 在 一 起 以 核 蛋白 的 形式 存在 。 生 物体 一 般 都 含有 这 两 类 核酸 ,但 对 病毒 而 言 ， 则 只 含有 DNA 或 RNA。 通过 对 核酸 结构 的 研究 ， 在 五 十 年 代 提 出 了 DNA 分 子 具 有 双 螺 旋 结 构 的 模型 ， 认 识 了 生物 体 的 遗传 特征 主要 由 DNSA 决 定 ， 它 通过 RNA 主 字 蛋白 质 的 合成 (对 某 些 病 毒 讲 ， 则 由 了 NA 决定 蛋白 质 的 合成 ) ,决定 蛋白 质 的 种 类 和 性 质 ， 而 一 定 结 梅 的 蛋 白质 便 带 来 一 定 的 形态 结构 和 生理 特征 。 核 酸 则 是 通过 细胞 ， 一 代 一 代 地 复制 着 ， 延 绵 着 生物 体 的 遗传 特征 。 但 在 整个 过 程 对 壮 传 信息 的 调节 控制 ， 不 明之 处 尚 多 ， 仍 在 继续 研究 之 中 。 近 十 年 来 ， 在 分 子 生物 学 发 展 的 基础 上 ， 形 成 的 遗传 工程 ， 有 可 能 按 人 类 的 需要 在 分 子 水 平 上 加 工 和 转移 遗传 物质 ， 创 造 生 物 新 品种 。 它 为 细胞 分 化 、 生 长 发 育 、 肿 瘤 发 生 等 有 关 高 等 生物 的 基础 研究 ， 提 供 了 有 效 的 实验 手段 ， 并 可 能 为 农业 、 工 业 和 医 药 等 某 些 生产 领 域 的 重大 变革 ， 开 拓 新 的 道路 。 核酸 研究 的 进展 ， 不 断 地 促进 核 苷 酸 及 其 衔 生 物 在 食品 、 医 药 和 农业 生产 上 的 广泛 应 用 。 在 食品 方面 ， 肌 昔 酸 和 鸟 苦 酸 是 强 力 助 鲜 剂 ， 核 背 酸 也 是 “液体 食品 ?的 重要 成 分 。 核 背 酸 及 其 衍生 物 作为 一 类 新 型 药物 已 应 用 于 临床 上 ， 如 三 磷酸 腺 苷 (ATP)、 畏 。 酶 A、 肌 苷 以 及 核酸 降解 产物 5"- 核 背 酸 混合 液 等 ， 它 们 都 是 细 胞 机 能 调节 的 重要 物质 ， 应 用 很 广 。 核酸 类 的 抗 癌 药 物 如 5- 氟 尿 喀 啶 、5“- 脱 氧 尿 喀 啶 等 的 应 用 也 有 很 大 发 展 。 核 酸 降解 液 在 农业 上 试验 应 用 已 广泛 开展 ， 在 多 种 作物 上 取得 良好 的 增产 效 果 。 核酸 工业 的 兴起 开始 于 六 十 年 代 ， 在 这 以 前 ， 核 酸 主要 是 理 论 研 究 课题 ， 制 备 核酸 类 物质 主要 是 供 作 科研 试剂 用 ， 大 多 从 动 植物 体 中 提取 。 现 在 ， 工 业 上 大 量 生产 主要 取 之 于 微生物 ， 常 综 118 ‘2 上 i .> 2, eee ED et onlay. Cher eke Sa 六合 EN yews A AAA TALI, AMER. TERE, Hl AREAL, BBM RSA ESE A Se BR (ATP), 辅酶 A、5'- 核 苷 酸 混合 液 等 产品 。 此 外 还 可 用 发 酵 法 直接 生产 ， WFR. WFR AE A 的 微生物 合成 法 等 ， 这 些 RE 。 已 投 入 生产 。 因 之 ， 核 酸 类 物质 的 生产 与 发 酵 工 业 密切 相关 。 随 着 我 国 社会 主义 革命 和 建设 事业 的 深入 发 展 ， 我 国 的 核酸 工业 必 将 提高 到 一 个 新 的 水 平 。 第 二 节 ”核酸 的 化 学 组 成 一 、 核 酸 的 化 学 组 成 核酸 与 蛋白 质 一 样 是 高 分 子 化 合 物 。 经 不 同 程度 的 水 解 后 ， 。 其 产 电 可 以 有 多 核 苷 酸 、 核 苷 酸 “〈 单 核 背 酸 )、 核 背 、 含 氨 碱 基 ORS SEE) 磷酸 、 戊 糖 (核糖 或 脱氧 核糖 ) 。 核 酸 的 水 解 过 程 可 表示 如 下 ， 磷酸 和 wR SiRF ibang | 含 氨 碱 基 ( 叶 叭 或 喀 啶 ) 从 两 类 核酸 的 水 解 产物 可 看 到 它们 的 组 成 是 有 差别 的 ， 今 将 。 核酸 的 化 学 组 成 列 于 表 3-1。 表 3-1 两 类 核酸 的 化 学 组 成 ee Be et i an ae oe 核糖 核酸 RIES CA) 胞 喀 啶 (C ) D -核糖 HsPO, (RNA) fo a (G ) RB KE CU ) maze | 腺 嗓 吟 (A) | 胞 喀 号 (C) | D-2- 脱 有 ED (DNA) BIBw(G) Kanne T)| 氧 核糖 “L189 从 表 3-1 WB PALER EE BE RR fl, RRR RO, BAERS Roe 35 ob Teme 的 组 成 上 亦 有 差异 ， 核 糖 核酸 含 尿 喀 啶 而 脱氧 核糖 核酸 则 代 之 以 胸腺 喀 啶 。 但 在 有 些 脱 氧 核糖 核酸 中 〈 如 枯草 杆菌 噬菌体 中 的 DNA) 曾 发 现 过 尿 喀 啶 ， 而 在 有 些 核 糖 核酸 〈 如 酵母 及 一 些 细菌 的 RNA) 中 也 发 现 过 一 些 胸腺 旷 啶 。 在 不 同 来 源 的 核酸 中 ， 也 有 一 些 其 它 碱 基 ， 常 称 为 稀有 碱 基 。 如 表 3-2 所 示 。 #e 3-2 te 基 名 6- 甲 氨基 叮 吟 6- 二 里 氨基 嗓 叭 2- 甲 基 腺 嗓 叭 1- 甲 基 腺 味 叭 1- 甲 基 鸟 嘎 吟 Te oy RM 5— FASE Ha he 5- 羟 甲 基 胞 喀 啶 5- 羟 甲 基 尿 喀 啶 3- 甲 基 尿 喀 喧 3- 甲 基 胞 喀 啶 1， 磷酸 121 核酸 中 的 一 些 其 它 碱 基 称 本 某 些 变种 大 肠 丁 菌 的 DNA 及 酵母 、 鼠 肝 与 某 些 细菌 的 RNA 酵母 、 鼠 肝 与 某 些 细菌 的 RNA 同上 肝脏 及 酵母 的 及 NA 酵母 RNA 酵母 RNA 动 植物 的 DNA 及 细菌 的 RNA Alot eile AAS DNA 枯草 杆菌 噬菌体 的 DNA 酵母 RNA 酵母 RNA 二 、 核 酸 水 解 产 物 的 化 学 结构 OH mate fas OH 有 2 at | | RNA 中 含 核糖 ; Hey 2- 脱 氧 核糖 。 EMR ADAP ey oe ey ; ; Sere OH HO-CH. oy : q : x a 下 3 ae H ae “i oe 2 4 OHOH ‘OHH a 8-D- Bi — 6-D-2- 脱 氧 核糖 3. BE : a IR ARE RUA ICA, AGREE. 核酸 中 的 碱 基 是 味 吟 和 喀 喧 的 衍生 物 。 (1) IRR DNA 与 RNA 中 有 同样 的 味 叭 碱 。 3 NH, ° . Re fe YN ye N * A 人 be ‘ \ at we \ ; "ig ‘C—H | | | C—H C2 C C / G C Yi \n As H7% \n7 \n 4 Ny \y ai 二 Soe | sit | H H H WE HREM (A) BEM (G) (6- ZA SEEM ) (2-RE-6-A Ss) Eb, Hef AEE OS AT SCHEME MEM HN A Ai WCEP WIE. ENLERIA IN ree, 4e7e 于 生物 体内 。 HHA (HX) HM (K) (6-4) 《2,6- 二 氧 嘎 叭 ) (2) WEG DNA 与 RNA 中 最 常见 的 喀 啶 碱 有 RUM, MEME, RE - 胞 喀 喧 CC) (2- 氧 -4 氨基 喀 啶 ) 胸腺 喀 啶 (了 ) 5- 甲 基 胞 喀 啶 (C2) FS MORE | nae fae (5- 甲 基 尿 喀 啶 ) : a as Siro Ng . 4a ye shia Armen eR BRIE, 如 5- 甲 基 胞 喀 啶 ， 5- 羟 甲 基 胞 喀 机 ”了 喀 。 在 某 些 大 肠 杆 菌 噬菌体 中 ，5- 羟 甲 基 胞 喀 啶 代替 了 胞 喀 啶 。 7 . | NR RECA AES 〈 如 尿 喀 啶 )， 在 酮 式 i | CABEE—NH—CO— ) Fala eX (ABE WL k— N—COH— ) 之 间 处 2 本 > 于 平衡 状态 。 = e O OH 4 H | | <0% oa a~n “hs ie ees 3 , A\w le a7 Sy! . Wee 3s ae H - 4 尿 喀 啶 ( 酮 式 ) 尿 喀 啶 ( 烯 醇 式 ) 4 BA>C-0 £4 >c-0H 在 生理 pH 时 ， 酮 式 占 优势 ， 并 且 通 过 糖苷 键 SPOR AA 的 也 是 这 个 形式 。 4。 核 苍 核 背 是 核糖 与 嗓 叭 碱 或 喀 呢 碱 的 结合 物 。 两 者 的 结合 是 : 核 ， 糖 的 第 一 位 矶 与 喀 啶 的 N-1 位 相连 成 喀 啶 核 苷 ; 与 味 叭 的 N-9 位 相连 成 味 聆 核 昔 ， 形 成 的 糖苷 键 为 6- 构 型 。 为 了 避免 混淆 , 把 ， 精 环 上 的 碳 原子 标 为 1、2/……'。 从 DNA、RNA 的 不 完全 水 解 产物 中 , 可 分 别 得 到 四 种 核 苷 。 如 RNA 水 解 可 得 到 四 种 核 背 即 腺 味 叭 核 背 、 鸟 味 吟 核 苷 、 Har BEBE. IRM RAT. ANS HAT 5 51 O HCZ3 4 Hy HY 3 2H BRIM BEE URE (9-6-D- 核 糖 腺 嗓 叭 核 苷 ) 123 me 3 让 1 EOS BEF TF) ps7 : Tale (9-8-D-BE SIIB) | : EB. . | ‘ OH a OHOH Nea tne BEEF EF) SRE BF RAP) : (1-8-D- Pe No EB (1-8-D-QBi RRR) 2 DNA Ak APIN UGE DG AA LACE, URN BSA RE 。。 核 背 ， 鸟 嗓 叭 脱氧 核糖 核 苷 ， 胞 喀 喧 脱氧 核糖 核 苷 ， 胸 腺 喀 喧 核 BET : | 3 某 些 RNA 的 水 解 产物 中 还 可 以 获得 少量 5-B-D- 核 糖尿 喀 沈 啶 核 苷 ， 即 核糖 上 第 一 位 碳 与 喀 啶 基 上 第 五 位 碳 相 连 而 形成 糖 背 “ om Bt, MERA RM MERE OH > 表示 )。 MSP RAUB. 4 BD WL. | : ; 124 ) : ee, i oe BURNER BEC) > Te ms (5-6-D- 核 糖尿 喀 啶 核 苷 ) cS RAE LAD s (9-6-D- 核 糖 次 黄 味 叭 核 背 ) aie a5. KER i : . 核 背 酸 是 核 背 的 更 酸 酯 。 它 的 简单 结构 如 下 : 碱 基 和 磷酸 都 «EL. ti 碱 基 一 一 核糖 一 一 磷酸 on aye 磷酸 酯 eg Bera » ie IEEE TE we His EE BB Bs EER; IBA BET wk ， 核 埋 酸 则 称 为 脱氧 核糖 核 苷 酸 (脱氧 核 苷 酸 ) 。 用 碱 法 或 酶 法 水 解 RNA 和 DNA 时 ， 可 以 分 别 得 到 四 种 核糖 核 昔 酸 和 四 种 脱 氧 核 ， ， 糖 核 背 酸 。 四 种 核糖 核 音 酸 为 腺 叶 叭 核 昔 酸 (AMP)、 Sy Be 129 . ; ie Sy fe ‘ eR (GMP), TaREME BERR (CMP), sere BRCM), a GAIA PR Do RR Th APRA (AA MP), “RRS BEBE 2 a +R (dGMP), Be 全 胸腺 喀 wi ii Fis . mo (aTMP), : q 下 面 为 RNA 经 8- 磷酸 二 酯 栈 水 解 所 得 到 的 四 种 只 - ame TRB. 5-H BE (5’-TR FR, 5’-AMP) 4 7 % 4 qn a ¢ ad * pr eee lat sade k pike hon 和 To 5“- 鸟 味 叭 核 苷 酸 (5’-& MR, 5’-GMP) 126 5 一 尿 喀 啶 核 苷 酸 (5’-R RR, 5’-UMP) 5 NaN BE (5/- 胞 背 酸 ，5“-CMP) eS a RBA, dro RIVER TE RENO TALE RE, HER 8 -BATRR. : Z AF RERAF AO PER _EAY 2’, 3’, SMA STAR 。“ 基 ， 因 此 磷酸 与 核糖 成 酯 键 相 连 时 ， 可 以 有 三 种 方式 。 如 以 腺 核 sb, 则 能 生成 5’ -ARAF AR, 3/- BREE 2/- ER. EY 。 结构 如 下 ， * i 7 a ro ee Seth alie | . CARS (2’-AMP) K 229 Se TY rr Bt é d Bvt 同样 ， 由 乌 嘎 吟 核 昔 、 He RRR m4 A y= PRAT. 4 由 DNA ANF SUO APR TH FA ERAT 碳 上 没有 羟基 ， 因 此 它们 只 有 3 及 5 脱氧 核 背 酸 。 i: aR A RAD AB AT AP i SEAR. 128 | SOR eae Pe ee ON RM en Ee eee ee ee 有 “ (了 B 表 示 碱 基 ,| 一 表示 糖 基 ) x O B 2 =e | 一 O. 一 ‘ —0O+P—OH = Rene aa = an | —O—P—OH ei 2 号 = _ ‘OH roa | | 3 — OH —O—®P—OH 3 | 本 OH “4 2/- BARR 3- 核 苷 酸 5/- 核 背 酸 s 一 2 Bat ARN ob FFA 4 ， 核酸 是 高 分 子 聚 合 物 ， 它 的 基本 组 成 单位 是 核 背 酸 ， 对 每 类 ”核酸 来 讲 ， 它 的 核 昔 酸 种 类 基本 是 四 种 ， 但 由 于 数量 很 大 ， 都 是 - 按 一 定 的 顺序 相连 而 成 ,因此 核酸 的 种 类 很 多 。 它 和 蛋白质 一 样 ， 都 有 一 定 的 化 学 结构 (一 级 结构 ) 与 立体 结 梅 。 一 、 核 酸 分 子 中 核 背 酸 的 连接 方式 (一 级 结构 ) 核酸 与 蛋白 质 、 多 糖 一 样 ， 都 是 由 某 种 同系 物 的 小 分 子 化 合 胸 经 脱水 缩合 而 形成 了 链 状 育 合 物 。 蛋 白质 是 由 氨基 酸 所 组 成 ， ERE (一 NH,) 与 次 基 (—COOH) SARA THE MKB (一 GO 一 NH 一 ) 相 连结 。 同 样 ， 核 酸 是 由 核 苷 酸 所 组 成 ， 它 们 的 连结 方式 是 在 磷酸 基 团 与 其 相 邻 的 核 背 酸 的 戊 糖 的 羟基 (—OH) ， 间 缩 合 ， 即 核 霸 酸 之 间 是 通过 3/-5/- 磷 酸 二 酯 键 相连 接 而 形成 多 ，。 核 背 酸 链 。 今 将 多 核 苷 酸 链 中 核 苷 酸 间 的 连接 方式 表示 如 图 3-1。 在 活 细胞 内 的 3-5“- 磷 酸 二 酯 键 形 成 是 一 个 复杂 的 过 程 ， 将 在 第 十 一 章 核 酸 的 生物 合成 中 予以 讨论 。 同样 地 了 NA 中 多 核 背 酸 间 的 连接 方式 可 表示 如 图 3-2。 129 Ly re ae ee 7? 图 8-2 RNA Ag 酸 二 了 酯 键 3-1 DNA 中 多 核 苷 酸 链 的 磷酸 二 酯 键 〈 链 中 的 5 末端 在 图 的 上 方 。B 一 碱 基 ) 4: BATHE — mH — 7 ETE 3’ 位 置 OH 基 游 离 存 在 ; 另 一 一 端的 5 磷酸 酯 亦 呈 单 磷酸 酯 状态 ， 这 两 个 末端 相应 地 称 为 3 末 ” 端 及 5 末端 (相当 于 肽 链 的 N 端 及 G 端 ， 多糖 链 的 还 原 性 末端 Cx 端 与 非 还 原 性 末端 -G4 端 ) 。 多 核 背 酸 链 亦 可 用 下 面 的 简 式 来 表示 ， 如 一 段 有 5 个 核 背 酸 所 组 成 的 多 核 背 酸 链 ， 可 表示 如 下 : A C G i A at Bek KL. ke. “ - 或 Ap C, G, U® Ap 了 一 一 代表 磷酸 基 A,G,G,U 分 别 表示 碱 基 3/, 5 一 分 别 表示 3/ 未 端 与 5/ 未 端 二 、DNA 的 双 螺 旋 结 构 (DNA 的 立体 结构 ) 。 DNA 分 子 量 大 ( 核 背 酸 数目 多 )， 纯 化 困难 ， Az 要 搞 清 楚 一 种 DNA 的 核 苷 酸 的 排列 次 序 就 非常 困难 。 对 DNA 是 由 许多 核 苷 酸 以 3 ，5 -磷酸 二 酯 键 相连 结 而 成 为 多 核 苷 酸 长 链 所 构 成 ， 这 是 在 四 十 年 代 就 都 已 经 了 解 。 但 对 多 核 苷 酸 长 链 如 何 形成 ” 工 立 体 结构 以 担负 起 携带 大 量 贮 存 的 遗传 信息 的 生物 学 功能 ， 则 ， 直到 1953 年 由 华 特 生 (Watson) 和 殉 立 克 (Grick) 根 据 许 多 资料 提 — 出 了 他 们 若 名 的 DNA 双 螺 旋 模 型 才 获得 解答 。 它 的 理论 要 点 如 ae (1D DNA 4 Fe HMRSRABRRARRBAM, BA 链 的 骨干 是 由 磷酸 二 酯 基 通 过 3’- ,5’- BES PA Se EE 而 成 (参看 图 3-1)。 这 两 条 链 是 右 旋 的 ,以 相反 方向 围绕 同一 个 轴 盘 绕 ， 形 成 右 旋 的 双 螺 旋 结 构 。 每 转 一 圈 的 高 度 ( 螺 距 ) 为 34 埃 131 TRE ety eget Oe Fy ERS CON eres gene Mey = 图 3-3 DNA 双 螺 旋 结 构 示 意图 S—hiARp P—RR (A, 1A 王 10-5 米 ) 其 中 含 10 个 核 苷 酸 单位 (每 个 核 苷 酸 高 3.4 埃 )， 螺 旋 的 直径 为 20 埃 (ULI 3-3)。 (2) 这 两 条 链 的 骨架 是 糖 和 磷酸 ， 链 的 内 侧 为 嗓 叭 碱 与 喀 呢 碱 。 两 条 链 由 碱 基 对 之 间 的 氢 键 相连 ， 从 而 维持 双 螺 旋 WEAR 、 (3) 四 种 碱 基 相 互 形 成 氢 键 是 有 一 定 规 律 的， 都 是 由 腺 pei bla eee ee go a = 4 4, Ziema 常 成 对 出 现 ， 所 以 称 为 碱 基 对 。 (4) 由 于 DNA 双 螺 旋 结 构 中 碱 基 之 间 的 配对 不 是 随意 的 ,总 是 A 对 T, GH GC ,所 以 这 两 条 链 是 互补 的 。 如 果 一 条 链 的 一 个 区 域 碱 基 顺 序 是 一 A 一 G 一 G 一 G 一 ， 那 么 互补 链 相 应 区 域 的 顺 ” 序 将 是 一 I 一 G 一 G 一 G 一 。 碱 基 配 对 意味 着 磷酸 - 糖 键 在 两 条 链 二 按 相反 方向 延伸 。 从 图 3-5 可 看 出 一 条 链 磷酸 - clas 3’ i 5’, 而 另 一 条 互补 链 则 从 5’ 到 3”, DNA 双 螺 旋 结 构 模 型 主要 是 根据 碱 基 组 成 的 测定 和 XXX- 衍 射 分 析 得 出 的 。 根 据 对 不 同 来 源 的 DNA 进行 碱 基 分 析 ， 发 现 它 们 的 嗓 叭 核 苷 酸 的 总 和 与 喀 啶 核 苷 酸 的 总 和 相等 ， 即 (A+G)= (T+C); 且 其 中 A=T，G=QG。 同 一 物种 的 DNA 的 碱 基 上 比 (A+ T/G +G) 相 同 ; 不 同 物种 的 DNA 碱 基 比 变化 范围 其 大， 已 发 现 不 同 微生物 (A+T/G+G) 的 值 , 可 变动 在 0.35~2.7 Vial, de 132 ; 4 ] 图 3-4 IE ly mag A Es He | e... 3-3, | 和 根据 对 提纯 的 DNA( 呈 纤维 状 ) X -射线 衍射 图 的 研究 ,发现 RNS AIMEE BRILL 3、4 埃 的 间距 规则 地 排列 在 分 子 上 ,并 每 3、4 声 出现 链 的 一 个 全 周期 ， 因 此 建议 DNA 分 子 不 是 直线 的 而 是 捏 成 «aR HEAR, DNA 双 螺旋 结构 模型 也 能 满足 X -射线 衍射 图 所 提出 133 _ RRA BEB (Sarcina lutea) 36.4 13.6 35.6 14.4 0.39 金黄 色 化 脓 小 球菌 DOxt 15.0 34.1 15.7 32.2 2.26 (Micrococcus Pyogenes Oxf) 产 气 气 杆菌 (4eropccter 28.2 20.3 27.0 19.1 | 0.71 aerogenes ) Alot I (Escherichia Coli 工 ) 26.0 23.9.| 26.2 23.9 0.92 MEAT (Bacillus Sublilis) oP 3.6 28.9 21.4 28.7 1.36 巨大 芽孢 杆菌 (Bacillus 19.1 31.8 18.5 30.6 |- 1.66 megaterium) RR. BRETT “ 16.2 35.1 15.6 33.1 2.14 (Clostridium Valerianicum) ne PURE EE (Saccharomyces 18.7 31.3 = hie | 32.9 1.79 cereviSiae) Mth (Aspergillus niger) 25.1 25.0 25.0.1 -24-9" 1 7.00 的 一 切 要 求 。 由 于 DNA 双 螺 旋 结 构 能 解释 DNA 的 部 分 理化 性 质 和 生物 遗传 现象 , 因 之 得 到 广泛 公认 。 它 可 以 完美 地 解释 DNA 分 也 的 自 我 复制 方式 ,从 而 能 完成 物种 遗传 性 的 代 代 相传 。 现 在 已 经 知道 ， DNA 分 子 可 以 很 大 ， 以 大 肠 杆菌 为 例 ， 长 度 大 约 为 1,000 微米 ， ”以 碱 基 间 距离 为 3.4 埃 计算 ， 则 大 肠 杆 菌 的 DNA 大 约 有 3 x 10° “对 核 戎 酸 。 根 据 碱 基 对 的 平均 分 子 量 约 为 600， 所 以 大 肠 杆 菌 DNA 的 分 子 量 应 是 600x3x105 或 1.8x10?。 动 植物 细胞 的 DNA 分 子 可 以 更 长 些 。 今 将 各 种 机 体 细胞 核 的 DNA 含量 列 于 表 3-4。 由 于 DNA 分 子 能 够 大 到 这 种 程度 ， 含 有 这 样 多 的 核 苷 酸 单 位 ， 因 此 ,- 四 种 碱 基 在 分 子 中 的 排列 次 序 可 以 千变万化 ， 在 这 种 碱 基 排 列 中 就 草 藏 着 遗传 密码 。 因 此 ， 各 种 生物 的 DNA 分 子 中 碱 基 排 列 的 顺序 总 是 有 差异 的 。 为 了 确保 有 机 体 DNA 中 核 PRR 碱 基 的 精确 顺序 ( 碱 基 顺 序 也 就 是 物种 的 特征 ) 不 变 地 从 一 代 〈( 亲 135 — " 本 + 下 ¥ fiw — fe. 表 3-4 各 种 机 体 细胞 核 的 DNA 含量 —_ 机 体 微 we BT 酸 对 病毒 ; To 噬菌体 2x 1071 1.9* 105 细菌 : 大 肠 杆菌 4.7x 10-8 4x 108 酵母 菌 : 啤酒 酵母 〈 单 倍 体 ) 0.07 x 10-8 7x 107 腔 肠 动物 : 7k CH) 0.33 x 10-8 0.3x 109 软体 动物 ，Schnirke] 蜗 牛 ( 精 子 )| 0.67 x 107° 6.3x 109 AHEAD: 峙 48.0 x 10-6 4.5X109 真 骨 鱼 类 : 鲤鱼 3.5x 10° | 3.3 109 BH; 鸡 2.31076 2.1 109 msl: 人 6.0 x 1078 5.6 x 109 TE: BE- 单 倍 体 细胞 ， 其 佘 均 为 双 倍 体 细胞 。 代 ) 传 到 下 一 代 ( 子 代 )， 以 保持 机 体 的 遗传 特征 。 这 过 程 是 认为 通过 DNA 自我 复制 来 完成 的 。DNA 的 自我 复制 是 在 组 成 多 核 苷 酸 链 的 那些 构成 单位 有 充分 供应 的 情况 下 开始 解 螺 旋 并 分 裂 成 两 条 链 ， 情 况 与 拉链 相似 ， 然 后 各 链 分 别 按 互 补 原 则 形成 对 应 的 另 一 链 ， 从 而 形成 了 与 原来 相同 的 DNA 分 子 。 原 来 螺旋 中 的 每 一 股 链 都 在 新 的 互补 链 中 起 了 模板 的 作用 。( 关 于 DNA 的 这 种 结构 及 其 生物 学 功能 的 关系 将 在 第 三 篇 中 “核酸 与 蛋白 质 的 生物 合成 ?予以 介绍 。) 细胞 分 裂 之 前 细胞 核 中 的 DNA 含量 增加 一 倍 的 化 学 测定 结果 是 与 上 述 的 DNA 双 螺 旋 结 构 自 我 复制 的 解释 相 二 致 的 。 另 外 用 大 肠 杆菌 做 实验 证 实 了 DNA 在 自我 复制 过 程 中 的 解 螺旋 作用 。 这 些 为 DNA 双 螺 旋 结构 提供 了 有 力 的 证 据 。 DNA 双 螺旋 结构 概念 对 绝 大 多 数 天 然 来 源 的 DNA 是 正确 的 ， 但 最 近 在 少数 噬菌体 的 研究 中 发 现 活性 DNA 并 不 一 定 是 双 螺旋 结构 ， 同 时 双 螺旋 也 不 是 一 成 不 变 的 。 DNA 分 子 的 双 螺 旋 结构 理论 不 仅 为 分 子 遗 传 学 商定 了 基础 ， 而 且 也 为 进化 论 进 一 步 提 供 了 可 笔 的 科学 依据 。 进 化 论 的 建立 是 十 九 世纪 生物 学 发 展 史 上 的 重要 里 程 碑 。 在 过 去 的 研究 中 ， 主 要 136 “依据 不 同 种 属 的 生物 体 在 形态 解剖 方面 的 比较 ,来 决定 它们 在 进 化 过 程 的 亲缘 关系 。 近 年 来 随 着 对 生物 大 分 子 结构 测定 的 进展 ， 对 在 不 同 种 属 生 物体 中 起 相同 作用 的 蛋白 质 或 核酸 的 结构 作 了 比 ” 较 ， 发 现 亲 缘 关 系 越 近 ， 其 结构 就 越 相 似 。 有 人 对 从 细菌 中 分 离 到 的 DNA 进行 化 学 测定 其 碱 基 组 成 ， 表 示 出 和 分 类 学 有 严格 的 关系 ( 见 表 3-5)， 得 出 每 个 属 的 DNA 中 (GT+G) 的 百分率 都 在 一 个 较 狭 窗 的 范围 内 ， 并 且 相 互 之 间 的 关系 〈 如 肠 杆菌 科 的 或 放 线 菌 岗 的 ) 是 明显 的 。 这 进一步 为 进化 论 提 供 了 可 人 靠 的 科学 依据 。 表 3-5 细菌 DNA 中 鸟 味 叭 加 胞 喀 啶 的 组 成 〈% ) mo 8 Bc Maa FER AUR (FE) 沙门 氏 杆 菌 属 (7 个 种 ，11 个 | 49~54 小 单 孢 菌 属 菌 系 ) ok 假 单 孢 菌 属 〈3 个 种 ,8 个 菌 系 ) | 63~e7 || AIHA CLOTH AD 50~53 固 氨 菌 〈6 个 菌 系 ) 55~57.5| 全 孢 杆菌 属 (3 个 种 ,11 个 菌 系 )| 34 一 46 产 气 气 杆菌 〈6 个 菌 系 ) 链球 菌 属 (3 个 种 ，5 个 菌 系 ) | 34 一 39 艾 氏 菌 〈7 个 种 ) RAR (AF, SPA) 27~32 = RNA 的 立体 结构 除 少数 病毒 的 RNA 外 ，RNA 是 以 单 链 分 子 存 在 的 。 关 于 RNA 的 分 子 结构 , 由 于 较 难 提纯 ,研究 比较 困难 。 目 前 了 解 比较 清楚 的 是 分 子 量 较 小 ,大 约 只 含 80 个 核 背 酸 的 转移 RNA(CtRNA) 的 结构 。 根 据 事实 证 明 ， 在 RNA 分 子 的 多 核 埋 酸 链 中 也 能 形成 ”与 DNA 相 类 似 的 螺旋 区 ， 这 是 由 单 链 自身 回 折 ， 使 链 内 可 配对 的 碱 基 (A 一 U，G 一 G) 相 遇 形 成 气 键 (A 一 0 碱 基 对 见 图 3-6)， 使 :该 部 分 扭转 形成 螺旋 。 但 其 螺旋 结构 与 DNA 的 略 有 不 同 ， 碱 基 既 不 彼此 平行 ， 亦 不 垂直 于 螺旋 的 轴 ( 见 图 3-6) 。 这 是 因为 在 核 性 的 2 位 置 上 多 出 的 氧 原子 的 大 部 分 伸 入 到 结构 的 密集 部 位 所 致 。 这 些 双 股 的 区 域 会 被 没有 互补 序列 的 单 股 区 域 所 分 开 ， 此 音 137 | ~ 本 四 ae | = _. 3-6 bE SRR AT Al 3-7 RNA 分 子 中 螺旋 区 模型 ” 图 3-8 三 叶 草 模型 的 空间 排列 股 区 域 还 可 形成 环 状 突起 。 例 如 酵母 丙 氨 酸 tRNA 的 结构 示意 图 ( 见 第 十 一 章 图 11-8)。 一 般 称 三 叶 草 型 结构 。 ‘ _ Se Ay MRA MIE ESS LE aE, MBE 出 过 各 种 模型 ， 但 至 今 仍然 未 能 确定 下 来 。 近 年 来 对 tRNA 的 三 级 结构 提出 了 倒 “ 工 ?字模 型 。 见 图 3-8。 ears 目前 认为 ， 在 转移 RNA 及 核糖 体 RNA 及 信使 RNA 分 子 中 都 含有 一 些 双 螺 旋 区 。 人 138 - 让 4 Bt 7 a yar. > Ae Pca ks » . - AT ~~ > ”" oho ee te x 站 VTS De 省 ~ 53 } we ey) “ oe ay 了 es wd ’ 二 hiss 7 —— 2. 人 i vv > ) » _ v are, ars, “4 4 ‘ My - rae ry Pe 1 Jt ee ee ro 区 “Tt a eee tee Se ee eee cat We. ae 全 Sige MMOL Ace be ifs sw 2) <4 Pri ’ Fis “ ‘Lb ; +, * ‘ , % * 4 7 «J iT A is 4 入 * 第 四 节 ， 核 酸 在 生物 体内 的 存在 方式 一 、DNA 在 细胞 内 的 存在 方 芭 细胞 是 生物 的 基本 结构 单位 。 一 切 高 等 动 植 物 都 由 单 细胞 (受精 卵 ) 开 始 , 经 过 细胞 分 裂 , 细胞 数 由 一 变 为 二 , 二 变 为 四 ……- 发 育 分 化 成 为 成 体 ， 低 等 生物 如 原生 动物 、 酵 母 菌 、 细 菌 等 都 以 “ 单 细胞 形式 存在 。 就 细胞 结构 而 言 ， 高 等 生物 与 低 等 生物 之 间 可 按 原 生 质 的 分 ”化 情况 区 分 为 真 核 生 物 (eucaryote) 和 原核 生物 (Procaryote)。 前 者 的 原生 质 分 化 为 细胞 质 和 细胞 核 ， 后 者 则 无 此 分 化 。 真 核 生 物 包括 真菌 以 上 的 所 有 生物 ， 原 核 生 物 包 括 细菌 、 放 线 菌 、 蓝 绿营 和 病毒 。 经 研究 表明 ， 除 某 些 病 毒 (如 烟草 花 叶 病毒 等 ) 而 外 ，DNA 是 二 切 生命 形式 的 普遍 的 遗传 物质 。 它 在 真 核 生 物 的 细胞 中 与 原 核 生 物 的 细胞 中 的 存在 方式 是 不 同 的 。 在 真 核 细胞 中 , DNA 与 大 量 的 碱 性 的 组 蛋白 及 其 他 蛋白 质 分 子 结合 成 核 蛋白 ,形成 染色 体 。 在 动 植物 细胞 内 ， 除 了 染色 体 DNA 外 ， 还 有 分 布 于 线粒体 、 叶 绿 体 等 处 的 DNA， 它 们 能 自行 复制 ， 真 核 细胞 含有 许多 染色 体 ， 每 个 物种 都 有 恒定 的 染色 体 数 ， 故 细胞 内 有 恒定 的 染色 体 量 。 如 大 的 体 细 胞 染色 体 数 为 46， 玉 米 为 20， 酵 母 菌 为 18， 因此 含有 多 量 的 DNA。 这 种 DNA 大 约 由 10° 个 核 苷 酸 对 组 成 ， 相当 于 细菌 DNA 一 千 倍 大 小 ( 见 表 3-4)， 从 这 一 事实 来 看 ， 也 可 见 高 等 生物 比 低 等 生物 具有 更 复杂 的 遗传 性 状 。 在 原核 细胞 (如 大 肠 肝 菌 ) 中 ，DNA 不 与 蛋白 质 组 成 结构 复 条 的 染色 体 ， 而 DNA 存在 于 细胞 质 中 ， 位 于 细胞 的 一 个 集中 区 mA, 并 与 细胞 膜 相 连接 。 细菌 染色 体 多 是 含 一 分 子 呈 环 状 的 DNA, 长 度 达 1,000 微米 ,而 动物 细胞 中 则 含有 许多 线 状 的 DNA 分 子 。 在 细菌 细胞 中 ，DNA 还 有 以 质粒 (Plasmid) 的 形式 存在 ， 8 pe Nae ee ee or 这 是 独立 于 染色 体外 的 遗传 因子 。 它 具有 自主 复制 的 能 力 ， 然 而 在 细胞 内 却 并 非 必需 ， 失 掉 了 也 不 影响 细菌 细胞 的 生存 。 一 般 一 个 细菌 细胞 中 可 携带 20~30 个 质粒 ， 每 个 质粒 可 携带 多 个 基因 ， 如 最 大 的 了 质粒 有 600 个 基因 。 一 般 原 核 细胞 染色 体 上 常 携 带 有 数 千 种 基因 ， 而 真 核 细 胞 的 染色 体 上 则 携带 有 上 万 种 基因 。 质 粒 控制 着 许多 生物 学 功能 ， 目 前 已 发 现 的 有 性 因子 ( 卫 因 子 )、 耐 药 HAT (RAF) 大肠 杆 菌 素 等 。 细菌 质粒 有 不 同 大 小 ， 如 大 肠 杆 菌 中 小 的 质粒 平均 为 5x108 道 尔 顿 ， 在 每 个 细胞 中 可 维持 几 个 复制 体 ; 而 大 的 质粒 平均 为 6.5% 10° 道 尔 顿 ,每 个 细胞 中 有 1~2 个 复制 品 。 大 肠 杆 菌 中 质粒 的 DNA 含量 约 为 染色 体 含量 的 2%。 近 年 来 ,质粒 引起 大 们 重视 ， 因为 质粒 除了 在 细胞 质 中 进行 稳定 自主 性 复制 外 ， 有 的 质粒 它 可 将 一 个 特定 的 DNA 序列 ( 易 位 子 transposon) 易 位 到 另 一 质粒 或 染色 体 ， 而 使 接受 易 位 子 的 质粒 的 大 小 及 其 分 子 量 增加 并 获得 基 ”因而 影响 生物 性 状 的 改变 。 另 外 亦 有 助 于 进一步 了 解 质粒 之 间 、 质粒 与 染色 体 之 间 基 因 的 关系 。 因 而 质粒 已 成 为 遗传 工程 常用 的 ”载体 之 一 ， 而 受到 广泛 重视 。 二 、 单 链 DNA ANAK DNA 已 知 DNA 分 子 呈 双 螺 旋 结 构 ， 由 于 分 子 极为 细 长 ， 并 具有 某 种 程度 的 柔软 性 。 根据 物理 化 学 的 研究 ， 呈 可 着 曲 的 线性 分 子 。 但 经 对 大 肠 杆菌 噬菌体 & x 174 研究 ， 发 现 了 单 链 的 DNA, 因 其 碱 基 的 比例 与 通常 的 DNA 碱 基 组 成 的 规律 不 相符 合 ， 即 丰 和 开 、G 和 G 之 间 克 分 子 量 并 不 相等 。 进 一 步 研究 发 现在 十 分 温 和 的 条 件 下 制 得 噬菌体 由 x 174 的 DNA 不 仅 是 单 链 的 ， 而且 链 两 端 通过 共 价 键 结合 成 一 个 闲 合 的 环 。 在 其 它 一 些小 病毒 (如 噬 HIP Myo. fo 等 ) 中 也 发 现 了 单 股 的 环 状 DNA, 可 是 当 噬菌体 在 细菌 细胞 内 繁殖 ， DNA 进行 复制 时 ， 单 股 的 DNA 又 变 成 双 股 140 - 环 状 的 复制 形式 。 “天然 存 在 的 单 股 线 状 DNA 比较 罕见 ， 已 知 小 鼠 的 细小 病毒 即 属 此 类 。 另 外 双 股 DNA 经 变性 后 很 容易 得 到 单 股 DNA。 双 股 环 状 DNA 存在 于 某 些 病 毒 、 细菌、 线粒体 和 叶绿体 中 。 有 些 双 股 线 状 DNA 分 子 (如 噬菌体 2 和 某 些 质 体 的 DNA) 在 复 een REAR. - aaa RNA 合成 大 量 蛋白 质 的 细胞 含有 大 量 的 RNA。 同 样 地 ， cere 大 量 蛋白 质 的 细胞 中 , 能 查 出 的 RNA 就 很 少 。 通 过 对 微生物 蛋白 _ 质 合成 过 程 的 详细 研究 ,知道 细胞 内 的 了 NA 主要 存在 于 细胞 质 ， 它们 是 (1) 信使 RNA(CmRNA)，(2) 核糖 体 RNA(TRNA)， (3) 转移 RNA(GIRNA)。 它 们 都 是 在 DNA 模板 上 合成 的 。 蛋 白 质 的 合成 都 涉及 到 这 三 种 RNA, 将 于 第 十 章 核酸 与 蛋白 质 的 生物 合成 中 介绍 。 BHT ”核酸 的 理化 性 质 一 、 一 般 物 理性 质 . 核酸 的 分 子 量 很 大 ，DNA 的 分 子 量 一 般 为 105~109。RNA ” 的 分 子 量 大 小 变动 很 大 ， 一 般 tRNA 分 子 量 最 小 为 104 左 碳 ， mRNA 约 为 0.5x10 KY, rRNA 则 在 0.6~1 x 10°, DNA 与 RNA 的 化 学 组 成 中 都 含 QH\.O.N 和 了 五 种 元 素 ， “由 于 含 磷 量 比较 固定 ， 因 之 常用 测定 磷 量 的 方法 来 计算 核 酸 (或 核 背 酸 ) 的 含量 。 URNA, BEER, BEF, BES mR, EMERALDS Ae BABEL, DNA 则 为 与 石棉 相 类 似 的 白 纤 维 状 物 。 BER 除 肌 寿 酸 、 乌 昔 酸 具 鲜 味 外 ， 大 都 呈 酸 味 。 DNA\RNA、 核 背 酸 都 是 极 性 化 合 物 ， 一 般 讲 都 溶 于 水 14] # 3-6 DNA 与 RNA 中 所 、 磷 元 素 的 一 般 含 量 《%) 而 不 溶 于 乙醇 、 氧 仿 等 有 机 溶剂 ， 因此 常用 乙醇 沉淀 法 来 提取 核酸 。 它 们 的 钠 盐 较 易 深 于 水 ，RNA 的 钠 盐 溶解 度 可 达 4%。 碱 基 和 核 背 在 水 中 的 溶解 度 都 不 大 ， 而 味 叭 衍生 By 又 比 喀 啶 衍 生物 难 深 于 水 ,其 溶解 顺序 大 致 是 ， 胞 喀 啶 之 尿 啼 啶 之 腺 咕 聆 之 鸟 嘎 叭 。 在 酸性 溶液 中 核 苷 酸 上 的 味 叭 基 易 被 水 解 下 来 ， 在 中 性 : 或 弱 碱 溶液 中 则 较 稳 定 。 核酸 的 钠 盐 水 溶液 具有 很 高 的 粘度 。 粘度 是 用 作 检 定 核酸 物质 的 指标 之 一 ， 如 DNA 溶液 粘度 变 小 ， 即 标志 着 DNA 发 生 了 变性 或 降解 ， 故 粘度 的 测定 有 其 实用 价值 。 二 、 核 苷 酸 与 核酸 的 解 离 性 质 (一 ) 核 苷 酸 的 解 离 性 质 核 背 酸 中 含有 各 种 可 解 离 的 基 团 。 这 些 可 解 离 的 基 团 包 括 来 . 自 味 叭 、 喀 啶 环 中 的 所 原子 及 其 各 种 取代 基 外 ， 还 存在 有 磷酸 基 困 的 一 级 解 离 和 二 级 解 离 。 至 于 核糖 上 羟基 的 解 离 需要 在 强 碱 性 情况 下 才能 进行 ， 故 一 般 不 予 考虑 。 关于 碱 基 的 解 离 是 由 于 嘎 叭 和 喀 喧 化合 物 环 中 的 所 原子 及 各 种 取代 基 具 有 结合 和 释放 所 离子 的 能 力 ， 所 以 这 些 物 质 同 时 兼 有 碱 性 和 酸性 的 性 质 。 以 胞 喀 啶 为 例 ， 其 环 中 所 含 氮 原子 上 有 一 对 未 共用 电子 ， 可 用 来 与 所 离子 结合 Ws 使 一 人 一 转 AS WM tif 正 电荷 的 一 N HEE, Ha aee by Mie XP ZE ZEA FH 像 ， 具 酸性 ， 可 以 释放 氢 离 子 。 因 此 在 水 溶液 中 ， 胞 喀 啶 的 中 142 性 分 子 、 阳 离子 和 阴离子 之 间 ， 具 有 一 定 的 平衡 关系 。 Pi st rise wer || 一 一 4 4.4 tee 有 12.2 ae | oF A ae "4 Ss 过 去 一 下 以 为 碱 基 在 pH 4 左右 的 电离 与 氨基 基 团 有 关 ， 现 在 知道 这 种 看 法 是 错误 的 。 实 际 上 ， 在 味 吟 和 喀 啶 碱 中 ， 其 氨基 .的 碱 性 非常 暗 ， 氢 离子 主要 是 与 环 中 的 所 原子 相 结 合 ， 这 是 因为 eee SH ARMED SDA, RAR SHEARED, (Et AENY RRFLAR ABP MA DAA LAA, BARES 经 研究 认为 腺 嗓 叭 、 乌 嗓 叭 与 气 离子 结合 的 形式 如 下 式 所 示 ， 括 弧 中 为 其 相应 的 pKa 值 。 rae = A/S NPR a>. il > a: H,N’ ‘N J H H 腺 嗓 叭 Sar (4,1) (3,3) 尿 喀 啶 的 第 4 fr Be He SS RS Se 6 位 烯 醇 式 羟基 的 pKa 值 大 约 为 9 左右 。 在 核 苷 酸 中 ， 碱 基部 分 的 各 pKa 值 由 于 糖 和 磷酸 基 的 存在 而 发 生 改 变 。 糖 直接 与 碱 基 联结 影响 了 碱 基 结 构 从 而 使 碱 基 环 的 pKa 值 降低 ， 也 即 是 增强 了 碱 基 的 酸性 解 离 ， 故 腺 嗓 叭 核 背 PKa 值 改 变 成 3.63， 胞 喀 了 喧 核 背 改 为 4.1， 乌 味 叭 核 背 改 为 1.6。 而 磷酸 基 的 存在 ， 使 碱 基部 分 的 各 pKa 值 较 核 苷 略为 偏 碱 一 些 , 这 可 能 是 由 于 磷酸 基 负 电荷 的 静电 效应 所 造成 。 现 将 几 种 单 核 苷 酸 143 Jit a SLIP PGRN AIS PURO Sg ee ae ne . a 和 ss ae ER eae i ae “Se = | rs 机 ? { ‘ ° a . 于 的 可 解 离 基 团 的 解 离 常数 pKa 值 列 于 表 3-7。 表 3-7 一 些 核 苷 酸 的 解 离 常数 pKa 解 离 基 党 和。 一 数 pKa Hil MRR BAT 3.70 6.01 SRS QR 2.30 5.92 胞 喀 喧 核 苷 酸 4.24 5.97 RUB ME AF AR 5: 5.88 胸腺 喀 啶 核 苷 酸 om 6.50 2E: O BEALE (2’-, 3/-, 5’-) 的 核 背 酸 ， 其 基 团 的 解 离 常数 略 有 不 同 。 © 不 同 工 作者 的 测定 数据 略 有 出 入 。 © 此 表 所 列 数据 取 自 不 同 工 作 者 。 核 苷 酸 含 有 碱 基 和 磷酸 基 故 为 两 性 电解 质 ， 在 一 定 条件 下 还 可 形成 两 性 离子 。 图 3-9 为 四 种 核 苷 酸 的 解 离 曲 线 。 在 AMP, GMP, CGMP 中 ，PKal {A 是 由 于 第 一 磷酸 基 一 P9sH2z 的 解 离 ， pKa, 值 是 由 于 含 气 环 的 一 N+H-- 的 解 离 ， 而 PKas 则 由 于 第 二 磷 酸 基 一 POsH 的 解 离 。 从 核 背 酸 的 解 离 曲线 中 可 以 看 出 ， 在 第 一 磷酸 基 和 了 碱 基 ( 一 NT H 一 ) 解 离 曲线 交点 处 ， 带 负电 荷 的 磷酸 基 与 带 正 电 荷 的 碱 基数 相等 ， 这 时 的 PH 值 即 为 等 电 点 。 在 等 电 点 时 ， 上 述 核 背 酸 主要 呈 两 性 离子 形式 存在 。 核 背 酸 的 等 电 点 PI 可 以 简单 地 按 下 式 计 算 ， i= pKa, + pKa, 2 Pre MGB Me AY FRAY Bit SE RE BS, SE Bas LE AS Ee SR 5 2S 线 。 故 不 具 等 电 点 ， 不 能 形成 两 性 离子 。 因 磷 酸 基 的 酸性 比 碱 基 的 碱 性 踢 ， 故 核 苷 酸 的 等 电 点 偏 于 酸 性 〈 见 图 3-10)。 具 有 两 性 性 质 的 核 苷 酸 在 P 互 值 相当 低 的 情 襄 144 le tt a i i — 100 — BBE 第 二 磷酸 基 ~ BE 50 AMP 2 0 ‘ +0.6 100 第 一 磷酸 基 -一 第 二 磷酸 基 +0.4 GMP 50 碱 基 Lopes +0.2 OH AMP 0 0.0 CMP GMP 100; 第 一 磷酸 基 -一 第 二 磷酸 基 pitt #2-0,2 50 ES CMP : B04 sete - 0.6 100 第 一 磷酸 基 第 二 磷酸 基 -0.8 UMP 50 Sy tas -1.0 , ah sXe le Nee aA et a7 oS 8 PH aay Os Re TO ee a 图 3-9 四 种 核 霸 酸 的 解 离 曲 线 3-10 “每 种 核 背 酸 分 子 上 的 Hig pH (AMIR -下 ， 仍 保留 其 阴离子 性 质 。 如 图 3-9, 3-10 所 示 ， 在 pH 5.5~ 2.0 范围 内 , 随 着 PH 值 的 下 降 ， 碱 基 解 离 增加 ， 因而 净 负电 荷 亦 减 少 。 并 因 碱 基 在 不 同 的 核 苷 酸 中 具 不 同 的 pKa 值 ， 因 此 在 某 “一 给 定 的 P 互 值 时 ， 个 别 核 苷 酸 上 的 净 电 荷 就 不 相同 。 净 电 荷 的 不 同 就 构成 了 离子 交换 分 离 的 基础 而 能 将 各 种 核 苷 酸 进 行 分 离 。 Pie Mie EP Bis (Be Hi Wa a ie EF) GREY pKa 值 实 际 上 测 不 出 来 ， 故 不 被 阳离子 交换 树脂 所 吸附 。 同样 地 ， 如 采 在 一 定 的 PH 条 件 下 ， 将 各 种 核 苷 酸 置 于 电场 ， 中 ， 因 所 带电 涤 情 况 的 不 同 ， 移 动 速度 也 就 不 同 ， 故 可 用 电泳 法 来 分 离 与 鉴定 各 种 核 苷 酸 。 对 电汇 分 离 有 重要 实用 意义 的 解 离 基 团 是 磷酸 根 与 碱 基 。 四 种 单 核 苷 酸 用 电泳 法 分 离 的 主要 根据 是 在 . PH3.5 时 ， 核 背 酸 的 一 级 磅 酸 基 团 完全 解 离 而 二 级 克 酸 基 团 几 145 et Pees Seay Oe eee Lee pe ee a ee pe ee Nee Ley erin Nese at Nees ; ‘ hy ko wt +. tere ee Loe Par Oe ete Pri Pe 乎 完全 不 解 离 。 此 时 碱 基 的 解 离 度 也 因 各 种 核 背 酸 pKa 的 不 同 而 有 所 不 同 ， 见 表 3-8。 表 3-8 DO Fh BERR TE pH 3.5 时 的 碱 基 解 离 度 a Ff pKa MR Bw BE AMP 3.70 0.54 GMP 2.30 0.05 CMP 4.24 0.84 UMP — 一 由 于 每 种 核 苷 酸 带 有 一 负电 荷 (来 自 一 级 磷酸 基 团 的 解 离 )， 所 以 净 负 电荷 在 BH 3.5 时 应 为 ， AMP 0.46 (1 一 0.54) GMP 0.95 (1 一 0.05) GMP 0.16 (1—0.84) UMP 1.00 Pal He Ze dE 4 Ha, Dik Fey PA EF BR Da) TE PR BH RE Se, CE UI FP Ze UMP>>GMP>AMP>>GMP， 可 达到 良好 的 分 离 效果 。 在 核 苷 酸 生产 中 ， 常 采用 离子 交换 法 与 电泳 法 来 分 离 鉴定 四 - PA HR (=) 核酸 的 解 离 性 质 核酸 与 核 苷 酸 一 样 是 两 性 电解 质 ， 等 电 点 偏 于 酸性 。 在 中 性 - 或 碱 性 溶液 中 呈 阴 离子 ， 能 与 金属 离子 、 碱 性 染 料 或 其 它 碱 性 物 质 相 结合 。 如 核酸 和 链 走 素 结合 后 能 从 溶液 中 沉淀 出 来 。 核 酸 与 碱 性 染料 的 结合 ， 党 被 用 于 细胞 染色 用 来 观察 细胞 内 各 种 微细 结 构 。 三 、 么 外 吸收 性 质 核酸 具有 吸收 紫外 光 的 性 能 ， 最 大 吸收 赂 在 260 纳米 左右 的 146 波 恨 ， 并 在 230 纳米 处 有 一 低谷 ( 见 图 3-11)。 此 性 质 是 因 组 成 中 I SMe PSP MRASM AA, AIDE. B HEREREILERARAARIKE EMH, RNA 与 DNA 在 紫外 吸收 性 质 上 没有 任何 重要 的 差别 。 克 分 子 吸收 gs x 1078 3-11 酵母 RNA 钠 盐 的 图 3-12 pH 7 ipa ae Eee 紫外 吸收 曲线 的 紫外 吸收 曲线 各 种 碱 基 的 吸收 高 峰 不 同 (图 3-12)， 因 而 各 种 核 苷 酸 对 紫 外 光 的 吸收 特性 亦 有 所 不 同 。 表 3-9 列 出 了 五 种 核 苷 酸 的 最 大 吸 收 波长 及 死 分 子 消 光 系 数 。 表 中 的 数值 说 明 ， 各 种 核 苷 酸 对 紫外 表 3-9 核 背 酸 的 克 分 子 消 光 系 数 Hg | 最 大 吸收 波长 | Dna Davo as BR (my) pH 7 pH7 pH 2 5’-AMP 259 15.4 x 103 15.0 x 103 14.2 x 103 5’-GMP 252 13.7 x 103 11.4 x 103 11.8 x 103 5’-CMP - 280 13.2 x 108 7.4x 103 6.2 x 108 5’-UMP 962 10.6 x 102 10.0 x 103 10.0 x 103 5’/-dTMP 9.6 x 103 HE: *Dimax A PHT, ERAR WRK GMD FRIAR. 147 ’ 7 es ee er > iene et f 5 ak Pee Fe in SNe SD Rea eR t Ue al ee ee ms 到 a os + Greet fs Xess al 2 9 ey Spare raphe ana 光 的 最 大 吸收 波长 及 吸收 强度 是 不 同 的 。 因 之 在 生产 实践 和 科研 中 常用 不 同 波长 处 的 光 密 度 (0.D.) 的 比值 来 表示 核 背 酸 紫外 光波 的 特征 ( 表 3-10-)， 这 种 吸收 光谱 的 特征 ， 可 用 来 鉴别 与 定 量 核 HR. FEMA, ACA KERR TA. Ane RNA 水 解 生 产 四 种 核 苷 酸 样品 的 定性 ， 常 用 在 260 纳米 的 紫外 光 下 ， 辩 认 纸 上 电 访 或 纸 上 层 析 所 得 的 核 苷 酸 斑点 ， 从 而 可 以 很 方便 地 用 紫外 分 光 光 度 计 测 定 各 波长 的 光 密 度 值 ， 算 出 各 波长 的 吸收 光波 比值 与 已 知 核 背 酸 的 标准 比值 相 比 较 , 从 而 判断 是 哪 一 种 核 苷 酸 。 又 根据 260 POA REN as Re 出 核 HRS 表 3-10 5! FF PRD A SPE ME A AS FE 二 9. 天 :比值 O-D. 250/ O.D. 280/ O.D. 290/ O.D. 260 O.D. 260 O-D. 260 核 pH ， 苷 酸 2.0 7.0 2.0 7.0 2.0 7.0 5/-AMP 0.85 | 0.80 | 0.22 | 0.15 | 0.03 | 0.003 5’-GMP 1.22 | 1.15.| 0.68 | 0.68 | 0.40 | 0.285 5’-CMP 0.46 | 0.84 | 2.10 | 0.99 | 1.55 | 0.30 5’-UMP 0.74 | 0.73 | 0.38 | 0.40 | 0.03 | 0.03 5’-dTMP 0.64 0.73 iE: 0.D. 250/0.D. 260 就 是 在 250 纳米 波长 处 测 得 的 O-D- 值 与 在 260 纳米 波长 处 测 得 的 O-D. 值 的 比 。 余 类 推 。 pH 值 的 变化 会 影响 核 背 酸 中 味 叭 或 喀 啶 碱 上 的 某 些 基 BA 解 离 ， 影 响 到 其 结构 ， 因 而 会 改变 紫外 光 吸 收 性 质 ， 所 以 在 表示 策 外 光 吸 收 特性 里， 需要 注 明 测定 时 的 DE At Ga 3- 10). iit, Bee HAART, Uae ROP, GE Any DNA 吸收 紫 148 Pe eh hat Cf i ates ge ae APL DS eee ‘ . ha ”外线 后 ， 引 起 了 结构 上 的 微细 改变 ， 但 不 致死 亡 ， 从 而 使 微生物 的 某 些 性 状 起 变化 ， 可 从 中 选 出 对 生产 有 用 的 菌株 。 四 、 核 酸 的 变性 作用 核酸 与 蛋白 质 一 样 能 因 理化 因素 引起 变性 现象 ， 所 谓 变 性 是 指 多 核 苷 酸 之 间 维 持 立 体 结构 的 氨 键 〈 碱 基 对 之 间 的 和 氢 键 ) 的 断 裂 ， 故 变性 后 核酸 的 分 子 量 不 变 ， 但 螺旋 结构 变 为 无 定形 的 伸展 或 卷曲 状态 ( 见 图 3-13), oir ‘ an : : ~ PE 区 ak Sut Me ee ; ee Ne coe LSS Sed ROMA OME OM INT Ta, 图 3-13 DNA 变性 的 图 解 1 一 未 变性 的 双 螺 旋 ”2 一 双 螺 旋 在 变性 时 生成 两 条 缠绕 的 ， 没 有 氢 键 结 合 多 核 苷 酸 链 ”3 一 除去 变性 条 件 后 重新 形成 的 某 些 非特 殊 氢 键 从 工 变 至 2 是 不 可 逆 的 ， 而 从 2 变 至 3 则 是 可 逆 的 DNA 核酸 的 变性 可 用 四 种 方法 引起 ， @ 将 DNA 溶解 在 纯 一 水 或 非常 稀 的 电解 咨 液 ，@ 用 强酸 或 强 碱 溶液 处 理 ，@@ Mm; @ 加 入 破坏 氢 键 的 试剂 如 脲 、 盐 酸 股 、 水 杨 酸 等 。 变性 后 的 核 Emi, BRET RE, Sf 260 纳米 的 紫外 光 吸 收 能 力 增 强 。 149 ee Le ee ae Pars ho oon Ce (—) DNA 溶解 在 水 或 非常 稀 的 电解 质 所 引起 的 变性 试验 指出 当 将 DNA 溶 于 低 于 10 0 的 氧化 钠 溶液 中 会 发 生 不 可 逆 变 性 。 但 对 含 二 价 阳 离子 的 溶液 来 讲 ， 引 起 变性 的 极限 浓度 远 低 于 一 价 阳 离子 溶液 ， 其 数值 为 1 以 下 。 因 此 在 核 : 酸 的 提取 制备 过 程 中 必须 充分 注意 电解 质 的 浓度 ， 以 避免 发 生变 性 作用 。 (二 ) 酸 或 碱 引 起 的 变性 作用 强酸 或 强 碱 可 以 引起 DNA 的 不 可 道 变性 。 变 性 的 程度 取决 于 氢 键 被 破裂 的 多 少 , 如 果 被 破坏 至 一 定 程度 则 发 生 不 可 逆 变 性 ; 如果 氢 键 破坏 较 小 ， 两 条 多 核 背 酸 链 仍 可 保持 其 相对 位 置 ， 中 和 后 ， 氢 键 可 重新 形成 ， 则 变性 为 可 逆 ， 但 这 种 可 逆 并 不 意味 着 能 恢复 到 原来 状态 。 酸 碱 所 引起 的 变性 与 温度 有 关 ， 温 度 较 低 时 则 引起 的 变性 作用 较 小 。 (=) 加 热 所 引起 的 变性 作用 DNA 对 热 是 敏感 的 ， 能 引起 不 可 逆 变 性 ， 但 这 种 变性 只 在 一 定 的 临界 温度 之 上 发 生 。 临 办 温度 的 高 低 和 离子 强度 《电解 质 对 DNA 热 变性 有 保护 作用 ) 以 及 DNA 的 天 然 状 态 和 来 源 有 关 ， 一 般 为 70~85°C, (四 ) 变性 剂 的 影响 DR. SEAR, RRS HEE RARER, th 能 促进 DNA 的 变性 作用 。 经 研究 认为 它们 本 身 并 不 能 明显 地 引 起 DNA 变性 ， 但 可 以 在 其 它 方法 所 引起 的 变性 作用 中 起 辅助 作 用 。 变 性 因素 的 长 时 间作 用 也 可 导致 核酸 主 链 间 的 核糖 -磷酸 酯 键 的 断裂 造成 核酸 降解 。 由 于 核酸 容易 变性 ， 因 之 在 制 取 核 酸 过 程 中 ， 一 定 要 控制 好 条 件 ， 注 意 防 止 变性 因素 的 影响 ， 才 能 制备 出 具有 活性 的 核酸 。 五 、 核 酸 的 显 色 反应 核酸 中 含有 核糖 和 磷酸 ， 它 们 经 一 定 的 化 学 反应 后 能 产生 闸 150 ~ 色 反 应 ， 可 用 来 粗略 地 进行 核酸 的 定量 测定 。 (一 ) 核糖 的 测定 一 一 地 衣 酚 (3,5- 二 羟 甲 苯 反 应 ) RNA 中 的 核糖 经 浓 盐 酸 或 浓 硫 酸 作用 脱水 生成 糠 醛 。 糠 醛 能 与 某 些 酚 类 化 合 物 缩合 而 生成 有 颜色 的 化 合 物 。 糠 醛 与 地 衣 酚 ”反应 后 就 产生 深 绿色 化 合 物 ， 在 有 高 铁 离子 (如 FEeGls) 存 在 时 , 则 如 下 ， 反应 更 灵敏 ， 为 测定 核 粳 最 常用 的 方法 ， 其 反应 过 程 可 简单 表示 二 HO—CH, O ye HCl i O 2 eof) eH bs A died go hae Shea OH OH Be RE ae On Ho Ae HO-\ ss 一 一 一 深 绿色 化 合 物 FeCl, 利用 此 颜色 反应 ， 可 用 675~680 纳米 的 滤 色 片 进行 比 色 测 定 。 (=) 脱氧 核糖 的 测定 一 一 二 苯胺 反应 DNA 中 脱氧 核糖 经 浓 硫 酸 作用 ， 脱 水 生成 -羟基 -y- 酮 基 RR, SORA NOR A 成 蓝 色 化 合 物 。 可 用 595~620 纳米 的 滤 色 片 进行 比 色 测定 。 其 反应 过 程 可 简单 表示 如 下 : : i a | ae so : . H ; r= 4 re? eed in aR CHOH 浓 HzSO CH < S—n—¢ SHEIK ‘ | | =- Ne EL Ay CHOH re 人 CH,OH CH,.OH 脱氧 核糖 co- ¥ FL -y— Mil ye JE XR BE & 151 - a a+ de a H, MoO, + (NH,),80, FARK FARR 12 H,MoO,+ H,PO,—> HH, PO, - 12 MoO, +12 H,O ~ o FARR ie AR H,PO,-12 MoO Bical Sete ae -4 MoO,),-H,PO,-4H 0 磷 铀 酸 Aw HERR Rh PEE, HRD SHG, OT Tet Tre MO Cute Dele are tices 扰 。 AT BERRA PARANA, RRA TP RARER AD 7k HF J 3B EAS 单位 的 。 然 后 在 生物 体内 也 有 另 一 些 不 出 现在 核酸 中 的 重要 核 苷 酸 ， 它 们 可 以 含有 不 同 于 嗓 聆 或 喀 啶 的 碱 基 ( 如 烟 栈 胺 - 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 、 黄 素 单 核 苷 酸 等 。 见 第 二 章 辅 酶 的 组 成 )。 Ale, Bee 酸 的 定义 可 以 更 普遍 地 适用 于 含有 以 糖 背 键 连 接着 一 个 碱 基 的 态 “ 152 RRR HE Ath (INRA . Pees |. Me Lishe ieee ee 代谢 中 有 重要 作用 ， 也 有 一 定 的 医疗 效果 ， 可 以 从 生物 体 中 提取 或 用 发 酵 法 生产 。 Ws 如 下 ; -在 生物 体 中 ， 核 背 酸 除了 作为 核酸 的 基本 组 成 外 ， 也 有 以 游 、 衔 生物 〈 如 腺 味 聆 核 背 酸 的 磷酸 酯 ATP 及 NAD， 辅 酶 A 等 ) 在 - 今 将 几 种 嗓 叭 、 喀 喧 类 核 苷 酸 的 结构 与 功能 简单 介绍 于 下 ， aa 其 剑 如 NAD、 辅 酶 等 见 第 二 章 辅 本 的 组 成 。 Eee oa _.. ATP §j ADP 4 5/- RAMEN BERD (5/-AMP) NATH, EMILE 5! fir We ABARAT, AE CR — BRAY ABB — BE (ADP), Sat He UR — A A = (ATP), ‘Ela - NH HO-P~0-P-0-CHk tee eS ey a OHOH WR—BR(ADP) R= Be (ATP) 153 TERA AO EEL A (RENE D) 中 ， 磷 酸 基 团 常 被 写成 一 @@， 于 是 ATP TSCRKE—-O—O—O; ADP 可 写成 腺 核 背 一 加 一 @。 ATP 在 适当 的 酶 或 稀 酸 、 稀 碱 的 作用 下 可 水 解 , 把 未 端 一 @@ 去 掉 形 成 ADP。 此 反应 在 PH 7 时 的 标准 自由 能 (G) 大 约 是 —8,000 -K, Le— ABER RE Bt 7k fe (AG = —2, 200 卡 ) 的 能 量 要 大 得 多 ， 因 之 称 它 为 高 能 键 ， 用 “~ 表示。 ee —_O—P—® + H,0O— RB F—O—®+HzPO,+ 8,000 卡 ATP ADP 类 似 地 ， ADP 水 解 为 AMP 的 反应 里 ， 也 有 很 高 的 能 量变 化 ,在 PH7 时 ，AG=6;,500 卡 腺 核 苷 一 @ 一 @ 十 HsO 一 > 腺 核 苷 一 @ 十 HaPO4s 十 6,500 卡 ADP AMP 因而 AITP 与 ADP 更 确切 的 表示 应 分 别 写 成 腺 核 背 一 国 ~ 国 ~ 国 -与 腺 核 背 一 因 一 加 。 5/… 鸟 核 背 酸 (GMP)，5- 胞 核 背 酸 (CMP), 5/- 尿 核 昔 酸 (COMDP) 等 都 可 以 进一步 磷酸 化 形成 相应 的 磷酸 酯 和 焦 磷 酸 酯 。 &—B(GMP)—> 8, i (GDP)—> & =m (GTP) id — Be (CMP) —-> fig 9 (CDP) —> ig = Be (CTP) J — 8 (UMP) —> Jk — 8 (UDP) —> JR = 3 (UTP) ADP, GDP, GDP, UDP 各 含有 一 个 高 能 磷酸 酯 键 ，ATP、 GTP、GTP、UTP 各 含有 二 个 高 能 磷酸 酯 键 。 由 于 这 些 化 合 物 分 子 中 含 较 高 能 量 ， 因 此 可 供给 生物 体 活 动 时 所 需 能 量 ， 也 可 供给 磷酸 基 ， 是 生物 体内 能 量 代谢 与 物质 代谢 的 重要 物质 。 生 物体 内 的 不 少 化 学 反应 ， 如 氧化 -还 原 反 应 ， 合成 反应 都 是 在 它们 的 参 与 下 (以 辅酶 形式 ) 进 行 的 。 已 经 证 明 其 中 ATP 特别 重要 ， 借助 于 从 ADP 形成 ATP 这 一 反应 ， ATP 被 用 来 贮存 生化 反 应 所 释 放 的 能 量 ， 然后 由 ATP 再 转变 成 ADP,， 以 释放 能 量 并 供应 磷酸 基 。 154 Re a x Se ee > : ATP 具 有 如 此 重要 的 生理 功能 ， 近 年 来 将 它 应 用 于 临床 取 得 良好 效果 。- ” ATP 生 产 主要 利用 酵母 RNA 经 5' 伙 酸 二 酯 酶 降解 成 混合 单 核 苷 酸 后 ,经 离子 交换 树脂 分 离 得 AMP, 再 经 光合 磷酸 化 成 ATP， “ 亦 有 用 化 学 合成 法 由 AMP 合成 ATP。 然 后 以 钠 盐 形式 作成 针 剂 应 用 。 AN ) 本 和 人 y m1 ee am ; on me nee ar ~ i Ss 了 这 ei sere les Pee EP ae wy oo ay ae Nie O O O NZ \2NQ, . II | | ud | CH. 3H,0-NaO— P ~Q— P~O 一 P 一 0 一 CH， 要 SNA、N | | + H,O ONa OH OH H HH ih OH OH ATP 钠 盐 的 结构 式 =, SP- BRINE (RIBR cAMP) 环 -磷酸 腺 背 或 3"，5“- 环 腺 核 背 -磷酸 (cAMP) 是 在 一 九 五 ， OH 环 -磷酸 腺 苷 〈cAME) 155 七 年 研究 肾上腺 素 (激素 ) 与 高 血压 素 (激素 ) 对 糖 元 分 解 作用 时 发 RL. ‘Ex: AMP 的 一 种 衍生 物 ， 也 是 腺 核 背 的 磷酸 二 酯 。 其 结 aa 现在 已 经 知道 ， 很 多 激素 的 作用 都 通过 cAMP, EADIE x 内 不 仅 促 进 糖 元 分 解 ， 还 影响 多 种 酶 活性 ， 从 而 起 调节 体内 生化 过 程 和 生理 功能 的 作用 ， 表 现 出 重大 的 生物 学 意义 。 近 年 来 又 知 Ee ae NH, NZNcNS a o-Clh CHsN- OO . fO\y/ 和 a: 0O=P 一 -9 OH 4 ! 4 oe or Ae ee Highs gis ee ne ee, Si” Oak io ee Ee oe sa <7 . ve . ‘ \ a eT ES er a ig ee > ae eee 和 = 道 CAMP 对 和 蛋白质 合 成 有 关 ， 有 些 实验 证 明 它 对 肿瘤 细胞 的 生 长 有 抑制 作用 。 cAMP 广 泛 地 存在 于 一 切 细 胞 中 ， 从 低 等 的 微生物 一 直到 高 等 哺乳 动物 的 各 种 组 织 细 胞 中 都 含有 cAMBP， 作 为 细胞 内 重要 的 调节 因素 。 在 生物 体内 CAMP 是 通过 位 于 细胞 膜 内 的 腺 背 酸 环 化 酶 对 底 物 ATP 作用 环 化 为 cAMP， 此 过 程 需 有 镁 离子 (Mg ) 存在。 cAMP 在 磷酸 二 酯 酶 的 作用 下 ， 可 转变 为 5 -AMP 而 失去 活性 ， 已 知 细胞 内 cAMP 浓度 主要 以 下 列 方式 保持 平衡 。 ATP- 腺 背 酸 环 化 酶 a yp BRIA ap 由 于 cAMP 具有 重要 的 调节 作用 ， 近年 来 已 作为 药 品 应 用 于 临床 。 但 在 组 织 中 它 的 含量 很 低 ， 以 每 克 湿 组 织 计 算 ， 大 都 在 纳 死 分 子 甚至 皮 殉 分 子 的 水 平 ， 因 此 很 难 测定 。 由 于 研究 工作 与 临床 试验 需要 大 量 的 cAMP， 现 采用 合成 法 由 5 -AMB 的 磷酸 基 团 经 双环 己基 碳化 二 亚 胺 (dicyclohexylcarbodiimide DGC) 活化 后 ， 缩 合成 cAMBP。 反 应 如 下 : O——CH, / PS DCC 一 一 > 5'- AMP O CH, oe ta A TAN inet: H AN、 ER 全 —O OH 156 om apt tala =, RRER BARS RE eR 5-H BEE MAILERS (5/-IMP), 5’—J WH me Be AE “ BX ASAPIRG!-XMP), LEAs RURAL 核 背 酸 的 中 间 产 物 。 其 结构 如 下 ; i 3 ee ates re ee, a HO-P-O-CH, HCy N7 NZ HO-P-o- CH, O Gee SN OH [0 OH noes H Hf ao. H H OHOH — : OHOH 5’ Be nS AR (5’-I MP) 5! — Fe FR (5’-X MP) Te HIE BEE WO BIS EH Hy OR TAY Jy Po RIOR EEE DE 外 ， 在 味觉 上 它 具 有 肌肉 的 鲜 味 ， 是 一 种 助 鲜 剂 ， 与 味精 (AR PAPEL) 以 不 同比 例 混合 能 制 成 各 种 有 特殊 风味 的 强力 味精 。 另 外 它 亦 可 用 于 临床 上 以 治疗 白血球 减少 症 等 。 它 的 RENE WL (次 黄 味 聆 核 背 ) 亦 已 用 于 治疗 肝脏 疾患 等 。 | PRPC. JH ee Be LAPS LAE RAR 1. 试 简 述 核酸 的 生物 学 重要 性 。 2. 比较 两 类 核酸 在 化 学 组 成 上 的 异同 。 3。 核 背 酸 分 子 是 如 何 组 成 的 ? 组 成 核酸 的 基本 核 苷 酸 有 哪 儿 种 (可 用 代号 表示 )? 4. 试 比较 两 类 核酸 在 结构 上 的 异同 。 5。 简 述 DNA 双 螺 旋 结构 理论 要 点 ， 并 试 述 它 对 遗 传 学 的 157 *, a ; a “2 ine JR al Ty ie ae 区 和 REE? ( 碱 基 对 的 平均 分 子 量 约 618) > hd és < hg Sy Lee ute) ow fi hte wes fon ee, pre rF %% ~ ¥ Va te ee -s AED), :. ha NS CHEE RS ae ee im 1. Bi oS he tal oe 1 * ° Sa ] om 过 oft i of a4 > tha a Se aw bet Sie i a a Sines HS . ; 四 Co ae + - gow meee ie x. il 2% Rar 2 aay OS 、< 页 ‘ < ee f ts wy png > call 加 - 6. 已 知 酵母 DNA 的 碱 基 组 成 下， pine 580%, 试 计 算 此 分 子 中 其 他 碱 基 的 %? | 7. BRE DNA 分 子 量 为 3x 107, i aR Patty = 8. TARA HAR AEA EAS Xo 2 9. 核酸 、 核 苷 酸 何 以 具 紫 外 吸收 性 质 ? 有 何 实用 意义 <- 10. 何谓 核酸 的 变性 作用 ? 有 何 实用 意义 。 ao. pret: RE ATES ADP AME Seas 相互 间 转变 关系 ， Cig 简 述 它 它们 的 生理 重要 性 。 wid ‘se =. . s i. 人 Stell ¥ — SF = . 5 : ‘ a * _ 158 ae ee BU “新 陈 代谢 概论 第 一 ORES 生物 不 是 匠 立 地 存在 ， 而 是 与 外 界 环 境 发 生 密切 联系 的 。 它 们 在 生命 活动 过 程 中 ， 一 方面 不 断 地 从 外 界 环 SER ED 质 ;， 另 一 方面 又 不 断 地 排出 废物 。 这 种 生物 体 与 外 界 环 境 的 物质 交换 作用 ， 就 是 生物 的 新 陈 代谢 ， 或 称 为 物质 代谢 。 生 物体 的 各 种 生命 活动 ， 如 生长 、 发 育 、 繁 殖 、 遗 传 、 变 异 乃 至 运动 、 思 维 等 都 是 通过 新 陈 代 谢 来 实现 的 。 因 此 ， 没 有 新 陈 代谢 ， 就 没有 生 命 。 在 自然 界 中 ， 从 低 等 的 微生物 到 高 等 的 动 植物 ， 尽 管 它们 的 形态 、 大 小 、 结 构 千 差 万 别 ， 但 它们 的 代谢 途径 都 大 同 小 异 ， 因 此 新 陈 代谢 是 生命 的 基本 特征 之 一 。 所 谓 发 酵 就 是 微生物 的 新 陈 代 谢 过 程 。 在 发 酵 过 程 中 ， 微 生 物 通过 本 身 的 新 陈 代谢 活动 ， 使 原料 发 生 了 一 系列 的 生物 化 学 变 化 ， 最 后 变 成 人 们 所 需要 的 产品 。 例 如 在 酒精 发 酵 中 ， 酵 母 菌 从 ”外 雾 环 境 吸收 了 糖 ， 通 过 新 陈 代谢 活动 ， 最 后 排出 了 酒精 和 二 氧 化 碳 。 因 此 物质 的 交换 是 新 陈 代谢 的 现象 ， 而 它 的 本 质 是 物质 的 转化 。 新 陈 代谢 过 程 包括 营养 物质 的 吸收 、 中 间 代 谢 以 及 代谢 产物 159 y 人 4 te? Te ‘ .i ’ ? 4 Pi ne ee es. MS, a. o> cond Cae, ae ee , ‘ —_ Aah. pig WEA a ee Pao SS SE ae ae d eM a ‘ Ay. ua” i. aS * / aj rn “时 中央 io - - =. 7 网 4 1 ma yet ie a 5 a 4 “- 可 4 中 ， 4 . Pia no ry vot . i” 4 n % ‘ Ps ; . i ‘ ‘ “ ‘4 wf ? wi. >? 人 ae Ve a a ean ves) oa ee ee aa 有 eg Ee 人 i, ae ees Le fp oe 的 排泄 等 阶段 。 就 微生物 而 言 ， 营 养 物 质 的 吸收 和 代谢 产物 的 排 泄 是 物质 透 过 细胞 膜 的 过 程 ， 物 质 在 细胞 内 发 生 的 一 系列 化 学 变 化 、 能 量 转变 等 则 称 为 中 间 代 谢 。 本 篇 重点 讨论 中 间 代谢 。 中 间 代 谢 依 其 不 同方 向 的 代谢 变化 ， 可 以 分 为 合成 代谢 与 分 解 代谢 。 伴 随 着 合成 和 分 解 代谢 而 发 生 在 生物 体内 的 化 学 能 、 热 能 、 机 械 能 等 能 量 的 相互 转化 和 代谢 变化 称 为 能 量 代谢 。 合成 代谢 是 指 一 种 或 数 种 物质 合成 较 大 、 较 复杂 的 分 子 的 过 程 ， 一 般 是 消耗 能 量 的 反应 。 在 合成 代谢 过 程 中 ， 也 常 伴 有 某 些 物质 的 分 解 反应 。 分 解 代谢 是 指 一 种 物质 变 为 较 小 、 较 简单 的 分 子 的 过 程 ， 一 般 是 释放 能 量 的 反应 。 在 分 解 代谢 过 程 中 ， 也 常 伴 有 某 些 物 质 的 合成 反应 。 例 如 ， 生 物体 内 各 种 氨基 酸 合成 为 复杂 大 分 子 蛋 白质 的 过 程 是 合成 代谢 ， 这 是 需要 供给 能 量 的 代谢 过 程 ， 又 如 糖 原 在 生物 体内 分 解 为 葡萄 糖 ， 最 终 又 分 解 为 二 氧化 碳 和 水 ， 是 分 解 代谢 ， 这 是 释放 能 量 的 代谢 过 程 。 “ 将 中 间 代 谢 分 为 合成 与 分 解 两 种 过 程 ， 绝 不 是 意味 着 这 两 种 过 程 在 生物 体 的 生命 活动 过 程 中 是 单独 分 别 进行 的 。 合 成 与 分 解 是 一 对 矛盾 ， 共 处 于 一 个 统一 体 中 ， 它 们 既是 对 立 的 ， 又 是 统一 的 。 两 者 相互 联结 ， 相 互 依赖 ， 相 互 渗透 ， 相 互 贯通 ， 互 为 条 件 ， 相 反 相 成 。 合 成 过 程 中 所 要 的 物质 和 能 量 由 分 解 过 程 提供 ， 分 解 过 程 产生 的 物质 和 释放 的 能 量 又 用 于 合成 过 程 。 由 于 能 量 和 物质 的 相互 依存 ， 从 而 维持 了 生物 体内 物质 的 动态 平衡 以 及 能 量 供给 与 消耗 的 动态 平衡 ， 构 成 了 新 陈 代 谢 的 统一 性 。 中 间 代 谢 是 复杂 的 物质 转化 过 程 。 合 成 代谢 和 分 解 代谢 都 包 含 着 一 连 串 生物 化 学 反应 ， 这 一 系列 生化 反应 按 其 发 生 的 先后 顺 序 组 成 代谢 途径 。 各 种 不 同 的 物质 在 生物 体内 的 代谢 途径 并 不 相 同 ， 而 且 同 一 种 物质 在 生物 体内 的 转化 也 可 能 有 几 条 不 同 的 代谢 途径 ， 各 代谢 途径 之 间 有 时 存在 着 若干 分 支点 。 因 此 各 种 不 同 物 质 的 代谢 ， 又 可 能 经 过 这 些 分 支点 而 相互 沟通 。 代谢 过 程 虽然 错综复杂 ， 但 它 却 有 严格 的 规律 性 。 研 究 中 间 160 oy * Bie OT eA = ee, Of Me wee. oe ee Na bP em os 4c ee ee eee Ree RC et? eager. Bo a «ahd hia ER Brin Me > ~ > ~~ ~~ 机 代谢 包括 了 解 其 过 程 中 各 个 反应 的 顺序 、 中 间 产 物 及 最 终 产 物 ，， -这 些 反应 是 在 生物 体 的 那些 部 位 进行 ， 阐 明代 谢 过 程 中 的 能 量变 ”化 ;探讨 它们 之 间 的 相互 联系 和 相互 制约 ， 从 中 找 出 规律 性 的 东 西 ， 并 运用 这 些 从 生物 体 中 揭示 出 来 的 规律 来 改造 自然 。 第 二 节 ”微生物 新 陈 代 谢 的 等 点 各 种 生物 的 新 陈 代谢 过 程 虽然 复杂 ， 却 有 共同 的 特点 。 (1) 新 陈 代谢 过 程 中 所 发 生 的 化 学 反应 往往 不 是 一 步 完 成 ， 而 是 通过 一 连 串 的 中 间 反 应 过 程 来 完成 的 。 反 应 步骤 虽 多 ， 但 有 其 顺序 性 。 (2) 绝 天 多 数 的 中 间 代 谢 反应 都 是 由 酶 所 催化 ， 所 以 代谢 过 - 程 是 在 比较 温和 的 条 件 下 进行 的 。 (3) 代谢 过 程 具有 灵敏 而 巧妙 的 自动 调节 作用 ， 因 此 发 生 于 生物 体内 为 数 众多 、 错 综 复杂 的 各 个 代谢 反应 及 各 种 代谢 途径 之 间 相 互联 系 ， 相 互 配 合 ， 彼 此 协调 ， 有 条 不 率 地 进行 。 微生物 同样 具有 这 些 生物 体 所 共有 的 新 陈 代谢 特点 ， 另 外 还 有 其 特殊 之 处 。@@ 微 生物 分 布 广泛 ， 种 类 繁多 ， 自 然 界 中 目前 已 发 现 的 微生物 多 达 10 万 种 以 上 。 各 种 微生物 的 营养 要 求 与 代谢 方式 均 有 所 不 同 ， 表 现 为 微生物 营养 和 代谢 的 多 样 性 。@@ 微 生物 细胞 构造 简单 ， 没 有 象 高 等 生物 那样 具有 特殊 分 化 的 营养 器 官 ， 而 是 依靠 整个 细胞 的 表面 直接 与 周围 环境 的 接触 来 吸收 养料 ， 因 此 微生物 具有 远 比 高 等 生物 快 得 多 的 代谢 速度 。 例 如 ， 在 合适 的 条 件 下 ， 细 菌 每 20 分 钟 就 可 繁殖 一 代 。24 小 时 可 分 裂 繁殖 72 代 ， 就 是 说 一 个 细菌 在 一 天 之 内 可 繁殖 出 4722000000 万 亿 个 ; 又 如 乳酸 菌 每 小 时 可 产生 相当 其 体重 1000~10000 倍 的 乳酸 ; 产 腕 假 丝 酵母 合成 蛋白 质 的 能 力 是 大 豆 的 100 倍 等 等 。@ 正 由 于 微 生物 的 细胞 直接 与 周围 环境 接触 ， 其 代谢 方式 也 容易 受到 外 界 因 5 素 ( 营 养 和 培养 条 件 ) 的 影响 ， 表 现 为 微生物 对 环境 因 素 的 适应 “ -” 2 161 * y 后 WwW Se a ; * 4 a < d Pe” ie ee OE RS a eee 性 。 例 如 酵母 菌 在 无 氧 而 微 酸性 的 条 件 下 进行 酒精 发 酵 ， 而 在 有 氧 条 件 下 则 能 使 糖 彻底 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 ; 另外 在 无 氧 微 碱 性 或 添加 亚 硫 酸 盐 的 条 件 下 则 进行 甘油 发 酵 。 这 是 各 种 不 同 的 环境 因素 对 酵母 菌 的 代谢 方式 产生 影响 的 结果 。 四 在 某 些 特殊 的 环境 因素 ( 诱 变 因 素 ) 的 作用 下 ， 微 生物 容易 在 基因 水 平 上 发 生变 蜡 ， 从 而 可 能 在 其 下 一 代表 现 出 代谢 方式 的 改变 ， 使 微生物 的 代谢 方 式 更 加 丰富 多 采 。 第 三 节 ”新陈代谢 与 发 酵 工 业 新陈代谢 的 研究 也 和 其 它 自然 科学 一 样 ， 是 由 三 大 革命 运动 实践 推动 和 发 展 起 来 的 。 人 们 从 实践 中 总 结 出 来 的 新 陈 代 谢 的 理 论 又 进一步 指导 实践 ， 为 实践 服务 。 近 十 几 年 来 在 代谢 研究 领域 中 对 种 种 代谢 规律 的 益 明 大 大 推动 了 微生物 发 酵 工 业 的 发 展 。 微 生物 发 酵 是 利用 各 种 微生物 本 身 所 特有 的 生理 生化 特性 ， 在 人 工 控制 的 条 件 下 ， 微 生物 通过 自身 新 陈 代谢 的 活动 将 不 同 的 物质 进 行 分 解 或 合成 ， 转 化 成 人 们 所 需要 的 各 种 代谢 产物 。 这 就 是 说 为 要 大 量 获 得 人 类 所 需要 的 产品 ， 取 决 于 选择 合适 的 微生物 及 人 为 地 给 予 适 宜 的 包括 营养 和 培养 条 件 在 内 的 特定 的 环境 因素 这 样 两 个 基本 条 件 。 而 研究 和 掌握 微生物 的 代谢 活动 规律 及 其 调节 机 制 ， 则 能 为 满足 这 两 个 条 件 提供 必要 和 可 靠 的 依据 ， 从 而 使 微 生 物 发 酵 更 符合 人 们 的 需要 ， 并 在 此 基础 上 有 目的 地 改造 微生物 ， 广泛 开辟 利用 微生物 发 酵 生产 更 多 产品 的 途径 。 BOT FAP UH Az 中 间 代谢 研究 方法 的 选择 ， 要 考虑 研究 的 对 象 和 要 求解 决 的 问题 。 研 究 的 对 象 可 以 是 动物 、 植 物 和 微生物 等 。 对 于 微生物 的 代谢 ， 因 研究 对 象 的 微小 和 生活 方式 的 不 同 ， 研 究 方法 就 与 脊椎 162 动物 和 绿色 植物 的 代谢 研究 方法 有 所 不 同 。 至 于 所 谋求 解决 的 代 谢 问题 也 是 多 种 多 样 的 ， 可 以 是 涉及 到 生物 物质 中 某 一 类 物质 的 分 解 和 合成 ;可 以 是 各 类 物质 代谢 之 间 的 相互 联系 和 相互 制约 也 可 以 是 和 营养 、 生 长 、 繁 殖 、 遗 传 、 变 异 相 联系 的 代谢 问题 等 等 。 基 于 上 述 考虑 ， 产 生 了 很 多 研究 中 间 代 谢 的 方法 ， 它 们 各 有 一 定 的 应 用 范围 ， 现 就 微生物 中 间 代 谢 的 研究 方法 ， 在 试验 材料 处 理 和 代谢 途径 的 探讨 方面 作 一 概要 介绍 。 一 、 试 验 材料 处 理 微生物 的 中 间 代 谢 是 指 完整 的 、 正 常 的 微生物 个 体 或 群体 对 各 种 物质 的 分 解 和 合成 途径 ， 以 及 各 种 内 外 因子 对 代谢 过 程 的 调 节 和 影响 。 因 此 用 正常 的 整体 细胞 作为 研究 试验 材料 ， 无 疑 是 比 ” 较 符 合 实 际 的 。 但 它 又 有 许多 局 限 性 ， 因 此 更 多 的 是 将 完整 的 微 生物 细胞 打 态 ， 进 而 将 它 的 各 种 细胞 器 ( 亚 细 胞 组 分 )， 甚 至 单独 一 种 酶 分 离开 来 作为 试验 材料 ， 然 后 将 各 种 系列 反应 或 个 别 反应 的 结果 综合 成 代谢 途径 。 (一 ) 整体 细胞 整体 细胞 水 平 进行 代谢 试验 ， 通 常 采用 静 息 细 胞 。 所 谓 静 息 细胞 是 将 培养 到 一 定 阶 段 的 菌 体 (一 般 采 用 迅速 生长 的 细胞 ) 以 组 冲 液 或 生理 盐 类 混合 液 等 洗涤 菌 体 ， 有 时 还 继续 在 生理 盐水 中 培 养 一 段 时 间 ， 使 细胞 内 代谢 物 被 消耗 措 ， 静 息 细 胞 的 制备 比较 方 (i, -而 且 容易 标准 化 ， 主 要 问题 是 应 当 设法 消除 菌 体 分 裂 周期 的 差异 ， 利 用 同步 培养 法 可 以 使 分 裂 周期 、 生 理 状 态 基本 一 致 。 静 息 细胞 仍 含有 各 种 酶 系统 ， 故 在 适当 培养 下 仍 可 继续 生 长 ， 进 行 正常 的 代谢 作用 ， 在 限制 生长 条 件 下 ， 可 以 对 有 限 底 物 进行 分 解 和 合成 许多 物质 ， 因 此 可 以 比较 精确 研究 一 些 物质 的 代 谢 和 某 些 生长 因子 的 需要 以 及 部 分 酶 的 活性 。 完 整 细胞 的 主要 优 点 在 于 细胞 保持 了 正常 状态 。 但 是 在 完整 细胞 内 物质 的 中 间 代 谢 过 程 错综复杂 。 因 此 单 用 完整 细胞 的 试验 结果 就 不 能 正确 判明 某 163 Riba Fe a ee eS Oey ee eT ne ee sy i 7 4 ~ : hi he - ; 了 2 一 物质 的 代谢 变化 途径 和 中 间 产 物 ， 更 不 能 知道 它 在 何 种 细胞 器 中 进行 ， 以 及 催化 其 各 步 反 应 的 酶 和 调节 因子 。 此 外 ， 由 于 细胞 质 膜 通 透 障壁 存在 ， 许 多 物质 不 能 渗入 细胞 ， 因 此 完整 细胞 材料 的 应 用 就 有 一 定 的 限制 。 (=) 无 细胞 制剂 | 将 完整 细胞 用 适当 方法 如 研磨 ,超声 波 、 溶 菌 酶 处 理 、 反 复 冰 冻 等 予以 破碎 ， 即 为 无 细胞 制剂 (或 称 细胞 匀 浆 )。 其 主要 特点 是 除去 了 细胞 膜 障壁 ， 而 仍然 保持 细胞 内 的 酶 活性 ， 从 而 使 许多 原 来 不 能 渗入 细胞 的 物质 可 以 参加 代谢 作用 。 此 外 可 将 细胞 匀 浆 通 过 透析 除去 许多 小 分 子 物 质 和 辅酶 ， 因 此 可 以 进行 更 多 物质 的 代 谢 研究 。 其 合 点 是 ， 细 胞 整体 受到 破坏 ， 而 体系 仍然 复杂 。 (=) 亚 细 胞 组 分 制剂 无 细胞 制剂 通过 超 离心 技术 可 将 各 种 细胞 器 以 及 细胞 原生 质 可 溶 组 分 分 开 ， 制 备 成 各 种 亚 细 胞 组 分 制剂 ， 这 也 是 代谢 研究 的 一 类 重要 材料 。 这 就 可 能 对 细胞 各 个 组 分 分 别 进行 试验 研究 ， 从 而 了 解 与 物质 的 中 间 代谢 反应 有 关 的 酶 系 在 细胞 内 分 布 和 作用 情 况 ， 推 知 某 些 代谢 反应 究竟 在 细胞 内 的 那 一 部 分 发 生 ， 使 代谢 研 究 深入 到 细胞 器 水 平 。 它 的 主要 缺点 是 亚 细 胞 组 分 离开 了 整体 ，、 不 免 带 进 人 为 的 因素 ， 如 何 使 它 保持 在 正常 状态 ， 是 制备 工作 的 一 个 重要 问题 。 (四 ) 酶 提取 液 和 提 绅 酶 利用 酶 的 提取 与 纯化 手段 ( 见 第 二 章 ) 可 以 制 得 微生物 细胞 的 酶 的 粗 提取 液 和 纯化 酶 。 使 用 酶 的 粗 提取 液 ， 可 以 利用 酶 对 底 物 的 专 一 性 进行 许多 代谢 反应 包括 个 别 反应 和 系列 反应 的 研究 试 验 ， 使 用 纯化 酶 制剂 作为 代谢 试验 材料 ， 则 能 深入 到 个 别 代谢 反 应 的 作用 历程 和 机 理 水 平 ， 并 可 作为 整体 细胞 、 细 胞 匀 浆 、 酶 的 粗 提取 液 等 酶 促 反应 存在 的 依据 。 (五 ) 人 工 重组 体系 < 试验 材料 由 使 用 完整 细胞 到 个 别 纯化 酶 是 代谢 研究 由 细胞 水 164 “ 平 深入 到 分 子 水 平 的 发 展 ， 也 是 由 综合 到 分 析 的 一 种 研究 方式 的 “发 展 。 但 是 个 别 反应 是 否 正确 反映 总 体 反应 的 实际 情况 ， 需 要 进 ”一步 加 以 验证 ， 人 工 重组 体系 便 是 这 种 验证 方法 之 一 。 所 谓 人 工 重组 体系 ， 即 将 某 些 系列 反应 的 酶 或 亚 细 胞 组 分 逐一 分 离 出 来 ， ”然后 再 接 已 有 的 认识 ， 将 它们 重新 组 合 起 来 进行 代谢 研究 ， 使 发 生 于 整体 细胞 、 细 胞 器 或 酶 粗 提取 液 的 复杂 反应 在 试管 内 重演 (所 以 又 名 试管 试验 ) 。 目 前 关于 细胞 的 呼吸 作用 、 核 酸 和 和 蛋白质 的 合成 ， 都 能 通过 这 种 人 工 重组 体系 得 到 重 现 ， 使 代谢 研究 又 由 个 别 到 总 体 ， 由 分 析 到 综合 方面 发 展 ， 使 人 们 对 于 代谢 过 程 的 认 识 提高 到 进一步 的 水 平 。 但 是 不 能 说 人 工 重组 体系 已 经 能 达到 再 造 完 整 细胞 和 细胞 器 的 水 平 ， 而 且 对 目前 人 工 重组 体系 所 实现 的 4 反应 是 否 完全 符合 实际 情况 ， 仍 然 要 采取 慎重 的 态度 ， 只 有 经 过 反复 试验 ， 才 能 得 到 正确 的 结论 。 二 、 代 谢 途 径 的 探讨 微生物 中 间 代 谢 由 许多 连续 的 生物 化 学 反应 组 成 ， 这 些 反 应 大 多 数 在 酶 (包括 辅酶 ) 的 催化 下 进行 ， 通 过 整体 细胞 、 无 细胞 制 剂 或 人 工 重 组 体系 可 以 实现 一 些 底 物 转化 成 另 一 些 产物 ， 但 反应 可 能 经 历数 个 乃至 数 十 个 中 间 步 又 。 根 据 已 有 的 化 学 知识 ， 固 然 可 能 提出 一 些 中 间 步 又 的 设想 ， 而 证 明 这些 步 又 存在 的 可 靠 而 直 接 的 办 法 是 将 这 些 中 间 步 又 的 各 种 中 间 产 物 分 离 分 析出 来 ， 但 是 (a elle eda 还 不 很 稳定 ， 因 此 按照 普通 的 分 离 分 析 方法 难以 发 现 其 踪迹 。 过 烽 卫 大作 二 了 一些 方法 ， 从 而 不 疡 地 分 分 析 汉 一些 让 国人 谢 物 ， 现 举 数 例如 下 。 (一 ) 酶 活性 的 抑制 在 反应 体系 中 加 进 某 种 专 一 的 酶 的 抑制 剂 ， 使 该 酶 催化 的 反 应 不 能 进行 ， 便 可 使 该 步 反 应 之 前 的 中 间 产 物 积累 ， 得 以 分 离 分 析 。 如 在 糖 的 栈 解 途径 中 ， 加 入 磺 乙 酸 可 抑制 9-BERR TL NREL 165 PF A ae pe aE Te Biss ae Lo? ie Bee ot Se eS en “we , Oe ea) 7 中 oP RD T ME, MATT EPR ARS PA OS CUO — 8 A 3 Pe ex 积 累 ， 便 可 以 分 离 分 析 。 (二 ) 同位 素 示 踪 法 以 含有 同位 素 的 代谢 物质 加 入 反应 体系 ， 然 后 跟踪 其 去 向 ， 是 中 间 代 谢 研究 方法 最 常用 最 有 效 的 方法 。 和 芝 用 的 同位 素 如 表 Ao4 5s # 4-1 常用 同位 素 表 同 位 素 | 放 St 性 半 … ¢ HH 1H? Jt — iH net. Br, 12.46 .年 6C18 和 下 cl So ee . 5720 年 左右 7N 5 无 ee ays > 无 bf ra 15P?? a es ee 14.5: 16S35 a- Wie fk Fe - oF e89 Boy AT. K 27Coee Boy (4.95 年 531181 BY 8 天 含有 同位 素 的 物质 ， 例 如 ， 含 有 重 氧 的 脂肪 酸 ， 含 有 重 氮 的 氨基 酸 以 及 含有 放射 性 磷 或 放射 性 碳 的 克 酸 葡 粳 或 核 苷 酸 ， 它 们 的 化 学 性 质 与 生理 功能 和 不 含 同位 素 的 同一 物质 完全 相同 。 这 些 含 同位 素 的 物质 进入 反应 体系 后 ， 它 们 的 中 间 代 谢 程序 也 应 与 不 含 同位 素 的 物质 完全 相同 ， 即 在 代谢 反应 上 可 将 含 同位 素 的 物质 看 作 一 种 正常 的 代谢 物 ， 但 因 它 们 具有 特殊 的 物理 性 质 ， 所 以 用 物理 方法 可 以 追踪 它们 的 反应 历程 ， 并 探 时 它们 所 变 成 的 代谢 产 ， 物 。 (三 ) 抗 代 谢 物 的 应 用 抗 代 谢 物 (Antimetabolite) 是 代谢 物化 学 结构 上 的 类 似 物 , 它 166 (1 ZEAC E PPE A a, TRIE RDS INRA, Ati iy be REED. Bilin, ALR “与 本 二 酸 (琥珀 酸 ) 在 化 学 结构 上 类 似 ， 在 反应 体系 中 加 入 丙 二 酸 能 抑制 斑 珀 酸 的 氧化 (竞争 性 抑制 )， 从 而 使 反应 体系 中 王 珀 酸 积 累 ， 便 于 分 离 分 析 。 (四 ) 营养 缺陷 型 菌株 的 应 用 利用 微生物 诱 变 手段 ， 使 微生物 的 野生 型 发 生变 异 ， 生 成 营 养 缺 陷 型 的 突变 株 。 该 变异 菌株 由 于 一 种 酶 或 数 种 酶 的 缺损 ， 即 丧失 了 合成 某 些 代谢 物 的 能 力 ， 因 此 必须 在 培养 基 中 加 入 这 些 代 谢 物 或 其 代用 物 才 能 生长 。 同 时 由 于 酶 的 缺损 ， 还 可 能 导致 某 些 中 间 产 物 的 积累 。 研 究 许多 营养 缺陷 型 变异 菌株 的 营养 需要 以 及 积累 物 的 化 学 本 质 ， 有 助 于 对 代谢 途径 的 了 解 。 应 用 营养 缺陷 型 变异 菌株 ， 曾 经 对 许多 氨基 酸 合成 途径 的 阐明 起 了 很 大 的 作用 。 例如 ， 通 过 对 芳香 族 氛 基 酸 “多 种 营养 缺陷 型 ”变异 菌株 的 研究 表 明 ， 芝 草酸 可 以 代替 酷 氨 酸 、 苯 丙 气 酸 、 色 氨 酸 、 对 -氨基 葵 甲 酸 等 为 该 变 异 株 的 营养 物 ， 结 合 其 它 方法 和 对 葵 丙 所 酸 、 色 氨 酸 营养 缺陷 型 菌株 的 研究 ， 终 于 弄 清 了 莽 草 酸 的 合成 途径 和 整个 芳 香 族 氨基 酸 的 合成 途径 。 (五 ) 酶 活 测定 根据 对 代谢 途径 已 有 的 认识 ， 对 于 代谢 途径 不 详 的 菌 种 ， 应 用 各 种 试验 材料 进行 酶 活 测定 ， 也 是 了 解 代谢 途径 的 重要 方法 ， 即 在 反应 体系 中 加 入 一 定 的 底 物 测定 代谢 途径 中 的 特征 性 酶 或 特 ” 征 反应 。 例 如 ， 对 BMP 途径 和 HMP 途径 可 以 分 别 测 定 其 特征 性 酶 一 一 醛 缩 酶 和 6- 磷 酸 葡 糖 脱 氢 酶 的 活性 ， 以 判断 该 菌 种 有 无 EMP 途径 或 HMP 途径 。 。 以 上 所 述 是 比较 常用 的 一 些 方法 ， 还 有 不 少 其 它 的 方法 ， 各 种 方法 对 于 试验 材料 和 研究 内 容 的 适用 性 ， 试 验 结果 的 可 靠 性 以 及 对 设备 和 操作 的 要 求 各 有 不 同 ， 一 般 根据 需要 与 可 能 采取 几 种 材料 和 方法 ， 互 相 验证 和 补充 。 See AL, dis 2。 试 述 微生物 新 陈 代谢 的 特点 。 PRE 生物 氧化 第 -- 节 概 说 一 、 生 物 氧化 概念 一 切 生 物 在 生命 活动 过 程 中 必须 经 常 获得 能 量 才能 维持 生 存 。 这 些 能 量 的 来 源 基本 上 都 是 来 自 参加 代谢 的 物质 〈 如 糖 类 、 脂 类 、 蛋 白质 等 ) 在 体内 不 断 地 氧化 。 这 些 有 机 物 在 氧化 过 程 中 ， 可 以 释放 大 量 的 能 量 。 如 每 克 分 子 葡 萄 糖 氧 化 成 二 氧化 碳 和 水 时 释放 出 自由 能 686 千 卡 。 | BWDP A, — DARE TE FA PERCE HBS BB HH HE WAI HE 用 。 生物 氧化 作用 是 生物 体 新 陈 代谢 重要 的 基本 反应 。 与 一 切 在 生理 条 件 下 所 能 发 生 的 其 他 反应 (水 解 、 脱 羧 、 醇 醛 缩合 等 ) 相 比 较 ， 其 所 能 提供 的 能 量 最 多 。 因 此 生物 氧化 是 生物 体 生 命 活 动 最 重要 、 最 基本 的 供 能 方式 。 一 、 生 物 氧化 方式 高 等 动物 通过 肺 进行 呼吸 ， 吸 入 氧气 ， 排 出 二 氧化 碳 。 吸 入 的 氧气 用 以 氧化 振 和 体内 的 营养 物质 ， 获 得 能 量 。 所 以 生物 氧化 也 称呼 吸 作用 。 微 生物 则 以 细胞 直接 进行 呼吸 , 故 又 称 细胞 呼吸 。 吸入 氧气 ， 排 出 二 氧化 矶 ， 是 呼吸 的 现象 ， 它 的 本 质 是 物质 在 生 物 伯 内 的 氧化 作用 。 十 九 世 纪 ， 人 们 发 现 微生物 不 仅 能 在 有 氧 条 件 下 生存 ， 许 多 微生物 在 无 所 条 件 下 也 能 进行 氧化 作用 。 因 此 ， 根据 生物 氧化 (呼吸 作用 ) 是 否 有 分 子 氧 参加 ， 而 将 其 分 为 两 种 方 169 HK: 1. 有 氧 氧化 有 氧 氧化 也 称 为 有 氧 呼吸 ， 许 多 好 气 和 兼 性 厌 气 的 微生物 能 利用 空气 中 的 分 子 氧 来 氧化 底 物 ， 最 终生 成 二 氧化 碳 和 水 ， 这 种 FACE, FRI HERS. 2. 无 氧 氧 化 无 氧 氧化 也 称 为 无 氧 呼 吸 ， 这 是 指 以 非 分 子 氧 〈 堆 它 氧 化 性 物质 ) 氧 化 底 物 的 方式 ， 又 可 分 为 两 种 情况 : (1) 兼 性 厌 气 的 微生物 能 利用 体内 的 有 机 物 来 氧化 底 物 ， 最 终生 成 氧化 不 完全 的 产物 ， 常 称 为 “发 酵 作用 ”。 这 种 方式 氧化 不 彻底 ， 释 放 的 能 量 少 。 (2) 许多 厌 气 微生物 能 以 无 机 物 氧化 底 物 ， 这 种 情况 下 的 氧 化 较为 彻底 ， 但 释放 的 能 量 不 如 有 氧 氧化 方式 多 。 < as 三 、 生 物 氧化 特 所 生物 氧化 与 非 生 物 氧化 的 化 学 本 质 是 相同 的 ， 都 是 脱 氢 、 类 去 电子 或 与 氧 直接 化 合 的 过 程 。 过 程 中 产生 能 量 的 本 质 也 是 相同 的 。 然而 生物 氧化 是 在 活 细 胞 内 进行 的 ， 故 又 具有 如 下 的 特点 : (1) 生物 氧化 是 在 酶 的 催化 下 进行 的 ， 反 应 条 件 温 和 。 (2) 底 物 的 氧化 是 分 阶段 逐步 进行 的 ， 故 能 量 也 是 逐步 释放 的 。 这 样 不 会 因 氧 化 过 程 中 能 量 又 然 释 放 而 损害 机 体 ， 同 时 使 释 放出 的 能 量 得 到 有 效 的 利用 。 (3) 生物 氧化 过 程 所 释放 的 能 量 通 常 都 先 贮存 在 一 些 特 殊 的 高 能 化 合 物 中 ， 主 要 是 腺 苷 三 磷酸 (ATP) 中 。 通 过 这 些 物 质 的 转 移 作用 ， 满 足 机 体 吸 能 反应 的 需要 。 ” 发 酵 工 业 上 "发酵 "的 涵义 是 : 不 论 有 氧 或 无 氧 的 情况 下 ， 微 生物 进行 的 任何 生 物化 学 过 程 都 称 为 发 酿 ， 如 酒精 发 酵 〈 无 氧 )， 谷 氮 酸 发 醇 〈《 有 氧 )。 而 在 生物 化 学 中 “发 酵 " 的 凶 义 则 指 微生物 对 有 机 物 的 无 氧 氧 化 作用 。 170 Be 第 二 节 ， 生物 氧化 体系 和 酶 类 生物 氧化 作用 主要 是 通过 脱 氢 反 应 来 实现 的 ， 一 般 包 括 脱 A, BA, BAHT, RRA, KR LMT HAAS 况 下 不 是 直接 交 给 受 氢 体 ， 而 是 经 过 一 些 递 氢 体 进行 传递 ， 最 终 交 给 受气 体 。 对 于 不 同 的 微生物 来 说 ， 所 含有 的 氧化 还 原 酶 类 不 Al, 因此 它们 的 氧化 方式 不 同 ， 脱 氢 、 Ba. Rate Te 同 ， 于 是 构成 各 种 不 同 的 生物 氧化 体系 。 现 就 生物 氧化 过 程 中 底 物 上 的 氨 如 何 脱 下 ， 以 及 在 有 氧 与 无 氧 的 情况 下 所 的 去 路 问题 ， 分 别 讨 论 如 下 : : (—) 有 和 氧 氧化 体系 a | 以 分 子 氧 为 最 终 受 气体 的 有 氧 氧 化 中 ， 根 据 是 否 有 传递 体 进 人 1. 不 需 传递 体 体系 这 是 最 简单 的 一 种 体系 ， 读 体系 中 没有 递 气 过 程 ， 底 物 上 脱 下 的 气 与 分 子 氧 的 结合 只 需 一 种 酶 参与 催化 。 根据 所 催化 的 酶 的 不 同 ， 又 可 分 为 氧化 酶 类 型 和 需 氧 脱 氢 酶 类 型 。 (1) 氧化 酶 类 型 ”该 类 型 的 反应 模式 如 下 : 攻 5 es 7 2e eS aaa 2Cut O- H; O 4s M | 2Cut ag 50; MH2— ik M 一 一 被 氧化 的 底 物 17] UCN TERA I LA, SRD 2 RAF AY) ANH (Ce), AOR HP ae SF Bilan Gum) aap F, 并 将 电子 传 给 分 子 氧 ， 使 之 活化 成 0-，0 SARFE AMA. 由 氧化 酶 催化 的 反应 不 能 在 无 氧 的 情况 下 进行 ， 没有 任何 其 它 的 受气 体 可 以 代替 氧 。 (2) 需 氧 脱 气 酶 类 型 ”此 类 反应 的 模式 为 ; 2H _?- FADRFMN H0: ey fie AIG AS ee ay ted Tog On i | ae a Ii AAG RET i Lie, (ew, SRR FAD a EMN) 能 将 氨 (H?) 释 放出 的 两 个 电子 传 给 分 子 氧 ， 使 之 活化 成 为 O2=-，O:= 与 气 离 子 结合 生成 过 氧化 气 。 以 此 种 类 型 进行 氧化 的 生 物体 内 往往 具有 过 氧化 氢 酶 ， 可 将 Hz9; 分 解 ， 以 避免 它 对 机 体 的 毒害 。 在 无 氧 的 情况 下 ， 甲 烯 蓝 或 醒 可 代替 氧 作为 受 氨 体 ， 而 使 反 应 进行 。 (3) 不 需 传递 体 体 系 中 两 种 类 型 的 比较 @ 氧化 酶 不 能 从 底 物 上 脱 氨 ， 而 需 氧 脱 氢 酶 能 脱 氨 。 @ 最 终 电 子 受 体 为 氧 时 ， 氧 化 酶 类 型 中 氧化 的 最 终 产 物 是 水 ， 而 需 氧 脱 氢 酶 类 型 中 氧化 的 终 产物 是 过 氧化 氢 。 @ 氧化 酶 类 型 只 能 以 氧 作为 最 终 电 子 受 体 ; 而 需 氧 脱氧 酶 类 型 于 无 氧 的 情况 下 ， 可 以 甲 烯 蓝 或 醋 代 替 氧 作为 最 终 电 子 受 体 。 2. 电子 传递 体系 这 是 生物 体 主要 的 生物 氧化 体系 ， 这 种 体系 的 成 员 和 包括: 以 NAD 为 辅酶 的 不 需 氧 脱 氨 酶 、 以 FAD 或 了 MAN 为 辅 基 的 黄 素 蛋 7 172 。 自 GFP)、 泛 醒 (oQ)、 细 胞 色素 (Gyb)b、ci、c 及 细胞 色素 氧化 栈 (细胞 色素 a+as)。 在 此 体系 中 ， 底 物 脱 下 的 氢 不 是 直接 交 给 氧 ，， 而 是 经 由 一 系列 传递 体 ， 最 终 传 给 氧 。 该 体系 通常 称 为 电子 传递 体系 或 电子 传递 链 ， 也 称 为 呼吸 链 。 具有 线粒体 的 生物 中 ， 典 型 的 电子 传递 链 有 两 种 ， 校 接受 底 链 。 (D NAD 传递 链 整个 传递 链 可 由 图 5-1 表示 。 2Fe* ger 2Fe -图 5-1 NAD 传递 链 图 解 在 这 种 电子 传递 链 中 ， 催 化 底 物 脱 氨 的 是 以 NAD 为 辅酶 的 Ae BAM, NAD (EA MAA, SCAM NADH, 接 #4 NADH, Aa TRASACEP) WH FADRFMN, A FUARAS AMSAT HEATE MA RARE ASSEM. AR 蛋白 的 辅 基 FAD EMN RAK A FADH, & FMNH,, 一 般 情 况 下 ， 下 一 步 的 递 氨 体 是 泛 柄 (UQ), 其 从 还 原 性 的 黄 素 蛋 白 辅 基 FADH, st FMNH, 上 接受 气 ， 成 为 UQH。 传递 到 这 一 步 ， 氢 开始 被 解 离 成 两 个 所 离子 ([H+) 和 两 个 电子 (e) ， 两 个 电子 由 细胞 色素 依次 传递 ， 各 种 细胞 色素 借 铁 中 啉 基 团 上 Fett /Be*** 的 变 换 传递 电子 ， 传 递 顺序 为 ,细胞 色素 b 一 > 细胞 色素 ci 一 > 细胞 色素 “一 > 细胞 色素 氧化 酶 。 最 后 由 细胞 色素 氧化 酶 将 电子 传 给 “ 分 子 氧 ， 使 之 活化 成 为 0 ,此 时 被 泛 配 解 离 的 2 五 与 0 结合 生 成 水 ， 从 而 完成 氧化 过 程 。 (2) FAD 传递 链 ”该 传递 链 中 ， 催 化 脱 受 的 是 以 FAD 为 辅 173 2H NAP é ‘Yow 2Fe® 2Fe* te oF oF Hh AD “(is ee oho mee | UQ he oe * 2F et Soyo: ERMA MSAD, Fy NAD 传递 链 和 FAD 传 递 基 的 不 需 氧 脱 氢 酶 ， 它 也 是 一 种 黄 素 蛋 白 ， 但 与 NAD 传递 链 中 的 黄 素 蛋白 不 同 。 2H 2H 2 NAD(NAD (Ha)—>FP;(Ha)—>UQ (Ha) 一 > SH 3 b> 2 Ht ze 2e 2e 2e | 一 细胞 色素 ci 一 > 细胞 色素 c —> An a HA HL —> 4402—> H20 2 Hr 图 5-2 NAD 传递 链 和 FAD 传递 链 从 图 5-2 可 以 看 出 ，FAD 传递 链 比 NAD 传 递 链 少 了 一 步 递 所 过程， 底 物 上 脱 下 的 氢 直 接 由 不 需 氧 脱 氢 酶 的 辅 基 FS 受 ， 随 后 的 传递 步骤 和 NAD 传递 链 相 同 。 (3) 其 它 传递 链 “无 线粒体 的 细菌 的 电子 传递 链 与 上 述 芮 型 的 传递 链 大 致 相似 ， 不 同 的 菌 类 中 传 递 链 的 传递 体 组 成 有 所 不 同 ， 如 草 分 枝 杆菌 中 没有 泛 柄 ， 而 以 维生素 K(CVk) 代替 泛 醒 的 作用 ， 各 种 菌 含 有 的 细胞 色素 也 有 所 差异 。 另 外 在 一 个 细菌 中 ， 常常 不 只 含有 一 种 细胞 色素 作为 传递 链 末 端的 氧化 酶 。 ， 细菌 可 能 的 几 种 传递 链 如 图 5-3 所 示 。 2H pe Y40,——H: O NAD (Hh) = FP, (He) 2 ua 7 tg m a ; Ze a 或 一 b 2e ci 2e sae | Pi FAD (H,) Vx cs | er Le 图 5-3 细菌 中 可 能 的 几 种 传递 链 (二 ) 无 氧 氧化 体系 ; 这 是 指 在 无 氧 情况 下 ， 以 有 机 物 或 无 机 物 为 最 终 受 氨 体 的 生 物 氧化 体系 ， 分 述 如 下 ; 174 pa ge © DATA Ue FAR LU OP 氧化 体系 ) ”在 此 体系 中 ， 作为 最 终 电子 ( 氢 ) 受 体 的 有 机 物 通常 是 代谢 网 质 中 间 分 解 产 物 。 绝 大 多 数 情 况 下 ， 底 物 上 脱 下 的 气 交 给 了 “NAD(P), 使 之 还 原 成 为 NAD(P)H> 再 由 NAD(P)Hs 将 氨 转 交 ”给 另 一 有 机 物 。 如 酵母 利用 葡萄 糖 进行 酒精 发 酵 过 程 中 ， (2) «8-H 2H NAD | 乙 本 3- 二 确 酸 上演 本 NADH “4p ZR 3- BRM HAE 3-H aa, 氧化 成 为 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 ， 脱 下 的 气 交 给 3-H HE I Ss NAD, 使 其 还 原 成 NADHz。 而 乙 醋 则 作为 最 终 氨 (电子 ) 受 体 ， 在 乙醇 脱 氨 酶 (辅酶 也 为 NAD) 的 催化 下 , 通过 NADH, 把 2 互 转移 给 乙 醛 生成 乙醇 。 | 2. 以 无 机 氧化 物 为 电子 ( 氨 ) 受 体 的 无 氧 氧 化 体系 RAR NO, ,NO,~,SO,*,S,037,CO, 等 无 机 氧化 MH 最 终 电子 ( 气 ) 受 体 。 氢 (电子 ) 的 传递 过 程 不 仅 有 NAD, 还 有 细胞 色素 参与 。 根 据 最 终 电子 ( 氢 ) 受 体 的 不 同 ， 传 递 体 的 组 成 也 有 所 AR teal, Arn be ae AG ML, Ej ( Desul fourbrio desul furicans) 的 无 氧 氧化 体系 大 致 为 : CH:CH;OH CH;COOH NADR; 175 一 、 生 物 氧化 酶 类 在 生物 体内 ， 氧 化 作用 都 是 由 酶 催化 的 ， 下 面 讨论 几 种 有 关 的 氧化 酶 类 及 传递 体 。 (一 ) 氧化 酶 类 氧化 酶 是 一 类 含 钢 或 铁 的 色 蛋 白 。 握 化物 和 硫化 所 对 氧化 本 有 抑制 作用 。 这 类 酶 不 多 ， 按 其 所 含 的 金属 离子 的 不 同 ， 可 分 为 ， (1) 含 铀 氧化 酶 ”如 酚 氧 化 酶 、 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 、 潜 酶 、 栈 RANGE. (2) 含 铁 氧化 本 如 细 胞 色素 氧化 本 (也 含有 网 高 子 )。 (=) 脱 氢 酶 类 、 催化 脱 氢 的 酶 类 ， 根 据 其 是 否 直接 将 脱 下 的 氢 交 给 分 子 氧 ， Sy Ay BN A FAN A BLL 7 ee 3 Es 此 类 酶 种 类 较 多 ， 皆 以 黄 素 ATA W FAD 和 了 MIN 作为 辆 酶 ， 呈 现 黄色 ， 故 称 为 黄 素 蛋 白 ， 也 称 为 黄 酶 几 种 重要 的 需 氧 脱 气 酶 见 表 5-1。 表 5-1 某 些 重 要 的 需 氧 脱 氢 酶 Fig 名 * | 辅酶 或 辅 基 ": (oe D-RERA ILM FAD D-AJER— MM + NH3 工 -氨基 酸 氧 化 酶 FMN 工 -氨基 酸 一 > 酮 酸 二 NHs 甘氨酸 氧化 酶 FAD 甘氨酸 一 > 乙 醛 酸 +N Hs REAL FAD Fe .Mo 醛 一 > 酸 HOS A | FAD,Fe,Mo Ue HES —> FES —> RAB 乙醇 酸 氧化 酶 FMN CeeR— LER ‘ii 2) PE A FAD D-%i Hib} D-H HEM Ke ACR FAD k—> RE + NHs ” 第 一 纵 行 所 列 各 酶 名 称 均 系 俗 名 ， 实 际 上 是 需 氧 脱 氢 酶 。 176 «2, 不 需 氧 脱 氢 酶 不 需 氧 脱 氢 酶 可 按 其 辅酶 的 不 同 ， 分 为 两 类 。 (1) DL NAD, NADP 为 辅酶 的 不 需 氧 脱 氨 酶 类 ”此 类 酶 很 多 ， 已 发 现 150 种 以 上 ， 表 5-2 列 出 其 中 几 种 。 虽 然 它 们 的 辅酶 仅 是 NAD 和 NADP 两 种 ， 但 每 一 种 辅酶 可 与 各 种 不 同 的 酶 蛋 ” 自 配 合 ， 形 成 各 种 不 同 的 脱 气 酶 。 酶 蛋白 与 辅酶 结合 松弛 。 此 类 酶 主要 催化 -CHOEL EMMA, BiH NAD 或 NADP 所 接受 。 1 某 些 不 需 氧 脱 氢 栈 酶 - 名 辅酶 或 辅 基 eas | ae ele 了 -“- 磷 酸 甘 油 脱 氢 酶 NAD WER Hh — BB AA FLA IL AR -NAD(NADP) 乳酸 = 一 丙酮 酸 ERMA NAD(NADP) | — ¥RRM—HBMLB B-F2T PRE AA NAD B-#8T BCC 醇 脱 氨 酶 NAD 醇 一 ~ 了 醚 葡萄 糖 脱 气 酶 NADP 葡萄 糖 = 葡萄 糖 酸 L-FAR ANE NAD(NADP) BANG = o- fd yk = + NH 3— BAB Heh ME Ibe BB NAD + 4b Hk BERG Hs — 1, 3- RAG HHH PRE IDE Bg NAD e— mw B- FS BE AG _ NAD B-FSIGRLCOA = 一 6- 酮 脂 酰 CoA 6- 磷 酸 葡 糖 脱 氨 酶 NADP 6- 磷 酸 葡 糖 一 6- 磷 酸 葡 糖 内 酯 FFT Ee AS NADP(NAD) 人 | «ARE CoA 脱 氢 酶 FAD 脂 酰 CoA 一 > 烯 脂 酰 CoA HEPA ARS FAD HM— ECMAM lS, ALAR be Se aero be O BOO a Ras | COOH COOH 乳酸 丙酮 酸 177 (2) 以 EAD 为 辅酶 的 不 需 氧 脱 氢 酶 类 ”这 类 酶 不 多 ( 见 表 5-2)， 是 一 类 以 FAD 为 辅 基 的 黄 素 蛋白 ， 酶 蛋白 与 辅 基 结 合 牢 固 ， 主 要 对 有 机 物 的 一 GHs 一 GH: 一 基 团 脱 氢 ， 脱 下 的 所 为 辅 基 FAD 所 接受 。 Glin, PETRA. COOH COOH CH, FAD FADH, CH CH, cH CooH CooH Be SA ERR 三 、 生 物 氧 化 体系 中 的 传递 体 传递 体 分 为 所 传递 体 及 电子 传递 体 两 类 。 (一 ) 氢 传 递 体 氨 传 递 体能 从 底 物 上 接受 氧 原子 (H+ 上 e), 并 把 它 传递 给 另 _ 个 适当 的 受气 体 。 氢 传递 体 可 分 为 以 下 几 种 ， a «(1 ARERR CNBERBA MA HM, A NAD (iMG I #1 NADP CARAS I) PARR, 它们 的 氧化 型 和 还 原型 ELPA ER RS TB UTE HA NAD(P)H,==NAD(P)+2H 还 原型 氧化 型 (2) 蜡 咯 嗪 核 背 酸 类 ”它们 是 黄 素 蛋白 的 辅 基 ， 有 AD 和 FMN 两 种 。 它 们 也 是 以 氧化 型 和 还 原型 之 间 的 相互 转变 起 递 氢 ， 作用 。 FADHs(FEMNHa)<=FAD(FMN) 十 2 五 还 原型 氧化 型 (3) 泛 柄 (UQ) 泛 柄 又 称 为 辅酶 Q， 它 是 小 分 子 化 合 物 ， 氧 传递 到 UQ 后 ， 被 解 离 成 氢 离 子 和 电子 ，UQ 将 电子 传 给 细胞 色 178 ” 素 ， 在 呼吸 链 中 ，UQ 的 分 子 数 往往 比 细胞 色素 多 好 几 倍 。 各 类 递 气体 的 递 氨 机 制 详 见 第 二 尝 。 (二 ) 电子 传递 体 电子 传递 链 中 , 由 细胞 色素 专门 传递 电子 ,它们 都 是 以 铁 中 啉 为 辅 基 的 色 蛋 白 。 按 各 种 细胞 色素 处 于 还 原 态 时 吸收 光 带 的 不 同 ， 将 它们 分 为 a\b\c 三 大 类 。 不 同 的 细胞 色素 ， 蛋 白质 部 分 和 铁 中 啉 的 侧 链 都 不 相同 。 其 传递 电子 的 机 制 是 借 辅 基 铁 叶 啉 上 铁 原 子 价 的 可 逆 变 化 而 进行 的 。 十 e 细胞 色素 (Fe +)< 一 全 细胞 色素 (FEe'+) net ”氧化 型 还 原型 ”细胞 色素 的 基本 结构 详 见 第 二 章 。 第 三 节 ”生物 氧化 过 程 中 能 量 ， ”的 转移 和 利用 生物 氧化 的 功能 是 为 生物 体 的 生命 活动 提供 能 量 ， 生 物体 只 能 利用 化 学 能 和 光 能 (植物 和 某 些 光合 细菌 ) 。 本 王将 讨论 生物 气 化 过 程 中 化 学 能 的 释 放 、 转 移 和 利用 。 一 、 氧 化 还 原 电位 及 自由 能 的 变化 化 学 能 是 化 合 物 的 属性 ， 化 学 能 主要 以 键 能 的 形式 贮存 在 化 合 物 的 原子 间 的 化 学 键 上 ， 原 子 间 的 化 学 键 靠 电子 以 一 定 的 轨道 绕 核 运行 来 维持 。 电 子 占据 的 轨道 不 同 ， 其 具有 的 电子 势能 就 不 同 。 当 电子 自 一 较 高 能 级 的 轨道 转移 到 一 较 低能 级 的 轨道 时 ， 就 有 一 定 的 能 量 杰 放 ， 反 之 ， 则 要 吸收 一 定 的 能 量 。 氧 化 还 原 的 本 质 是 电子 的 迁移 ， 即 电 子 从 一 个 化 合 物 至 另 一 个 化 合 物 ( 从 某 一 能 级 至 另 一 能 级 ) 的 迁移 运动 。 因 此 ， 不 难 理解 ， 生物 氧 化 过 程 ”中 ， 由 于 被 氧化 的 底 物 上 的 电子 势能 发 生 了 跃 降 而 有 能 量 释放 。 ee: (一 ) 氧化 还 原 电位 在 生物 氧化 反应 中 ， 通 过 研究 各 种 化 合 物 对 电子 的 亲和力 ， 可 以 了 解 它们 容易 被 氧化 (作为 电子 供 体 )， 还 是 容易 被 还 原 ( 作 为 电子 受 体 )。 通 常用 氧化 还 原 电 位 相对 地 表 示 各 种 化 合 物 对 电 子 亲 和 力 的 大 小 。 “许多 重要 的 生化 物质 氧化 还 原 体系 的 氧化 还 原 电 位 已 被 测 定 。 表 5-3 列 出 生物 体 中 某 些 重要 氧化 还 原 体系 的 氧化 还 原 电势 五 0。 表 5-3 生物 体 中 某 些 重要 氧化 还 原 体系 的 氧化 ”还 原 电 势 也 (PH7.0,25~30"0) 氧化 还 原 体 系 ( 电 极 式 ) | brite EG CR) | CM + 2H* + 2e=—=CE . —0.58 2H+ +2e—=H, | 一 0.42 cx- 酮 戊 二 i + CO, +2H* +202 BED — 0.38. 乙酰 乙酸 十 2H++2e< 一 CC- 次 丁 酸 一 0.346 NAD+ 二 2H+ 二 2e=INADHA+H+ 、 —0.32 NADPt +2Ht++2e—=NADPH+Ht ~9, re PRAM + 2H+ + 2e——= FL | —0.185 BRCM + 2H* + 2e— ERM —0.166 FAD +2H++2e=—_=FADH, 一 0.06 延 胡 索 酸 +2H+-+ 2e—— HE HMB 一 0.031 2 细胞 色素 bFetrt+ 十 2e< 一 2 细胞 色素 Fet+ +£0.03 : (氧化 型 ) (还 原型 ) 辅酶 Q+ 2H+ 二 2e<= 一 还 原型 辅酶 Q +0.10 2 细胞 色素 CFe+++ + kee SUE et + 0.235 (氧化 型 ) 还 原型 2 也 全 Fort+ 2 名和 人 .0.355 (氧化 型 (还 原型 gore Shs 十 0.816 从 表 中 所 列 的 数据 ， 可 以 预期 任何 两 个 氧化 还 原 体 系 如 果 发 生 反 应 时 ， 其 氧化 还 原 反 应 朝 哪个 方向 进行 。 因 为 氧化 还 原 电 冯 较 高 的 体系 ， 其 氧化 能 力也 较 强 。 反 之 ， 氧 化 还 原 电 势 较 低 的 体 180 Ry HIRE WAR, Ae 5-3 TIAL O, /1,0 系统 A HER 化 所 有 在 它 以 下 的 各 个 体系 ， 反 过 来 说 ， 这 些 体 系 也 都 可 使 502/10 体系 还 原 。 氧化 还 原 体系 对 生 牺 体 之 所 以 重要 ， 不 只 是 因为 生物 体内 许 。 多 重要 反应 都 属于 氧化 还 原 反应 ， 更 重要 的 是 生物 体 的 能 量 来 源 于 体内 所 进行 的 氧化 还 原 反应 。 要 了 解 氧 化 还 原 体系 和 能 量 之 间 的 关系 必须 卉 清 有 关 能 量 的 一 些 基本 概念 。 (二 ) 生物 氧化 中 自由 能 的 变化 对 于 生化 过 程 能 量变 化 的 描述 ， 热 力学 概念 中 最 有 说 明 意义 。 的 是 自由 能 G, 生物 氧化 反应 近似 于 在 恒温 恒 压 状态 下 进行 ， 过 程 中 发 生 的 能 量变 化 可 以 用 自由 能 变化 AG 表 示 。AG 表达 了 不 包括 体积 功 在 内 ， 反 应 所 提供 的 最 大 的 可 利用 的 能 量 。 按 照 惯例 ， 反应 是 自发 进行 的 ，AG 具有 负 值 ， 表 示 过 程 PARR; A 果 反 应 是 被 动 进行 的 ， 则 AG 具有 正 值 ， 表 示 反 应 必须 从 外 界 获 得 能 量 才 能 进行 。AG 的 符号 表达 了 反应 发 生 的 方向 ; im AG 的 数值 则 表达 了 自由 能 变化 的 量 的 大 小 。 ” ;在 实验 的 基础 上 ,总结 出 反应 的 自由 能 变化 与 两 个 体系 的 氧 化 还 原 电位 之 差 有 如 下 关系 ; AG=—nFAE 式 中 “2 一 一 迁移 的 电子 数 五 一 一 法 拉 第 常数 (23063 卡 / 伏 特 ) A 刀 一 一 发 生 反应 的 两 个 氧化 还 原 体系 之 电位 差 利用 这 个 式 子 对 于 任何 一 对 氧化 还 原 反 应 都 可 由 ^ 妃 方便 地 计算 出 AG 例如 ，NAD 传递 链 中 NAD/NADH+H+ 的 氧 化 还 原 标准 电位 为 一 0.32 V,, THiS-On/H.0 的 氧化 还 原 标准 电位 为 十 0.82 V， 则 一 对 电子 自 NADH, 传递 至 氧 原子 的 反应 中 ， 标 准 的 自由 能 变 181 PTR ee re Ot he RO ROL ae 化 可 按 上 式 得 到 ， 反应 中 电位 差 ， AE =0.816—(—0.32)=1.136(4R) 自由 能 变化 : AG = —2 x 23063 x 1.136 = —52:4(F--#) 然而 在 生物 体内 ， 并 不 是 有 电位 差 的 任何 两 体系 间 都 能 发 生 反应 , 如 上 述 NAD+/NADH+H+ #14 0,/H,0 两 体系 之 间 的 电 位 差 很 大 ， 它 们 之 间 直 接 反 应 的 趋势 很 强烈 。 但 是 这 种 直接 反应 通常 不 能 发 生 ， 因 为 生物 体 是 有 高 度 组 织 的 (本 章 最 后 讨论 )， 氧 (电子 ) 通 过 组 织 化 了 的 各 传递 体 按 顺 序 传 递 ， RC NY FRR A Bei 步 进行 。 =, Beet 生物 氧化 过 程 中 所 释放 的 能 量 ， 除 一 部 分 被 同时 发 生 的 吸 能 反应 利用 或 转化 为 热 而 散发 外 ， 还 有 一 部 分 转移 至 高 能 化 合 物 贮 存 起 来 ， 以 供需 要 时 使 用 。 (一 ) 高 能 化 合 物 Set 高 能 化 合 物 是 指 含 转移 势 高 的 基 团 ( 即 很 容易 转移 的 基 团 ,如 高 能 磷酸 基 团 和 带 硫 酯 键 的 ~SGoA 基 团 ) 的 化 合 物 。 连 接 这 种 高 能 基 团 的 键 ， 通 常 称 为 高 能 键 ， 以 符号 ~ 来 表示 。 高 能 键 水 解 ”时 ， 可 释放 出 大 量 的 能 量 。 如 一 般 杰 酸 酯 键 水 解 时 ， 仅 能 释放 出 1~3 千 卡 能 量 ， 而 高 能 磷酸 键 水 解 时 所 释放 的 能 量 可 达 7 一 14 TAR. 生物 体内 的 高 能 化 合 物 有 许多 种 ， 其 中 以 ATP 为 最 重 要 ， 当 ATP 水 解 转变 成 ADP MAT BCHH AAR 8 FR, 喀 啶 类 核 苷 酸 高 能 化 合 物 详 见 第 三 章 。 此 外 ， 微 生物 体内 还 含有 其 它 几 种 高 能 化 合 物 ， 见 表 5-4。 生物 体内 的 各 种 生化 反应 ， 有 放 能 反应 ， 也 有 吸 能 反应 。 放 182 iis ha eiite CPN Mea AS AA SAUCY) 。 = sey < SEE Cah Te a FE ILA HEL A Gat) 5 GOOH OH : “磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 a ne poe Ha 2 ES Bt 一 14.8 CHs CH20-©® | 3 ) 1, 3-H {70 ita . EA EAR BE 一 13:6 ‘C—O ~ P—OH I 3 ees OH CORE ，， CH;C—O ~P—OH Ree ~10.1 3 ; : 7 B - nas da CHsC ~~ SCoA Rm AaB aha ee SO CHCOOH SE FICNG A Re wee S07 CH3:C~ SCoA 能 反应 放出 的 能 量 通常 被 贮存 在 高 能 化 合 物 〈 主 要 是 ATP 及 栈 基辅 酶 A) 中 ， 然后 再 转 给 吸 能 反应 。 当 放 能 反应 释放 出 的 能 量 较 少 ， 不 足以 形成 高 能 键 时 ， 这 一 部 分 能 量 就 只 能 以 热 的 形式 散 发 ， 当 一 个 让 能 反应 放出 的 能 量 形成 高 能 键 有 余 时 ， 剩 余 的 能 量 也 只 能 以 热 的 形式 散发 。 故 生物 体内 能 量 的 利用 率 不 可 能 达到 100%,” . | | _ ATP 和 脂 酰 辅酶 A 在 能 量 转移 中 所 起 的 作用 举例 说 明 如 PP; | ‘ , : eee ee Pa ea “应 ， 不 能 单独 进行 ， 当 由 ATP 供给 能 量 时 ， 反 应 才能 进行 ， 183 4 25) RE + ATP—> 6-BERR HH + ADP 所 生成 的 ADP 可 与 其 它 高 能 磷酸 化 合 物 作用 ， 把 高 能 磷酸 键 转移 过 来 ， 形 成 ATP， 如 ， 1, 3-—BRRA-ATRYRE + ADP—> 9-BURD THN + ATE 整个 反应 过 程 可 表示 如 下 ， 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 Be: 6- 碍 酸 葡 糖 . WE 例 . 2 ” 脂 酰 辅酶 A 是 具有 硫 酯 键 的 高 能 化 合 物 ， 它 的 高 能 键 可 以 直接 供 合成 某 些 化 合 物 之 用 ， 如 乙酰 辅酶 A 可 用 来 合成 柠 楼 发， CH,COOH COCOOH CH,CO~SCGoA+ | —» HO—C—COOH+CoA—SH CH,COOH 3 乙酰 辅酶 人 parr CH:COOH 辅酶 Fre : A>, CREAR A PORE Sth Ay ALAA me ATP: : AMP-+-ppi +CH,CO~SCoA-—__— AT P+ CH, COOH + CoA—SH 一 乙酰 CoA & pk Rie 可 见 在 生物 体内 ，ATP 与 能 量 转移 的 关系 最 为 密切 ， 因此 ATP 的 生成 和 利用 成 了 生物 体能 量 代谢 的 中 心 问题 。 (=) ATP 的 生成 在 生物 体内 ，ATP 主要 由 ADP 的 磷酸 化 所 生成 ， 十 能 量 nfs ADP + Pi 少数 情况 下 ， 可 由 AMEP 的 焦 磷 酸化 而 生成 ， AMP 4 PPi- 土 能 量 ,ATP 184 ATP 的 生成 需要 能 量 ， 这 些 能 量 来 自 光 能 及 化 学 能 。 由 光 能 生成 ATP 的 过 程 称 为 光合 磷酸 化 ， 以 化 学 能 生成 ATP 的 过 程 称 为 氧化 磷酸 化 。 光 合 磷酸 化 作用 限于 绿色 植物 及 光合 细菌 ， 而 - 氧化 磁 酸 化 作用 是 生物 界 所 共有 的 ， 这 里 仅 讨 论 氧 化 磷酸 化 作 AA. ; 时 过 程 放 出 的 能 量 的 一 部 分 转移 到 ATP 高 能 键 上 。 根 据 生 物 氧化 ， 方式 ， 可 将 氧化 矶 酸化 分 为 底 物 水 平 磷酸 化 及 电子 传递 磋 酸 化 。 1. 底 物 水 平 磷酸 化 底 物 水 平 磷酸 化 是 指 底 物 在 氧化 过 程 中 因 分 子 内 部 能 量 重新 Sy AB IE T ARE DRM ICA, GX PETE DR ARIE A tt ER 基 团 及 高 能 键 可 转移 到 ADP 上 生成 ATP。 底 物 水 平 磷酸 化 又 可 分 为 两 种 情况 : (1) 由 于 底 物 脱 气 而 形成 高 能 键 AP, 3 BRR Hn 醛 的 脱 气 ,， 引 起 分 子 内 能 量 重新 分 布 而 形成 高 能 键 ， 然 后 转移 给 ADP 形成 ATP, - | | 1708 C—-fT a COOH | | NAD NADH, 0 5 eg aa ae CHOH + HPO, OSS Ml CHOH : ee 0-® | CHO-O) 3- 磷 酸 甘 油 醚 3- 寺 确 酸 甘油 酸 3- 了 磷酸 甘油 酸 (2) 由 于 底 物 脱水 而 形成 高 能 键 ” 如 糖 代谢 中 2- 磁 酸 匡 油 ， 酸 的 脱水 反应 导致 分 子 内 部 能 量 重新 分 布 而 形成 高 能 键 ， 然 后 转 移 给 ADP Hype ATP, 了 COOH ADP ATP COOH -HO0 H~C—O—(P) 2+ ge C_O~ C 一 OH Reem (OT! : -CH,0H Ch, CH, 185 COREE ABN URONIC TEI, Het e vi et ete Ee aes 和 EN as Pee eS eee Re se WOR es NTR EE SS ASTER, “EACLE SUE A 氧化 取得 能 量 的 唯一 方式 。 2. 电子 传递 磷酸 化 这 是 生成 ATP 的 一 种 主要 方式 ， 往 往 就 简称 为 氧化 磷酸 化 。 ”在 传递 链 中 ， 底 物 上 脱 下 的 氢 进 入 电子 传递 体系 ， 最 终 传 给 了 氧 。 人 们 发 现 这 个 过 程 正 常 进 行 时 ， 只 要 有 ADP 和 亚 存 在 ， 就 有 ATP 生 成 ， 也 就 是 说 电子 传递 过 程 和 磷酸 化 作用 是 相 偶 联 的 。 过 程 中 氧 的 消耗 和 ATP 生成 的 个 数 之 间 有 着 一 定 的 关系 。 这 种 关系 用 P/O 比值 来 表示 ，PVO 比值 的 高 低 表 明了 每 消耗 一 个 原子 的 氧 所 能 生成 的 ATP 分 子 个 数 的 多 少 。P/O 比 值 可 用 华 勃 呼 吸 仪 测定 氧 的 消耗 ， 同 时 测 无 机 磷酸 的 消耗 量 或 ATP 的 增 加 量 来 推算 。 通过 实验 测定 底 物 上 的 也; 经 NAD 传递 链 进入 电 子 传递 体 系 直 至 被 氧化 成 水 ， 其 P/0 比值 为 3， 这 表示 了 这 个 过 程 中 每 消 . 耗 一 个 氧 原子 有 三 分 子 ATP 生成 。 在 FAD 呼吸 链 中 ， 测 得 P/ O 比值 是 2。 另 外 ， 大 为 地 以 细胞 色素 G 作为 初始 电子 供 体 时 ， ， 测 得 P/9 比 值 为 1。 实验 表明 ，NAD 传递 链 中 ，3 分 子 ATP 不 是 集中 在 某 一 传 递 步骤 中 产生 ， 而 是 可 能 分 别 产生 于 下 列 的 部 位 ， 至 于 每 一 步 AITP 生成 的 机 理 ， 目 前 尚未 能 确定 。 CANAD 传递 链 中 ， 电 子 和 目 NADH, 传递 至 1/2 0>, 可 以 释 icf 52.5 RAAB, ita Zea RRP Th 3 分 子 ADP 和 下 生成 3 分 子 ATP 时 ， 被 贮存 的 能 量 为 3x 8=24 千 卡 ， 能 量 利用 率 为 4295%0 左 右 。 ”如 果 不 需 传递 体 体 系 ， 其 氧化 过 程 虽 也 能 杰 放 能 量 ， 但 因 未 与 磷酸 化 作用 相 偶 联 ， 能 量 只 能 以 热 的 形式 散发 。 (三 ) 电子 传递 磷酸 化 的 解 偶 联 作用 Ae AIRE, TEMP, Aree 链 传递 时 总 伴随 有 ATP 的 生成 。 但 有 些 化 合 物 则 能 破坏 这 种 偶 186 a 图 5-4 NAD 传 递 链 中 ATP 生 成 的 可 能 位 置 。 联 关系 ， 此 类 化 合 物 并 不 影响 电子 的 传递 ， 却 抑制 了 ATP 的 生 ， 氨 替 素 等 ， 称 为 解 偶 联 剂 。 大 部 分 解 偶 联 剂 都 是 脂 溶性 弱酸 ， 它 本 Sv 2 关于 解 偶 联 剂 的 作用 机 制 目前 尚未 研究 透彻 ， 不 过 它们 的 特 ” 殊 作用 使 得 它 它们 可 以 成 为 探讨 氧化 磷酸 化 机 理 的 一 种 有 用 的 工 a. - SBR SILER IEINER BE TIA A SU A FB FH ie de ee 然而 电子 传递 磷酸 化 作用 则 。 不 同 ， 在 地 所 志 电子 过 程 中 许多 还 原 态 的 小 分 子 要 全 次 序 反应 187 PSE ee % — He pat qd c er 5 E 好 a her 5 ope ao \y a atid : : M—Ha2 : 2H 和 NAD(He2) 2H | 一 一 ATP ' FMN(CHe) 或 EAD(H2)- es 2H| UQ(H2) ba case | 2e ied is 细胞 色素 b 二 ATP | 细胞 色素 ci ie eee | 细胞 色素 c ee i SABA he i 2e| — ATP Pee O- rh ae ee > wt o* esate tye Vr ore! ae 二 总 AI ”人 和 们 的 作用 与 呼吸 抑制 剂 不 同 ， 呼 吸 抑制 剂 能 破坏 电子 的 传递 , 得 Rt. KA WANE (DPN), RBH. MHA. A oe. i 这 就 要 求 排除 其 它 氧 化 环境 的 影响 。. 2 二 十 世纪 以 后 ， 人 们 观察 到 具有 线粒体 的 真 粒 细胞 中 ， 电 子 传递 悉 酸化 作用 是 在 线粒体 内 膜 上 进行 的 。 线 粒 体 的 结构 特点 为 其 提供 了 免 受 干扰 的 场所 ( 见 图 5-5)。 线 粒 体 的 外 膜 和 内 膜 都 是 由 类 脂 和 蛋白 质 组 成 的 ， 它 们 对 离子 和 电子 的 自由 通过 起 了 一 定 .的 障碍 作用 ， 使 得 膜 的 两 侧 即 使 存在 很 大 的 电位 差 时 ， 氧 化 还 原 反应 也 不 能 随便 发 生 ， 这 样 在 内 膜 上 进行 的 氧化 磷酸 化 作用 就 不 受 外 界 氧化 环境 的 影响 。 ras 图 5-5 “线粒体 模式 图 1 一 外 膜 ”2 一 内 膜 ”3 一 蜡 ”4 一 基质 “5 一 内 外 膜 间 阶 6 一 内 膜 上 的 甘 粒 现在 已 知 各 种 细胞 色素 都 是 非 水 溶性 的 ， 它 们 能 够 结合 在 内 膜 上 类 脂 的 疏水 环境 中 起 传递 电子 作用 。 现 代 研 究 还 发 现 ， 电 子 传递 体系 中 的 各 传递 体 是 按 一 定 的 顺序 排列 在 内 膜 上 ， 整 个 递 气 、 北 电子 过 程 犹 如 工厂 的 流水 作业 线 一 样 按 顺 序 进 行 。 在 这 个 “RED, Fe HOLA Hs Dk SM HE A AC ET. BUR UESE 发 现 细菌 有 二 种 复杂 的 细胞 器 ， 称 为 间 体 (mesosorne), 间 体 是 由 细胞 质 膜 内 凹 而 成 的 膜 系 绕 。 虽 然 这 些 膜 系统 的 功能 大 多 未 能 肯 定 ， 但 一 般 认 为 间 体 上 含有 细菌 的 琥珀 酸 脱 气 酶 及 与 电子 传递 有 关 的 酶 类 和 传递 体 。 因 而 认为 间 体 具有 类 似 线粒体 的 功能 。 188 ae 生物 氧化 作用 对 于 生物 体 有 何 意义 ? “2. 何谓 "发 酵 作 用 ”， 试 举例 说 明 。 一 Seg 3 甚 核 细胞 与 原核 细胞 的 电子 传递 体系 有 何不 同 ? 4 ATP 与 能 量 代谢 的 关系 如 何 7 第 -- 节 概 说 糖 类 是 生物 体 的 基本 营养 物质 和 重要 组 成 成 分 。 糖 类 的 代谢 ， 即 糖 类 物质 在 生物 体内 所 起 的 一 切 生 物化 学 变化 ， 包 括 分 解 和 合 成 两 个 方面 。 不 同 生物 的 代谢 各 有 其 特殊 性 ， 但 它 它们 的 基本 过 各 则 相 类 似 。 久 的 分 解 代谢 是 指 精 类 物质 分 解 成 小 分 子 物质 的 过 程 。 糖 在 生物 体内 经 过 一 系列 的 分 解 反应 后 ， 便 释放 出 大 量 能 量 ， 可 供 生 命 活动 之 用 。 同 时 ， 糖 分 解 过 程 中 形成 的 某 些 中 间 产 物 ， 又 可 作 为 合成 脂 类 、 蛋 白质 、 核 酸 等 生物 大 分 子 物质 的 原料 (作为 矶 架 )。 例如 葡萄 糖分 解 代谢 的 中 间 产 物 丙 酮 酸 可 以 转化 成 丙 氛 酸 ， 作 为 合成 蛋白 质 的 原料 ;丙酮 酸 又 可 转化 为 乙酸 (以 乙酰 辅酶 A 形 式 )， 从 乙酸 可 以 合成 高 级 脂肪 酸 ， 它 是 合成 脂肪 的 原料 。 由 此 可 见 ， 糖 类 物质 是 大 多 数 微 生物 、 动 物 及 人 类 在 生命 活动 过 程 中 的 主要 能 源 和 矶 源 。 a RE AD) RAC AY SY FED A GE, FETE AE Ky BAMA SES, DEI REBORN BED, IEPA aR 产物 。 在 有 氧 条 件 下 ， 则 可 完全 氧化 ， 最 终生 成 二 氧化 碳 和 水 ， “并 释放 出 大 量 能 量 。 。 糖 的 合成 代谢 是 指 生物 体 将 基 些 小 分 子 非 糖 牺 质 转化 为 粳 或 将 单 糖 合成 低 聚 糖 及 多 糖 的 过 程 。 这 是 需要 供给 能 量 的 过 程 。 例 如 某 些 光 能 自 养 型 微生物 和 绿色 植物 能 以 二 氧化 矶 作为 厂 源 ， 日 光 作 为 能 源 合成 糖 类 ;大 多 数 微生物 能 以 单 糖 合成 包括 细胞 璧 多 “ 糖 在 内 的 各 种 多 糖 。 190 。 。 糖 的 分 解 代谢 和 合成 代谢 并 不 孤立 地 进行 ， 而 是 互 有 联系 或 是 可 逆 地 变化 的 。 同 时 ， 在 糖 类 代谢 过 程 中 需要 酶 (包括 辅酶 ) 及 — MBE. : | RATES HEL, UES FNS Aa HR Ae Dy Ps RE CL Be PRI 的 排泄 。 就 微生物 而 言 ， 这 些 过 程 是 通过 细胞 膜 来 完成 的 。 只 是 时。 一 般 不 列 入 中 间 代谢 范畴 内 讨论 。 本 章 着 重 讨论 微生物 体内 的 糖 类 的 分 解 代谢 " | | 糖 类 物质 是 目前 发 酵 工 业 中 最 常用 的 原料 ， 其 中 尤 以 淀粉 质 CRAB SE, WBE. Ak. AB. AB, KR, 糖蜜 以 及 各 种 水 果 等 。 在 糖 的 分 解 代谢 产物 中 ， 有 些 直 接 就 是 发 ， 酵 产 品 ， 如 酒精 、 乳 酸 、 甘 油 、 柠 榜 酸 等 。 有 些 中 间 产 物 经 过 转 化 则 能 生成 氨基 酸 、 核 昔 酸 、 酶 、 抗 菌 素 等 产品 。 例 如 糖 代谢 的 HP yo MRO, 经 过 还 原 氨基 化 作 用 MERA. 因此 ， 掌 握 糖 代谢 的 规律 ， 从 而 根据 微生物 的 营养 要 求 和 代谢 特 点 ， 找 出 发 酵 的 最 适宜 条 件 ， 使 微生物 的 代谢 活动 能 按照 人 们 要 。 求 的 方向 进行 ， 这 对 于 提高 发 酵 产 率 ， 发 展 新 产品 具有 重要 的 指 | Sex. 3 Ra BUENA 多 糖 是 由 很 多 单 糖 组 成 的 复合 糖 类 ， 如 淀粉 、 纤 维 素 、 菊 糖 、 琼脂 、 羊 纤维 素 、 果 胶 质 等 ， 大 量 存 在 于 植物 体内 。 微 生物 细胞 中 的 多 糖 可 分 为 两 类 :, 一 类 为 细胞 的 贮藏 物质 ， 在 细胞 内 呈 不 溶 性 可 粒 。 如 酵母 菌 及 一 些 细菌 和 霍 菌 的 细胞 中 含有 糖 原 的 颗粒 。 上 另 一 类 参与 细胞 结构 ， 如 组 成 细菌 的 英 膜 和 各 种 微生物 的 细胞 辟 * 等 ( 表 6-1). 多 糖 的 分 子 结构 都 很 复杂 ， 从 化 学 组 成 分 析 ， 多 糖 是 由 大 量 单 糖分 子 脱 水 缩合 而 成 ， 分 子 很 大 ， 所 以 不 能 透 过 细胞 膜 。 多 糖 作为 微生物 营养 时 ， 必 须 在 微生物 细胞 外 被 相应 的 酶 水 解 为 单 糖 191 & —— # 6-1 211 Se HE Yo NSE RIL “ 多 糖 名 称 | 水 解 产 物 | 微 生 YD Be FR Hh 85 BE NANAK AY BER a, WDE BE a 19 De MA 多 聚 果糖 枯草 芽孢 杆菌 等 的 粘液 层 、 链 球菌 的 匡 膜 多 聚 半 乳糖 - 青 霉 菌 某 些 种 的 细胞 壁 新 隐 球 酵母 菌 BRIBE AFA EM SN 一 纤维 素 胶 粘 栈 酸 菌 的 粘液 层 、 水 生 真 茵 的 细 跑 壁 几 丁 质 (甲壳 质 )| 氨基 葡 糖 大 多 数 真 菌 的 细胞 壁 或 双 糖 ， 才 能 被 吸收 和 利用 。 一 、 省 粉 和 证 粉 酶 淀粉 是 最 重要 的 多 糖 . 植 物 的 种 子 ( 稻 , 麦 、 玉 米 , 小 米 等 ) 和 果 实 (栗子 、 银 杏 等 ) 以 及 块根 、 块 葵 ( 山 芋 、 马 铃 暮 等 ) 中 都 含有 大 量 的 淀粉 。 许 多 野生 植物 的 种 子 、 果 实 和 块根 、 块 蔡 中 也 都 含有 较 多 的 淀粉 。 淀 粉 是 粮食 的 主要 成 分 ,也 是 发 酵 工业 的 重要 原料 。 (一 ) 淀粉 分 子 的 结构 淀粉 在 植物 体 中 往往 以 颗粒 状态 存在 ， 这 种 颗粒 称 为 淀粉 粒 。 淀 粉 颗 粒 由 大 量 的 淀粉 分 子 所 组 成 。. 淀粉 颗粒 中 的 淀粉 分 子 ， 根 据 其 化 学 结构 的 特点 可 以 分 为 直 PETER PI HE AE, HR AK wea FAK, 以 c-D-=1,4- 葡 糖苷 键 (简称 -1,4 结合 ) 组 成 不 分 支 的 链 状 结构 。 支 链 淀粉 也 由 大 量 葡 萄 糖分 子 脱水 缩合 组 成 ， 它 的 结构 中 除 <- 1,4 结合 外 ， 还 有 “-1,6 结合 构成 的 分 支 ， 形成 具有 分 支 的 链 状 结构 。 ong eee a pie Wey tail OL GK Le KE Lo Kr Yeo IK, 人- ORE 直 链 淀粉 中 的 x-1,4 结 合 192 a be cao 区 KS BAKE = KO oC Poe? ot sae Lo KO gl HOH 支 链 淀粉 中 的 “1， 4 结合 和 x-1,6 结 合 q ARE PK RIED FIO BALM, IRAE KNB BAS ARE FAN ALA 240~3800 葡萄 糖 单位 | 的 范围 之 间 。 支 链 淀 粉 的 分 子 大 小 及 分 支 程度 也 是 不 同 的 。 一 般 VAR HED ATH, EI 8~9 个 葡萄 糖 单位 就 有 一 个 分 支 ，， 时 平均 每 个 分 支 的 长 度 约 为 20~.30 个 葡萄 糖 单位 ， 一 个 REED — 分 子 中 有 几 十 到 几 百 个 分 支 ， 支 链 淀粉 分 子 大 小 在 1000~37000- 个 葡萄 糖 单位 之 间 = (淀粉 分 子 中 含有 的 葡 萄 糖 单位 的 数量 称 为 时 ”重合 度 ， 用 符号 DP 表示 。 例 如 某 淀粉 分 子 的 DP 为 1000， 表 示 ， 这 种 淀粉 分 子 由 1000 个 葡萄 糖 单位 组 成 。) 直 链 洗 粉 和 支 链 省 粉 虽 由 大 量 葡萄 糖 构成 ， 但 各 交 交 糖 间 位 岂 的 具有 还 原 性 的 醛 基 在 c-1,4 结合 和 -1,6 结合 中 构成 糖苷 键 ， 因此 在 直 链 淀粉 分 子 中 只 剩 有 未 端 一 个 葡萄 糖 单位 上 有 一 未 结合 的 自由 醛 基 ， 称 为 还 原 性 未 端 ， 另 一 未 端 称 为 非 还 原 性 未 端 。 支 时 链 淀粉 分 子 中 虽 有 几 十 个 甚至 几 百 个 分 支 末 端 ， 但 其 中 只 有 一 个 还原 性 未 端 。 (二 ) 淀粉 的 水 解 淀粉 可 用 酸 水 解 ， 水 解 的 最 终 产 物 是 葡萄 糖 。 淀 粉 不 完全 水 ， 旺 解 时 则 生成 糊 精 。 淀 粉 酶 也 可 催化 淀粉 的 水 解 。 糊 精 是 淀粉 不 完全 水 解 的 产物 ， 它 的 结构 与 淀粉 结构 相似 。 \ 193 ‘ ‘ 由 于 糊 精 是 在 淀粉 水 解 过 程 中 产生 的 ， 它 的 分 子 大 小 没有 一 定 ， 可 以 是 比 淀粉 稍 小 一 点 的 分 子 ， 也 可 以 是 只 包含 4~5 个 葡萄 糖 单位 的 小 分 子 。 由 于 淀粉 分 子 很 大 ， 所 以 它 不 能 透 过 微生物 细胞 隙 进入 细 朋 内 。 某 些 能 利用 淀粉 的 微生物 ， 可 以 向 细胞 外 分 泌 演 粉 酶 ， 使 证 ” 粉 水 解 成 葡萄 糖 后 才 被 吸收 入 细胞 内 作 进 一 步 降解 。 而 另 一 些 不 能 分 泌 演 粉 酶 的 微生物 ， 则 必须 用 酸 或 借助 于 其 他 来 源 的 淀粉 本 水 解 淀 粉 成 葡萄 糖 后 ， 才 能 被 其 吸收 利用 。 淀粉 酶 是 催化 水 解 淀粉 分 子 中 糖 背 链 的 一 类 酶 的 总 称 。 尝 粉 酶 对 淀粉 分 子 中 两 种 糖苷 键 的 水 解 反 应 如 下 : x-D-l,4- 葡 糖 背 键 的 水 解 ， eS ee [a ee os So hie ot i Dy, ae | 一 一 -一 x jee * OH CH,OH CH,OH ON H +H2O ; ke. ol 一 一 he A H OH a-D-1 , 6-75 Bee EF Gat 9 7K AP 7 € Pm: =k ag rg aac 由 a i et 玉生 eh a os iin eat Se ne : ¢H,0H. ..* H /| Oe ae: » ee Roe H 1 % N : H OH O * © i : 6 ae O 本 了 ai oN 溪 人 O K OH H See 十 HsO 二 | | H OH J CH,0OH ee = pariah O | OF H > HOH+0 aK OH H Dex oe a | : N | | 各 种 生物 产生 的 淀粉 酶 的 性 质 不 同 ， 它 对 两 种 糖苷 键 的 水 解 rae gee 淀粉 酶 分 类 表 本 名 i se | 3 hyip WEE RIE) | 淀粉 -1,4- 糊 精 酶 HD (BES) x-D-1;，4- 葡 糖 背 键 “| 糊 精 细菌 霍 菌 、 酵母 4) we-1,4-e epee “| CR. AB) | w_D-1,4- 葡 糖苷 键 “上 zee, 细菌 Me Ao ate x-D-1,4- 葡 糖苷 键 葡萄 糖 淀粉 -1,6 - 葡 糖 苷 本 | 与 c-D-1,6- 葡 糖苷 刍 淀粉 -1,6- 糊 精 酶 | ea | x-D-1,6- 葡 糖苷 刍 | 二 “时 195 —— 能 力 及 反应 产物 也 各 不 相同 。 根据 其 作用 特点 大 致 可 分 为 四 类 ( 表 6-2), 1. 淀粉 -1,4- 糊 精 酶 (c- 淀 粉 酶 、 液 化 型 淀粉 酶 ) 此 酶 能 在 淀粉 链 的 内 部 水 解 -D-1,4- 葡 糖苷 键 (图 6-1), 生成 小 分 子 糊 精 及 少量 麦芽 糖 和 葡萄 糖 ， 淀 粉 链 越 长 ， 水 解 的 速 度 越 快 ， 淀 粉 溶液 的 粘度 迅速 下 降 。 当 淀粉 被 水 解 成 为 短 链 糊 精 时 ， 水 解 速度 就 很 慢 ， 要 使 糊 精 进一步 水 解 则 需 很 长 时 间 ， 所 以 ， 此 酶 的 主要 作用 是 使 淀粉 水 解 生成 糊 精 ， 故 称 液化 型 淀粉 酶 或 类 精 化 酶 。 1 Se ，。_。 淀粉 -1,4- 糊 精 酶 一 ”淀粉 -1,6- 糊 精 本 淀粉 -1,4- 才 菠 糖 苷 本 ot) ~1, 6-H IEEE 9 图 6-1 各 种 淀粉 酶 对 直 链 汗 粉 、 支 链 淀粉 的 作用 方式 示意 图 此 酶 虽然 能 水 解 淀粉 链 的 c-D-1,4- 葡 萄 糖苷 键 ， 但 它 不 能 水 解 麦芽 糖 ， 它 的 最 小 作用 底 物 是 麦芽 三 糖 。 196 全 Say vere MON Me ME te ERE yr Solr eon CR 4 a 4 " a po 于 本 此 酶 水 解 淀粉 生成 的 麦芽 糖 及 葡萄 糖 都 是 “- 型 ， 所 以 又 称 ”为 -淀粉 酶 。 nee WEE AN BE 7k fi @-D-1, 6- RAPA, PRUE VE AF 3k BEE BY OW, ASSES MPRA eee 这 2. jeR-1,4-ZFFRER(C-EP MH) TERE Fie, tee RERSFE A PEM IT AA, 7k ARES cx-D-1,4- 葡 糖 昔 键 ， 水 解 时 沿 着 淀粉 链 每 次 水 解 掉 两 个 葡萄 精 单位 (E16-1), ABER, 由 于 它 只 能 从 淀粉 链 的 外 部 IF 。 始 依次 进行 水 解 ， 故 水 解 速度 较 慢 ， 不 能 象 -淀粉 酶 那样 使 演 > 粉 溶液 粘度 迅速 降低 。 此 酶 在 水 解 淀粉 的 “<-D-1,4- 葡 糖苷 键 的 同时 ， 起 了 一 个 转 位 反应 ， 将 “- 型 转变 为 6- 型 ， 即 水 解 产物 为 p- 麦 芽 糖 ， 因 此 又 称 为 -淀粉 酶 。 “此 酶 不 能 水 解 -D -1,6- 葡 糖 背 键 ， LEK WEE Hi BY BI 分 支点 时 ， 就 停止 作用 ， 而 且 也 不 能 绕 过 分 支点 继续 作用 ， 因 此 剩 下 大 分 子 量 的 分 支 糊 精 〈 称 为 8- 界限 糊 精 ) 不 能 被 水 解 。 3. 淀粉 十 针 葡 糖 昔 酶 ( 葡 糖 淀粉 酶 、7- 淀 粉 酶 ) 3 这 类 淀粉 酶 能 水 解 淀粉 的 c-D-1,4- HE AF BE Fl a-D-1,6- ，， 葡 糖 背 键 。 它 作用 于 淀粉 时 从 淀粉 的 非 还 原 性 端 开始 ， 顺 次 水 解 c-D-1,4- 葡 糖苷 键 ， 将 葡萄 糖 一 个 一 个 水 解 下 来 (图 6-1) 。 对 于 支 链 淀 粉 ， 当 水 解 到 分 支点 时 ， 一 般 先 将 wc-D-1,6- 葡 糖苷 键 断 开 ， 然 后 继续 水 解 ， 所 以 能 够 将 支 链 淀粉 全 部 水 解 成 葡萄 糖 。 此 酶 在 水 解 时 ， 也 能 起 转 位 反应 ， 所 以 产物 为 8- 葡萄 糖 。 a 此 了 酶 虽 能 水 解 c-=D-1,6- 葡 糖苷 键 ， 但 不 能 水 解 异 麦芽 糖 ， 上 即 不 能 水 解 单独 存在 的 <-D-1,6- 葡 糖 背 键 ， 但 它 能 水 解 6- 界 限 RINE. ; 4. 淀粉 -1,6- 糊 精 酶 〈 脱 支 酶 ) ， ”这 类 酶 能 水 解 支 链 淀粉 分 子 中 的 c-D-1,6- 葡 糖苷 键 ， 使 支 ， 链 淀粉 变 成 直 链 状 的 糊 精 (图 6-1) ， 所 以 称 为 脱 支 酶 。 各 种 不 同 ] 197 来 源 的 脱 支 酶 ， 如 酵母 中 的 异 淀 粉 酶 、 某 些 植物 中 的 了 - 酶 均 有 脱 支 能 力 ， 但 各 种 脱 支 酶 的 最 小 作用 底 物 稍 有 差异 。 (=) 糖 原 和 糖 原 的 降解 淀粉 是 植物 体 中 作为 营养 物质 贮存 的 多 糖 ， 糖 原 是 在 微生物 及 人 体 和 动物 的 肝脏 中 贮存 的 一 种 多 糖 。 糖 原 的 化 学 结构 与 支 链 淀粉 十 分 相似 ， 但 糖 原 的 分 支 程度 比 支 链 淀粉 高 。 平均 每 隔 3~ 全 5 个 葡萄 糖 单位 就 有 一 个 分 支 ， 每 个 分 支 的 平均 长 度 约 在 8~12 个 葡萄 糖 单位 。 糖 原 的 分 子 大 小 与 支 链 淀 粉 相 近 ， 分 子 量 约 在 几 BALEF. | 2。 糖 原 的 降解 目前 认为 生物 体内 糖 原 的 降解 主要 是 由 糖 原 磷 酸化 酶 和 脱 支 酶 合作 ， 可 以 降解 糖 原 分 子 为 1- 磷 酸 葡 糖 及 少量 葡萄 糖 。 糖 原 磷 酸化 酶 作用 于 糖 原 分 子 的 c-D-1,4- 葡 糖苷 键 ， 从 直 链 部 分 的 非 还 原 性 端 开始 ， 逐 个 进行 磷酸 解 反 应 。 sgh mee a '_o Ee) O Ke Pro Po PLowm ee 糖 原 分 子 的 直 链 部 分 糖 原 磷 酸化 酶 + PO a Caps | CH Cae Lo LO l_o ; + 外 Big ae Cea >o by | 1- 磷 酸 葡 糖 @@ 表 示 一 POs 吾 ?> 基 团 Bi Jk OR PACH AE TE FAP c-D-1,6- 葡 糖苷 键 ， 所 以 不 能 完 ESE BEV YF, BEF AD Fay SC HY BE VA BB > BR A DR TR A Bi Te - 限 糊 精 。 3 198 J . 4 * eT _ ar 2S FL Se RIOR TE RIEL BRE AY FT 2) RLS IG c-D-1,6- 葡 糖苷 键 ， 产 物 为 葡萄 糖 和 另 一 直 链 糊 精 ， 该 糊 精 又 可 为 糖 原 磷酸 化 酶 继续 降解 。 糖 原 克 酸 化 酶 和 脱 支 酶 的 协同 作用 ， 则 可 使 其 完 全 降解 。 所 生成 的 1- 克 酸 葡 糖 及 少量 葡萄 糖 即 进入 葡萄 糖 的 降解 途径 被 进一步 分 解 。 二 、 纤 维 素 和 纤维 素 酶 纤维 素 大 量 存在 于 植物 细胞 壁 中 ， 少 数 水 生 真 菌 细 胞 壁 也 含 有 纤维 素 。 纤 维 素 从 组 成 上 来 说 和 演 粉 一 样 , 都 是 由 葡萄 糖 组 成 ， 但 它 是 由 B-D-1,4- 葡 糖苷 键 组 成 的 多 糖 ， 所 以 在 性 质 上 与 淀粉 - 有 显著 的 区 别 。 天 然 纤 维 素 以 直 链 式 结 构 存 在 ， 链 与 链 之 间 有 一 定 的 晶 状 结 构 和 排列 次 序 较 差 的 无 定形 结构 ;许多 纤维 素 分 子 以 定形 或 无 定形 方式 组 合成 微 原 纤维 ;许多 微 原 纤维 集束 成 微 纤 维 ; Be ee RES CHsOH pene CH2O Fo, . 和 Me RB AN, 7 Ne ye eee NY ON ee 纤维 素 分 子 结构 中 的 8-D-1,4- asa . 纤维 素 分 子 也 是 分 子 很 大 的 多 糖 ， 分 子 量 可 达 数 十 万 ， 甚 至 数 百 万 ， 不 能 为 微生物 细胞 所 直接 吸收 利用 。 天 然 纤 维 素 可 用 无 We ee ee ee 永 解 纤维 素 的 一 类 酶 的 总 称 。 它 至 少 包括 三 种 类 型 ， 即 破坏 天 然 纤维 素 晶 状 结构 的 Cy 酶 ， 水 解 游离 ( 直 链 ) 纤 维 素 分 子 的 Cy 酶 和 水 解 纤维 二 糖 的 6- 葡 糖 背 酶 。 三 类 纤维 素 酶 的 作用 顺序 如 下 ， en te ge 8 vee cape) ep te eS op a — py ao 纤维 素 酶 的 存在 有 两 种 方式 ， 胞 外 酶 ,溶解 游离 于 培养 基 中 ， 霉 函 中 产生 的 纤维 素 酶 属于 这 种 形式 ， 细 胞 表面 酶 ， 结 合 存在 于 细胞 表面 上 ， 如 粘 细 菌 的 纤维 素 酶 存在 于 细胞 壁 内 。 199 Pe ERM III Mein, TESA ATE, HEMERB. 黑 曲霉 、 青 老 、 根 霉 等 ， 在 细菌 中 有 纤维 粘 菌 属 、 生 孢 纤维 粘 菌 属 和 纤维 杆菌 属 。 在 放 线 菌 中 有 黑 红 旋 丝 放 线 菌 、 玫 瑰 色 放 线 菌 、 纤 维 放 线 菌 及 白 玫瑰 放 线 菌 等 。 总 的 说 来 ， 在 已 发 现 的 产生 纤维 素 酶 的 菌株 中 ， 分 解 天 然 纤 维 素 的 能 力 较 弱 ， BNC 酶 的 活力 不 高 。 因 此 在 应 用 方面 受到 一 定 的 限制 。 = KURA FEE RHE FA. PANE. Ze. FLEE. ik 生物 利用 这 些 双 糖 时 ， 首 先 将 其 水 解 或 磷酸 解 ， west Sg 降解 途径 。 ”分 解 双 糖 的 酶 大 多 为 胞 外 酶 ， 也 有 在 细胞 表面 或 细胞 内 的 。 一 、 芒 糖 的 分 解 蔗糖 由 葡萄 糖 和 果糖 构成 ， 广 泛 分 布 于 自然 界 , 如 植物 的 叶 、 蔡 、 种 子 、 有 果实 和 根 内 。 蔗糖 可 被 芒 糖 酶 (又 称 转化 酶 ) 水 解 为 葡萄 糖 和 果糖 。 CH,OH HY Pe Me H OH 。 OH H 一 一 一 一 0 CH,OH O \ 4 OH H » “8 K H OH OH\ | OH OH 和 | |\7 CH,OH / | H OH OH H 200 | 1 & : , yt a ; R 2 4 or 名 vee ‘ 二 sph 人 we ite 人 天 ce ae as st Al eke 9 rene ; ar ae vee ie sng : a 5 a i ane 了 si t 六 人 3 六 * eer é -: 中 的 Ai v ‘ £ fue 上 psig. id tore: + Seager aes <1 a! 成 < ee etre HERDER ICE, UF ee “vara Sa BEAR CH,OH ae | < CH,OH 0 f ye HY Pat | adit 此 ray K | 了 LI” CH,OH ig nae a | H = OH OH H :村 ie 糖 CH,OH = sea CH,OH 0 eee HY Sore dee +HsPO |\ OH ei 95 ee ae ieee OH/ a ie OH 人 (A CH,OH H OH OH H 1 -D- 果 粮 =, SF RAR 麦芽 糖 由 2 APF Fl ts BEY oe ewe 特别 是 麦芽 中 。 麦芽 糖 可 由 麦芽糖 酶 催化 水 解 为 2 FMM. CH,OH CH,OH . Peete HM ep NN er ad » keg bs \, OH HH 7} oI OF H /|. OH Sd 5 | 一 ae is OH | | pated | xe H OH H OH 201 Die ge | ee OE te EN CH,OH serra AF BAS ae 六 十 HesO AN_OH uw /7 OH\| | OH H OH x-D- 葡 萄 糖 FE SE BE HE PR A 2 OE TR HC, FY HE Ze Oi De 反应 ， 生 成 1- 磷 酸 葡 糖 和 葡萄 糖 。 CH,OH - CH.OH H /| Ot 2 YH A Re Pee \ \. OH H /|_o_|\.OH Hig, ga “ \I | OH | H OH H OH zo 粮 9 CH,OH Kem H / ae: H ON x 磷酸 化 酶 LA Bs < CE x PO, OH H H OH é % H- 了 cae ri “é-on Cie, Mgt 8 0 a -H oO Aas . a ee on] ad 6- , M OH oe DiMA ARES, Mg* 0 H-¢ pp oe CH.O- -® 葡萄 精 6- BRA A iE 在 此 反应 中 可 以 看 到 ， 贮 存 于 ATP 分 子 中 的 能 量 用 于 合成 6- 磅 酸 葡 精 ，ATP 分 子 失 去 了 一 个 高 能 克 酸 键 , 而 葡萄 精 取 得 了 一 个 普通 磅 酸 键 ， 所 以 是 一 个 放 能 反应 。 在 一 般 情况 下 此 反应 不 可逆。6- 克 酸 区 糖 酯 酶 在 Mg 参与 下 可 仙 化 其 着 反 应 ， 即 6- 碑 酸 葡 糖 被 水 解 为 葡萄 精 和 无 机 杰 酸 。 此 反应 的 意义 在 于 使 葡萄 糖分 子 活化 。 此 外 ， 葡 萄 糖分 子 能 扩散 透 过 细胞 膜 ， 而 OBERT BENIN HE IL AML, 说明 葡萄 糖 的 磅 酸化 具有 细胞 防止 糖 类 渗 出 的 功能 。 Ee BC SL RR EAE LAY, DA De SEAGULL 204 BR, CED HI MACH HEIL ATH (tk OBR RATE, 进入 EMP BK. BORNE 1,6-OS I, 变 位 机 制 不 是 1 磷酸 AAT ARM RMEEE, WEES 1,6“ SA, SSE ee FA ih DS PA 化 型 的 转变 而 进行 的 。 baer | 也 ee: H— C—OH H—cC0H a GSO ea ibaa hCG H— C————. |. | | ~ CH,OH CH,O—® 1- 磷 酸 葡 糖 1,6- 二 磷酸 葡 糖 NaOH | i G-—On ; Re BOT 0 +i ls rare Wier 2 2 | ee pes is CH,O—® 6- BEM Ha PE sf 反应 式 中 酶 - 磷酸 及 酶 分 别 表 示 兢 酸 痪 生变 位 酶 的 wt 型 ”和 非 磷酸 化 型 。 作为 启动 反应 的 少量 1, 6-— RAHA, ra 1- DRAG HE CER 酸 葡 糖 激酶 催化 和 有 ATP 参与 下 ， 经 磷酸 化 反应 生成 ， 一旦 生 成 少量 即 可 反复 作用 。 205 0 -加 二 H 0-® c | “A sd on ATP ADP H-¢-on Ho-c-H 9 、、 琵琶 葡 粮 激 醇 ，Meg" 4 Ho-¢-H H-C-0OH | a -on | H-C ee 3 cHoH CHO-G) 1- 磷 酸 葡 糖 1,6- 二 磷酸 葡 精 2. 6- 磷 酸 葡 糖 和 6- 磷酸 果糖 的 互 变 6- 磷 酸 葡 糖 在 磷酸 己 糖 异 构 酶 的 催化 下 , 发生 同 分 异 构 变 化 ， 转变 成 6- 磷 酸 果 糖 。 H OH CH,OH H—C—OH ee ancnsam, ro-i-a | Le 0 7 eae H--—C--0OH | mr. H—C— 20— 6- 磷 酸 葡 糖 6- 磷 酸 果糖 酶 作用 的 机 制 可 cleo EE aa EEN SA, 转化 ， 即 ; O H OH CH,OH No Ne | c=O e H—C—OH == 一 ae ~ HO—C—H HO—C—H » | i Ae Bi fas BEA I] Yo rele 206 、 rah? = a 证 * =< ay oe AA be WT ee ree + pe ee ee - Yo 上 re Ae > ON op: r ee Pe. eae 2 " Z é rn © 村 » AS ae 有 "ar" Fo He - 3 . : i : ~ ea SS ‘ Sa rm yt is 2 se al ” < ‘ 3。6- 磷 酸 果 糖 的 磷酸 化 6 BRP A BEER FR A BA FETE 由 ATP 供给 磷酸 基 及 能 量 ， 进 一 步 磷酸 化 为 1,6- 二 磷酸 果糖 。 反 应 需 Mg 激活 。 oa (本 一 1。ATP 全 Ho - 59- -H | 磷酸 果糖 激酶 Mg+ md HO- im Hi H- C- OH 7 1.6- — BR, Mgt S.. H-C-0H 9 o: é Pi HO ara ~ CH,O-® CH,0-® KRM SAB ARYA, ADDR, 1,6-C RR | ANE Me™ AYRES RL, ALA RRA A OBER EAI DL BERR = 值得 指出 的 是 ， 当 ATP 过 量 时 会 对 6- 磷 酸 果糖 的 磷酸 化 作 . 用 产生 抑制 作用 ， 而 ADP、AMP、 Pi 及 1 人 除 抑制 。 第 二 阶段 1,6- 二 磷酸 果糖 (二 磷酸 已 糖 ) 裂 解 成 为 2 FR BA APE 4.、1;6- 二 磷酸 果糖 的 裂解 | 1 分 子 1,6- 二 磷酸 果糖 在 醛 缩 酶 的 催化 下 ， 使 其 第 3 碳 与 第 A 碳 原子 之 间 的 键 断 开 , 分裂 生成 2 分 子 磷 酸 两 糖 。 即 上 端的 三 个 碳 原 子 构 成 移 酸 二 凑 两 酮 ,下 闪 的 三 个 碳 原 子 构 成 3- ato abo CH.O0O—® en HO—C—H 天 CH,O—® - CHO H—C—OH =~ C 一 0 + H-—C—OH es : —OH CH,OH CH,O—® CH,O—® IT,6- 二 磷酸 果糖 磷酸 二 羟 丙 酮 3- 磷 酸 甘 油 醛 207 SRILA AT tf , ORAS — 98 AAT 9 ET eA Bt R16. MAAR RIE ES _ 矶 原子 的 醇 基 与 3-BRRE PRED Lf 38 UF BSE BE 醇 醛 缩合 ， 所 以 催化 此 反应 的 酶 称 为 醇 醛 缩合 酶 或 醛 缩 酶 。 这 是 酵 解 过 程 中 的 一 个 关键 步 又 ， 从 这 一 步 开 始 ， 已 糖分 子 裂解 为 2 个 丙 粳 分 子 ， 葡 萄 糖 的 分 解 反应 实质 上 是 从 这 一 步 开 始 的 。 正 由 于 它 是 从 双 磅 酸 已 糖 开始 降解 的 ， 故 酵 解 作用 又 称 为 双 BRC WHA (ADP 途径 )。 5. BRAM ER BMPS 3-H RE Aah, Pie ABS Ee ZA TN i — ( 占 96.96). ?FEQ © grevimsevme PFO 一 一 -一 一 一 全 C=O Sy ee CH,OH CH,O0O—® 磷酸 二 羟 两 酮 (96%) 3- 磷 酸 甘 油 醛 (4%) 在 醇 解 过 程 中 , 3- 磷酸 甘 油 醋 参加 下 一 步 反 应 ,不 断 被 消耗 ， 所 以 磷酸 二 羟 丙 酮 也 不 断 转 变 为 3- 磅 酸 甘 油 醛 。 第 三 阶段 ，3- 磷 酸 甘油 醛 经 氧化 〈 脱 气 作 用 》 并 磷酸 化 生成 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 ， 然 后 将 其 高 能 磷酸 键 转 移 给 ADP， 以 产生 ATP, FARRES MD TAR RRTAN—*+ iy fe BR Git, Waa PAA, 1X NB BAY Be Le A TE eR 6. 3- 磷 酸 甘 油 醛 的 氧化 这 是 酵 解 过 程 中 的 又 一 个 关键 性 步骤 。 生 物体 通过 这 步 氧 化 反应 而 获得 能 量 。 反 应 包括 醛 基 的 氧化 及 磷酸 解 作用 ， 氧 化 反应 FE DC HD Hie Be FP es HE RR EP 298 if a ae i ZO ‘ c—O0~® b: aa 3— BEM Ht Nhe Dh | H=C—OH +H,PO,+NAD.__——_*>H—C—OH_ + NADH, CH,O0—® ‘CH,O—® 3— BER Ht ht 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 催化 这 步 反 应 的 酶 是 3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 气 酶 ， 此 酶 的 活性 基 团 为 -=SH， 所 以 此 酶 活性 可 被 矶 乙酸 抑制 。NAD 为 该 酶 的 辅酶 。 酶 ”催化 反应 的 机 制 如 下 ; O OH ype } Mok ie W— CS =E--NAD g--C>-O +HS—E—NAD=—= H—C—OH = CH.O—® ; 7 CH.O—® 3- 磷 酸 甘 油 醛 3- 磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 带 硫 半 缩 醛 键 的 中 间 产 物 C~S—E—NADH: mae OH CH.O—® 带 高 能 硫 酯 键 的 中 间 产 物 ee ee 3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 气 酶 相 结合 ， 形 成 一 个 活泼 的 带 有 硫 半 缩 醛 键 的 中 间 产 物 ， 然 后 脱 气 ， 脱 氢 过 程 中 释放 的 能 量 集中 在 第 一 碳 原子 上 ， 形 成 高 能 硫 酯 键 ， 脱 下 的 气 用 来 还 原 NAD 而 形成 NADH?。3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 氢 酶 与 大 多 数 以 NAD ARMM AMA, MRA SIAR NAD 的 结合 比较 牢固 ， & NADH, 一 般 不 与 酶 蛋白 脱离 ， 而 将 其 氨 转 交 给 另 一 个 NAD。 | Oo oe | C~S—E—NADH, C~S ~E—NAD H~c—On - +NAD ——=H—C—OH + NADH, CH,O—-®~ CH,O—® 209 - 最 后 起 磷酸 解 作 用 , HRA — PARE BRR RRND 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 。 aan ete +H,P0,==> CH,0—® O : l Ga 多 H—C—OHO +HS—E—NAD CH,O—® _ 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 7. 3- 磷 酸 甘 油 酸 的 生成 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 在 磷酸 甘油 酸 激酶 的 催化 下 ， 将 其 高 能 磷 酸 键 转移 给 ADP， 产 生 ATP。 其 本 身 转变 为 3- 磷 酸 甘 油 酸 。 反 Pray, te Mg ”激活 。 pg? Made 磷酸 甘油 酸 激 酶 ,Mgtt GOH —______ H+ 60m sare i oC eaGH ie ADP ? CH,—O—® CH,O—® 1,3-— BERR H hme 3- 磷酸 甘油 酸 由 酵 解 的 第 一 、 二 阶段 反应 可 知 ， 每 1 个 葡萄 糖分 子 可 生成 2 分 子 磷 酸 两 糖 ， 通 过 6.7 两 步 反 应 可 生成 2 分 子 ATP， 故 酵 解 第 一 阶段 中 消耗 的 2 分 子 ATP 在 此 已 得 到 补偿 。 8. 3- 磷 酸 甘 油 酸 与 2- 磷 酸 廿 油 酸 的 互 变 这 一 反应 由 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 催化 ， 变 位 机 制 与 确 酸 殴 糖 变 位 酶 相似 ， 即 3- 磷 酸 甘 油 酸 与 2,3- 二 磷酸 甘油 酸 互 换 磷酸 JE, 互 换 作用 则 由 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 的 磷酸 化 型 和 非 磷酸 化 型 的 互 变 而 进行 。 “210 » a | COOH COOH . H-C—OH +fj-—H—C—O0—O+K§— CH,O—® 4 CH,O—® SBR Tm 2,3- 二 磷酸 甘油 酸 COOH | mea emt 十 酶 -磷酸 CH,OH 2- 磷 酸 甘油 酸 反应 式 中 酶 -磷酸 与 酶 分 别 表示 蔽 酸 甘 油 酸 变 位 酶 的 磷酸 化 型 和 非 磷 酸化 型 。 i 9. 2-BE MR it BF A BA Bay Ek | 2- 磷 酸 甘 油 酸 在 烯 醇化 酶 的 催化 下 失去 工分 子 水 一 生成 2 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 ， 反 应 需 Mg + 作 激 活 剂 。 在 脱水 过 程 中 分 子 | 内 部 能 量 重 新 分 布 ， 使 一 部 分 能 量 集中 在 磷酸 键 上 ， 从 而 形成 一 个 高 能 磷酸 键 。 CDOH S COOH | 烯 醇化 酶 ，M8+* | H—c—o0—@.——___= hea 十 HzO CH,OH CH, 2- 磷 酸 自 油 酸 2- 磷 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 氟 化 钠 是 烯 醇化 酶 的 抑制 剂 ， 因 为 所 离子 在 磷酸 盐 存 在 下 与 Mg” 形成 所 磷酸 镁 复 盐 ， 从 而 抑制 酶 活性 。 人 10. 丙酮 酸 的 生成 2- 磷 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 由 丙酮 酸 激酶 催化 ， 将 高 能 磷酸 键 转移 2, ADP, 生成 ATP， 其 本 身 则 转化 成 烯 醇 式 丙酮 酸 。M8g ”或 K- 对 反应 有 激活 作用 ，Ga 一 及 Na 对 反应 有 抑制 作用 。 反应 为 可 FH, ERE we ATP 一 方 。 211 COOH COOH 7 丙酮 酸 激 酶 ，Mg++ 或 K+ | 一 -一 一 | ied a +ATP CH, CH, f 2- 磷 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 te BPSK Pa ARR TRIN APR A aE, DARA HEC, Bl al Fe ae Ay be eta 定 的 ( 酮 式 ) 丙酮 酸 。 CH, CH; REAR = 丙酮 酸 EMP 途径 的 生物 化 学 过 程 可 归结 为 图 6-2。 Rea bi Re, WHA EMP 途径 降解 成 丙酮 酸 的 总 反 应 式 为 (未 计 水 分 子 出 入 )， CeHisOs 二 2NAD 二 2HsPO, 十 2ADP- >2CHs.CO.COOH 二 2NADHs 十 2ATPE 葡萄 精 aa 从 总 反应 式 可 以 看 出 ，11 分 子 葡 萄 糖 生 成 了 2 分 子 丙酮 酸 及 2 分 子 ATP, 并 使 2 分 子 NAD 还 原 成 NADH2,， 但 反应 中 生成 的 NADH, 不 能 积存 ， 必须 脱 氢 重新 氧化 成 NAD 后 ， 才 能 继续 不 断 地 推动 全 部 反应 。NADHs* 的 氢 在 无 氧 条 件 下 可 以 交 给 其 它 有 BLY; 在 有 氧 条 件 下 ， 则 可 经 呼吸 链 最 终 交 给 分 子 氧 。 HEMP 途径 生成 的 丙酮 酸 ， 在 代谢 过 程 中 具有 重要 作用 。 通 芝 还 将 继续 降解 ， 降 解 的 途径 则 随 不 同情 训 而 异 。 在 无 氧 的 条 件 下 ， 可 继续 降解 生成 各 种 不 同 的 代谢 产物 ;在 有 氧 的 条 件 下 ， 则 进入 三 羧 酸 循环 ， 被 彻底 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 。 因此 ， 葡 萄 糖 转化 成 丙酮 酸 的 EMP 途径 可 以 在 有 氧 或 无 氧 条 件 下 进行 ， 而 丙酮 酸 的 进一步 降解 ， 则 因 有 和 氧 或 无 氧 条 件 而 有 不 同 的 途径 。 2 Hy /OH | Hi ./0H Cae CH,0—®) aah < : om C | H-C-0OH / pa-c-o8 bre Hf, Ave HE oH ee Giro CH,0- . _CH,OH | CH,0-®) Tate 了 O—P) Ct a 6- FARE a ie 16 R o @ : p COOH COOH c“0~® a CHO CH,0-® carers ale aa ec H-f- oH 2—¢-0 : Ee CHo -BA Sapp Co-e@/ pi Caio-@ cHOB 2-H he 3- BAH THR 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 3- 磷 酸 甘 油 醋 gd ie 5 2H, 0 无 氧 分 解 生成 站 油 COOH COOH COOH ZB, AMS 2C-O~®) ot eg 29=0 én, 2ATP CH, CH, amore 2ADP 2- RBS 烯 醇 式 丙酮 酸 ， AAR Ame Al 6-2 EMP 途径 图 解 OCHA © BRIAR HM © 磷酸 果糖 激酶 “”@ 醛 缩 酶 © RRA RFR SPH TES =O 磷酸 甘油 酸 激 KG @ 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 mh O 丙酮 酸 激酶 (=) 丙酮 酸 的 无 氧 降解 葡萄 糖 经 EMP 途径 生成 丙酮 酸 后 ， 在 无 氧 条 件 下 继续 降 ， 和解 ， 通 常 仍 归 于 葡萄 糖 酵 解 的 范畴 ， 降 解 过 程 则 因 不 同 的 微 生 胸 用。 或 不 同 的 条 件 而 异 。 同 时 ，BMP 途径 中 所 产生 的 NADH， 在 此 RAR A ENA OLD, ER BAAR Ly FRE 二 根据 其 主要 产物 的 不 同 ， 分 别 有 酒精 发 酵 、 HERE. sume Oo. Tmt ees, 1. 酒精 发 酵 。， 酵 尽 菌 在 无 氧 条 件 下 将 葡萄 精 分 解 产生 丙酮 酸 ， 丙 项 酸 继续 213 a jf betes ee I, ¥ 降解 产生 乙醇 ， 其 反应 历程 如 下 ， (1) 丙酮 酸 的 脱羧 ”丙酮 酸 在 丙酮 酸 脱羧 酶 和 羧 化 辅酶 【〈 焦 ” RRS) 的 催化 下 脱 去 羧基 ， 生 成 乙 醛 和 二 氧化 碳 。 反 应 需 Mg 激活 。 COOH CHO 丙酮 酸 脱羧 酶 ， 焦 磷酸 硫 胺 素 ，MSg++ | AR CH, ; 丙酮 酸 乙酸 (2) 乙 醛 的 还 原 乙 醛 在 乙醇 脱 氢 酶 及 其 辅酶 (NAD) 的 催 化 下 ， 还 原生 成 乙醇 。 还 原 所 需要 的 氨 由 3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 氢 时 供给 。 NADH, NAD CHO Z, TRS See CH,OH H; Hs Ae 乙醇 SA 由 葡萄 糖 经 酒精 发 酵 产 生 乙 醇 的 总 反应 式 为 (未 计 ADP 了 磷酸， 葡萄 糖 乙醇 其 图 解 如 下 : 葡萄 糖 214 we uy : wt Bs ~ ons aks o Y AR Ae Vf A Lee Ber | 这 in atone 有 a OS ee a ei » io Be. eo, - ie as ih. Ae. mre > ao Lah Oa ; a, eee 2. 酒精 酵母 的 甘油 发 酵 | 酵母 菌 在 特定 的 条 件 下 ， 可 以 进行 甘油 发 酵 ， 酵 母 菌 的 甘油 发 酵 有 下 列 两 种 方法 ; (1) 亚 硫 酸 盐 法 甘油 发 酵 ” 酵 母 在 酒精 发 酵 时 ， 如 加 入 亚 硫 。 酸 氨 钠 ， 它 能 与 乙 醛 起 加 成 作用 ， 生 成 难 溶 的 结晶 状 亚硫酸钠 加 RD a : Tao OH . O ' C ya OSO,Na C—H +NaHSO, —> C—— ng” - CH; CHa 乙 醛 THRE 乙 醛 亚硫酸钠 加 成 物 这 样 就 使 乙 醛 不 能 作为 受气 体 ， 而 迫使 碳酸 二 羧 丙酮 代 趟 它 作为 受气 体 ,在 c- 磷 酸 甘油 脱 氨 酶 (NAD 为 其 辅酶 ) 俱 化 下 生成 c- | 磷酸 甘油 。 | CH,O—® eae: emp is ee +NAD CH,OH pages CH,OH is A o- BEAR HTH zx- 磷酸 甘油 在 «BERR H ith BRA BS ED HEIL P 7k. AE 成 甘 nh. oc RH Hh ERAS CH,OH CH,OH <- 磷酸 甘油 甘油 215 OH C,H,,0, + NaHSO,—>CH,OH + C bina 十 COs | CHOH H CH; CH,OH 葡萄 糖 甘油 其 图 解 如 下 ， ney NakiSOs | Ht-——— -1.6 _Pi2H EMP BUR NS BBS bg -王政 | Pi 由 总 反应 式 可 以 看 出 ， 用 亚 硫 酸 盐 发 酵 生 产 甘 油 时 ， 工 分 子 iA 1 分子 廿 油 ， 同 时 ， 并 不 产生 ATP。 这 是 因为 1,6- 二 磷酸 果糖 生成 2 TOMA, IAT ROR 酮 ) 生 成 了 甘油 ， 只 有 1 分 子 (3- 磷 酸 甘油 醛 ) 脱 氨 生成 了 工分 子 丙酮 酸 ， 所 以 只 产生 2 分 子 ATP, 而 EMP 途径 的 于 3 两 步 反 应 需 用 去 2 分 子 ATP,， 故 ATP 无 积 余 。 可 见 在 甘油 发 醇 过 程 中 亚 硫 酸 盐 不 能 加 得 太 多 ， 否 则 会 使 酵母 因 得 不 到 能 量 而 停止 发 酵 。 即 必须 留 有 一 部 分 酒精 发 酵 ， 以 使 获得 一 些 能 量 ， 供 生命 活 动 所 需 。 这 样 ， 实 际 上 1 分 子 葡 萄 糖 还 得 不 到 1 分 子 甘油 。 在 生 产 上 可 采用 回收 酵母 发 酵 ， 以 增加 甘油 产 率 。， (2) 碱 法 甘油 发 酵 ” 若 将 上 述 酵母 酒精 发 醇 的 发 醇 液 保持 碱 性 (PH 7.6)， 则 发 酵 产 生 的 乙 醛 不 能 作为 正常 的 受 扎 体 ， 而 是 2 分 子 乙 醛 之 间 起 歧化 反应 ， 相 互 氧化 还 原 ， 生 成 等 量 的 乙醇 和 乙 酸 。 216 CH,CHO+H, 0G BRAM or COOH 3 ae a. NADH, NAD CH;CHO-CEBAR’ -CH CH OH | wae 3 此 时 ， 由 3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 氢 生成 的 NADH, FSR J BRE 二 羟 两 酮 ， 并 进而 生成 甘油 。 maski 自 葡萄 糖 开 始 的 总 反应 式 为 CH,0OH 2CeHisOe 十 HzO 一 一 >2 +C,H;,OH+CH;COOH+ 2CO,z a | CH,OH 葡萄 糖 甘油 =O 乙酸 ”其 图 解 如 下 ， see ik 2x2ATP |2CO, . H,0 g 2x 3— BERR oi ; | : yaa ee title ”2 葡萄 糖 _ = 。 2x1,6- 2r : EMP =#% 人 2Pi2x2H oS er, eg +a amet 2Pi 由 总 反应 式 可 以 看 出 ， 碱 法 甘油 发 酵 的 产品 有 三 个 BNE th, OR. TE. AIM, WAR, ATP, BLS SURE CEA {RARE PRET RAE 3. 乳酸 菌 的 乳酸 发 本 217 SLBA. REC SLAF (Lactobacillus deibriickii), 具有 较 强 活 性 的 乳酸 脱 气 酶 ( 它 一 般 疫 有 乙醇 脱 受 酶 和 < -磷酸 甘油 脱 氢 ” 酶 )， 因 此 能 以 丙酮 酸 作 为 受气 体 而 生成 乳酸 。 COOH COOH FLEA hs Ze C=—0 +NADH, 区 一 一 一 > 本 一 —OH+NAD CH, CH; 丙酮 酸 乳酸 由 葡萄 糖 进行 乳酸 发 酵 的 总 反应 式 为 (未 计 ADP 磷酸 化 的 CeHizOes 十 24ADP 十 2HsPO, 一 >2CHsaCHOHCOOHT2ATP ~ 葡萄 糖 + 乳酸 由 反应 式 可 知 ， 1 分 子 葡萄 糖 经 乳酸 发 酵 可 生成 2 分 子 乳 酸 。 这 种 仅 有 乳酸 为 产品 的 乳酸 发 酵 被 称 为 同型 乳酸 发 酵 ， 其 图 . 解 如 下 ; 2x yw 3-B 葡萄 精 = = glib. we 2mm 4. TREAR _ TRE RAE BIRIEWAT (Clostridium) 所 进行 的 一 类 发 酵 。 发 酵 产 品 中 都 有 丁 酸 。 此 类 发 酵 系 严格 嫌 气 发 酵 。 此 类 菌 都 能 分 泌 淀粉 酶 ， 所 以 可 直接 用 淀粉 质 原料 发 酵 。 发 酵 产 品 除 丁 酸 外 ， 还 分 别 产生 乙酸 、 乙 醇 、 丁 醇 、 异 丙 醇 、 丙 酮 等 。 这 些 产 品 主要 由 葡萄 糖 经 BMP 途径 所 生成 的 丙酮 酸 进一步 转化 而 成 。 不 同 梭 状 芽 抱 杆菌 的 主要 发 酵 产 物 也 有 所 不 同 ， 据 此 可 将 丁 酸 型 发 酵 区 分 为 丁 酸 发 酰 、 丙 酮 丁 醇 发 酵 、 丁 醇 异 丙 醇 发 酵 。 其 中 丙酮 丁 醇 发 酵 已 工业 化 。 218 >, “ae ~~ DS a" . ‘ a, 9 y fh) Ga Sa aT EA are Se ale 了 Sr 84 oe ee 全 S 有 > * APA Te cate nae a ’ ’ a eet fest d ti . a) ae sy Dp ra 2 + SF pe ie 2 eige £o paee d 2 Me eat alae oe hal a ae Ae Uae ape Ses AORN Sa eae 和 a ae Aly Sa, © ; ary j x a , TRMNRNA cane, ARCATA. BUH ”其 各 种 主 副 产 物 的 来 源 概述 如 下 : (1) BREWHAELARE DS, 将 葡萄 糖 经 BMP 途径 降 解 为 丙酮 酸 。 (2) 丙酮 酸 在 丙酮 酸 脱 奖 酶 、 焦 磷酸 硫 胺 素 、 硫 辛酸 、 a AMIHEICP, ACEH A. AACR MAT. | . CH,COCOOH + CoASH——>CH,CO~SCoA+CO,+H, 丙酮 酸 辅酶 A ”乙酰 辅酶 AA (3) 丙酮 与 异 丙 醇 的 形成 -中 2 分 子 乙酰 辅酶 在 乙酰 乙酰 辅酶 A 硫 解 酶 催化 下 生成 乙 栈 乙 栈 辅 酶 A 2 CH,CO~SCoA—_>CH,COCH ,CO~SCoA +CoASH Age 乙酰 乙酰 辅酶 人 @ 乙酰 乙酰 辅酶 A 水 解 为 乙酰 乙酸 CH,COCH,CO~SCGoA + H,O—»>CH,COCH,COOH + CoASH 乙酰 乙酸 @ 乙酰 乙酸 脱羧 生成 丙酮 CH,COCH,COOH——>CH;COCH; + COz Ama ® 丙酮 还 原生 成 异 两 醇 NADH, NAD on COCR ———— CHOHCH; 一 异 丙 醇 (4) 丁 酸 及 丁 醇 的 生成 DCE BERING AERA RR AS TR A NADH, NAD CH,COCH, CO~ SCoA eee CH; CHOHCH,CO~SCoA BFE T BAA A 四 BEET BCH A Dirk He OT Hb CA A 219 YY a i=”, Ss wee I) y's * ay ive he! ad We a AL IE A be AL Ve Pate I) ep 4 Sr oh Te eS CH,CHOHCH,CO~ SCoA—_>CH, CH=CHCO~ SCGoA + H,O Tt ae A © 丁 烯 酰 辅酶 人 还 原生 成 丁 酰 辅 酶 人 NADH: NAD CH:CHetHCO~SCoAS Le CHSCH,CH, CO~SCoA T RENAE A @ 丁 酰 辅酶 A 水 解 生成 丁 酸 CH,CH,CH,CO~SGoA -+- H,O—_»>CH,CH,CH,COOH + GoASH TR S) 丁 栈 辅 梅 A 或 丁 酸 还 原 成 了 本 NADH, NAD CH,CH,CH;CO~ S Gattis Ja CH,CH,CH,CHO + CoASH TH NADH, NAD CH;CH, CH, COOH CH; CH; CH, CHO+H,0 TH © 丁 醛 还 原生 成 丁 醇 NADH，NAD CH;CH; CH, CHO“ CH; CH, CH; CH, OH | TH (5) 乙醇 的 生成 乙醇 来 自 乙酰 辅酶 A 的 还 原 。 NADH» NAD NADH, NAD | CH,CO~SCoA>—< CH,CHO CH,CH,OH CoASH 乙酰 辅酶 A CRE 乙醇 (6) 乙酸 的 生成 220 @ 乙酰 辅酶 人 在 磋 酸 乙酸 转移 栈 众 化 下 ， 发 生 磷酸 解 作用 ， “生成 乙酰 磅 酸 。 _ CH is ata a RO; 葡萄 糖 EMP 途 径 丙酮 酸 oAS H Pi eco. - CH;COO~®) ere NAD DH, eS Et ome YL oncto Wd 乙酰 磷酸 ee ; CoASH _ CoASH ADP 7 ATP CHsCocH,Co_SsCsA oo "LMC BARA NAD _CHsCHOHCO~SCoA B-#ET Behl i A HO CH;CH= CHCO~SCoA Ba BEA -CH3 TaCHCo~SCon 到 ov eam 、 aga CoASH csctactecHo aie: 所 AAT * CH;CH,CH,CH,OH Ti ==CH,COO~@®-+CoASH 乙酰 磷酸 AD - CH;CH,OH 乙醇 CO; efi NADH, ) NAD—{ . CH;OHOHCH, FF ARE NADH; = wee CoASH = sCHaCH,CH, COOH , 图 6-3， 丁 酸 型 发 酵 图 解 221 Q 乙酰 磷酸 在 乙酸 激酶 催化 下 ， 将 磷酸 基 转 移 给 ADP, 4 成 乙酸 和 ATP。 CH,COO~®-+ ADP—>CH;,COOH+ ATP CR 丁 酸 型 发 酵 途 径 可 归结 为 图 6-3, (=) 葡萄 糖 酵 解 的 能 量 问 题 在 无 氧 条 件 下 进行 的 EMP 途径 ， 因 最 终 产物 的 不 同 ， PrP 放 的 能 量 及 形成 的 ATP 数 各 不 相同 。 以 酒精 发 酵 和 乳酸 发 酵 为 例 ， 每 1 分 子 葡 萄 糖 通 过 底 物 磅 酸化 〈 图 6-2 的 反应 7、10) 产 生 4 分 子 AIP， 但 在 葡萄 糖 磷酸 化 过 程 〈 反 应 1、3) 中 消耗 2 分 子 ATP， 净 得 2 分 子 AIP。 酒精 发 酵 时 ， 总 反应 释放 的 自由 能 为 56 千 卡 。 C;H;20.—>2 CH,CH,OH+2 CO,+56 F-# 发 酵 过 程 中 产生 2 oy ATP, 其 贮存 的 能 量 可 供 生 命 活 动 之 T 用 。 故 能 量 利用 率 一 一 2 x10026 一 28.6%6 乳酸 发 酵 时 ， 总 反应 释放 的 自由 能 为 47 千 卡 。 发 酵 过 程 中 也 形成 2 分 子 ATP， SCAB AL AIH = “ x 100% =34.0% i 二 、 两 酮 酸 的 有 氧 降 解 MAA EMP 途径 生成 的 丙酮 酸 ， 在 无 氧 条 件 下 可 以 生成 各 种 发 酵 产 物 ， 已 如 前 述 。 在 有 氧 条 件 下 ， EMP 途径 中 所 产生 的 NADH, 可 经 过 呼吸 链 再 氧化 成 NAD, 在 这 种 情况 下 , 不 需要 丙酮 酸 或 其 转化 产物 作为 受 氨 体 ， 丙 酮 酸 则 进入 三 羧 酸 循环 ， 彻 底 氧 化 成 二 氧化 碳 和 水 ， 并 释放 出 大 量 能 量 。 丙 酮 酸 的 有 氧 分 解 在 细胞 线粒体 上 进行 ， 在 原核 细胞 中 则 于 细胞 质 内 膜 上 进行 。 222 oe ly ae PANAMA AYE AL AD UAB BE, ESA PA BEATER CREAM A, RGAE BEHIAY A HEA = RK RAUL. (一 ) 丙酮 酸 的 氧化 脱羧 一 一 乙 酰 辅酶 A 的 生成 两 醋酸 在 进入 三 次 酸 循环 之 前 ， 先 被 氧化 脱羧 生成 乙酰 辅酶 A, 此 反应 由 丙酮 酸 氧化 脱羧 酶 系 催化 。 该 酶 系 由 丙酮 酸 脱羧 梅 、 硫 辛酸 还 原 酶 、 乙 酰 转移 酶 、 二 硫 辛 酸 脱 氢 酶 及 相应 的 辅 本 S ROR HEBER (TPP), | | 2 A(GoASH), FAD,NAD 及 Mg** 等 组 成 。 其 反应 机 制 如 下 :， (1) 丙酮 酸 由 丙酮 酸 脱 次 酶 催化 ， 结 合 于 该 酶 的 辅酶 一 “ 焦 PRATER (TPP) REESE) h MMIE LE, 形成 TPP- 乙 醛 nin RAGE), RIB, Ape CO, al tas el Nl le el ls i — * a - ie “¢ TT 了 有 —- = =) ” as al inn weeny. Se ee | 1 COOH NH, | | | 二 O- OH ES « ‘\—cH, —N | Maes H 焦 磷 酸 硫 腕 素 (TPP) 1 ig es 22 + O er — | C=C F OH ra | 十 CO， \ C 一 一 S | CH,— C —H | OH TPP CM (活性 乙 醛 ) 223 简写 上 式 sign H C=O Bat Ys ees CH3;— : —TPP+CO,; a ou (2) TPP- 乙 醋 被 硫 储 酸 还 原 酶 (辅酶 为 6,8- 二 硫 辛 酸 ) HE 化 ， 生 成 乙酰 还 原型 二 硫 辛 酸 和 TPP， 其 反应 过 程 包括 工 PP- 乙 醛 的 氧化 及 己 酰 基 转 移 到 硫 辛酸 上 。 (CH,),COOH 下 H S —CH ; 7 OH TPPE- 乙 醛 二 硫 辛 酸 (CH,),COOH 3 (CH,),COOH HS—CH: CH, C~ SCE cu, —>TPP-+ Y Sou, HS 一 CHs O HS—CH; 乙酰 还 原型 二 硫 辛 酸 (3) 乙酰 还 原型 二 硫 辛 酸 被 乙酰 转移 酶 催化 ， 将 乙酰 基 转 移 给 辅酶 A， 生 成 乙酰 辅酶 A， 其 本 身 则 变 成 还 原型 二 硫 辛 酸 。 (CH;),NADH;+ FAD 蛋白 反应 过 程 可 图 示 如 下 ， COOH bo _ TPP L CoASH 上 : HS’ H; (1) . (2) (3) 3 ‘HS S CO; Sn (Si 7 \ cH,Co~scoa HS’ a FS FADH, FAD (5) >< NAD NADH, 总 反应 式 为 COOH 3 | 丙酮 酸 氧化 脱羧 酶 系 C=O +NAD+CoASH——————->CH,CO~ SCoA + CO, + NADH, CH; Py lel 3 a Mt Fo ak Fe PT RE a HE TAY 能 硫 酯 键 。 乙 酰 辅酶 A 进 入 三 羧 酸 循环 。 (=) 乙酰 辅酶 A 的 彻底 氧化 一 一 三 羧 酸 循环 三 羧 酸 循环 (TGA 环 ) 又 称 Krebs 循 环 或 称 柠檬 酸 循环 。 整 225 bes agente .柠檬 酸 的 生成 其 条 二 A SMEAR FACT a OLR 成 酶 ) 的 催化 下 ， 生 成 柠 柑 酸 。 O HO—C—COOH AP 缩合 酶 十 CH, 一 C~SCoA 十 H;O CH 一 COOH 草 酰 乙酸 ( 烯 醇 式 ) 乙酰 辅酶 A CH,COOH HO— C —COOH+CoASH ar ee 柠 样 酸 ”辅酶 A 缩合 反应 所 需 的 能 量 由 乙酰 辅酶 A 的 高 能 硫 酯 键 水 解 供应 ， 正 反 应 为 强烈 的 放 能 反应 ， 所 以 反 应 主要 向 柠檬 酸 合成 方向 进 、 行 。 在 某 些 生物 体内 存在 柠檬 酸 分 解 酶 ， 可 专 一 催化 其 逆反 应 。 2. RRR ARM AR DE 0 ee JTS, Sk SS (BRIN, SLR 7k A) EL, 当 有 Fe** PRESET ERS CH.,COOH HCOOH 顺 乌 | HO— C—COOH Cc —COOH + H,0 CH,COOH CH,COOH #7 te 顺 乌 头 酸 3. MBAR MAKKAH TRB 此 反应 也 为 顺 乌 头 酸 酶 催化 。 CHCOOH HO—CH—COOH | 顺 乌 头 酸 酶 C—COOH +H,0<-———— > 互 一 一 COOH CH,COOH CH,COOH 顺 乌 头 酸 异 柠檬 酸 226 4. HRA RT HE He Se BRR FS, SRI I “生物 中 已 发 现 有 两 种 ， 一 种 需 NAD 为 畏 梅 ， 另 一 种 需 NADP 为 辅酶。 人 HO—CH—COOH NAD SEAT tae Be Mbt A aa nek oh i NA 2 CH,COOH 异 柠 样 酸 CO 一 COOH NADH, ais + Gt NADPH,) CH,COOH 草 酰 琥珀 酸 5。 草 酰 琥珀 酸 脱 奖 生 成 o-BRoB 此 反应 也 为 异 柠 榜 酸 脱氧 酶 所 催化 。 现 在 认为 这 种 酶 具有 两 种 催化 能 力 ， 即 脱 气 和 脱羧 。 脱 羧 反 应 需要 Mnt++。 因 此 草 酰 琥 珀 酸 可 以 看 作 是 异 柠檬 酸 脱 气 、 脱羧 生成 "- 酮 成 二 酸 的 中间 产 ty, CO—COOH | CO—COOH SAG, Mat | Ceuta Fee OM, +COz CH,COOH CH,COOH 草 栈 琥珀 酸 x“- 酮 戊 二 酸 这 个 反应 是 一 个 分 界 点 ， 在 此 反应 以 前 都 是 三 羧 酸 的 转化 ， 以 后 则 是 二 羧 酸 的 变化 了 。 6. 2%- 酮 成 二 酸 的 氧化 脱羧 x- 辆 戊 二 酸 氧化 脱羧 后 生成 青 珀 酰 辅酶 A。 其 反应 机 制 与 办 酮 酸 的 氧化 脱羧 相似 ， 催 化 此 反应 的 是 “- 酮 成 二 酸 氧化 脱羧 227 Oe i» AUPE TE BE ADAP WEA (TPP) 6,8-—RERR( | DL). Si Ki A\FAD,NAD BJn, c-M ROM AILBORRBEAR AT ERY. HEARD, - : aaa o— Rial 1X — RA 1 Whe FR He CH, + CoASH + NAD > | <“- 酮 戊 二 酸 CH,CO~SCoA | 十 NADH: 十 CO， CH,.COOH sf HL AIA : 脱 气 反应 中 释放 的 能 量 贮存 于 琥珀 酰 辅 酶 A 的 高 能 硫 酯 刍 中 ° 7. FeFa Ge ih Bs A AE HR Bye FA Me HAS A 在 琥珀 酸 硫 激 酶 (或 称 琥珀 酰 辅酶 A 合 成 酶 ) 催 th, SS H—RM(GDP) RICHIE, 释 出 辅酶 A， 同 时 将 高 能 硫 酯 键 的 能 量 连同 无 机 磷酸 转移 到 GDP, 产生 琥珀 酸 和 鸟 背 三 磷酸 (GTP)。GTP ERP BRAT, 将 ei Ew 酸 键 转移 给 ADP, 产生 ATP。 CH,CO~SCoA 琥珀 酸 硫 激酶 , Mgt + > CH,COOH 琥珀 酰 辅酶 人 < 十 GTP 十 CoASH CH,COOH 琥珀 酸 核 苷 二 磷酸 激酶 GTP+ADP~—_______ ATP+ GDP 在 某 些微 生物 中 ， BRIAR A He OE HRRAH ET 228 x 3 ‘A Yu a eg nab Sar Aa to ge Seed Ree os are Semen. AT) el oe pe Ee ee WS ~ ee aot =< 本 2 PS pte Rind Se. eee ne ite) ae ase a wa, x i, : a! et wie _ 4 , aaa ”0D FR RETEREREL, SER A 与 丁 酸 (或 戊 酸 ， 或 已 酸 ) 反应， 生成 斑 珀 酸 及 丁 酰 辅酶 A (或 成 酰 辅酶 A ,或 己 酰 辅酶 人 )。 以 与 丁 酸 反应 为 例 ， 反 应 式 为 : ¥ d CH,CO~SCoA 这 a | | 4 CH,CH,CH,COOH-< ia = CH,COOH TR CH,COOH +CH,CH,CH,CO~ SCoA CH,COOH 丁 酰 辅酶 A ” (2) 琥珀 酰 辅 酶 A SRC MR, RITZ HINGE A, 反应 由 琥珀 酰 辅酶 A -乙酰 乙酸 辅酶 A 转 移 酶 催化 。 CH,CO~SCoA _ CH,COOH | 十 CHsCOCH:COOH 一 > | + CH,COOH CH,COOH 乙酰 乙酸 ‘4 . | +CH,COCH,CO~SCoA ~ Fe CR CARA (3) SRG NS A ESR SR RG Ak RRNA, ss TARR ANNE A. JERS A AE ATP, CH,COOH CH.COOH 8. 琥珀 酸 脱 所 生成 延 胡 索 酸 4 Ve Fe SHA ae eh, ARABS A, LA FAD «ARIE. CH.COOH H— C—COOH + FAD=—= | +FADH, CH.COOH HOOC—C—H 琥珀 酸 延 胡 索 酸 9 延明 索 酸 加 水 生成 苹果 酸 229 此 反应 由 延 胡 索 酸 酶 催化 。 H 一 C 一 COOH itHeRRG «© «© CH -COOH +H,0—— HOOC— C—H <—_—_~HO—CH—COOH 延 胡 索 酸 ERR 10. FRBKRAERERCR 此 反应 由 苹果 酸 脱 氢 酶 (NAD 为 辅酶 ) 催 化 。 CH,—COOH CH,—COOH Sens ce MAD ee 二 NADH， HO—CH—COOH t+ 70 0Gen ME LR 草 酰 乙酸 ( 酮 式 ) | 草 酰 乙酸 ( 酮 式 ) 可 自动 转变 为 烯 醇 式 草 酰 乙酸 。 CH.—COOH << CH—COOH CO—COOH eT ee 烯 醇 式 草 酰 乙 酸 生成 的 草 酰 乙 酸 又 可 参加 第 一 步 反 应 ， 与 乙酰 辅酶 A 缩 合成 ， 柠 榜 酸 ， 而 形成 一 个 循环 。 三 羧 酸 循环 的 各 步 反 应 如 图 6-4 所 示 。 丙酮 酸 从 氧化 脱羧 开始 ， 以 乙酰 辅酶 人 进入 三 次 酸 循环 ， 最 终 被 彻底 氧化 。 丙 酮 酸 的 三 个 矶 原子 被 氧化 脱羧 成 了 分 子 G9; 〈 丙 酮 酸 氧化 脱羧 反应 及 三 羧 酸 循环 中 反应 @ 和 @)。 在 丙酮 酸 氧化 脱羧 反应 及 三 羧 酸 循环 中 反应 @、@、@@、 四 各 脱 下 一 对 氢 原 子 ， 交 给 NAD(NADP) 及 FAD( 黄 酶 )， 又 经 呼吸 链 交 给 氧 ， 总 共 可 生成 5 分 子 水 。 加 上 三 羧 酸 循环 反应 四 放出 工分 子 水 ， 总 共 产生 6 分 子 水 。 但 三 羧 酸 循环 反应 DO、 四 、@、@@ 共 用 去 4 分 子 水 ， 所 以 积 余 2 分 子 水 。 丙酮 酸 有 氧 分 解 中 释放 的 5 对 氨 原子 中 ， 有 4 对 氢 转 移 给 NAD(NADP) ,经 呼吸 链 最 终 传 递 给 分 子 氧 过 程 中 ， 进 行 电子 传 递 磷 酸化 ， 可 产生 12 分 子 ATP。 另 1 HA (RMO) MBA FAD (Fi), Ary fee ORME, PoE 2 分 子 ATP。 另 外 在 反应 @@ 中 230 oe an Stn ry ri = Soa Se fe TP eter ae a Bs 并 8 — eS it (ioe _ 了 Re Ass 一 a | Me ia ; - HO-CH-COOH | : FRB / Nap Rd 下 ® FADH:; @® CH; -COOH. NADH. FApCH:— COOH CH:-COOH * RIA . CH-COOH H, -COOH . “i coined Saat - 2 oP NOS . CoASH cy," COOH SRM GDP} CH:.CO~SCoA 4® | (Pi) sesiae CH, ADP NAD Vy . atc hook Oke COO a- Mit — mR ， 图 6-4 三 羧 酸 循环 (未 标 出 逆反 应 ) 231 ho “Soe ee 通过 底 物 磷酸 化 作用 也 产生 工分 子 ATIP, 因 此 每 分 子 丙酮 酸 彻底 氧化 时 可 获得 15 分 子 ATP。 则 丙酮 酸 的 有 氧 分 解 的 总 反应 式 可 写成 (未 计 ADP 磁 酸 化 的 水 分 子 出 人 )， CH,COCOOH +270, +15ADP-+ 15Pi—>300, +2H,0+15ATP 如 果 葡 萄 糖 在 有 氧 条 件 下 经 EMP 途径 和 三 羧 酸 循环 进行 分 解 时 ,1 分 子 葡 萄 糖 在 EMP 途径 中 生成 2 分 子 两 酮 酸 , 即 ， C,H,,0,+2ADP-+2Pi+ 2NAD—»>2CH,COCOOH + 2ATP+2NADH, 在 EMP 途径 中 产生 的 2 分 子 NADH, 也 经 呼吸 链 氧 化 ， 产 HE 2 分 子 水 和 ,6 分 子 ATP。 则 其 总 反应 式 为 (未 计 ADP 磷 酸化 水 分 子 出 入 ): C,H,,0, + 38ADP+ 38Pi—>6H,0 + 6CO, + 38ATP 由 上 式 可 见 ， 每 分 子 葡萄 糖 经 EMP 途径 与 三 羧 酸 循环 彻底 表 6-3 1 克 分 子 葡萄 糖 在 有 氧 分 解 时 所 产生 的 ATP 克 分 子 数 ATP 的 消耗 与 合成 ‘ii 85 Bk —> 6- BERRA HE EMP | 6-ghie2H}—>1,6-— BREIL 1 途 3- 磷 酸 甘 油 醛 -一 >1,3- 二 磷酸 甘油 酸 径 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 一 >3- 磷 酸 甘 油 酸 “上 | 2- 磅 酸 炳 醇 式 丙酮 酸 一 ”> 烯 醇 式 丙酮 酸 | | = \Seee—oeenee “十 -一 下 SEE x- 酮 戊 二 酸 一 > 琥珀 酰 辅酶 A 酸 琥珀 酰 辅酶 A 一 > 琥珀 酸 Mi | 琥珀 酸 一 > 延 胡 索 酸 苹果 酸 一 > 草 酰 乙酸 总 38 * 在 EMP 途径 中 工分 子 葡 葡 糖 裂解 为 2 分 子 磷酸 丙 糖 ， 故 由 此 以 下 反应 产 和 的 ATP 克 分 子 数 均 乘 以 2。 232 氧化 时 ， 总 共 可 产生 38 分 子 ATP( 表 6-3) 。 据 实 验 或 计算 可 知 1 克 分 子 葡萄 糖 完全 氧化 为 二 氧化 碳 和 水 时 ， 共 放出 686 千 卡 自由 能 。 则 葡萄 糖 经 EMP 途径 和 TCA 环 进 行 有 氧 分 解 时 ， 38x8 686 可 见 糖 在 有 氧 分 解 中 所 释放 的 可 供 生 物体 利用 的 能 量 ， 大 大 超过 了 糖 在 无 氧 分 解 ( 酵 解 ) 中 产生 的 能 量 。 所 生成 的 大 量 ATP， 是 生物 体 生 命 活动 的 主要 能 量 来 源 。 三 羧 酸 循环 在 提供 生物 体 所 需 的 能 量 上 是 十 分 重要 的 。 在 物 质 上 它 提 供 的 一 系列 中 间 产 物 也 是 生物 体 必 不 可 少 的 。 它 提供 了 合成 其 它 生 物 物质 的 原料 。 例 如 反应 中 放出 的 二 氧化 矶 可 参与 味 险 和 喀 啶 的 合成 ;乙酰 辅酶 A 是 脂肪 酸 和 脂肪 合成 的 起 始 物质 。 三 状 酸 循环 的 中 间 产 物 ， 如 c- 酮 戌 二 酸 可 转化 为 谷 氨 酸 , BAZ 酸 可 转化 为 天 冬 氨 酸 ， 这 两 种 氨基 酸 都 是 合成 蛋白 质 的 原料 ， 也 可 转化 成 其 它 氨 基 酸 。 反 之 ， 核 酸 、 脂 肪 、 蛋 白质 的 分 解 代谢 ， 最 终 也 都 可 以 进入 三 羧 酸 循环 而 被 彻底 氧化 。 由 此 可 见 ， 三 羧 酸 循环 是 联系 各 类 物质 代谢 的 枢纽 。 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 或 由 它 作为 原料 进一步 形成 的 产物 ， 也 给 发 酵 生 产 提 供 了 来 源 ， 如 柠 样 酸 发 酵 、 谷 氨 酸 发 酵 等 。 (三 ) -丙酮 酸 羧 化 支 路 三 次 酸 循环 中 的 十 种 中 间 产 物 ， 在 每 一 次 循环 中 并 不 消耗 ， 而 只 是 乙酰 辅酶 A 被 彻底 氧化 。 因 此 ， 三 羧 酸 循环 倘若 仅仅 是 为 了 执行 氧化 乙酰 辅酶 A 的 功能 ， 那 么 这 些 中 间 产 物 只 需要 供 催化 作用 的 量 就 够 了 。 然而 ， 如 上 所 述 ， 这 些 中 间 产 物 随时 都 有 移 作 他 用 “〈 即 为 合成 其 它 物 质 之 用 或 作为 发 酵 产 物 排出 细胞 外 ) 的 可 能 ， 所 以 就 必须 予以 补充 ， 以 使 循环 能 正常 进行 。 中间 产物 的 补充 ， 固 然 可 以 由 其 它 物 质 ， 如 谷 氮 酸 、 天 冬 氨 酸 而 来 〈 通 过 转 氨 作 用 生成 相应 的 “- 酮 戊 二 酸 、 草 酰 乙 酸 ), 但 233 AE a Fl FH 8 = x 100% =44.3% 是 根本 的 补充 方式 显然 是 要 以 糖 质 原料 分 解 过 程 的 中 间 产 物 作 为 来 源 。 丙 南 酸 凑 化 支 路 对 于 三 次 酸 循环 中 间 产 物 的 补充 具有 重要 意 义 ， 两 酮 酸 可 由 糖 酵 解 代谢 供给 。 丙酮 酸 羧 化 支 路 ， 即 丙酮 酸 或 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 固定 二 氧化 RE OR GER. ECR) 的 反应 ， 又 称 二 氧化 碳 固定 反应 。 现 在 发 现 催化 该 反应 的 酶 已 不 止 一 种 ， 重 要 的 有 华 采 ONG, AAI (REAR OR. BRCM 酸 激酶 ) 和 丙酮 酸 羧 化 酶 。 1. 丙酮 酸 的 还 原 羧 化 作用 丙酮 酸 由 苹果 酸 酶 催化 ，NAD 或 NADP 为 辅酶 ， Mntt+ 这。 激活 剂 ， 还 原 并 羧 化 生成 苹 采 酸 。 COOH 苹果 酸 酶 ,Mnrt+ CHOH C0 +C0O,+NADH,<________ | +NAD | (或 NADPH，) ry (3% NADP) COOH CHs COOH 丙酮 酸 苹果 酸 华 果 酸 可 继续 由 华 果 酸 脱 氢 酶 催化 生成 章 酰 乙酸 。 2. AMRRLE MERLE | RATA R ICN 〈 生 物 素 为 其 辅酶 ) 催化 ， 需 ATP 参 加 。 COOH : C=0+C0,+ATP 5 ee + ADP-+ Pi Le Pama 草 酰 乙酸 3. 磷酸 烽 醇 式 丙酮 酸 次 化 生成 草 酰 乙 酸 234 Pies am. Wok: > a Se i iat (awe aaron Lt eats RR HRAE BEAR GD P 或 IDP。 - COOH COOH eae 呐 酸 丙 丽 酸 凑 化 酶 C 一 O 十 GTP 二 0~©+C0,+GDP | (或 ITP) - | 《或 IDP) CH, f CH, | | 天 COOH 二 磷酸 烯 醇 草 酰 乙酸 ee 式 丙 酮 酸 Roe PMR LS TIC RT A NADH: 过 NAD Pa aa (NADP) COOH : s in -COOH 苹果 酸 ATP a NADH; ADP: COOH é=0 葡萄 糖 CH, tH, GDP GTP COOH eid (IDP> (ITP) 草 酰 乙酸 (四 ) 乙 醋酸 循环 OS HED, MART. REIT. Me he, HES, COUNT LACM A, MATS RBA CORA, RAVAN BCR AEA. RAE | 能 直接 利用 乙酸 作为 矶 源 和 能 源 。 它 们 除 具 有 三 羧 酸 循环 的 酶 系 是 外， 还 具有 蜡 柠檬 酸 裂解 酶 和 苹果 酸 合成 酶 。 当 三 羧 酸 循环 进行 235 AGHEEM, FARR RALER SRAM, CRRA. 与 另 一 分 子 乙 酰 辅酶 A 合 成 苹果 酸 而 返回 三 羧 酸 循环 。 Re ， KATRBR SeAPOROTESE HT RRO RUNERG MLCT, “eR AEROS. O WA Sehr Re ARE CH, 一 COOH C—H CH—COOH Pe es ee + CH.—COOH COOH HO—CH—COOH FET te BR ”琥珀 酸 乙 醛 酸 2. 苹果 酸 合成 酶 乙 醛 酸 与 乙酰 辅酶 A 在 苹果 酸 合成 酶 催化 下 合成 为 苹果 酸 。 COOH CHO CHOH +CH,CO~SCoA+H,O == | +CoASH COOH oF : COOH CHR 乙酰 辅酶 人 Se RAR 完整 的 乙 醛 酸 循环 如 图 6-5 所 示 。 乙 醛 酸 循环 的 总 反应 如 下 (反应 从 乙酰 辅酶 A 开 始 ) CH,—COOH 2CH,CO~SCoA+2H,0+NAD—-> | + 2CoASH+ NADH, CH,—COOH 有 些微 生物 能 利用 乙酸 作为 唯一 碳 源 ， 这 是 由 于 它们 具有 乙 醚 辅酶 A 合 成 酶 ， 使 乙酸 生成 乙酰 辅酶 A 而 进入 乙 醋 酸 循环 。 CH ,COOH+CoasH SIMA SE cu, CO~SCoA+H, O ATP AMP*+ PPi 从 乙酸 开始 的 乙 醛 酸 循环 总 反应 为 ; 236 > CH;CO~SCoA ~ 图 6-5 乙 醛 酸 循环 (未 标 出 逆反 应 ) H,—COOH 0 二 NAD 十 2ATP 一 一 > 1 + NADH,+2AMP-+ 2PPi 乙酸 琥珀 酸 因此 ， 乙醚 酸 循 环 的 效果 是 2 分 子 乙 酸 (或 乙酰 辅酶 A) 转 化 IDFR. CEM bE ROR, WORM 。 RBG MAM (图 6-6)， 所 以 乙 醛 酸 循环 可 以 看 作 是 三 羧 酸 循环 的 支 路 。 将 乙 醛 酸 循环 与 三 羧 酸 循环 进行 比较 可 以 看 出 ， 三 羧 酸 循环 237 乙酰 辅酶 A THER 本 a H,0 NADH, com 顺 乌 头 酸 H,0 NAD 苹果 酸 + TRE 2 & 4 H; O . NADH; 草 酰 琥珀 酸 延 胡 索 酸 F ADH, COz CoASH H,O NAD GrP 矿 珀 酰 辅酶 A GDP Pi CO, NADH; 图 6-6 =RRBASCLMREM (未 标 出 逆反 应 ) 的 综合 效果 是 乙酸 (或 乙酰 辅酶 A) 彻底 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 ; 而 乙 醛 酸 循环 的 综合 效果 是 乙酸 (或 乙酰 辅酶 A) 转变 成 四 碳 二 羧 酸 ， 显 然 这 些 四 矶 二 羧 酸 可 以 进入 三 羧 酸 循环 ， 因 此 乙 醛 酸 循 环 也 是 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 的 补充 方式 之 一 。 乙醚 酸 循环 在 微生物 代谢 中 具有 重要 地 位 ， 它 是 某 些 能 利用 乙酸 作为 唯一 矶 源 和 能 源 的 微生物 的 生长 途径 。 只 要 有 极 微量 的 四 碳 二 羧 酸 作为 起 点 ， 乙 酸 就 可 以 不 断 地 转变 为 四 矶 二 羧 酸 和 六 碳 三 羧 酸 。 可 以 设想 ， 一 部 分 乙酸 通过 三 羧 酸 循环 氧化 供 能 。 另 一 部 分 则 用 作 原 料 通过 乙 醛 酸 循环 生成 四 碳 二 羧 酸 ， 它 们 可 以 逆 丙酮 酸 羧 化 支 路 和 EMP RAE AA, 并 继续 合成 多 糖 也 可 以 利用 外 加 的 氛 源 从 有 关 的 酮 酸 转变 为 氨基 酸 ， 合 成 蛋白 质 ; 238 而 乙酸 通过 乙酰 辅酶 A 可 以 合成 脂肪 酸 。 这 样 便 可 以 从 乙酸 出 发 合成 细胞 的 主要 构成 分 ， 满 足 生 长 的 需要 。 (五 ) 柠檬 酸 发 酵 微生物 能 进行 三 羧 酸 循环 已 有 了 充分 证 据 。 在 正常 的 三 羧 酸 循环 中 ， 各 种 中 间 产 物 是 不 会 被 大 量 积累 的 。 为 使 循环 的 中 间 产 物 或 由 它 为 原料 进一步 形成 其 它 产物 作为 微生物 的 发 酵 产 物 而 大 量 积累 ， 则 要 解决 两 个 基本 问题 : 第 一 ， 用 一 种 方法 来 阻止 三 羧 酸 循环 某 一步 又 的 进行 ， 从 而 可 大 量 积累 反应 阻 断 以 前 的 某 些 中 间 产 物 。 第 二 ， 由 于 三 羧 酸 循环 的 被 阻 断 (或 是 大 大 减弱 ) ， 必 须 具有 不 断 补充 被 阻 断 反应 以 后 的 中 间 产 物 的 机 制 。 这 样 才能 使 所 需 的 中 间 产 物 得 以 大 量 积 累 。 据 此 ， 已 经 能 用 某 些微 生物 在 一 定 的 条 件 下 ， 发 酵 生 产 柠檬 酸 、c- 酮 戊 二 酸 、 延 胡 索 酸 RTM 酸 ) 等 。 现 以 柠檬 酸 发 酵 为 例 加 以 说 明 。 ， 柠檬 酸 发 酵 所 用 的 主要 微生物 为 黑 曲 替 (Asp. niger), xB ” 证明， 在 黑 曲霉 中 具有 三 羧 酸 循环 和 乙 醛 酸 循环 的 酶 系 ， 因 此 柠 檬 酸 可 由 乙酰 辅酶 A 和 章 酰 乙 酸 缩合 而 成 。 然 而 要 使 柠檬 酸 得 以 积累 ， 则 应 设法 阻止 柠檬 酸 的 进一步 反应 。 方 法 之 一 是 ， 根 据 催 化 柠 楼 酸 进一步 反应 的 顺 乌 头 酸 酶 需要 Fe 激活 ， 因 此 可 使 用 无 铁 培养 基 或 在 菌 体 生长 繁殖 到 一 定 阶 段 时 ， 适 量 加 入 亚 铁 氰 化 钾 ( 黄 血 盐 ) ,使 与 Fett+ 生成 络 合 物 ， 则 顺 乌 头 酸 酶 失 活 或 活力 大 大 降低 ， 结 果 使 柠檬 酸 积累 。 方 法 之 二 是 ， 通 过 诱 变 手段 使 黑 曲 霉 的 变异 菌株 的 顺 乌 头 酸 酶 缺损 或 活力 很 低 ， 这 样 就 相当 于 亚 铁 氨 化 钾 的 抑制 ， 于 是 使 柠 楼 酸 积累 。 不 论 用 上 述 哪 一 种 方法 来 获得 柠檬 酸 ， 都 是 阻 歇 了 微生物 正 ”党 进 行 三 羧 酸 循环 的 结果 ， 然 而 柠檬 酸 的 积累 必须 不 断 地 供应 足 “” 够 的 乙酰 辅酶 A 和 章 酰 乙酸 。 其 中 乙酰 辅酶 A 可 由 丙酮 酸 氧 化 脱 羧 供应 ， 而 草 酰 乙酸 则 通过 丙酮 酸 羧 化 支 路 供应 。 于 是 柠檬 酸 发 酵 的 可 能 途径 可 以 归结 如 下 ， 239 和 和 r oe 3 —ete sessed CO> EMP 途 径 CH,CO~SCoA pH Og C20——<— 乙酰 辅酶 A iris ‘ 丙 贾 酸 cane Hi “COOH gc, 9. Cones HO-C+COOH = 71K Mi Car pe . CH, - COOH ae Re -COOH | CHOH—COOH SS CO-COOH % 2A 苹果 酸 草 酰 乙酸 黑 曲 替 能 分 泌 淀粉 梅 ， 所 以 可 用 淀粉 质 原料 直接 发 酵 生 产 柠 样 酸 。 call 值得 注意 的 是 ,三 次 酸 循环 是 微生物 生长 所 需要 的 代谢 途径 ， 因此 在 柠 楼 酸 发 酵 时 应 当 注 意 满足 微生物 菌 体 生 长 的 需要 ， 在 阻 断 柠 楼 酸 进一步 反应 时 ， 可 采用 使 顺 乌 头 酸 酶 活性 大 大 降低 而 又 不 完全 失 活 的 办 法 ， 或 者 在 菌 体 生长 到 一 定 阶段 后 ， 才 阻 断 柠 楼 酸 的 进一步 反应 。 三 、 单 磷酸 己 糖 途径 QHMP 途径 ) 葡萄 糖 可 以 经 由 EMP 途径 和 三 羧 酸 循环 进行 代谢 ， 在 大 多 数 情况 下 这 些 途 径 是 糖 类 代谢 的 主要 途径 。 微 生物 在 利用 乙酸 、 烃 类 、 脂 肪 等 作为 唯一 碳 源 时 ， 由 乙 醛 酸 循环 作为 补充 ， 也 是 经 上 述 途径 进行 代谢 的 。 然 而 还 有 一 条 普遍 存在 的 葡萄 糖 降 解 途径 ， 这 条 途径 的 特点 是 从 6- 磷 酸 葡 糖 出 发 经 脱 氨 生 成 6-H DE 后 就 氧化 脱羧 分 解 成 CO 和 磷酸 戊 精 ， 即 在 单 磷酸 已 糖 基础 上 开 始 降解 ， 因 此 常 称 为 单 磷酸 已 糖 途径 ( 即 MP 途径 )。 分 解 生 成 的 磷酸 戊 糖 经 异 构 化 及 一 系列 转 酮 基 和 转 醛 基 作 用 ， 可 以 重新 组 成 克 酸 已 糖 。 因 此 这 条 途径 又 被 称 为 磷酸 戊 糖 循环 或 磷酸 戊 糖 支 路 。 240 ee ae cl 一 ~ (—) HMP 途径 的 生物 化 学 过 程 葡萄 糖 首先 经 EMP 途径 的 第 一 步 反 应 进行 磷酸 化 ， 生 成 6- ， 磷酸 葡 糖 ， 然 而 进入 HMP 途径 。 反 应 在 细胞 质 中 进行 。 BMP 途径 的 反应 比较 复杂 ， 通 常 可 以 分 为 两 个 阶段 ， 第 一 Or BLOC Mei Ras 第 二 Br Bok rls ie se BE Be ST ew a ae A is ae aire * ’ pp Aree 一 os id: “GER Oe ENR Nw Se death BP REY OS gh AN Se ge Se Ch a ne hPa MOAN PF Gites eas: ei Meena Cea YS er A Bagh Risa Oh ai RAS tee eaten Ay ee, eee ae xe 第 一 阶段 ， 由 6 -磷酸 交 术 开始 ， SEALE. OKA. ICON 等 反应 生成 5- 磷 酸 核 酮 糖 和 二 氧化 碳 。 (1) 6- 磷 酸 葡 糖 的 脱 氨 6- 磷酸 葡 糖 由 6- 磷 酸 葡 糖 脱氧 酶 催化 ， 脱 气 生 成 6- 磷 酸 葡 糖 内 酯 此 酶 的 辅 枉 为 NADP， 反 应 受 Mg ”激活 。 2 ees | H | —OH 加 一 EEC 一 于 6- 磷酸 葡 糖 脱 氨 酶 Mgt+t+ i= C08 | | A) | O + H 7 一 O 丽 BOs ] Saat | are " OF LS Homes ri Oa 6- 磷 酸 葡 糖 CH,O—® 6- 磷 酸 葡 糖 内 酯 二 ADPH, (2) 6- BFS FAV VB 6- ERG TE AB oT EL 43 ZAC 下 core rate aie ) H—C—OH HO—C—H | 内 酯 酶 | peak O +H,0 oe BE eee ge | 6- 磷 酸 葡 糖 酸 CH,O—® 6— te 1H HE AN 241 6- 磷 酸 葡 糖 酸 ， 但 实际 上 存在 着 内 酯 酶 的 催化 作用 。 (3) 6- 磷 酸 葡 糖 酸 氧化 脱羧 生成 5- 磷 酸 核 酮 糖 ” 反 应 由 6- 磷酸 葡 糖 酸 脱 气 酶 催化 ， 此 酶 同时 具有 脱 气 和 脱羧 能 力 ， 辅 酶 为 NADP, 反应 中 生成 3- 酮 -6- 磷 酸 葡 糖 酸 为 中 间 产物 。 反 应 为 Mn ”所 激活 。 COOH ope CH, OH -H-C-OH H-C-OH ole) [6 eR HIE = § HO-C-H " | ~ |= H-C-OH +COs, af ie H-C-OH| ~©-OHNaDP = NADPH:| |_| H-C-OH H-C-OH ae Beis 7 CH;0-® 2 6- BRR Ai PHAR 3- 酮 -6- 磷 酸 葡 精 酸 «= SRR 第 二 阶段 ，5- 磷 酸 核 酮 糖 反复 通过 异 构 化 、 转 酮 基 、 转 醛 基 “ey, Feit EMP 途径 ， 又 重新 生成 6- 磷 酸 葡 糖 。 (4) 磷酸 戊 糖 的 相互 转化 ”5- 磷 酸 核 酮 糖 在 两 种 不 同 的 异 构 RRC, RAE SSICE, AERATOR ee. RN ZERRAR 核糖 异 构 酶 催化 下 生成 5- 磷 酸 核糖 ;在 磷酸 木 酮 糖 -3- 差 向 ( 异 构 ) 酶 (又 称 磷 酸 木 酮 糖 表 异 构 酶 或 酸 木 酮 糖 立体 异 构 酶 ) 催 化 下 ， He je 5 - Bie RAR Ba BE | CH,OH ii C 一 0 H—C—OH 磷酸 核糖 异 构 酶 | H—C—OH pS ANS PRI aes H—C—OH H reine CH,O—® CH,O—® 242 . copie CH,OH c=0 CO 磷酸 木 酮 糖 -3- 差 向 ( 蜡 构 ) 酶 | H—C—OH ee Re H—C—OH H—C—OH | CH,O—® CH,O—® «5 - RRA 5- 磷 酸 木 酮 糖 (5) 转 酮 梅 反 应 5- 磷酸 木 酮 糖 在 转 酮 酶 〈 又 称 转 二 碳 酮 基 酶 ) 催 化 下 ， 将 一 个 二 矶 的 GHzOH 一 GO 一 基 转 移 给 5-H RE, 生成 7- 磷酸 景 天 庚 酮 糖 ， 本 身 则 变 成 3- 磷 酸 甘 油 醛 。 转 酮 酶 的 辅酶 是 焦 磷 酸 硫 胺 素 (TPP)， 反 应 受 Mgt+ 激活 。 pad rae C= i: Sage 全 We SS ' | 转 酮 酶 CHO HOCH i n—C--OH : 5 a TPP,Mg+t H—CG—OH a --On BGO CH.O—® CH,O—® \ CH,O—® : 5- 磷 酸 木 酮 糖 5- 磷 酸 核糖 SRR hE te ba HO} C--H CH,O—® 7- 磷 酸 景 天 庚 酮 糖 (6) 转 醛 酶 反应 7- 磅 酸 景 天 庚 酮 糖 在 转 醋 酶 (又 称 转 三 矶 酮 基 酶 ) 催化 下 ， 将 一 个 三 碳 的 GHzOH 一 GO 一 GHOH 一 基 转移 243 给 3 -磷酸 甘油 醛 ， 生 成 6- 磷 酸 果糖 ， 本 身 则 变 成 4-Bb wR ote a fi CH,OH ED- 一 各 一 下 CHO CHO C=O -H—C—OH + H—C—OH = H—C—OH + HO—C—H H—C—OH CH,O—® H-—C—OH H—C—OH H—C—OH CH.O—® H—C—OH CH,O—® ” CH,O—® 7- 磷 酸 景 天 庚 酮 糖 3- 磷 酸 甘 油 醛 4- BEAR as BE BE 6- 磷 酸 果糖 (7) 转 酮 酶 反应 ”前 述 反应 ( 4 ) 生 成 的 5- 磷 酸 木 酮 糖 在 转 柄 ” 酶 催化 下 ， 将 一 个 二 碳 的 GHzOH 一 GO 一 基 转 移 给 反应 (6 ) 生 成 的 4-BRRR AR BEBE, AE 6- 磷 酸 果糖 ， 其 本 身 则 转化 成 3- 磷 酸 匡 油 醛 。 ies C=O CHO CHO | bE il Pag | HO—C—H + H—C—OH ZW —H—C—OH . : | TPP,Mgt* | H—C—OH H—C—OH CH,O—® 这 CH,O—® CH,O—® 5- 磷 酸 木 酮 糖 4- BEAR ap BE DE 3-BRAR HE oka tg HO— : —H H— —OH H— a —OH CH.O—® 244 eA ie (A) ~(T) HE, AL WLR HEB ERIE Tal 基 团 转移 作用 ， 重 新 生成 磷酸 已 糖 和 磷酸 丙 糖 ， 即 由 3 分 子 磷酸 戊 糖 [反应 (5)、(7)] 转 变 成 2 分 子 6- 磷 酸 果糖 [反应 (6)、 (7)] 和 1 分 子 3- 磷 酸 甘油 醛 [ 反 应 (7)]， 而 3 分 子 磷酸 戊 糖 则 可 由 3 分 子 6- 磷 酸 葡 糖 生成 [反应 (1) 人 (3)]。 上 述 反应 可 归结 为 图 6-7。 3NADP = 3 x 6- 磷 酸 葡 糖 3NADPH2 q 3 x 6- BER A itis Be v7 io mo | ® 5 3 x 6- PRTC | 6 wRR 2 e-BRE i | - 3NADP lo | © 3NADPH; | 6- 磷酸 果糖 3- 磷 酸 甘油 醛 3C0; oS 3 @ | , - Beak BEE 5- BEAK aE 4 me | 7- 磷 酸 景 天 庚 铜 业 5 -磷酸 核 2 emeae | 图 6-7 HMP GCM IXIA) (8) 反应 (6)、 (7) 生 成 的 6- DRE ALBEE IPB CS PE Tie 化， 可 转化 成 6- 磷 酸 葡 萄 糖 。 (9) 反应 (7) 生 成 的 3- 磷 酸 甘 油 醛 在 磷酸 两 糖 异 构 酶 的 催化 下 可 以 转化 为 磷酸 二 羟 丙 酮 ， 此 二 种 磷酸 两 糖 可 以 关 EMDP 途径 生成 6- 磷 酸 葡 糖 。 ”综合 HMDB 途径 的 反应 过 程 可 以 看 作 有 6 分 子 6- 磷 酸 葡 糖 同 时 参加 反应 ， 经 过 脱 扎 、 氧 化 脱羧 作用 [反应 (1) 人 (3)] 生 成 6 分 子 二 氧化 碳 和 6 分 子 磷 酸 戊 糖 ， 脱 下 的 氢 则 转移 给 NADP, 生成 12 分 子 NADPH2:。 6 分 子 磷酸 成 糖 经 异 构 化 及 分 子 间 基 团 转 移 245 作用 [反应 (4) 人 (7)]， 生成 4 分 子 6- 磷 酸 果糖 和 2 分 子 3- BER 甘油 醛 ， 又 通过 反应 (8) 一 (9)， 最 终 又 生成 5 OF 6- 磷 酸 Hi 糖 (图 6-8)。 由 图 6-8 可 以 看 出 ，6 分 子 6- RBA AMP 途径 代谢 的 结果 ， 重 又 生成 5 分 子 6- 磷 酸 葡 糖 。 可 以 认为 只 有 1 分子 6- 磷酸 葡 糖 被 彻底 分 解 ， 生成 6 分 子 二 氧化 碳 。 同时 产生 12 分 子 NADPH,, 其 总 反应 式 可 归结 为 ; 6 x 6- 磷 酸 葡 糖 十 7 HOT12 NADP—>5 x 6- 磷 酸 葡 糖 十 6 CO: 十 12 NADPHs 十 HaPO, 或 6- 磷酸 葡 糖 十 7HzO 二 12 NADP—— 6CO, +12 NADPH,+H;PO, / 在 有 氧 条件 下 ， NADPH, 上 的 氢 可 经 转氨酶 .的 作用 转 给 NAD, 然后 经 呼吸 链 ， 最 终 传 递 给 分 子 氧 ， 同 时 由 电子 传递 磷酸 化 产生 ATP, 12 NADPH, +12 wap 12 NADP+12 NADH, 12 NADH, +6 O,—>12 NAD +12 HzO 由 电子 传递 磷酸 化 产生 36 ATP, Bl, 36 ADP+ 36 HPO, 一 >36 ATP+36 H,O ” 则 了 MP 途径 的 最 终 反 应 式 可 写成 6- 了 磷酸 葡 糖 十 6 0* 十 36 ADP+35 H;sPO,—>6 CO,+36 ATP 十 41 H,O 如 反应 从 葡萄 糖 开 始 时 ， 因 ， 葡萄 糖 十 ATP 一 >6- 磷 酸 葡 糖 十 ADP 故 上 式 可 写成 ， C,H,,0.+6 0* 十 35 ADP 二 35 HPO, 一 >6 CO: 十 35 ATP+41 H,O 如 不 计 ADP 磷酸 化 的 水 分 子 出 入 ， 则 上 和 式 可 写成 ， CsHi0, 十 6 0; 十 35 ADP+35 H;,PO,—>6 CO, +6 H,O+35 ATP 由 上 式 可 见 ， 葡 萄 糖 在 有 氧 条 件 下 也 可 经 由 AMP 途径 彻底 氧化 成 二 氧化 碳 和 水 ， 并 产生 与 葡萄 糖 经 EMP 途径 和 三 RAIA 环 彻底 氧化 时 相当 量 的 ATP(35 ATP), 此 能 量 可 供 生 物体 生命 活动 之 用 。 246 Sr ey a tae ad bs 7, 7 aA aos ye 四 a . 4 六 和 . ix; P3 Sa a v4 ‘ ae one Sah, 4 s 了 4 » 4 a . % ‘ 5 ¥ 了 ? : ~ » + Be8 Ten ered : rare ~ gt? AA et yy 3 4 fs ee i: y 二 pe eee ph od Via ete wpe 4 SOT BMP 途径 中 产生 的 大 量 NADPH, 更 重 要 的 功能 在 于 合成 _ 脂肪 的 代谢 ， 在 脂肪 酸 的 合成 过 程 中 需要 大 量 NADPH, (FIL 七 章 )。 此 外 ， NADPH, 也 可 用 来 (或 通过 NADH;) 还 原 其 它 有 Hy, Aik, MHRA 了 MP 途径 可 以 进行 有 氧 分 解 代谢 ， 也 _ 可 以 进行 无 氧 分 解 代谢 。 HMP 途径 的 中 间 产 物 磷酸 戊 糖 ， 特 别 是 5- 磷 酸 核糖 是 合成 核酸 和 合成 含有 核 苷 酸 结构 的 辅酶 (如 NAD 等 ) 以 及 合成 组 氨 酸 的 原料 。\ 此 外 ， 其 它 中 间 产 物 如 4- 磷酸 赤 BE WE, 7 BERRI Be Me, LARS SRAM TK. | BRR URE TERE WE Dy HUB RE RAE 2,3- 裂 解 作 用 ， 生 成 二 矶 和 三 矶 化 合 物 。 。 例如 5- 磷酸 木 柄 糖 的 2,3- 裂 解 反应 ， 反应 由 杰 酸 解 酮 酶 催 化 ， 焦 磷酸 硫 胺 素 为 辅酶 。 CH,OH ae CHO Vea 十 HsPO， H— Lage + H—C—OH CH,O—® CH,O—® 5— BERR AC ABE 3— BERS HEE O 4 乙酰 磷酸 3 J ‘ AUR BPH 3 BERT HIREMEA EMP G&S, CREBRNOTE 磷酸 转 乙 酸 酶 的 催化 下 ， 生 成 乙酰 辅酶 A, 它 可 进入 三 羧 酸 循环 。 9 CoASH Pi 9 CHa 一 C Berens OS EBECKSS CH, eg HMP 途径 可 以 看 作 是 EMP 途径 的 支 路 ,HMP 途径 从 EMP 途径 中 的 6- 磷酸 葡 糖 开始 ,最 终 又 可 回 到 EMP 途径 中 (图 6-11)。 大 多 数 微生物 往往 同时 具有 EMP 途径 和 下 MP & 径 的 酶 系 ( 表 247 6-8)， 所 以 也 MP 途径 中 生成 的 6- 磷 酸 果糖 或 3- 磷 酸 甘 油 醛 并 不 一 定 转 回 生成 6- 磷 酸 葡 糖 , 相 反 却 可 经 历 EMP 途径 进行 代谢 。 (=) 异型 乳酸 发 酝 异型 乳酸 发 酵 是 糖 经 AMP 途径 进行 的 发 酵 作 用 ， 产 物 除 乳 酸 外 ， 还 有 乙醇 和 二 氧化 碳 。 进 行 异 型 乳酸 发 酵 的 微生物 有 肠 膜 状 明 串 珠 菌 ( 世 excozostoc mesenteroides), $4 %| FF fj (Lactobacil- lus brevis), #€ $n FL4AF A (Lac. lycopersict) Ba NE FLAT Ba (Lac, ‘manitopoeum))) Ke Fi ba PARA Se 7S FL Be Ze BY FE Fe (1) 葡萄 糖 经 了 MP 途径 降解 为 5- 磷 酸 核 酮 糖 ,并 异 构 为 5- 磷酸 木 酮 糖 。 (2) 5- 磷 酸 木 酮 糖 进行 2, 3- 裂 解 反 应 ， 生 成 a 和 乙酰 磷酸 。 (3) 3- BRIT ARES : EMP 途径 生成 乳酸 ; ZR Bi RIS 成 乙醇 ， 还 原 所 需 的 所 来 自 了 MP 途径 中 6- 磷 酸 葡 糖 的 脱 氢 及 6- 磷 酸 葡 糖 酸 的 氧化 脱羧 。 乳酸 的 生成 2ADP+Pi 2ATP 3- BERG H ih we = 乳酸 EMP 途径 Q@ 乙醇 的 生成 乙酸 激酶 po CH; - Pan 乙酰 磷酸 醛 脱 氨 酶 CH;C OOH CH; CHO 乙醚 NADH, NAD (NADPH,) (NADP H, ) CH;CHO CE CLLCHLON 乙醇 NADH, NAD, 248 异型 乳酸 发 酵 可 归结 为 图 6-9。- Bi aE 2 Be ADP 6 -磷酸 葡 糖 5- 磷 酸 核 酮 糖 5- 磷 酸 木 酮 糖 priz ‘ 乙酰 磷酸 3- 磷 酸 甘 油 醛 a sp 2ADP +|Pi Ae x EMP 途 各 . 2 >» : 和 6-9 葡萄 糖 的 异型 乳酸 发 酵 发 酵 总 反应 式 为 : CeHis0s 十 2 ADP+2 HaPO, 一 >CHsCHOHCOOH 十 葡萄 糖 乳酸 CH,CH,OH+CO,+2 ATP -乙醇 四 、 脱 氧 酮 糖 酸 途 径 (ED 途径 ) 时 微生物 除 通过 EMP、TGA 9K HOM 等 途径 对 葡萄 糖 进行 降 。 。 解 外 ; 某 些微 生物 还 能 通过 脱氧 柄 糖 酸 途 径 (又 称 ED 途径) 降解 。 这 条 途径 的 特点 是 形成 脐 氧 酮 糖 酸 并 由 此 裂解 为 2 个 三 矶 化 合 物 ， 从 而 使 葡萄 糖 降 解 。 (一 ) ED 途径 的 生物 化 学 过 程 (1) 葡萄 糖 首先 经 AMP 途径 的 前 三 步 生 成 6- 磷 酸 葡 糖 酸 ，、 它 不 再 进行 氧化 脱羧 ， 而 是 在 脱水 酶 的 催化 下 进行 脱水 反应 ， 生 成 2- 酮 -3- 脱 氧 -6- 磷 酸 葡 糖 酸 ， 反 应 需 Fe ”和 谷 胱 甘 肽 ， 基 本 上 不 可 逆 。 COOH ite : COOH H—C—OH poe ree HO—C—H 脱水 酶 CH CH, RET ax H~— CO: H—-C—OH H—C—OH HCO H—C—O0OH CH,O—® 、 CH,O—® CH,O—® 6- 磷 酸 葡 糖 酸 2- 酮 -3- 脱 氧 -6- 磷 酸 葡 糖 酸 (Jan BPSK) ( 酮 式 ) (2) 2- 酮 -3- 脱 氧 -6- 理 酸 葡 炉 酸 在 脱氧 柄 糖 酸 醛 缩 酶 催化 下 发 生 3,3- 裂 解 ， 生成 3- 磷 酸 甘油 醛 和 丙酮 酸 ， 这 是 王 D 途径 的 特征 性 步 又 。 2 ee C-<=0 | COOH CHO CH, 、 脱氧 酮 糖 酸 醛 缩 酶 | | FET SS C=O + H~+C—OH H—C—OH | CH; CH.O—® H—C—OH 丙酮 酸 3- 磷 酸 甘 油 醚 CH,O—® 2- 酮 -3- 脱 氧 -6- 磷 酸 葡 糖 酸 该 反应 可 闭 ， 平 衡 偏向 裂解 方向 。 7 反应 中 生成 的 3— RRR TARE AT A. EMP 途径 生成 丙酮 酸 ， 最 终 是 1 分 子 葡 萄 糖 降解 成 为 2 分 子 丙酮 酸 。 250 =) mm eee ae > Be Ta Qntk Ee Ale fpisinisaanes lindneri) AREER (Ps.saccharophila) FL AGREE HHT I RE 即 是 通过 ED 途径 进行 的 (图 6-10), 7 ED 途 径 中 ， 丙酮 酸 只 有 工分 子 来 自 3 -磷酸 甘油 醛 , 只 能 形成 2 分 子 ATP, 扣除 葡萄 二 ， 糖 兢 酸化 消耗 的 1 分 子 ATP， 净 得 1 分 子 ATP。' 故 其 总 反应 式 4 a Sele eae ae aR ATP ADP 6--FRGR 6- 磅 酸 桨 糖 酸 2- 柄 -3- 脱 氧 -6- 磁 酸 葡 糖 酸 251 Ty Wi) BAPE ER EA A IRA 葡萄 糖 的 主要 降解 途径 有 EMP RB, SR. CRM 循环 和 MP 途径 等 ， 其 相互 联系 如 图 6-11 所 示 。 葡萄 糖 smite SCO! BO EMP iéf& | f ap 放生 磷酸 丙 糖 5- 磅 酸 成 粮 WE 乙醇 、 乳酸 、 ~ siete | eee 乙酰 辅酶 人 A BRR TCARY 2 CO: Pye i 图 6-11 葡萄 糖 降 解 途径 的 相互 联系 很 多 微生物 具有 上 述 四 条 代谢 途径 的 全 部 酶 系统 ， 所 以 可 以 通过 这 四 条 途径 进行 代谢 。 从 图 6-11 可 以 看 出 丙酮 酸 是 四 条 途 径 的 中 心 物质 ， 葡萄 糖 在 无 氧 或 有 氧 的 情况 下 都 可 以 通过 EME- a AMP 途径 生成 两 酮 酸 ， 内 酮 酸 在 无 氧 条 件 下 可 以 生成 各 种 不 同 的 代谢 产物 ， 在 有 氧 的 条 件 下 则 通过 三 羧 酸 循环 (以 乙 醛 酸 循 环 为 补充 ) 彻 底 氧 化 。 因此 ， 根 据 葡萄 糖 在 有 氧 或 无 氧 条 件 下 的 降解 代谢 ， 可 以 将 葡萄 糖 的 分 解 代 谢 区 分 为 葡萄 糖 的 有 氧 降解 和 无 氧 降解 。 (一 ) 葡萄 糖 的 无 氧 降 解 ”葡萄 糖 经 EMDP 途径 (或 同时 通过 部 分 MP 途径 ) 生成 磷酸 252 ， ae de eas aE RE ie A woe ym Tih, FIG RPMIRE, 由 BE RR 丙 糖 或 丙酮 酸 生成 各 种 代谢 产 物 。 HM PRE | a 4525 Pk > 0-BEM SE A. SL. TM, TS Whe CA SEE ie pipe ce aD wa aE : EMPRE (=) 葡萄 糖 的 有 和 氧 降解 不 同 微生物 的 有 氧 降 解 途 径 各 不 相同 ,通常 有 下 列 三 种 情况 ， (1) HMP 途径 ”少数 细菌 是 以 了 MP 途径 为 唯一 的 有 氧 降 解 途径 。 (2) EMP 途径 、TGA 环 、 sual 以 此 种 方式 进行 有 氧 降 解 的 微生物 不 多 。 (3) EMP 途径 、HMP 途径 、TGA 环 和 乙 醛 酸 循 环 大 多 ; 数 微生物 都 以 此 途径 进行 有 氧 降 解 。 由 此 可 见 ， 不 论 是 有 氧 降解 还 是 无 氧 降 解 ， fer Tae 酮 酸 ， 大 多 数 微 生物 都 是 同时 通过 EMP AMP 途径 进行 的 。 至 于 EMP SUMP 途径 的 比例 ， 则 因 不 同 的 微生物 而 异 ( 表 6- 4) 。 一 般 说 来 了 MP 途径 的 比例 要 比 EMP 途径 小 得 多 。 表 6-4 几 种 微生物 的 葡萄 糖 降 解 途径 的 比例 微 生 物 — | EMP(%) | HMP(%)| ED(%) 黄色 短 杆 菌 (Brevibacterium flavum) 90 10 es 产 蛋白 假 丝 酵母 (Candzda utilis) 50~96 4~50 一 - nip JP EE (Saccharomyces cerevisiae) 94~96 4~ 6 一 KARE (Rhizopus oryzae) — 100 一 a. f° R BB (Penicillium chrysogenum) 42 58 一 HERG E (Penicillium digitatum) 77 一 “83 17~23 =— TR 4 $E 22 i (Streptomyces griseus) 90~97 3~10 一 - 粗糙 脉 孢 菌 (ZVeurospora crassa) 90 10 一 SAAR AR th 2G (Caldariomyces fumago) 一 35 65 WH WA 2B) eT illetia caries spores) 一 - 一 - 100 253 (=) 葡萄 糖 有 氧 降解 和 无 氧 降解 的 比较 ( 见 表 6-5) 表 6-5 葡萄 糖 有 和 氧 降解 和 无 氧 降解 的 比较 有 A Wit 无 2 we 解 (ees Be fi? @ |EMP,TCA| HMP __EMP | ie HSA Oz Oz 代谢 中 间 产 物 ， 如 乙 醛 、 丙 酮 酸 ……- 最 & F* HM | CO2+H20 | CO.+H20 Wahi, FL: 产生 ATP 数 目 38 35 2 J 第 五 节 ， 其 它 已 糖 的 降解 微生物 除 能 降解 利用 葡萄 糖 外 ， 对 于 其 它 己 糖 ， 如 果糖 、 半 乳糖 、 甘 露 糖 等 也 能 吸收 利用 进行 降解 。 例 如 酵母 菌 除 能 利用 葡 萄 糖 进行 酒精 发 酵 外 ， 也 能 利用 果糖 、 甘 露 糖 进行 酒精 发 酵 。 其 它 己 糖 在 微生物 体内 的 降解 代谢 ， 一 般 先 转化 成 葡萄 糖 或 果糖 的 磷酸 酯 ， 然 后 进入 上 节 所 述 的 各 种 代谢 途径 继续 降解 。 一 、 采 糖 的 降解 果糖 也 是 大 多 数 异 养 微生物 能 吸收 利用 的 一 种 已 糖 。 在 自然 : 界 分 布 广泛 ， 它 以 游离 状态 存在 于 植物 的 绿色 部 分 、 花 的 蜜 腺 、 甜 果 实 及 蜂蜜 内 ， 它 也 是 蔗糖 和 果糖 胶 ( 如 菊 糖 ) 的 组 成 成 分 。 果糖 的 降解 通常 有 下 列 两 种 情况 : (一 ) 果糖 经 6- 磷 酸 果糖 的 降解 果糖 由 己 糖 激酶 俱 化 ， 在 ATP 参与 下 ， 生 成 6-BERR 果糖 ， 进入 EMP 途径 。 254 —_ EMP#®@ -二 (=) 果糖 经 1- 磷 酸 果糖 的 降解 果糖 由 果 精 激 酶 (或 己 柄 精 激 酶 ) 催 化 ， 在 ATP BGS, A: RUA ~ CH, OH CH, O-(®) er? 2 vl [ ‘OH | | Ez OH 4 - cA ; | Ho-6-H 果糖 激酶 ; Mer HO-C-H | | H-C-OH} HAO | se | ATP ADP 了 -5 CH: CH; 0H Re 1 BERR 1-BEBA TE RRA EE 46, ZEATPB SP, AR 6- 二 磷酸 有 果糖， 进入 EMP 途径 。 CH,0-® ae l On cho ® C | 磷酸 果 精 激酶 ， ee fs H Hi H-C-OH'O-——— EMP hp ADPH ¢.. 中 CH,0 -®) * 1,6-— BERR 255 ‘\ -一 | 矶 酸 果 糖 也 可 由 二 磷酸 果糖 醛 缩 酶 催化 ， 进 行 3,3- 烈 解 He REF HMR FUR I CH,O—® gare C CH,O—® CHO : | HO 6-H 1- BER PRR aay ~=C—O +H— O--e 0 二 一 一 | H—C—OH | CH,OH CH,OH H—C CH,OH . 1- 磷 酸 果糖 EMR A 甘油 醛 反应 生成 的 克 酸 二 羧 丙酮 可 进入 EMP 途径 ， 甘 油 醚 由 丙 糖 激酶 催化 ， 在 ATP 参与 下 ， 生 成 3- 磷 酸 甘油 醛 ， 也 进入 了 MP 途径 。 CHO 两 糖 激酶 Mg+ ois H- é - OH . H-C-OH-=EMP 途径 | CHOH ATP ADP | CH,O-® +h ihe 3- 磷 酸 甘油 醛 ， 果糖 的 降解 可 归结 为 图 6-12( 见 257 页 )。 二 、 半 乳糖 的 降解 半 强 糖 一 般 以 结合 态 存在 于 双 精 如 乳糖 、 密 二 糖 ; Sth 子 糖 ， 多 精 如 琼脂 、 半 纤维 素 中 。 六 强 糖 的 降解 是 通过 一 系列 反应 ， 使 其 转化 成 二 克 酸 BE, 然后 在 磅 酸 葡 糖 变 位 酶 的 催化 下 ， 可 转化 成 6- 磷酸 葡 糖 ， 再 进 入 葡萄 糖 的 降解 途径 。 半 强 糖 转化 为 二 磷酸 葡 糖 的 中 心 物 质 是 RA 256 6- 磷 酸 葡 粮 MC WA Be 6- 磷 酸 果糖 ATP ADP mons ial : ATP ; 果糖 激酶 At 磷酸 已 糖 激 酶 ei 4 ADP age: > ADP 3 磷酸 果糖 激酶 - 196- 二 磷酸 果糖 ATP ADP ae to RB pet ae 甘油 梧 丙 糖 激酶 ssi ae > ATP ADP 7 EMP? 图 6-12 SA i (UDPG), 其 转化 过 程 如 下 (一 一 ) 1- 磷 酸 半 乳 糖 的 生成 半 乳 糖 由 半 乳 糖 激酶 催化 ， 在 ATP 参与 下 ， 生成 1- 磷 酸 半 FUR. RPL Me** BF b~ | soe . 4S lar H-C- OH ) HO-C-H HO-C-H , ee 半 乳 糖 激酶 ，Mg+ | O ; HO-C-H O HO-C-H | “ siti ATP ADP H-¢ 4 CH, OH CH, OH J MeL be 1- 磷 酸 半 乳糖 . £257 (>) 尿 苷 二 磷酸 半 乳 糖 的 生成 1- 磷 酸 半 她 糖 转化 成 尿 苷 二 磷酸 半 乳 糖 有 两 种 情况 二 ， (1) 1- 磷 酸 半 乳 糖 由 尿 昔 二 磷酸 半 忆 糖 焦 磷 酸化 酶 催化 ， 在 UTP 参与 下 生成 尿 苷 二 磷酸 半 乳 糖 。 反 应 受 Mei. H、 (UDP c<0-® : 5 ah fa Ho - 4-8 n | RS NeEA sR, Mgt HO-¢-H | HO-C-H HO-c : | sf \ i, ee PPi os ie, : ee i... 1— pg“ FLO, ; RAG — BRE FL BE (2) 1-BRRRE SLBEZE RAFT PRRREE BENE (RR ORAR AE EL 糖 转 TAR) REC, SRA ORE, A RA es: 孔 糖 和 1- 磷酸 葡 糖 。 H 0 一 @ H UDP a, eae of C C H—C—OH H—C—OH | HO-C—H 0 + HO—-C—H 0 <—*H=GBABM 、 HO-- CF moe tl rO 下 一 人 3 全 CH,OH CH,OH ~ 1- 磷 酸 半 我 粮 尿 苷 二 磷酸 葡 精 258 H=-G—OH ge yee 8 ORS 3 oy ae O HO—C—H H—C—OH ns Bi i ‘ CH,OH CH,OH 尿 苷 二 磷酸 半 乳 糖 ie 1- 磷 酸 葡 糖 (=) 尿 苦 二 磷酸 葡 糖 的 生成 . ASP ILE FL 2 RH) 酶 人 (CR, ARR ORR AHR HH UDP oe . H UDP 1 1 ie ee; 3 : | vega Be . HO—¢ HO. =< 尿 苷 二 磷酸 半 乳 糖 -4- 差 癌 ( 异 构 ) 酶 mitt Sear c —HO 4 a H—C—OH ome : gr CH,OH CH,OH RE-BRBAAGE : RAT RABAT 7% (四 ) 1- 磷 酸 葡 糖 的 生成 RECA WE RC PE RMR IL LIT, BAL 成 1 磷酸 葡 糖 。 259 # « _ « Nid NZ | H-C-OF PPi UTP -4-oH ghee HO-C-H HO-C-H 4 pH wMMROMIC, Mee | 0 H-C-OH iGo ad | sich CH,OH CHOH RR RR 1- 磷 酸 葡 糖 1- 磷 酸 葡 糖 在 磷酸 葡 糖 变 位 酶 催化 下 转化 成 6- 磷 酸 葡 糖 , 进 和 葡萄糖 降 解 途径 。 三 、 甘 喜糖 的 降解 甘露 糖 一 般 以 甘露 糖 胶 的 形式 存在 于 半 纤 维 素 中 ， 以 酶 法 或 酸 法 水 解 半 纤维 素 时 可 得 到 甘露 糖 ， 例 如 亚 硫 酸 纸浆 废 液 中 含有 甘露 糖 。 甘露 糖 的 降解 一 般 先 生成 6- 磷 酸 甘 露 糖 ， 然 后 异 构 化 为 6- 磷酸 果糖 ， 进 入 葡萄 糖 降 解 途径 。 He OE PEE, FEATPASP, A 6- Be RH 露 糖 。 反 应 受 Mg ”激活 。 甘露 糖 6- BERR H OF BE 260 ~ 6-R RE Ht He BE CEES HH Be RAMTEC , 转化 成 6- 磷 酸 果 糖 ， 即 进入 EMP 途径 。 H OH 2G | CH,OH oc —1 i | E—C—OH pier H—C H—C : CH,O—® , CH,O—® 6- BERR H Be te 6- 磷 酸 果糖 ee Los: BRR He) REA D- 核 糖 、LL- 阿 拉 伯 糖 、D- 木 糖 。 工 -阿拉 伯 糖 和 D- 木 糖 通常 以 阿拉 伯 糖 胶 和 木 糖 胶 的 形 式 存 在 于 植物 中 ， 是 粘 质 、 树 胶 和 半 纤 维 素 的 组 成 成 分 。D- 核 糖 及 其 衍生 物 D-2- 脱 氧 核 糖 则 为 核酸 类 物质 的 组 成 成 分 。 戊 糖 能 被 某 些 微生物 利用 。 例 如 亚 硫 酸 纸浆 废 液 中 含有 戊 糖 一 一 工 -阿拉 伯 糖 和 D- 木 糖 ， 常 被 综合 利用 来 培养 产 蛋白 假 丝 酵母 (Canzdzda 03)、 热 带 假 丝 酵母 (C. tropicalis), [tT AA, 成 糖 的 降解 一 般 以 磷酸 戊 糖 的 形式 通过 互 MP 途径 进行 ， 而 后 也 可 进入 EMP 途径 及 三 凑 酸 循环 降解 。 ”一 、D- 木 糖 的 降解 某 些 微生物 降解 D- 森 糖 的 过 程 如 下 ， 261 CHO CH,OH . H—C—OH H—C—OH wane mE Ua _| pomp HO—C—H <=> <>HO ¢ Ht <2 > Hn 2¢—oH NADPH: NADP, 6 0, NAD NADH: CH,OH CH.OH D- 木 糖 木 糖 醇 也- 木 糖 异 构 酶 a8 aes — bia Y Mott HO—C—H DASE ES Ho-c— —>HMP 途径 aah Cae Gea IE a ee CH,OH ' CH,O—® 卫 - 木 酮 糖 \、 5- 磷 酸 木 酮 糖 D- 木 糖 通过 氧化 还 原作 用 或 异 构 化 作用 转化 为 D- 木 酮 糖 ， D- 木 酮 糖 通过 磷酸 化 作用 生成 5- 磷 酸 木 酮 BE (5-9 酸 -D- 木 Pid 糖 )， 即 可 进入 HMP 途径 。 D- 核 糖 的 降解 D- 核 糖 由 了 -核糖 激酶 催化 ， 在 ATP 参 与 下 ， 生 成 5- 磷酸 核糖 。 | CHO CHO H-c-oH?P ADP H-C-oH H-C-OH DERM, Mg? H-C-ofH -一 一 一 HMP 途 径 和 H-C-OH H-C-0H 3 ¢H,0H | cHO-@ f D- 核 精 5- 磷 酸 核 精 262 所 生成 的 5- 磷酸 -D- 核 精 (5- REAR BORE) 即 可 进 入 了 MP 途 径 。 f ~ 三 、 工 -阿拉 伯 糖 的 降解 EL- 阿 拉 伯 糖 在 生物 体内 的 降解 是 通过 氧化 还 原作 用 生成 工 - - 木 酮 糖 ，L- 木 酮 糖 经 再 次 氧化 还 原作 用 转化 成 D- 木 酮 糖 ，D- 木 酮 糖 经 磷酸 化 作用 转化 为 5- 磷 酸 木 酮 糖 。 在 某 些 微生物 中 工 - 阿 “ 拉 伯 精 可 以 通过 异 构 化 及 磷酸 化 作用 转化 为 5- 磷 酸 木 酮 糖 ， 然 后 进入 也 ME 途 径 。 其 代谢 途径 可 综合 如 图 6-13, VO, Tepe PLB Be Be PLES EA PA RESLAF EA (Lactobacillus pentosus) 、 肠 膜 状 明 Ha Pk Aj (Leuconostoc mesenteroides) , i rh fy RT) A (Fusarium) BELA RET LRA. Rw ee Re bide HE he 5- 磷酸 木 酮 糖 ， 然 后 进行 2, 3- 裂 解 作 用 生成 3- WER RE 7 CBE 磷酸 ， 最 后 分 别 生成 乳酸 和 乙酸 。 xz Ps “ “CH, - é-0-®~ ae ga Z BEBE RS se ATPADP a a: | a Js atc 2ADP+Pi 2ATP GH: CH,0 -@) 乳酸 3- 磷 酸 甘 油 醛 总 反应 式 为 ， C,H,,.0O,+ 2Pi+2 ADP—>CH,CHOHCOOH+CH,COOH+2 ATP 成 糖 FL 一 乙酸 ~ 263 il -c.-Wts ¢ @-0'> ae HO-O-H 34 Ft My sl 14) TF fil—T 8T-9 国 dN, H-9-oH anne ee | O 〇 = HOM ddv 23 ‘RRB Y-C dLV weit ¥-Cl HO'HD Wy HO'HS : | HGOVN YN HO-9-H HO- Ae | oO a HOTHD Ha le THA caste i A-1-Wia-¢ 1 A-1-Wiee-s yin o| Hii ¢-'1-Hlea-s i -T- te - @-o0HD dQvVN 1dGVNO i J a B HO -4-n! ! HOH) S nm rT EE —1 H- ao HO~ > -H HO'HD 264 ~ - 条 oe 人 1. 糖 类 物质 在 生物 体内 起 什么 作用 ? 2. 微生物 怎样 消化 淀粉 ? .3。 试 述 葡萄 糖 的 酵 解 过 程 。 4. 酵母 菌 在 正常 情况 下 发 酵 产 物 是 什么 ? 其 过 程 如 何 ? 在 什么 情况 下 酵母 菌 可 以 产生 甘油 ? 5. 什么 叫 三 羧 酸 循环 ? 对 生物 有 何 重要 意义 ? 6. 什么 叫 乙 醋酸 循环 ? 它 与 三 羧 酸 循环 有 何 联系 ? 7. HAMAR MAE? ESHER. SRM A 3 ae : 8. WIS GB: ty Be ETM 5 EARL Be Ke bist Ch we Ree eee ‘ei an iy SP Ce eee We 263 RW he 一 、 脂 类 的 组 成 及 其 类 别 脂 类 是 自然 界 中 一 大 类 物质 ， 与 蛋白 质 、 糖 一 起 为 构成 原生 - 质 的 主要 成 分 。 通 常 脂 类 包括 脂肪 ( 真 脂 )、 WER. ia RE Cal AF) AES. EMM TRAM. A. Bb, 有 的 还 含有 BAN 气 。 化 学 结构 特点 是 由 长 链 脂肪 酸 ( 高 级 脂肪 酸 ) SPT AD 或 类 酯 物 。 性 质 是 不 溶 于 水 而 溶 于 脂 溶剂 ， 如 乙 酶 、 和 氯仿 、 葵 及 内 酮 等 。 生物 体内 构成 脂 类 的 醇 最 通常 的 是 甘油 ， 但 某 些 重 要 脂 类 分 子 的 醇 是 胆固醇 。 当 醇 为 一 类 含 环 戊 烷 多 氢 菲 核 的 高 分 子 一 元 。 醇 。 在 目 然 界 中 分 布 极 广 ， 有 时 自由 存在 。 在 微生物 中 省 醇 含量 不 一 ， 酵 母 菌 中 含有 多 量 的 当 醇 类 ， 但 有 些 细菌 几乎 没有 。 Hesw\ CR Ree CHOH CH,OH i bck 由 三 分 子 脂肪 酸 与 甘油 分 子 中 的 三 个 羟基 形成 的 酯 称 甘油 三 酯 或 中 性 脂 ， 亦 称 脂肪 ( 真 脂 ) 。 脂 类 中 除了 脂肪 外 的 其 他 脂 则 称 266 Wad Pa eae Pe rae Py ae oa 为 类 脂 。 磷脂 也 是 一 种 甘油 酯 ， 但 在 它 的 组 成 中 ， 除 甘油 和 脂肪 酸 ”外 ， 还 含有 磷酸 及 有 机 碱 性 含 所 化合物 。 微 生物 体 中 重要 的 磷脂 Fe ONE NE . 糖 脂 为 含 糖 的 脂 类 。 微 生物 体 亦 含有 糖 脂 ， 经 对 划 兰 氏 阴 性 菌 中 糖 脂 进行 研究 ， 知 它们 普遍 含有 双 己 糖 基 甘 油 二 酯 ， 有 的 含 葡萄 糖 与 半 乳 糖 两 种 单 糖 ， 有 的 含 二 分 子 葡萄 糖 ， 并 认为 此 糖 脂 _ 可 能 参与 多 糖 生物 合成 。 蜡 是 由 高 级 一 元 醇 与 高 级 脂肪 酸 所 形成 的 酯 ， 通 常 呈 固体 状 态 。 组 成 中 含 不 饱和 脂肪 酸 的 量 很 少 ， 所 以 性 质 比 较 稳 定 ， 它 的 生物 化 学 性 质 不 活泼 。 动 植物 体 都 利用 蜡 保 护 自 己 ， 但 在 细胞 中 很 少 存 在 ， 与 我 们 关系 不 大 。 由 低级 脂肪 酸 和 低级 醇 ( 如 乙醇 ) 形 成 的 酯 ， 呈 芳香 气 ， 是 构 成 酿造 产品 芳香 性 的 特征 性 物质 ， 所 以 放 在 此 音 予 以 介绍 。 二 、 脂 类 的 存在 形式 与 生理 功能 (一 ) 脂 类 的 存在 形式 脂 类 广泛 地 存在 于 一 切 生 物体 内 ， 以 两 种 形式 存在 ， 1. 体质 脂 形 式 即 作为 原生 质 的 组 成 而 存在 于 细胞 内 ， 它们 多 半 为 类 脂 物 质 ， 在 原生 质 中 不 是 以 脂肪 科 的 形式 存在 ， 而 是 与 蛋白 质 疏 松 结 ”合成 为 复杂 的 脂 蛋白 结构 。 在 细胞 中 含量 非常 恒定 。 2. 贮存 脂 形式 ”在 高 等 动物 体内 ， 贮 存 脂 一 般 都 贮存 于 皮下 结缔 组 织 、 大 网 膜 、 有 肠系膜 等 处 。 动 物 的 脂肪 组 织 可 以 含有 80% (以 干 重 计 ， 下 同 ) 或 更 多 的 脂 类 。 植 物体 内 的 脂肪 主要 是 集中 地 贮 存 在 果实 和 种 子 内 (如 花生 含油 40.2~60.7%、 芝 麻 含 酒 46.2~61.0%， 大 BAW 10~25%), 在 微生物 体内 则 以 脂 滴 形式 贮存 于 细胞 质 中 。 霖 些微 生物 的 脂 类 含量 很 高 ， 并 知 其 是 无 毒 的 ， 因 此 可 用 来 267 生产 油脂 。 今 将 几 种 含 脂 类 量 较 高 的 微生物 列 于 表 7-1。 表 7-1 几 种 微生物 的 脂 类 含量 (以 干 重 % 表 示 》) # 名 脂 类 量 ti 名 脂 类 县 构 SS th & 51.0 A: eS 61.0~71.0 ARH & 40.0 啤酒 酵母 14.0~17.0 Re 青 和 老 56.0 异常 汉 逊 酵母 16.9 卷 枝 青 & 65.0 阴沟 气 杆 菌 12.0~20.0 巨大 芽孢 杆菌 9.2~33.8 (=) 生理 功能 | 。 脂 类 是 一 类 重要 物质 。 类 脂 和 和 蛋白 质 是 构成 生物 膜 的 主要 成 分 ， 其 中 类 脂 量 约 占 膜 质量 的 40% (CASHBRIB INE). JE ME 的 不 溶性 使 膜 具有 包围 和 保护 细胞 的 能 力 。 又 因为 膜 是 类 脂 和 蛋白 质 的 复合 物 ， 因 此 对 各 种 物质 的 扩散 与 运输 具有 重要 的 功能 。 现 在 已 经 知道 ， 生 物 膜 的 存在 与 作用 是 与 构成 生命 活动 的 许多 基本 问 题 ， 如 能 量 转化 、 代 谢 调控 、 选 择 性 渗透 作用 、 免 疫 作用 、 激 素 和 药物 的 作用 、 神 经 传导 等 都 有 密切 关系 。 生 物 膜 已 成 为 当代 分 子 生物 学 的 主要 研究 领域 之 一 。 因 之 ， 类 脂 的 重要 功能 由 此 可 见 。 脂肪 可 作为 能 源 ， 它 们 在 生物 体内 氧化 时 ， 能 产生 大 量 的 能 (1 克 脂 肪 产 热 9.3 千 卡 )， 产 生 的 热量 二 倍 于 糖 类 或 蛋白 质 。 脂 肪 也 能 作为 微生物 的 矶 源 。 如 灰 绿 青 霍 (Penicizlizm glaucum) Fp AEM (Mucor mwecedo) 可 以 在 仅 含 脂 类 或 脂肪 酸 类 而 不 含 共 他 矶 源 的 培养 基 中 生长 。 脂肪 酸 是 脂 类 的 主要 组 成 ， 它 的 链 长 度 和 饱和 度 会 直接 影响 到 组 成 物 的 理化 性 质 ， 从 而 引起 生理 功能 的 变化 。 如 磅 脂 中 脂肪 酸 的 组 成 会 影响 到 膜 的 流动 性 ， 而 影响 膜 的 通 透 性 。 脂 肪 的 性 质 208 | i | 和 粘 稠 度 ， 可 因为 双 键 的 引入 脂肪 酸 而 熔点 下 降 。 这 种 变更 脂肪 酸 的 不 饱和 度 的 功能 ， 被 认为 是 生物 体 用 以 调整 细胞 脂 质 的 物理 - 状态， 来 适应 环境 温度 变化 的 措施 。 很 早 就 知道 ， 生 长 在 寒冷 地 带 的 植物 种 子 中 ， 含 油 的 不 饱和 度 较 高 ， 这 显然 有 利于 植物 的 生 存 : ”高 级 脂肪 酸 ， 如 油 酸 和 亚 油 酸 可 被 不 少 放 线 菌 和 真菌 作为 能 源 和 矶 源 而 利用 。 低 浓度 的 高 级 脂肪 酸 可 以 刺激 多 种 细菌 的 生 长 ， 但 浓度 较 高 时 ， 往 往 起 毒害 作用 。 高 级 脂肪 酸 不 溶 于 水 ， 因 而 常用 可 溶性 的 吐 温 (Tween, 是 高 级 脂肪 酸 的 衍生 物 ) 代 替 以 制 备 培养 基 。 第 二 节 。 脂 肪 的 分 解 代 谢 一 、 脂 肪 的 组 成 与 脂肪 的 乳化 作用 _ (一 ) 脂肪 的 组 成 脂肪 是 甘油 与 脂肪 酸 所 构成 的 酯 ， 为 甘油 三 酯 。 式 中 Ru Ra, Rs 为 各 种 脂肪 酸 的 烃基 ， 天 然 脂肪 中 所 含 的 脂肪 酸 种 类 甚 多 ， 但 碳 原 子 数 大 都 为 偶数 。 含 量 最 多 并 且 普 壳 存在 的 高 级 脂肪 酸 有 : 硬 脂 酸 、 软 脂 酸 、 油 酸 ， 其 次 为 亚 油 酸 、 亚 麻 酸 Ro REI 酸 ， 后 三 种 不 人 饱和 脂肪 酸 是 高 等 动物 不 可 缺少 的 营养 素 ， 有 “ 必 269 需 脂肪 酸 之 称 。 不 饱和 脂肪 酸 在 细菌 营养 上 亦 具 有 相当 的 重要 性 。 它 们 的 功 用 尚未 完全 明了 ， 现 在 已 知 不 饱和 脂肪 酸 可 以 构成 菌 体 必需 的 脂 类 ， 表 现在 磷脂 中 的 含量 较 在 一 般 脂 肪 中 为 多 。 今 将 常见 的 脂肪 酸 及 其 主要 来 源 列 于 表 7-2 。 表 7-2 - 脂 类 中 的 重要 脂肪 酸 有 丁 酸 CH3(CH2)2COOH 己 酸 CH3(CH2)sCOOH 辛酸 CH3(CH2)sCOOH 3 CH3(CH2)sCOOH 月 桂 酸 CH3(CH2) 10 COOH BER CH3(CH2)12COOH - 软 脂 酸 CH3(CH2)14,COOH 硬 脂 酸 CHa(CH2)16COOH 花生 酸 CH3(OH2)1sCOOH 换 售 油 酸 CH3(CH2)2G00H ao oe oo =F - 油 酸 CH3(CH2)7—CH=CH(CH2)7;— COOH 神经 酸 CH3(CH.)7—CH= CH(CH2)1s—COOH 亚 油 酸 CH3(CH.),.—CH= CH—CH2—CH=CH(CH2)7— COOH 亚麻 酸 CH;—CH.—CH=CH—CH.— CH 一 CHCH: 一 CH 一 CH 一 (CH2)7—COOH 二 十 碳 四 烯 酸 CH3(CH2)4—CH= CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 CH 一 (CHe)3—COOH cc 2 FF XN ; es = 脂 酸 CH—(CHe2)12—COOH * CH.—CHe 270 异 名 椰子 油 、 奶 油 | EE, BH ah a ith 各 种 动 植物 油 各 种 动 植物 油 花生 油 、 脑 苷 脂 各 种 动 植物 油 Ae Hoa EF Hs 亚麻 仁 油 、 棉 子 油 亚麻 仁 油 ORES. Be BR AS 大 枫 子 油 * 脂肪 酸 在 体内 除 作为 脂 类 组 成 外 ， 尚 能 游离 存在 ， 特 别 是 在 微生物 的 脂 类 中 ， 庆 离 脂肪 酸 常 占 很 高 比例 。 如 黑 曲霉 (Asper- gillus niger) RRMA IA 71.2。 sg HAGA Me FR HF OLR AP (1) 单纯 甘油 酯 ， 即 甘油 酯 中 三 个 组 成 脂肪 酸 为 一 同 种 ， 例 如 三 油 酸 甘 油 酯 (2) 混合 甘油 酯 ， 即 甘油 酯 中 三 个 组 成 脂肪 酸 中 的 二 个 或 三 个 相 异 ， 例 如 “- 软 脂 酸 ，8- 油 酸 ，7- 硬 脂 酸 甘油 酯 这 O | | 和 下 二 一 站 一 各 一 Ci7Hea a CH,—O—C—(C,5Ha O dl G 互 一 0 一 C 一 Ci7Has C CH 一 0 一 C 一 Ci7Ha3 O | | CH,—O—C 一 Ci7Has 外 CH,—O—C —C,7H5 三 油 酸 甘油 酯 % 一 软 脂 酸 6 一 油 酸 2 一 硬 脂 酸 甘 油 酯 天 然 甘油 酯 绝 大 部 分 为 混合 甘油 酯 ， 因 此 脂肪 是 混合 甘油 本 的 混合 物 。 (=) 乳化 作用 、 脂肪 不 溶 于 水 ， 但 与 水 长 时 间 振荡 可 形成 乳 状 流 。 这 种 乳 状 液 很 不 稳定 ， 静 置 后 很 快 分 成 两 层 ， 若 加 入 第 三 种 物质 (如 肥 撮 、 SAM. GRE. BORE) MAEM MILE, Hb 等 物质 称 SLithl. EME MMI, REMEIR BOAR (水 / 油 ) 界面 的 表面 张力 (如 肥皂 、 磷 脂 等 ) 或 增加 水 相 的 粘度 (蛋白 质 、 胶 质 等 )， 上 ”使 乳 状 液 稳定 ， 此 作用 称 乳 化 作用 。 故 乳化 作用 是 在 不 稳定 的 弛 : 状 液 中 ， 加 入 乳化 剂 而 使 之 形成 稳定 的 乳 状 液 的 作用 。 纪 化 剂 所 以 能 起 弛 化 作用 ， 主 要 是 分 子 中 既 具 有 亲 水 基 又 具 有 了 破水 基 。 例 如 肥皂 是 高 级 脂肪 酸 的 钠 盐 或 钾 盐 (RGOONa 或 271 RGOOK), RIEAH AE, —COONa 为 亲 水 基 ， 因 而 SHE BS 脂肪 的 乳 状 滚 作 用时， 在 脂肪 小 滴 上 形成 一 个 肥皂 分 子 的 薄膜 ， 分 子 的 疏水 一 端 朝 丫 脂肪 内 ， 亲 水 的 一 端 则 朝向 水 中 ( 见 图 7-1)o 由 于 每 个 脂肪 滴 表 面具 有 这 样 一 个 薄膜 ,因而 降低 了 油 / 水 间 的 界 ” 面 张力 ， 使 乳 状 液 中 的 各 个 小 滴 不 直接 相 接触 ， 因 而 不 能 相互 融 合 分 层 ， 而 使 孔 状 波 保 持 稳定 。 图 7-1 乳 状 液 的 乳化 作用 OO 一 脂肪 滴 及 一 COO- 一 乳化 剂 乳 状 液 的 形成 ， 具 有 极 重要 的 生理 意义 ， 它 有 利于 脂肪 的 被 消化 分 解 。 而 油脂 具有 疏水 性 ， 不 利于 乳化 作用 ， 在 发 酵 生产 上 常用 作 消 泡 剂 。 二 、 脂 - 肪 酶 . 脂肪 在 进行 分 解 代谢 之 前 ， 须 经 脂肪 酶 水 解 成 脂肪 酸 及 甘 油 ， 然 后 循 不 同 途径 进行 代谢 。 脂 肪 酶 的 正式 名 称 是 甘油 酯 水 解 酶 ， 广 泛 存在 于 胰 胜 、 艺 麻子 及 各 种 微生物 中 。 不 同 来 源 的 脂肪 酶 对 脂肪 酸 矶 链 的 长 短 有 选择 性 ， 有 的 脂肪 酶 主要 作用 于 短 碳 链 (如 Gi~Gio) 的 脂肪 酸 甘油 酯 (此 酶 应 用 于 乳品 工业 可 增强 产品 的 芳香 性 )， 有 的 主要 作用 于 长 碳 链 (Gi4 以 上 ) 的 脂肪 酸 甘 油 酯 。 由 于 脂肪 酶 不 太 稳定 ， 较 难 纯化 ， 而 且 是 在 油水 不 匀 系 统 中 反应 的 ， 因 此 研究 也 较为 困难 。 虽 肪 酶 对 基质 的 分 解 和 合成 都 能 起 催化 作用 ， 这 性 质 在 其 它 水 解 酶 中 很 少 有 。 多 数 脂肪 酶 同 SH 基 有 关 ， 当 通气 ， 加 过 氧 272 Sa eee eS (ERE SH 基 氧 化 后 ,就 抑制 水 解 而 进行 合成 反应 。 维生素 C、 半 胱 氨 酸 、 镍 离子 等 对 脂肪 水 解 有 促进 作用 ， 而 油水 混合 系 的 乳 | 化 程度 对 酶 反应 有 重要 影响 。 真菌 中 的 脂肪 酶 在 细胞 内 外 存在 ， 细 胞 内 贮存 的 脂肪 可 被 胞 内 的 脂肪 酶 所 水 解 ， 外 源 (外 部 供给 的 称 外 源 ) 的 脂肪 则 被 胞 外 脂 肪 酶 所 水 解 。 不 少 微生物 可 用 来 生产 脂肪 酶 ， 常 用 的 菌 种 有 根 才 、 黑 曲 零 、 白地 霉 、 青 霍 等 。 许 多 商品 脂肪 酶 制剂 都 具有 了 酯 酶 的 活性 ， 也 能 使 低级 脂肪 酸 的 一 价 醇 酯 加 水 分 解 。 不 同 来 源 的 脂肪 酶 ， 其 性 质 也 不 相同 。 今 将 由 微生物 制 得 的 几 种 脂肪 酶 的 性 质 列 于 表 7-3。 3 几 种 微生物 脂肪 酶 性 质 的 比较 来 源 _ ith (Asp.niger) 5.6 | 25 |2.2~6.8] 50 60 振荡 fa FE (RA. 5.6 35 | 3.0~8.0] 45 22000 振 沪 delemar) Hh @ (Geatri- 6.0 35 | 4.5~10.0} 50 1000 乳化 chumcondidum) | KAR HE (Pen. 7.0 30 |6.5 一 9.0 | 40 12000 她 化 cyclopium) * MBAUSSREARMIRAhe (Lu) 计 。 Ham AiEMEERER TET > ar BRT AE GD FRR is A 三 、 脂 肪 的 水 解 脂肪 在 脂肪 酶 的 催化 下 ， 水 解 成 甘油 与 脂肪 酸 ， 其 反应 如 下 ， 273 « CH,—O—C—R CH, O O : | +H2O | 十 再 2O 6 CH 一 0 一 C 一 R。 Rm Tyg 可 as 日 O fie O | 学 CH,— 人 一 C 一 及 3 CH, ic O—G—Rs 甘油 二 酯 a RiCOOH 脂肪 酸 q CH,—OH CH,—OH - fei. CHiH= BA) CH—OH CH—OH CH,—O ome © 一 人 3 CH,—OH 甘油 一 本 甘油 + ee R,COOH R,COOH > iP 脂肪 酸 反应 生成 的 脂肪 酸 与 甘油 分 别 进 行 降解 。 四 、 甘 油 的 降解 (1) 甘油 在 磷酸 甘油 激酶 的 催化 下 ， 进 行 磷酸 化 作用 ， 生 成 x- 磷 酸 甘油 。 CH,—OH 4 s CH,—OH HMA | CH 一 OH +ATP Rec ace +ADP CH,—OH CH,—O—® 甘油 cx- 磷酸 甘油 \ (2) o-BRAR TT HITE 6- 磷酸 甘油 脱 氢 酶 的 催化 下 ， 生成 磷酸 = FRA Ae. 274 — 人 a WERE HDS | CH—OH a rate +NADH, CH: 一 0 一 @ CH,—O—® “- 磷 酸 甘 油 磷酸 二 羟 丙 酮 反应 生成 的 磷酸 二 羟 丙 酮 可 以 进入 EM 途径 及 TCA 循环 进 … “一步 氧化 。 也 可 以 着 EM 途径 生成 葡萄 糖 。 五 、 脂 肪 酸 的 降解 一 一 0- 氧化 作用 生物 体内 由 脂肪 水 解 形成 的 脂肪 酸 及 细胞 内 的 游离 脂肪 酸 降 解 时 ， 是 逐步 进行 6- 氧 化 ， 使 碳 原子 两 个 、 两 个 地 从 脂肪 酸 BE 上 断 下 来 ， 最 后 全 部 降解 成 乙酰 辅酶 A( 即 活性 乙酸 )。 此 过 程 所 需要 的 各 种 酶 和 辅酶 线粒体 都 具有 。 辅 酶 A 在 脂肪 酸 氧化 过 程 中 起 重要 作用 。 今 以 硬 脂 酸 为 例 ， 其 反应 的 具体 步 又 如 下 ; 1. 脂肪酸 的 活化 | 脂肪 酸 在 进行 6- 氧化 作用 前 ， 必 须 经 过 激活 。 激 活 反 应 是 在 脂 酰 硫 激 酶 〈 简 称 硫 激活 ， 又 名 脂 酰 辅酶 A 合成 酶 ) 的 催化 下 分 两 步 进行 的 。 第 一 步 由 ATP 中 转移 一 克 酸 腺 苷 (AMP) 来 激 活 脂肪 酸 的 交 基 ， 并 同时 释放 出 无 机 焦 磷酸 (PPi) 。 第 二 步 是 被 激活 了 的 羧基 和 辅酶 A (GoA 一 SH) 的 SH 基 起 反应 生成 脂 酰 A hs A A] AMP, CHs ps (CHe)14 (CHe)14 Bc Bk BS Gao ATP > CH. + PPi Mgtt | CH, CH, y O COOH C 275 (CHe) 14 (CHe) 44 激酶 | CH +CoA~SH eee: | Met+ | CH, CH, O O Vy, 儿 CAMP C~ SCoA 硬 脂 酰 -磷酸 腺 苷 硬 脂 酰 辅酶 人 O | 由 于 _G 纹 s_ 中 矶 硫 键 是 一 种 高 能 键 是 物质 代谢 中 一 种 具 有 特点 的 键 ， 于 是 脂肪 酸 便 成 为 激活 状态 而 易于 进入 代谢 途径 。 脂肪 酸 如 硬 脂 酸 、 棕 榈 酸 、 丁 酸 等 何者 进入 代谢 是 取决 于 硫 激 酶 使 与 哪 一 个 辅酶 A 分 子 的 初步 结合 。 目 前 已 证 实 至 少 有 四 种 硫 诉 酶 ， 可 以 分 别 激活 矶 链 长 短 不 同 的 脂肪 酸 ， Ai: (1) 乙酰 硫 激酶 以 乙酸 为 底 物 。 (2) 辛 酰 硫 激酶 以 辛酸 为 底 物 ， 但 作用 范围 为 Qi~Gis 酸 。 (3) 十 二 酰 硫 激 酶 以 十 二 酸 为 底 物 ， 但 作用 范围 为 Ga 全 Gis (4) 以 及 可 使 具有 Cs~Go. 酸 激活 化 的 酶 等 。 2. 脂 酰 辅酶 A 的 脱 氢 脂 酰 辅酶 A 在 脂 酰 脱氧 酶 〈 脂 酰 辅酶 A SU) 的 催化 下 ， 于 a, 8 碳 原子 上 脱 气 氧化 生成 一 个 双 键 ， 称 , BK NS AG A bcs a 脂 酰 脱 气 酶 象 硫 激酶 一 样 ， 对 具有 碳 链 长 短 不 同 的 底 物 的 专 一 性 各 不 相同 ， 因 此 可 分 别 催化 各 种 脂 酰 辅 酶 A 脱 气 。 它 们 需要 PAD 作 辅 基 ， 是 一 种 不 需 氧 脱 盈 酶 。 276 站 a | ‘ a 2 的 ‘Same Hts Se Big ig ee : é . 8 CH; AD) <————-+ $C +FADH, ; 4 Pan « CH, | « CH ‘ mS | oO O e s ts 4 . oan x CG. sCoA ' CZ scoa : Be 硬 脂 酰 辅酶 人 ,6- 类 硬 脂 酰 辅酶 人 5 3. 0 6- 烯 脂 酰 辅酶 A 的 加 水 aa : a, 8- 烯 脂 酰 辅酶 A 在 烯 脂 酰 水 合 酶 的 催化 下 ， 加 上 一 分 子 e q 水 。 水 分 子 加 于 双 键 ， 氢 原子 加 到 c- 位 上 上， 羟基 则 加 在 -位 上 ， 4 AYR TCA 循环 中 延 胡 索 酸 水 化 生成 苹果 酸 的 过 程 。 : mn (CHa) 14 : (CH) 14 ea 烯 脂 酰 水 合 酶 | RN 了 六 oo « CH, 3 « CH, . | O O | GO G CG ~SCoA — © SGoA | xy6- 烯 硬 脂 酰 辅酶 A 6- 凑 硬 脂 酰 辅酶 人 4。p- 凑 脂 酰 辅酶 A 的 脱 氢 ， p- 羟 脂 酰 辅酶 A 在 68- 产 脂 酰 脱氧 酶 的 催化 下 ， 生成 6- 酮 脂 酰 辅 酶 A。， hs (CHe)14 (CHe) 14 B-F2 15 Bt lit A re MAL yee ACO, NADA, : a CH, . = CH, O O - 5 Va C~_ SCoA | C~ SCoA 6- 羟 硬 脂 酰 辅酶 A 6- 酮 硬 脂 酰 辅 酶 A 277 脂肪 酸 变 为 6- 酮 酸 ， 便 于 从 脂肪 酸 碳 链 上 切除 两 个 碳 原 子 。 5. 0- 酮 脂 酰 辅酶 入 的 硫 解 - 酮 脂 酰 辅酶 A 在 8- 酮 脂 酰 硫 解 酶 〈 简 称 硫 解 酶 ， 它 含有 一 SH) 催 化 下 ， 同 时 需要 有 辅酶 A 存 在 ， 裂 解 生成 一 分 子 乙 酰 辅 Rit A 和 一 个 碳 链 较 原来 少 两 个 碳 原子 的 脂肪 酸 。 反 应 分 两 步 宛 成 。 和 O Wa Gas ea, CS 4+ CHC eae 人 硫 解 酶 y, O 乙酰 辅酶 六 CW SE | lee yy, O ( 脂 酰 - 酶 ) LC~ SCoA 6- 酮 硬 脂 酰 辅酶 AA cm. CHs | 硫 解 酶 (CHs)i4 十 CoA-SH Erg (CHe) +4 +E-SH O Va po? Csr GC SCoA 中 间 产 物 软 脂 酰 辅 酶 人 因此 ， 此 裂解 是 一 种 硫 解 作 用 ， 所 产生 的 脂肪 酸 是 一 种 活化 型 的 脂肪 酰 辅 酶 A， 可 再 进入 反应 2 继续 进行 6- 氧 化。 由 于 脂肪 酸 的 降解 是 在 6- 矶 原子 上 进行 氧化 ， 故 称 为 -氧化 作用 。 p8- 氧 化 作用 的 每 一 步 反 应 都 是 可 逆 的 ， 但 反应 的 平衡 大 都 偏 向 于 分 解 方面 。 现 将 -氧化 作用 总 结 如 图 7-2。 脂肪 酸 的 碳 链 每 经 过 一 次 6- 氧化 作用 ， 碳 链 就 缩短 了 两 个 i B+, Am—-at CRA, WR RY 2. 3, 4, 5,fR 肪 酸 可 以 全 部 氧化 成 乙酰 辅酶 A 。 278 ANNA 18 个 碳 原子 的 脂肪 酸 ， 需 要 经 过 8 次 8- 氧化 作 *\ ia 才能 全 部 降解 为 乙酰 辅酶 A， 其 反应 总 结 如 下 : | CH, (CH,),,COOH + ATP -+CoA—SH——> 的 3 “ee : = ; CH,(CH,),,C~SCoA+AMP- PPi | ae ox - ee x 2 硬 脂 酰 辅 本 人 es | | =e ee CH,(CH,),,C~SCoA+g GoA-SH+g FAD+8 NAD+8 H,O : se , > ae —>9 CH,C~SCoA+8 FADH,+8 NADH, a sas 反应 产生 的 乙酰 辅酶 A 可 以 进入 TCA 循环 ， 彻底 氧化 成 为 、 4; GO, 与 H,0, 二 R 一 CH: 一 CH: 一 COOH # . 3 | ATP = 加 CoA—SH : : FAD : | _CH,—-CH,—C—SCoA mia See © O | R—CH= CH—C—S—CoA O cry -b-s-—cos © | fo tO CH;—C—S—CoA @] 6 | ae - Beto Fok R—CH(OH)—CH,—C—S—CoA 2 CoA—SH O O Tg | ee , : NADH cuties Se Pe ns . ie 6- 酮 脂 酰 辅酶 A 图 7-2 脂肪酸 的 6- 氧 化 循环 图 解 aa I 一 脂 酰 硫 激 酶 ”2 一 脂 酰 脱 氢 酶 “3 一 烯 脂 栈 水合 酶 “4 一 6- 羟 脂 栈 一 脱氧 酶 “5 一 6- 酮 脂 酰 硫 解 酶 Mes 对 于 有 生理 重要 性 的 各 种 脂肪 酸 ， 包 括 从 甲酸 开始 ， 然 后 是 279 乙酸 一 直到 具有 多 于 20 个 碳 原子 的 直 链 酸 ， 被 认为 除了 甲酸 与 丙 酸 而 外 ， 都 可 经 P- 氧 化 作用 而 降解 。 关 于 奇数 碳 原子 脂 肪 酸 的 代谢 ， 如 果 从 Co 脂肪 酸 开始 ， 其 步骤 似乎 相同 (Go>Gr-G5~ Ga)， 直 至 得 到 两 酰 辅 酶 A 。 现 有 的 证 据 表 明 丙 酰 辅 梅 A 必 须 BE 取 CO, 以 形成 偶数 碳 原子 的 琥珀 酸 ， 然 后 才 可 以 被 继续 代谢 。 这 种 GO 固定 作用 颇 为 复杂 ， 目 前 对 它 也 还 未 了 解 清楚 。 脂肪 酸 的 彻底 氧化 可 产生 大 量 能 ， 一 分 子 脂 酰 辅酶 A 每 经 一 次 6- 氧 化 作用 ， 产 生 一 分 子 乙 酰 辅酶 A ， 一 分 子 FADH, 及 一 分 子 NADH， 乙酰 辅酶 A 经 TCA 循环 氧化 产生 12 个 ATP FADH 经 呼吸 链 氧化 时 产生 2 个 ATP NADH, 经 呼吸 链 氧化 时 产生 ”3 个 ATP 总 共产 生 17 个 ATP 开始 激活 脂肪 酸 时 消耗 一 1 个 ATP ft 16 个 ATP 以 后 每 次 重复 6- 氧 化 便 不 再 消耗 ATP， 可 净 得 17 个 ATP, 故 1 分 子 硬 脂 酸 (Gi7HssGOOH ) 被 彻底 氧化 时 可 获得 (16 +177 十 12)ATP， 可 见 能 量 水 平 是 很 高 的 。 脂肪 分 解 的 途径 可 总 结 如 下 ; 甘油 这 磷酸 二 羟 丙 酮 一 一 脂肪 人 » CHEMIN A>CO, +11,0 日 Ba 脂肪 的 合成 代谢 微生物 都 是 利用 糖 〈 或 乙酸 ) 作 碳 源 来 合成 脂肪 。 糖 经 分 解 后 分 别 合成 “- 磷 酸 甘 油 与 脂肪 酸 ， 然 后 两 者 再 合成 脂肪 。 280 —-, o-BeRE THN A 1。 由 葡萄 糖 合 成 “ TL a ee ae ee 甘油 脱 氢 酶 的 催化 下 ， 生 成 o-BRROHTHh EMaB i Pog 人 _ 。 ac mabibat a RE jane CH-O-® NADH yap CH-0-® 葡萄 糖 磷酸 二 羟 丙 柄 -磷酸 上 油 2. 由 甘油 合成 x- 磷 酸 甘 油 还 可 以 由 甘油 生成 。 CH,—OH CH,—OH BR ihee | eee ALE; 6G OH. TF ADP oe) CH,—OH CH,—O—® 甘油 x- 磷 酸 甘 油 二 、 脂 肪 酸 的 合成 (一 ) 饱和 脂肪 酸 的 合成 生物 体内 的 脂肪 酸 是 由 乙酰 辅酶 A 所 生成 。 它 的 合成 途径 有 两 条 ， 一 条 是 线粒体 酶 系 合成 途径 ， 另 一 条 是 非 线 粒 体 酶 系 (AN 胞 浆 酶 系 ， 存在 于 细胞 的 可 溶 部 分 中 ) 合成 途径 。 分 别 讨论 如 F: : 1. 线粒体 酶 系 合成 途径 前 面 已 经 讨论 过 ， 脂肪 酸 的 6- 氧 化 作用 的 每 一 步 都 是 可 道 的 。 在 线粒体 内 含有 催化 6- 氧 化 作用 的 全 部 酶 系统 。 因 此 ， 过 去 认为 可 以 用 乙酰 辅酶 A， 通 过 8- 氧 化 作用 的 逆反 应 (8- 还 原 缩 合 ) 而 形成 脂肪 酸 。 但 是 通过 实验 证 明 ， 线粒体 内 B- 氧 化 酶 系统 281 不 能 合成 长 链 脂 肪 酸 ， 而 需 有 新 的 酶 (已 经 肯定 的 为 w, 8- 烯 脂 酰 CoA 还 原 酶 ) 及 其 它 辅 助 因子 (ane RL ee EB we ILS Me) 的 参 与 ， 才 可 能 进行 延长 脂肪 酸 链 的 合成 。 因 而 线粒体 酶 系 的 合成 途 径 不 是 新 的 长 链 脂肪 酸 的 合成 ， 而 是 脂肪 酸 矶 链 延 长 的 合成 ， 如 软 脂 酸 延 长 成 硬 脂 酸 。 其 途径 如 下 ， | | 合 CH, (CH,),,—C~SCoA +CH,—C~ SG 全 人 全 软 脂 酰 辅 酶 A | | CH,(CH,),,—C—CH,—C~SGoA + HS~GoA B— Fe iE Hs cl ae A * 可 能 含有 磷酸 吡 哆 醛 为 辅 基 。 | eae CH,(CH,), Re each iors +NAD—H, _C- 羟 脂 Abe 6C- 酮 硬 脂 酰 辅 酶 A OH EN baad Pepe ee bok CH,—CO—S— ACP++HS~CoA 乙酰 CoA 乙酰 -ACP HOOC_—CH,—CO~SCoA-+ ACP—-SH-2> 两 二 酰 CoA HOOC—CH,—CO—S—ACP+HS~GoA 两 二 酰 -ACE 直接 利用 自由 的 乙酰 CoA 的 唯一 步骤 仅 出 现在 脂肪 酸 合 成 的 起 始 反应 中 ， 其 后 两 二 酰 -AGP 充任 为 矶 链 延 长 的 基本 矶 供 体 。 (3) 乙酰 -AGP 与 两 二 酰 -AGP 起 反应 生成 B_- 酮 丁 酰 -AGCP 并 放出 CGO。 CH,—CO—S—ACP+ HOOC—CH,—CcO—s—acp-—2> Z. 酰 -ACP 两 三 酰 -ACP CH,—CO—CH,—CO—S—ACP+CO,+HS~CoA 8-H T H-ACP (4) 6- 酮 了 酰 -AGP 还 原 为 6- 羟 丁 酰 -AGP 过 程 中 需要 NADPH2?， 而 不 是 脂肪 酸 降解 过 程 时 生成 的 NADH, CH;—CO—CH,—COS —ACP © CH;—CHOH—CH,—CO—S—ACP 区 NADPH, NADP 6- 酮 丁 酰 -ACE C- 凑 丁 酰 -ACE (5) P- 羟 丁 酰 -AGP 经 脱水 作用 而 形成 <-B- 烯 丁 酰 -AGP。 285 : a : few, rete Ute ieee om PRY ey Sh te ka A, eeu et CH,—CHOH—CH,—cOs—acp—9, cH, -CH—CH—COS—ACP -¥8T H-ACP a, 6-H TRE-ACP (6) c, 8-48 T RE-AGP 在 NADPH, 作用 下 还 原 为 本 酰 -AGP 人 CH,—CH,—CH,—COS—ACP a, B-#eTR-ACP NADP-H, NADP - 丁 酰 -ACP 另 一 分 子 两 二 酰 -AGP 和 丁 酰 -AGP RIB LROOOOH R by 形成 六 碳 的 中 间 产 物 ， 这 过 程 继 续 利用 两 二 酰 -AGP 进行 下 去 ， 直至 生成 软 脂 酸 。 脂 肪 酸 的 合成 途径 可 归纳 如 图 7-3。 O S CoA P CH;-C~-2™ SH-AC 乙酰 CoA ATP 0， ADP ey oO) oe I SH-CoA COOH-CH.-C-S-CoA 两 - 栈 CoA\ HS-ACP ， 0 | 0 CH,-C-S-ACP HS — CoA ， 乙酰 一 ACP COOH-CH,-C-$ -ACP 丙 二 酰 一 ACE CO: O @\™HS - ACP é-s -ASP ‘eee = ~(CHi)1.-C—5 - ACP: CHs—(Cuem-ACP \}*° oy, -c-CH.—C-S-ACP §H,0+6C0O; RE HS ACO) a=tCOOM 一 (人 a“ gNADP \opizm- ACP CHs Hie 上 6HS -ACP 、NADP re _~CH(OH)-CH:- C-S—ACP CH; - CH: -CH,-C-S-ACP CH;- CH Hah: YT B-ACP - TR-ACP 7. | © O 2 NADP>S、 H, 0 NADPH, CH; -CH=CH-C-S- ACP a.B-HT K- ACP 图 7-3 Shame ae ie 286 在 非 线粒体 酶 系 合成 长 链 脂肪 酸 途径 中 ， 合 成 过 程 常 停止 在 Co 及 Gis 酸 阶 段 ， 其 原因 还 不 清楚 ， 有 人 认为 这 与 末端 呼吸 有 在 脂肪 酸 合 成 过 程 中 ， 乙酰 CoA 作为 “引物 >”， 与 ACP-SH 形成 乙酰 -AGCP， 参 入 脂肪 酸 的 尾 端 ， 然 后 由 丙 二 酰 CoA 产生 的 Gs 单位 不 断 地 加 至 “引物 ”>， 使 链 成 偶数 增长 。 见 图 7-4。 (5 |B IRB ACP 图 7-4 脂 酰 -ACP 的 合成 作用 ”每 循环 三 圈 进 入 一 分 子 两 二 酰 -ACP， 即 使 脂 酰 -ACP 链 增 长 2 个 碳 原子 ， 并 释放 出 一 分 子 CO，:。 。” 由 两 二 酰 CoA 为 起 点 合成 脂肪 酸 的 途径 已 被 许多 研究 工作 所 证 实 ， 但 合成 过 程 中 的 某 些 细节 ， 至 今 仍 有 争议 ， 还 未 作 最 后 ”结论 。 (二 ) 不 饱和 脂肪 酸 的 合成 287 MG, FB Rat RL 7-5 (289 页 )。 目前 对 不 饱和 脂肪 酸 的 合成 途径 知道 甚 少 ， 但 经 有 关 试验 结 果 ， 认 为 低 等 生物 合成 不 饱和 脂肪 酸 的 途径 至 少 有 两 种 (1) 是 由 硬 脂 酸 和 软 脂 酸 的 氧化 性 减 饱和 作用 ， 分 别 形 成 油 酸 和 棕榈 油 酸 ， 是 在 需 氧 条 件 下 进行 的 。 此 作用 的 典型 特征 是 把 双 键 引入 离 羧基 第 9 和 第 10 碳 原子 之 间 。 Bil 如 酵母 在 有 氧 条 件 下 能 将 硬 脂 酸 氧化 减 饱 和 而 形成 油 酸 。 CH.—tcn) tn. Sach) Seon 硬 脂 酸 CH,—(CH,);—CH=CH—(CH;);—COOH 油 酸 许多 生物 都 能 使 包 和 脂肪 酸 通 过 此 途径 形成 相应 的 不 饱和 脂 肪 酸 。 (2) 取道 合成 长 链 饱和 脂肪 酸 的 支 路 或 其 它 途径 。 在 缺 氧 条 件 下 (如 营 厌 氧 生活 的 梭 状 全 孢 杆菌 ) 合 成 不 饱和 脂肪 酸 时 ， 则 利 用 短 的 或 中 等 长 度 的 不 饱和 脂肪 酰 CoA 等 中 间 物 ， 如 有 - 羟 脂 酰 GoA， 经 脱水 形成 双 键 直接 和 另 一 个 丙 二 栈 缩合。 双 键 并 不 象 在 合成 饱和 脂肪 酸 的 过 程 中 被 还 原 ， 而 是 被 保留 下 来 ， 并 随 着 加 进 更 多 的 C 单位 ， 双 键 逐渐 从 羧基 端 移 开 。 如 由 十 碳 脂 酸 中 间 物 加 上 3 个 GC, 单位 ， 形 成 棕榈 油 酸 ， 加 上 4 个 G 单位 ， 则 形成 异 WHR. 为 了 更 确切 地 说 明 微 生物 体 中 Gie 和 Gis 脂肪 酸 中 双 键 所 处 的 部 位 ， 羟 脂 酰 CoA 中 间 体 脱水 成 为 6，y( 不 是 c， 有 ) 不 饱和 同样 地 ， 如 由 十 二 碳 脂 酸 中 间 物 的 延长 ， 加 证 2 个 G? 单 位 ， 则 形成 9: 10 烯 十 六 碳 脂 酸 ， 加 上 3 个 Gz 单 位 则 形成 油 酸 。 许多 实验 证 据 表 明 ， 生 物体 中 含 一 个 不 饱 和 键 的 脂肪 酸 广 这 存在 ， 它 们 是 细胞 的 必要 组 成 。 至 于 多 双 键 的 不 饱和 脂肪 酸 ， 如 亚 油 酸 〈 十 八 碳 二 和 炳 酸 )、 288 TERR REA). HONE, aN MAH A 但 微生物 体 则 能 合成 。 尤其 是 酵母 菌 它 的 亚 油 酸 含量 很 高 ， 并 用 - 它 来 进行 实验 ， 表 明 多 双 键 的 不 饱和 脂肪 酸 的 形成 ， 也 象 硬 脂 酸 ， 减 人 饱和 形成 油 酸 那样 是 氧化 性 的 ， 并 证 明 含 有 三 个 双 甸 的 亚麻 酸 是 进一步 的 减 饱 和 作用 所 形成 的 。 CH3—(CH2)s—CH»—COOH pas seat CH—(CH2)s—CH»—CO—CH,—COOH 6- 酮 十 碳 脂 酸 +38 ¥ B eee et ee OH 6- 产 十 碳 脂 酸 过 |—H.0 8 CH3—(CH2)s—CH=CH—CH2—COOH 烯 十 碳 脂 酸 |+ 3 Ce CH3—(CH2)s—CH—CH—(CH2);—COOH 棕榈 油 酸 十 C> CH3—(CH2)s—CH=CH—(CH2)s—COOH 异 油 酸 7-5 在 缺 氧 条 件 下 由 辛酸 形成 烯 酸 的 机 制 三 、 脂 肪 (甘油 三 酯 ) 的 合成 (1) 用 于 脂肪 合成 的 “- 磷 酸 甘油 ,其 来 源 通常 是 从 EM 途径 得 到 的 。 在 酶 的 作用 下 ， “- 磷 酸 甘油 与 二 分 子 的 脂 酰 GoA 形 成 "- 磷酸 甘油 二 酯 〈 磷 脂 酸 )。 CH,—OH R,—CO~SCoA — 2HS~CoA CH,—O—CO—R, CH-OH + RB,—CO~SCoA ee ee CH,—O—® eee oc BER ah Hat CoA x- 磷 酸 甘 油 二 酯 - 289 此 过 程 中 酶 对 于 脂 酸 链 的 长 度 并 没有 很 大 的 特异 性 ， 人 得 5. Gi6\Gis 脂肪 酸 的 反应 特别 迅速 。 (2) c- 磷 酸 甘 油 二 酯 借助 于 磷酸 酶 脱 悉 酸 并 与 另 一 分 子 脂 酰 GoA 连接 成 甘油 三 酯 。 CH,—O—CO—R, ”HaPO， CH,—O—CO—R, Ri 一 CO~SCoR E 2 en 人 CH,—O—® CH,—OH a— Wee Hy — BR , a8-t ih — 8a CH,—O—CO—R, CH—O—CO—R,+CoA~SB CH,—O—CO—RB; 甘油 三 酯 所 形成 的 中 性 脂肪 的 性 质 取决 于 与 甘油 结合 的 脂肪 酸 。 在 工业 发 酵 中 ,培养 基 组 成 中 的 矶 源 很 少 用 脂 类 物质 ,主要 用 淀粉 或 其 水 解 产 物 。 而 在 发 酵 或 培养 过 程 中 ， 微 生物 菌 体 组 成 中 的 各 种 脂 类 都 可 以 形成 ， 因 此 糖 代谢 与 脂肪 生物 合成 之 间 有 紧密 的 关系 ， 如 图 7-6 所 示 。 脂肪 磷脂 本 SR 磷脂 酸 辅酶 人 A 磷酸 丙 糖 —— ” a- 磅 酸 甘 油 丙酮 酸 ASTRA | 一 -一 脂肪酸 和 一 ~ [ZR] Sis FRM HMR. FA 2CO, 图 7-6 糖 代 谢 与 脂肪 生物 合成 之 间 关 系 290 ETE ECHR RR BE RRA AEP, - 便 可 以 ORT? EL AG HB IG. a BEB (2 Rhodotrula gracilia) , 霉菌 ARE Mucor cricinelloides) 的 脂肪 含量 可 达 干 菌 体 的 60% 以 上 。 而 且 它们 的 脂肪 组 成 中 ， 不 饱和 脂肪 酸 的 含量 甚 高 ( 见 下 表 7-4) 。 因 之 认为 有 可 能 用 微生物 合成 富 含 某 些 基 本 脂肪 酸 的 脂肪 ， 以 助 解决 脂肪 供应 问题 。 表 7-4 酵母 、 霍 菌 脂 类 的 脂肪 酸 组 成 《〈 以 兴 计 ) A (Pen. Splun- losum) “TH BR 55 48~53.5 | 40.3 - 43.3 52.4 47.5 Ww 7H BR 3.5 8.0~12.5 | 17.0 ott 8.2 6.0 亚麻 油 酸 一 1.0~4.5 0.2 0.3 ——- 一 经 对 由 酵母 制 取 脂 肪 的 研究 得 出 ， 培 养 基 中 氛 与 磷 的 含量 要 十 分 低 ， 才 利于 得 到 高 产量 的 脂肪 。 对 红 酵 母 而 言 N:G 为 1:66 合适 。 此 外 ,脂肪 合成 需 大 量 的 氧 ,因此 对 菌株 强烈 通风 时 能 使 产 量 显著 提高 。 经 研究 ， 依 照 理论 数值 100 克 糖 能 产生 40 克 脂 肪 ， 但 由 于 部 分 糖 用 于 呼吸 及 构成 细胞 物质 ， 因 此 真正 的 形成 量 则 少 于 该 值 。 以 上 这 些 原 则 也 适用 于 细菌 及 霍 菌 的 脂肪 形成 。 四 、 酯 《低级 脂肪 酸 酯 ) 的 合成 ”低级 脂肪 酸 酯 呈 特 有 的 芳香 气味 ， 是 构成 酿造 产品 的 芳香 性 与 风味 的 主要 组 成 。 如 乙酸 乙 酯 是 多 种 酒 的 香气 成 分 的 主体 ;而 己 酸 乙 酯 则 为 沪 型 〈 浓 香 型 ) 白 酒 的 主体 香 ， 了 丁 酸 酯 则 为 乳品 的 Fi & KA « 291 在 常温 下 ， 酸 与 醇 相 接触 能 缓慢 地 形成 酯 ， 称 酯 化 作用。 an: CH;COOH+ C,H;OH~”CH;COOC,H; + H,O 乙酸 乙醇 乙酸 乙 酯 ARES, 特别 是 名 白酒 的 生产 需 经 贮存 ， 使 酯 化 作用 趋向 冤 全 ， 以 提高 产品 质量 。 另外 ， 在 酯 酶 的 催化 下 也 能 形成 酯 。 酵 母 、 霉 菌 、 细 参 中 都 含有 酯 酶 。 但 在 代谢 途径 中 对 酯 形成 过 程 的 报告 很 少 。 啤酒 酵母 在 厌 氧 发 酵 时 ， 在 细胞 内 的 酯 酶 催化 下 ， 能 由 某 些 低级 脂肪 酸 与 醇 合 成 相应 的 酯 。 从 乙酸 直至 壬 酸 和 异己 酸 都 可 以 合成 其 乙 酯 ,但 随 着 脂肪 酸 碳 链 的 增长 , 酯 化 就 越 困 难 。 丙 酸 、 旱 ”了 丁 酸 、 异 戊 酸 , 也 许 还 有 甲酸 都 未 能 合成 其 乙 酯 。 酵 母 合成 乙酸 乙 酯 的 能 力 最 强 。 低 级 脂肪 酸 亦 与 其 他 醇 类 ,如 丁 醇 、 戊 醇 、 异 成 醇 等 形成 相应 的 酯 ， 这 些 醇 来 自 所 基 酸 分 解 代谢 。 乙 酸 乙 酯 的 合成 途径 现 认为 是 由 乙酰 GoA 与 乙醇 形成 的 ， 乌 离子 有 促进 作用 。 OH, —CO~SGoA +-CH,CH,OH > CH,—COO—C,H,+H,0 乙酰 CoA 乙醇 乙酸 乙 酯 AR Fe FA FR RR aE. 9 号 (Gladosporium cladosporiodes No9) 的 无 细胞 抽取 物 ， 可 由 乙酸 及 异 戊 醇 合 成 乙酸 异 成 酯 ， 但 需 加 入 辅助 因子 乙酰 CoA \GoA, ATP 及 Mg**, 以 促进 酯 的 合成 , WA 其 过 程 是 : CH ATP,Mgtt 乙酰 CoA 异 戊 醇 cH,—coo—cH,—cr,—cH a CHs 乙酸 异 戊 酯 至 于 己 酸 乙 酯 在 酵母 体内 的 形成 方式 ， 认 为 先 使 已 酸 酰基 化 292 形成 已 酰 GoA， 进 而 形成 相应 的 酯 。 亦 有 ARI BOR Ta Ar a 于 酒精 培养 液 中 能 从 乙酸 乙 酯 与 乙醇 合成 已 酸 乙 酯 ， 其 总 反应 如 P: CH,—COO—C,H; +C,H,—OH——>C;H;,—COO—C,H; +H,0 C,;H;,—COO—C,H,; ce C,H;—OH——>C,;H,—CO O—C.H; <5 H,O FEU AAA RRB SS CREA 则 梭 状 芽孢 杆菌 的 酯 合成 的 主要 产物 则 为 戊 酸 酯 。 酯 酶 亦 称 羧基 酯 酶 ， 亦 能 催化 酯 的 水 解 。 已 从 啤酒 酵 生 中 制 备 出 。 分 子 量 130000 左右 ， 为 二 聚 体 。 酵母 酯 酶 的 性 质 是 能 水 解 甘 油 三 丁 酸 酯 及 各 种 次 酸 酯 ,但 对 Ca** 和 EDTA 缺乏 敏感 性 。 最 适 P 了 6.5~7.0， 在 也 4.4 时 ， 对 几 种 乙酸 酯 的 水 解 率 在 309% 左右 ， 而 对 癸 酸 酯 的 水 解 平衡 点 则 接近 60.96 , VERZE PH4.4 保温 条 件 下 ， 合 成 乙酸 乙 酯 的 能 力 甚 强 。 经 对 不 同 啤酒 酵母 进行 测定 ， 酯 酶 活性 因 苗 种 而 不 同 ， 并 在 中 泗 发 村 后 基 ， 酯 含量 与 酯 酶 活性 表示 出 一 致 性 。 SOT BMiRRERY 一 、 磷 脂 的 结构 与 在 生物 膜 中 的 位 置 磷脂 也 是 一 种 甘油 酯 ， 微 生物 细胞 中 的 磷脂 主要 是 卵 磷 脂 。 卵 磷 脂 中 的 碱 性 含 抠 化合 物 为 胆 碱 。 胆 碱 的 结构 为 ， (CH;);—N—-CH,—CH,OH OH JE Bi BP tome Hes 9 2 19) 293 we ; = CH,—O—P=0O z : : Z Oe ee 5 = : - OH og ; me Of wes é: 在 磷脂 中 ， 由 于 磷酸 与 甘油 上 羟基 连接 位 置 的 不 同 ， 而 有 BRAK. = O ; Y : O GH,-—0-—-G=—-By a | OH ay CH,—O—C—Ry ae ea O 8 CH—O—P=O ae 4 4 CHO—C—R, O—CH,—CH,—N—(CHsg)s va OH O : f Pa OH Ya a CH,—O—P=O CH,—O—C—R, a O—CH,CH,—N—(CH,), = : | are ; x- 卵 磷脂 6- 卵 磷脂 ae LDPE A Ho SHO NG Ae “型 的 。 以 两 性 离子 状态 存在 。 O % FD * GH.—-O—C—Ri noe O 区 O- | / - CH.—O—P=0 O—CH,—CH,—Nt—(CHsg)s oc 5 ee NG 294 SHOES TH ty IADR — ARO, SAYA ok RNG TAR BAF BE. 胆 碱 在 新 陈 代谢 中 起 很 大 的 作用 ， 如 在 甲 基 移 换 作用 中 作为 甲 基 BA, PBR RR, 代表 高 级 脂肪 酸 的 烃基 ， 构 成 磷脂 的 脂肪 酸 有 软 脂 酸 、 硬 脂 酸 、 油 酸 、 亚 油 酸 以 及 十 八 矶 三 烯 酸 与 二 十 碳 四 烯 酸 。 磷脂 是 生物 细胞 不 可 缺少 的 成 分 。 它 们 通常 代表 细胞 类 脂 的 主要 部 分 ， 尤 其 是 卵 磷脂 它 是 生物 膜 脂 质 中 的 主要 组 成 。 磷 脂 的 结构 特点 是 既 有 非 极 性 的 ， 不 带电 荷 的 和 脂 溶 性 的 碘 氢 链 端 ;又 有 一 个 极 性 的 ， 易 溶 于 水 的 、 带 有 正 负电 荷 的 氨基 和 磷酸 基 ， 所 -以 它 在 水 溶液 内 部 就 很 容易 形成 非 极 性 基 向 内 、 极 性 基 向 外 的 双 分 子 层 ， 以 维持 细胞 内 外 水 相 和 脂 相 的 连续 性 。 脂 溶性 物质 的 容 易 透 入 细胞 膜 ， 是 与 弯 脂 的 这 种 性 质 有 关 的 。 现 在 知道 各 种 生物 膜 多 数 是 以 类 脂 双 分 子 层 做 骨架 ， 蛋 白质 不 同 程度 地 插入 或 附着 在 这 个 双 分 子 层 的 骨架 两 边 ， 形 成 所 谓 “ 脂 质 球状 蛋白 质 流 动 镶 坐 模型 ( 见 第 十 二 章 图 12-34) 。 RSS、 二 、 磷 脂 的 代谢 1. DS BEAR HY > fe ‘ ”关于 磷脂 分 解 的 知识 甚 为 缺乏 。 卵 磷脂 在 磷脂 酶 的 作用 下 ， 先 水 解 成 其 组 成 成 分 高 级 脂肪 酸 、 甘 油 、 正 磷酸 和 胆 碱 。 os i as ie: | O 入 CH 一 0 十 G 一 Ri; | on | i GH,—O-+-P=0 O—CH,—CH,—N—(CHa)3 OH 295 因 之 ， 卵 磷脂 被 酶 水 解 的 部 位 如 下 (虚线 表示 分 解 部 分 )， 在 一 般 情 况 下 ， 卵 磷脂 的 分 解 作 用 是 在 磷脂 酶 的 催化 下 水 解 生成 甘油 磷酸 胆 碱 二 酯 和 二 分 子 脂肪 酸 ， 然 后 在 胆 碱 硫酸 酶 的 俊 化 下 水 解 出 胆 碱 及 “磷酸 甘油 ， 其 过 程 如 下 ， O VA CH,—O—CR, O VA CHO—C—R, ‘om iv 15 MB \ OCH,:CH,*Nt—(CHsg)s 卵 磷脂 +R,COOH R,COOH 脂肪 酸 - O—CH,—CH,—N+t—(CHg)3 jon CH—OH O- “o TORI CH,—OH FEL ie Tks Pi CH—OH O- vs O—CH,—CH,—Nt— (CHa), HOC 甘油 磷酸 胆 碱 296 CH,—OH CH—OH CH.—O—® <“- 磷 酸 甘 油 a. AE iim OH 磷脂 分 解 产生 的 脂肪 酸 和 甘油 的 代谢 ， 已 由 前 述 。 分 解 出 的 ” 磷酸 则 可 供 细胞 形成 各 种 磷酸 化 合 物 。 至 于 胆 碱 的 分 解 代 谢 可 经 氧化 转 甲 基 形成 甜菜 碱 ， 再 去 甲 基 形 成 N= HAR WL 2A 酸 及 甘氨酸 的 途径 进行 代谢 。 简 单 表 示 如 下 : (CH3)3 (CHs)s (CHa)， CHa ee ee. ee ¢ aes: ae bag COOH 胆 碱 甜菜 碱 ”六 -二 甲 基 甘 氨 酸 MAR 2. WPA HY & “ 卵 磷 脂 古 由 “68- 甘 油 二 酯 和 磷 酰 胆 碱 组 成 的 。 xe) AP CH 一 0 一 C 一 Ri | AM CH 一 0 一 C 一 Rs， oad CH,—O+P=O O—CH,CH,Nt(CHg)3 __ a, 6-H ys oe Pe A Bi cc, 8-H YH BRAY ee LA aK 胆 碱 的 合成 来 自 氛 基 乙 醇 ( 胆 胺 ) 的 甲 基 化 ， RECHALR 酸 脱羧 生成 ， NH, 丝氨酸 氨基 乙醇 HO—CH,—CH,—NH,-- >HO—CH,—OH—NH—CH,;—> 氨基 乙醇 一 甲 基 氨 基 乙 醇 297 时 _ACHs HO 一 CH 一 CH 一 NS H - MP AIECLH sk cline A er OH 胆 碱 - 胆 碱 经 胆 碱 磷酸 激酶 催化 生成 磷 栈 胆 碱 ; HO—CH,—CH,—N—(CHg)3+ATP—> LF : OH a 、 OH We (CH;)3—N—CH:.CH,—O—P=O +ADP | | NS OH OH 磷 酰 胆 碱 磷 酰 胆 碱 和 CTP 作用 生成 CDP- 胆 碱 和 焦 磷 酸 磷 酰 胆 磷 +GTP 一 >GDP- 胆 碱 十 PPi GDP- 胆 碱 在 磷 酰 胆 碱 甘油 二 酯 转移 酶 的 催化 下 ， RE RE EH 碱 转移 到 c, 8- 甘油 二 酯 上 ， 生 成 卯 磷脂 。 O Ve CH,—O—C—R, O a CHO—C—R, 十 CDP 一 胆 碱 -一 > CH,—OH a, 6-H HAA 298 } A gee CH,—O—C—R, O WA CH-O—C—R, +CDP O- jane CH,—O—P=O | O—CH,—CH.—Nt—(CHsg); «ON BEHE ASE AO AREA ALOK, 必须 由 外 界 供给 才 和 BAEK. 2 1 1. 列举 脂 类 的 生理 功用 。 2. 何谓 p8- 氧 化 作用 ? 脂肪 酸 的 C- 氧化 主要 由 哪 几 步 化 学 反 应 组 成 ? 其 最 终 产物 为 何 物 ? 3. 计算 丁 酸 在 体内 被 氧化 成 为 GO* 与 也 ?0 时 生成 高 能 磷酸 键 的 数目 。 4。 硬 脂 酸 (GQizHssGOO 互 ) 与 十 八 碳 二 烯 酸 (Qi7HsiGOOH 9: 10, 12:13) 在 6- 氧化 过 程 中 有 何 差别 ? 它们 能 否 得 到 相同 的 产 物 ? . 简 述 人 饱和 脂肪 酸 的 两 种 生物 合成 途径 。 。 人 简 述 卯 磷脂 在 生物 膜 组 成 中 的 作用 。 。 简 述 卵 磷脂 的 生物 合成 步骤 。 . 试 从 脂肪 代谢 过 程 来 益 述 辅酶 A 在 脂肪 代谢 中 的 重要 性 。 。 试 从 脂肪 代谢 及 糖 代 谢 过 程 来 分 析 脂 肪 与 糖 相 互 转 变 的 可 能 性 。. 《9 WON Oo ON 299 Ii 烃 类 代谢 烃 类 又 称 矶 氢化 合 物 ， 其 分 子 仅 由 碳 和 和 氢 两 种 元 素 组 成 。 烃 类 广泛 存在 于 石油 、 天 然 气 和 煤 焦油 中 ， 是 重要 的 工业 原 料 和 能 源 。 烃 类 可 分 为 链 径 和 环 烃 两 大 类 。 在 一 定 条 件 下 ， 都 可 被 微 生 物 所 利用 。 因 此 ， 在 发 酵 工 业 中 ， 可 以 把 烃 类 作为 发 酵 原料 。 最 近 二 十 年 来 ， 在 微生物 对 烃 类 的 代谢 方面 ， 进 行 了 大 量 的 研究 。 随 着 同位 素 O' 的 使 用 和 从 细胞 中 华 取 酶 的 成 功 ， 使 径 类 代谢 途径 、 氧 化 机 制 等 问题 ， 接 二 连 三 地 得 到 了 益 明 。 在 以 烃 类 为 原料 的 发 酵 生 产 方面 ， 已 研究 成 功 的 有 菌 体 蛋 白 、 氮 基 酸 、 有 机 酸 、 核 苷 酸 、 维 生 素 、 酶 、 脂 类 、 糖 类 等 。 但 是 ， 由 于 在 发 酝 OY, BEF, HANSA, RS, MAE 毒性 问题 。 因此 ， 在 应 用 上 还 受到 限制 。 相 信 这 些 钠 点 ， 经 过 研 究 是 能 够 克服 的 。 Bo SR 2 HEA A WAR AA AIEZ 5). TEI MA IEE. Seb 烃 之 分 。 它 们 的 代谢 途径 不 同 ， 但 却 存 在 共同 的 特点 。 一 、 基 质 的 特 姑 性 从 无 数 的 观察 和 研究 中 ， 人 们 发 现 ， 各 种 烃 类 都 能 被 微生物 所 利用 。 同 时 ， 也 发 现 烃 类 物质 在 生物 化 学 方面 的 显著 特点 之 一 是 其 基质 的 特异 性 。 基质 的 特异 性 是 指 由 于 烃 类 的 结构 和 性 质 的 不 同 ， 所 以 当 它 300 ~ 们 用 作 基 质 时 ， 有 的 易 被 微生物 代谢 ， 有 的 难 被 微生物 代谢 ， 有 的 只 能 被 一 种 或 几 种 微生物 所 利用 ， 而 有 的 却 能 为 许多 微生物 所 利用。 例如 ， 甲 烷 只 能 被 甲烷 极 毛 杆 菌 、 甲 烷 假 单 犯 菌 等 甲烷 氧 化 菌 所 同化 ， 而 不 能 被 其 它 微生物 所 同化 。 与 甲烷 的 基质 特异 性 相反 ，G~Gis 的 链 烃 可 以 广泛 地 被 作为 基质 使 用 。 日 本 饭 坛 等 人 观察 了 皱 福 假 丝 酵母 中 正 烷 烃 的 基质 特异 性 ， 结果 发 现 ， 偶 数 碟 原子 的 正 烷 烃 易 被 氧化 ， 而 奇数 矶 原子 的 正 烷 烃 较 难 被 氧化 。 其 中 ， 尤 其 是 正 癸 烷 最 易 被 氧化 。 “对 基质 特异 性 的 研究 进行 得 不 少 。 但 至 今 也 很 难得 出 全 面 的 规律 性 的 结论 。 一 般 来 说 链 烃 比 环 烃 易 氧 化 ;甲烷 只 能 被 少数 微 生 物 氧 化 ， 而 丙烷 以 上 的 链 烃 随 矶 原子 数 的 增加 就 越 易 被 氧化 ; 正 烷烃 比 异 构 烷烃 易 氧 化 ， 不 饱和 链 烃 比 饱 和 链 烃 易 氧 化 ; Gz~Gls 的 链 径 可 广泛 地 被 作为 基质 使 用 ， 尤 以 Ge~Gis 的 链 烃 使 用 最 多 。 研究 径 类 的 基质 特异 性 问题 ， 对 于 微生物 的 选 育 和 发 酵 原 料 的 选用 均 有 普遍 意义 。 它 的 全 面 的 规律 ， 有 待 今后 进一步 研究 阐 明 。 二 、 正 烷烃 的 代谢 正 烧 烃 是 石油 咎 含量 最 高 的 成 分 。 利 用 正 烷 烃 的 微生物 又 是 利用 烃 类 微生物 中 最 多 的 。 故 正 烷 烃 代 谢 是 烃 类 代谢 中 研究 得 最 多 的 一 个 方面 。 由 于 烃 类 分 子 中 没有 氧 ， 所 以 烃 类 氧化 时 耗 氧 较 多 。 正 烷 烃 的 氧化 有 三 种 方式 。 即 : (1) 末端 氧化 ，(2) 两 末端 氧化 ，(3) 次 未 端 氧化 〈 见 图 8-1)。 (一 ) 末端 氧化 -未 端 氧化 是 正 烷 径 代 谢 的 主要 形式 。 这 种 氧化 是 在 微生物 产 生 的 酶 的 作用 下 ， 使 正 烷烃 一 个 未 端的 甲 基 氧 化 成 伯 醇 ， 然 后 ， 再 氧化 成 醛 和 脂肪 酸 。 所 生成 的 脂肪 酸 经 过 6- 氧化， 一 次 断 下 301 两 个 矶 原子 ， 生 成 乙酰 辅酶 A ， 进 入 三 羧 酸 循环 ， 进 而 生成 各 种 ”代谢 产物 CLA 8-2). ee oe EKER Js RCH.CH:CH:2OH ({AB% (3) ne se RCH2CH2CHO # RCH2CH:COOH 脂肪酸 FA tg —~ (A | pe CH,CO~SCoA 乙酰 辅酶 入 脂肪 酸 RCOOH je | 6- 氧 化 乙酰 CoA ene : Al 8-1 正 烷 烃 代谢 途径 图 8-2 正 烷 烃 的 末端 氧化 途径 由 于 正 烷 烃 的 碳 原子 数目 不 同 ， 可 分 为 奇数 链 和 偶数 链 两 种 情况 。 1. 偶数 链 的 正 烷 烃 经 过 末端 氧化 后 ， 生 成 偶数 碳 原子 的 脂肪 酸 。 再 经 反复 有 - 氧化 ， 最 后 全 部 生成 乙酰 GoA。 其 中 ， 最 简单 的 偶数 链 正 烷 烃 为 乙 烷 ， 乙 烷 经 末端 氧化 可 生 成 乙酸 。 | 乙 烷 _ 乙醇 乙醚 乙酸 CMTE ATP 和 CoA 存在 条 件 下 ， 经 硫 激酶 作用 ， 生 成 乙酰 辅酶 A。 硫 激 酶 CH,COOH + ATP+ CoA=——=—>CCH,,CO~ SCoA + AMP+ PP 2. 奇数 链 的 正 烷烃 经 末端 氧化 生成 奇数 碳 原 子 的 脂肪 酸 。 再 经 反复 -氧化 , 除 了 生成 若干 个 乙酰 CoA 外 ， 最 后 剩 下 一 个 两 酸 。 302 两 烷 经 末端 氧化 ， 也 生成 丙 酸 。” CH,CH,CH;—>CH,CH,CH,OH—>CH,CH,CHO——>CH,CH,COOH 生成 的 丙 酸 可 继续 代谢 ， 生 成 琥珀 酸 ， 进 入 三 羧 酸 循环 。 进 而 生成 各 种 代谢 产物 。 COOH ‘COOH CH,COOH ~ 十 COs> 人 Sy -———— CH,— C—H=-—-—CH,COOH CHs COOH 两 酸 甲 基 两 二 酸 琥珀 酸 ”最 简单 的 烃 类 甲烷 ， 可 被 甲烷 氧化 菌 同化 ， 经 甲醇 、 甲 醛 、 甲酸 ， 最 后 被 氧化 为 CO。 和 H,0, CH,—~>CH,0H—>HCHO——> HCOOH~——>GO, + H,0 (=) 两 末端 氧化 一 般 认 为 正 烷烃 的 两 末端 氧化 是 次 要 途径 。 二 ”两 末端 氧化 是 正 烷 烃 在 末端 氧化 生成 脂肪 酸 的 基础 上 ， 另 一 端的 甲 基 也 被 氧化 而 生成 二 羧 酸 (二 元 酸 ) 的 过 程 。 生成 的 二 羧 酸 ， 通 过 8= 氧 化 ， 生 成 若干 个 乙酰 辅酶 A, 进入 三 羧 酸 循环 。 其 中 ， 偶 数 碳 原子 的 正 烷烃 最 后 剩 下 琥珀 酸 ， 而 奇 数 矶 原子 的 正 烷 烃 最 后 剩 下 两 二 酸 。 图 8-3 Baka IES 烷 的 两 末端 氧化 途径 。 CH3—(CH2)s—CH3 Be ~|-2H CHs—(CH2)7—CH=CH, 癸 烯 一 1 十 了 2O CH;:—(CH2)s—CH,.OH 发 醇 —2H CH3—(CH2)s—CHO SR +H.0,-2H - CH;—(CH>)s—COOH 癸 酸 CH.OH—(CH2)s—COOH o- Fe BB 303 HOOC—(CHis -COOH #—mM N CH,CO~SCoA HOOC—(CH2)s—COOH ¥—f& CH,CO~SCoA HOOC—(CH2)s—COOH 已 二 酸 八 CH,CO~SCoA HOOC—CH.—CH:—COOH #4 图 8-3 47 WE ARAL IE SHEMALE (=) 次 末端 氧化 _， “ 正 烷 烃 的 次 末端 氧化 是 正 烷烃 分 子 的 第 二 个 碳 原子 (次 未 端 ) ”的 亚 甲 基 氧 化 生成 仲 醉 ， 再 氧化 生成 甲 基 酮 的 过 程 。 KE 正 烷 烃 nn 甲 — = 生成 的 甲 基 酮 可 分 解 为 二 碳化 合 物 和 伯 醇 。 二 矶 化合 物 转化 为 乙酰 辅酶 A ， 进 入 三 羧 酸 循环 ， 伯 醇 则 进入 末端 氧化 途径 。 正 烷 烃 的 次 末端 氧化 只 可 发 生 在 短 链 烷烃 中 ， 在 十 一 碳 以 上 的 正 烷烃 中 未 能 看 到 。 现 以 正己 烷 为 例 ， 来 说 明正 烷烃 次 末端 氧化 的 代谢 途径 。 如 图 8-4 所 示 。 CHas 一 CH: 一 CH 一 CH: 一 CH 一 CHa 正己 烷 J ee ete 己 醇 =2 OH tesco ke cs Alen nea Rca 己 酮 -2 O CH3—CH2—CH:—CH:.0H C2 {tah | 未 端 氧化 CH,CO~SCoA 图 8-4 “正己 烷 的 次 末端 氧化 途径 304 eee 三 、 弄 构 烷 烃 的 代谢 异 构 烷烃 的 代谢 与 正 烷烃 一 样 ， 首先 必须 经 过 氧化 。 但 是 ， 微生物 对 蜡 构 烷 烃 的 氧化 能 力 比 对 正 烷 烃 的 氧化 能 力 要 差 得 多 。 蜡 构 烷 烃 的 氧化 有 两 个 特 氮 : ) 微生物 对 异 构 烷 烃 的 氧化 ， 一 般 只 作用 于 主 链 ， 侧 链 则 很 难 氧化 。 (2) 靠近 侧 链 的 一 端 较 难 氧化 ,而 远离 侧 链 的 一 端 较 易 氧化 。 、 现 以 假 单 抱 菌 对 2- 甲 基 已 烷 的 氧化 为 例 , 来 说 明 异 构 烷 烃 的 代谢 途径 。 如 图 8-5 所 示 。 CHs 一 CH 一 CH* 一 CH 一 CH 一 CHs \. CH: ma 入 甲 基 已 烷 f : if , Be CH;—CH.—CH.—CH,—CH—COOH HOOC—CH2—CHs—CHs—CH—CH 2- 甲 基 已 酸 外 me Sec me CH3;CH-CH2CH-OH CH: 一 COOH HOOC—CH3; CH.—CH.—CH—CHs3 | 3 | | | TH : CHs 乙酸 OH | CHs FURR y& CH3:CH2,CH2COOH HOOC—CH.—CH—CH3 | 栈 酸 | CH3 异 戊 酸 图 8-5 假 单 孢 菌 对 2- 甲 基 己 烷 的 氧化 途径 四 、 不 饱和 链 烃 的 代谢 对 不 饱和 链 烃 的 代谢 研究 大 多 集中 在 烯烃 方面 。 烯 烃 的 绝 大 部 分 均 能 被 微生物 分 解 利用 。 但 对 于 其 代谢 途径 却 不 如 正 烷烃 那 ， 样 清楚 。 二 径 代 谢 的 主要 方式 有 ，(1) HERR RUE: (2) 不 饱和 端 所 305 ft; (3) 水 合 反应 。 现 以 解 脂 假 丝 酵母 对 十 六 和 烽 -1 的 代谢 途径 为 例 ， 来 说 明 不 包 和 链 烃 的 代谢 途径 。 如 图 8-6 所 示 。 CH3—(CH2)is—CH=CH, 2 | ~ CH»—(CH2)13—CH2—CHe | C 也 3 一 (CH2)13 一 CC 了 有 一 CHe OH | | OH OH esi ais aan es OH Ne Le \ | CH3—(CH2)i3—-CH—COOH CH3—(CH2)14~—COOH HC—(CH2)1s—GH=CHe2 | 十 六 酸 | OH O - 十 六 醇 酸 -2 CH3—(CH2)1s2—COOH 十 六 区 7N ee tee O 十 六 烯 酸 -15 图 8-6 解 脂 假 丝 酵 母 对 十 六 烯 -1 的 代谢 途径 (1) 饱和 端 氧 化 虹 烃 的 饱和 端的 甲 基 氧 化 ， Bact fe BE Fai FB (2) 不 饱和 端 氧 化 烯烃 -1 的 不 饱和 端的 双 键 氧化 生成 二 元 醇 。 然 后 ， 二 元 醇 有 两 种 氧化 方式 。 蕉 一 是 生 民 醇 酸 ; 其 二 是 生 成 醛 和 脂肪 酸 ， 过 程 如 下 ; R—CH=CH R—CH—CH,—— | | |->R—cH,—cHo—>n—cH,—c00H OH OH OH 306 7. ** (3) 水 合 反应 烯烃 -1 CERES RE HEA» 双 键 加 水 生成 ” 介 醇 ， 再 继续 氧化 ， 生 成 醛 和 酸 。 五 、 辅 氧化 作用 如 前 所 述 ， 微 生物 对 烃 类 的 代谢 具有 基质 特异 性 。 然 而 ， 某 SV papa lake, wee . - 些微 生物 在 其 能 够 同化 的 烃 类 存在 的 条 件 下 ， 对 它 本 来 不 能 同化 的 烃 类 也 能 进行 氧化 。 这 就 是 辅 氧化 作用 。 Bilan: 甲烷 假 单 抱 菌 具有 仅 能 以 甲烷 或 申 醇 为 唯一 碳 源 的 极 其 严格 的 基质 特异 性 ， 其 它 物 质 一 概 不 能 同化 。 但 是 在 有 甲烷 或 TAPE AEP, ADORE ASA AEA. AB. A, 将 正 芽 烷 氧 化 成 正 丁 醇 、2- 丁 酮 、 丁 酸 等 。 还 发 现 ， 生 长 在 正 烷 烃 中 的 诺 卡 氏 菌 对 环 烃 也 有 辅 氧 化 作 用 。 将 珊瑚 色 诺 卡 氏 菌 培养 在 含有 正 十 六 烷 的 培养 基 中 ， 添 加 对 -二 甲苯 ， 则 可 生成 对 - 甲 基 葵 甲 酸 。 这 说 明正 烷 径 的 氧化 酶 系 对 环 烃 的 侧 链 也 能 进行 氧化 。 对 辅 氧 化 作用 的 研究 ,使 径 类 代谢 的 研究 范围 更 加 开阔 了 . 通 过 采用 辅 氧化 作用 ， 将 有 可 能 生产 出 更 多 更 有 价值 的 工业 产品 。 入 、 烃 类 的 代谢 机 制 从 以 上 所 阐明 的 烃 类 代谢 过 程 中 ， 我 们 可 看 到 ， 固然 不 同 的 微生物 对 不 同 的 烃 类 有 不 同 的 代谢 途径 ， 但 是 ， 它 们 有 一 个 共同 点 ， 就 是 首先 需要 进行 羟基 化 而 生成 醇 〈 伯 醇 、 仲 醇 、 烯 醇 、 二 元 醇 等 ) 。 这 就 是 烃 类 代谢 的 机 制 。 现 在 知道 主要 有 下 列 三 HR 1。 舍 助 单 加 氧 酶 的 羟基 化 反应 实验 证 明 ， 在 能 够 同化 烃 类 的 假 单 抱 菌 中 ， 存 在 着 往 基 质 导 和 原子 氧 的 单 加 氧 酶 ， 称 为 羟 化 酶 。 在 还 原型 辅酶 I(NADH?)、 铁 离子 (Ee ) 和 分 子 氧 (0>) 存在 的 条 件 下 ， 可 将 烃 氧 化 为 醇 。 其 机 制 如 图 8-7 所 示 。 307 ae H * ADI, a 图 8-7 FEC RET IEE ACL il FEM RH: R—CH; + 0,+NADH,—>R—CH,OH + H,O+NAD 2. 借助 脱 氢 酶 和 水 合 酶 的 羟基 化 反应 实验 证 明 ， 在 皱 褐 假 丝 酵母 、 铀 绿色 极 毛 杆菌 、 去 硫 弧 菌 等 微生物 中 ， 有 烃 脱 氢 酶 。 在 NAD 存在 条 件 下 ， 能 使 烷烃 脱 氢 生 成 烯烃 -1， 然 后 在 水 合 酶 的 作用 下 ， 加 水 生成 伯 醇 。 ARI 52 RE BEX TEE be Hy TUL lz aD 8-8, CHs—(CH2)7—CH,—CHs 3hé NAD C NADHe2 CH3—(CH2)7—CH=CH2 hi-1 +H2O CH3—(CH2);—CH2—CH20H Ae NAD ¥ NADH» | CH;—(CH>)s—CHO pear + H.O CH3—(CH2)s—C—OH HEI Ay CHs—(CH2z)s—COOH Se 图 8-8 A FRRE BERT SS HCH ARYL il 其 总 反应 式 如 下 : 308 P 4 先 形 成 所 过 氧化 物 ， 然 后 再 加 气 还 原 为 醇 。 NAD NADH, | R—CH=CH, + H,0O—»>R—CH,—CH,OH 3. 借助 生成 过 氧化 物 的 羟基 化 反应 有 人 鉴定 了 革 兰 氏 阴 性 菌 氧化 十 六 烷 的 产物 ， 并 用 O 证明 了 空 闷 中 的 分 子 氧 直接 导入 到 烷烃 中 。 因 此 ， 认 为 其 代谢 机 制 是 ww Ba RR RH 环 径 有 脂 环 烃 和 芳香 烃 两 大 类 。 比 起 链 烃 来 ， 脂 环 烃 和 芳香 烃 都 较 难 被 微生物 氧化 。 环 烃 作 为 发 酵 原 料 ， 可 以 生产 谷 氮 酸 、 柠 标 酸 、 反 丁 烯 二 酸 等 产物 。 但 重要 性 比 不 上 链 烃 。 然 而 ， 由 于 前 述 的 辅 氧 化 作用 的 存在 ， 可 以 借助 微生物 把 脂 环 烃 和 芳香 烃 转化 为 用 化 学 方法 难以 得 到 的 各 种 各 样 的 有 用 物质 ， 在 这 方面 却 比 链 径 更 有 潜力 。 本 菠 主 要 益 述 环 烃 在 微生物 作用 下 ， 通 过 氧化 及 辅 氧 化 作用 “的 代谢 途径 。 # 环 烃 的 代谢 能 够 利用 脂 环 烃 的 微生物 极其 稀少 ， 而 且 活 性 弱 ， 氧 化 能 差 。 同 时 脂 环 烃 的 代谢 还 有 一 个 显著 特点 ， 就 是 脂 环 一 般 不 能 作 人 环 i a | 短 杆 菌 JOBs -一 一 一 > |__| i@RERB Bs 环 戊 烷 环 戊 柄 例 in: 309 OH O Wz ( 短 杆菌 JOBs 由 让 Pane falar: Sa a" 一 ~ Ro ke 环 已 醇 KO ha | 这 里 使 用 的 短 杆菌 JOB; 和 庄 卡 氏 菌 Re 是 微生物 中 已 被 发 现 的 氧化 脂肪 烃 能 力 最 强 的 菌株 。 其 中 ， 短 杆菌 JOB5 能 氧化 许 多 种 脂 环 径 。 在 氧化 五 碳 以 上 的 脂 环 烃 时 ， 任 何 情况 十 也 未 发 现 环 的 断 开 现象 。 仅 在 氧化 环 丙 环 时 ， 由 于 三 碳 环 状 物 的 碳 与 碳 之 间 的 夹 角 大 ， 而 不 稳定 ， 所 以 能 使 环 断 开 而 生成 两 醛 。 人 短 杆菌 JOBs wre ) oe pC ST 人 HA be Li 氧化 六 碳 脂 环 烃 的 微生物 稍 多 一 些 。 有 的 还 可 使 六 a 环 断 开 。 如 使 用 铜绿 色 极 毛 杆菌 可 把 环 已 烷 氧 化 生成 成 酸 、 甲酸 、 已 二 酸 等 产物 。 其 代谢 途径 如 下 : : . H 铜绿 色 极 毛 杆 菌 OOH COOH Lege. 本 [于 一 二 ic + HCOOH «Hake 过 氧化 物 环 已 醇 OH SEE COOH —-— Bis Pe COOH Ko — me Ho— 己 二 酸 有 些微 生物 能 够 氧化 脂 环 烃 的 侧 链 ， 氧 化 方式 与 正 烷烃 的 末 端 氧化 相同 。 例 如 ， 诺 卡 氏 菌 能 氧化 本 基 环 己 烷 的 侧 链 而 生成 环 己 烷 乙酸 。 310 ee HCE CH, fe H,.COOH. a aa ee 一 一 了 丁 基 环 己 烷 环 己 烷 乙酸 =. FAR TH : 芳香 烃 的 种 类 很 多 ， 用 途 非常 广泛 ， 微 生物 对 芳香 烃 的 作用 也 极为 复杂 。 现 将 其 归纳 成 四 类 进行 益 述 。 (—) RHA 葵 在 芳香 烃 中 也 是 难 被 微生物 同化 的 物质 之 一 。 但 由 于 它 是 芳香 烃 的 基本 骨架 ， 故 研究 较 早 。 葵 环 能 为 诺 卡 氏 菌 、 球 形 小 球菌 、 产 气 气 杆 菌 、 红 色 分 枝 杆 菌 、 铜 绿色 极 毛 杆菌 等 多 种 微生物 所 分 解 和 利用 。 而 且 ， FAA 特点 是 首先 氧化 生成 邻 - 苯 二 酚 。 邻 - 葵 二 酚 以 后 的 途径 有 二 条 ( 见 图 8-9)。 第 一 条 途径 是 ， SAMO, p- 酮 已 二 酸 而 生成 琉 珀 本 和 乙酰 辅酶 A， 这 是 最 为 普遍 的 途径 。 第 二 条 途径 是 ， 经 过 2- 羟基 粘 康 酸 半 醛 ， 最 后 生成 乙酸 和 丙酮 酸 。 这 些 生成 物 均 可 进入 三 次 酸 循环 ， 进 而 生成 各 种 代谢 产物 。 (=) 蔡 环 的 代谢 葵 是 芳香 烃 中 最 容易 被 微生物 代谢 的 。 所 以 ， 对 它 的 研究 在 芳香 烃 中 进行 得 最 多 。 蒜 的 代谢 过 程 ， 首先 是 氧化 生成 1,2- 二 羟基 蒙 。 以 后 的 途 径 有 三 条 ， 如 图 8-10 Bra. 其 中 ，1,2- 二 羟基 蔡 经 水 杨 醛 ( 邻 -羟基 葵 甲 醛 ) 生成 水 杨 酸 的 途径 ， 是 蔡 环 代谢 的 主要 途径 。 在 此 代谢 过 程 中 ， 由 1 2- 二 羟基 莹 生成 邻 -羟基 葵 丁 烯 酮 酸 的 时 候 ， 莹 环 的 断 开 需 有 铁 离子 (GEe…) 和 分 子 氧 (0?) 存 在 。 经 过 这 一 步 后 ， 代 谢 主要 沿 着 生成 水 ” 杨 酸 的 方向 进行 。 当 Fe™* 欠缺 时 ， 积 累 水 杨 酸 ， 而 当 Be 过 量 311 g we as 48 - #— 2 - 羟 粘 康 酸 半 醋 人 COOH CHO HOOC-—CH=CH-CH,-C-COOH | COOH 4- 羧 甲 基 -2- 2- 酮 -4- 己 烯 二 酸 NEDCao 丁 燃 酸 内 酯 ho ed H3;-C H-CH,-C-COOH é | { COOH 4- 羧 甲 基 -3- OH O Oc-90 THRAR 2- i-4- RR CHsC HO CH:-C-COOH | O CE B- Max v 丙酮 酸 CH;COOH idee 乙酸 CH, COOH ee | CH,COOH CO~SCoA 琥珀 酸 乙酰 CoA 图 8-9 茶 环 的 代谢 途径 312 Stes. Se) 1, VI 这 1,23 Vy 1,2-— ER 3 be 00H iar So 一 Me Mea T ae N CHsCOCOOH ~ OH ; 和 5 3 jn /° 水 杨 醚 和 MA、~cooH 避 J =a “CHO. 邻 -羟基 - 反 肉 桂 栈 如 ER | SS | H Xe JO : COOH a 水 杨 酸 邻 - 羟 基 葵 两 酸 SS COOH - 图 8-10 ZARA 存在 时 ， 则 水 杨 酸 继续 代谢 生成 邻 - 葵 二 酚 。 若 条 件 适 宜 ， 则 邻 - 对 二 酚 继续 按 图 8-9 的 途径 进行 代谢 。 基 反 肉桂 酸 ( 邻 - 香 豆 酸 ) 生 成 邻 -羟基 苯 丙 酸 。 在 以 茶 为 基质 的 假 单 孢 菌 培 养 液 中 ， 还 分 离 检 定 出 1, 2-28 梗 ， 但 菌 体 不 能 将 其 继续 氧化 。 (=) 意 和 菲 的 代谢 FA aa 313 此 外 ， 邻 -羟基 葵 丁 烯 酮 酸 也 可 经 邻 - -羟基 顺 肉桂 酸 、 邻 - 凑 = ERMA Ta RY BE ATA AE, JEL RRA Be 微生物 同化 的 。 但 由 于 它们 在 自然 界 存在 较 少 ， 所 以 对 它们 代谢 的 研究 较 少 。 划 和 非 的 代谢 途径 十 分 相似 ， 代 谢 结果 都 可 生成 水 入 酸 CL 图 8-11) 。 H See OH C00 COO Sar Oe 和 1,2-—-4-1,2-— BER 3- nes 2-22 RR 水 杨 酸 H te } N/ 0 | A | ae J 和 lan —COOH | we aes a Age Sah Shao e 要 Die aa: bets 4E ie -3， Sena 1- a 水 杨 酸 图 8-11 PAE Rae (四 ) 有 取代 基 的 芳香 烃 的 代谢 这 类 芳香 烃 的 代谢 比较 复杂 ， 类 型 很 多 ， 基 质 特异 性 强 ， 不 同 微生物 的 作用 方式 也 不 同 。 现 分 三 种 类 型 加 以 益 述 。 1. 奇数 碳 侧 链 的 烷 基 茉 的 代谢 奇数 碳 侧 链 的 烷 基 茶 ， 在 微生物 作用 下 ， 首 先 从 侧 链 开始 所 化 。 侧 链 的 烧 基 按 正 烷烃 的 末端 氧化 形式 进行 氧化 ， 生 成 奇数 碳 侧 链 的 薪 烷 酸 。 再 经 P- 氧 化 ， 生 成 个 乙酰 CoA 和 汪 丙 酸 。 CH,—(CHz) 2n41—CHs a. (CHe)2n41—COOH CH,CH,COOH A a 4-nCH,CO~SGoA 314 : aR ete ORTH. : 生成 的 葵 丙 酸 ， 有 两 种 代谢 方式 ( 见 图 8- 12); H-, AA 酸 继续 氧化 生成 葵 丙 烯 酸 ， 甚 至 再 氧化 生成 安息 香 酸 ( 葵 甲 酸 )。 其 二 ， 葵 两 酸 的 葵 环 氧化 ， 生 成 间 - 羟 茶 从 两 酸 、2， 3- 二 羟基 葵 两 酸 。 甚 至 苯 环 断 开 ， 生 成 琥珀 酸 、 丙 酮 酸 和 乙 醛 。 CH,CH,COOH CH= CH-COOH OOH ine 一 一 一 一 十 “HiCO~ SCoA Aw 安息 香 酸 CH,CH,COOH CH,CH,COOH CH,CH,COOH CH,COOH ie No a ae 一 CHcooH 一 一 一 2 OH : 一 一 -全 人 COOH <~ CHsCHOHCH,COCOOH: H Pa H O f ‘i 2,3-_38##B x £H;COCOOH el Melee mecca eee 图 8-12 AAR RHA 最 简单 的 烷 基 苯 为 甲 茶 。 甲 茶 的 代谢 途径 有 三 条 : 其 一 ， 甲 苯 的 甲 基 氧 化 生成 葵 甲 醇 、 葵 甲酸 ， 进而 氧化 为 邻 - 葵 二 酚 或 原 刀 茶 酸 (3,4- 二 羟 葵 甲酸 ) 。 其 二 ， 甲 茶 的 茶 核 上 先导 入 羟基 ， 生 成 间 - 甲 酚 或 对 - 甲 酚 , 继 而 氧化 为 原 儿 茶 酚 (4- 甲 基 - 邻 - 葵 二 酚 ) 然后 茶 环 断 开 ， 生 成 丙酮 酸 、 丙 醛 和 QO*。 其 三 ， 甲 茶 的 葵 核 导 入 凑 基 ， 生 成 间 - 甲 酚 ， 再 氧化 生成 3- 甲 基 - 邻 - 葵 二 酚 ， RRA 环 断 开 ， 生 成 丙酮 酸 、 乙 酸 和 乙 醛 。 如 图 8-13 Pram. 2. 偶数 碳 侧 链 的 烷 基 苯 的 代谢 有 偶数 矶 侧 链 的 烷 基 葵 ， 在 微生物 的 作用 下 ， 侧 链 烷 基 首先 经 未 端 氧化 ， 生 成 有 偶数 矶 侧 链 的 葵 烷 酸 。 再 经 8- 氧化， 生成 A CRRA 2 7. COC HARE A 315 ee! ae Ae —— let ete le, Ma el > 7 ’ ~ ‘ 7 ’ i t . a 4 a CH,OH COOH OH a eee OH IV 3 FA JEFF 邻 - 葵 二 酚 CH, CHs CH; Eg RRR a A CH, CH Cit 对 -年 酚 “HOH—=CH, +C=O | U cooh \ ion OH ‘YY Cone CHO COOH oe OH O C=0 ct | CH CH, ub CH,OH CH, 一 -一 一 SR | COOH ——= CH —e F" +C=0 H on, CHO | OH CH;COOH C=O C COOH (8) - FA 3- 甲 基 邻 - 葵 二 栈 乙 醛 ”丙酮 酸 图 8-13 RAW RE Sie svete oe / CH,— (CHz)2,—COOH | x Sd la ada > | 一 > LJ J = aa MA +nCH,CO~SCoA NN 316 Berens tn” 4 t a an ME ah ie CAME RATA. 生成 的 荃 乙酸 ， 有 两 条 代谢 途径 ， 其 一 是 经 尿 黑 酸 (2,5- 状 尊 乙酸 )， 然 后 开 环 ， 生 成 乙酰 乙酸 和 延 胡 索 酸 。 其 二 是 经 高 ”上 儿 茶 酸 (3,4- 二 羟 葵 乙酸 )， BN ERE Cee 如 图 8-14 Bras. f CH,COOH CH, COOH we CHa COOH OBE eet en HO C CHCOOH ， H, HG ee — €ooH = boon = : RRB 乙酰 乙酸 反 耳 烯 二 本 Soe NSCHECooH SHECcooH pg) Re e=-6 .*CO, cu, OH OH | COOH 高 儿 茶 酸 ZZ ”图 8-14 共 乙 酸 的 代谢 途径 3. 多 甲 基 芳 香 烃 的 代谢 多 甲 基 芳 香 烃 难于 被 微生物 氧化 ， 因 此 研究 较 少 。 一 般 认 为 ， 多 甲 基 芳香 烃 在 微生物 的 作用 下 ， 通 过 辅 氧化 作用 ， 其 中 一 个 甲 基 被 氧化 ， 而 其 余 的 甲 基 不 被 氧 化。 有 的 在 葵 核 上 也 可 以 导入 羟 基 。 举例 如 下 ; 317 本 a ee a eerX, n(CHy,700.5No.14 KAY) +0.7 nCO2+1.2 nH2,0 以 烃 为 基质 时 : 2 nCH,+2 nO. +0.14 nNH,t+(P\K,S #) ——n(CHy.700.5No.14 KA) +nCOz2g+1.5 nH,O KUAER MAP TUBE, URAKtAa WABI, Pn 克 分 子 的 菌 体 ， 需 要 0.7 半 克 分 子 氧 ， 而 以 烃 为 基质 时 , 则 需 27 克 分 子 的 氧 ， 后 者 约 为 前 者 的 三 倍 。 在 发 酵 生产 代谢 产物 时 ， 以 烃 为 基质 的 需 氧 量 也 是 以 糖 为 基 质 的 需 氧 量 的 三 倍 左右 。 现 以 谷 毛 酸 发 酵 为 例 计算 如 下 : 假设 : (1) 谷 氨 酸 生产 戎 的 菌 体 元 素 组 成 为 GC53% ,H7.3%, 019%，N12%， 灰 分 8.7%， 其 实验 式 为 (G4.4H7.s0i.?No.ss K 分 )。(2) 基质 的 80% 用 于 产生 谷 氮 酸 ，20% 用 于 长 基体 。(3) 以 糖 为 基质 时 ， 菌 体 转化 率 为 50%， 谷 氨 酸 转化 率 为 502% 。(4) 以 烃 为 基质 时 ， 菌 体 转化 率 为 90% ， 谷 所 酸 转 化 率 为 80% (都 为 重 BAA). | 根据 (2) 和 (3) 的 假设 ，100 Se Bes Fl fet bal 8 10 WAT AA 酸 40 5h. ABA, 7" 100 WEA SARRAL ER 25 Se, MUTOH 250 5c. 根据 (2) 和 (4) 的 假设 ， 100 SHAT AE PE 18 SEA 产 谷 PARR 64 GE. MBAS, 7° 100 WAAR 28 殉 菌 体 ， 则 需 烃 156 Ie o 列 出 并 平衡 其 反应 方程 式 如 下 : 以 糖 为 基质 时 : 321 8.33 CH,O+0.9 NH, +4 O.4+(P,K,S @) —>0. 25 (Cy. 4H7.301.2No.98 KA) + 0.68 C5HyO.N 十 3.79 CO.+5.71 H,O 以 烃 为 基质 时 : 11.14 CH,+0.92 NHs 十 12.2 02+ (P\K,S %) 一 0.28(Ci.4Hy.sOit.zNo.ses 灰分 ) 十 0.68 CsHoON +6.47CO,+8.44H,O | 因此 ， 生 产 100 DRAM, DRAIN, B14, UBARMM, 12.20 ote, RAAWAH=BREA. ; A>, BRNARMABE, Pree Els A De PITS 物 ， 需 氧 量 均 为 产物 转化 率 的 函数 。 省 加 产物 转化 率 ， 就 等 于 相 对 地 减少 了 氧 的 需要 量 。 要 往 意 的 是 ， 以 上 计算 的 需 氧 量 为 生产 一 定量 产物 时 的 需 氧 ” 量 。 切 不 可 与 实际 上 往 发 酵 角 中 吹 进 的 氧气 总 量 混为一谈 。 | 三 、 生 物 合成 热 微生物 在 生长 和 发 酵 过 程 中 所 放出 的 热量 ， 称 为 生物 合成 Hh 生物 合成 热 在 发 酵 工 业 方 面 是 很 重要 的 问题 之 一 。 它 与 发 酵 的 好 坏 成 改 有 密切 的 关系 。 尤其 是 石油 发 酵 ， 由 于 发 热量 特别 大 ， 故 在 发 酵 设 备 的 设计 和 工艺 操作 过 程 中 更 需 特别 注意 。 BA, REEDS KAAS DWE? 现 分 别 以 酵母 的 生长 和 谷 氮 酸 发 酵 为 例 计 算 如 下 : 在 酵母 菌 体 的 生产 中 ， 已 知 干 酵母 、 糖 和 烃 的 燃烧 热 分 别 为 3.63 千 卡 /公斤 3.74 千 卡 /公斤 和 11.43 千 卡 /公斤 。 又 假设 ， 以 糖 为 基质 时 ， 酵 有 母 转化 率 为 50%， 以 烃 为 基质 时 ， 酵 有 母 转 化 率 为 90%( 均 为 重量 百分比 )。 那么 ， 以 糖 为 基质 时 ， 生 产 100 ZIP RRB, FRE 200 公斤 ， 其 生物 合成 热 为 ; 322 3.74 4 千 卡 /公斤 x 200 公斤 一 3.63 千 卡 /公斤 x 100 ) 公斤 =748 F-K—-—363 FR=385 + LAR A ZE IRI, HEF 100 公斤 酵母 ， 需 烃 111 EK, 其 生物 合成 热 为 ， 11.43 千 卡 /公斤 x 111 公斤 一 3.63 千 卡 /公斤 x 100 公斤 =1257 +K—363 +K=894 F-*# 从 上 述 计算 结果 可 以 看 到 ， 同 时 得 到 100 公斤 著 体 ， 用 烃 为 基质 时 放出 的 热量 为 以 糖 为 基质 时 放出 热量 的 2.3 倍 。 在 谷 氨 酸 发 酵 中 ， 已 知 谷 氛 酸 的 燃烧 热 为 3.70 千 卡 / 公 斤 。 假设 (1) 基质 的 20% 用 于 长 菌 体 ，80% 用 于 发 酵 谷 氛 酸 。 (2) 以 糖 为 基质 时 ， 菌 体 转化 率 为 50%， 谷 氛 酸 转化 率 为 50%。 (3) 以 烃 为 基质 时 ， 菌 体 转化 率 为 90% ， 谷 氟 酸 转化 率 A 80% ( 均 为 重量 百分比 )。 根据 人 7 和 (27 的 假设 ， 100 公斤 糖 可 产生 10 公斤 基体 和 40 BERR. KA 100 re ee 则 需 糖 250 公斤 ， 同 时 得 到 2 区 天 重生 人 EBACE, HEF* 100 公斤 谷 氨 酸 的 生息 合成 热 为， 3.74 千 卡 / 公 斤 x 250 公斤 一 3.63 千 卡 /公斤 x 25 人 3. 7 千 卡 /公斤 x 100 公斤 =935 千 卡 一 91 千 卡 一 370 FR=514 FF 根据 (1) 和 (3) 的 假设 ，100 公斤 烃 可 生产 18 公斤 菌 体 和 64 公斤 谷 氨 酸 。 欲 得 100 SS 则 需 烃 156 公斤 ， 同 时 得 到 28 ATA. 那 末 ， 生 产 100 公斤 谷 氮 酸 的 生物 合成 热 为 ; 11.43 了 千 卡 /公斤 x156 公斤 一 3.63 K/2 Fr x 28 公斤 一 3.7 FR/A x 100 公斤 = 1783 +-K—102 千 卡 一 370 千 卡 三 1311 千 卡 从 中 我 们 看 到 ， 同 是 生产 100 公斤 谷 氛 酸 ,用 糖 为 基质 时 ， 放出 热量 514 千 卡 ， 而 用 烃 为 基质 时 ， 放出 热量 1311 千 卡 。 后 323 者 为 前 者 的 2.55 倍 。 另外 ， 我 们 看 到 ， 生 物 侣 成 热 和 氧气 需要 量 一 料 ， 是 产 易 生 化 率 的 函数 。 所 以 ， 为 了 减少 发 热量 ， 需 从 提高 产物 的 转化 率 方 面 考虑 。 四 、 毒 性 问题 六 十 年 代 来 ， 石 油 发 酵 已 引起 了 人 们 的 重视 。 国 外 石油 蛋白 已 完成 了 试 产 和 毒性 试验 阶段 ， 有 的 已 建成 了 年 产儿 千 吨 乃至 几 万 吨 的 工厂 准备 投产 。 用 烃 类 为 原料 发 酵 生 产 谷 氨 酸 、 柠 檬 酸 、 x- 酮 戊 二 酸 、 反 丁 烯 二 酸 等 的 转化 率 已 经 达到 或 超过 了 糖 质 原料 发 酵 的 水 平 。 然 而 ， 至 今 均 还 未 能 大 规模 正式 投产 。 其 原因 ， 除 了 上 述 的 需 氧 量 和 发 热量 特别 大 ， 给 LS 和 设备 带 来 特殊 困难 外 ， 还 有 基质 的 供给 、 产 物 的 分 离 与 提纯 等 工艺 与 设备 方面 的 难 ” 题 有 待 进一步 研究 解决 。 尤 其 是 作为 食品 和 人 饲料 方面 使 用 的 产 物 ， 存 在 着 令 大 关切 的 毒性 问题 。 ec ge 在 石油 发 酵 的 产物 中 ， 有 可 能 存在 某 些 毒性 物质 据 分 析 ， 这 些 毒 性 物质 主要 是 从 原料 中 带 进 的 。 另 外 ， 在 微生物 的 菌 体 细 胞 及 代谢 产物 中 ， 也 可 能 存在 某 些 有 毒性 的 物质 。 已 知 十 碳 以 下 的 脂肪 烃 和 芳香 烃 对 于 人 和 动物 都 是 有 毒 的 。 而 十 碳 以 上 的 正 石蜡 被 认为 是 几乎 无 毒 的 烃 类 。 有 些 芳香 烃 ， 即 使 是 微量 ， 也 容易 致癌 ， 称 之 为 -致癌 烃 ” 其 含量 必须 严格 控制 .例如 ，3，,4- 葵 并 花 、1,2,5,6- 二 葵 并 着 等 。 ayy 900 VA 3,4-AIF EL 1,2,5,6-—# FFE 324 . a. - 第 九 昔 ”氨基 酸 代谢 BT Hh 蛋白 质 是 细胞 的 首要 结构 物质 ， 又 是 酶 的 基本 组 成 成 分 。 A 物体 的 一 切 生 命 现 象 ， 无 不 与 蛋白 质 的 活动 密切 相关 。 蛋 白质 的 新 陈 代 谢 是 生物 体 生长 、 发 育 、 繁 殖 和 一 切 生命 活动 的 基础 。 体内 的 蛋白 质 总 是 在 不 断 地 目 我 更 新 ， 不 断 地 进行 分 解 与 合 成 。 生 物 机 体 必 须 从 环境 中 摄取 合成 蛋白 质 的 原料 合成 气 基 酸 ， 再 合成 自身 的 蛋白 质 ， 体 内 的 蛋白 质 也 不 断 地 分 解 成 氨基 酸 ， 再 分 解 成 末 产 物 。 所 以 氨基 酸 代谢 是 蛋白 质 代谢 的 基础 。 蛋白 质 分 子 中 最 主要 的 元 素 是 碳 和 所 。 机 体 合 成 蛋白 质 时 ， 除了 必须 矶 源 外 ， 还 必须 有 合适 的 氮 源 。 各 种 微生物 合成 蛋白 质 。 所 需 的 氮 源 不 相同 。 有 些 自 养 微生物 如 固氮 菌 能 利用 空气 中 的 游 离 N， 有 些 自 养 微 生物 和 异 养 微生物 能 利用 无 机 氛 ， 如 硝酸 盐 、 饺 盐 ， 另 一 些 异 养 微生物 只 能 利用 有 机 所 ,如 蛋白 质 的 分 解 产 物 ， TVs. WK ATER. 体内 的 氨基 酸 也 始终 处 于 动态 平衡 中 ， 即 不 断 从 细胞 蛋白 质 分 解 而 来 ， 又 可 从 食物 或 微生物 的 培养 基 中 摄取 或 经 细胞 合成 。 氮 基 酸 又 可 以 分 解 成 酮 基 酸 及 氮 。 糖 及 脂肪 的 分 解 产物 也 可 不 断 Ar AGE RR (OLA 9-1). 在 微生物 和 高 等 植物 细胞 中 和 动物 细胞 一 样 ， 经 常 存在 一 个 很 小 的 游离 氨基 酸 “ 库 ?， 这 些 氨基 酸 主要 用 于 蛋白 质 的 合成 和 构 成 无 数 重要 的 其 他 含 氮 物 质 ， 而 较 少 用 于 降解 。 细胞 中 经 常 可 以 同时 供应 20 种 氨基 酸 以 合成 蛋白 质 。 326 / 脱羧 胺 类 转变 Ny 重要 含 氮 物质 、 吐 吟 ， We; Me? AR FSH bs Wp SE t ca og ‘ 所 o- 酮 酸 = 人 人 糖 脂肪 je Beth Ne BENE CO2+ HO ; 9-1 氨基 酸 的 动态 平衡 -= IH 蛋白 质 的 水 解 与 至 白质 水 解 酶 类 蛋白 质 是 由 20 多 种 不 同 的 握 基 酸 相互 连 接 而 组 成 的 巨大 分 子 。 其 分 子 量 大 约 在 10,000 BRED WERNER, BARR 能 直接 进入 细胞 内 部 ， 必 须 分 解 成 所 基 酸 后 ， 才能 被 细胞 或 微 生 物 菌 体 利用 。 一 、 和 蛋白 质 的 水 解 蛋白 质 的 水 解 是 在 酶 的 催化 下 ， 通 过 加 水 分 解 ， 使 蛋白 质 中 “的 肽 键 断裂 ， 最 后 生成 氨基 酸 的 生物 化 学 过 程 。 ri RS Fis fis 7 HH O!IH H OjH H O/H H O'H HO ‘ HOH HOH HOH HOH Rx : Re Rg Ra H H H H ger > 蛋白 质 的 水 解 是 放 能 反应 。 平 衡 偏向 生成 氨基 酸 的 方面 。 反 应 所 产生 的 能 量 不 能 直接 被 机 体 利用 ， 而 以 热 的 形式 放出 。 大 分 子 的 蛋白 质 必须 经 蛋白 质 水 解 酶 类 的 共同 作用 ， 才 能 经 ithe. Slik, Heart WR IER 动物 可 利用 蛋白 质 作为 食物 ， 食 物 中 的 蛋白 质 须 经 水 解 成 小 分 子 的 氨基 酸 ， 才 能 消除 特异 性 ， 进 入 细胞 ， 再 合成 机 体 本 身 所 特有 的 蛋白 质 。 微生物 的 营养 类 型 与 动物 不 同 ， 一 般 不 能 直接 利用 蛋白 质 作 为 营养 ， 但 微生物 细胞 内 的 蛋白 质 在 代谢 时 都 需要 先行 水 解 才 能 被 利用 .有 些 细菌 能 分 解 天 然 蛋白 质 如 ， SEL a. Oo 杆菌 、 弯 组 织 梭 菌 ， 它 们 能 产生 胶原 蛋白 酶 ， 可 分 解 动物 的 用 、 皮肤 和 结缔 组 织 的 胶原 蛋白 。 真 菌 水 解 天 然 蛋白 质 的 能 力 强 ， 如 青 震 菌 能 分 解 牛 奶 蛋白 质 ， 很 多 真菌 都 能 水 解 结晶 卵 蛋 白 。 细 菌 中 能 水 解 蛋 白质 的 还 有 变形 杆菌 、 甲 型 肉 毒 人 东 和 钨 杆 菌 等 。 放 线 菌 也 有 分 解 蛋 白质 的 能 力 。 二 、 重 白质 水 解 酶 类 蛋白 质 水 解 酶 是 水 解 蛋白 质 肽 键 的 一 类 酶 的 总 称 。 按 照 水 解 多 肽 的 方式 ,可 分 为 内 肽 酶 和 端 肽 酶 两 类 ,内 肽 酶 能 切 开 大 分 子 多 肽 的 内 部 肽 键 ， 生 成 分 子 量 较 小 的 昧 、 及 等 产物 。 这 种 酶 称 为 蛋 白 酶 。 端 肽 酶 可 分 为 羧基 肽 酶 和 氨基 肽 酶 二 种 ， 它 们 分 别 从 多 肽 的 游离 羧基 端 及 洲 离 氛 基 端 水 解 蛋 白质 释 出 氨基 酸 。 (一 ) 蛋白 酶 类 (内 肽 酶 ) 1. 作用 方式 蛋白 酶 是 水 解 蛋 白质 内 部 的 肽 键 形 成 各 种 短 肽 的 酶 ， 获 又 称 - 内 肽 酶 蛋白 酶 作用 最 显著 的 特点 是 水 解 肽 链 中 间 的 肽 键 , 2 的 作用 有 一 定 的 专 一 性 。 不 同 来 源 的 蛋白 酶 只 能 水 解 蛋白 质 分 子 中 一 定 氮 基 酸 所 形成 的 肽 键 。 也 就 是 说 对 肽 键 两 侧 的 氨基 酸 所 共 有 的 基 团 各 有 不 同 的 要 求 。 细 菌 ,酵母 和 霉菌 含有 很 多 种 蛋白 酶 ， 328° q E ; i 蛋白 酶 作用 点 ”这些 酶 大 都 没有 充分 提纯 ， 酶 的 作用 点 及 专 一 性 要 求 尚 不 清楚 。 而 动物 消化 腺 分 泌 的 蛋白 酶 的 作用 机 制 已 搞 清 楚 了 .举例 如下， 胃 蛋 白 酶 eee Eee ae Ri oe COOH RELESH BEAM beens os yee ee Le CO—NH Pig eras cee GHe see, CH， Ra N ce a NH; OH .图 9-2 各 种 蛋白 酶 的 作用 点 2. HAE ARS OE Bae 蛋白 酶 由 于 分 布 不 同 分 为 ( 细 ) 胞 内 和 蛋白酶 和 (AN) 胞 外 蛋白 ， ， 酶 。 胞 内 蛋白 酶 与 细胞 内 经 常 发 生 的 蛋白 质 或 酶 蛋白 分 解 代谢 有 关 ， 和 但 它们 的 性 质 和 作用 方式 目前 仍 不 清楚 。 胞 外 蛋白 酶 存在 于 动物 及 微生物 。 | 3 微生物 合成 胞 外 蛋白 酶 的 能 力 不 一 样 ， 因 而 分 解 培养 基 中 和 蛋 白质 的 能 力也 不 同 。 如 档 草 杆菌 产生 明胶 酶 和 酪 蛋白酶 ， 能 水 解 培养 基 中 明胶 和 酪 蛋白。 而 大 肠 杆菌 就 没有 这 两 种 酶 。 因 此 在 细 蓝 分 类 鉴定 上 ， 常 用 以 测定 这 两 种 酶 活性 的 有 无 作为 一 项 分 类 依 329 据 。 微生物 合成 胞 外 蛋白 酶 时 必须 有 可 利用 的 氨基 酸 和 能 源 。 如 将 枯草 杆菌 (具有 水 解 蛋白 的 能 力 ) 接 种 到 无 机 盐 和 纯 蛋 白质 作为 碳 源 和 氮 源 的 培养 基 上 ， 细 菌 并 不 能 生长 。 因 为 它 不 能 产生 蛋白 酶 ， 也 就 不 能 利用 培养 基 中 的 蛋白 质 。 若 在 培养 基 中 加 入 少量 蛋 白 肪 (多 肽 混合 物 ) 则 细菌 先 利用 蛋白 肛 中 的 短 肽 或 所 基 酸 ， 大 量 生长 繁殖 并 产生 蛋白 酶 ， 再 分 解 培养 基 中 的 蛋白 质 。 有 些微 生物 如 真菌 及 放 线 菌 只 在 Me** 存在 时 才能 形成 蛋白 酶 。 3. 蛋白 酶 在 工业 上 的 应 用 微生物 的 胞 外 蛋白 酶 在 工业 上 应 用 较 多 。 根据 反应 的 最 适 PH, AYA AML (最 适 PH 为 3)、 中 性 (最 适 pH A7 AA) 及 碱 性 (最 适 pH 为 9.5~10.5) 蛋白 酶 三 种 。 酸 性 蛋白 酶 的 生产 菌 是 黑 曲 帝 茧 曲霉 ， 国内 生产 菌 种 有 黑 曲 .3350。 中 性 蛋 自 酶 主 要 生产 菌 是 枯草 杆菌 ， OKA, tHe. AE Rat Hh 3942, MRT 1398, 放 线 菌 166 等 。 碱 性 蛋白 酶 主要 生 产 菌 是 枯草 杆菌 、 栖 土 曲 赴 、 米 曲霉 等 。 国 内 生产 菌 用 枯草 杆菌 2709、209、289 等 三 种 。 工业 上 已 广泛 利用 微生物 的 蛋白 酶 。 例 如 枯草 杆菌 和 栖 土 曲 才 产 生 的 和 蛋白酶， 已 用 于 天 然 恤 丝 的 脱胶 。 酱 油 等 调味 品 的 酿造 是 通过 微生物 蛋白 酶 及 肽 酶 的 作用 。 使 原料 中 蛋白质 水 解 成 气 基 酸 、 多 肽 及 其 他 含 氨 碱 以 提高 其 鲜 味 ;人 制 革 工业 中 利用 蛋白 酶 水 解脱 毛 ， 表 皮 同 真皮 层 联 结 处 的 蛋白 质 ， 使 皮革 脱毛 ;照相 胶卷 回收 也 可 利用 蛋白 酶 分 解 感光 胶卷 上 的 明胶 ， 使 银 盐 脱 落 而 不 损 胶卷 基 片 。 和 蛋白 酶 可 增加 洗涤 剂 的 功效 ， 增 强 去 污 能 力 ， 延 长 组 物 寿 命 。 在 外 科 医 疗 上 还 可 用 于 消除 坏死 组 织 、 促 进 伤口 伍 合 。 (=) Fx Bis (oi BB) Wk Bi Ae FE A — tain AE, FH — 7 SA EARS BRE. A OC eR i IK 酶 。 肽 酶 包括 羧 肽 酶 、 氨 肽 酶 、 二 肽 酶 三 种 。 这 类 酶 是 水 解 多 肽 及 二 肽 的 。 肽 酶 也 具 专 一 性 。 羧 肽 酶 是 从 多 肽 的 游离 羧基 端 开 始 330 , = 。 水解， 逐个 切 下 氨基 酸 分 子 。 氨 肽 酶 是 从 多 肽 的 游离 氨基 端 开 始 水解 ， 逐 个 切 下 氨基 酸 分 子 。 二 肽 酶 是 水 解 二 肽 为 单个 氨基 酸 的 酶 。 i A 氨基 肽 酶 作用 点 羧基 肽 酶 作用 点 RK: O fs | cael fea en ro nn H H 二 肽 酶 作用 点 DREHER, RICA EMELINE RE RH oF nese 性 。 有 些微 生物 只 有 肽 酶 ， 没 有 蛋白 酶 ， 如 乳 杆菌 和 大 肠 杆菌 ， 它们 不 能 水 解 蛋白 质 ， 但 可 以 利用 蛋白 膝 等 多 肽 物质 作为 碳 源 ， 气 源 和 能 源 。 大 部 分 肽 酶 需要 Mn**, Mg**, Cott, Fet* 或 Znt+ 做 为 辅助 因素 。 (= =) SGMMKBHEA ROKER 蛋白 酶 和 肽 酶 水 解 蛋 白质 的 过 程 为 蛋白 本 蛋白 本 Hera a? * gee 总 结 以 士 所 述 蛋 白质 水 解 是 经 过 蛋白 酶 和 肽 酶 的 催化 作用 。 - 蛋白质 水 解 为 蛋白 脉 、 腺 、 多 肽 ， 再 继续 水 解 为 氨基 酸 。 这 就 成 为 可 以 被 吸收 的 物质 。 和 蛋白 酶 和 肽 酶 的 联合 催化 作用 是 水 解 蛋白 质 : 和 蛋 自 膝 及 其 他 肽 类 使 成 为 氨基 酸 的 必要 条 件 。 水 解 生成 的 扎 二 基 酸 可 供 微生物 代谢 活动 的 需要 。 在 陈旧 培养 基 上 ， 死 亡 的 微 生 。 ” 物 贡 对 自 溶 现象 ，? 引 起 自 溶 现象 的 酶 也 是 蛋白 酶 。 这 类 蛋白酶 在 33] 细胞 中 的 作用 可 能 是 分 解 代谢 过 程 中 产生 的 变性 蛋白 质 。 当 微 生 物 生长 在 营养 物质 缺乏 的 培养 基 上 时 ， 分 解 代谢 超过 合成 代谢 。 这 类 和 蛋白酶 和 肽 酶 就 作用 于 自体 的 蛋白 质 而 出 现 自 溶 现象 。 Fa RAR aE 蛋白 质 经 水 解 后 生成 的 氨基 酸 或 微生物 从 培养 基 中 直接 吸收 的 氨基 酸 都 可 以 通过 共同 的 途径 进行 分 解 代谢 。 在 -氨基 酸 的 分 子 结构 中 ， 除 R 基 团 因 氨 基 酸 种 类 不 同 而 BERS, 其 余部 分 则 是 一 切 -氨基 酸 ( 且 氨 酸 是 唯一 例外 ) 所 共有 的 ， 这 正 是 <- 氨基 酸 的 分 解 代谢 都 具有 共同 途径 的 基础 。 xc- 氨基酸 与 糖 类 、 脂 类 的 显著 区 别 是 它 含 有 c-NH2; 因此 氨基 酸 分 解 代 谢 中 必须 去 掉 c-NHs 基 ， 然后 才能 进入 各 类 物质 代谢 的 共同 通路 一 一 三 羧 酸 循环 。 所 以 氨基 酸 分 解 代谢 的 主要 部 分 是 氨基 的 脱落 , 即 包括 :一 、 脱 所 基 作 用 (一 ) 氧化 性 脱 所 基 反 应 (=) 非 氧化 性 脱 氛 基 反 应 ; 二 、 转 氨基 作用 ; =. RAMEE 用 。 通过 脱 氨基 作用 或 转 氨 基 作用 ， 氨基 酸 被 分 解 成 所 和 oh 基 酸 ，c- 酮 基 酸 可 经 过 不 同 的 途径 进入 三 羧 酸 循环 彻底 氧化 或 转 变 成 糖 和 脂肪 。 氨 可 进一步 进行 代谢 。 另外 ， 毛 基 酸 尚 有 脱羧 基 作 用 。 eT eT 生 氨 。 一 、 脱 氢 基 作用 氨基 酸 失去 氨基 的 作用 称 为 脱 氨 基 作 用 (又 称 脱 所 作用)。 一 般 脱 氨基 作用 是 氨基 酸 分 解 代 谢 的 第 一 个 步骤 。 氨 基 酸 的 脱 氟 基 作用 因 下 同 微 生物 和 不 同 条 件 而 异 。 一 般 包括 氧化 性 脱 氨 基 反 应 ”和 非 氧 化 性 脱 氨 基 反 应 ， 氧 化 性 脱 氨 基 反 应 普 遇 存在 于 动 、 植 物 及 需 氧 的 微生物 中 。 非 氧化 性 脱 氨基 反应 多 在 厌 氧 ， 或 兼 性 厌 氧 微生物 中 发 现 。 各 种 微生物 具有 不 同 的 脱 氨 方式 ， 说 明 它 们 适应 332 Pa RRR RAK Rm. 某 些 脱 氨 方 式 可 用 于 微生物 鉴 aes (一 ) 氧化 性 脱 氨 基 反 应 氨基 酸 在 酶 的 催化 下 ， 经 脱 气 的 方式 被 氧化 成 亚 氨基 酸 。 所 生成 的 亚 氨基 酸 在 水 溶液 中 极 不 稳定 ， 随 即 自发 水 解 成 酮 基 酸 和 NHs( 氮 )。 这 种 氧化 性 脱 氨基 反应 只 能 在 有 氧 下 进行 ， 对 于 绝对 厌 氧 的 微生物 如 梭 状 菌 就 不 能 进行 。 其 反应 如 下 ; R HL_NH， Bie C= NH 9- O+ NH; COOH FAD FADH, COOH COOH 或 或 NAD NADH; ILM wx- 亚 氨基 酸 x- 酮 基 酸 催化 氧化 性 脱 氨 基 反 应 的 酶 有 二 类 : 一 类 是 氨基 酸 氧 化 酶 ， 另 一 类 是 氨基 酸 脱 气 酶 。 (1) 氨基 酸 氧化 酶 是 一 种 黄 素 蛋 白 ， 以 FEAD 或 EMN 为 辅 基 ， 它 使 氨基 酸 脱 下 的 氢 与 分 子 氧 结 合成 H,02, FADH, +0O.,—~> FAD + H.O2 ARTE TE ZEN, HO, pari H.0 和 0?。 当 无 过 (CAMRY, HO, REALE ROR CH CO +H,02, ———— CH; COOH COOH 这 类 酶 包括 工 -氨基 酸 氧 化 酶 ，D- 氨 基 酸 氧化 酶 和 专 一 性 很 高 的 甘氨酸 氧化 酶 等 。 工 -氨基 酸 氧化 酶 能 催化 工 -氨基 酸 氧化 脱 RSE, 它们 的 辅 基 是 FAD 或 EMN。 这 类 酶 分 布 很 广 但 活性 不 高 。D- 氨 基 酸 氧化 酶 的 辅 基 是 FAD。 -这 种 氧化 脱 氨 基 方式 不 适用 于 丝氨酸 、 苏 氛 酸 、 谷 氨 酸 、 天 333 门 冬 氨 酸 、 赖 氨 酸 、 精 氨 酸 、 鸟 氨 酸 ， 它 们 分 别 通过 脱水 脱 氨基 及 氨基 酸 脱 氢 酶 完成 脱 所 作用 。 (2) 氨基酸 脱 氢 酶 属于 不 需 氧 脱 氢 酶 。 其 中 活性 最 强 ， 分 布 最 广 ， 在 动 、 植 物 、 微生物 中 普遍 存在 的 是 工 - 谷 氨 酸 脱 氨 酶 ， 它 的 辅酶 是 NAD 或 NADP。 它 能 催化 工 - 谷 氨 酸 脱 氢 脱 氨基， “生成 “- 酮 成 二 酸 ， 反 应 如 下 ， COOH COOH os pm H O bi L- 4598 Bale SBS H, pe gs 2 ; d hs =NH LOND NADH. 人 dooH COOH (NADP) (NADPH) COOH — L-FAR 亚 氛 基 戊 二 酸 “- 酮 成 二 酸 脱 氢 后 生成 的 NADPH?， 既 可 经 递 电子 链 将 2 互 递 交 O2 生 成 了 20 产生 3 个 AIP( 见 生物 氧化 章 ); 又 可 参加 需要 HADEP: 的 合成 反应 。 L- 谷 氨 酸 脱 氢 酶 在 氨基 酸 氧化 脱 氨基 中 占有 重要 位 置 ， 工 - 谷 氨 酸 脱 气 酶 和 工 - 谷 氮 酸 转氨酶 〈( 见 转 氮 基 作用 ) 联合 协作 即 成 为 体内 最 主要 的 联合 脱 氛 基 作 用 。 L- 谷 所 酸 脱 气 酶 催化 的 反应 是 可 逆 的 。 当 有 “- 酮 基 酸 及 氢 存在 时 即 可 经 还 原 性 氨基 化 合成 谷 氨 酸 。 (=) 非 氧 化 性 脱毛 基 反应 除 沁 化 性 脱 妥 基 反 应 外 ， 在 微生物 体内 还 进行 非 氧化 性 脱 氨 基 反 应 。 例 如 还原 性 脱 氨 基 、 脱 水 性 脱 氨 基 " 分 解脱 氨基 以 及 Sn .还原 性 脱 氨 基 反 应 Sap ea a 此 类 反应 主要 发 生 在 _ 334 BRA Hy da eR SET A EI ECR eno. CEU 的 俱 化 下 ， 使 所 基 酸 加 氢 脱 氨 。 如 甘氨酸 还 原 性 脱 氨 基 生 成 乙酸 (天 肠 杆菌 、 荧 光 杆菌 )， | CH2NH, LB CHg -+NADH, 1 | 十 NHs 十 NAD COOH J / | ‘ COOH HAR 乙酸 MAAC AWS HN Ms FL J As RII - COOH ioe | L-KF AR 琥珀 酸 2. 分 解脱 氨基 反应 氨基 酸 直接 脱 去 氨基 ， 生 成 不 饱和 酸 和 氨 的 反应 ， 即 为 分 解 BRE RM. MEK HAA 工 -天 冬 氨 酸 酶 ， 能 催化 工 -天 冬 氨 酸 分 解脱 氨 生 成 延 胡 索 酸 和 氨 。 COOH COOH | 下 工 - 天 冬 所 酸 酶 所 SOF ey cella La Ra 二 CHNH， HC COOH 、 COOH L-KFAR 延 胡 索 酸 在 细菌 和 酵母 中 都 存在 这 种 脱 氮 反应。 此 反应 为 可 道 反应 ， 也 是 合成 气 基 酸 途 径 之 一 。 3. aR BAR : 工 -丝氨酸 ， 工 - 苏 氨 酸 等 含 -OH 的 RAM RAM ihe 化 生成 亚 气 基 酸 ， 然 后 再 脱 去 氨基 ， 生 成 “- 酮 基 酸 及 NHs。 反 应 如 下 : +NHs 335 | os i , 7 CHNH， 机 重 排 C 一 NHs +H20 C—O +NHs COOH COOH COOH COOH L-ZAR cx- 氨基 丙烯 酸 - 亚 氨基 两 酸 - 丙酮 酸 大 肠 杆 戎 及 酵母 体内 均 有 此 反应 。 4. 脱硫 化 氢 脱 氨基 反应 半 胱 氨 酸 含 一 S 芯 ,被 氨基 酸 脱硫 酶 所 催化 ， 脱 去 H2S， 然 后 同 -上 式 一 样 进行 分 子 重 排 及 脱 所 ， 生 成 "- 酮 酸 、NHs。 其 反应 式 如 下 : | 子 HCNH, ee C—NH, | HHE | C—=NH | +H20 ”上 2 | 二 一 COOH COOH COOH 半 胱 氨 酸 ~~ COOH 丙酮 酸 大 肠 杆 菌 、 枯 章 杆 菌 、 酵 母 均 进行 此 反应 。 CH,OH CH, CH; CH, , -, L-22 SRR Bi 7k Bi | | 一 一 一 一 一 酵母 老化 自 溶 ， 产 生 的 酵母 味 与 脱硫 化 氢 脱 氨基 反应 所 生成 “ 的 HS AK MG PHS 的 含量 偏 高 超过 了 限量 ， 即 有 不 良 口味 。 5. 水 解脱 氨基 反应 “不 同 氨基 酸 经 水 解脱 氨基 后 ， 生 成 不 同 产物 ， 如 米 曲 霉 可 使 亮 氨 酸 水 解 腕 所 后 生成 “- 羟基 -》- 甲 基 = 戊 酸 : NH: Hs | ”>cactucHcoom+ro 一 一 -一 亮 氨 酸 Hg )CHCH,CHCOOH+ NU, H OH 4a- 羟 基 -7- 甲 基 戊 酸 336 (CHsz)s 十 了 :0O 一 一 > (CHs)s 十 NHs CHNH, _ CHNH;, COOH COOH i a I AR £5, FAR TK Hb a FE Js HE SI. PALA Ae Ke NH: Jn penn = ee eae U | tee eu Oo pote ey ae = | RIB | ae 6. 氧化 还 原 偶 联 脱 氨基 反应 (Stickland) 这 是 一 种 特殊 的 脱毛 基 方法 ， 需 要 有 两 种 氨基 酸 参 与 反应 : 一 种 氨基 酸 进行 氧化 性 脱 氨 基 ， 脱 下 的 氢 去 还 原 另 一 种 氨基 酸 使 后 者 发 生还 原 脱 氨基 ,二 者 偶 联 进行 氧化 还 原 脱 氨基 。 这 种 脱 氨 基 方式 ， 仅 在 某 些 梭 菌 中 发 生 ， 酵 母 也 有 此 反应 。 其 通 式 可 写成 R/CHNH,COOH + R” CHNH,.COOH+ H.O> ; R'COCOOH +R” CH,COOH + 2NH, | 但 并 非 在 任意 两 种 氨基 酸 之 间 都 可 以 进行 此 反应 ， 只 有 供 氨 体 氨 = 基 酸 与 受气 体 氨基 酸 组 成 对 偶 时 才能 进行 。 有 些 氨基 酸 只 能 作为 供 氨 体 ， 而 另 一 些 氨基 酸 却 只 能 是 受 氢 体 。 例 如 ， 供 -所 体 se a L-AAR HAR L-RAR L—-li am L 45 A L —F8 iit AB 337 L-#AAR L-SAm L—-“F CAR L-# AR L-H AR 工 -天 冬 氨 酸 L-F Am 两 氨 酸 与 甘氨酸 之 间 的 反应 ; CH,CHNH,COOH +NAD+H,0->CH,COCOOH+ NH; +NADH, CH,NH,COOH+NADH,>CH,COOH+NH;3+NAD 总 反应 式 CH,CHNH,COOH + CH,NH:COOH + H,O> CH;,COCOOH+CH;COOH + 2NHz (=) 氨基 酸 酰胺 的 脱 氨 基 作 用 | 动物 、 植 物 、 微 生物 体内 广泛 存在 的 谷 氮 酰胺 和 天 冬 氨 酰 胺 可 经 谷 氨 酰胺 酶 和 天 冬 所 酰胺 酶 作用 ， 分 别 脱 所 生成 谷 氨 酸 和 天 冬 氨 酸 。 谷 所 酰胺 酶 和 天 冬 氨 酰 胺 酶 广泛 存在 于 微生物 和 动 、 植 物 组 织 中 ， 有 相当 高 的 专 一 性 。 a fe | CNH, ~ (CHs)。 ae. 谷 氨 酰 胺 酶 | (OH2)， + H,0- we CHNH,+NHg CHN Hg, COOH COOH FRR 谷 氨 酰胺 O _ | CHNH, ae: H, eet COOH KER MME 338 _ 谷 氨 酰 胺 和 天 冬 氨 酰胺 是 微生物 体内 氨 贮 存 的 形式 ， 当 细胞 ” 需要 NHs 以 合成 氨基 酸 或 核酸 时 , 则 由 谷 氨 酰胺 酶 或 天 冬 氨 酰胺 酶 分 解 酰 胺 放出 NHs 供 合成 之 需 。 -天 冬 所 酰胺 酶 是 一 种 重要 的 抗 癌 药 物 , AT ERD 肿瘤 细胞 繁殖 所 必需 的 天 冬 氨 酰胺 ， 从 而 抑制 了 这 些 肿瘤 细胞 的 繁殖 ， 但 对 正常 细胞 则 无 损害 ， 因 此 有 抗 癌 作 用 。 工 - 天 冬 氨 酰胺 酶 是 由 大 肠 杆 菌 发 酵 生 产 的， 它 对 白血病 , 急 。 性 淋巴 肿瘤 疗效 较 好 ， 已 在 临床 得 到 应 用 。 ~、 转 气 基 作用 (一 ) 概念 转 氨 基 作用 是 氨基 酸 脱 去 氨基 的 一 种 重要 方式 ， 由 转 氨 基 反 应 完成 。 转 氨基 反应 是 一 个 c- 氨 基 酸 的 氨基 通过 转 氨 基 酶 的 催 化 将 氨基 转移 到 一 个 c- 酮 基 酸 的 酮 基 位 置 上 ， 生 成 与 原来 的 c- 酮 基 酸 相应 的 -氨基 酸 ， 原 来 的 -氨基 酸 转 变 成 相应 的 c- 酮 基 酸 。 这 反应 与 脱 氛 基 作 用 的 明显 差别 在 于 并 没有 自由 NHs 生 成 。 转 氨基 反应 又 称 氨 基 移 换 反 应 。 转 氮 基 反 应 的 通 式 是 : Ri Re Ri Re | tee | | HCNH, + C=O x C=O + HCNH, COOH COOH COOH COOH AER - pa 5 Bid 5 氨基 酸 | «FEM 〈 简 称 转氨酶 ) 普遍 存在 于 动 、 植 物 及 微生物 细胞 中 ， 酶 活性 较 强 ， 专 一 性 高 ， 种 类 很 多 。 其 中 活性 最 大 ， 分 布 很 “大 的 是 谷 氨 酸 、 丙 酮 酸 转氨酶 及 谷 氮 酸 、 章 酰 乙 酸 转 氮 酶 ， 它 们 可 以 分 别 将 谷 气 酸 上 的 氨基 转移 到 丙酮 酸 及 草 酰 乙 酸 上 形成 两 所 酸 及 天 冬 氨 酸 。 所 以 转 氮 基 反 应 既是 脱 氮 基 的 一 种 方式 又 是 合成 新 氨基 酸 的 一 种 方式 。 - (=) 转 氨 机 制 339 转氨酶 的 辅酶 是 磷酸 吡 哆 醛 或 磷酸 吡 哆 胺 (维生素 Be HR 酯 ) 。 转 氨 酶 所 催化 的 反应 是 可 逆反 应 。 转 氨 酶 催化 转 氨 基 反应 是 以 辅酶 作为 氨基 (一 NH?) 的 传递 体 。 现 以 谷 氨 酸 、 丙 酮 酸 转氨酶 - 为 例 。 说 明 其 反应 机 制 。 其 反应 过 程 如 下 : COOH ge fe (CH)s HON Yv/ C00 eee (CHy)s | CHNH, | | +H,0 HC—N+=CH Coon. 2 COOH 5 谷 氨 酸 磷酸 吡 哆 本 "See 3 mee 中 间 产 物 | 双鱼 移 位 COOH CH.NH, COOH (CH). HO. ZX /PROO — 120 | (CHs)s G0 Ai | fa hee / COOH 1 Ns # COOH . wx- 酮 基 戊 二 酸 “磷酸 吡 哆 胺 HO. A /C0® H,C” n/ Sm 中 间 产 牺 ace foe | < re G0 + BON AY /CH10O" 5.0 pane ae ne COOH +H20 HO CH,O® 和 \ 7 SS 丙酮 酸 H CA NMNV/ | | 磷酸 吡 哆 胺 HGAAN 中 间 产 物 340 | 到 凶 移 位 ‘ a “f ‘¢ os a = aa | | suit aes CHNH, + HOW Y 1 二 了 ener N a COOH +H20 HO CH,0®) NN wim 4c” YN | an ORE ; 中 间 产 物 -三 ) 生理 意义 ， 塌 氨基 作用 普遍 存在 于 动 、 植 物 、 微 生物 ， 通过 转 氨 基 反应 ， SAAN TAMA A AE, MFG RR AT A aR Fe AE rae 根据 同位 素 N° PROSE AS, BR HY ARR Dy BAR AS ZS HS DAE RES, FAFA AB AT EA [el FE EASE AME A ks 但 以 谷 氨 酸 “- 酮 戊 二 酸 的 转 氨 体 系 最 重要 。 大 部 分 氨基 酸 “都 可 以 与 c- 酮 基 戊 二 酸 起 转 氨 基 反应 形成 工 - 谷 氨 酸 ， 再 通过 工 - 谷 氨 酸 脱 气 酶 脱 所 基 ， 这 样 转 氨 基 反应 就 帮助 了 其 他 氨基 酸 脱 氨 基 ( 见 联合 脱 腕 基 )。 另 外 通过 谷 氨 酸 -%- 酮 基 酸 转 近 酶 体系 ,其 他 BAH Wiss AY A a Ik A A BR FE EG BT AY SA RR ROT RAEI A 重要 意义 。 ( 见 氨基 酸 合成 。) 三 、 联 合 脱 氢 基 作 用 联合 脱 腕 基 作 用 是 一 种 间接 脱 氨 基 作 用 。 由 转氨酶 与 工 - 谷 “RAMANA TEA META. 其 过 程 是 “- 氨 基 酸 先 与 “<- 酮 戊 二 酸 起 转 氨 基 作用 ， 形 成 谷 氨 酸 ， 再 经 谷 氛 酸 脱 氢 酶 的 作用 进 FTAA. A 工 -氨基 酸 氧化 酶 活性 弱 而 转氨酶 、 工 - 谷 氮 酸 脱 气 酶 活性 强 ， 因 此 推 想 细胞 内 大 部 分 氨基 酸 可 能 通过 间接 脱 壳 基 方 式 脱 去 饥 基 。 事实 证 明细 胞 中 工 -所 基 酸 的 脱 氨 基 作 用 很 慢 ， 当 加 入 少量 “- 酮 基 戊 二 酸 ， 则 脱 所 作用 明显 增加 。 联合 腊 所 基 作用 也 是 微生物 大 部 分 气 基 酸 鹏 去 所 基 的 重要 方式 。 Wi za 机 制 如 下 ， 341 ~ ye pin OOH NH, o- Mat — er : RQ L- 谷 氨 酸 转 氨 基 酶 PO. ZARA AY URE PE (一 ) 概念 氨基 酸 降解 的 另 一 途径 是 脱羧 作 用 。 氨基 酸 的 脱羧 作用 是 氨基 酸 经 脱羧 酶 类 催化 ， 脱 去 羧基 ， 生 成 相应 的 胺 和 GO; 的 反应 。 通 式 如 下 ; RCHNH,COOH——>RCH,NH,;+CO, 氨基 酸 胺 脱羧 酶 存在 于 动物 、 植 物 、 微 生物 中 。 脱羧 酶 的 专 一 性 很 高 ， 一 般 都 迟 酸 吡 哆 醛 作为 辅酶 。 (=) 脱羧 机 制 | 氨基 酸 脱羧 时 氨基 酸 先 与 辅酶 结合 ， 再 脱 去 羧基 ， 反 应 机 制 如 下 ， 342 ee ee Sak a ee 四 . ; 4 | 后 ” 1 a x > Te A oy 局 “ A 了 本 * ad ed ” a 5 j , : se ro 1 _y0 CHEN 一 CE 4 one | | eee AEB H CA \w/ HO, AN CHs0 轿 磷酸 吡 哆 醛 | KN HC is CO. Y ; | CHO H— C—N=CH ; * : HOY a /SH20®8 上 | 5 y CH : ; | | Sie ee i BERAOLL US BE a = (=) 微生物 的 氨基 酸 脱 羧基 反应 微生物 的 氨基 酸 脱羧 反应 较 多 ， 可 形成 多 种 胺 ， 但 氨基 酸 的 脱 次 基 反 应 并 不 是 氨基 酸 代谢 的 主要 方式 。 一 般 脱 羧 酶 都 是 诱导 酶 ， 即 要 有 相应 的 氨基 酸 存在 时 ， 才 能 形成 相应 的 脱羧 酶 。 不 同 ee eRe RLE TH. 这 种 特性 可 以 帮助 鉴别 肠 ‘AS Ra. 人 ayer | 一 CO> Ho 一 人 —CH.CHNH.COOH <2 Marre: Wer SL SC HO—K __ D—OHCHNH, 栈 胺 343 | 一 CO。 ae By SF IBA Bk i CHNH, CH.N He | -氨基 丁 酸 十 COs COOH 谷 氨 酸 含有 二 个 氨基 的 二 元 氨基 酸 脱羧 后 生成 二 元 胺 (二 胺 )。 此 业 胺 对 人 有 毒性 。 当 肉 类 蛋白质 腐败 ， 经 细菌 脱羧 酶 的 作用 即 产生 亡 胺 、 腐 所 后 ， 对 人 有 毒性 ， 即 不 能 食用 。 这 种 反应 在 腐败 梭 菌 、 、 (el assent | H,NCH,CH,CH,CHCHCOOH 赖 氨 酸 脱羧 酶 woo HAR NH, ~COz H,NCH,CH,CH,CH,OH,NH;, Pik H,NCH,CH,CH,CHCOOH & aR Bian | 3 NH; SAR H,NCH,CH,CH,CH,NH, 腐 胺 一 元 胺 、 二 元 胺 有 臭 味 ， 为 碱 性 。 在 发 酵 后 期 菌 体 自 溶 ， 氛 基 酸 进一步 降解 、 脱 羧 后 生成 胺 ， 使 PH 上升 ， HART 在 酶 制剂 生产 过 程 中 ， 即 有 此 种 现象 发 生 。 在 某 些微 生物 中 〈 如 大 肠 杆 菌 ) 的 脱羧 酶 含量 往往 随 培养 基 的 PH 而 变化 。 在 含有 氨基 酸 而 偏 酸性 的 培养 基 中 , 脱羧 酶 含量 往 往 增 加 。 由 于 脱羧 产生 碱 性 的 胺 ， 可 以 调整 培养 基 的 P 孔 值 ， 有 利于 微生物 的 生长 .同样 情 况 在 含 近 基 酸 而 又 偏 碱 性 的 培养 基 中 ， 脱 氨 酶 的 活性 往往 升 高 ， 脱 氨 后 产生 的 “- 酮 酸 可 以 调整 培养 基 的 PH 值 。 这 是 微生物 进行 代谢 自我 调节 方式 之 一 。 由 于 氨基 酸 脱羧 酶 的 专 一 性 很 强 ， 故 可 用 来 测定 气 基 酸 的 含 344 。 。 量 。 在 谷 氨 酸 发 酵 生 产 中 ， 利 用 大 肠 杆菌 脱羧 酶 的 作用 ， 于 样品 ”中 加 入 谷 氨 酸 脱羧 酶 ， 由 瓦 氏 呼吸 计 测 出 所 释放 Go; 的 量 , BDAY ” “算出 谷 氨 酸 的 含量 。 (四 ) 氨基 酸 的 脱 氨 基 、 脱 羧基 反应 ae ”在 有 些微 生物 如 细菌 或 酵母 细胞 中 ， 能 进行 加 水 分 解 ， 同 时 ， 进行 脱 氨 基 与 脱羧 基 ， 生 成 少 一 矶 原子 的 第 一 醇 、NHs 和 GO;。 当 纺 氨 酸 进行 加 水 分 解 ， 同 时 进行 脱 氨 基 和 脱 凑 基 时 则 生成 。 蜡 了 醇 。 当 亮 氨 酸 和 异 亮 氨 酸 进行 同样 的 脱 氨 基 和 脱羧 基 反 应 则 竺 成 异 成 醇 及 活性 戊 醇 。 这 就 是 酒精 发 酵 时 (包括 各 种 酒 类 发 酵 ) 竺 成 杂 醇 油 的 机 制 。 杂 醇 油 是 指 某 些 高 级 醇 (如 正 丙 醇 \ 异 丁 醇 ， 异 成 醇 、 活 性 成 醇 等 ) 的 混合 物 。 Cryonouooomr 本 yanomomem +COz oe . tft ZAR Fe TBF se HOHGHCOOH +140 as ee CHCH,CH,OH + NH3+COz- NH, , 亮 氨 酸 FER AE CH; CH;CH; Cig CH,CH, .. NH, FEAR 活性 戊 醇 酒 类 酿造 中 生成 微量 高 级 醇 芳 香 成 分 。 这 些 高 级 醇 芳 香 成 分 ， 大 多 来 自 支 链 氨 基 酸 的 加 水 脱 氨 又 脱羧 反应 的 产物 。 ` 酒 类 都 含有 微量 高 级 醇 芳 香 成 分 。 一 般 白 酒 含量 较 啤酒 高 。 每 升 白 酒 中 含量 可 达 1000 毫克 以 上 ， 以 异 戊 醇 为 主 ; 每 升 啤酒 中 约 含 100 毫克 ， 其 中 以 异 成 醇和 活性 戊 醇 为 主 。 345 ROT 氨基 酸 分 解 产物 的 代谢 途径 PEMA ASE EA. 脱 去 握 基 生成 “- 酮 酸 和 NHs， 或 经 过 脱羧 作用 生成 胺 和 GO， 这 些 分 解 产物 可 进一步 参加 代谢 。 用 o— [iil 3 十 NIHs 胺 十 CO。 脱 氨 作 所 基 酸 一 | 脱羧 作用 一 、q- 酮 基 酸 的 代谢 氨基 酸 脱 氨 基 后 所 产生 的 c- 酮 酸 进 一 步 代谢 。 可 有 下 列 三 种 代谢 途径 : 合成 新 氨基 酸 ， 氧 化 成 二 氧化 碳 和 水 ， 转 变 成 精 和 一 ) 合成 新 氨基 酸 c- IE 形 成 新 的 氨基 酸 ( 见 氨基酸 的 生物 合成 ) 。 (=) 氧化 成 CO. 及 水 氨基 酸 脱 氨 后 形成 的 酮 基 酸 ， 以 几 种 不 同 的 途径 进入 三 凑 酸 循环 ， 最 后 氧化 成 Co, 和 HO。 大 部 分 氨基 酸 可 通过 形成 丙酮 酸 转变 成 乙酰 CoA, 再 参加 三 羧 酸 环 (如 两 、 半 胱 、 甘 、 丝 、 苏 等 氨基 酸 ) ， 有 些 直接 形成 乙酰 CoA 再 参加 三 羧 酸 循环 (如 异 亮 、 亮 、 色 等 氨基 酸 )， 有 些 氨基 酸 可 转变 为 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 如 c- 酮 戊 二 酸 , 琥珀 栈 CoA 和 草 酰 乙 酸 等 然后 参加 三 羧 酸 环 (如 谷 氮 酸 转变 成 “<- 酮 戊 二 酸 ， 天 冬 氨 酸 转变 成 草 酰 乙 酸 )。 现 将 所 基 酸 生成 的 酮 基 酸 进入 三 羧 酸 循环 的 途径 表示 如 图 9-3 。 在 植物 及 醚 母 中 ， 一 部 分 酮 基 酸 还 可 先 脱羧 变 成 醛 ， 经 氧化 成 脂肪 酸 ， 最 后 分 解 成 CO. 和 水 。 (三 ) 转变 成 糖 及 脂肪 大 多 数 氮 基 酸 脱 所 后 生成 的 &- 酮 酸 , 能 通过 生成 丙酮 酸 ， 再 346 图 9-3 ”氨基 酸 的 碳 链 进入 三 羧 酸 循环 的 途径 经 糖 元 异 生 的 过 程 合成 糖 。 少数 氨基 酸 生 成 的 c- 酮 酸 能 氧化 成 乙酰 GoA 然后 合成 脂肪 。 | ts ey ae A HAMMAM EAE, MUERTE, A 游离 氨 并 不 积累 。 游 离 气 形成 后 立即 进行 代谢 ， 其 方式 主要 有 以 PULA: j (--) 酰胺 形式 贮存 氨 在 谷 氨 酰胺 合成 酶 或 天 冬 氨 酰胺 合成 酶 的 作用 下 可 转移 到 谷 氨 酸 、 天 冬 氨 酸 上 形成 酰胺 ， 储 以 备用 。 347 一 - O Y COOH Gav CH, CH, SARA Ra | CH, +NHs+ATP——ar Ges +ADP+ Pi HCNH, HCNH, ~ COOH o<* GOOCH O WA | Cs 天 冬 氨 酰胺 合成 酶 CHs | +NH,+ATP—— | +ADP- Pi HCNH, ws HCNH, COOH COOH Bi TE RRL: Wy SRE AT FE REN ER RE NL RIE REM ME, BRS. MKT RRESE BRA 成 。 (二 ) 合成 新 氨基 酸 ( 见 氨基 酸 的 合成 ) (=) 合成 氨基 甲 酰 磷 酸 氨基 甲 酰 磷酸 是 合成 喀 啶 、 瓜 所 酸 、 精 腕 酸 和 尿素 的 重要 代 谢 物 。 它 是 由 氨基 酸 脱 下 的 NH; 5 CO, (ay py TCA 环 Bs 应 ) 在 ATP 参 与 下 ， 按 下 列 反应 生成 ， O Watt ny METS ea 十 ADP 氨基 甲 酰 磷酸 es 这 反应 在 多 数 微 生物 中 是 由 氨基 甲 酰 磷酸 激酶 催化 。 由 于 生 成 氨基 甲 酰 磷酸 具有 高 能 键 ， 因 而 是 微生物 能 量 代 谢 的 重要 高 能 ”化 合 物 忆 一。 氨基 甲 酰 磷 酸 的 合成 是 无 机 气 合 成 有 机 含 氮 物 的 重 要 反应 。 因 此 是 同化 所 的 重要 途径 之 一 。 对 于 植物 及 微生物 来 说 是 保留 须 的 重要 方式 。 348 Kane bce"? alg ules “省 + * dies ie, ¥y a. ' % Ero “4 3 p i y. 4 r mm 《四 ) 形成 尿素 尿素 是 动 、 植 物 、 微 生物 蛋白 质 代谢 的 一 种 产物 ， 在 哺乳 动 。 牺 中 尿素 形成 后 即 排出 体外 ， 在 动物 尿素 形成 是 一 种 重要 的 解毒 方式 。 植 物 及 微生物 特别 是 真菌 也 能 形成 尿素 ， 但 其 作用 为 贮备 NHs， 以 供 合成 之 需 。 尿 素 合成 机 制 ( 见 精 毛 酸 合成 ) 当 体内 需要 ye Pinal ate mma 3 =, CO, 的 去 路 氨基 酸 脱羧 后 形成 的 CO, 大 部 可 以 直接 排出 细胞 外 ， 小 部 分 可 被 固定 而 成 为 细胞 内 的 组 成 成 分 。 例如 丙酮 酸 可 以 在 苹 采 酸 栈 的 众 化 作用 下 固定 CO*， 并 还 原 成 苹果 本 | CH ce c=0 4-CO.--NADPH, § ee CH, 了 NADE COOH HOCH Fame | | COOH RR GAG MAAS HE MEA MIE PTE CO, 生 成 章 酰 乙 酸 。 - | GDP Gre. COOH CHs | Lo® i. es ey OOH ae CooH BRR PM 、” 章 栈 乙 酸 四 碳化 合 物 苹 采 酸 及 章 酰 乙酸 的 生成 ， 对 于 促进 三 羧 酸 环 的 顺利 进行 ， 彻 底 氧化 各 种 酮 基 酸 起 重要 作用 。 对 于 形成 各 种 通过 ”三 羧 酸 环 产生 的 发 酵 产 物 如 柠檬 酸 、 谷 氨 酸 、 延 胡 索 酸 等 有 促进 作用 。 349 ~~ 7 “ > oT - 4 “ Po, ee WO 2 PATER RHE RU, TEAC EFT, APOE; REZ 醛 脱 氨 酶 催化 ， 加 水 脱 气 ， 生成 有 机 酸 ， 再 经 P- 氧 化 生成 乙酰 GoA， 乙 酰 COA 进入 三 次 酸 环 ， 彻 底 氧化 生成 GO, mes He 5 Ht Bis _ RCH,NH,+0,+H,0 R: CHO-+NH,+H,0, WA Ae 2 H,O.2.—2 H,0+ O2 O if RCHO "> ROG 6- 氧 化 OHTICA 环 总 结 以 上 所 述 ， 氨 基 酸 的 分 解 途径 可 以 下 图 表示 ， ANS CO,+H;0 脱 氮 一 a- fete BER REL | 氨 甲 基 tm * 酸 18 循环 rey 有 机 酸 一 = 乙酰 CoA TCA MEE % 循环 让 十 pe 7 CO; ~ H, O 图 9-4 氮 基 酸 的 分 解 途 径 BAW ”氨基酸 的 生物 他 成 氨基 酸 是 合成 蛋白 质 的 原料 。 自 然 界 生物 合成 蛋白 质 必 须 首 先 合 成 氨基 酸 。 氮 基 酸 的 主要 生化 特性 不 在 于 它 能 分 解 提供 能 量 ， 而 在 于 氨基 酸 是 合成 蛋白 质 的 原料 。 所 以 作为 氨基 酸 代谢 的 350 ”重要 部 分 ， 应 是 氨基 酸 的 合成 。 氨 基 酸 生物 合成 的 主要 途径 是 : 。 氨基 化 作用 ， 转 氨基 作用 ， 氨 基 酸 的 相互 转化 ;氨基 酸 合成 的 其 BR. 3 一 、 氮 基 化 作用 (一 ) 还 原 性 氨基 化 反应 还 原 性 氨基 化 反应 是 酮 基 酸 氨基 化 作用 中 主要 的 反应 ， 也 是 ”国定 氨 的 主要 反应 。 x- 酮 基 酸 经 还 原 性 氨基 化 反应 ， 生 成 氨基 酸 。 反 应 机 制 是 由 - c- 酮 基 酸 与 NHs 直接 作用 生成 亚 氨基 酸 ， 亚 氨 基 酸 被 还 原 ， 即 生成 相应 的 <- 氨 基 酸 。 催化 还 原 性 氨基 化 反应 的 酶 是 氨基 酸 脱 氨 酶 。 氨 基 酸 脱 氢 酶 种 类 很 多 ， 其 中 以 谷 氨 酸 脱 氢 酶 为 最 重要 。 (NADH2) (NAD) NADP He2: NADP ; 氨基 酸 脱 氢 酶 i Ne a OE. C=0+NH =e = NH CHNH, OOH COOH. COOH w_ 酮 基 酸 w_ 亚 氨基 酸 a-KIEM 这 些 反 应 是 氨基 酸 氧 化 性 脱 氨基 反应 的 逆 过 程 。 还 原 性 氨基 化 反应 合成 氨基 酸 所 需 原料 有 x- 酮 基 酸 及 氨 。 x- 酮 基 酸 来 自 糖 降解 产物 丙酮 酸 及 三 羧 酸 环 中 间 代谢 产 物 如 “=- 酮 成 二 酸 、 草 酰 乙酸 。 这 些 酮 基 酸 经 氨基 化 作用 生成 丙 氨 酸 、 谷 氨 酸 及 天 冬 氨 酸 。 氨 是 合成 氨基 酸 的 直接 氨 源 ， 其 他 含 氮 物 如 NOs 等， 先 转 _ BX NA; FARRER, “” 动 植物 从 蛋白 质 、 核 酸 等 含 氮 化 合 物 分 解 代 谢 中 取得 氨 。 自 养 微生物 如 固 氨 菌 和 某 些 藻类 ( 蓝 营 ) ， 通 过 固 氨 酶 先 将 氨 固定， 转变 成 气 。 豆 科 作 物 的 根瘤 菌 也 能 固定 空气 中 的 氮 。 生 物 _ 351 固 须 机 理 尚 未 完全 盖 明 。 总 反应 为 ， N2 十 6e- 十 6 y+ Re 2 NH, ATP ~ 一 固有 气 酶 是 由 含 铁 的 铁 蛋 白 ( 分 子 量 为 50,000) 和 另 一 种 含 铁 、 钼 的 铁 钼 蛋白 (分 子 量 为 100,000) 所 组 成 。 反应 需要 还 原型 电子 供 体 、 能 量 物质 (ATP) 和 电子 受 体 参加 ， 还 需要 二 价 的 金属 离子 (Mg**\Mn** #), HTHARA BARR, ATP RAAB 1G. ACER ICAS, AT N..NOs #, 植物 和 微生物 (AoA. A 等 ) 能 利用 NOs; 还 原 成 ，NHs。 此 酶 称 硝 酸 盐 还 原 酶 ， 它 是 一 as 以 _ NADH, 为 供 氨 体 。 其 中 的 电子 转移 途径 是 : NADH,-—»>F AD—>Mo*t—_+NO,- 从 NO,” 转变 成 NHs 的 途径 尚 不 完全 清楚 。 从 结构 中 表明 ， 共有 8 个 电子 的 变化 ， 所 以 目前 有 人 认为 同化 硝酸 盐 还 原 分 为 四 个 阶段 即 ， NO;-——>NO,-——>X > NH, OH-—> NH 5 价 3 Ht 1 tr 一 1 价 —3 tt 还 原 亚 硝酸 盐 的 酶 也 属于 FAD 的 含 铁 与 铜 的 金属 蛋白 质 ; 以 NADH, 或 NADPH, 为 供 气 体 。 亚 硝酸 盐 还 原 后 的 产 肠 交 (可 能 是 HNO 次 亚 硝酸 ) MAMMA. WX RIL) 还原. 成 羟 胺 的 机 制 和 有 关 的 酶 ， 目 前 不 清楚 。 由 凑 胺 转变 成 氨 的 反应 是 由 羟 胺 还 原 酶 众 化 的 。 这 酶 是 含有 FAD 及 锰 的 金属 黄 素 蛋 三 中 NHs 及 “- 酮 基 酸 的 供应 是 还 原 性 氨基 化 反应 的 必要 条 件 而 氨基 酸 脱 气 酶 的 在 在 特别 是 谷 氨 酸 脱 氢 酶 是 使 还 原 性 氨基 化 反应 oe eae 还 原 性 氨基 化 反应 合成 氨基 酸 人 举例 如 下 ， . 谷 氮 酸 的 生物 合成 cx- 了 酮 戌 二 酸 通过 还 原 性 氨基 化 反应 生成 谷 所 Mae HH AAR We AMERY HEC, IAA ACER AER. BE 352. ES a re 性 很 强 ， 只 能 作用 于 工 - 谷 氨 酸 。 反应 一 般 趋向 于 c- 酮 成 二 酸 。 当 c- 酮 戊 二 酸 及 NADPH, 供应 充分 时 则 趋向 于 合成 谷 氛 酸 。 谷 - 氨 酸 生物 合成 的 反应 是 三 羧 酸 循环 和 氨基 酸 代谢 之 间 的 一 个 重要 ”连接 环节 ， 是 糖 和 氨基 酸 代 谢 的 桥梁 。 pee COOH CO CHNH， | NADH, | NAD CH, +NH,+ 或 ”一 >CHz -十 HzO 二 或 | NADPH, NADP oo CH, | | COOH COOH cx- 酮 成 二 酸 PRB 32s Jat GAS iy SURF a 3 A (NADH, 或 NADPH?) 供 给 。. 这 个 反应 的 平衡 常数 接近 于 1 。 在 多 数 有 机 体 中 ， 这 个 反应 的 非常 重要 性 在 于 它 是 使 无 机 所 固定 到 有 机 酸 分 子 上 去 形成 氛 基 酸 的 最 重要 反应 。 谷 氨 酸 形成 后 又 可 以 通过 转 所 反应 合成 其 他 氨基 酸 。 谷 氨 酸 脱 气 酶 是 一 种 细胞 浆 中 的 酶 ,人 K=5x 10°(30°C) , 当 等 分 子 的 NADPH a NADP 存在 时 ， 催 化 “- 酮 成 二 酸 还 原 氨基 化 。 此 酶 分 子 量 较 高 ， 不 需 辅 基 ， 虽 然 它 是 合成 代谢 的 主要 酶 ， 但 其 调节 机 制 知 道 很 少 。 当 谷 氨 酸 存在 时 ， 此 酶 的 合成 受阻 ( 酝 母 )。 另 外 ， 在 线粒体 中 还 含有 需 NAD HFARKAM, EE 化 相同 反应 。 而 需 NADP 的 细胞 浆 中 的 酶 催化 谷 氨 酸 的 合成 并 把 氨基 转 给 其 他 物质 ， 线 粒 体 的 谷 氨 酸 脱 气 酶 催化 谷 氨 酸 通过 c- 酮 基 戊 二 酸 和 三 羧 酸 循环 进行 代谢 以 供给 能 量 。 反 应 向 左 移 。 在 线粒体 中 的 谷 氨 酸 脱 氢 酶 可 为 ATP 所 抑制 而 为 ADP 所 激活 。 因而 谷 氮 酸 脱 氢 酶 俱 化 反应 的 方向 可 为 这 二 种 酶 控制 ， 当 不 需 合 成 氨基 酸 时 细胞 浆 中 酶 活性 受阻 ， 当 不 需要 能 量 时 线粒体 中 的 酶 活性 受阻 。 353 杆菌 、 小 杆菌 、 棒 杆菌 及 芽孢 杆菌 都 能 积累 谷 氨 酸 ， 因 此 在 工业 生产 上 常 利 用 它们 作为 谷 氨 酸 发 酵 的 生产 菌株 。 2. 丙 氨 酸 的 生物 合成 两 氨 酸 脱 氢 酶 存在 于 某 些 细菌 中 以 NADH, 为 受 氢 体 ， 反 应 机 制 和 谷 氨 酸 脱 氢 酶 相近 ， 但 此 酶 不 如 谷 氨 酸 脱 氢 酶 分 布 广 ， 作 用 不 如 谷 氨 酸 脱 氢 酶 重要 。 生产 上 可 用 枯草 杆菌 进 行 丙 氨 酸 发 酵 。 .CH;,;COCOOH+ NH; + NADH,—>CH;CHNH,COOH+H,0+NAD 丙酮 酸 ARR 3. TAR EMAAR : CEE RAIL HRM. IRR AT, Be 已 从 结核 分 枝 杆菌 中 分 离 出 来 。 CHOCOOH+NH;+NADH,—~>CH,NH:COOH 十 了 2O 十 NAD 但 甘氨酸 主要 从 丝氨酸 互 变 合成 ，[ 见 三 (三 ) 或 转 氨 反 应 合 成 。 (二 ) 直接 氨基 化 反应 天 冬 氨 酸 的 生物 合成 延 胡 索 酸 通过 天 冬 氨 酸 酶 催化 ， 可 直接 氨基 化 ， 生 成 天 冬 氨 ， 酸 .天 冬 氨 酸 酶 存在 于 植 物 和 某 些 细菌 中 ,能 使 无 机 氨 结 合 到 有 杭 酸 分 子 上 。 也 是 自然 界 所 固定 的 另 一 种 反应 。 工 业 上 用 延 胡 索 酸 - -为 原料 ， 利 用 大 肠 杆菌 中 的 工 - 天 冬 氨 酸 酶 生产 天 冬 氮 酸 。 一 一 0 COOH CH 天 冬 氨 酸 酶 CHNHs | +NH;—————>._ | ee ge. COOH COOH EHR ' FFARR (=) 酰胺 化 反应 谷 氮 酰 胺 及 天 冬 氨 酰 胺 的 生物 合成 ， 谷 氮 酰 胺 及 天 冬 氨 栈 胺 合成 酶 广泛 存在 于 动物 ,植物 微生物， 分别 催化 谷 气 酸 及 天 冬 须 354 ; 酸 合成 谷 氨 酰 胺 及 天 冬 氨 酰 胺 。 这 种 形成 酰胺 的 方式 也 是 生物 体 贮存 NHs 的 一 种 方式 (反应 见 NHs 的 去 癌 )。 | 大肠 杆菌 的 谷 所 酰胺 合成 酶 的 分 子 量 为 592,000， 含有 12 个 亚 基 。 随 着 细菌 种 族 的 差异 , 该 酶 分 子 量 也 有 不 同 , 约 在 350,000 - 至 600;000 之 间 。 谷 氨 酰 胺 合成 酶 也 是 一 种 调节 酶 。 总 结 起 来 ， 氨 基 化 作用 起 着 同化 所 固定 所 的 作用 ， 在 生理 上 有 着 十 分 重要 的 意义 。 氨 基 化 作用 中 以 还 原 性 氨基 化 反应 特别 是 谷 氨 酸 的 还 原 性 氨基 化 反应 尤为 重要 。 通 过 还 原 性 氨基 化 反应 合 ”成 谷 氨 酸 ， 再 通过 转 氮 基 作 用 可 以 形成 体内 多 数 氨基 酸 。 二 、 转 氨基 作用 转 氨 基 作用 是 由 “- 酮 酸 转变 成 氮 基 酸 的 重要 反应 , 由 转氨酶 、 (或 乞 基 移 换 酶 ) 催 化 ， 使 一 种 氨基 酸 的 氨基 ,转移 给 “- 酮 酸 ， 形 成 新 的 氮 基 酸 ( 见 脱 氨基 作用 )。 转 氨基 作用 既 催 化 氛 基 酸 脱 氨 基 又 众 化 “- 酮 酸 氨基 化 ， 因 此 是 糖 代谢 与 氨基 酸 代谢 的 桥梁 。 FY SARA “- 酮 戊 二 酸 在 氮 基 移 换 中 起 着 重要 作用 。 在 细菌 或 其 浸出 液 中 ， ER 丝 、 苏 、 胱 、 半 WE. ol, 3A. ii, A. S&S. IM. Ta. W. 5o. SES. SR 基 酸 都 可 与 c- 酮 成 二 酸 作用 ， Eu 相反 ， 也 可 以 通过 谷 妥 酸 和 这 许多 酮 酸 转 氨 基 ， 形 成 各 种 新 的 氨基 酸 ， 使 气 基 酸 种 类 增加 ， 有 利于 蛋白 质 的 合成 。 | 转 氮 基 作用 已 见于 许多 细菌 ， 如 大 肠 杆 菌 、 痢 疾 杆菌 、 变 形 ATi. (ee. ER RAR. HRA ALARA 成 代谢 及 分 解 代 谢 中 的 极 重要 反应 。 转 氨 基 作用 只 能 转移 氨基 酸 的 氮 基 ， 而 不 能 使 无 机 所 转变 成 BAER. 当 转 氨基 作用 和 还 原 氨基 化 反应 联合 时 可 以 从 NHs 及 酮 基 酸 合成 生物 体内 大 部 分 氨基 酸 。 \ 355 NADP +H,0 BRR RCCOOH a- Rat —B ~\ RCHCOOH © NADPH, NH; L-Gam | L- 谷 氨 酸 脱氧 酶 转 氨 基 酶 NH; 植物 、 微 生物 一 般 能 生成 全 部 氨基 酸 的 碳 链 (c- 酮 基 酸 )， 因 此 通过 转 氨 作 用 ,可 以 自身 合成 ,全 部 氨基 酸 。 有 些微 生物 如 金黄 色 葡 萄 球菌 、 乳 酸 菌 等 不 能 合成 某 些 氨基 酸 ， 必 须 由 培养 基 中 加 入 这 些 氨基 酸 (或 蛋白 肪 、 蛋 白水 解 物 ) 才 能 生长 。 人 和 高 等 动物 不 能 自行 合成 某 些 氨基 酸 ， 必 须 由 食物 供给 ， 这 些 氨基 酸 对 人 和 高 等 动物 来 说 叫 “必需 氨基 酸 ?。 人 有 八 种 必需 氨基 酸 不 能 自行 合 . eo AE: BAR. WAM. ORR. KARR. BAM, 异 亮 氮 酸 、 苏 氨 酸 与 亮 氨 酸 。 其 实 所 谓 不 能 合成 必需 扰 基 酸 是 指 动物 和 人 的 细胞 不 能 合成 氨基 酸 的 矶 链 骨架 ， 如 果 外 加 入 带 有 这 些 碳 链 的 酮 基 酸 ， 则 除 赖 氨 酸 外 ， 还 可 以 通过 转 氮 反 应 合成 必 - 需 氨 基 酸 是 人 类 必需 的 营养 成 分 ， 不 可 缺少 ,否则 和 蛋白质 合成 受 阻 表 现 疾病 症状 ， 所 以 现在 工业 发 酵 用 发 酵 法 生产 各 种 人 类 所 需 的 必需 氨基 酸 ， 用 于 医药 。 这 已 成 为 工业 发 酵 重 要 内 容 的 一 个 方 面 。 三 、 氮 基 酸 间 的 相互 转化 最 初 由 <- 酮 基 酸 还 原 性 氨基 化 生成 的 氨基 酸 ( 称 初 生 氛 基 酸 )， 除 通 过 转 氮 作 用 转变 成 其 他 氨基 酸 外 ， 还 可 以 通过 碳 链 上 的 变化 直接 合成 另 一 些 氨基 酸 。 例如 从 谷 氨 酸 可 以 Aen 酸 、 乌 氨 酸 、 瓜 氨 酸 和 精 所 酸 ， 从 天 冬 氨 酸 可 以 合成 二 氨基 康 三 酸 、 赖 氨 酸 、 蛋 氨 酸 和 苏 氨 酸 。 苏 氨 酸 又 能 转变 成 异 亮 氨 酸 ， 丝 氨 酸 又 能 形成 半 胱 所 酸 。 因 此 ， 除 统 氨 酸 和 亮 氨 酸 、 芳 香 族 氨基 356 a — EG re ‘on =~ . — ADLER Ria eH. Ko EMRE RRB. KRARBATRBE BAK. 氨基酸 在 代谢 过 程 中 ,通过 相互 转化 而 保持 一 定 的 平衡 关系 ， 当 外 界 供给 某 种 氨基 酸 时 即 可 转变 成 另 一 些 氨基 酸 。 (一 ) 膊 所 酸 、 鸟 氢 酸 、 精 氢 酸 的 合成 “~ 1 AB AR ” 和 谷 氛 酸 可 在 动物 、 植 物 做 生物 体内 被 还 原 成 从 所 本 于 五， -后 者 可 以 脱水 环 化 而 形成 吡咯 啉 -5- 羟 酸 , 再 经 NADH, 还 原 而 生 AE CISA. WR TASES PS. MEE RE 合成 较 旺 盛 ， 还 可 以 分 泌 到 细胞 外 来 。 啤酒 前 酵 17 ELBA I 氮 酸 分 泌 到 发 酵 液 中 说 明 且 氨 酸 合成 较 多 。 其 意义 尚未 明了 。 0 : | oOo SABRE Mg+ I HOOCCH, CHCHCOOH ®) -~O~CCH, CH,CHCOOH NH | arte BB 2 RD es y-B AMR 下 O= CCH,CH,CHCOOH NADH, NAD - — _ NH, 4 My - “PRE -H,0 | + HO 自发 反应 = H.C —— CHs HC HCCOOH Se 脱氧 酶 EN te at S_-GA RLM NAD | NADH: H.C Pas CH, H.C = CH—COOH Nw. N H ew AS ee ss | 357 ph ly a iy agi?) Mee i. Fe % oon or eee Fe iii SAAR 2. 岛 氨 酸 的 合成 微生物 可 由 谷 氨 酸 合成 鸟 氨 酸 。 由 谷 氮 酸 转变 成 鸟 氨 酸 首先 需要 经 过 乙酰 化 过 程 。 反 应 变化 如 下 : i HOOCCH,CH,CHCOOH BRB 2. BEL CH;CO~SCoA NH—COCH; HOOCCH.CH; CHCOOH N-Z MARR ATP N- 乙 酰 谷 氨 酸 激酶 ADP (P)—OCCH, CH, CHCOOH 0 NHCOCHs N-Z SR 358 3 ; NADH, | : a 3 iy = NAD 了 脱氧 本 Ei Se), oa a H x O= C—CH:CH,CHCOOH : nate = NH—COCH, ae 3 N- 乙 酰 谷 氨 酸 - 半 醛 a 5 : 转氨酶 上 ENCHCHRCEHCHCOOH a NHCOCH, aa 3 N-CRSAR ae 乙酰 乌 氨 酸 酶 汪 GRIDOHE of Th _ HyNCH,CH,CH,CHCOCH f 3 乌 氨 酸 一 i | 3. MARBHAR OF ie ae 生物 体 均 可 由 鸟 氮 酸 合成 瓜 氨 酸 。 ” 岛 氮 酸 经 乌 氨 酸 转 甲 酰基 酶 的 作用 ， 接 受 氛 基 甲 酰 磷酸 分 子 2 EAS FRBERE, BN ATE RR. ca a CHe . c= 上 O CH, AM” ” 鸟 氛 酸 转 NH 了 | _ +NH,C A? ce fy, +HsPO,4 ea CHNH, NA ” 甲 酰基 酶 (CH); OP ie COOH CHNH, BAR | COOH | 瓜 氨 酸 3 4。， 精 氨 酸 的 合成 ” 从 瓜 氨 酸 或 乌 腻 酸 可 合成 精 氨 酸 。 精 氨 酸 又 能 分 解 为 鸟 氨 酸 339 与 尿素 。 这 个 以 鸟 氨 酸 、 瓜 氮 酸 、 精 氨 酸 为 中 心 的 循环 称 鸟 所 酸 - 。 精 包 酸 循环 。 通 过 此 循环 ， 可 不 断 从 鸟 氨 酸 和 毛 形 成 循环 上 任 二 种 氨基 酸 。 反应 从 久 氨 酸 开始 ， 加 上 氨基 甲 酰 碳酸 ， 形 成 瓜 所 本 AR SKA NO A ESR, AMER SRO 为 精 氨 酸 与 延 衣 索 酸 。 通过 鸟 氛 酸 - 精 氨 酸 循环 合成 精 氨 酸 ， 反 应 如 下 ;， 四 Mgr NH; a he CO-O~ POs + See "es Seen NH, 2ADP 2ATP O=C\ CH- NH, RR “NH, | | RF PS COOH SAB * rr” ; NH-CO-NH; NH CNH (CH)s nt CH-NH; i . (CH)s NH COOH four AMP +PPi ~ CH-NH; C-NH-CH A coo NH bu, 8 COOH mam (CHi)s COOH NH, -CH ‘ COOH COOH COOH MAK 360 图 9-5 乌 氛 酸 - 精 氛 酸 循环 © ARAMA KH © SARATMHEM © HAREM RAR © 裂解 梅 © HAMM 2, BUR ARR VA Fe SD TE Me AAR AE 产物 一 一 尿素 的 ERE. HD iE DARA ASE aa re, WAT IL IE RINE PIR, TEREST, TRS OC PY EMR AR Ak HR Ti Hat, BEA a Ae RUA i te E 一 一 CO; - _——_s | —_— 2. ee 3 HH, RAABAK A-RAAMAM, AGA i 脱 磷 F | : # 0 , 7 a uae COOH a een Bie pe wie ape ce, NADH NAD dus, gt la BS 2B boon RFR boon a oH BA 天 冬 氨 酸 6p- 天 冬 气 酸 克 本 RARER ss (=) HRM, SRM. HaMHSR RR, BAR. HAMMAM AANA Rie RIL, VAR ORAE DS ROM. ALD RIEE aK 由 天 冬 氨 酸 8- 半 醛 可 以 合成 赖 氨 酸 、 和 蛋氨酸 、 苏 氨 酸 。 天 冬 氨 酸 8- 半 醚 转变 成 蛋氨酸 、 苏 氨 酸 时 ， 首 先 经 脱 氢 酶 催化 , 还 原 成 高 丝氨酸 。 反 应 为 ， ee CHOH H, CH, CN: 高 丝氨酸 : CHNH whe 脱 氢 酶 2 : OOH NADPH, NAD 天 冬 氨 酸 高 丝氨酸 6- 半 醋 1. 苏 氨 酸 的 合成 高 丝氨酸 经 高 丝氨酸 激酶 俱 化 ， 消 耗 ATP 经 码 酰 化 生 RB 酸 高 丝氨酸 ， 后 者 经 脱 磷 酸 变 位 生成 苏 氨 酸 。 361 CHOH 高 丝氨酸 变 位 OHNE, 3 oT OOH + rk Pi 苏 氨 酸 2. 蛋 气 酸 的 合成 高 丝氨酸 经 胱 硫 醚 合成 酶 催化 与 半 觅 迄 酸 缩合 生成 腕 硫 棚 ， 再 经 胱 硫 醚 解 裂 酶 分 解 形 成 高 半 胱 氨 酸 并 释 出 丙酮 酸 加 所 。 高 半 胱 气 酸 经 转 甲 基 酶 及 转 甲 辅酶 N -QHs- 四 气 叶酸 作用 生成 蛋 所 酸 。 CH,OH S CH 胱 硫 醚 合成 酶 | oe CHe i | CHNH: ATE ‘= : CHNH, CHNHsg CHe COOH | COOH COOH 高 丝氨酸 ere Wl Bie Mk 362 转 甲 基 酶 | “satel NS—CH;—THFA =—°Ma COOH CHNH, DESL Lannie 十 peta sie ot | 0 3 3. MAM AR 天 冬 氨 酸 转变 成 赖 氨 酸 的 途径 比较 复杂 。 天 冬 氨 酸 先 转变 成 天 冬 氨 酸 B- 半 醋 ， 再 与 丙酮 酸 加 合生 成 带 杂 环 的 中 间 产 物 , 当 加 入 琥珀 酰 ~GoA 后 形成 N -琥珀 酰 -2- 氨 基 -6- 酮 庚 二 酸 ， 后 者 经 转 氨 基 生成 N- 广 珀 酰 - 工 - 二 氨基 庚 二 酸 。N- 琥 珀 酰 -L- 二 氨基 康 二 酸 脱 去 琥珀 酸 则 形成 工 -二 氨基 庚 二 酸 ， BAH. BRR 则 生成 工 - 赖 气 酸 。 反 应 如 下 ; CHO | t =a _+CHsCCOOH fN a CHNH, | | 有 a NADPN HADP pile Hooc’ \n/ \coou 天 冬 氛 酸 6- 半 醛 2,3- 二 氧 吡啶 二 羧 酸 COOH | any C=O CH | Pe fa 7‘ CH, ela!) agen HOOO? N ‘COOH: «do scoa | | Diese si -一 一 一 一 一 一 | HGENECEO | COOH AY WM ine 44-2 , 6-— FAB N-SeFAM-2-AFE- 6- 酮 庚 二 酸 363 PLE A RA, A 外 途径 进行 。 总 结 苏 氨 酸 、 蛋 氛 酸 和 赖 所 酸 的 合成 示意 图 见 图 9-6。 NH,— C—H ie (2 pairs GA. Rae Ges ee 一 CO。 这 HCNH, ses . COOH HCNH, : L-— SR 内 消 旋 二 氨基 = 庚 二 酸 Om : 1 3 HO0OCCH:CHNH:COOH FAARQ | ATP . Mg*| K< 2am DP id P-KA MAR NADPH; B-KA RMR, 本 eet f NADP CH, OH 丝 CHO COOH ; 高 丝氨酸 CH, i 5 cn, AMAR 9-o CHNH, CHNH: AN ce CH; COOH i 2 Hog NAD NADPH, :已 0 ‘ieee Ue Cn 本 高 丝 气 酸 | Ne | 苏 氨 酸 364 rn ‘5 . Sheet eee | é = #% ; 从 上 述 合 成 赖 氨 酸 、 蛋 氨 酸 和 苏 氨 酸 的 途径 可 以 看 出 KR «AB 8- 半 酶 是 从 天 冬 氨 酸 合成 三 种 氨基 酸 的 共同 中 间 体 。 当 天 冬 ABR 8- 半 醛 还 原 成 高 丝氨酸 则 可 以 合成 苏 氨 酸 和 蛋 氨 酸 。 当天 SIG 户 半 醛 和 丙酮 酸 、 琥 珀 酰 CoA 缩合 则 能 合成 赖 氨 酸 。 所 以 当 工 业 发 酵 生 产 氨 基 酸 时 , 必须 选 育 营养 缺陷 型 菌株 ， 并 控制 ”发 酵 条 件 ， 使 有 利于 产物 的 形成 。 赖 氨 酸 发 酵 生 产 即 产 用 营养 缺 陷 菌 株 。 ”车 养 缺 陷 菌株 是 微生物 经 过 物理 或 化 学 诱 变 剂 处 理 后 ， 失 去 了 合成 某 种 物质 〈 如 某 种 氨基 酸 ) 的 能 力 ， 必 须 由 外 界 补充 这 些 物质 才能 正常 生长 。 这 种 营养 上 表现 出 某 种 缺陷 的 变异 菌株 称 为 营养 缺陷 菌株 。 在 这 些 营养 缺陷 型 菌株 体内 ， 失 去 了 合成 某 些 物 质 的 能 力 ， 导 致 合成 这 些 物质 的 原料 积累 ， 有 利于 另 一 些 物质 的 合成 。 氨 基 酸 及 肌 苷 酸 的 发 酵 都 采取 营养 人 缺 陷 菌 株 。 赖 氛 酸 发 酵 生产 利用 谷 氨 酸 生产 菌 一 一 北京 棒状 杆菌 A s 1.299 的 人 工 诱 变 营养 缺陷 型 菌株 进行 生产 的 。 这 种 戎 株 是 高 丝 氨 酸 、 苏 氨 酸 、 和 蛋氨酸 营养 缺陷 型 。 已 用 于 生产 的 是 高 丝氨酸 缺 AHI As. 1.563 ARR, 由 于 As. 1.563 菌株 是 高 丝氨酸 营养 缺陷 型 ， 因 此 失去 了 从 天 冬 氨 酸 p- 半 醚 合成 高 丝氨酸 的 能 力 ， 因 此 也 不 能 再 合成 苏 氨 酸 及 蛋 氛 酸 。 这 就 使 天 冬 氨 酸 6- 半 醛 可 以 大 量 和 丙酮 酸 、 琥 珀 酰 COA 缩合 ， 向 合成 赖 氛 酸 方向 进行 。 FAM Birk, BRA 成 “- 酮 基 丁 酸 ， 可 进一步 和 活 性 乙醚 缩合 ， 形 成 -乙酰 羟基 于 酸 ， 再 合成 异 亮 氨 酸 ( 见 异 亮 氨 酸 合 成 )。 (三 ) 丝氨酸 与 半 胱 氨 酸 的 合成 1. 丝氨酸 与 廿 氨 酸 的 互 变 转 化 _ 生物 体内 丝氨酸 可 由 甘氨酸 互 变 合成 。 丝 氨 酸 在 丝氨酸 转产 甲 基 酶 催化 下 ， 与 四 氢 叶 酸 作用 ， 可 转变 为 甘氨酸 。 365 CH,OH ieee 3% FA HE Pilg CHNH oo Ge | +THFA 磷酸 吡 哆 栈 | — +N!°—CH,OH—THFA COOH | COOH 丝氨酸 ”四 氢 叶 酸 甘氨酸 ”Nt 一 CH2OH 一 四 氢 叶 酸 2. BARE THAR | 222 AT EAR A CPC. FEMME. BO. WERE, Bee 色 植 物 和 多 种 动物 组 织 中 都 有 丝氨酸 硫 所 化 酶 ， 能 合成 半 胱 氛 酸 。 CH,OH CH.SH CHNH, 丝氨酸 硫 氨 “CHNHs : ， | 十 HzS 十 ATP 一 一 一 一 > |. <\ +H,0-ADP +P: COOH “化 酶 COOH - 丝氨酸 PERSE 半 胱 氨 酸 3. HARSH ARH | WE Sk Poe “5 HD SPP EG HE Wo 8 Al dE A cHs-s cH! PR NA re CH-NH, CH-NH, = z- Lae ae coon doo xy 王 S COOH GSH. G3SG 此 反应 由 胱 氨 酸 还 原 酶 催化 , NADI, (N AD) ,GSH(GSSG), 谷 胱 甘 肽 参加 作为 氧化 还 原 剂 。 4， 从 磷酸 甘油 酸 合 成 丝氨酸 大 肠 杆菌 等 微生物 从 确 酸 甘油 酸 可 合成 丝氨酸 ， 和 途径 如 下 ; COOH pees COOH COOH ¢00H 转 CHOH soe =0 oe CEN CHNH, NAD | cHo-® NADHCH O -加 谷 气 酸 ot Cae HeO Pi CH,OH © — 3- 磷 酸 甘 油 酸 3- 磷 酸 羟基 磷酸 丝氨酸 丝氨酸 丙酮 酸 366 四 、 氨 基 酸 合成 的 其 他 方式 氨基 酸 的 生物 合成 除 通过 还 原 性 氨基 化 反应 ， 固 定 氨 形 成 谷 氨 酸 ， 通 过 转 氨 反 应 合成 大 部 分 氨基 酸 ， 以 及 通过 氮 基 酸 互相 转 (CA RRR. BAR. SAR. MAR. HRM (ABA - 3), MRM. BAB. KAM (天 冬 氨 酸 系统 ) 外 还 可 以 通过 其 他 方式 直接 从 糖 代谢 产物 活性 乙 醛 、 丙 酮 酸 等 合成 氨基 酸 的 各 种 不 同 的 矶 链 支 架 如 枝 链 碳 链 、 芳 香 族 含 环 碳 链 、 含 杂 环 碳 链 等 ， 再 进一步 合成 氛 基 酸 。 : : (一 ) HAM, RAMSRRARHSK 7 SI MRERBVEARALMS ARO MEG, HEA 和 动物 的 必需 氨基 酸 ， 只 能 依靠 植物 和 微生物 进行 合成 。 这 三 种 氨基 酸 的 合成 ， 很 有 相似 之 处 。 有 、” 顷 氛 酸 、 亮 氨 酸 和 蜡 亮 氮 酸 都 能 在 微生物 如 酵母 、 圳 菌 、 大 肠 杆 菌 等 体内 由 糖 类 代谢 的 中 间 产 物 丙酮 酸 和 活性 乙 醛 缩合 合 成 。 当 活性 乙 醛 和 丙酮 酸 缩合 ， 经 还 原 异 构 、 脱 水 、 转 氨 后 可 形 成 顷 氨 酸 ， 当 苏 氨 酸 的 代谢 中 间 产 物 c- 酮 基 丁 酸 与 活性 乙 醛 缩 合 ， 经 与 上 类 似 途径 ， 则 生成 多 一 个 矶 原子 的 异 亮 氨 酸 ， 当 乙酰 辅酶 A 与 顷 氨 酸 代谢 中 间 产 物 "- 酮 基 异 戊 酸 缩合 后 ， 通 过 相似 代谢 途径 ， 则 能 形成 亮 氨 酸 。 它 们 的 共同 特点 都 是 先 合成 与 顷 氨 酸 、 亮 氛 酸 、 蜡 亮 氨 酸 相应 的 酮 基 酸 ， 再 通过 转 氨 反 应 使 酮 基 酸 转化 成 相应 的 氨基 酸 。 WRI, FARR, FER MRA en 9-7. 2. 统 氨 酸 的 含 成 与 酒 类 风味 物质 一 一双 乙酰 的 形成 。 从 纺 毛 酸 的 合成 途径 看 来 ， 葡 萄 糖 通过 中 间 代 谢 产物 丙酮 酸 与 活性 乙 醛 缩合 形成 <- 乙 酰 乳 酸 ， 进 一 步 再 合成 顷 氨 酸 。 啤 酒 367 OH SOBs: Rohe _ 吉平 台 机 一 ee a Ste ees - 1 \ ers i a TCR 二 省 可 十 测 已 者 土 下 二 -9 各 i Gc oie aie og: edt $ | . . / HOO9D—9*HO HOOOHD—9°HO ORG cele Sie | ae 二 HOMO See | aie sHAVN ‘ "HCV Re os | Hl Ry AS eT HO Eh EL i $s | oe 二 aA EW D-» i FEef-» Wi 2-» “aS . HO O HO | Sac ae | ou : HOOOO—)*HO HOOD 一 D 一 D5HD ere aL W- Bhat HEOODODsHOD RE <— WE ive i 下 N 368 t z $ ae] é a 369 A ANANEREES WEE “1-6 图 oie HOOOHO*HOHOC . we 1 ‘ fHO ee Jee 7 WD ETEM-» | av aes } | 8 ®HO ‘ 3 we BE) ayn RWI ee ee hs WY MS 5 O6sR9—9——) 85 - HOOD+9—)D'HD HOODHOHOX 和 Ba ve toe: | SS | | | — sary We - HOOD ‘HO ! 3 | -H®HO 人 of WOU Se ia oe aaa WEI His» O —H9 | I wh : aoobo- oopbaoCean HeEo 9—9- 一 sHD < - : ny eee Ret ee “yoos~0o'HO- actin Be RS 7 Fis BF BE AE LE o- CPLR Mt RTE aX ae oe O of pt peewee hye eee 双 乙 酰 又 能 还 | OH oe 原 成 本 二 酮 。 CHas 脱羧 酶 CH; CC—C OOH——— CH; C CH CHg 一 CO> | | O OH O OH cx- 乙酰 了 乳酸 -羟基 丁 酮 Wb Hb i —— CH;—C—C CH, CH, CHOHCHOHCHs —2H | + 4H 2 MCB Toi 双 乙 酰 是 酒 类 重要 的 风味 物质 。 微 量 双 乙 酰 可 给 予 酒 类 特殊 的 风味 。 白 酒 中 双 乙 酰 含量 较 高 可 达 20 毫克 / 升 。 啤 酒 为 低 浓 度 “ 酒 ， 微 量 双 乙 酰 使 啤酒 有 特殊 风味 ， 双 乙酰 限量 不 得 超过 0.2 Be 克 / 升 。 当 双 乙 酰 含量 在 0.2 毫克 / 升 以 上 即 有 饼 味 。 为 了 控制 双 乙 酰 浓 度 ， 在 啤酒 酿造 时 ， 特 别 在 缩短 酒 龄 中 ， 要 求 麦 着 中 氨基 氨 含 量 为 180 一 240 毫克 / 升 。 麦 着 中 纺 氛 酸 含量 不 能 过 低 ， 因 为 麦 半 中 氨基 氨 不 足 ， 或 顷 氨 酸 浓度 过 低 ， 能 促使 葡萄 糖 较 多 地 通过 形成 -乙酰 乳酸 ， 合 成 顷 氨 酸 。 当 <- 乙酰 乳 酸 增 加 ， 双 乙酰 量 也 增加 。 调 节 才 半 中 妥 氨 酸 含量 ， 则 可 通过 反 HI. 抑制 -乙酰 乳酸 的 合成 则 可 减少 双 乙酰 含量 ， 使 啤酒 含有 适量 双 乙 酰 芳 香 成 分 ， 以 保持 啤酒 风味 。 也 可 用 将 双 乙 酰 还 原 成 丁 二 酮 的 方法 促进 啤酒 老化 ， 调 节 啤 酒 风味 。 (=) 组 氨 酸 的 生物 合成 组 氨 酸 的 分 布 较 广 ， 它 是 组 蛋白 、 精 蛋白 血红 蛋白 等 蛋白 质 的 氨基 酸 主要 组 成 成 分 。 组 所 酸 也 常 是 酶 活性 部 位 的 组 成 部 分 ， 对 酶 的 催化 功能 起 重要 作用 。 370 ”组 所 酸 的 合成 过 程 有 一 部 分 和 嗓 叭 的 合成 是 一 致 的 。 腺 背 三 磷酸 和 5- 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 (PRPP) 经 磷酸 核糖 腺 苷 三 磷酸 (PR- ATP) 焦 磷酸 化 酶 及 Mg” AY HE CAE ae ee Ty BE RS = BRR (RE 酸 核糖 -ATP)( 反 应 1), 该 化 合 物 经 焦 磷 酸 水 解 酶 脱 去 焦 磷 酸 ， 变 成 磷酸 核糖 -AMP( 反 应 2)， 然 后 经 磷酸 -AMP 水解 酶 作用 将 ” 腺 叮 叭 的 1 位 所 和 6 位 碳 间 的 键 断裂 形成 磷酸 核糖 亚 氮 甲 基 氮 基 咪唑 甲 酰胺 核 苷 酸 (磷酸 核糖 亚 氮 甲 基 -AIGQ-RP)( 反 应 3)。 此 化 合 物 的 核糖 基 经 异 构 酶 作用 转变 为 核 酮 糖 基 (反应 4) 。 又 经 氮 基 转移 酶 的 作用 ， 由 谷 氨 酰胺 参加 ,加 入 所 后 (反应 5) 。 再 经 裂解 及 环 化 酶 环 化 (反应 6) 生 成 氨基 咪唑 甲 酰胺 核 背 酸 (AIG-RP) FIR 唑 磷酸 甘油 。 咪 唑 磷酸 甘油 可 转变 成 组 氨 酸 。 由 咪唑 磷酸 甘油 转 变 成 组 氨 酸 的 过 程 ， 是 先 经 咪唑 磷酸 脱水 酶 脱水 生成 咪唑 磷酸 两 酮 醇 ( 反 应 7)。 再 经 咪唑 磷酸 丙酮 醇 谷 氮 酰 胺 转氨酶 参加 ， 生成 磷酸 工 -组 所 醇 ( 反 应 8) ,又 经 磷酸 组 氨 醇 磷酸 酯 酶 水 解 ， 生 成 工 - 组 气 醇 (反应 9)。L- 组 所 醇 经 组 氨 醇 脱 氢 酶 催化 ， 脱氧 氧化 即 可 生成 工 -组 肛 酸 。 组 氮 酸 合成 反应 如 图 9-8。 7A@@ PPi 十 JO abon |. ME Se ee ATP+ | 人 a in < 一 HCOH PR-ATP_H2N 一 N fi BE | ORIN NN / 71 EB HC CHOP Pa PRB Ae zai reste 酸 (PRPP) HCOH eo af CH20P 磷酸 核糖 -ATP 371 tg eae i ee H2N= N Pe: 1 HCOH | | O BOOB | 7 : CH2OP 磷酸 核糖 -AMP 磷酸 核糖 亚 胺 甲 基 -AIC-RP N N N-RP ; ; N N-RP | es > 谷 气 栈 肪 RMR S— + GON H,NC=O N_ He2NC=O NH2 HCOH HN—CH HCOH | 氨基 咪唑 «| ss pce CE C=O AIC-RP ak 咪唑 磷酸 甘油 005 RD ' CH2OP -磷酸 核 酮 糖 亚 腕 甲 基 -AIC-RP 372 tse 转氨酶 HC CH i igh 7 Fy EE a HCOH ee CHe HCOH ae HCNH2 CH.OP CH2OP CH.OP 咪唑 磷酸 甘油 咪唑 磷酸 丙酮 醇 工 -磷酸 组 氛 醇 H H ne 四 | 磷酸 酯 酶 HGC CH Wei Ss HC CH Sade ARIS I ona NAD bee CHe ti HCNH2 HCNH:2 CH20H COOH L-#BAB L-AAR 图 9-8 L-AARAREA L-AARA Rin ASEME BREE ARIE B T, 共有 9 个 结构 基因 参与 组 氨 酸 的 合成 ， 是 目前 研究 清楚 的 可 阻 遏 操纵 子 体系 。( 见 十 二 章 代谢 的 调节 控制 ) 。 (=) 苯 丙 氨 酸 、 栈 氨 酸 及 色 氢 酸 的 合成 芳香 族 氨基 酸 包括 葵 丙 氨 酸 、 酷 氨 酸 及 色 氨 酸 。 植物 、 微 生物 如 大 肠 杆菌 ， 粗 链 抱 堆 、 酵 母 等 都 能 从 糖 代谢 中 间 产 物 合成 这 三 种 氨基 酸 。 苯 丙 氨 酸 、 色 氨 酸 是 动物 和 人 的 必 须 氨 基 酸 ， 动 物 和 人 不 能 合成 这 二 种 氨基 酸 ， 只 能 利用 苯 丙 氨 酸 合成 酷 氨 酸 。 含 葵 核 氨基 酸 的 主要 生物 合成 特点 是 它们 的 葵 核 完全 来 自 糖 类 代谢 的 中 间 产 物 ， 来 自 直 链 碳 链 前 身 ， 再 经 转 氮 等 反应 合成 氨 基 酸 。 反 应 途径 从 大 肠 杆菌 变异 菌株 中 研究 阐明 。 关 键 性 物质 莽 373 BRENNER PRO, SEMEL hehe, H 草酸 可 以 代 趟 芳香 族 氨基 酸 使 变异 菌株 生长 ， 和 茎 草酸 相 类 似 的 化 合 物 也 能 使 变异 菌株 维持 生长 ， 又 经 同位 素 实验 的 揭示 和 证 实 ， 现 合成 途径 已 经 搞 清 楚 了 。 合成 芳香 环 的 共同 前 体 是 莽 章 酸 。 ARAB AMP 途 径 的 中 间 产 物 4- BRR AR BEBE, FNBEU EMP 82h) hil PR 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 ， 缩 合 后 ， 再 经 过 一 系列 反应 而 生成 。 莽 草 酸 是 植物 、 微 生物 合成 许多 产物 的 共同 中 间 体 。 当 莽 章 酸 经 一 系列 反应 ( 脱 气 、 激 活 、 合 成 等 ) 合成 分 枝 酸 (3- 烯 醇 式 丙 酮 酸 对 羟基 苯 甲 酸 ) 后 ， 可 以 进一步 形成 邻 氨基 苯 甲 酸 及 予 葵 酸 。 邻 氨基 葵 甲 酸 是 合成 色 氨 酸 的 前 体 ， 予 苯 酸 是 合成 苯 丙 氨 酸 和 栈 氨 酸 的 前 体 。 所 以 分 枝 酸 是 微生物 合成 色 所 酸 、 共 丙 氨 酸 、 酷 氨 酸 的 转折 点 。 而 预 革 酸 又 是 微生物 合成 葵 丙 氨 酸 和 酯 氨 酸 的 转折 点 。 当 预 苯 酸 经 脱羧 脱水 生成 茶 丙 酮 酸 时 ， 则 可 合成 苯 丙 氛 酸 ， 当 予 葵 酸 经 脱 氢 脱羧 生成 对 羟基 苯 丙 酮 酸 时 ， 则 可 合成 酷 所 酸 。 葵 丙 氨 酸 、 酷 氨 酸 及 色 氨 酸 的 合成 途径 见 图 9-9。 1 茶 丙 氨 酸 、 栈 气 酸 、 色 氨 酸 的 合成 途径 CHO COOH | *@ ) CHe NAD H—C—OH + CO~® ———> | ' -HO—GHh Cott H—C—OH CHe H,O Pi | H—C—OH CH20® 磷酸 烯 醇 8 d a 4B RR AR BE Hi APRA | CH20® 7- 磷 酸 -2 酮 -3- 脱 氧 庚 糖 酸 HO COOH HO COOH 374 seiner NADP 区 Ee. _ COOH <4 Ca an . F 式 丙酮 酸 @ : * CHa . mat ae ‘YY ‘o-—C—cOOH §=@0 bee SP OH “ae Or 过 OH | OH 2 ae ee es 大 章 酸 "" AB 3 a Pe Ses C=O : | 403 aa SE AE FA PG CO. CO. ’ COOH COOH PRPP 9- — : Xe. CHe CHe -CH—CHOHCHO ® ) 全 } 5 A FAR | OH 对 羟基 葵 丙 酮 酸 375 ee ST IS 4 H |[ 色 气 酸 | 图 9-9. AeA, HARM, CAMHARAB © 7- 磷酸 -二 病 -3- 脱 氧 庚 糖 酸 合成 酶 ; © sBMAEPMA RM, © S- Mae 宁 酸 脱水 酶 ; © 莽 章 酸 脱 氢 酶 ; © HAMM, @ 5-PEAATPIMIERMA fi; © TEMS Rs © 分 枝 酸 变 位 酶 一 一 分 枝 酸 脱水 酶 ; 回 ′ 邻 氨基 葵 甲 酸 合成 i; © FEBMAMAT MBA © FEMBANG AIC BRR), OO’ 栈 氨 酸 x- 酮 戊 二 酸 转氨酶 。 * RHOMAKA, MRM, FHSPMSRARAR 5 - BS AS re 2. 邻 氨基 茉 甲酸 合成 色 氨 酸 从 邻 氨基 苯 甲 酸 转变 成 色 氨 酸 的 详细 反应 如 下 : SBR SE AE FP PR PRPP Pi) 一 1 磷 氨基 苯 甲 酸 、 PRP Pea ie Jn / COOH | | 天- 一- \7\nHCHCHOHCHOHCHCH,O® ee 376 : #: 4 a >» os P ‘ = or a) nr ee i ae — Se “>, . : 7 让 : _# ‘ ‘ 二 二 5 全 JAY Wer ; . A> =n 2 4 7 ~ Spl Os 2 dig <* ae ae 2 ie ty ~3% M3" Tal ae a ; is ‘ 7 we ‘le .% wag GB—JRSEE HE 1/— BLSUBERAB-5’ ERR : ae “CO, ( } Pega errs | Fg tes | S ae 区 中 | 唆 -3- 磷 酸 甘 油 HOCHGHCOOH BARA ie CHO . | : 1 ‘CHOH CH, O®) A\__.CHACHCOOH f OO . : : ; Ox 1 eap K N- H et a a 色 氨 酸 合成 酶 研究 得 较 多 。 色 氨 酸 合成 酶 是 含有 磷酸 吡 哆 醛 的 酶 ， 分 子 量 为 135,000， 已 分 离 得 到 结晶 ， 它 催化 = 吗 | 唆 -3- 甘 油 磷 酸 十 丝氨酸 一 > 色 氨 酸 十 3- 磷 酸 甘 油 栈 此 反应 又 可 分 二 步 进 行 。 377 ‘ts 天 a (ANF ELSA) MMAR MY A OT-6 国 axe ae ome aNE au 2OUCt«‘N gaa. y , Se aed g bs axe _- Ge WyyxX—— WEAw asyv——aee~ US f ‘ iL f \ BY —— BBX BWIX wre WA | oe dLlV | dWV wwe i Lii-0 We My | VOOW2 Me ww WED 和 xe er we | Nee ae {aks Mls Bf RTS, PES \ f / 5 人 AA | ; Pad Es | \ / “€ - * ase / ae NA | ™ aweu ay whe wes ted OM Hat 2 | Bay | | : b—————_____-_—— — — ——— - i | ------ -- -- - - === 一 4Tddd-- 一 AVIV 378 , $ a i ‘f : - 4 J J a ; . o Mig] UR: —3—"Ef ie Es —> "5 | Us ] + Hi RE -3 RA @ [is] Ue ]+ 22 A R—> (4 AB + HO oF sD 大 肠 杆菌 的 色 氛 酸 合成 酶 含有 4 条 多 肽 链 ， 二 条 o-HE 和 二 条 B- 链 ;vc%- 链 催化 反应 四 但 速度 较 慢 ，p8- 链 俱 化 反应 @， 但 速 度 也 慢 。 当 cx- 链 和 P- 链 结合 ， 则 反应 速度 大 增 。c- 链 和 C- 链 的 ` 氨基酸 排列 次 序 已 经 测定 。 霉 菌 和 大 肠 杆菌 的 色 氨 酸 合成 酶 的 所 基 酸 成 分 和 排列 次 序 略 有 差别 。 邻 氛 基 茶 甲酸 合成 酶 是 合成 色 氨 酸 的 调节 酶 ， 当 色 氨 酸 含量 增加 ， 可 抑制 此 酶 活性 ， 使 分 枝 酸 向 色 氨 酸 合成 方向 减少 ， 而 使 酷 氨 酸 、 苯 丙 氨 酸 合成 增加 。 芳香 族 氨 基 酸 合成 的 具体 调节 控制 见 第 十 二 章 。 总 之 ， 微 生物 细胞 可 以 合成 构成 蛋白 质 成 分 的 二 十 种 氨基 酸 。 其 中 合成 途径 最 特殊 的 是 组 氨 酸 ， 组 氨 酸 的 合成 与 核 苷 酸 合 成 相 联系 。 组 氨 酸 咪唑 环 中 一 个 氮 原 子 和 一 个 矶 原子 来 自 嗓 叭 中 的 喀 啶 环 ， 另 一 氨 原 子 来 自 谷 氨 酰 胺 而 组 氨 酸 的 其 他 矶 原子 来 自 核糖 。 除 组 氨 酸 外 其 他 氨基 酸 的 碳 链 部 分 都 来 自 糖 代谢 的 中 间 产 物 ， 并 通过 转 氮 ， 还 原 氨 基 化 等 形式 固定 氨 形 成 氨基 酸 。 氨基 酸 的 合成 从 单反 应 过 程 到 很 复杂 的 多 反应 代谢 途径 ， 后 者 往往 是 不 可 逆 的 ， 因 为 反应 过 程 中 消耗 了 能 量 及 还 原 性 物质 。 由 于 微生物 能 合成 二 十 种 氨基 酸 ， 使 氛 基 酸 发 酵 工 业 成 为 工 业 发 酵 的 重要 方面 ， 用 以 生物 合成 各 种 氨基 酸 ， 特 别 是 人 和 动物 不 能 合成 的 必须 氨基 酸 。 现 将 氨基酸 合成 途径 示意 总 结 于 图 9-10。 RANT SRB AE —) mh Ow 谷 氨 酸 是 小 麦 面筋 组 成 的 基本 成 分 。 过 去 谷 氨 RA (34.96 ) RRA Wo 2 I (TELS ) HEL « 379 FAT hE EE VE Dy Ts PS ART A, ZBL 大 部 分 菌株 在 一 定 条 件 下 ， 能 向 基质 中 分 泌 氨 基 酸 ， 后 来 他 们 找 到 了 谷 氮 酸 微 球菌 (Ahzcerococxs glutamincus, 也 称 谷 氮 酸 棒 杆 菌 ) 能 最 好 地 产 谷 氮 酸 ， 经 过 多 次 突变 成 为 优良 的 氨基 酸 生产 菌 ， 目 前 在 工业 上 用 微生物 直接 从 糖 发 酵 生产 谷 氨 酸 成 功 ， 这 是 氨基 栈 生产 中 的 重大 革新 。 二 、 谷 氨 酸 生产 菌 的 主要 生化 特点 谷 氨 酸 的 生成 机 制 现 在 已 经 基本 搞 清楚 了 。- 主 要 途径 是 一 酮 基 戊 二 酸 的 还 原 性 氨基 化 。 这 是 通过 谷 氨 酸 脱氧 酶 完成 的 。c 酮 成 二 酸 的 来 源 是 从 葡萄 糖 ， 通 过 丙酮 酸 和 柠 样 酸 ， 再 转变 而 成 的 。 在 这 过 程 中 有 三 个 重要 环节 可 控制 谷 氨 酸 的 大 量 生成 。 这 就 是 谷 氨 酸 生 成 菌 所 必需 具备 的 主要 生化 特点 。 首先 ， 生 产 菌 必 须 具备 «ROA HE EH HE TAR HE 点 ， 这 样 才能 使 - 酮 戊 二 酸 大 量 堆积 以 形成 谷 氨 酸 。 也 就 是 说 生产 菌 的 “- 酮 戌 二 酸 脱 氢 酶 的 活性 必须 极 低 或 缺失 。 其 次 ， 生 产 菌 必须 具备 强烈 的 谷 氨 酸 脱 氢 酶 活性 ， 而 此 活性 不 被 低 浓 度 产 物 谷 氨 酸 所 抑制 。 一 般 ， 谷 氨 酸 脱 氢 酶 是 受 谷 氨 酸 el: 123 ren 通 透 性 障碍 ~---f-—(3) HT RM SHR KAR o- AR— MR (2 cs) 图 9-11 FARMAMH=]TKRA 380 - 抑制 的 。 而 生产 菌株 必须 在 谷 氨 酸 浓度 较 高 时 才能 抑制 谷 氨 酸 脱 气 酶 。 实 际 上 谷 氨 酸 生产 菌 的 谷 氨 酸 脱 氢 酶 活性 都 很 高 。 - ”第 三 ，L- 谷 氮 酸 的 大 量 分 泌 仅 当 培养 液 中 生物 素 浓度 低 水 ” 平 ( 亚 适 量 ) 时 才 可 能 。 在 此 条 件 下 细胞 膜 对 谷 氨 酸 的 通 透 性 高 。 谷 氨 酸 的 分 泌 降 低 了 产物 的 浓度 ， 消 除了 谷 氨 酸 转化 成 其 他 代谢 物 的 危险 ， 减 低 了 对 谷 氨 酸 脱 氢 酶 的 抑制 ， 并 使 谷 氨 酸 的 生成 途 径 畅 通 。 由 生物 素 饥 俄 ( 亚 适量 ) 可 造成 细胞 膜 对 产物 的 高通 透 性 。 目 前 还 有 其 他 技术 可 以 造成 细胞 膜 的 通 透 性 增加 而 进行 谷 氨 酸 生 产 。 三 、 谷 氮 酸 生物 合成 的 代谢 途径 现 阐明 以 葡萄 糖 为 碳 源 ， 发 酵 生产 谷 氨 酸 时 ， 谷 氨 酸 生物 合 成 的 途径 。 ee 谷 氨 酸 生 产 菌 利用 葡萄 糖 合成 谷 氨 酸 的 代谢 途径 可 以 分 为 两 部 分 ，(1) 葡萄 糖 转化 成 “- 酮 成 二 酸 ，(2) c- 酮 戊 二 酸 Im AE 成 谷 氨 酸 。 (一 ) 葡 萄 糖 转变 成 w- 酮 戊 二 酸 从 谷 氮 酸 发 酵 的 扩展 短 杆 菌 (Brevibacterium diaaricutum) 所 含 的 酶 系统 看 来 ， 谷 氨 酸 生产 菌 既 有 EMP 途径 有 关 的 酶 系统 (葡萄 糖 激酶 、 到 萄 糖 磷酸 异 构 酶 、 醛 缩 酶 、3- 磷 酸 甘油 MS Nie) LA UMP 途径 有 关 的 6- 磷 酸 葡萄 糖 脱 氨 酶 系统 ， 以 及 TGA 有 关 的 各 种 酶 系统 。 因 此 认为 由 葡萄 糖 转变 成 - 酮 成 二 酸 ， 包 括 糖 类 代谢 的 主要 代谢 途径 EMP, HMS 及 TGA 循环 。( 具 体 步 又 见 糖 代谢 )。 一 般 认 为 EMP 和 HMS 途径 之 比 为 9:1。 乙 醛 酸 环 在 菌 体 生长 时 进行 ， 在 产 谷 氨 酸 时 减弱 ， 在 以 乙酸 为 原料 发 酵 谷 氨 酸 时 较 显 重要 。 在 谷 氨 酸 发 酵 中 丙酮 酸 同样 显 重要 作用 ， 它 是 发 酵 转 折 的 关 键 。 当 氧 充分 时 丙酮 酸 进 入 TCA 环 产 生 “- 酮 成 二 酸 ， 当 供 氧 不 足 时 丙酮 酸 就 转变 成 乳酸 ， 谷 氨 酸 产量 大 为 减少 。 从 糖 转 变 成 381 淀粉 1,6- py-R 6- FR - 葡萄 糖 酸 | Pa PRBS RR 一 乙酰 CoA 图 9-12 ”从 糖 质 原料 发 酵 生 成 谷 氨 酸 的 代谢 途径 x- 酮 成 二 酸 及 谷 氮 酸 合成 的 途径 见 图 9-12。 (=) wx- 酮 戊 二 酸 转变 成 谷 氨 酸 谷 氨 酸 生 产 菌 中 含有 氨基 酸 转 移 酶 与 谷 氛 酸 脱 气 酶 两 种 酶 系 统 。 促 使 谷 氨 酸 形成 的 主要 酶 系统 是 谷 氮 酸 脱 氨 酶 ， 而 不 是 转 氨 酶 ， 因 为 转氨酶 不 能 利用 自由 态 的 氮 ， 且 在 谷 氛 酸 生产 菌 中 活性 微弱 ， 而 谷 所 酸 脱 所 酶 活性 强 ， 且 能 利用 自由 态 的 所 。<= 酮 成 二 酸 通 过 还 原 性 氮 基 化 合成 谷 氨 酸 ， 也 即 <- 酮 戌 二 酸 通过 加 和 氢 加 氮 生 成 谷 氨 酸 ， 氨 来 自 尿 素 、 氮 水 等 ， 氢 主要 来 自 异 柠檬 酸 的 脱 氢 氧 化 。 由 下 列 试验 结果 证 明 通 过 谷 氛 酸 脱 氢 酶 的 辅酶 和 异 柠檬 ” 382 Br RIG AR PRIN os A sos AAA CERI, FAR STARE, TRB = RP OA LE HCA UE FA He RY HR LE 9-1。- # 9-1 ”各 种 底 物 的 谷 所 酸 生 物 合成 BABE Rit (hia) 底 Wy “El COE PIERS SEEDED, ee, ee. NHwt+ RT MOR 0 0 NHat+ RT HOR + o- Hd ROB 21 14 NBHBi+ 二 琥珀 酸 0 ee Nat + SESAME + o- KM 6.3 0 NHgt + ERR 0 54 NHat + 32 + o-Be X— MR 9 6.8 NH +e 85 49 E NHat + free + o- Ma RB 88 53 - NH4+ 十 顺 乌 头 酸 | 81 48.5 NH4t + If 3B + o-M XB | 85 49 NH4+ 二 蜡 柠檬 酸 89 oy NHat + Seer ee + oA XB 91 56 NH4++wx=- 酮 戊 二 酸 9 本 ~” ”试验 条 件 ， 无 细胞 提取 液 100 毫克 ，NH4G1( 供 气 )200 微克 分 子 TGA 环 上 化 合 物 ( 底 物 )100 微克 分 子 ， 磷 酸 盐 缓 冲 液 350 微 way 加 水 共 配 成 5 毫升 溶液 ， 温 度 37°C 培养 3 小 时 从 表 9-1 可 以 看 出 : 当 NAS, A <- 酮 戊 二 酸 为 底 物 时 ， 谷 氨 酸 产量 甚 少 ， 而 以 柠檬 酸 、 异 柠 榜 酸 及 乌 头 酸 等 三 凑 酸 为 底 物 时 , 谷 氨 酸 产量 很 高 。 其 原因 是 以 上 三 种 三 羧 酸 ,都 可 脱氧 作为 供 氢 体 使 NADP 还 原 成 NADPHs:, 以 供给 <- 酮 戊 二 酸 在 谷 气 酸 脱氧 酶 的 作用 下 ， 还 原 氨基 化 生成 谷 氮 酸 所 需 的 NADPH，,。 383 而 «A ROMA HELE NADP 还 原 ， 不 能 形成 NADPH:， 因 而 无 法 合成 谷 氨 酸 〈 试 验 中 形成 的 少量 谷 氨 酸 是 利用 无 细胞 提取 液 中 残存 的 NADPH, 生成 的 )。 总 结 以 上 试验 证 明 ，c- 酮 成 二 酸 转变 成 谷 氨 酸 的 机 制 为 “wo- 酮 戊 二 aoe HOOC(CH,),CHCOOH NADP HOOC:CH:CH +» CHCOOH oe 4 BL NH, Sie wie dein. 谷 氨 酸 SHED 从 上 述 试 验 还 可 以 看 出 : 无 氧 条 件 下 谷 氨 酸 的 生成 比 有 氧 条 件 下 的 产量 为 高 。 这 是 由 于 NADPH, 在 无 氧 条 件 下 ， 不 进入 氧化 途 径 进 行 氧化 ， 大 量 NADPH, 供给 还 原 性 氨基 化 生成 谷 AB: 在 有 氧 条 件 下 ， 一 部 分 NADPH, 进入 氧化 途径 ， 减 少 了 <- 酮 戊 二 酸 还 原 为 谷 氨 酸 所 需 NADPH, 的 数量 。 所 以 在 谷 氨 酸 发 酵 中 ， 氧 的 供应 (通风 量 ) 必 须 注意 掌握 。 应 控制 适量 ， 既 要 保证 丙酮 酸 逐步 氧化 生成 足够 的 <- 酮 戊 二 酸 ， 又 要 控制 使 NADPH, 不 进入 ”氧化 途径 ， 供 氧 要 适量 ， 才 利于 谷 氮 酸 生成 。 四、 环境 条 件 对 谷 氨 酸 发 酵 的 影响 谷 氛 酸 生产 菌 能 生长 于 10% 以 上 高 浓度 的 葡萄 糖 培养 基 上， 生成 5% 以 上 高 浓度 的 谷 氮 酸 ， 除 选择 具有 特定 生理 特性 的 菌株 外 ， 必 须 在 特定 的 环境 条 件 下 才能 实现 。 这 种 生理 特性 和 环境 条 件 主 要 为 了 适应 生产 的 需要 。 (一 ) 供 氧 量 Skit, ALARMS, ORAL, SLB PETAR 4M, iX7E A ARAM PA AT RR LR, = RAIL AY 384 草 栈 乙酸、 4 HBB A MAA RIT 当 供 氧 过 多 时 ， NADPH, 进行 氧化 ， 则 “- 酮 戊 二 酸 还 原 氨 基 化 受阻 ，c- 酮 NX Mets, AAR RMA. | (=) 氢 离 子 浓度 当 氨 离子 浓度 不 足 ，<- 酮 戊 二 酸 还 原 氨 基 化 量 减 少 ， 谷 所 酸 ” 量 减少 ，<“- 酮 戊 二 酸 量 增加 。 当 氨 离 子 浓度 过 高 ， 则 谷 氨 酸 又 进 一 步 生 成 酰胺 ， 谷 氮 酸 产量 也 减少 。 当 氨 离 子 浓度 适量 则 谷 妥 酸 产量 提高 。- (三 ) PH | 在 中 性 或 微 雁 性 环境 ， 有 利于 谷 氨 酸 的 生成 。 当 发 酵 环境 偏 酸性 时 ， 谷 氯 酰胺 乙酰 化 酶 活性 增加 ， 产 物 中 N- 乙 酰 谷 氮 酰胺 SEIN, BARI (四 ) 磷酸 盐 过 量 磷酸 盐 能 促进 EMP 途径 ， 并 增加 丙酮 酸 和 乙 醛 缩合 生 成 <- 乙酰 乳酸 的 量 ，cx- 乙 酰 乳 酸 增 加 ， 细 所 酸 产 量 增加 , GAR 产量 下 降 。 适 量 磷酸 盐 则 有 利于 谷 所 酸 的 生成 。 (五 ) 生物 素 除 其 他 条 件 适 宜 之 外 ， 生 物 素 的 用 量 必须 控制 在 亚 适 量 ( 贫 乏 ) 的 水 平 ， 才 能 保证 谷 氨 酸 大 量 积累 。 生 物 素 是 影响 谷 氮 酸 发 酵 最 重要 的 因素 ， 目 前 研究 得 最 活跃 的 。 目前 认为 生物 素 的 作用 主要 是 改变 细菌 细胞 膜 的 通 透 性 。 将 谷 氛 酸 生产 菌 ， 培 养 于 生物 素 含 量 不 同 的 培养 滚 中 ， 发 现 在 生物 素 含 量 多 的 培养 液 中 ， 细 菌 细胞 内 谷 氨 酸 含量 也 高 ， 但 培 养 液 中 谷 氮 酸 的 含量 甚 少 。 而 在 含有 亚 适 量 生物 素 培 养 滚 中 ， 则 正好 情况 相反 ， 即 细胞 内 谷 氮 酸 量 少 ， 培 养 液 中 的 谷 氮 酸 含量 多 。 由 这 一 实验 结果 可 以 看 出 , 当 培 养 沪 中 生物 素 含量 多 时 ,所 培 “ 养 的 菌 体内 即使 用 去 污 剂 洗涤 ， 也 不 能 将 其 中 谷 氮 酸 洗 出 EH 520) 而 含 生物 素 少 的 菌 体 内 的 谷 氨 酸 几乎 全 部 (95%) 都 能 洗 出 。 如 385 # 9-2 各 种 条 件 下 生长 的 菌 体 内 谷 氨 酸 及 洗 净 而 流出 的 谷 氨 酸 aa aati ser iooeeN)) 09， 生物 素 3 微克 / 升 84 95 生物 素 30 微克 / 升 179 5 生物 素 30 微克 / 升 青霉素 G 2 单位 /毫升 1151 96 9 小 时 生物 素 30 微克 / 升 吐 温 60 0.422%67 156 96 7 小 时 油 酸 80 毫克 / 升 82 76 油 酸 300 毫克 / 升 138 12 果 加 入 生物 素 量 多 而 又 加 入 青霉素 则 由 于 青 霍 素 影 响 细 胞 壁 的 合 成 ,因此 仍 能 全 部 (96% ) 洗 出 。 加 入 生物 素 量 多 而 又 加 入 吐 温 60 则 同样 能 全 部 洗 出 (96% ) ,这 说 明生 物 素 过 多 能 降低 细胞 膜 的 透 性 。 前 面 ， 已 指出 生物 素 是 催化 脂肪 酸 合成 多 酶 体系 的 辅 梅 ， 而 脂肪 酸 又 是 细胞 膜 脂 蛋白 的 重要 成 分 。 生 物 素 不 是 时 ， 细 胞 膜 的 结构 发 生 改 变 。 易 于 渗 漏 ， 而 使 谷 氨 酸 从 细胞 内 调和 人 培养 液 中 ， 便于 分 离 和 提取 。 油 酸 是 细胞 膜 磷脂 的 成 分 ， 当 油 酸 加 入 量 增 加 到 300 毫克 / 升 ， 使 细胞 膜 磷脂 的 成 分 发 生变 化 ， 细 胞 膜 通 透 性 减少 。 则 谷 氨 酸 洗 净 流出 的 % 也 减少 。 这 也 是 生物 素 改 变 细胞 膜 通 透 性 的 另 一 证 明 。 因此 ， 现 在 认为 生物 素 的 作用 主要 是 改变 细胞 膜 的 通 透 性 ， 促进 谷 氮 酸 渗 出 ， 提 高 谷 氨 酸 的 产量 。 生 物 素 改变 细胞 膜 通 透 性 的 机 制 可 能 与 影响 磷脂 的 含量 及 成 分 有 关 。 第 七 节 ”和 氨基酸 与 糖 、 脂 肪 代谢 的 相互 联系 ， 氨基 酸 与 精 脂 肪 间 可 以 互 变 。 386 eT SIG Ae EGE CA BAER TAPE, Te Ba. Hh; RYADREARRCA KARR. HAs Hi VA iil Zee WS re FR ST. PE. TR RR. AER 糖 与 脂肪 代谢 之 间 的 联系 主要 表现 在 三 者 可 以 互相 转变 、 互 相 制 约 ， 并 具有 共同 的 完全 氧化 的 途径 。 一 、 氨 基 酸 与 精 代 谢 的 联系 糖 类 虽 不 能 直接 转变 成 蛋白 质 ， 但 糖分 解 过 程 中 可 产生 许多 cx- 酮 基 酸 (如 丙酮 酸 、%- 酮 成 二 酸 、 草 酰 乙 酸 ), 这 些 酮 基 酸 经 氨 基 化 作用 或 转 所 作用 可 产生 氨基 酸 ,由 氮 基 酸 可 以 再 合成 蛋白 质 。 工业 发 酵 往 往 以 糖 质 原 料 为 主 ， 以 铵 盐 或 尿素 为 气 源 ， 此 时 即 通 过 糖 代谢 转变 成 酮 基 酸 ， 再 经 酮 基 酸 还 原 性 氨基 化 合成 气 基 酸 ， 从 而 进一步 合成 蛋白 质 。 另 一 方面 ， 蛋 白质 也 可 以 转变 成 糖 。 蛋 白质 分 解 产生 氢 基 酸 ， 氨 基 酸 脱 氨 后 产生 “- 酮 基 酸 , 经 转变 成 两 酮 酸 后 可 再 合成 糖 。 培 养 基 中 糖 供应 不 足 。 氨 基 酸 供应 过 多 ， 或 当 商 体 处 于 饥 狐 营 养 不 足 时 即 可 出 现 分 解 氨基 酸 转 变 成 合成 细胞 成 分 所 必需 的 糖 。 二 、 氨 基 酸 与 脂肪 代谢 的 联系 氨基 酸 脱 氨 后 的 酮 基 酸 ， 可 以 形成 中 间 产 物 乙 酰 -GoA， 进 而 合成 脂肪 酸 ， 酮 基 酸 又 可 通过 形成 中 间 产 物 丙 酮 酸 而 合成 奸 油 ;， 再 由 甘油 、 脂 肪 酸 合 成 脂肪 。 甘 油 和 脂肪 酸 也 可 形成 中 间 产 物 乙 酰 -GoA， 再 合成 还 原 性 氛 基 化 所 必要 的 酮 基 酸 ， 进一步 合 成 受 基 酸 。 一 般 发 酵 工 业 由 于 培养 基 中 糖 质 原料 多 于 脂肪 ， 因 此 由 脂肪 转变 成 气 基 酸 或 氨基 酸 转 变 成 脂肪 的 情况 实际 上 不 多 。 三 、 糖 与 脂肪 代谢 的 联系 糖 可 以 转变 成 脂肪 。 糖 代谢 通过 形成 磷酸 二 羟基 丙酮， 及 乙 Be-GoA 可 分 别 形 成 甘油 及 脂肪 酸 ， 再 合成 脂肪 。 一 般 发 酵 工业 387 所 用 培养 基 中 脂肪 很 少 ， 但 微生物 成 分 中 各 种 脂 类 都 可 以 形成 ， 也 是 一 个 证 明 。 脂 肪 中 的 甘油 部 分 通过 磷酸 二 羟基 丙酮 可 以 合成 糖 。 脂 酸 虽 也 可 通过 乙酰 -GoA 进入 三 凑 酸 环形 成 “- 酮 成 三 酸 、 章 酰 乙 酸 ， 再 简 接 形成 丙酮 酸 合 成 鳍 ， 但 必 吉 量 少 ， 且 在 渚 养 基 糖 多 于 脂肪 的 条 件 下 ， 实 际 脂肪 酸 转变 成 糖 较 少 。 此 外 ， 无 论 氨 基 酸 还 是 糖 或 脂肪 ， 通 过 不 同 的 代谢 途径 在 生 成 乙酰 -CoA 之 后 ， 都 可 以 进入 三 羧 酸 循环 ， 彻底 氧化 成 三 氧化 矶 和 水 ， 放 出 能 量 。 很 明显 ， 三 次 循环 是 毛 基 酸 、 糖 、 脂 肪 三 类 物质 共同 的 分 解 产能 的 途径 。 在 三 次 酸 环 上 AR MR, ER 乙酸 又 与 谷 氨 酸 ， 天 冬 氨 酸 密切 联系 ， 所 以 三 凑 酸 循环 又 是 三 类 物质 互相 转变 的 枢纽 。 过 ei ae] 国 | +e ane 葡萄 糖 = ——— Mme >: RIB | 丝氨酸 乙酰 CoA Fi ARR _ FAR a- yom i HZ CRB THM FARR 图 9-13 HAM, AAR, HEL IRMA 再 则 ， 糖 代谢 通过 了 MP 途径 生成 的 5- 磷 酸 核糖 是 合成 BK FRI BE ARM ORs 甘氨酸 、 谷 氨 酰 胺 、 天 冬 氮 酸 、 天 冬 酰胺 等 又 是 合成 嘎 叭 、 喀 啶 的 原料 (第 十 、 十 一 章 ) 。 可 见 糖 代谢 、 ”氨基 酸 代谢 与 核酸 合成 关系 密切 。 烃 类 发 酵 时 链 烃 通过 氧化 成 脂 肪 酸 而 进一步 被 利用 。 现 将 蛋白 质 、 氨 基 酸 、 糖 ， 脂 代谢 的 联系 示意 于 图 9-13( 包 括 参 予 核 苷 酸 的 合成 ) 。 机 . 蛋白 质 是 怎样 水 解 成 氨基酸 的 ? . 氨基 酸 是 怎样 脱 氨 基 的 ? ， 脱 下 的 所 如 何 进 行 代谢 ? ， 酮 基 酸 有 哪些 代谢 途径 ? . 什么 是 氨基 酸 的 脱羧 基 作 用 ? . RR RARML SE (BR) EIS RE BE . 哪些 氨基 酸 与 酒精 发 酵 中 杂 醇 油 的 生成 关系 密切 ? . 支 链 氨 基 酸 及 带 葵 核 氨基 酸 合成 有 何 特点 ? . 氨基 酸 代谢 与 糖 和 脂肪 是 怎样 联系 起 来 的 ? 10。 试 述 谷 氨 酸 发 酵 的 代谢 机 制 。 .11. 氨基 酸 代谢 和 粳 、 脂 肪 代谢 相 比 ， 有 何 共性 和 特性 ? RISE wo pw 389 oe BRR 第 一 该 酸 的 降解 与 有 关 的 酶 ， 动物 和 异 养 型 微生物 可 以 分 泌 消 化 酶 类 ， 分 解 食 物 或 体外 的 核酸 类 物质 ， 以 获得 各 种 核 苷 酸 。 核 背 酸 还 可 以 水 解脱 去 磷酸 而 生成 核 苷 ， 核 苷 再 分 解 生成 嘎 聆 碱 或 喀 啶 碱 和 糖 。 核 苷 酸 及 其 水 解 产物 均 可 被 细胞 所 吸收 和 利用 。 所 有 生物 的 细胞 都 含有 核酸 代 谢 有 关 的 酶 类 ， 能 够 分 解 细胞 内 各 种 核酸 促使 核酸 分 解 更 新 ， 在 体内 核酸 的 水 解 产 物 一 一 糖 可 参加 戊 糖 代谢 ， 味 叭 和 喀 喧 还 可 以 进一步 分 解 。 核 酸 的 分 解 过 程 如 下 ， 磷酸 em RS = em Both on H20 | BT) pe ans 喀 喧 酯 酶 HsPO, Fete: * : 一 、 核 酸 的 解 聚 作用 核酸 是 由 许多 核 苷 酸 以 3"、5“- 磷 酸 二 酯 键 连接 而 成 的 大 分 子 化 合 物 。- 核 酸 分 解 的 第 一 步 是 水 解 连 接 核 苷 酸 之 间 的 磷酸 二 酯 、 键 ， 而 生成 低级 多 核 背 酸 或 单 核 苷 酸 ， 在 生物 体内 有 许多 磷酸 二 酯 酶 可 以 催化 这 一 解 聚 作用 ， 特 异性 强 ， 只 能 作用 于 核酸 的 磷酸 二 酯 酶 ， 称 为 核酸 酶 ， 水 解 核糖 核酸 的 叫 核糖 核酸 梅 〈RNase)， 水 解脱 氧 核糖 核酸 的 叫 核糖 核酸 酶 (DNase)， 核 糖 核酸 酶 和 脱氧 核糖 核酸 酶 能 够 水 解 核酸 分 子 内 的 磷酸 二 酯 键 ， 因 此 又 称 为 核酸 390 Pk. 2 oy = “的 工具 酶 ， 在 遗传 工程 研究 中 ， 限 制 酶 被 认为 起 决定 性 作用 。 2 7 ° . se ~ 2 = ~ APNE. HERE DNA 的 磷酸 二 酯 酶 简称 限制 酶 ， 它 们 与 以 往 发 现 的 DNase 相 比 ， 在 碱 基 专 一 性 及 磷酸 二 酯 键 的 断裂 方式 上 有 其 特殊 性 ， 使 它 特别 适合 于 作为 DNA 结构 与 功能 等 方面 研究 有 些 非 特异 性 的 磷酸 二 酯 酶 ， 例 如 蛇毒 磷酸 二 酯 本 和牛 脾 磷 MORNE, XPERIA BORER (IRS BIER) MBE Oe Mover is eee ee ee ee AYA SP TBR, LG SLR Ay AR ID DS We ES — A : MS “ 核 音 酸 链 的 9/—FEIEMNTERA, NAGAR 5’ BETRR. +P BO p----9. OH | z;.. ne mi wags 0 区 图 10-1 磷酸 二 酯 酶 对 核酸 的 水 解 位 置 甲 一 蛇毒 磷酸 二 酯 酶 的 作用 部 位 乙 一 牛 脾 棍 酸 二 酯 酶 的 作用 部 位 B 一 碱 基 891 一 酯 酶 则 相反 ， 从 游离 5’ -羟基 端 开始 ， 逐个 水 解 下 3/- 核 昔 酸 ， 由 于 水 解 的 位 置 不 同 ， 因 而 所 得 的 核 昔 酸 可 以 是 3/- 核 昔 酸 ( 络 脾 磷酸 二 酯 酶 )， 或 是 5/- 核 苷 酸 (蛇毒 磷酸 二 酯 酶 )， 见 图 10=1。 =. BPRS 核 苷 酸 水 解 下 磷酸 即 生成 核 苷 ， 生 物体 内 广泛 存在 的 磷酸 音 酯 酶 或 核 昔 酸 酶 可 以 催化 这 个 反应 。 非 特异 性 的 磷酸 章 酯 酶 对 一 、 切 核 背 酸 都 能 作用 ,无 论 克 酸 基 在 核 华 的 2/、3/ 或 8 位 置 上 都 可 被 水 解 下 来 ， 某 些 特异 性 强 的 磷酸 单 酯 酶 只 能 水 解 3/- 核 背 酸 或 5- 核 苷 酸 ， 则 分 别称 为 3"- 核 苷 酸 酶 或 5"- 核 苷 酸 酶 。 核 苷 经 核 昔 酶 作用 分 解 为 嘎 叭 碱 或 喀 啶 碱 和 糖 。 分 解 核 埋 的 AS, 一 类 是 核 苷 磷酸 解 酶 ， 另 一 类 是 核 苷 水 解 酶 ， 前 者 分 解 核 背 生 成 含 气 碱 和 糖 的 磷酸 酯 :后 者 生成 含 倪 碱 和 糖 : 磷酸 解 栈 BAF BAS + RB 味 叭 或 喀 喧 碱 十 戊 糖 -1- 磷 酸 核 背 十 水 _ 核 音 水 解 梅 , 味 聆 或 喀 啶 碱 十 戊 糖 核 苷 磷酸 解 酶 存在 比较 广泛 ， 所 催化 的 反应 是 可 逆 的 。 核 昔 水 解 酶 主要 是 在 植物 和 微生物 体内 发 现 的 ， 并 且 只 能 对 核糖 核 埋 作用 ， 对 脱氧 核糖 核 背 没有 作用 ， 反 应 是 不 可 逆 的 。 它 们 对 作用 底 物 常 具有 一 定 的 特异 性 。 核 背 酸 的 降解 产物 味 叭 和 喀 啶 还 可 以 继续 降解 ， 不 同 种 类 的 生物 分 解 味 叭 或 喀 啶 的 能 力 不 一 样 ， 因 而 代谢 产物 亦 各 不 相同 。 某 些微 生物 能 利用 嗓 叭 或 喀 啶 作为 矶 源 、 氨 源 和 能 源 。 动 物 分 解 味 叭 为 尿酸 或 尿 圳 素 。 微 生物 分 解吸 叭 生成 气 、 二 氧化 碳 ， 以 及 各 种 有 机 酸 如 甲酸 、 乙 酸 、 丙 酸 、 她 酸 等 ， 喀 啶 最 后 也 分 解 为 氨 ， ”二氧化碳 和 水 等 。 其 详细 过 程 在 此 不 再 详 述 。 392 第 三 节 oe te a Be are, wee rahe Ay Ak 除 少 数 微生物 外 ， 大 多 数 微 生物 都 能 合成 各 种 嗓 叭 和 喀 喧 核 人 二 +, HE Be HF WRN | 用 同位 素 标记 的 化 合 物 做 实验 ， 证 明生 物体 内 能 利用 二 氧化 矶 、 甲 酸 盐 、 谷 氨 栈 胺 、 天 冬 氨 酸 和 甘氨酸 作为 合成 哇 叭 环 的 前 体 。 如 图 10-2 所 示 。 甲酸 盐 一 一 ea See RB (RBH) 图 10-2 嗓 叭 环 的 元 素来 源 目前 关于 味 叭 的 合成 途径 已 经 了 解 得 比较 清楚 ， 生 物体 内 不 eee 一 系列 酶 促 反应 ， 生 成 次 黄 味 叭 核 背 酸 ， 然 后 再 而 是 从 5- 磷酸 和 (一 ) RES eS TR BERS A BRA 系列 连续 的 酶 促 反 应 过 程 ， 为 便 于 学 习 ， 可 将 其 分 为 五 个 主要 阶段 说 明 。 第 一 阶段 的 反应 : 生物 体内 5- 磷 酸 核糖 主要 由 己 精 单 斐 酸 途径 提 供 ， 5- 磷 酸 核糖 在 ATP 作用 下 生成 5- 磷 酸 核 精 焦 磷酸 (反应 @)。 催化 这 一 反应 的 酶 为 5- 磷酸 核 业 焦 磷酸 激酶 。 4, ‘ ee 393° dy ¢ , wee, sek. Fe Ts te Te eee Ae ee - . ; iC < ie a eee als ee | 和 > 地 区 及 -5- 了 P 焦 磷酸 激酶 5— BERR ABE + ATP 5- 磷 酸 核糖 焦 磷酸 + AMP Q@ (R-5-P) > (PRPP) 5- 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 可 与 谷 氨 酰 胺 反应 生成 5- 磷 酸 核糖 胺 、 谷 氨 酸 和 无 机 焦 磷 酸 盐 ( 反 应 @)。 催 化 这 一 步 又 的 酶 为 磷酸 核糖 焦 磷酸 转 酰胺 酶 。 SON BOM AED + WERE 十 HiO- ae (PRPP) Ate | 5— Bi MB Es Bi Ne +- B+ PPI | @ (PRA) 5- 磷 酸 核糖 胺 和 甘氨酸 在 有 ATP 供给 能 量 的 情况 下 ， 合成 为 甘 胺 酰胺 核 背 酸 ， 同 时 ATP 分 解 成 ADP 和 磷酸 盐 〈 反 应 @)。 这 一 步 由 甘 所 酰胺 核 苷 酸 合成 酶 所 催化 ， 反 应 是 可 逆 的 。 GAR 合成 酶 5- 磷 酸 核糖 胺 十 甘氨酸 十 ATP 一 (PRA) Hr a Ee AK rR + ADP + Pi @ _ (GAR) 第 二 阶段 反应 : 甘 所 酰胺 核 苷 酸 经 甲 酰 化 生成 甲 酰 甘 所 酰胺 核 背 酸 ， 在 此 处 甲 酰 基 的 供 体 为 N"- 甲 酰 四 气 叶 酸 (活性 甲酸 )( 反 应 四 )。 催 化 甲 酰 化 反应 的 酶 为 甘 所 酰胺 核 背 酸 转 甲 酰基 酶 。 甘 氛 酰胺 核 苷 酸 十 10'- 甲 酰 THFA+H,0 CAB 4a EAE (GAR) (活性 甲酸 ) THEFA RET ARBRE 二 THFA ~ @ (FGAR) FEE AY, N°-FA REPO AUT AAD ESE By a PR ESA, 第 三 阶段 反 “Ls | N- FA AEH EI EAS OR ZEA RH EA EE IE 有 ATP AF-ZE Wt GAS aX FARE SOR AAR, REIKI FE WK AEF PBR Ay Jae Bi NG FR FA BEY a ze Ae EF Pa PE He TG TE 394 二 可 由 Me** 和 K+ 所 激活 。 FEGAIM 合 成 酶 甲 酰 甘 所 酰胺 核 苷 酸 十 谷 氨 酰 胺 十 ATP 十 HaO 一 KATE KT > — (FGAR) 8 FA EH AK AAR + HAR + ADP-+ Pi . 6) (FGAM) 在 有 ATP fe 7Et, FRREHAKARAAE 咪唑 核 背 酸 合 成 酶 的 作用 转变 成 氨基 咪唑 核 背 酸 ， 这 个 作用 可 被 Mg ”和 开 所 激活 。 REP Boia + ATP rae MabOKMb RAR + ADP +P: © (FGAM) Mgtt Kt 第 四 阶段 的 反应 : 在 氨基 咪 唑 核 苷 酸 羧 化 酶 的 催化 下 ， 氟 基 咪 唑 核 背 酸 可 与 二 氧化 矶 反应 ， 生 成 5- 氨 基 , 4- 甲 酸 咪 唑 核 昔 酸 ， 反 应 是 可 逆 的 。 酶 5- 氨 基 -4- 甲 酸 咪唑 核 背 酸 ， 四 (CAIR) AIR RAMA RR 十 CO。 (AIR) 在 有 ATP 存在 时 ，5- 氮 基 -4- 甲 酸 咪唑 核 背 酸 与 天 冬 氨 酸 缩 合生 成 5- 氟 基 -4- 气 甲 酰 (N- 琥 珀 基 ) 咪唑 核 背 酸 Seas aes , 反应 是 由 SAIGAR 合成 酶 所 催化 的 。 3 SAICAR 合成 酶 ey eke (CATR) - 5- 氨 基 -4- 氨 甲 酰 (N- 琥 珀 其) ORME BEAR + ADP + Pi (SAICAR) 在 腺 嗓 叭 核 背 酸 琥珀 酸 (SAMP) 裂解 酶 的 催化 下 ， 5- 氮 基 ~ 4-38 FBG CN ~ Sie BA Ae) 咪唑 核 背 酸 被 分 解脱 去 一 分 子 延 胡 索 酸 而 转变 成 5- 氨 基 -4- 氨 甲醛 咪唑 核 些 酸 。 由 于 此 裂解 酶 同时 具有 分 解 腺 嗓 叭 核 苷 酸 琥珀 酸 的 能 力 ， 故 称 为 SAMP 裂解 酶 。 SAMP 裂解 酶 5- 氮 基 -4- 氨 甲 酰 (N- 政 珀 基 ) 咪 唑 核 背 酸 二 一， (SAICAR) 395. 5- 氨 基 -4- 氨 里 酰 咪唑 核 苷 酸 十 延 胡 索 酸 第 五 阶段 反应 : 在 以 NT - 息 酰 四 气 叶酸 供给 甲醛 基 的 情况 下 ， 5- 气 基 -4- 所 甲 酰 咪 唑 核 EF RZ A 酰 化 生成 5- 甲 酰胺 -4- 氮 甲 EK 唑 核 EP CRED), 催化 这 个 反应 的 酶 为 5- 氮 基 -4- SAT PUTER RATE wee FA PG sic amla ei AICAR neha Nilo- 甲 酰 了 THFA 十 5- 氨基 -4- er ae Cia HE FB) 5 ATC 5— FA PEN —-4—2a FA EK OE YP AR + THEA 人 (FAICAR) 5> - 甲 酰胺 - -4- 氨 甲 酰 咪 唑 核 苷 酸 在 次 黄 叶 叭 BARD 水 解 本 作用 下 脱水 环 化 ， 形 成 次 黄 嗓 叭 核 苷 酸 。 MP 环 水 解 酶 5- 甲 酰胺 -4- 氨 甲 CC (FAICAR) UR BGR I FR + HO ‘ 四 (IMP) e HP AR AY ATE DO AHR (THEA) 2— BA, “EAE 叭 和 喀 啶 核 苷 酸 中 起 着 重要 作用 ， 因 此 叶酸 的 持 抗 物 ， 如 氨基 唆 ， 险 ， 氮 甲 喉 叭 能 强烈 抑制 核 苷 酸 的 合成 。 现 将 次 黄 味 叭 核 苷 酸 的 酶 促 合 成 总 结 于 插图 。 (=) RRYBER(AMP)HER - PE: Wy Ps PAY EE ie CS A EF PR ATE CAE RRS AR, RB RTE GTP 供给 能 量 的 条 件 下 与 天 冬 氨 酸 合成 腺 苷 酸 焉 珀 酸 ， 此 反应 由 腺 苷 酸 琥珀 酸 合成 酶 所 催化 ， 酶 的 活性 需要 镁 离 子 激 活 ， 中 间 产 物 腺 昔 酸 琥珀 酸 随 即 在 腺 苷 酸 琥珀 酸 裂解 酶 的 催 化 下 分 解 成 腺 叶 叭 核 背 酸 和 延 胡 索 酸 ， 反 应 过 程 见 397 页 。 396 ae ; 一 - ' ee Was Wow so: Po ’ 2 Nene 7 Be Fy s. Je 更 4 ; 人 Ogre OURS TD CH 十 GDP 十 Pi C \ = \W/ \w | —a | R-5/-P RON, «= 天 冬 氨 酸 (TMP) | —BRIFRRSESAR(SAMP) SAMP a: | Sipe Pe ; Pe je / ws x \ . HC—COOH CH +. ; HG - 延 胡 索 酸 WE ae Ss 1 R-5/-P | RS FBR CAMP) © \ 7. (=) SBORSeRHSR 次 黄 嗓 吟 核 背 酸 经 氧化 生成 黄 嗓 叭 核 苷 酸 ， 反 应 由 次 黄 味 叭 核 昔 酸 脱 氢 酶 所 催化 ， 并 需要 NAD 为 辅酶 和 KEL, KEY 核 背 酸 再 经 氨基 化 即 生成 乌 叶 叭 核 苷 酸 。 细 菌 直接 以 氨 作 为 氨基 “ 供 体 ;动物 细胞 则 以 谷 氨 酰 胺 的 酰胺 基 作为 氨基 供 体 。 氨 基 化 时 需要 ATP。 促 使 黄 味 叭 氨基 化 生成 鸟 嗓 叭 核 昔 酸 的 酶 称 为 © ， 三 叭 核 背 酸 合成 酶 或 黄 味 聆 转 酰胺 酶 ， 动 物 细胞 中 的 酶 需要 镁 离子 共和 化 二 897 vn ie es 好 * 5 - Co ee . = eM SS . = A 7 SR Re I ke} <3 六 a PS awa? en < ere keg cn ae ; oes i.” ~ de Nhe ae SPS Ry EA Pe ee fe Oe «oS is SF HN tt HN 。 CH +NAD+H,0 ——— | CH+NADH, SNN/ YN SR MT H ‘Dee R-5’-P -B-5'-P KARE BRR HS BR (IMP) (XMP) O O | | YA LO kis cup ee HN > ae HN | CH+ NH,;+ATP———> _| CH+AMP+PP \y/ \ny H,N% Sn/ \y H | | R-5/-P R-5’-P eS BTR SIS BTR (XMP) . (GMP) RRB BRA RREABAP: SAMP—> | AMP | R-5—P— errors | IMP | . 和 ae | XMP| —>|GMP | 一 不 同 微生物 合成 嘎 叭 核 苷 酸 的 途径 也 不 同 ， 如 大 肠 杆 菌 ， 产 氨 短 杆菌 都 是 按 上 述 途 径 进 行 合成 的 ， 但 枯草 杆菌 的 合成 途径 则 有 些 不 同 ， 介 绍 如 下 ; | SAMP 一 一 AMP | AMP 脱 氨 酶 + R-5-P> verre | IMP is | 4 GMP Ri | XMP | | GMP | 398 Ss 3 %4 。 可 以 互相 转变 ， 这 是 因 它 具有 AMP BUR Bi 45 GMP 还 原 酶 之 | 蕉 ， 因 而 使 这 四 种 坚 队 核 此 本 信 相互 转变 ， 其 反应 式 如 下 ， AMP (四 ) 味 吟 核 苷 酸 的 其 他 合成 途径 生物 体内 除 上 述 方式 合成 味 吟 核 昔 酸 外 ， 尚 能 利用 已 有 的 叶 叭 碱 和 核 苷 形成 嗓 险 核 背 酸 。 现 已 知道 ， 嗓 叭 碱 与 1- 磷 酸 核糖 通 WAH RE, TOE RRR, BABAR TBR 激酶 的 作用 ， 由 ATIP RAS BERRA, WERE AAR. RS 碱 与 5- 磷酸 核糖 焦 磷酸 通过 核 背 酸 焦 磷 酸化 酶 的 作 用 也 可 以 形成 eT. EMA Rea 399 “这 条 和 途径 的 特点 是 形成 了 两 条 环形 路 线 而 i GMP & AMP 5 FFE Ht Bs na + Pi PO>;, Mgtt 四 ATP 嗓 叭 碱 十 1- 磷 酸 核 糖 二 核 苷 酸 焦 ADP 磷酸 化 酶 BRIG WR + 5B Ft ———— eB + PP O=, Met AR, SS TLA RETR, MORNE ATL A RMR. a FF Sb EG A ee Ae A Ee E WR: RIBERA RAE. ANE, JRE A 生物 体 自己 合成 的 ， 而 一 半 来 自 外 界 。 相 应 地 前 面 的 途径 称 全 合 成 途径 。 在 核 昔 酸 发 酵 生 产 中 则 分 别称 为 半 合成 法 与 全 合成 法 。 核 苷 的 发 醇 法 生产 ， 可 以 半 合 成 法 中 途径 四 进行 。 嘲 叭 核 并 和 嗓 叭 核 背 酸 都 是 核酸 的 代谢 中 间 产 物 ， 在 正常 生 理 条 件 下 这 些 产物 的 含量 都 保持 在 一 定 水 平 上 ， 不 会 过 分 积累 。 现 将 味 叭 核 背 酸 全 合成 及 补救 合成 总 结 如 下 成 糖 磷酸 支 路 葡萄 糖 一 -=>R 一 5 一 P+ ATE-=PRP BRIE BOR BS AR He op > rae tex 成 PRA(5 一 P 一 核糖 胶 ) > Re < JER CHR = ates ha * haiie-g amt P-=XMP— 分 PP ie: 522 会 ah PRPP PRPP 成 腺 顺 吟 UR OM we 图 10-3 WES RRA AKRAM IEE TE: 在 补救 合成 中 GD 由 腺 味 叭 合成 腺 苷 酸 Q Wr > Rae ws BM @ hHLeres RS +R aware. ert; Pe Se ONT) ee Fr “Ss es ae A I ag OP Dine ae Se tn, SL IN 4 . VRE RRA RAY ~ BA, MERE. CAR, RAAF -M 上 ” 糖 为 前 体 合 成 的 。 合 成 过 程 需要 ATP 供给 能 量 ， 在 生物 体 内 首 。 先 合 成 尿 喀 是 核 并 酸 ， 然 后 再 转变 为 其 他 喀 喧 核 间 酸 。 (一 ) 尿 喀 啶 核 苷 酸 的 合成 由 氨 、 二 氧化 矶 和 ATP 作用 首先 形成 氨 甲 酰 磷酸 ， 再 与 天 冬 氨 酸 反应 合成 氨 甲 酰 天 冬 氨 酸 ， 然 后 闭环 并 被 氧化 生成 乳 清 酸 。 乳 清 酸 与 5- 磷 酸 核 精 焦 磷酸 作用 生成 乳 清 苷 酸 ， 脱 羧 后 就 成 为 尿 喀 啶 核 昔 酸 。- 本 EO A ER TAS A, (AREER. = MERA ATP 合成 的 。 K—-LEDOAAE HA PRBS RPTL, EMA MM DAADA PMT, KR BE 如 下 ‘2: 氨基 甲 酰 磷 酸 合成 酶 2ATP+NHs+ C0: 7 > eRe GARD +2 ADP-+ Pi @ Fas Ti tg ——> FE 23. FE BERS + ADP ©) 氨 甲 酰 磷酸 在 天 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 的 作用 ， 给 出 氨 甲 酰 部 分 并 转移 至 天 冬 氢 酸 的 ¢c-AEL, CRAP RRKZAR., 氨 甲 酰 天 冬 氨 酸 十 Bi @ ATP+NH;+€CO,z : 28, PG 氨 甲 酰 磷酸 十 天 冬 氨 酸 氮 申 酰 天 冬 氮 酸 通 过 可 逆 的 环 化 脱水 作用 转变 成 二 所 乳 清 PB He (tik 2 i Me A — AFL BA AFL is aA BARRA ARS =A Lin + HO 由 二 气 乳 清 酸 随后 在 二 气 她 清 酸 脱 气 酶 催化 下 被 氧化 成 乳 清 酸 。 该 酶 是 一 含 铁 的 黄 素 酶 ， 在 以 氧 为 受气 体 时 生成 过 氧化 气 。 401 — AAA = AU FLIA RR + O2<— SLi a + 0: 5 at © 乳 清 酸 是 合成 尿 喀 啶 核 苷 酸 的 重要 中 间 产 物 ， 至 此 已 形成 喀 啶 环 ， 而 后 再 和 5- 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 相连 接生 成 乳 清苦 酸 。 众 复 - 乳 清 酸 与 5- 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 作用 的 酶 ， 称 为 乳 清 苷 酸 焦 磷酸 化 酶 ， 镁 离子 可 以 活化 此 反应 。 - 乳 清 酸 十 5= 磷 酸 核糖 焦 磷 酸 焦 磷 酸化 酶 Megtt eins HAR CE FLies EF Ae Mbt Rs PE AP SA, BA Dre a TA AY BR | : nie © slit OOO, ie meme BERR +CO, @ 尿 喀 啶 核 苷 酸 的 酶 促 合 成 过 程 如 下 ， ATP ADP ,+NE ,COOPO;H, CO: +NH, Me",H,O aimed ORD | COOH COOH i 5 6) : j CH, + ee (CH COOH CH-COOH 9 HN SF RAR KAR O 人 FADH FAD 了 SrS | C -H 4 、NA “COOH Cy && SLR —SARR + 402 —a weet AMP + PRPP 5- RE RAR Mg* PPi O 吕 | \\ BN cH CO, BN cH . C- COOH @ CH | R-5’-P R-5’ =P | AREER RR eu B $58 UMP) RUE RMA, CEA PARR, SRR ” 陷 二 氢 乳 清 酸 脱 氢 酶 时 ， 必 须 自 外 界 供应 尿 喀 啶 、 胞 喀 啶 或 乳 清 酸 才 能 生长 。 (=) 胞 喀 啶 核 昔 酸 的 合成 ee ae AY 7KF_EMETID, DRE = BRR AT DA a De RE A ER 激酶 作用 下 经 ATP 转移 磷酸 而 生成 。 核 背 -磷酸 激酶 UMP+ATP UDP+ADP 核 苷 -磷酸 激酶 UDP+ATP PRM ME. Fae ORE EE AAD Dak aR Oe EF BR BB BE 2A PEF 22 PES HRM EA iy, Dae wie AE OR MRE HE HE eH SE AR HSB. EAM, RRCBTHBRARSAEA, ROG 要 ATP Pee, HIE Rhee KH AR A ME, 403 UTP+ADP 四 反应 式 如 下 : CTP AKG UTP+NH,+ ATP a= Mgtt 在 动 植物 组 织 中 ， 由 谷 氨 栈 胺 供给 氨基 ， 并 且 需 要 GIPE 供 给 能 量 ， 该 酶 称 为 胞 喀 啶 核 苷 酸 (AME) 合 成 酶 。 三 、 脱 氧 核糖 核 背 酸 的 合成 脱氧 核糖 核酸 是 以 四 种 脱氧 核糖 核 背 酸 聚 合 而 成 的 ， 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 可 以 由 核糖 核 苷 酸 还 原形 成 。 腺 嗓 叭 、 鸟 味 叭 和 胞 喀 啶 脱氧 核糖 核 苷 酸 由 相应 的 核糖 核 昔 酸 经 还 原 ， 将 核糖 第 二 位 碳 原 子 上 的 氧 脱 去 ， 直 接 转变 而 成 。 胸 腺 喀 喧 脱氧 核糖 核 背 酸 则 需 经 过 两 个 步 又 ， 首 先 由 尿 喀 啶 核糖 核 昔 酸 还 原形 成 尿 喀 啶 脱氧 核糖 核 背 酸 ， 后 者 再 经 甲 基 化 ， 将 尿 喀 啶 转变 成 胸腺 喀 啶 。 (一 ) 核糖 核 苷 酸 的 还 原 在 生物 体内 ， 四 种 核糖 核 昔 酸 均 可 被 还 原 成 相应 的 脱氧 核糖 ” 核 背 酸 ， 由 细菌 和 动物 组 织 中 已 分 别提 取出 催化 此 还 原 反应 的 核 糖 核 苷 酸 还 原 梅 ， 酶 活性 由 镁 离子 所 激活 。 核 糖 核 苷 酸 的 还 原 需 要 由 一 种 分 子 量 较 小 ， 对 热 稳 定 ， 具 有 二 硫 醇 形式 的 含 硫 蛋白 质 ， 即 还 原型 硫 氧 还 蛋白 (Thiorcdoxin) ARRIBA, I 且 需 要 ATP 供给 能 量 。 氧 化 型 硫 氧 还 蛋白 可 在 硫 氧 还 蛋白 还 原 酶 作用 下 ,由 还 原型 烟 酰胺 腺 嘎 叭 二 核 背 酸 供给 氢 而 被 还 原 , 通常 核糖 核 苷 酸 是 在 核 背 二 磷酸 的 水 平 上 被 还 原 的 ,其 还 原 过 程 如 下 : CTP+ADP-+ Pi tod at men P， -Do en -DOOR H H KH i : HAGE key OH OH WHERE 1) OH wicom GERED (RMA Bee PR NAD (P)? NAD(P)-2H as, “= Ye i tae 4 We et ads © i ee ee OD Oe ie Dea POS Pe OS i re a Pes 人 ote wy dogs 2 Pera yay anc - at 7 : SL 4 A FEBARRREERR ANSE EMEA LIT RAD, 1 ，。 待 进 一 步 研究 解决 。 eee 4 PAM aN AE — ORME AF, th ATP 供给 eS DRO AE TATE HK. ee Seto. 核 苷 -磷酸 激酶 FRI + ADP Bt 了 胸腺 哮 啶 核 背 酸 (aTMP) 是 脱氧 核糖 核酸 的 组 成 成 分 ， 它 的 合成 途径 有 二 。 (1) 由 尿 喀 啶 脱氧 核糖 核 背 酸 (dUMP) 经 甲 基 化 而 生成 HE 化 尿 喀 啶 脱氧 核糖 核 苷 酸 甲 基 化 的 酶 称 为 胸腺 喀 啶 核 背 酸 合 成 _ 酶 。 甲 基 化 的 供 体 是 N"，N'"- 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 ， 其 反应 见 406 se (2) NWR WORM BAR BE 许多 生物 能 利用 外 源 的 胸腺 喀 啶 和 1- 磷 酸 脱 氧 核糖 以 合成 胸腺 喀 啶 核 背 酸 。 由 动物 组 织 中 提取 得 到 的 胸腺 喀 啶 核 奉 磷 酸化 酶 可 以 催化 胸腺 喀 啶 和 1- 磷酸 脱氧 核糖 合成 胸腺 喀 喧 核 苷 。 胸腺 喀 啶 核 背 -磷酸 化 酶 胸腺 喀 呢 脱氧 核 背 十 二 上 式 中 1- 磷 酸 脱氧 核糖 可 由 5- 磷 酸 脱氧 核糖 经 变 位 酶 作 用 转变 而 成 ， 后 者 则 由 3- 磷 酸 甘油 醛 与 乙 醛 经 缩合 酶 作 用 缩合 而 -成 。 胸腺 喀 喧 十 1- 磷 酸 脱氧 核糖 胸腺 喀 啶 脱氧 核 背 在 胸腺 喀 啶 核 背 激酶 俱 化 下 ， 由 ATP 供 给 磷酸 基 而 形成 胸腺 喀 啶 核 苷 酸 。 胸 腺 喀 啶 核 背 酸 酶 已 由 细菌 中 提取 得 到 。 Wang mame Bea + AT PE gee > MOURNE A FEAR + ADP “a Wk RG Me AEF ZEW IU NW Ae ES — TB Ba Hs FE — RS 405 (VaH) fs: asia al-1 — N O 一 -、 Se i 过 ee A ae BE, | ae Bh RENE ar WRN hoy oe Fie | XY Be ae 1 TIAL 2) BH’ \n~\ nf 8 H ( ) Cal ch FAS) ee 2 4 bd FF ea A -or N ‘aN d-,S-uP | zHD Pea: HO Db ise a HO OO w—HNOO—L game SS | / 3 DAS | NA |} HO NH HN ir VN Tl 406 aqIP) bi Canp) (dJNDP) MS ROMS Bis M2 Bie s a M-2 ARE: HO ef HHO MABEL "tO = “Van H Ho a ee 2 | H a x “ME WaNOP a. ee O41, 9-@ wevaniP ye 入 NGC 0 1HO-O-@ HNN 0 ZN. 0 HN “OH HO ‘5% ae 7 ! : HO, \57" Tae | ass | ‘ cee ~ NH . Ph is as HN a | | abun ah 'OdH ce 'Od°H | | : danp | OF EOP ; #974 SI] at coe |、 swale : -dd ddd Soe: as! 4 ddv Ua oes gee av Bt | 2 oe oe dLV ‘te SS. = oe a 区 y Sr are 酶 的 催化 下 ， 与 ATIP Jy ior iti He We Hea Wie ae he eR FN Wk METH. RHTSMMARMRRYAR., 407 页 的 图 为 dGMP dUMP 和 dTMP 的 合成 途径 。 复习 A 1. 试 述 核酸 降解 有 关 的 酶 及 其 作用 机 制 。- 2. 生物 体内 怎样 由 次 黄 味 叭 核 苷 酸 生 成 腺 味 叭 核 苷 酸 和 乌 Wee RT PR 3. ARCATA & cs BF RS" AAT i BR 的 途径 有 何 异 同 ? 408 Rok BRWATABK RAY Bl 第 十 一 章 “遗传 的 分 子 基础 ”核酸 是 生物 体 的 主要 生命 物质 之 一 。 近 十 几 年 来 分 子 生 物 学 的 迅速 发 展 充分 证 明 ， 核酸 与 生物 体 的 新 陈 代谢 ， 生 命 起 源 ， 遗 传 变异 ,病毒 的 感染 以 及 蛋白 质 的 生物 合成 都 有 非常 密切 的 关系 。 脱氧 核糖 核酸 是 遗传 变异 的 主要 物质 基础 ， 通 过 DNA 的 目 我 复制 把 遗传 信息 一 代 一 代 地 传 下 去 ， 换 言 之 ， 生 物体 的 遗传 特 征 主要 由 核酸 来 决定 ， 而 生物 体 的 生命 活动 则 又 要 通过 蛋白 质 的 ”活动 来 实现 ， 并 认为 生物 体 的 遗传 特征 主要 就 是 以 密码 的 形式 编 录 于 DNA 分 子 上 ， 表 现 为 特定 的 核 背 酸 排 列 顺序 。 DNA 通过 半 保 留 复制 把 遗传 信息 传递 下 去 。 凡 是 能 引起 DNA 变化 的 物理 化 学 因素 ， 都 能 引起 微生物 变异 ， 为 微生物 诱 变 育种 黄 定 了 理论 基础 ， 种 的 变异 与 核酸 有 密切 关系 。 目前 有 关 核 酸 结构 与 功能 的 研究 是 分 子 生 物 学 的 主要 内 容 ， 对 阐明 遗传 变异 的 本 质 是 十 分 重要 的 ， 因 此 ， 核 酸 的 研究 对 估 进 生物 学 的 进展 有 其 理论 与 实践 意义 。 第 一 说 ”核酸 的 生物 合成 “核酸 是 分 子 量 很 大 的 高 聚 物 ， 其 结构 单位 是 核 背 酸 ， 所 以 核 409 L/S UR BER A AE, AER LAR Hy 3) Ay BEBO ABS AUBERPRER, SLAY WRIA RRL, —, DNA 的 生物 合成 DNA 是 遗传 的 主要 物质 基础 ， 是 基因 的 化 学 本 质 。DNA 的 最 重要 的 功能 活动 就 是 自我 复制 ， 将 其 贮存 的 遗传 信息 传 给 予 代 。 除 去 偶尔 的 突变 以 外 ， 母 细胞 分 裂 形成 的 两 个 子 细胞 中 的 每 一 个 都 含有 其 母 细 胞 遗传 物质 的 一 分 精确 的 复 本 。 其 三 是 DNA 所 提供 的 信息 控制 着 专 一 的 酶 蛋白 类 的 合成 ， 而 后 者 又 返 过 来 在 生长 的 细胞 内 调节 代谢 反应 。DNA 本 身 是 遗传 信息 的 载体 ， 因 之 DNA 的 合成 方式 有 它 的 特殊 性 。 一 般 ， 生 物体 内 酶 反应 产物 的 结构 是 由 酶 对 底 牺 的 作用 来 决 定 的 。 但 是 核酸 合成 酶 是 能 利用 多 种 底 物 进行 反应 的 酶 ， 它 只 识 得 那 核 昔 酸 前 体 的 规则 的 糖 一 一 磷酸 部 分 ， 所 以 不 能 确定 产物 核 酸 结 构 中 碱 基 的 排列 顺序 。 可 以 明显 的 看 到 ，DNA MEA 成 产 物 的 碱 基 比 例 与 模板 DNA 一 样 ， 因 之 DNA 是 自我 复制 的 直接 模板 ， 它 以 半 保 留 方式 进行 自我 复制 。 (一 ) DNA 半 保 留 复 制 DNA 的 自我 复制 是 DNA 特有 的 生物 合成 方式 。 复制 时 ; ， 亲 代 DNA 的 双 股 螺旋 之 间 氢 键 断裂 并 分 开 为 两 条 单 链 ， 徊 条 单 链 并 作为 模板 ， 在 聚合 酶 的 催化 下 ， 利 用 体系 中 存在 的 四 种 脱氧 核 苷 三 磷酸 为 前 体 通 过 碱 基 配 对 原则 (A 一 T G=G) 便 以 氨 键 和 结 合并 通过 磷酸 二 酯 键 形 成 释放 出 焦 磷 酸 ， 从 而 合成 了 两 条 互补 的 新 链 ( 子 代 DNA)， 其 生成 的 两 条 双 股 螺旋 的 子 代 DNA 与 原来 的 DNA 分 子 ( 亲 代 DNA) 完 全 相同 。 螺 旋 中 的 一 股 来 自 亲 代 , 另 一 股 是 新 合成 的 。DNA 分 子 的 这 种 复制 方式 称 半 保 留 复制 GR 子 代 DNA 链 中 保留 了 一 条 旧 的 链 )。 见 图 11-1。 这 一 假设 在 一 九 五 八 年 用 浮力 密度 梯度 离心 法 将 经 NE 标记 的 大 肠 杆 菌 DNA 试验 获得 证 实 。 410 11-1 EAR BT 箭头 指 的 是 亲本 螺旋 伴随 着 子 螺旋 形成 而 解 开 时 所 需 的 旋转 方向 。 两 条 新 合成 的 链 是 以 向 下 的 方向 进行 生长 。 (=) 以 DNA 为 模板 的 酶 促 合 成 DNA 的 酶 促 合 成 概括 为 按 下 列 三 个 主要 阶段 进行 : (1) 形成 脱氧 核糖 核 背 酸 。 (2) 通过 适当 的 激酶 ,把 它们 磷酸 化 为 脱氧 核糖 核 昔 三 磷酸 。 (3) 在 有 Mg++ 和 适当 的 模板 存在 的 条 件 下 通过 DNA 聚合 酶 的 作用 ， 脱 氧 核糖 核 苷 三 磅 酸 聚 合 为 DNA。 nd ATP | id AMPn, nad GTP DNAGR | 7 GMPn, | 一 DNA 二 (oz 十 ja 十 ma 十 04)PPi | nad TTP d TMPn, 411 所 有 已 知 DNA 聚合 酶 催化 的 基本 反应 是 DNA 模板 指导 的 脱氧 核 苷 三 磷酸 的 缩合 反应 。 合成 是 从 3/-OH 未 端 进行 ， 合成 中 的 链 是 从 5"~3/ 方 向 延伸 ， 每 摊 入 一 个 脱氧 核 昔 酸 释放 一 个 焦 磷酸 分 子 。 这 个 合成 反应 的 机 制 涉及 脱氧 核糖 多 核 苷 酸 链 生长 未 端 上 的 3'-OH 对 焦 磷酸 活化 的 5- 脱 氧 核糖 核 背 酸 进行 亲 核 攻击 。 见 图 11-2。 每 释放 一 个 无 机 焦 磷 酸 ， 链 便 加 长 了 一 个 单位 。 4 ae Kop | O ~~ a. 1 oO CO- 11-2 DNA 聚合 酶 的 作用 机 制 EAR RAN DNA 聚合 酶 都 是 按 5/ 至 3/ 的 方向 合成 DNA 的 ， 所 以 只 能 复制 双 链 中 的 一 条 ， 另 一 条 3! 至 世 方 向 的 链 不 能 以 同样 的 方式 进行 复制 。 而 认为 它 的 合成 是 不 连续 性 的 ， 仍 按 忆 至 3’ 的 方向 合成 一 个 一 个 DNA 短片 ， 经 研究 测定 其 长 度 为 10s PAF Ribs, 然后 再 通过 DNA 连接 酶 将 DNA 片段 连接 起 来 ， 形 成 一 条 连续 的 多 核 苷 酸 链 ， 尽管 该 链 沿 3 至 8 方向 延长 ， 但 实际 上 合成 仍 按 5 至 3/ 方 向 进行 。 因 之 ，DNA 双 链 中 的 两 条 链 都 是 按 同一 方向 (5 一 3 人 ) 合 成 的 。 见 图 11-3。 (=) DNA 聚合 酶 DNA 聚合 酶 基本 上 有 两 类 : 一 类 是 以 DNA 为 模板 的 DNA 聚合 酶 ， 在 所 有 正常 细胞 中 都 有 。 一 类 是 以 RNA 为 模板 的 DNA 聚合 酶 ， 存在 于 某 些 癌 肿 RNA 病毒 以 及 一 些 正常 细胞 和 胚胎 之 4 4 ; , a mo el ae 412 _. > ie é -图 11-3 大 肠 杆 菌 DNA 聚合 酶 的 作用 机 制 示意 图 合成 是 按 箭头 方向 进行 的 ， 起 始 DNA 的 A 链 作为 模板 ss oe 图 11-4 76 DNA 复制 点 形成 短 链 。 中， 一般 称 为 反 转录 酶 。 二 “根据 目前 的 资料 ， 大 肠 杆 菌 的 以 DNA 为 指导 的 DNA 聚合 «ASAP, HVE PAA DNA 聚合 酶 。 今 以 大 肠 杆 菌 的 三 种 聚合 酶 介绍 如 下 : os 1, DNA Rig I (Pol I) i be ri. t “ at aS eh. , r aod >, ; 7 大 和 } ~~. ‘ * * « ws a ~~ © . Be Beco re CE A rt a ie oa St dl yr at as a + pe 2 ey, 0) « * ws 1 ve re ~~! a 时 oe RE oe ak Se Coe A, OME ei Puen, oe coe 本 >> “a a Petts te Cite” ee Coes Pes a oe a ? a a hi 4 ; aa Est 4 oe Matit Pets “ee ee Rh Se et DNA 聚合 酶 工 在 每 个 大 肠 杆菌 细胞 内 约 有 400 FOF, 是 分 子 量 为 109000 的 单一 多 肽 链 ， SHAPES. 进行 豪 合 反 应 时 ， 必 须 有 Mg 或 Mn**, 这 个 酶 除了 有 DNA 合成 酶 的 话 性 以 外 ， 还 能 催化 单 股 核酸 3’ 5’ 方向 外 切 降解 和 双 链 DNA 的 5/ 未 端 按 5/>3/ 方 向 外 切 降解 。DNA 聚合 酶 工 的 3 全 5 外 YOR 活力 是 DNA 聚合 酶 功能 的 一 个 必要 部 分 。 它 的 作用 是 识别 并 切 BR 3“ 末 端的 错 配 ( 非 配对 ) 碱 基 ， 起 校正 功能 ， 以 保证 DNA 复制 的 真实 性 。 DNA 聚合 酶 工 的 5 一 3 外 切 核酸 酶 活性 负责 去 除 引 物 RNA。 并 能 切除 碱 基 配 对 错误 的 部 分 或 由 于 紫外 线 照射 而 形 成 的 胸腺 喀 啶 二 聚 体 。 2. DNA RBI (Poll ) eT KT A le 约 有 40 个 分 子 聚 合 酶 下 ， 分 子 量 为 120000 的 单一 多 肽 链 ， 进 行 聚合 反应 时 ， 必 须 有 Mgt+、NH4+ 及 DNA 模板 。 它 除了 具有 DNA 聚合 酶 活性 以 外 ， 还 伴 有 核酸 酶 活性 ， 能 沿 3 一 5/ 方 向 降解 单 股 DNA 链 。 后 来 又 发 现 完全 丧失 DNA 聚合 酶 开 活 性 的 大 肠 杆菌 突变 株 PolB， 这 种 突变 株 仍 能 正常 生长 ， 所 以 DNA 聚合 酶 下 仍 不 是 真 正 的 DNA 复 制 酶 。 最 近 有 人 提出 ， DNA RAMI A DNA 修复 有 关 。 3. DNA XA Be I (Poll ) 现在 认为 ，DNA RANI DNA 复制 必须 的 主要 复制 酶 。 每 个 大 肠 杆菌 细胞 具有 10 个 分 子 DNA WANT, Ne ZY FT 由 两 条 多 肽 链 组 成 ,一 条 多 肽 链 分 子 量 为 140000, 另 一 条 为 40000。 除了 具有 DNA 聚合 酶 活性 之 外 ， 它 还 具有 3 全 5/ 的 外 切 核酸 栈 活性 。 上 面 已 谈 到 ，DNA 聚合 酶 I ，I， 亚都 是 多 功能 酶 ， 它们 可 以 催化 DNA 的 聚合 反应 ， 又 具有 3’ > 5! ae 5’ +3! 的 外 切 核酸 酶 活性 。 它们 在 DNA 复制 中 的 作用 也 还 没有 完全 天 清楚 。 也 有 可 能 还 存在 有 其 他 的 DNA BEA 414 人 eet ae A et re ny ane ean 1 a ee: - oF ws 5 二 a 4 tr sy , 今 将 大 肠 杆 菌 三 种 DNA 聚合 酶 的 性 能 列 于 表 11-1, -Et 大 肠 杆 菌 三 种 DNA 多 聚 酶 的 性 能 es 种 类 ”| DNA 多 聚 | DNA 多 聚 | DNA 2K a ge HI 酶 工 ris xh 5’—>3 REE + + + -| 5’—>3% RRSP DB 十 - Sy 能 | 375” 核酸 外 切 本 + + + gg | 为 高 浓 庆 盐 所 抑制 > pas cre | 与 三 磷酸 前 体 结 合 能 力 低 低 高 被 SEL 阻碍 剂 所 抑制 和 4 oe 单 链 单 链 双 链 140,000 F 分 子 量 109,000 120,000 40,000 ~ Sale | 180,000 « BRU Ra / a (FF 37°C) | ~1,000 ~50 | ~15,000 4, DNA 连接 酶 上 面谈 到 ， DNA JERE BP HE 将 DNA 短片 连接 起 来 的 酶 ， 即 它 能 把 DNA 双 链 结构 中 的 一 条 单 链 上 的 缺口 连接 起 来 ， 从 而 完成 DNA 复制 。 同时 它 在 DNA 的 修复 或 重组 中 亦 是 不 可 缺少 的 。 DNA 连接 酶 是 双 链 中 一 条 链 上 的 切断 点 (缺口 ) 中 的 5/- 磷 酸 基 (5“-P 端 ) 和 它 相 邻 的 3’-OH 基 端 以 磷酸 二 酯 键 相 结合 的 酶 。 DNA 连接 酶 有 两 种 ， 一 种 要 求 ATP(T4 噬菌体 感染 的 大 肠 杆 菌 连接 酶 ) (EMAL; 另 一 种 要 求 NAD (大 肠 杆 菌 连 接 酶 ) 作 畏 助 因 子 。 两 者 都 还 需要 Mg++ 等 二 价 阳 离子 。 ‘ fhe DNA 连接 酶 的 突变 株 ， 大 量 积累 DNA 片断 即 把 片段 连接 成 高 分 子 的 DNA 的 能 力 严重 形 失 。 可 见 ， DNA 的 复制 必须 AR DNA 连接 酶 。 (四 ) 以 RNA 为 模板 的 酶 促 合 成 ( 反 向 转录 ) 415 Ce 在 某 些 致癌 RNA Fate ROL PA, FEB RNA 为 模板 ， 即 按照 RNA 分 子 中 核 苷 酸 顺 序 来 合成 DNA, 被 称 为 反 向 转录 酶 (依赖 于 RNA fy DNA 聚合 酶 )。 在 RNA FS PAR DNA fit 程 可 分 为 两 步 ， 首先 在 反 向 转录 酶 的 作用 下 ， 在 了 NA 链 上 合成 出 一 条 互补 的 DNA RE, 形成 RNA-DNA RAK, WERE 体 在 另 一 酶 (DNA RARE) 作用 下 形成 双 链 的 DNA 并 释放 出 RNA 链 。 后 来 在 正常 细胞 ,特别 是 胚胎 细胞 中 也 找到 这 种 反 商 转录 酶 ， 这 些 实验 表明 ， 不 能 把 “中 心 法 则 ?绝对 化 ， 所 谓 “ 中 心 法 则 中 只 为 遗传 信息 的 传递 方向 是 由 eh DNA #63] RNA, 然后 再 由 y ae RNA 翻译 成 蛋 白质 ， 是 一 种 pe NS 单 向 进行 的 过 程 。 DNA 作为 ey \ 遗传 信息 的 贮藏 者 ， 只 能 在 细 人 所 胞 繁殖 时 通过 自我 复制 维持 其 As raga EAR ERNE, LEM LL 明 在 某 些 情况 下 RNA 也 可 以 图 11-5 ”分子 遗传 学 中心 法 则 ”- 是 遗传 信息 的 基本 携带 者 ， 并 7 且 可 以 指导 DNA 的 合成 。 现 “ 将 分 子 遗 传 学 中 心 法 则 见 图 11-5。 图 中 实 线 箭 头 表 示 遗 传 信息 的 一 般 流 向 ， 虚 线 箭 头 表示 特殊 流向 ， 其 中 RNA 的 复制 和 由 RNA 转录 成 为 DNA BARB, 由 DNA 直接 流向 蛋白 质 亦 于 一 九 六 五 年 用 大 肠 杆菌 做 实验 而 得 到 证 实 认 为 是 可 能 的 。 由 此 可 以 看 出 核酸 与 蛋白 质 生 物 合成 的 关系 ， DNA 是 遗传 信息 的 贮藏 者 ， 由 DNA 转录 出 来 的 RNA 分 子 就 作 TE Ts eae 7 te Fe EL PARA RHE A . 蛋白 质 分 子 。 416 Ces en Star @ Tien aM eae | ae ” ¢ . os. ae west Prat os 4 yy “ov Seca gna! ne gs ac a eas a SC IO acs? enki a Ts ai aC 工 Arey we EX TY Rt, Ip a cmv i) Age ker, Pe a A hy ar ben a ; ’ ae - : 5 ' * . Sa a Pig "WS . < «Aye ete =, RNA 的 生物 合成 : a (1) 以 DNA 为 模板 合成 RNA( 包 括 TRNA, mRNA, tRNA) ， 生物 机 体 的 遗传 信息 贮存 在 DNA 分 子 中 ， 通 过 RNA 而 决定 蛋 。 自 质 的 合成 ， 从 而 控制 着 细胞 的 新 陈 代谢 活动 ， 无 论 是 DNA 的 。 复制 或 是 RNA 的 转录 ， 遗传 ”信息 传递 的 基本 规律 都 是 通过 。 碱 基 配 对 形成 互补 的 多 肽 核 背 «BREE. i ee ILA SS Bh A a OB, HE Pah Ae ey: «BBS fk | DNA fy RNA a ， 。 合 酶 。 该 酶 以 四 种 核 背 三 磷酸 。 作为 底 物 ， 并 需要 二 价 阳 离子 Mgtt 或 -Mn 7636 4 DNAB# RNA 骨 架 (DNA ANF PHT AR, Ris DNA 和 RNA 之 间 的 下 互补 配对 由 碱 基 提 供 必 须 的 信息 、 <: AMP -n, mz GTP DNA GMP n, ng UTP aries UMP nz + (my tnetngtng) PPI we —m, CTP “| CMP n, RNA 聚合 酶 又 称 转 录 酶 , 因为 它 转录 了 DNA 链 上 的 部 分 信 BARNA, DB RNA 的 碱 基 序列 和 DNA 链 上 部 分 碱 基 序 列 互 补 。 在 体外 RNA 聚合 酶 能 将 DNA 两 条 链 同 时 转录 。 但 体内 的 两 条 链 仅 有 一 条 可 进行 转录 ， 另 一 条 链 仅 能 复制 ,无 转录 功能 ,其 作 AAMAS, : “转录 时 ，DNA 局 部 解 开 双 链 ， 随 着 RNA 聚合 酶 的 移动 ,在 酶 前 的 DNA 链 渐渐 解 开 ， 其 中 一 条 链 作为 模板 以 形成 RNA 分 417 F, B-RABE ABA BENS TEA ANTS, A RE TR Baie, i ARR REA) DNA-DNA 的 双 螺 旋 比 DNA-RNA 杂 合 体 在 能 量 上 稳定 得 多 ， 因 而 在 RNA 聚合 酶 离开 合成 区 域 后 , RNA 链 很 快 被 原来 的 DNA FETA i ac Bl AFF DNA SE, PPP RNA RNARA BE 图 11-7 RNA 1E DNA 分 子 上 转录 的 过 程 RNA 聚合 酶 以 DNA 为 模板 ， 催 化 合成 RNA 的 过 程 分 四 步 进行 ; D MS DNA 链 的 特定 部 位 结合 。 @ 启动 : 由 RNA 聚合 酶 分 子 中 的 一 个 组 分 称 5 FAH BUR DNA 上 启动 信号 ，( 即 能 够 开始 合成 的 起 始点 )， 使 这 部 位 的 双 链 DNA 部 分 折 开 ， 并 使 核 苷 三 磷酸 结合 上 去 ， 生成 一 个 酶 -DNA- 核 苷 三 磷酸 的 络 合 物 ,形成 RNA 链 中 的 第 一 个 核 车 酸 链 。 Aba, 因子 脱离 出 来 。 然后 第 二 个 核 苷 三 磷酸 再 结合 上 去 形 成 磷酸 二 酯 键 并 游离 出 焦 磷酸 。 已 经 证 实 第 一 个 结合 上 去 的 是 ATP 或 GTP， 而 在 模板 DNA 链 中 的 起 始 点 则 为 喀 啶 核 苷 酸 残 基 。 @ 链 的 延长 ， 以 核 苷 三 磷酸 为 底 物 ， 使 与 模板 DNA BF 酸 序列 相对 的 磷酸 - 核 背 顺序 继续 结合 在 游离 的 3-O 了 上 使 RNA 延长 ， 并 释 出 焦 磷 酸 。 故 RNA 的 聚合 是 从 5 ~3“ 方 回 进行 的 。 只 有 5/ 末 端的 核 苷 三 磷酸 不 释 出 焦 磷 酸 而 保持 三 个 磷酸 。 418 Ae bbe B: 代 表 碱 基 = =—- Pu: RAM ® 链 的 完成 ，RNA 的 合成 到 达 中 止 信号 即行 停止 ， 与 启动 “信和 号 二 样 ， 都 是 特殊 的 核 童 酸 顺序 。 终 止 时 需要 有 一 个 特殊 蛋白 质 称 。 因子 ， 它 是 由 四 个 分 子 量 为 50000 的 亚 基 组 成 的 中 性 蛋白 质 。p 因子 帮助 酶 识别 DNA 链 上 的 终止 信号 ， 终 止 RNA 链 的 延 长 ， 并 使 RNA 从 模板 上 脱落 下 来 。 图 11-7 是 RNA 在 DNA 模 板 上 合成 机 制 。DNA 的 复制 与 按 DNA 模板 转录 RNA 时 ， 两 者 于 分 相似 ， 但 有 几 点 不 同 ，Q@ .在 正常 复制 中 DNA 链 解 开 , 二 链 分 别 作为 新 互补 链 合成 的 模板 ， 而 转录 则 是 不 对 称 的 ， 只 有 一 条 链 作为 模板 。@) 复制 时 二 条 链 保持 分 开 ，DNA-DNA 子 螺旋 稳 定 ; 而 转录 时 形成 的 DNA-RNA 杂种 双 链 不 稳定 ，RNA 链 很 快 ”与 IDNA 链 分 开 移 走 。@@ DNA 复制 时 ， 子 代 DNA 分子 大 小 与 亲 代 相同 ， 而 转录 时 ,在 一 个 DNA 分 子 上 可 以 合成 许多 个 RNA 分 子 ， 它 们 都 比 通常 的 DNA 模板 小 得 多 。 (2) 以 RNA 为 模板 的 生物 合成 -RNA 的 .自我 复 制 ( 体 外 实 验 ) RE RNA 复制 的 研究 是 以 感染 各 种 RNA 噬菌体 (例如 噬 菌 体 Q8) 的 大 肠 杆菌 为 材料 进行 的 ， 从 这 种 细胞 中 可 分 离 到 一 种 酶 称 复制 梅 ， 即 依存 于 RNA 的 RNA 多 聚 酶 。 能 合成 与 模板 RNA 相同 的 RNA。 合 成 时 , 除 四 种 核 苷 三 磷酸 外 ,还 必须 Mg 。 酶 的 模板 特 录 性 很 高 ， 例如 Qp 噬菌体 的 复制 酶 只 能 以 Qp Mak Ba 体 RNA 为 模板 。 合成 的 RNA 在 大 小 与 碱 基 组 成 上 与 模板 完全 一 致 ， 也 可 作为 模板 进行 Q8 RNA 的 再 合成 ， 因 此 Q8 RNA 可 自我 复制 。 同样 地 对 大 肠 杆菌 具有 和 模板 RNA 相同 的 侵 染 力 。 419 i >i ‘el a, al » ve I 7 ~ DNA 的 密码 链 i. ° OOO, we i a hemtae fs : 和 CKO — ae OH 3/ Organi OHOH gad “n® 邹 TAO : a © 过 age . 图 11-8 RNA ZE DNA BREA RADA * ”表示 转录 的 起 始点 ”虚线 表示 碱 水 解 位 置 4 现在 一 般 认 为 ， 病毒 RNA 在 体内 的 复制 过 程 可 以 分 为 两 个 阶段 ，@O 侵入 的 病毒 RNA 链 具 有 信使 RNA 的 功能 ， 可 与 寄主 细胞 的 核 蛋白 体 相 结合 ， 共 同 控制 各 种 重要 的 酶 类 和 病毒 外 壳 蛋 白质 的 合成 。@) 然后 在 复制 酶 的 作用 下 合成 病毒 RNA。 4 很 多 证 据说 明 QB 复制 过 程 要 先 以 Q8 RNA 为 正 链 作 模板 ， 然后 形成 互补 的 Q8 RNA 正 链 ， 再 以 负 链 为 模板 合成 正 链 。 但 负 链 的 合成 必须 有 寄主 菌 的 蛋白 质 性 因子 。 420 RNA 的 合成 亦 按 5/->~3/ 方 向 进行 。 (3) 以 5“- 核 些 二 磷酸 为 前 体 ， 经 多 核 背 酸 克 酸 化 酶 合成 高 。 分子量 的 核糖 多 核 背 酸 ， 同 时 放出 正 雄 酸 ， 反 应 是 可 逆 的 ， 需 要 Mgt, 24 60-~80.96 的 核 背 二 磷酸 已 消失 时 这 反应 便 达到 平衡 。 284 ADP AMP n, n, CDP SRAMRMILM | CMP n, n, GDP ~ Mgt | GMP ng n, UDP UMP n, + (my +netngtn,)Pi — ESR ABLE, Amin A BS BEF Bs AT BEI, Sots Ve AE eS IE RATE. GX APNE TE AN 分 布 很 广 ， 在 植物 组 织 中 也 曾 被 发 现 , 而 在 动物 体内 则 很 少 发 现 ， ”可 能 不 是 RNA 合成 的 主要 方式 。 通常 生物 体内 的 RNA 都 是 在 DNA 控制 下 合成 的 ， 由 DNA 到 RNA 到 和 蛋白质 的 过 程 就 是 生物 体 由 遗传 特征 到 生命 活动 的 表 现 过 程 。 在 细胞 生命 活动 不 同时 期 ， DNA 链 在 不 同 区 域 进行 转 录 ， 合 成 各 种 RNA, 从 而 控制 着 细胞 机 能 的 改变 和 分 化 。 因 此 关 于 遗传 信息 的 转录 及 其 调节 机 制 ， 已 成 为 生物 学 中 最 受 重视 的 课 题 之 一 ， 它 的 解决 无 疑 具有 重大 理论 意义 和 实践 意义 。 aT PRASARHEWOR 核酸 的 生物 学 功能 是 多 方面 的 ， 核 酸 在 遗传 性 状 的 传递 ， 突 变 的 产生 ， 肿 瘤 的 发 生 等 方面 都 起 着 重要 作用 ， 而 这 些 作用 都 与 蛋白 质 的 合成 有 关 。 和 有 蛋白质 的 生物 合成 是 生命 活动 的 基本 过 程 ， 因此 研究 核酸 与 蛋白 质 生物 合成 的 关系 对 认识 和 控制 生命 活动 具 有 意义 。 核酸 的 生物 学 功能 是 通过 控制 蛋白 质 ( 酶 ) 的 合成 而 表达 的 ，. 也 就 是 说 ， 核 酸 分 子 中 的 遗传 信息 〈 即 核 苷 酸 碱 基 的 顺序 ) 通过 421 某 种 传递 过 程 以 决定 蛋白 质 分 子 结构 ， 而 一 定 结构 的 蛋白 质 就 表 现 出 一 定 的 功能 。 例如 镰刀 型 贫血 病 患者 的 血红 蛋白 (Hpb-S) 与 正常 血红 蛋白 在 生理 功能 和 物化 性 质 上 都 不 同 ， Hb-S 性 质 的 改 变 是 由 于 血红 蛋白 分 子 中 仅 一 个 氨基 酸 被 另 一 氛 基 酸 取代 (有 - 链 N- 端 第 六 个 氨基 酸 一 一 谷 被 顷 取代 ) 引起 的 ， 镰 刀 型 贫血 病 是 一 种 遗传 病 ， 归 根 到 底 是 由 于 核酸 中 的 遗传 信息 发 生 了 改变 ， 即 遗 传 信息 的 变异 导致 血红 蛋白 分 子 结构 的 改变 ， 这 个 例子 说 明了 核 酸 分 子 的 结构 BRIE) 和 蛋白 质 分 子 结构 “氨基酸 排 列 顺序 ) 之 间 有 着 直接 的 关系 。 这 就 是 说 ，. 作 为 遗传 信息 载体 的 ” 核酸 和 以 生理 功能 表现 这 些 信 息 的 蛋白 质 分 子 结构 之 间 有 着 直接 的 相互 关系 。 这 节 将 要 详 述 核酸 与 蛋白 质 生 物 合成 的 关系 。 一 、 遗 传 信 息 及 其 传递 我 们 知道 ， 亲 子 之 间 所 传 递 的 不 是 现成 性 状 而 是 遗传 信息 。 从 分 子 水 平 看 ， 生 物 体 的 遗传 信息 主要 是 以 密码 的 形式 编码 在 DNA 分 子 上 ,表现 为 特定 的 核 背 酸 排列 顺序 。 DNA 通过 复制 可 以 将 遗传 信息 传递 给 子 代 DNA 分 子 , DNA 分 子 又 可 以 通过 转录 作用 将 遗传 信息 传递 给 信使 RNA(mRNA)，mRNA 进 而 控制 专 一 蛋白 质 的 合成 ， 使 遗传 信息 在 蛋白 质 肤 链 的 氨基 酸 排列 顺序 上 得 到 体现 ， 这 可 叫 作 遗 传 密码 的 翻译 。 DNA 首先 决定 着 特殊 的 mRNA 的 合成 ， mRNA 作为 DNA 和 和 蛋白质 之 间 的 信使 而 参与 蛋白 质 的 合成 过 程 ， 这 就 是 遗传 信息 “ 的 传递 ， 简 单 表示 如 下 ， OA RNA ww 白质 上 节 已 阐述 了 mRNA 在 DNA 分 子 上 的 合成 过 程 ，mRNA 是 DNA 链 上 某 一 段 的 副本 ， 它 的 核 音 酸 排 列 就 是 DNA 的 Bea 酸 排列 次 序 的 翻版 ， 不 过 它 是 核 背 酸 单 链 。 所 以 在 分 子 遗 传 学 中 ， 以 DNA 一 条 链 为 模板 ， 通 过 RNA 多 训 酶 的 催化 ， 由 三 磷 422 。。 ORMERMA RRNA 的 过 程 称 转录 。 CRRA, 按 so mRNA 所 携带 的 DNA 遗传 信息 ， 转 移 RNA 把 氨基 酸 逐 个 联 成 。 肤 链 的 过 程 谓 之 翻译 ， 下 面 是 遗传 信息 传递 的 示意 图 ， 实 际 上 就 是 蛋白 质 生物 合成 的 简单 概括 DNA,, TTC TTT CAA CTATAA CGC ATATCA AAA CAG GGG 5° ATP 转录 CTP GTP UTP RNA RAB mRNA 57 |AAG AAA GUU GAU AUU UUCGCG UAU AGU UUUGUC CCC}, 核 蛋 白 体 ATP GTP 氨基 酸 tRNA 赖 丈 & 谷 RRA AR 丝 8H Ow 及 ss Bi A RE A SE 二 、 信 使 RNA 与 遗传 密码 尽管 DNA 蕴藏 着 生物 全 部 遗传 信息 ， 但 其 自身 并 不 直接 合 成 蛋白 质 ， 而 通过 转录 将 信息 传递 给 mRNA， 再 由 mRNA 将 信 息 通 过 翻译 体现 于 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 上 ， 即 核酸 分 子 中 的 核 背 ” 酸 序列 以 密码 方式 控制 着 蛋白 质 分 子 中 氨基 酸 排 列 顺 序 ， 故 mRNA 称 为 合成 蛋白 质 的 模板 。 mRNA 是 由 四 HR HR 组 成 的 ， 而 蛋白 质 是 由 20 种 氨基 酸 组 成 的 ，20 种 氨基 酸 在 肽 链 上 的 ， 排列 顺序 如 何 由 四 种 核 背 酸 构成 的 mRNA 决定 的 呢 ? 这 就 是 遗 传 密码 所 要 解决 的 问题 。 通 过 许多 实验 研究 ， 确 切 证 明 ， 遗 传 密 码 是 按照 了 NA 分 子 中 三 个 核 背 酸 〈( 亦 即 三 个 碱 基 ) 组 成 来 编码 “的 ， 三 个 核 苷 酸 代表 一 种 氨基 酸 ， 三 个 核 苷 酸 结构 的 密码 单位 叫 密码 子 ， 或 叫 密 码 三 联 体 。 这 样 四 种 核 背 酸 可 以 代表 64(43 一 64) 种 氨基 酸 ， 足以 满足 天 然 的 20 种 氨基 酸 之 需 了 ， 现 已 查 明了 所 有 氨基 酸 密码 。 -密码 子 是 具有 普遍 性 的 ， 不 受 生 物 物 种 的 限制 。 由 表 11-2 可 以 看 出 ， 有 不 少 握 基 酸 具有 一 种 以 上 的 三 联 体 、 密码 ， 这 叫 密 码 的 简 代 性 ， 简 儒 性 往往 是 按照 同一 种 氨基 酸 的 密 码 三 联 体 共 用 一 个 二 联 体 的 规则 出 现 的。 例如 丝氨酸 的 密码 三 联 体 前 二 个 核 苷 酸 都 是 UG， 脐 氛 酸 为 GQG， 丙 氨 酸 为 GG 等 ， 简 伯 — 密码 三 联 体 中 的 一 个 碱 基 经 置换 后 ， 有 时 就 变 为 同一 种 氨基 酸 的 另 一 个 三 联 体 。 表 11-2 氨基 酸 的 三 联 体 密码 C UAU | 4h fs UGU UCU 栈 UAC \(Cys) L\UGC U = (Tyr) 二 ss “g UAA | 无 意义 UGA] 终止 te f4(Try)UGG see 组 CAU CGU C (His) LCAC | fF } CGC Paci GUA Poi GCA RIK J CAA (Arg) CGA (Gin) LCAG ‘ CGG {auc aon Kk f AAU 丝 二 A Lm ape (Asn) LAAC |(Ser) 1 AGC A (tbr) aes Pah ern 精 AGA Met Fat” AUG AGG |(Lys) LAAG LAGG tt, oe oa GCU (on Wee: G |(Val) { GUC | W GCC (Ap) GAC | # J GGG : GUA |(Ala) ) GCA | @ JSGAA (Gly) GGA G *GUG GCG |(Glu) { GAG 注 ， 十 肽 链 余 止 密码 子 “_* 肽 链 起 始 密码 子 人 率 而 稳定 物种 的 一 种 方式 ， 密 码 的 简 伐 必 然 涉及 到 同一 种 氨基酸 存在 几 种 不 同 的 tRNA, mRNA 上 还 有 控制 蛋白 质 合成 的 起 始 与 终止 的 信息 。 为 了 正确 的 转译 mRNA 上 的 遗传 信息 ，mRNA 的 特定 位 置 土 的 起 始 密码 为 AUG 及 GUG 两 个 三 联 体 密码 ， mRNA 分 子 上 控制 蛋白 质 合成 终止 的 三 联 体 密码 UAG, UAA, UGA 三 种 不 和 任何 一 种 氛 424 @Pod}|Qbod |] apaa he} Qa AG : J 和 SERRA, HOSTER LAO RE, BOER EAI, BREA WERT, dn ERITH mRNA 上 有 这 种 三 联 体 密码 时 ， 合 成 即 告终 止 。 通 党 是 有 一 个 以 上 的 终止 密码 串联 在 一 起 ， 以 提高 终止 效率 。 三 、 与 蛋白 质 生 物 合 成 有 关 的 RNA ( 近年 来 研究 表明 ， 在 蛋白 质 生 物 合成 中 ， 起 着 重要 作 用 的 RNA 有 ， 核糖 核 蛋 白 体 RNA 或 称 核 糖 体 RNA (Ribosomal RNA 简写 为 rRNA); 转移 RNA(Transfer RNA 简写 为 tRNA) 和 信使 及 NA(Messenger RNA 简写 为 mRNA)。 (一 ) 转移 RNA(tRNA) 这 类 tRNA 存在 于 细胞 浆 中 ， 占 细胞 内 RNA 总 量 的 15% 左右 ， 是 细胞 组 成 中 的 稳定 成 分 ， 它 能 溶 于 1.0 M 食 盐 溶液 ， 故 有 时 又 叫做 可 溶性 RNA, 用 sSRNA 表 示 。tRNA KAH 70~80 核 苷 酸 组 成 的 低 分 子 量 RNA， 分 子 量 为 25000 人 30000。 目前 已 经 分 离 的 多 种 专 一 性 的 tRNA， 其 一 级 结构 比较 清 楚 ， 各 种 tRNA， 不 论 其 来 源 及 对 氨基 酸 的 专 一 性 如 何 ， 一 级 结 构 上 有 许多 类 似 之 处 ， 它们 接受 氨基 酸 的 一 端 3- 末 端 具 有 共同 ”的 核 苷 酸 顺 序 ……GP Cp Ap, B—im A 5’- Kin, A Se BR $5 )2, tRNA WHR pG------Cp Cp Ap 通过 自身 过 拆 , 碱 基 之 间 按 A-U, G-G 互 补 的 原则 配对 ， 生 成 氢 键 ， 形 成 所 谓 三 叶 草 形 。 在 tRNA 上 有 三 个 核 背 酸 组 成 反 密码 子 ， 由 它 识 别 mRNA 上 的 密码 ， 几 个 已 知 结构 的 tRNA RBS TA: AA RMIRNA- IGG, 丝氨酸 tRNA-IGA, RAR tRNA-GWA， 纺 氨 酸 tRNA- TAG, AAAMtRNA-GAA, jXFFPtRNA 可 以 将 氨基酸 运 到 mRNA 相应 的 位 置 ， 保 证 肽 链 上 和 氨基酸 的 正确 排列 次 序 。tRNA 对 它 所 转移 的 氨基 酸 具 特异 性 ， 对 每 一 种 氨基 酸 来 说 就 有 一 种 以 EFA ELAS tRNA, Ma AAR tRNA 三 叶 草 形 结构 见 图 9。 一 PEER tRNA 的 三 级 结构 提出 了 许多 模型 ， 根 据 Rich 于 425 ~~ FPO ay . © O@%ea e 图 11-9 酵母 两 氨 酸 CRNA 反 密 码 子 识别 在 mRNA py 互补 配对 的 三 个 碱 基 密 码 子 CO 一 稀有 答 基 “ 工 一 核糖 胸 苷 。 yY 一 假 尿 喀 啶 核 苷 “GIMe 一 甲 基 岛 F I-Wlt CMe,——F Sf UH,=aA St IHC— Hy Ca va 一 九 七 三 年 初 的 报道 认为 tRNA 分 子 由 两 根 双 螺旋 互 为 直角 形 成 工 字 型 ， 工 分子 的 一 端 为 C-G-A 及 反 密码 子 突 环 ， 在 另 一 端 DHU 及 TwGG 突 环 则 在 工 型 的 角落 。 见 图 11-10。 tRNA 的 主 要 作用 是 携带 着 由 氨基 酰 tRNA 合 成 酯 转交 的 氨基 酸 (所 以 是 酶 而 不 是 tRNA 认识 氨基 酸 ) 到 核糖 核 蛋 自体 办 426 3’0H BSE OR a 11-10 TRINA 立体 构 型 旺 合 I 形 认 mRNA 上 的 密码 子 ， 每 个 误 NA 根据 自己 的 反 密码 子 三 联 体 找到 mRNA 相应 的 密码 三 联 体 ， 使 氛 基 酸 位 于 肽 链 中 某 一 正确 位 置 上 ， 并 在 酶 的 催化 下 形成 肽 链 。 (二 ) rRNA 及 核糖 核 蛋白 体 rRNA 也 是 DNA 的 部 分 转录 品 ， 在 核 仁 里 合成 后 ， 进入 细 ” 胞 质 与 蛋白 质 结合 成 核糖 核 蛋 白 体 ( 核 糖 体 )， 成 为 氨基 酸 合成 的 场所 。 核 蛋白 体 由 rRNA 及 蛋白 质 组 成 ， 比例 大 约 为 60:40。 IRNA 占 细胞 中 RNA 总 量 的 80~90%。 已 发 现 有 三 种 rRNA， 它们 的 沉降 系数 约 为 5S，16~19S 及 23~29S。rRNA 的 作 用 还 不 十分 清楚 ， 估 计 它 们 主要 是 保持 核糖 核 蛋 白 体 具有 一 个 特 殊 的 三 度 空间 ， 使 mRNA 和 tRNA 得 以 结合 在 适宜 的 位 置 上 ， 当 核 糖 核 蛋白 体 GB mRNA 移动 时 ， 根 据 mRNA 上 的 三 联 体 ， 密码 选择 相应 的 甩 基 BERNA, 并 借助 于 核糖 核 蛋白 体 上 专门 的 酶 一 个 一 个 地 连接 成 捧 。rRNA 还 可 能 具有 识别 mRNA 上 启 427 é f y Set re ee aap bite Wer Faun ge 2, ie tee a rae Fn, eee ee ae I ~/*, 5 Bint a) Mee Ve Kg an 动 和 终止 信号 的 能 力 。 核 辖 核 看 白 体 总 是 由 两 个 不 相等 的 贺 形 亚 单位 组 成 ， gard A 单位 约 为 另 一 个 亚 单位 的 两 倍 大 小 ， 分 子 量 约 为 180 万 和 80 万 。 习惯 上 给 予 核 重 日 体 和 它们 亚 单位 的 名 称 指 的 是 他 们 在 离 尼 力 场 中 的 沉降 率 。 细菌 中 BE 大 的 亚 单位 称 为 50 S 粒 子 ， 较 小 的 称 为 30 S 粒子 ， 而 整个 核 蛋 白 体 称 为 70 S 核 蛋白 体 。 动物 细胞 的 — BEE AE Ae Ae 0S ne (=) mRNA mRNA 占 总 RNA 的 5% 以 下 ， 它 也 是 在 细胞 AA DNA 为 模板 互补 形成 的 。 它 是 原始 信息 的 直接 接受 者 ， 在 蛋白 质 合成 中 mRNA 充 作 模板 ， 把 从 DNA 那里 抄 来 的 信息 经 taNA 的 反 密码 子 辨认 后 翻 成 氨基 酸 的 语言 ， 合 成 蛋白 质 。 遗 传 信息 由 mRNA 传 至 蛋 白 质 叫 作 翻 译 。 按照 Wobbil 假说 ， 密 码 以 习惯 的 方 同 5/>3/ 方 向 来 写 ， 反 密码 以 ee Bs 下 TH ll. mRNA 密码 GUC UUU tRNA 反 密 码 CGI AGI CAI AAG C Tp A TCS 3' 工 -两 3/L-#% 3/L-M L- =. I L-E mRNA 是 RNA 中 代谢 最 活跃 的 一 种 ， “EA RUA ah Be 破坏 掉 ， 更 新 时 间 很 短 。 四 、 和 蛋白 质 的 生物 合成 DNA 的 遗传 信息 ， 首先 由 RNA 聚合 酶 转录 到 mRNA 上 。 然后 ， mRNA 和 核糖 体 结 合并 成 为 合成 蛋白 质 的 直接 模板 ， 同 时 各 种 氨基 酸 和 其 特有 的 tRNA 结合 转移 到 核 精 体 上 ， 在 这 里 形 428 口 口 a, ee ee oe ere ¢ we pa ”成 肽 链 并 释放 出 各 种 RNA, JER, 4 tRNA 具有 特有 的 反 密 码 FF, RRA MRNA 上 的 密码 对 应 连接 ， 则 mRNA 上 的 碱 基 排列 ”就 转 抄 为 氛 基 酸 的 排列 顺序 ， 这 后 一 过 程 就 称 为 翻译 过 程 。 x 很 明显 ， mRNA 的 遗传 信息 展现 为 蛋白 质 的 一 级 结构 ， 要 以 tNA 为 媒介 ， 所 以 碍 NA 是 个 改编 分 子 。 在 整个 翻译 过 程 中 ， 需 要 两 个 酶 ， 一 个 催化 所 基 酸 的 活化 ，' 即 形成 氨基 酰 -tRNA， 称 为 氮 基 酰 -tRNA 合成 酶 ; 另 一 个 催化 肽 链 形成 ， 称 为 氮 基 酰 -tRNA 转 肽 酶 。 (一 ) 氨基 酸 活化 生成 氨基 酰 -tRNA 已 知 在 活 细胞 中 形成 多 肽 要 消耗 能 量 ， 后 来 有 人 证 明细 菌 ， 酵 母 等 细胞 都 有 一 种 能 使 氨基 酸 在 ATP 或 其 他 供 能 系统 存在 下 ” 洗 化 的 酶 ， 称 氨基 酰 -tRNA 合成 酶 ， 催 化 的 反应 分 两 步 ; H / , (1) aat+ATP+E (AMP~O—G—G—NH,)E+ PPi | | | O58 | (2) tRNA 末端 A 3’-OH 处 与 活化 了 的 氨基 酸 结 合生 成 带 受 基 酸 的 tRNA， 同时 酶 游离 出 来 。 反 应 如 下 : of 3 OH Dp ° P_ | PF. Low R-CH~C+O-P - EME -E op 3! i Sea (t-RNA) NH, (ASER-tRN A) fete, tRNA 的 重要 功能 还 在 于 它 能 把 对 应 于 mRNA 上 的 三 联 体 密码 的 特定 氟 基 酸 转 移 到 核糖 体 上 。 429 氨基 酰 -tRNA ARMBAAP HIER, RISES RNA 的 选择 表现 高 度 的 专 一 性 ， 这 就 保证 了 转移 过 程 的 正确 性 。 (=) 蛋白 质 合成 过 程 的 起 译 ， 肽 链 的 延伸 和 终止 1. 起 译 mRNA 形成 后 穿 过 细胞 核 膜 进 入 细胞 质 中 ， 与 30 S. 亚 单位 的 核糖 核 蛋 白 体 结合 ， 结合 点 是 mRNA 上 的 AUG 密码 处 ， mRNA 上 的 遗传 信息 5 一 >3/ 端 展现 ,在 这 个 过 程 中 ， 核 糖 核 蛋 白 体 同 时 和 两 分 子 氨基 酰 -tRNA 相 结合 ， 此 时 ，tRNA 中 的 反 密码 部 位 和 mRNA 上 的 二 个 邻接 三 联 体 密 码 处 于 密码 一 一 反 密 码 的 结合 状态 。 这 两 个 tNA-AA HAM Lr, JE mRNA fy 5’ 末端 的 结合 位 称 P “位 ( 肽 基 )， 近 3“ 末 端的 结合 位 称 A” fie Ca, 基 )。 经 对 大 肠 杆 菌 做 实验 知道 ,起 译 与 N- 甲 酰 - 甲 硫 惨 酸 -RNA (fMet-tRNA) 有 关 ，N- 甲 酰 - 甲 硫 氨 酸 的 结构 如 下 ， S$ —GH,—CH,— —COOH Sh N—H eee FA fe ARTE Met-tRNA 合成 酶 作用 下 生成 Met-tRNA， 但 EAM) URNA 中 有 tRNAr 和 tRNAw 两 种 ， 因而 可 形成 两 种 - Met-tRNA， 然 后 甲 酰 化 ， 在 大 肠 杆 菌 中 只 能 形成 了 Met=tRNA， 保护 住 了 氨基 就 使 它 不 能 同 另 一 氨基 酸 的 羧基 起 反应 ， 从 而 不 能 参 入 到 多 肽 链 内 部 而 起 起 动 肽 链 的 作用 。 因 此 fMet-tRNAr 首 先 辨认 出 mRNA 上 的 AUG 密码 (AUG 是 甲 硫 氨 酸 的 密码 )， 并 进 入 核糖 体位 于 “了 P ?位 ， 开 始 肽 链 的 合成 ， 所 以 AUG 又 称 起 始 密 : 码 。 这 时 50 S 亚 单位 附着 到 复合 物 上 并 完成 70 S RTE, RG 开始 肽 链 的 延长 。 至 于 动物 细胞 蛋白质 合 成 的 机 币 则 演 后 于 微生物 。 根据 试验 认为 和 细菌 情况 不 同 ， 合 成 起 始 物 不 是 fMet-tRNAF 而 是 Met- 430 ' eS ee ee ee ee a ei tel A. 4, ee Lee 9 结合 两 个 tRNA 分 子 的 位 点 区 305 亚 基 图 11-11 核糖 核 蛋 白 体 图 解 玫 - 表示 出 信使 RNA 和 两 个 tRNA 分 子 ， 左 边 那个 tRNA 位 i 于 肽 酰 -tRNA 结合 位 点 上 ， 带 有 正在 增长 着 的 多 肽 链 ; 右边 那个 占有 氮 基 酸 -tRNA 结 合 位 点 。 tRNAr。 了 总 之 ， 肽 链 合 成 的 起 始 包 括 三 个 过 程 ，@ 核糖 核 蛋 白 体 的 30S 亚 基 结 合 于 mRNA 的 启动 部 位 ，@ fMet-tRNA 和 30S- mRNA 复合 体 结合 ，@@ 50S 亚 基 和 30S 起 始 复合 体 结 合成 70S 复合 体 。 在 此 过 程 中 需要 GTP 及 启动 因子 等 参加 , 见 图 11-12。 2. ASE Hy FE te 24 f{Met-tRNA 进入 核糖 核 蛋 白 体 结合 于 “P” 位 ， 完 成 70 S 复合 体 后 ,接着 第 二 个 aa~tRNA 结合 于 “A? 位 ,“P2” 位 上 肽 酰 - tRNA( 或 起 谋 fMet-tRNA) 的 活化 酰基 和 和 A 位 上 aa~tRNA 的 氮 基 之 间 在 氨基 酰 -tRNA 转 肽 酶 的 作用 下 形成 肽 键 〈 转 肽 反应 )， “A” 位 上 新 生成 的 多 一 个 氨基 酸 的 肽 酰 -tRNA 向 “P” 位 上 转移 ，、 而 “P” 位 上 脱 酰 化 的 tRNA 游离 下 来 , mRNA 随 之 在 核糖 体 上 移 动 一 个 密码 位 ?让 下 一 个 氨基 酸 的 密码 进入 “A” 位 。 从 aa~ tRNA 连 到 “A” 位 和 移 位 过 程 都 需要 CTP HAE, BI PRAMS A ”到 肽 链 中 去 至 少 要 用 去 两 个 GTP。 J 4351 708 UA 30S — mRNA-—fMet -tRNA 揽 合 体 AUG GCCUCCUAU CUC UUU GCU UCU UAG_, 一 t 二 tRNA mn 肽 酰 - tRNA 位 点 即 P 点 氨基 酰 一 tRNA 位 点 即 A 点 70S (30S +50S)-mRNA-fMet-tRNA 图 11-12 多肽 链 合成 的 起 始 GTP GDP+P, tRNA- 多 肽 十 tRNA,~aa 了 tRNA,~aa-Z IK +tRNA, 4% : 这 一 系列 的 事件 依次 进行 下 去 ， 核糖 核 蛋白 体 不 断 向 者 移 动 ， 这 些 tRNA 把 mRNA 上 的 密码 子 翻译 出 来 ， 在 氨基 酰 - tRNA 转 肽 酶 作用 下 肽 链 不 断 地 从 游离 的 -NH; 端 增长 ， 形成 新 & :; oa, sotaree alll lace tRNA, 终止 全 64 种 三 联 体 密码 中 UAG，UAA，UGA 于 三 种 三 联 体 不 和 任 一 种 氨基 酸 相 对 应 , 称 为 无 意义 密码 子 , 即 终止 密码 子 。 在 接 加 当中 核 辖 核 蛋白 体 沿 着 mRNA 不 断 移动 , 当 mRNA 上 的 UAG，UAA， 或 DGA FE TEA BT 的 “A ”位 置 时 ， 肽 链 合成 即 告 结束 ， 便 从 核糖 核 蛋白 体 上 脱落 下 i ra 本 来 。 432 hee a he a Fl 4 Oe)! em ee wr 02. pre es A Teer Ce. (ag a > IN eye tee he pak aoe Wes gs kane ns Ai Tae it as, “te 4 14 Het noe a eT nea a sr my 区 Pee tied od Gs ef. ; hols : = 4 a ee 7 7 调 Lekhekeuneie, EmennEweR 后 ， 它 自动 。 切 去 甲 硫 气 酸 上 游离 的 甲 酰基 。 有 时 再 在 氛 基 肽 酶 作用 下 从 N- ，。 端 切 去 一 个 至 数 个 氨基 酸 残 基 ， 所 以 蛋白 质 多 肽 链 为 首 的 并 非 一 。“ 定 是 甲 硫 氨 酸 。 关 于 蛋白 质 生物 合成 可 图 示 如 下 ， Nik *CH*COWNH'CH-COmNH yy ; ‘ yj R HCCH;: CH ay ‘A 11-13 蛋白 质 生物 合成 ， 第 一 阶段 RH CO-NH: CH: COm NH Cth NH, 7 Rhea oR! HC CH, ci CH'CHOH'CHs 图 11-14 和 蛋白质 生物 合成 ,第 二 阶段 每 当 一 个 核糖 核 蛋 白 体 沿 着 mRNA 移动 时 ， 使 与 核糖 体 结 AY MRNA 的 开端 处 空 下 来 ， 另 一 个 核糖 体 又 能 连结 于 这 一 端 ， 这 样 同 一 个 mRNA 连结 有 多 个 核糖 体 ， 并 且 同 样 也 开始 翻译 ， 这 样 形成 了 一 个 多 聚 核糖 体 的 结构 。 蛋 白质 合 成 通常 要 有 许多 核 糙 体 参与 ， 虽 然 它们 处 在 过 程 的 不 同 阶段 ， 却 同时 进行 着 翻译 密 和 码 的 工作 ， 这 样 就 大 大 提高 了 蛋白 质 合成 的 效率 ， 其 过 程 犹如 大 生产 的 装配 线 。 433 ICO-NH NEE Sige eee CH i BR’ CH Bel: hanes CH, ‘ci: , * CH: CHOH*CHs CO 图 11-15 蛋白质 生物 合成 : 第 三 阶段 NH CHCO>NH: CHCO~-NH:CH-CO -NH | R RY CH: CH-CHOH:CH; 图 11-17 —P SRA A 434 本 ea Se oe ee eee” ee | oe ae 站 ( a (=) 蛋白 质 的 空间 构 型 的 形成 已 知 蛋白 质 的 生物 活性 很 大 程度 上 与 其 空间 构 型 有 关 ， 上 术 蛋白 质 的 生物 合成 过 程 ， 通 过 模板 控制 解决 了 肽 链 中 氨基 酸 的 排 。 列 顺 序 问 题 ， 也 即 蛋白 质 的 一 级 结构 。 但 是 蛋白 质 的 空间 构 型 如 何 形成 ， 认 为 多 肽 链 在 合成 完毕 后 就 从 核 蛋白 体 上 释放 下 来 ， 并 变 为 折 倒 起 来 的 活性 构 型 。 我 国 一 九 六 五 年 在 世界 上 首次 全 合成 胰岛 素 的 工作 证 明 ， 在 合成 肽 链 后 它 会 自动 折 登 成 有 活性 的 立体 结构 。 这 表示 和 蛋白质 的 空间 结构 主要 决定 于 其 一 级 结构 ， 和 蛋白 质 的 三 级 结构 乃 是 其 肽 链 中 特定 氨基 酸 顺 序 的 最 稳定 的 空间 构 型 。 现在 至 少 已 鉴定 出 七 个 蛋白 质 因子 是 蛋白 质 合 成 机 构 必 不 可 少 的 成 分 。 它 们 可 能 都 是 特异 的 核糖 体 蛋 白质 。 这 些 因子 的 作用 见 表 11-3; 表 11-3 ，” 几 种 蛋白 质 因子 在 翻译 过 程 中 可 能 起 的 作用 _ 1 与 起 始 有 关 的 因子 Fy 帮助 Met-tRNA 结合 到 起 始 复合 物 上 By 帮助 起 始 复合 物 形成 P, 使 303 亚 单位 结合 到 mRNA 上 去 2 与 链 延 长 有 关 的 因子 TR, 使 氨基 酰 -tRNA 附着 到 核糖 体 上 TF, 使 肽 酰 -tRNA 由 A 点 转移 到 了 点 3 与 链 终 止 有 关 的 因子 Ry 识别 终止 密码 子 UDAA 和 TUAG Ry 识别 终止 密码 子 UAA 和 UGA 现 将 核酸 与 蛋白 质 生 物 合成 的 关系 图 示 如 图 11-18。 五 、 蛋 白质 与 基因 一 切 遗 传 性 状 和 生命 活动 都 是 通过 蛋白 质 的 复杂 代谢 而 实现 的 ， 因 此 基因 对 遗传 性 状 和 生命 活动 的 控制 ， 就 是 通过 对 有 蛋白质 435 | 7» AMP+2Pi 22+ATP 办 一 全 核糖 体 IE BELRNA tRNA 一 NS- 3 J ad 蛋 翻译 起 始 / 。 核糖 体 和 正在 S 员 生长 着 的 肽 链 图 11-18 和 蛋白质 生物 合成 示意 图 的 质 和 量 的 控制 ， 从 而 改变 代谢 来 达到 的 。 对 遗传 的 物质 基础 前 面 已 经 叙述 了 ， 那 么 基因 本 身 又 是 什么 呢 ? 是 怎样 控制 蛋白 质 的 合成 呢 ? - (一 ) 基因 基因 是 遗传 的 功能 单位 。 一 个 基因 就 是 核酸 ( 绝 大 多 数 是 ” DNA, 少数 是 RNA) 上 载 有 某 种 遗传 信息 的 一 个 片 腿 ， 这 种 遗 ， 传 信息 是 用 一 定 的 核 背 酸 排列 顺序 来 记录 的 ， 它 代表 着 次 定 某 种 蛋白 质 分 子 结构 的 相应 的 一 段 DNA。 因此 基因 是 遗传 性 状 在 分 子 水 平 上 的 物质 基础 。 遗 传 性 状 是 由 基因 所 决定 和 调节 的 。 基 因 具有 形成 特异 的 酶 或 其 他 蛋白 质 的 必要 的 信息 。 现在 已 知 三 个 DNA 分 子 可 以 包括 许多 基因 ， 例如 大 肠 杆菌 染色 体 上 BORA. 标定 了 460 个 基因 的 位 置 ， 因 此 AEH, DNA 不 等 于 基因 ， DNA 是 构成 基因 的 物质 ， 而 基因 则 是 遗传 物质 的 结构 和 功能 单 位 ， 基 因 的 本 质 是 DNA。 (二 ) 基因 的 功能 436 1 Wh hips 7 a oe ee a, _— 和 ne ie ea j i 多 数 基因 的 功能 是 控制 多 肽 链 的 生物 合成 。 这 一 点 现在 已 普 | 志 被 接受 了 ， 但 在 四 十 年 代 以 前 人 们 并 不 知道 基因 的 化 学 本 质 ， 也 不 知道 基因 的 产物 是 什么 。 基因 和 了 酶 之 间 的 对 应 关系 的 证 据 最 初 来 自 红色 面包 各 生化 只 ”变型 的 研究 。 野生 型 红色 面包 替 菌 株 能 只 在 无 机 盐 、 糖 和 生物 素 的 基本 培 养 基 上 生长 ， 说 明 它 可 以 利用 这 些 简 单 的 化 合 物 合成 氨基 酸 、 碱 基 、 维 生 素 及 其 他 生长 繁殖 所 必需 的 物质 。 这 些 物质 是 分 别 由 一 系列 特异 的 酶 催化 步 又 完成 的 ， 可 以 表达 如 下 ， Fag ce ao ? 代谢 途径 4 一 -一 一 一 卫 一 一 0 一 一 一 也 前 体 ”中 间 产 物 工 中间 产物 正 ” 终 产 物 每 个 这 样 的 反应 系列 称 为 一 个 生化 途径 或 代谢 途径 。 可 以 推 ” 测 如 果 代 谢 途 径 中 的 酶 是 相应 的 基因 决定 的 ， 则 应 可 得 到 这 基因 之 二 发 生 突 变 ,使 相应 的 酶 失 活 的 突变 型 菌株 。 如 上 式 决定 酶 B 的 基因 突变 ， 使 酶 8 无 活性 , WPA wl (BARRE ERC, A 而 不 能 合成 终 产物 D 。 又 假定 了 是 生长 必 不 可 少 的 ， 则 除非 在 培 养 基 中 补 加 了 ， 和 否则 该 菌 将 不 能 生长 ， 这 种 突变 型 菌株 就 叫做 生 化 突变 型 或 营养 缺陷 型 。 事实 证 明 ， 通 过 诱 变 剂 处 理由 红色 面包 多 分 离 到 数 以 百 计 的 遗传 上 不 同 的 营养 缺陷 型 ， 遗 传 学 分 析 证 明基 因 与 相应 酶 的 医 性 之 间 确 实 存在 着 对 应 的 关系 。 据 此 ， 有 人 提出 了 “一 个 基因 一 种 多 肽 的 假设 >， 认 为 一 个 基 因 的 原始 作用 是 决定 一 种 多 肽 的 氨基 酸 排列 顺序 ， 即 多 肽 的 一 级 结构 。 这 已 为 实践 所 证 明 。 要 记 住 ， 基 因 的 直接 产物 并 不 是 多 肽 ， 而 是 RNA。irRNA ALtRNA 也 是 基因 的 直接 产物 只 有 mRNA 才 作为 多 肽 链 合成 的 模板 。 437 第 十 二 章 “ 代 谢 的 调节 控制 第 一 节 “调节 入 制 的 一 般 概 您 调节 是 一 种 控制 ， 是 通过 对 活动 能 力 的 控制 而 实现 和 谐 节奏 的 一 种 方式 。 生物 与 非 生命 物质 有 着 本 质 的 区 别 ， 但 是 就 调节 控制 来 说 ， 其 实 活 的 生物 机 体 与 机 器 ， 与 机 器 的 自动 控制 过 程 有 着 明显 的 相 似 之 处 。 被 奉 为 通讯 科学 的 经 典 之 作 的 < 控制 论 > 的 作者 诺 伯 特 威 纳 (Wiener, N,1948) 给 控制 论 下 的 定义 为 “在 动物 和 机 器 中 控制 和 通讯 的 科学 。” 并 把 这 一 定义 作为 < 控制 论 > 这 一 著作 的 副标题 。 一 个 有 生命 的 体系 必须 同时 具有 行动 及 控制 行动 这 两 种 能 力 。 例 如 人 类 要 会 消化 食物 ， 但 是 我 们 不 能 成 天 地 吃 。 因 此 我 们 需要 一 个 正 向 的 控制 来 使 这 个 过 程 开始 (在 需要 食 物 时 有 一 个 想 吃 的 生理 要 求 ) 以 及 一 个 反 向 的 过 程 来 使 该 过 程 停止 (在 吃 够 以 后 有 一 个 停止 吃 的 愿望 )。 同 样 ， 当 我 们 受伤 流血 时 ， 凝血 的 过 程 必须 开始 ;但 是 事后 又 必须 使 其 停止 以 免 引 起 冠状 动脉 血栓 为 了 运动 ， 我 们 必须 使 肌肉 起 动 ， 为 了 休息 ， 又 必须 使 其 停止 。 简 而 言 之 ， 每 一 个 生物 体系 都 具有 在 某 些 条 件 下 能 够 引起 或 加 速 一 个 过 程 ， 而 在 另外 的 条 件 下 又 能 使 之 终止 或 减速 的 控制 能 力 。 考虑 到 生物 机 体 必 须 调 节 的 过 程 的 繁杂 性 ， 以 及 机 体 必 须 反 应 的 那些 环境 条 件 的 繁杂 性 ， 不 难 想象 生物 体系 中 的 调节 控制 是 极其 复杂 的 。 尽 管 如 此 ， 一 切 生 物 机体 ， 包 括 高 等 动 植物 ， 生 命 活动 的 基本 单位 是 细胞 ,所 以 细胞 水 平 的 调节 控制 万 是 高 等 生物 和 其 他 较 高 级 水 平 的 调节 控制 方式 的 基础 。 细胞 是 生命 活动 的 基本 单位 ， 而 生命 活动 的 基础 或 生命 的 基 438 ¢ 4 “= a 4 », & np ee d 5 了 me. | 未 特 征 则 在 于 新 陈 代谢 ， 在 新 陈 代谢 的 基础 上 才 有 生物 的 生长 、 SRR, SERINE AE. 新 陈 代 谢 过 程 是 极其 错综复杂 的 。 已 估计 过 一 个 普通 的 细胞 。 ”大约 含有 3000 种 不 同 的 酶 。 其 中 每 一 种 酶 分 别 催化 一 个 特定 的 化 学 反应 ， 而 使 反应 中 某 些 化 合 物 〈 底 物 ) 转变 为 奶 一 些 化 合 物 《产物 ) 。 生 物 细胞 中 如 此 大 量 的 反应 ， 必 然 存在 着 一 系列 调节 控 制 的 方 靶 才 能 维持 新 陈 代 谢 的 协调 统一 ,保证 生命 现象 的 正常 化 。 无 论 是 简单 的 单 细 胞 生物 ， 还 是 高 度 发 达 的 具有 神经 系统 的 哺乳 ， 动物 ， 都 需要 有 调节 控制 代谢 的 能 力 。 否 则 就 会 失调 ， 新 陈 代谢 就 会 紊乱 。 就 不 能 维持 生物 体内 部 的 矛盾 统一 ， 不 能 保证 生物 体 与 环境 的 矛盾 统一 ， 那 么 疾病 和 死亡 就 会 随 之 而 来 。 所 谓 代谢 的 调节 控制 ， 一 般 是 指 对 代谢 反应 速度 的 调节 和 对 代谢 途径 方向 的 控制 两 个 方面 。 但 是 事实 表明 ， 代 谢 途 径 方向 的 控制 ， 也 必须 在 代谢 反应 速度 调节 的 基础 上 来 进行 的 。 所 以 在 代 谢 调 节 控 制 中 ， 代 谢 速度 的 强调 是 主要 的 。 就 目前 认识 来 看 ， 新 陈 代谢 的 调节 ， 可 以 综合 地 分 为 :分 子 、 。 细胞、 激素 及 神经 等 四 级 水 平 的 调节 控制 。 但 是 在 每 一 级 水 平 之 内 以 及 各 级 水 平 之 间 都 是 密切 配合 的 ， 相 互补 充 的 。 例 如 ， 就 分 子 和 细胞 水 平 的 调节 而 言 ， 酶 的 诱导 和 阻 过 、 正 反馈 与 负 反 馈 、 细胞 结构 的 部 位 效应 和 细胞 膜 的 通 透 性 等 等 ， 其 协调 的 作用 点 是 酶 。 在 多 细胞 生物 来 说 ， 在 动物 则 以 神经 的 调节 占 主 导 地 位 。 神 经 系统 对 于 代谢 活动 的 调节 是 迅速 准确 而 集中 的 ， 激 素 的 调节 则 较 缓 慢 持 久 而 广 泛 。 分 子 和 细胞 水 平 的 调节 是 比较 单一 的 。 高 级 水 平 的 神经 及 激素 的 调节 仍 不 能 脱离 分 子 和 细胞 水 平 的 调节 ， 是 以 分 子 和 细胞 水 平 的 原始 调 市 为 基础 的 ， 所 以 其 作用 点 仍 可 归结 ”为 酶 。 基于 细胞 即 酶 水 平 的 调节 在 整个 代谢 调节 控制 作用 中 的 基础 地 位 和 以 微生物 为 对 象 的 针对 性 出 发 ， 我 们 将 只 讨论 细胞 水 平 的 调节 控制 作用 。 - 439 Bo AE —\ PAT Be iar Ps Ae Pe hl TA 生物 体 的 新 陈 代 谢 是 在 细胞 内 进行 的 ， 细 胞 不 宜 只 看 作 是 一 个 充满 着 各 种 物质 的 小 口袋 ， 而 实际 上 细胞 象 个 有 着 一 定 组 织 结 构 的 加 工厂 ， 它 把 从 周围 环境 摄取 的 各 种 各 样 原料 进行 分 解 ， 产 生 能 量 ， 并 依 此 能 量 以 及 分 解 产 物 为 原料 合成 细胞 成 分 。 实 际 上 细胞 这 种 工厂 的 高 度 组 织 性 、 协 调 性 、 复 杂 性 、 高 效率 与 自动 化 程度 是 我 们 现 有 的 任何 自动 化 工厂 所 不 能 比拟 的 。 在 正常 情况 下 ， 各 种 生物 包括 最 简单 的 细菌 ， 它 所 合成 的 各 种 产物 一 般 是 不 会 过 度 地 超过 自身 需要 而 继续 合成 ， 也 不 会 感到 缺乏 的 。 其 所 以 如 此 ， 是 因为 存在 着 自动 的 调节 控制 机 制 。 象 任何 工厂 不 能 没有 机 器 那 样 ， 细胞 工厂 的 基本 机 件 是 生物 催化 剂 一 一 酶 。 任何 一 种 产物 (例如 特殊 的 蛋白 质 ) 的 合成 都 需要 一 系列 的 步 又 ， 每 一 步 均 要 求 特殊 的 酶 。 显 然 , 细 胞 有 两 种 可 能 的 方法 来 控制 某 一 产物 的 产量 ; (1) 改变 反应 链 中 某 步 或 全 部 酶 (机 器 ) 的 数量 ; (2) 改变 反应 链 中 某 步 或 全 部 酶 的 操作 速度 ( 即 酶 的 活性 ) 。 因 此 ， 酶 不 但 是 细胞 工厂 生产 的 主体 而 且 是 代谢 调节 的 基础 和 关键 ， 通 过 对 酶 的 控制 最 直接 而 有 效 地 控制 了 产物 的 生产 。 通 过 研究 表明 ， 这 种 改变 酶 的 数量 或 改变 酶 的 活 性 而 控制 产物 生产 的 控制 因 素 就 是 代谢 物 (包括 底 物 及 产物 ) 本 身 。 这 种 对 酶 的 数量 和 (或 ) 对 酶 的 活性 的 控 制作 用 是 由 两 个 互 不 相关 的 反馈 控制 体系 分 别 进 行 的 ， 一 个 调节 酶 的 合成 ， 另 一 个 调节 酶 的 活性 。 以 常见 的 大肠 杆 菌 作为 材料 所 进行 的 研究 ， 给 这 种 控制 方式 提供 了 最 好 的 证 据 。 最 早 的 实验 关系 到 该 细菌 细胞 中 LHR 酸 的 制造 。 这 种 氨基 酸 在 细胞 中 的 主要 消耗 是 与 其 他 氨基 酸 一 起 用 来 合成 蛋白 质 。 如 果 在 细胞 中 这 种 氨基 酸 多 于 制造 蛋白 质 所 需 的 正常 需要 量 时 ， 实 验证 明 ， 这 时 细菌 就 停止 自身 制造 这 种 氨基 440 | 酸 。 在 这 种 情况 下 ， 细 胞 中 该 氨基 酸 的 含量 可 以 作为 控制 它 自身 合成 的 信号 。 如 果 含量 低 于 一 定 的 水 平 。 细 胞 则 重 又 开始 合成 - 异 亮 氨 酸 。 这 种 过 程 好 象 恒温 室 使 用 可 调 加 热 系统 自动 保持 室温 恒定 一 样 ， 工 - 异 亮 氮 酸 在 细胞 内 的 浓度 也 保持 一 定 的 恒定 水 平 。 “在 控制 论 上 ， 这 种 恒温 控制 的 方式 叫做 反馈 控制 (feed back control), BLS DWH ASIC, 电炉 丝 加 热 的 结果 ， 使 温度 逐渐 上 升 ， 造 成 停止 加 温 的 条 件 ， 达 到 一 定 温 度 时 ， 加 热 系 统 被 切断 ;停止 加 强 ， 由 于 热量 的 散失 (相当 于 蛋白 质 合成 对 工 - 蜡 亮 氨 酸 的 消耗 ) 使 温度 下 降 ， 又 造成 重新 加 温 的 条 件 。 这 种 反 馈 控 制 的 情形 可 表示 如 下 : 加 热 系 统一 > 被 烧 热 的 温室 一 > 热 控制 系统 EM Ch 一 的 接收 器 ) uy ' em ee ee ee ee ee eee {a LAY JR tit “反馈 ?原来 是 电子 工学 的 概念 ,后 来 引申 用 于 化 学 反应 体系 。 其 意义 为 输出 对 输入 的 控制 "或 需要 对 供应 的 控制 "。 或 可 总 的 概括 为 "一 种 运动 的 效果 反 转 过 来 对 运动 本 身 发 生 影响 的 作用 ”。 当 化 学 反应 进行 时 ， 造 成 对 该 反应 不 利 的 条 件 ， 使 反应 速度 降低 甚至 停止 ， 从 而 又 恢复 对 反应 有 利 的 条 件 ， 又 使 反应 加 速 。 这 样 反 复 相互 控制 的 结果 使 反应 保持 正常 状态 ， 正 象 昌 度 调节 器 保持 恒温 一 样 。 代谢 过 程 中 的 反馈 控制 是 指 反应 链 中 某 些 中 间 产 物 或 终 产 物 对 其 前 面 某 步 反应 速度 的 影响 。 凡 能 使 反应 速度 加 快 的 称 为 正 反 饥 ， 凡 使 反应 速度 减 慢 的 称 为 负 反馈 。 在 后 面 将 可 见 到 代谢 调节 中 的 负 反 馈 控 制 方式 ， 与 在 其 他 控制 体 中 一 样 是 更 为 常见 和 普遍 ”的 控制 方式 。 细胞 中 工 - 腊 亮 妥 酸 的 浓度 在 制造 它 自 己 的 过 程 中 起 着 负 反 俩 控制 的 信号 的 作用 ， 那 么 控制 是 怎样 进行 的 呢 ? 发 现 ， 过 量 的 -有 异 亮 乞 酸 对 细胞 具有 两 种 作用 : 一 种 是 抑制 合成 反应 链 中 第 一 441 步 反 应 所 需 的 酶 L- 苏 氨 酸 脱 氨 酶 的 活性 ; 另 一 种 是 它 能 使 细胞 、 停止 合成 生产 它 自 身 所 需 的 全 部 酶 类 (图 12-1)。 这 种 控制 方式 “ 完全 和 我 们 先前 设想 的 控制 细胞 工厂 的 生产 可 以 从 控制 投 大 生产 线 的 酶 量 以 及 控制 酶 活性 这 样 两 种 途径 入 手 完 全 一 致 。 并 且 这 两 种 机 制 彼此 之 间 是 不 发 生 关系 的 。 通 过 对 大 肠 杆菌 突变 菌株 的 实 . 验 发 现 ， 一 种 突变 能 使 细胞 丧失 工 - 异 亮 氨 酸 抑制 LARA 、 酶 的 能 力 ， 而 另 一 种 突变 作用 却 能 使 细胞 去 失 工 - 异 亮 氨 酸 阻止 制造 这 整套 酶 的 能 力 。 这 两 种 突变 作用 定位 于 细菌 染色 体 的 不 同 地 方 。 显 然 这 两 种 控制 机 制 是 完全 分 开 的 。 图 12-1 两 个 反馈 系统 控制 着 细胞 产物 的 生成 此 图 为 大 肠 杆菌 中 工 - 蜡 亮 氨 酸 的 生成 ， 合 成 链 中 的 最 终 产物 起 着 信号 的 作用 ， 它 抑制 反应 键 中 第 一 个 酶 ( 工 - 苏 氨 酸 脱 氨 酶 ) 的 活性 一 >; 还 能 阻止 反应 链 中 所 有 酶 的 生成 …… 王 二 、 细 胞 水 平 调节 控制 模式 细胞 水 平 的 代谢 调节 机 制 主要 是 代谢 物 的 反馈 控制 (图 12- 2)。 前 面 已 经 提 到 ， 这 种 控制 可 以 通过 控制 酶 的 活性 或 控制 酶 的 442 ”合成 即 控制 酶 的 浓度 来 实现 ， 或 者 这 两 种 机 制 同 时 进行 。 属 于 细 “ ” 胞 水 平 的 调节 控制 ， 还 有 细胞 结构 的 部 位 效应 (隔离 效应 ) 和 细胞 nt 但 是 ， 其 协调 的 作用 点 仍然 是 酶 ， 并 且 同 样 是 “通过 影响 上 述 两 种 反馈 控制 机 制 来 实现 的 ， 所 以 将 着 重 讨论 关于 “，” 酶 合成 的 控制 及 酶 活性 的 控制 这 样 两 种 反馈 控制 机 制 ， 并 将 简 述 “细胞 的 通 透 性 问题 。 细胞 膜 通 透 性 12-2 细胞 水 平 调 节 模 式 ” 三 、 关 于 酶 合成 的 调节 (诱导 、 阻 歇 作 用) 一 操纵 子 学 说 (operontheory ) 细胞 内 特定 的 酶 浓度 ， 显 然 主要 地 是 由 细胞 内 该 酶 合成 的 速 度 与 破坏 的 速度 所 决定 。 一 定 酶 浓度 是 这 两 个 相反 过 程 平衡 的 结 果 ， 关 于 影响 细胞 内 酶 的 破坏 因素 及 其 在 调节 细胞 内 酶 浓度 中 的 作用 所 知 甚 少 ， 不 过 可 以 想象 ， 这 个 过 程 在 调节 酶 浓度 方面 的 功 能 不 会 有 重要 地 位 的 。 影 响 细胞 内 酶 浓度 的 主要 方面 是 关于 酶 的 “合成 的 调节 控制 问题 。 细 胞 中 酶 (蛋白 质 ) 的 合成 可 以 由 几 个 不 同 的 环节 加 以 控制 ， 从 而 调节 细胞 内 酶 的 浓度 ， 即 可 以 由 控制 m- RNA 与 核糖 核 蛋 白 体 的 附着 、 调 节 转 录 和 /或 翻译 的 速度 、 控 制 443 m-RNA 分 子 的 周转 率 等 环节 来 实现 。 在 细菌 中 , i] m-RNA 的 合成 即 转录 水 平 的 控制 比 其 他 环节 的 作用 远 为 重要 5 eo 5 af 2 Hel A i Pe BE (0 eS HDA SAA Ud TEE B,C) 细胞 内 原先 不 存在 的 酶 的 诱导 生成 作用 ;和 (2) AI DE Ae 的 酶 的 继续 合成 的 阻 遏 作用。 诱导 作用 表征 着 酶 合成 的 开动 , 而 阻 歇 作用 表征 着 酶 合成 的 关闭 。 对 在 细菌 中 这 样 两 个 过 程 的 例子 是 认识 得 比较 早 的 。 如 前 所 述 ， 在 以 大 肠 杆 菌 为 材料 研究 细菌 的 代谢 调节 控制 实 验 中 首先 观察 到 工 - 异 亮 氨 酸 不 只 有 抑制 工 - 苏 氨 酸 脱 氨 酶 的 作 用 ， 而 且 能 阻止 由 工 - 苏 氨 酸 脱 氨 酶 开始 的 有 关 合 成 LRA 的 全 部 酶 的 继续 合成 。 继 之 ， 本 Monod 等 人 发 现 过 量 的 色 氨 酸 的 存在 有 如 上 工 - 异 亮 氨 酸 相似 的 作用 。 这 是 产物 的 存在 作为 一 “个 不 需要 合成 这 些 有 关 酶 的 负 反馈 控制 信号 的 最 早 观察 。 其 实 关 于 代谢 物 控制 酶 的 合成 的 事例 最 早 是 在 本 世纪 初 由 研究 酵母 的 乳 糖 发 酵 时 首先 观察 到 。Frederic Dienert 发 现 了 细胞 中 酶 合成 的 诱导 作用 ， 他 发 现在 乳糖 培养 基 上 培养 过 几 代 的 菌株 能 够 立即 对 “ 乳糖 发 生 作用 ， 这 些 细胞 具有 大 量 的 乳糖 酶 (8- 半 屯 糖 苷 酶 )。 能 特异 地 降解 乳糖 (图 12-3)。 而 没有 在 乳糖 上 生长 的 酵 母 则 缺少 这 种 酶 。 CH,OH ‘i 8-229 Weta HO “O. OH CH,0H | OH WAT TO ALO at . os B- 半 乳糖 苷 栈 he 7 ES eof. 半 她 粮 OK CH,OH tO 5 ae 310 on OH fii HH 图 12-3 6-24 Fp AR 444 (=) 酶 合成 的 诱导 作用 ，“ ， 目前 研究 得 最 清楚 的 是 大 肠 杆菌 的 包括 BEL BE BE (pP- 二 ”gal) 的 可 诱导 体系 。 当 大 肠 杆 菌 生长 在 以 葡萄 糖 为 唯一 碟 源 和 能 ，， 源 的 培养 基 上 时 ， 平 均 说 来 , 每 个 细胞 只 含有 1 分 子 的 B- 半 乳糖 ”“ 考 酶 (每 细胞 中 8- 半 乳糖 背 酶 的 数目 可 以 将 酶 与 人 工 的 荧光 物 > 质 结合 ， 然 后 在 荧光 计 上 测量 荧光 而 测定 。 这 种 检验 是 十 分 灵敏 AG, 能够 允许 检测 单个 的 酶 分 子 )。 如 果 细 胞 被 转移 到 含有 乳 糖 | 而 不 含 葡 萄 糖 的 培养 基 ， 那么 约 在 2 分 钟 后 即 开始 合成 6-gal， ， 并 继续 合成 达到 每 细胞 约 含 3000 个 酶 分 子 的 水 平 。 现 已 知道， 与 B-gal 一 起 诱导 合成 的 还 有 另外 两 个 梅 。 一 是 乙酰 化 酶 其 功能 进入 细胞 。 关 于 乳糖 操纵 子 诱导 酶 系 的 代谢 功能 见 图 12-4。 酶 的 类 型 代谢 途径 糖 乳糖 (细胞 外 》 ”诱导 型 葡萄 糟 -1- 磷 酸 we 组 成 型 ‘EMP# as MP Sa BRE f 4 丙酮 酸 图 12-4 乳糖 诱导 酶 系 的 代谢 功能 445 ”尚且 不 知 ; 马 一 是 透 性 酶 (Permease enzyme), 该 酶 有 助 于 乳糖 ei ee es 用 W as sae pits ea (2th) LYMM E 9-2T A SNS gw2H. man cERSE) ie V4 oak a —— WAR AwA | | VNU-w | i NE Be See tar ee Pr Oe eS es (RE) aR HER AG A—— mS re, ee es ee, ee Crh) 446 Si so 2G 0 AE GMS LB ELSA YM HORA MOR AR Wee Ayse 、 | 图 灿 HRP WMS ANIL RT LGM —Z = Fel ENS Be (M)LYGMEEMIE S-21 国 (jJauiejued Burjeodal) / Ya Be /\ — oe | | ea ad fre ae | s SS a “8 TGAGTTAGCTCACTCATT AGGCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCT TCCGCCTCGTATGTT GT GTGGAAT TGTGAGCGGA 天 TAACAATT YOILOVVLODVDLOVDLVVLOODLDDDDLIOOVYV VLOLOVVVLVODVVDDO9 DVDOVLV OVVOVOVOOLLVVOVILODIOLVILDLIVV /5 es Pt 一 一 = 二 一 一 一 一 一 一 一 二 二 习 Se BP ee SS ek A 、 @AaNo SPEC Ea RED ie See eee La 8 Hy HB i ee IE qx ee LvVe MBRHODe Se: te Fay Peer Ca : i BS 2 % 7193 ef MRI 、、、 站 VNU& SY Mie ZE > BYR 4 : = GLA ee ote (9) 汉 (A) 六 十 年 代 初 ，Monod 和 了 Jacob HHA BRAG IAB Hil yaa 机 制作 了 深入 研究 。 他 们 首先 发 现 大 肠 杆 菌 的 一 次 突变 能 够 消除 乳糖 对 乳糖 酶 合成 的 控制 ， 即 没有 乳糖 存在 时 ， 突 变 细胞 象 它 在 “ 有 乳糖 存在 时 一 样 合成 6- 半 乳糖 苷 酶 。 在 这 些 细胞 中 , 改变 了 的 只 是 它们 的 触发 作用 :它们 所 制造 的 酶 完全 和 没有 发 生 突变 的 细 胞 所 合成 的 酶 一 样 。 即 酶 合成 的 速率 (或 合成 与 否 ) 好 象 完全 受 一 种 基因 控制 ， 而 酶 的 结构 则 移 全 由 另 一 种 基因 所 决定 。 遗 传 学 的 实验 证 明了 调节 基因 和 结构 基因 确实 是 在 细胞 的 染色 体 的 不 同位 置 ， 从 而 证 实 了 上 述 情 况 。 三 个 不 同 的 酶 的 合成 由 一 个 诱导 物 一 一 乳糖 所 同时 控制 ， 可 由 这 样 的 事实 作 解释 ， 即 为 这 三 个 酶 编码 的 结构 基因 在 细菌 染色 体 上 是 相 邻接 的 , 并 且 这 三 个 结构 基因 被 转录 成 一 个 多 基因 一 于 - RNA。 转 录 本 (transcript) 转 录 是 由 基因 链 的 6-gal 端 开始 的 , 每 次 转录 形成 的 m-RNA 有 8-gal 的 基因 及 其 他 两 个 酶 的 基因 。 关于 酶 诱导 合成 的 机 制 问题 即 上 面 提出 的 “调节 基因 ”如 何 控 制 “ 结 构 基 因 ” 工 作 的 问题 ， 这 就 是 一 九 六 一 年 Jocob 和 Monod 提 出 的 操纵 子 概念 ， 他 们 并 且 完成 了 乳糖 操纵 子 调 节 机 制 的 详细 细 节 。 认 为 ， 调 节 基 因 可 以 使 细胞 产生 一 种 阻 如 物 分 子 ， 这 种 分 握 控制 着 结构 基因 功能 的 表达 。 在 没有 乳糖 存在 时 ， 阻 坎 物 分 子 阻 ” 止 结 构 基 因 的 转 孙 ， 从 而 阻止 了 结构 基因 指导 乳 糖 酶 等 三 个 酶 的 合成 。 但 是 阻 遏 物 分 子 并 不 直接 作用 于 结构 基因 ， 而 是 把 自己 结 合 到 一 个 特殊 的 结构 一 一 操纵 基因 上 。 操 纵 基因 和 染色 体 上 负责 该 酶 合成 的 结构 基因 双 密 地 联结 在 一 起 。 这 种 被 称 为 操纵 基因 的 特殊 遗传 结构 和 与 它 紧 密 联 接 的 有 关 结 构 基 因 一 起 被 称 为 操纵 子 ， 操 纵 子 是 染色 体 上 调节 来 自 一 个 或 数 个 结构 基因 的 于 -RNA 的 合成 的 区 域 。 阻 遏 物 和 操纵 基因 结合 能 阻止 相 邻 结构 基因 的 转 录 ， 这 样 就 导致 一 系列 酶 的 合成 被 封闭。 te b 4 + a o » 人 “ 4 Pee eS eee see eee eee eee ee eee a 乳糖 操纵 子 (图 12-5) th: =PSLEAZ. Y Mu, DH 相应 于 8-7 SLA, 透 性 酶 和 乙酰 化 酶 在 转录 时 产生 一 个 多 448 Ss 基因 站-RNA 的 转录 本 ,一 个 操纵 基因 区 域 (0)， 它 是 识别 由 调节 基因 产生 的 调节 蛋白 即 阻 遏 物 分 子 的 部 位 ， 调 节 基因 是 调节 蛋 二 白 的 编码 单位 。 另 外 还 包括 一 个 启动 子 (Promotor) (P)， 它 位 于 ”操纵 基因 的 前 面 ， 是 结构 基因 在 转录 开始 时 RNA RAMS ZA 。 “ 合 的 部 位 。 这 些 是 操纵 子 这 样 的 结构 基因 转录 及 其 控制 单位 的 必 ”要 成 员 。( 注 意 ， 不 包括 调节 基因 在 内 )。 (=) 酶 合成 的 阻 遏 作用 在 酶 的 诱导 合成 机 制 清楚 之 后 ， 就 容易 了 解 酶 合成 的 阻 遏 作 用 了 ， 无 论 是 酶 合成 的 可 诱导 操纵 子 体系 或 酶 合成 的 可 阻 遏 操纵 子 体系 ， 其 关键 在 于 由 调节 基因 所 产生 的 专 一 物 质 一 一 阻 遏 物 (iepressor)。 细 胞 内 不 同调 节 体 系 的 各 种 阻 遏 物 是 专 一 的 “接收 Be” 每 一 接收 器 能 辨认 出 一 种 特殊 的 信号 ， 从 而 促使 酶 的 合成 或 停止 合成 。 因 此 ， 几 乎 在 乳糖 操纵 子 概念 提出 的 同时 ， 人 们 就 ”努力 了 解 由 调节 基因 所 产生 的 控制 相应 的 操纵 子 活动 的 特异 性 物 质 的 化 学 本 质 及 作用 方式 。 首 先 ， 大 们 认为 阻 遏 物 分 子 是 RNA， 这 主要 是 因为 RNA 是 DNA 的 直接 转录 产物 ， 并 设想 该 RNA 分 子 与 操纵 基因 DNA 结合 ， 这 样 就 能 停止 该 操纵 子 结构 基因 的 转录 。 但 是 RNA 终究 不 是 一 个 合适 的 物质 ， 当 发 现 阻 遏 物 的 活 性 能 被 蛋白 质 合成 的 抑制 剂 所 抑制 时 ， 对 阻 遏 物 的 假设 就 转向 蛋 白质 。 那么 ， 诱 导体 系 与 阻 遏 体系 控制 酶 合成 的 机 制 上 主要 的 不 同 之 点 在 于 在 诱导 体系 诱导 物 分 子 与 具有 活性 的 阻 遏 物 分 子 结 合 ， 从 而 使 其 失去 活性 。 而 在 可 阻 遏 的 操纵 子 体系 中 该 调节 基因 产生 的 阻 遏 物 不具 活 性 ， 而 代谢 的 末端 产物 一 一 辅 阻 过 物 (Go- repressor)， 能 活化 该 阻 遏 物 。 调 节 基 因 所 产生 的 阻 遏 物 蛋白 显然 是 属于 变 构 蛋白 (本 节 五 将 详 述 ) ， 它 接受 信号 一 诱导 物 或 辅 阴 遏 物 而 起 调节 作用 的 机 制 可 由 图 12-6 表示 。 首先 纯化 得 到 乳糖 操纵 子 阻 遏 物 蛋 白 (分 子 量 约 150,000 道 尔 顿 ) 并 对 其 与 乳糖 操纵 基因 的 结合 作用 作 了 研究 的 是 Walter 449 活性 的 BOK SURTERERLGEY + BORSLNE «=| ISP i Sy (诱导 物 ) 复合 物 (阻碍 6- 半 纺 糖苷 栈 (不 能 阻碍 BE- 半 乳 糖苷 酶 的 合成 ) 合成 ) | {A | 4 FETE ENV SL AABA IB Wy + HRM race ee | ( 辅 阻 坎 物 ) 复合 物 (不 能 阻碍 组 氨 酸 合成 途 生 (阻碍 组 氨 酸 合成 途径 酶 的 合成 ) 的 酶 的 合成 ) 12-6 诱导 作用 和 阻 遏 作用 的 模型 阻 遏 物 浓 度 M 图 12-7 乳糖 操纵 子 阻 遏 物 与 操纵 基因 的 结合 曲线 GO 一 诱导 物 不 存在 的 情形 人 一 诱导 物 存在 的 情形 ， 诱 导 物 浓度 为 一 常数 450 x ‘oto 12-7), = “speren) 是 目前 研究 得 最 清楚 的 可 阻 过 操纵 子 体系 (图 12-8)。 它 共有 9 个 结构 基因 ， 为 参与 组 氨 酸 生物 合成 的 10 个 酶 编码 的 代 ，” 谢 途径 步 又， 催化 这 些 反 应 的 酶 与 结构 基因 的 关系 如 图 12-8 所 ” ， 示 。 全 部 结构 基因 都 被 组 氨 酸 同等 地 阻 过 ， 这 是 因 组 氨 酸 充当 了 NL aR a st Ait, bee MMA ARISEN, TE et RA — 7 — fy m-RNA 5y ” 子 的 转录 作用 。 此 组 氨 酸 操纵 子 的 m-RNA 是 迄今 研究 所 知 的 最 “ 夫 的 多 基因 m-RNA。 \ - ra @ PPi SA = | ATP Mee z + Mer J a He - ATP —A— 9 4 - AMP : F . : 3 | 4 区 4 J 中 @® | 2 ‘ 一 > 磷酸 核糖 亚 氨 甲 基 -AICRP 一 > 磷酸 核 酮 糖 亚 氨 甲 基 -AICRP 5 6 4 加 ® CAM wary Pee St eo: | ee imidezole glycerol phosphate) AICRP | = 7 8 | eee) Sn ep , “ . / gH 43 SS RENE a i EL 9 10 ® ® 一 > 工 -组 氨 醇 -ADT wa © 站 a a es te ee eee . ’ 4 ; . | ( a ’ . ’ . j 4 y PP IGFEEM (Salmonella typhmurium) 的 组 氨 酸 操纵 子 (His 基因 | E 1 F A H B O SHELA EL a] ele eet AG 焦 磷 酸 PR- 环 化 Shey 氨基 转 赔 水 栈 ae ix PR: 水 解 酶 AMP fig CESARE AT 水 解 酶 A NCR 图 12-8 组 氨 酸 操纵 子 (组 所 本 合成 途径 及 有 关 本 ee 与 基因 控制 之 间 的 关系 图 ) : 总 之 ， 诱 导 和 阻 遏 虽 则 它们 的 结果 相反 ， 却 是 两 种 极为 相似 “ 的 效应 。 它 们 都 控制 酶 蛋白 的 合成 速度 ， 都 有 高 度 的 特异 性 ， 和 但 这 种 特异 性 都 和 所 控制 的 酶 的 作用 的 特异 性 无 关 。 诱 导 作 用 和 阻 过 作用 的 动力 学 是 相同 的 ， 在 功能 上 不 同 的 有 关 酶 类 常 同时 被 一 . 种 底 物 或 代谢 物 所 诱导 或 阻 遇 ， 并 且 它 们 被 诱导 和 阻 遏 的 程度 也 是 相同 的 。 诱导 效应 和 阻 遏 效应 的 显著 相似 性 表明 此 二 种 效应 是 基本 上 相似 的 机 制 的 不 同 表现 形式 。 从 有 还 辑 上 说 这 意味 着 可 能 是 在 诱导 体系 中 诱导 剂 是 作为 内 部 阻 遏 物 的 持 抗 者 ， 也 可 能 是 在 阻 吉 体系 PALE HAM SIMMS. AO (Amb), HE: Wy PASS A> BR AS hl PE FL PRP IB HG AEE K SSH PE PARR, WSEAS. 而 阻 歇 作用 即 是 这 种 潜在 的 内 部 阻 过 作用 的 活化 ( 见 图 12-6)。 这 种 接收 诱导 物 ( 在 可 诱导 体系 ) 或 辅 阻 遏 物 ( 在 可 阻 遏 体 系 ) 中 的 阻 遏 ， 物象 一 种 高 度 自动 化 装置 的 “接收 器 ?那样 应 对 所 接收 的 信号 有 高 度 的 辨认 能 力 ， 才 能 保证 酶 的 合成 按 需要 而 准确 地 进行 。 然 而 好 - 象 其 他 自动 化 的 机 器 也 可 能 受骗 一 样 ， 操 纵 子 这 种 高 度 自 动 化 的 装置 对 所 接收 的 信号 亦 可 能 发 生 错误 ， 如 伪造 的 货币 亦 可 能 使 自 动 售 货 机 售 货 一 样 ， 某 些 类 似 乳 糖 的 人 造化 合 物 (如 异 两 基 B-D- 硫 代 半 乳 糖苷 -IPTG) 也 是 8- 半 乳糖 苷 酶 极 好 的 ， 甚至 更 好 的 诱 导 物 ,但 却 不 能 被 6- 半 乳糖 苷 酶 所 降解 ( 见 表 12-1)。 这 意味 着 细 胞 受骗 了 , 消耗 了 能 量 来 产生 一 些 它 不 能 使 用 (没有 使 用 的 对 象 ) 的 酶 类 ; 相反 地 在 可 阻 过 体系 中 受骗 同样 可 能 发 生 , 而 且 发 生 这 种 事件 时 所 造成 的 后 果 比 前 者 要 严重 得 多 。 有 一 种 色 氨 酸 类 似 物 岂 452 | GIA AE ORE SIS BA ROL sD ee Se ea eae | See / B&B at 值 人 物 Ro ee BG yee oe . . 6-2 FL iE Coe ithe BD RARE | 一 CH (Hi) 10~4M 100 ! 100 et ‘\CHs | ris rat , 10-4M 78 74 4 CH,OH |—-CH: (12) 10-5M 7.5 10 * HOJ—O_-S- Be KH | -CC oe) 10-3M <0.1 <1 gz r ( 葵 乙 基 ) Sa (een oe EROS IS rs ae ial Merona 10-°M 17 12 a a > a ee ne - 再 CH,0H OH}-——o -O- “i OH OH OH on Did 103M <3 o-D- 半 乳糖 昔 密 二 糖 ， 35 37 OH 15 Le a CH, OH. HO 0 OH or 2 一 3 OH Bin 10°°M OH 本 HO OH <1 ay | ™ HO O 10-3]JMW 453 voy hee iS ot ee eee ee Swe sk ea eee GAM (GARI) 细胞 就 无 法 制造 绝 大 多 数 蛋 白质 而 饥饿 死 亡 。 因 此 这 种 信号 (5- 甲 基色 氨 酸 ) 事 实 上 起 到 了 抗菌 素 的 作用 。 以 上 两 类 类 似 物 在 酶 的 诱导 和 阻 歇 中 所 起 的 作用 在 发 酵 生产 和 梢 种 选 育 及 医学 上 都 是 极 有 意义 的 。 例 如 使 用 人 工 合 成 的 诱导 剂 可 用 于 诱导 性 酶 的 生产 上 , 而 象 5- 甲 基色 氨 酸 那样 的 天 然 辅 阻 遏 物 类 似 物 在 抗 代谢 调 节 菌 种 的 筛选 上 得 到 了 巧妙 的 运用 。 如 上 所 述 ， 酶 合成 的 基本 控制 机 制 是 负 的 ， 是 由 调节 基因 产 生 的 阻 遏 蛋白 在 不 同 的 情况 下 与 操纵 基因 结合 ， 起 着 阻止 结构 基 因 表 达 的 作用 。 但 是 在 极 少 数 的 情况 赴 ， 例 如 阿拉 伯 糖 系统 中 可 以 看 到 是 一 种 正 的 控制 机 制 。 阿 拉 伯 糖 操 纵 子 (ara operon) 的 调 节 基 因 G 不 产生 阻 遏 物 ， 而 是 产生 一 种 激活 剂 或 叫 起 始 因子 。 这 种 调 市 基因 编码 的 起 始 因子 对 于 有 关 阿 拉 伯 糖 代 谢 的 酶 的 合成 是 必需 的 ( 见 图 12-9)。 本 从 如 辑 性 来 说 ， 可 诱导 性 应 是 与 降解 外 源 性 底 物 有 关 的 各 和 结构 基因 Ne DNA D A B C Leu 2 tg RNA 一 一 一 wr a FA 38 YH) 酶 88, 公休 BSR D- 木 坪 糖 -5- 了 图 12-9 大 肠 杆 菌 的 阿拉 伯 精 操纵 子 〈 正 的 控制 作用 ) 454 - 3 3 Se Po | 假设 的 C 蛋 白 - 阿拉 伯 糖 复合 物 ， 这 对 ara op 的 家 让 和 和 | 阿拉 伯 糖 ter sag 激酶 . 7 4 || zeseso ER F “分 解 酶 的 通则 ， 那么 可 阻 歇 性 则 是 合成 重要 代谢 产物 (如 氨基 酸 、 “ PERS) 的 合成 酶 的 通则 。 所 以 一 般 讲 来 诱导 剂 都 是 代谢 系列 ， 二 中 将 底 物 或 其 类 似 物 ， 而 阻 过 剂 ( 辅 阻 过 物 ) 往 往 是 代谢 系列 中 的 ”产物 或 是 它 的 类 似 物 。 从 以 上 关于 酶 诱导 或 阻 坎 的 机 制 完全 保证 了 这 种 原则 要 求 的 实现 ， 这 是 生物 长 期 进化 发 展 过 程 所 形成 的 有 cRNA HLT. 然而 ， 生 畅 细胞 仅 有 对 于 酶 合成 的 控制 方式 还 是 不 够 的 ， 尽 管 这 种 控制 是 有 效 和 根本 的 ， 但 是 要 使 代谢 获得 迅速 而 及 时 的 有 “ 效 控 制 ， 那 么 对 酶 活性 的 控制 就 显得 更 为 重要 。 四 、 酶 活性 的 调节 一 一 反馈 抑制 和 激活 如 前 所 述 ， 工 - 异 亮 氨 酸 的 存在 ， 不 仅 会 停止 制造 它 合成 工 - ” 蜡 亮 氨 酸 所 需 的 酶 还 能 抑制 腕 基 酸 合成 过 程 中 的 第 一 步 的 酶 〈 见 二 图 11-1)。 早 在 50 年 代 头 有 人 观察 到 酶 活性 的 控制 现象 ，Aaron Novick 等 人 证 明 ， 大 肠 杆 菌 细 胞 中 过 量 色 氛 酸 的 存在 能 使 细胞 立即 停止 制造 色 氨 酸 。 这 意味 着 信号 ( 色 氨 酸 ) 抑 制 了 早 就 存在 于 。 。 细胞 中 的 酶 的 活性 。Dmberger 继续 研究 了 工 - 异 亮 氨 酸 对 其 自身 合成 作用 的 酶 的 直接 作用 ， 他 把 这 些 酶 从 细胞 中 一 一 提取 出 来 ， 证 明了 王 - 录 亮 所 酸 抑 制 催化 反应 过 程 中 的 第 一 个 酶 ( 苏 氨 酸 脱 氨 BS) 的 活性 ， 也 仅 只 有 这 第 一 步 反 应 的 酶 的 活性 被 抑制 。 这 种 作 用 干 分 专 一 ， 其 他 氨基 酸 即 便 是 D- 异 亮 氨 酸 也 不 能 对 酶 的 活性 ”产生 任何 效应 。 人 们 必然 会 注意 到 这 种 体系 是 非常 经 济 而 有 效 的 。 只 要 给 予 工 - 邯 亮 氛 酸 达到 适宜 的 程度 ， 细 胞 马上 就 停止 制造 它 。 信 和 号 仅仅 作用 于 第 一 步 的 酶 ,使 它 起 失 活性 ,就 足以 停止 全 部 生产 过 程 。 可 以 看 到 这 种 反馈 抑制 的 调 市 作用 来 得 迅速 及 时 而 有 效 ， 而 反馈 的 阻 遏 作 用 则 可 以 使 控制 作用 更 加 彻底 。 大 肠 杆菌 的 工 - 蜡 亮 氨 酸 的 控制 系统 仅仅 是 活 细 胞 中 这 种 调 节 作 用 的 一 个 例子 。 目 前 已 经 证 明细 胞 制造 其 他 的 氨基 酸 、 维 生 459 jot % 全 | are Lae 2” levee FT eee Ah ay ore, _ toe. Cee 人 = 区 ari, a 2 i : “ 素 和 核 苷 酸 等 重要 物质 ， 也 都 是 由 相似 的 过 路 来 控制 的 。 这 样 ， 处 于 代谢 途径 的 第 一步 的 酶 或 处 在 代谢 途径 的 分 枝 点 上 的 酶 往 往 具 有 结合 一 个 或 更 多 个 代谢 物 ， 从 而 改变 其 催化 能 力 ， 这 样 ， 这 个 酶 在 代谢 中 就 具有 接受 信号 调节 代谢 的 反应 速度 和 方向 的 动 能 。 这 样 的 酶 称 为 调节 酶 。 调 蔬 酶 如 何 接受 信号 物质 ， 即 如 何 与 小 分 子 的 代谢 物 结合 ， 从 而 使 酶 的 活性 起 失 ( 或 激活 ) 的 。 这 种 抑 制作 用 显然 不 是 象 莞 争 性 的 抑制 作用 那样 〈 如 两 二 酸 对 琥珀 酸 脱 ” 氢 酶 的 竞争 性 抑制 作用 )， 是 代谢 物 与 底 物 竞争 酶 的 活性 部 位 ;也 不 是 与 酶 的 活性 基 团 直接 作用 (如 氰 化 物 与 铁 中 啉 、 夏 乙酸 与 3- 磷酸 甘油 醛 脱 气 酶 的 SH 基 作 用 ) 从 而 使 酶 失 活 。 当 考虑 了 几 种 可 能 的 解释 之 后 ，Monod Jocob 等 断言 : 唯一 合理 的 解释 是 信号 (代谢 物 ) 和 底 物 分 别 结合 在 酶 的 不 同位 点 上 ， 信 号 通过 这 些 位 点 之 间 的 相互 作用 发 挥 效应 ， 影 响 酶 的 活性 。 五 、 调 节 的 分 子 基 础 一 一 变 构 蛋白 与 调节 酶 所 有 的 生命 体系 ， 从 最 小 的 细菌 到 人 类 ， 一 切 重要 的 生物 功 能 都 离 不 开 蛋 白质 。 酶 是 蛋白 质 ， 使 我 们 能 够 看 、 听 、 尝 、 嗅 的 感觉 受 体 是 蛋白 质 ， 具 有 对 感染 免疫 能 力 的 抗体 也 是 蛋白 质 ， 等 。 同 样 地 ， 控 制 的 基本 因素 也 是 蛋 日 质 。 在 细胞 代谢 调节 的 两 种 不 同 的 反馈 控制 机 制 中 起 着 关键 作用 的 是 阻 坎 物 蛋白 质 和 调节 酶 ,前 者 接受 特 必 的 小 分 子 信号 物质 ( 效 应 物 )， 从 而 改 变 其 活性 状态 ,使 操纵 子 的 转录 过 程 开启 或 封闭 (参见 图 12-6) ,而 调节 酶 能 够 接受 特异 的 小 分 子 物 质 , 从 而 改变 其 ， 催化 活性 ,使 代谢 过 程 进 行 或 中 断 。 已 有 充分 的 资料 证 明 , 在 外 因 - ”的 影响 下 ， 即 在 接受 细胞 自身 形成 的 或 由 外 部 进入 的 特异 小 分 子 物质 的 情况 下 ， 这 类 和 蛋白质 能 够 改变 形状 ， 而 正 是 这 种 改变 形状 的 能 力 提 供 了 生命 系统 中 不 可 缺少 的 起 - 止 "控制 能 力 。 这 类 蛋白 质 被 称 为 变 构 蛋白 质 ， 而 对 具有 这 种 能 力 的 酶 蛋 自 则 称 为 调 “i Mig (regulatory enzyme 或 allosteric enzyme), BRAGA - 456 ee ha ae “Pisast nse, Ken 全 的 部 位 称 介 化 部 位 ， 而 将 能 与 特 Serer yer 合 的 部 位 叫做 调节 部 位 或 变 构 部 位 。 。 ， 变 构 蛋 白 一 般 是 具有 多 亚 基 四 级 结构 的 蛋白 质 。 ， ”本 与 一 般 的 催化 剂 显著 不 同 的 特点 之 一 是 其 “特异 性 >。 最 早 提出 解释 这 种 性 质 的 是 Emil Fischer (一 八 九 四 年 ) 的 “模板 ?或 “ 销 与 钥匙 的 假设 。 这 个 假设 认为 在 酶 催化 时 ， 底 物 与 酶 形成 中 间 产 物 ， 只 有 与 酶 表面 的 特定 形状 相配 合 的 特定 化 合 物 才能 契合 ”得 上 ， 如 同一 把 钥匙 对 一 把 锁 一 样 。 但 是 这 种 呆板 的 模板 理论 与 事实 有 很 大 的 矛盾 ， 因 此 从 其 他 事实 引出 一 个 假定 ， 即 酶 不 是 原 来 就 以 一 种 与 底 物 互补 的 形状 存在 ， 只 是 在 受到 底 物 的 相互 作用 (诱导 ) 时 才 形 成 互补 形状 的 。 这 种 “诱导 -契合 ”理论 假设 在 催化 时 酶 的 最 终 形状 是 由 底 物 决定 的 ， 因 此 酶 是 抬 曲 可 塑 的 。 关 于 蛋 。 自 质 在 小 分 子 的 影响 下 确实 改变 形状 的 证 据 ， 最 初 是 通过 化 学 研 究 得 到 的 ， 后 来 借助 先进 的 物理 学 技术 ， 龙 其 是 X- 射 线 衍 射 方 法 ， 上 述 假设 已 完全 得 到 证 实 。 蛋白 质 抬 生性 的 发 现 并 不 意味 着 所 有 蛋白 质 都 是 可 抬 曲 的 ， 或 者 这 种 揉 曲 性 是 不 受 限制 的 ,相反 有 的 蛋白 质 甚至 很 硬 , 这 就 可 以 用 锁 与 钥匙 的 假说 来 解释 。 酶 的 抬 曲 性 是 蛋白 质 的 一 个 很 重 . “要 特征 。 从 蛋白 质 的 抬 曲 性 概念 可 得 到 这 样 一 个 推论 : 那些 不 参 与 化 学 反应 的 小 分 子 能 够 通过 改变 酶 的 形状 协助 一 个 有 缺陷 的 分 子 使 其 催化 活性 。 象 底 物 那样 地 起 作用 。 相 反 地 一 些 称 为 抑制 齐 的 分 子 能 把 揉 曲 性 的 酶 的 活化 性 的 形状 扭 变 掉 ， 使 酶 的 催化 功能 困 或 结合 功能 团 离散 ， 其 中 任何 一 种 情况 都 能 生成 一 种 无 活性 的 形状 。 故 一 个 本 身 不 参与 反应 的 调节 剂 分 子 能 够 通过 改变 酶 的 形 状 而 控制 其 活性 。 它 能 通过 形成 正确 的 形状 而 使 酶 开始 作用 ,或 通过 形成 不 正确 的 形状 而 终止 其 活性 (图 12-10) 。 “另外 在 考察 上 述 调节 酶 的 酶 - 底 物 反应 速率 曲 线 时 ， 也 发 现 了 与 一 般 酶 的 酶 - 底 物 反应 速率 曲线 不 同 的 特点 。 通 常 酶 反 应 速 457 ue : ‘ S RE (HS HLAS) 单 体 图 -12-10 调节 酶 系统 的 工作 模型 。 :s 所 有 别 位 分 子 中 调节 的 变化 可 以 想象 是 由 两 种 状态 之 间 的 来 回 变更 而 产生 的 。 多 聚 体 是 由 许多 单位 构成 的 (图 中 表示 两 个 单位 )3 多 聚 体 与 底 物 (还 可 能 和 活化 剂 ) 结 合 呈 松弛 态 ， 而 起 催化 作用 ; 当 多 育 体 与 抑制 剂 结合 时 , 呈 紧 张 状态 ,这 时 酶 失去 对 底 物 的 敏感 性 而 呈 抑 制 状态 。 某 一 种 信号 的 结合 能 促使 平衡 倾向 于 这 边 或 那 边 ， 和 但 还 是 保持 分 子 的 对 称 性 。 率 随 底 物 浓度 的 增加 而 增加 , 双 曲 线 是 这 种 反应 速度 曲线 的 特点 ， 这 种 双 曲 线 反 映 了 底 物 和 酶 反应 的 第 一 步 是 底 物 结合 在 酶 的 特殊 “ 位 点 上 ， 当 底 物 浓度 增加 时 ， 有 限 的 酶 分 子 的 这 种 特殊 位 点 越 来 越 多 地 被 底 物 所 占有 。 几 乎 所 有 的 位 点 被 底 物 占 有 时 ， 反 应 速率 不 再 上 升 ， 曲 线 趋 平 ， 因 而 整个 曲线 呈现 出 双 曲 线 的 形状 。 但 是 具有 调节 功能 的 酶 并 不 准确 按照 这 种 情况 表现 为 双 曲线 型 ,它们 Ay Hh 2x Fi Fit ze S- 型 的 。 具有 S- 型 特点 的 酶 - 底 物 反应 速率 曲线 是 FE JE 构 型 的 调节 酶 的 共同 特点 。 当 观察 到 调节 酶 的 这 种 饱和 曲线 时 ， 人 们 早已 注意 到 具有 多 亚 基 结构 的 人 的 血红 蛋白 和 氧 结合 的 饱和 曲线 的 特点 了 (图 12-11)。 血 红 蛋 白 是 结构 基本 相似 的 四 个 单 亚 “ 基 的 聚合 体 (cc88)。 其 功能 在 于 每 个 亚 基 都 能 与 一 个 氧 分 子 结 合 。 在 肺 和 组 织 之 间 传 递 氧 ， 功 能 与 血红 蛋白 一 致 ， 但 结构 仅 是 与 血红 蛋白 的 一 个 亚 基 相 当 的 肌 红 蛋白 〈 存 在 于 肌肉 ) 的 氧 结合 曲线 却 是 简单 的 双 曲 线形 式 ， 从 而 最 早 地 说 明 亚 基 之 间 的 相互 作 用 可 以 改变 形状 ， 从 而 影响 功能 。 从 血红 蛋白 的 SA Se A 可 以 看 出 ， 第 一 个 亚 基 与 氧 结合 以 后 ， 可 以 改变 整个 分 子 的 构 ， 型 ， 增 加 了 其 余 亚 基 对 于 氧 的 亲和力 。 而 第 二 及 第 三 亚 基 与 氧 结 458 上 PR 7 en De ee eee ， 售后 同样 增加 分 子 内 其 余 亚 基 的 亲和力 。 恰 如 在 氧 分 子 之 间 为 了 ， 使 它们 都 能 和 载体 结合 而 起 着 一 种 协同 作用 一 样 。 因 此 氧 起 着 自 ” . 身 结 合作 用 的 调节 信号 的 作用 。 aes 同样 ， 协同 作用 也 可 能 是 许多 调节 酶 的 结合 活性 S- 型 曲线 上 的 关键 。 苏 氨 酸 脱 氨 酶 亦 具 有 这 样 的 特性 (图 12-12)。 这 特性 ”所 酸 降低 到 一 个 极 低 的 水 平 ， 细 胞 就 不 能 合成 蛋白 质 ， 所 以 缺乏 SSRI, ANNE 工 - 异 亮 氨 酸 就 是 白白 浪费 。 因 此 苏 氨 酸 不 A, BAP ILM 工 - 蜡 亮 氨 酸 的 合成 将 会 被 细胞 这 种 十 分 经 。 。 济 的 控制 体系 所 终止 。 换 名 话说， 除非 苏 氨 酸 增加 到 赣 值 浓度 以 “上 上 ， 和 否则 苏 氨 酸 脱 氨 酶 不 被 活化 ,也 不 合成 工 - 异 亮 氛 酸 。 在 这 种 ， ”情况 下 ， 苏 氨 酸 既是 底 物 ， 又 是 反应 的 活化 剂 ， 它 起 着 调节 信号 的 作用 。 另 一 方面 , 工 - 异 亮 氨 酸 对 苏 氨 酸 脱 氨 酶 的 反馈 抑制 作用 fy SNR ZED, 调节 信号 工 - 异 亮 氨 酸 的 浓度 在 阔 值 以 上 时 才能 显示 出 来 。 a A & A 、 B a oe 100 oa 80 Pco, =61.3mmH Fe) 二 >” Pco, = 39.7mmHg . aa ; i ee Pco, = 25.5mmHg tr 60 FE 40 40 2 B 20 40° 60 80 100 120 146 Bo Smmbs 80,100 120 140 6 Po -mmHg 图 12-11 血红 蛋白 和 肌 红 蛋白 与 氧 的 结合 曲线 A 为 血红 蛋白 与 氧 结合 的 曲线 ， 呈 S- 型 。 说 明 当 氧 和 四 个 亚 基 的 一 部 分 结合 后 ， 对 氧 的 亲和力 有 所 增加 B, 肌 红 蛋白 为 一 单 肽 链 ， 相 当 于 血红 蛋白 的 一 个 亚 基 ， 它 和 和 氧 结 合 的 曲线 表现 为 体现 质 So 量 作用 的 双 曲 线 : ”关于 具有 多 亚 基 四 级 结构 的 调节 酶 功能 的 另 一 个 很 好 的 例子 息 大 肠 杆 示 的 天 冬 氨 酸 转 氨 EA ie Ze Wi (aspartate transcarbamy 459 ay an te ee Pe eg 7 大 m 4 . 的 生理 功能 同样 是 明显 的 。 假 如 在 细胞 中 作为 这 种 酶 的 底 物 的 苏 、 苏 氨 酸 的 活化 作用 酶 活性 (总 百分数 ) L- 异 亮 氨 酸 的 抑制 作用 L- 异 亮 氨 酸 或 苏 氨 酸 浓度 : 图 12-12 异 亮 氨 酸 和 苏 氨 酸 对 苏 捞 酸 脱 氨 酶 活性 的 影响 COOH - COOH ~S NHe N He CHe ! CHs ATCase O 一 C 和 =C CH P CH | nw’ > vo, yy COOH: HeN COOH H A. PRE BERR 天 冬 氮 酸 氨 甲 酰 天 冬 氨 酸 外 / Zeo~ / N CH 4 / ‘ees C= ¢ CH \ ve N _ ®-O-O-0—Cks H H H | OH OH CTP 图 12-13 大 肠 杆菌 中 喀 啶 合成 途径 末端 产物 CTP 对 天 ey 4. Tee PB OS. CHEE SFP A 5 RG fe FP FEAR SBR 的 反馈 抑制 图 解 。 460 iat eh a ciate ag A Re exes mars, ALE a i ok ee eee poh! Tise ATGase)， 这 是 喀 啶 核 背 酸 合成 的 第 一 个 酶 。 ATCase 的 活性 能 被 其 代谢 途径 的 末端 产物 之 一 胞 Be BE ， ， 三 磷酸 (GTP) 所 抑制 〈 不 是 全 部 ) CLAW 12-13), ATCase 的 性 质 见 图 12-14， 该 酶 已 被 分 离 并 纯化 相当 纯度 ， 其 沉降 常数 是 11.8 S ,分 子 量 接近 300000 道 尔 顿 。 它 可 以 进一步 ”“ 解 离 成 5.8 S 和 2.8 S 的 两 种 组 成 成 分 。5.8 S 部 分 具 有 催化 活 ， FE, TH 2.8S 部 分 能 够 与 GTP 结合 。 当 5.8 S 亚 基 与 2.8S 部 分 ss SBS, CTP 就 不 能 抑制 酶 的 俱 化 活性 ， 但 是 当 这 两 部 分 重新 组 二 合 时 ， 则 酶 的 催化 活性 重 又 对 CTP 表现 出 敏感 来 。 v 力 ATCase 对 ASP 的 亲 和 和 ATCase 活 性 (速度 ) et (a) AS 了 浓度 (b) AS PHREE es ee. pr 尿素 处 理 的 ATCase a ( 解 聚 的 ) - 8 a s- FIR ATCase | : SU) O e < (c) AS P 浓 度 vd) 2Z.8S 5.9S Hie, Ds BE BBE a i 图 12-14 RAMA ERG (ATCase) iy HEIR _ @) 天 冬 氨 酸 (ASP) 是 ATCase 底 物 之 一 。 由 S 型 曲线 表明 ， 随 sy ASP 浓度 增长 ， ATCase 的 亲和力 协作 性 地 增长 。(b) 象 对 AT- BS . Case 的 亲和力 一 样 。ASP HK, ATCase 的 活性 增长 ，CTP infil ATCase 活性 ， 但 不 能 全 部 ; ATP 增加 其 活性 。(c) KAKA : ATCase 反应 速度 曲线 呈 SY, ZENA Dalal HE, AER T AORN Bee 速度 曲线 呈 双 曲线 型 。 Cd) 密度 梯度 离心 分 离 出 具 催化 活性 的 亚 基 及 与 CTP 结合 的 调节 亚 基 两 部 分 。 461 * 具有 催化 活性 的 5.8 S 部 分 是 每 个 单 体 的 分 子 量 为 35000 道 尔 顿 的 三 聚 体 ， 其 中 每 个 单 体 具 有 一 个 与 底 物 结合 的 〈 催 化) 位 ks SG CTP AGH 2.8 S 部 分 是 每 个 单 体 的 分 子 量 为 17000 道 尔 顿 的 二 聚 体 ， 每 个 单 体 结合 一 个 CTP 分 子 。 完 整 的 ATGase 是 一 个 杂 合 多 聚 体 (hetero multimer), HAMM 65% FE 5.8S 部 分 ， 约 35% 是 2.8 S 部 分 ， 这 和 下 列 的 单 体 一 低 聚 体 的 关系 相符 合 〈 参 见 图 11-15)。 e2 2 S3——e, Sg 图 12-15 ATCase 的 解 聚 He Cid TAA 〈 或 叫 调节 亚 基 )，S 是 催化 单 体 (或 称 俊 化 亚 基 )， 而 eRe 是 天 然 的 天 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰基 酶 〈 图 12-15). 在 天 然 的 ATGase PH, BAMA DIMA BIEN. 也 即位 于 和 蛋白质 的 分 别 不 同 的 部 位 上 ，GTP 的 调节 作用 不 是 GTP - 对 活性 位 点 的 直接 影响 所 造成 的 ， 而 是 CTP 结合 到 e 亚 基 上 ,这 童 号 通过 。 多 肽 链 传递 到 s 亚 基 ， 然 后 影响 到 活性 位 点 。 也 就 是 CTP 的 调节 作用 是 由 于 ATCase 的 四 级 结构 的 间接 作 FA, (参见 图 12-16), 462 12-16 ”由 调节 亚 基 与 催化 亚 基 构成 的 杂 合 多 聚 体 调 Se 节 酶 的 变 构 抑 制 现象 示意 图 表示 由 两 个 亚 基 组 成 的 酶 分 子 其 活性 部 位 恰 和 底 物 〈 由 三 角形 RO) 契合。 较 小 亚 基 缺 乏 和 底 物 结合 的 部 位 ， 但 却 能 和 最 终 产物 〈 圆 形 代 表 ) 结 合 ， 使 此 亚 基 结构 发 生变 化 ， 转 而 导致 催化 亚 基 变 形 ， 使 不 能 和 底 物 契合 。 这 样 酶 的 功能 受到 它 所 催化 的 反应 的 最 终 产 物 的 抑制 。 除 此 之 外 ， 多 亚 基 酶 调节 催化 活性 的 方式 是 多 种 多 样 的 ， 如 NADase (裂解 NAD 酶 类 ) 及 色 氨 酸 合成 酶 等 ， 但 其 调节 作用 的 机 制 尚 不 十 分 清楚 ， 不 过 可 肯定 的 是 也 都 与 酶 蛋白 的 变 构 现象 AR. 关于 对 调节 酶 的 认识 ， 可 以 总 括 起 来 表述 为 ，@ 调节 酶 一 “ 般 在 该 代谢 产物 的 第 一 步 或 处 于 代谢 途径 的 分 枝 点 上 ， 并 受 最 终 产物 的 强烈 抑制 或 者 一 般 地 还 受 其 第 一 步 反 应 的 底 物 的 活化 ; 加 所 以 调节 酶 一 般 是 变 构 蛋白 ， 具 多 亚 基 的 四 级 结构 ; © 中 间 产 物 不 影响 调节 酶 的 活力 ， © 调节 酶 后 面 的 酶 的 活性 对 最 终 产物 是 不 敏感 的 。 ” 如何 认识 一 个 酶 是 否 是 调节 酶 ， 在 离 体 的 条 件 下 则 可 根据 © 酶 反应 速 度 曲线 和 底 物 浓度 的 关系 曲线 是 双 曲线 还 是 S- 型 的 ， 调 池 酶 应 是 S- 型 的 ，@ BRAM (如 POMB), WEE 白质 多 聚 体 解 离 因 素 处 理 后 ， 调 节 酶 即 失去 调节 功能 ， 但 一 般 并 不 丧失 其 催化 活性 。 可 用 两 点 来 判断 。 463 Pr. 分 枝 合成 途 f 双 的 反馈 调节 模式 (—) BEER Hi mee 象 前 面 已 经 提 到 的 由 苏 氨 酸 合成 工 - 异 亮 氛 酸 或 是 由 ATP 加 _PRPP 开始 合成 组 氨 酸 的 途径 那样 不 分 枝 的 合成 体系 ， 未 端 产物 “ (L- 异 亮 氨 酸 或 组 氨 酸 ) 作 为 反馈 抑制 第 一 步 反 应 的 酶 的 活性 或 起 到 整个 合成 途径 有 关 酶 的 合成 的 阻 遏 作用 的 信号 ， 已 充分 地 满 足 了 控制 系统 的 需要 。 但 是 这 种 不 分 枝 合成 途径 可 能 只 是 在 局 部 “ 上 看 来 是 这 样 ， 而 在 整体 上 可 能 是 一 个 分 枝 合成 途径 的 一 个 分 枝 。 所 以 ， 许 多 合成 途径 具有 两 个 或 更 多 个 末端 产物 。 在 这 种 情 、 形 中 ， 未 端 产物 的 反馈 抑制 作用 要 比 简单 的 不 分 枝 的 合成 途径 复 杂 。 一 个 分 枝 合成 途径 例如 产生 两 个 氨基 酸 (图 12-17)， 显 然 二 个 氨基 酸 (如 了 E) 的 过 剩 抑制 了 这 个 途径 的 催化 第 一 步 反 应 A 的 活性 将 同时 阻止 另 一 个 未 端 产物 氨基 酸 ( 如 G ) 的 继续 合成 。 换 名 话说， 假如 培养 基 中 外 源 的 氨基 酸 卫 的 存在 ， 将 同时 阻止 氨基 酸 G 的 内 源 性 合成 ， 那 么 生长 将 停止 。 事 实 上 ， 各 未 闯 产 物 对 分 枝 合成 途径 的 各 自 的 特异 的 合成 途径 的 第 一 个 酶 行使 着 反馈 控制 的 功能 ， 这 样 ， 氨 基 酸 也 过 剩 控制 酶 d, 该 单一 途径 的 第 一 个 酶 。 同样 氨基 酸 G 过 剩 ， 将 控制 酶 上 的 活性 。 多 个 末端 产物 对 俱 化 合成 过 程 的 公共 步骤 ( 即 A> 了 ~ G) 的 第 一 个 酶 5 的 控制 ;在 微生物 中 已 发 现 一 系列 不 同 的 反馈 控制 机 制 ， 这 些 机 制 既 保 证 了 对 整个 合成 途径 的 有 效 控制 ， 又 不 致 发 生 代谢 调节 控制 上 的 混 乱 。 所 以 下 面 所 讨论 的 是 分 枝 合成 途径 公共 途径 调节 酶 的 反馈 抑 制 的 模式 和 实例 。 1. 同 功 酶 同 功 酶 是 指 以 两 种 或 更 多 种 形式 出 现 的 但 是 催化 同一 反应 的 ié, on 图 12-18 所 示 。 酶 工 和 酶 2 AAEM IL A> BR MY Tal Sys, HG 1 特异 地 受 末端 产物 卫 的 反馈 抑制 ， 而 酶 2 特异 地 受 另 一 个 未 端 产物 G 的 反馈 抑制 。 当 产物 卫 过 剩 时 ， 它 仅 抑制 对 其 敏 464 ates ie oe x igh ee eas ies ae 5 oe a RE Sk 9 A ) Peters, wat fo ahem ere: : D aie ip MRSS \ g X\ me: BS ot OR eS bar xcs 图 12-17 “分 枝 的 代谢 途径 ， ” 感 的 酶 工 的 活性 ， 而 酶 2 继续 催化 由 A > B 的 反应 ， 同 时 为 了 防 二 上 正 由 B 和 G 继 续 合成 也 ,在 分 枝 点 上 有 第 二 个 反馈 控制 步 又 受 末 。 端 产物 也 的 控制 ， 而 A 可 以 顺利 地 由 B 、G 经 了 到 G 进 行 合成 。 从 而 使 也 的 过 量 既 控制 了 不 继续 合成 卫 又 不 干扰 G 的 合成 。 显 然 ， 相 反 的 情形 亦 是 如 此 。 a es ee et Gn EE OOP Ot OF One OED ce am ome ame ed coe E oe 和 1 I ~~ -----H A B "fp 酶 2 Pesan 32) ; Peo cee ea inh 12-18 ， 同 功 酶 的 反馈 控制 对 一 些 生物 合成 途径 ， 同 功 酶 形式 是 一 种 有 效 的 调节 控制 横 式 。 在 大 肠 杆菌 中 利用 天 冬 氨 酸 合成 赖 氨 酸 、 和 蛋氨酸 和 苏 氨 酸 及 ““ 蜡 亮 氨 酸 的 高 度 分 枝 的 合成 途径 中 就 有 三 种 天 冬 氨 酸 激酶 和 两 种 ”高 丝氨酸 脱 氢 酶 的 活性 ， 分 别 受 不 同 的 未 端 产 物 反 馈 抑制 (图 12- 19). | 不 但 如 此 在 上 述 途径 中 ， 天 冬 氮 酸 激酶 工 和 高 丝氨酸 脱 氢 酶 工 实际 上 是 一 个 酶 催化 的 , 即 是 一 个 能 够 催化 两 种 不 同 反应 的 酶 ， 465 peat ih | | a KAMP Da | | 下 天 冬 氨 酸 半 醋 | 本 Te ee bea meee ES aa i | Female ¢ ; | 4 : | ne re 高 丝 气 酸 -P 4S Loreen apaegaeme 蛋氨酸 1 HA TR oe [a a= | 图 12-19 大 肠 杆 菌 天 冬 氛 酸 族 氛 基 酸 合成 代谢 的 调节 控制 称 作 双 功 能 酶 ， 天 冬 氨 酸 工 和 高 丝氨酸 脱氧 酶 开 则 是 另 一 个 双 功 能 酶 。 同 功 酶 的 实例 很 多 ， 例 如 ， 大 肠 杆菌 及 产 气 气 杆 菌 的 芳香 族 皂 基 酸 合成 途径 ， 亦 是 同 功 酶 起 重要 调节 功能 的 例子 。 而 且 ， 这 种 精心 调节 方式 不 仅 限 于 合成 途径 ， 在 分 解 途径 及 合成 与 分 解 的 ， 共同 途径 的 有 关 酶 都 有 可 能 以 同 功 酶 起 调节 作用 。 2. 顺序 反馈 抑制 (sedquential feedbackiuhibition) 图 12-20 顺序 反馈 控制 模式 图 466 图 12-20 所 表示 的 是 末端 产物 控制 的 另 一 种 模式 ， 枯 草 杆菌 的 劳 香 族人 氨基 酸 的 生物 合成 是 基于 上 述 控制 模式 的 。 这 个 机 制 中 | ”催化 第 一 个 公共 步 又 的 酶 是 单一 的 酶 ， 它 对 末端 产物 中 的 任何 一 ”人 不 的 反馈 控制 都 不 敏感 ， 因 为 这 一 步 又 是 受 一 中 间 产 物 (化 合 物 iC) 的 反馈 控制 的 。 此 外 ， 这 个 分 枝 途径 的 第 一 个 发 散步 又 G ~> 了 及 G~ 卫 的 反应 分 别 受 各 自 的 末端 产物 马 及 G 的 反馈 控制 。 当 ERG 都 达到 过 剩 时 ， 中 间 产 物 G 就 可 能 积累 ， 从 而 使 GC 达 到 能 ” 够 起 到 反馈 抑制 公共 步 又 1 的 浓度 而 使 整个 反应 停止 。 如 图 12-21 所 示 ， 色 氛 酸 \ 苯 丙 氨 酸 , 酷 氨 酸 合成 的 开始 发 散 PER EN AR * ; oh . Ii BEE-4-(P) Bee ose 9 DAHP | 名 气 酸 — -一 -一 草草 酸 (Shikimatey) 分 枝 酸 (Chorismate) | FMR (Prephenate) et Se eae as IT RD SIE IETS A | ad 蔡 丙 氨 酸 mae 图 12-21 枯草 杆菌 的 芳香 族 氨 基 酸 合成 的 顺序 反馈 控制 467 Ri vee ee ae eee ee ee De ee * iy PR EA I I, A TERRADNAR. 53S Hh aly PE TE 第 一 个 公共 反应 步骤 。 粘 章 杆菌 的 这 一 顺序 反馈 控制 机 侧 还 以 分 枝 酸 变 位 酶 及 苦 章 酸 激酶 两 种 同 功 酶 的 形式 加 以 补充 。 come RTM, (Ae ETN FREI. FAR SPEAR AE AT 枝 酸 和 予 葵 酸 所 抑制 。 3。 协 同 反馈 控制 (concerted feedbackinhabition) ~~ ei Ate ee BE ns | La ee ae FER Gn Sees Sees eee cieeee eames emu ic 图 12-22 协同 反馈 抑制 模式 协同 反馈 换 制 亦 称 多 价 反 馈 抑 制 (multi valent feedback — ”inhabition)， 见 图 12-22, Aw 在 途 径 中 未 端 产物 的 任何 一 个 都 不 能 单独 影响 起 始 的 公共 反应 步 晴 ,但 是 当 两 者 同时 过 剩 时 ， Mie = 们 合作 共同 作用 于 起 始 步骤 的 酶 如 图 所 示 , 当 补充 以 发 散步 又 被 各 自 的 末端 产物 所 反馈 控制 这 样 的 方式 之 后 ， 这 种 机 制 保证 了 分 枝 合成 途径 的 有 效 的 调节 控制 。 这 样 的 例子 可 见于 Rhodopseud- 一 omonas capsulata 和 多 粘 杆菌 的 天 冬 氨 酸 族 氨基 酸 的 合成 。 特别” 是 应 用 于 赖 氨 酸 或 苏 氨 酸 发 酵 生 产 的 谷 氨 酸 棒 杆 菌 亦 是 这 种 反馈 抑制 起 主要 的 调节 作用 (图 12-23)。 4。 积 累 反 馈 抑 制 (cumulative feedbackinhabitiow) 与 协同 反馈 抑制 机 制 不 同 ， 在 积累 反馈 抑制 (图 12-24) 中 ， 每 一 最 终 产 物 能 够 单独 地 抑制 共同 步 邓 的 第 一 个 酶 ， 这 酶 对 所 有 468 Sik a AAS Ics AA, ALAS A, ESATA 图 12-23 谷 氨 酸 棒 杆 菌 中 天 冬 氨 酸 族 氨 基 酸 的 协同 反 ， 图 12-24 积累 反馈 抑制 模式 图 er ee 469 Ao * . : - Oo . =) ‘ 7 = fig roy ‘2 é “oe ” Vom = > PPO BD wont es ee ee i ad sh din i ve ky ~P4 : ict By pe “J as iNT, ee 4 Sa 2 ie os Sion “ hy ea? ee ee ee 中 谷 氨 酰胺 是 合成 其 他 许多 产物 包括 AMP、GTP、 RGM -P, ARAN PRES Hy EO EI (I 12-25), | pais s Ct SAT ry eS GE FLA ee AE RAR RA AR oe FE VE WED AI ME HE Bs BR Hy a 2S SE OR A A A ” 除 此 之 外 ,还 观察 到 丙 氨 酸 `、 甘 氨 酸 单独 亦 对 谷 氨 酰 胺 合成 性 有 抑制 作用 ， 并 参与 积累 性 的 反馈 抑制 作用 。 as CAMRIMNE, BRILL RSA, fetes a core eee CTP | oe (Se ) Se ii. 20-9 | | | ~~ tre SS ppg ] 寺村 | | 和 ie | | a ae | : : —— SRR+ATP+ NH,* . 图 12-25 HF 9 OC RE ER HE . re 5. 32 VE IR Tit HH fil] (synergistic f eedbackinhabition) — ae : bf; ae ee VF | | 二 | : La ie le | 一 | 着 或 全 图 12-26 ” 增 效 性 反馈 抑制 模式 470 ee oe ee ee se =e Be” Ute |) oe eee” FS ae = . i ATP eS ae So hn ol 和 有 Car | 办 sig Fo os as uN ees ve! nw , , ‘ , ; 12-26 是 一 种 既 不 同 于 协同 反馈 抑制 ， 又 不 同 于 积累 反馈 抑制 的 模式 。 当 各 自 的 来 端 产 物 单独 存在 时 ， 对 公共 反应 步 又 的 “第 一 个 酶 的 抑制 作用 是 轻微 的 ， 但 当 孔 、G 两 个 未 端 产 物 同时 存 在 时 ， 其 既 不 能 使 第 一 个 共同 步 又 的 酶 全 部 抑制 ， 但 抑制 的 程度 又 超过 上 例 积累 性 反馈 抑制 所 显示 的 程度 。 这 类 增 效 抑制 作用 首先 在 6- 氨 基 和 6- 酮 基 的 叶 叭 核 昔 酸 的 生 物 合 成 的 调节 中 观察 到 。 两 类 核 苷 酸 各 自 能 够 抑制 谷 所 酰胺 磷酸 核糖 焦 磷 酸 氨 基 转 移 酶 的 活性 ， 这 是 俱 化 合成 嘎 叭 核 背 酸 的 第 一 个 酶 。 资 料 表明 这 个 别 位 酶 包含 有 分 别 与 这 两 类 叶 吟 核 背 酶 结合 的 位 点 。6- 酮 基 的 味 叭 核 苷 酸 的 混合 物 (GMP+IMP, GMP+ GPP) 或 含有 6- 氨 基 的 嗓 叭 核 背 酸 的 混合 物 (AMP+APP) 不 能 产生 有 效 的 抑制 作用 。 但 是 6- 氨 基 和 6- 酮 基 的 嗓 叭 核 苷 酸 的 混 Sty (GMP + AMP 或 AMP+IMP) 则 引起 强烈 抑制 。 在 地 衣 杆 - 菌 (bacilluslichiniformis) 中 谷 氨 酰 胺 合成 酶 亦 表现 为 增 效 性 抑制 作用 。 | } 6. 活化 和 抑制 的 联合 作用 (combined oactivation and inhibi- tion ) Alt, 2S RAS eee AS 完 全 独 立 的 代谢 途 径 ， 这 样 的 情况 可 用 氨 甲 酰 磅 酸 这 样 一 个 既是 精 氨 酸 合成 又 是 喀 喧 核 背 酸 合成 的 共同 中 间 产 物 来 说 明 (图 12-27) 。 在 大 肠 杆 菌 中 ， 这 个 中 间 产 物 是 由 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 催化 的 ， 它 被 喀 啶 途径 的 代 谢 物 UMP 别 位 地 抑制 ， 又 能 被 精 氨 酸 途 径 的 中 间 产 物 鸟 AB 别 位 地 活化 。 假 如 培养 基 中 所 利用 的 喀 啶 得 到 供应 ,细胞 内 UMP Hee, MAR PRR A RA, BR PRM 的 不 是 而 造成 鸟 气 酸 的 积累 ， 转 而 活化 这 个 酶 ， 这 样 合成 的 氨 甲 酰 磷酸 能 够 用 来 转化 成 精 氨 酸 。 相 反 ， 假 如 精 氨 酸 过 剩 ，N- 乙 酰 谷 氨 酸 合成 酶 将 被 精 氨 酸 反馈 抑制 ， 结 果 细 胞 内 鸟 氛 酸 浓度 下 Be, BP REAR A ARNT HE PP. (=) 分 枝 合 成 途径 中 末端 产物 的 反馈 阻 歇 作用 471 as 一 一 S88 > AR 一 一 we 时 WH ake say wt Ae ‘ - ay ta > Ad 让 Pa nih bY DAS fi.) A “a nee we OS on Carte As os 本 . crys ~~ ML Ve “9; i o-* * 7 ‘ llr ad 让 me md 4 ‘ i a 5 - ee MCA 和 5 这 Pee ee atl Gy ¥, + ri P ‘ah te) hie Y, Pt , i been ‘ = , Sat ary . rs on Au pee te L ieee a 站 ae Be BN. 0 Cee ‘ Vite ane -,. 有 7 é 4 Y 1 大 a | 0s 杂 ， eee 5 Wir ry i % yo wt, . 和 8 ae ie LA ban ac ine 四 = aus 7 和 mw TY ; . oe . ¢ — 人 2 了 RS 站 年 | 过 人 rift wes ~ A ree ro AY AS ® ee Pe * 他 a iy " > 天 本 LP * ae » he sie , > MP Ps “G oom _ | AY Pt eS 3 Pr. , , Weer she ’ Ms | 天 in : (A Sea . 于 a ws ~ ° 7 al Tiger ‘ ans me, Ne Aah 欧 a ¥ pe ed: i FY, ¢ « 到 a a to | pat 1 ‘ wx A 1 2 | ‘ pe ve 人 了 一 “we 天 , * ’ Liat oo. rr ‘- « 4 - a se 4 Wo Tee vl far a ttl \ + bs a» 六 ii es ed 4 ( 了 ) ‘ie eet Ohi tt Ae, Far Odo ee PS " ’ o ” 4. Bader ait de 4 , aa > » -* 4 J ee; sad oa a ee 只 | : 2 3 - ‘ ae tp 呵 < — ot } 人 二 as my, tn ° Ne ated CII 2 P , oe | : 7S ape . — ai at on = 有 Ah ory poe ot Sad 天 和 所 | HR HMe—— UY -< ppt en Sa a fea Sie 图 12-27 Nw FF ES OR A TS HE 一 -一 抑制 作用 ”~ 一 人 > 活化 作用 分 枝 合成 途径 中 酶 合成 的 阻 遏 作用 象 反 馈 抑 制 一 样 ，: 是 复杂 多 样 的 。 TO 氨 酸 或 被 胞 喀 啶 核 昔 三 磷酸 (GTP) 部 分 地 阻 遏 ， 然 而 当 这 时 存在 时 ， 其 合成 完全 被 肯 过 。 这 样 ， 这 个 关键 的 别 位 酶 受 两 个 末端 产物 独立 地 调节 ， 但 发 现 这 两 个 末端 产物 的 任何 一 个 对 氨 甲 酰 磷 酸 合成 酶 没有 抑制 效应 。 reas 在 同 功 酶 的 情形 中 ， 受 各自 未 端 产物 反馈 抑制 的 酶 的 合成 ， 同样 受 各 自 的 末端 产物 反馈 阻 遏 ( 见 表 12-2)。 hee Ze 12-2 大 肠 杆菌 天 门 冬 氛 酸 激酶 的 调节 二 阻 过 作用 效应 物 | RA SRILA NE Sa: REAR AG I 蛋氨酸 KA nue 472 270. we ae Le > “从 以 上 不 同 反馈 抑制 的 讨论 可 以 看 出 生物 体 细胞 分 枝 合成 途 | ， 径 ( 或 与 分 解 途径 ) 中 调节 问题 的 复杂 性 方面 ， 方 式 是 多 样 的 ， 有 。 ” 关 最 终 产物 与 调节 酶 (这 里 主要 指 公共 途径 的 第 一 个 酶 ) 相 互 作用 ”志和 制 亦 是 复杂 的 。 即 使 是 生产 菌株 ， 有 许多 细节 尚 然 不 是 清楚 的 。 了 解 各 工业 微生物 代谢 途径 具体 的 反馈 调节 线路 ， 以 便 设计 “和 筛选 具体 的 抗 反馈 调节 突变 种 是 极为 重要 的 理论 指导 方面 。 七、 微生物 中 几 种 效应 的 调节 控制 解释 (一 ) 糖 代 谢 的 调节 与 巴 斯 德 效应 首先 是 葡萄 糖 ， 其 次 是 脂肪 酸 几乎 是 一 切 生 物 能 量 和 细胞 构 ”造物 质 的 主要 来 源 ， 所 以 糖 代 谢 和 脂肪 代谢 是 代谢 的 枢 扭 ， 是 提 供 细胞 能 源 和 碳 源 的 根本 途径 。 图 12-28 所 示 是 糖 代谢 和 脂肪 代 “ 谢 的 过 程 调 节 控 制 主要 环节 。 可 以 看 出 ， 糖 代谢 和 脂肪 代谢 是 协 调 的 。 糖 能 转化 成 脂肪 ， 而 脂肪 酸 (CBE GoA) 亦 能 控制 糖 的 分 解 代谢 。 糖 代谢 〈 包 括 脂 肪 酸 代谢 ) 并 没有 特定 的 或 真正 的 代谢 ”未 端 产 物 ， 在 某 种 意 议 上 来 说 ， 却 可 将 ATP 视 为 其 唯一 的 末端 产物 。 而 AIP 又 是 生物 体 一 切 需 能 反应 的 直接 推动 者 , PA ATP 的 产生 与 消耗 是 不 断 发 生 的 。 一 个 生物 体 的 能 量 储备 情 训 可 从 ATP, AMP 这 些 物质 的 消长 情况 来 衡量 。 能 荷 (energy charge) 的 概念 即 是 生物 细胞 中 AT P-ADP-AMP 系统 中 可 供 利用 的 高 能 磷酸 键 的 量度 , 它 等 于 ([ATP]+1/2[ADP])/(LAMP]+[LADP] 十 LAIEJ)。 假 如 腺 苷 酸 全 部 以 ATP 的 形式 存在 , 其 值 等 于 “1”， 假如 爹 部 以 AMP 形式 存在， 其 值 等 于 0” 。 生 物体 细胞 中 糖 代 谢 和 脂肪 代谢 是 主要 产能 过 程 , 其 中 间 产 物 如 柠檬 酸 乙 酰 GoA 等 亦 能 起 一 定 的 调节 剂 的 作用 ， 但 在 调节 控制 中 起 决定 作用 的 调节 file ATP, AMP 等 反映 能 荷 的 物质 ，ATP 对 产能 过 程 起 Ak ean A EA, AMP 则 起 着 活化 的 作用 。 - 糖 酵 解 是 糖 代谢 的 主要 途径 ， 酵 解 过 程 本 身 要 生成 ATP， 473 因而 是 生物 体 细胞 在 无 所 条 件 下 提供 能 量 的 主要 途径 。 同 时 酵 解 途径 又 是 在 有 氧 条 件 下 以 呼吸 的 方式 获取 能 量 的 必 经 途径 之 三 。 体 细胞 由 丙酮 酸 经 三 奖 酸 循环 可 以 获取 更 多 的 能 量 。 因 此 从 能 量 、 利用 来 说 糖 酵 解 是 一 个 需要 控制 的 过 程 。 生 物体 这 种 自身 调节 控 制 酵 解 过 程 的 主要 表现 即 是 上 一 世纪 已 被 观察 到 的 现象 一 巴 其 德 效应 。 巴 斯 德 在 研究 酵母 菌 的 酒精 发 酵 时 ， 发 现在 有 氧 的 条 件 下 ， 2 OE OS Oe 8 ERS OR FS Oe HE Oe Oe oe OE Os OS Ne OS Ot GE OE OS fen Oe een ee em oe oe Oe UDP -G FRR. FE-6-P 二 一 >G -6 -PS 一 >G -1-P 一 -一 多 - a+ ------- AMP rf ADP, AMP, P, ah : ~~ / OP a oe ; | Se ae : | ER ee > RE 一 四 一 } CHCoOS SN “CH,COS CoA I err : t : AFIBECO A A | ska Sa ae ! rte Bec: i neato | 1 VRA RAR ra} | | Rem } x Py ae | | Wo AK "Ae Z t 1 ae o- R= 琥珀 酸 ee | Ps Xerces neem SAR 图 12-28 主要 生 能 代谢 的 能 荷 调节 作用 --- 一 促进 ， 活 化 ----x 抑制 Dre ovate te tel es ee FAP RA, GC PMR OR EA HE A BR : 巴 斯 德 效应 只 在 兼 性 嫌 气 微生物 中 才能 发 生 ， 而 且 几 乎 一 切 兼 性 ” 嫌 气 的 微生物 中 都 能 观察 到 这 种 效应 对 代谢 的 影响 ， 包 括 谷 氮 酸 棒 杆 菌 的 谷 氨 酸 发 酵 。 关于 巴 斯 德 效应 的 解释 是 长 期 以 来 试图 解决 的 问题 。 例 如 开 ” 苔 人 们 认为 是 氧 直接 换 制 了 酒精 发 酵 的 酶 系统 ， 因 此 使 酒精 发 酝 的 速度 降低 。 但 是 在 加 呼吸 抑制 剂 (如 KGN) 或 氧化 磷酸 化 解 偶 “ 联 剂 (如 DNP) 时 即使 有 氧 存 在 ， 发 酵 作 用 仍 照 常 进行 ， 糖 的 利 用 并 不 降低 ,一 这 就 有 力 地 驱 斥 了 氧 抑制 的 说 法 。 其 后 的 解释 认为 是 细胞 浆 和 线粒体 之 间 ADP 磷酸 化 作用 相 互 影响 的 结果 。 在 糖 酵 解 和 有 氧 氧 化 中 都 有 ADP 的 磷酸 化 生成 ATP 的 作用 。 但 是 酵 解 过 程 中 ADP 的 磷酸 化 是 底 物 水 平 磷酸 化 ， 与 酵 解 过 程 一 样 是 在 细胞 浆 中 进行 的 。 而 线粒体 是 细胞 呼吸 的 重 要 场所 ， 氧 化 磷酸 化 作用 亦 在 线粒体 上 进行 。 因 此 当 氧 气 供应 充 ， 足 时 ， 线 粒 体 对 ADP 及 王 的 亲和力 更 大 ， 而 且 耗 量 更 大 ， 抢 先 利用 了 ADP 和 了 ii。 这 样 便 削 弱 了 细胞 浆 中 ADP 的 磷酸 化 作用 从 而 抑制 了 糖 酵 解 的 过 程 。 线 粒 体内 氧化 磷酸 化 的 结果 生成 很 多 ATIP， 按 理应 加 强 酵 解 过 程 第 一 步 一 一 葡萄 糖 的 磷酸 化 。 实 际 上 则 相反 ， 在 糖 的 有 氧 氧 化 加 强 时 ， 葡 萄 糖 的 摄取 也 降低 。 为 什么 会 出 现 这 种 矛盾 现象 呢 ? 认为 是 隔离 作用 的 结果 。 因 为 氧化 磷酸 化 生成 的 ATP 在 线粒体 而 葡萄 糖 的 磷酸 化 在 细胞 浆 内 无 法 供应 后 者 。 因 此 呼吸 作用 的 结果 不 仅 无 丙酮 酸 ( 乳 酸 或 乙醇 ) 的 积 标 而 ” 且 葡 萄 糖 的 磷酸 化 亦 减 慢 ， 葡 萄 糖 的 摄取 亦 降低 。 从 氧化 磷酸 化 作用 及 隔离 效应 方面 来 考虑 似乎 对 巴 斯 德 效应 取得 了 比较 合理 的 解释 ， 并 由 加 入 Pi 的 方法 亦 取得 了 解除 巴 斯 德 效 应 的 效果 。 其 实 这 种 解释 也 是 不 能 满意 的 。 素 有 生物 电池 之 称 的 线粒体 积聚 的 ATP 难道 不 能 提供 细胞 浆 需 能 反应 的 需要 ， 需 知 生物 合成 过 程 绝 大 多 数 是 在 细胞 浆 中 进行 的 ， 包 括 蛋白 质 的 475 As 站 ah a de eM EB ER EAT us 明之 后 ， 巴 斯 德 效应 才 得 到 合理 的 解释 。 如 前 所 述 ，ATP 是 糖 、 的 彻底 氧化 过 程 的 对 细胞 唯一 可 以 利用 的 未 端 产 物 (GO; BR ASA a 用 ， 但 总 的 是 排出 ) ,所 以 对 酵 解 过 程 的 控制 实际 是 未 端 产物 ATP - 的 反馈 控制 作用 ， 由 对 酵 解 过 程 的 控制 而 达到 对 整个 糖 的 代谢 的 控制 。 现 已 清楚 糖 酵 解 过 程 中 的 果糖 磷酸 激酶 是 一 个 关键 酶 ， 此 酶 催化 FE-6-P 一 >E-1-6-P 的 反应 。 此 酶 的 活性 受 ATP 的 反馈 抑制 ， 而 这 种 抑制 作用 又 为 AMP、ADP、Pi 等 所 解除 。 因 此 不 VO PEM ARN RAL WA, PETC, BCR IL, 控制 着 整个 糖 代谢 过 程 。 POPOL A BARA 降低 则 是 由 于 果糖 激酶 的 活性 受 ATP 抑制 从 而 使 了 6-P 和 SG 6-P 积累 ， 由 G-6-P 对 葡萄 糖 激酶 的 抑制 所 造成 的 。 此 外 腺 嘎 叭 核 寿 酸 在 细胞 内 由 于 一 种 酶 的 催化 而 处 于 平衡 状 态 。 ATP+AMP=—2 ADP ia ee 因此 当 ATP 浓度 高 时 ，AMP 的 浓度 就 大 大 降低 。 在 ATP 供应 a 充分 的 条 件 下 ，AMP 的 浓度 是 低 的 ， 细胞 这 时 能 够 利用 由 简单 oe 的 前 体 合成 糖 类 ， 从 而 储存 其 底 物 。 当 ATP HET RA, itt AMP 浓度 上 升 ， 这 时 从 能 量 利用 角度 应 使 贸 的 合成 抑制 。 对 糖 的 合成 具有 专 一 性 反应 的 是 将 16- 二 磷酸 果糖 水 解 成 果糖 -6- 磁 PR, VERE ORANG, 发 现 这 个 酶 是 受 AMP 强烈 抑制 的 。 (二 ) 二 次 生长 现象 与 可 诱导 体系 的 阻 遏 一 一 葡萄 糖 效应 Gale( 一 九 四 二 年 ) 以 及 Monod( 一 九 四 二 ， 一 九 四 七 年 ) 等 在 研究 大 肠 杆 菌 对 各 种 不 同 混合 碳 源 的 利用 时 发 现 了 三 次 生长 (di- auxie) 现 象 。 当 以 葡萄 糖 或 其 他 单一 的 碳 源 培 养 大 肠 杆 菌 ， 蓝 的， 生长 表现 为 正常 的 生长 单一 曲线 。 如 以 葡萄 精 和 另 一 矶 源 如 山梨 糖 醇 作 混合 矶 源 时 , 则 出 现 二 次 生长 现象 (图 12-29), 这 说 明 葡 萄 ， oe Ae Ze TAR A LL, oa 476 。 完 之 后 ,才能 利用 山梨 糖 醇 而 生长 。 其 中 间 停 止 生长 阶段 ,可 以 解 — 释 为 诱导 酶 的 生成 时 期 。 这 种 现象 在 微生物 中 广泛 存在 ， 被 称 作 “- “葡萄 糖 效应 ?, 但 是 一 系列 证 据 表明 所 谓 葡 萄 糖 效应 ( 即 葡 萄 糖 阻 ”过 诱 导 酶 合成 的 效应 ) 并 不 是 由 于 葡萄 糖 本 身 而 是 由 于 葡萄 糖分 ” 解 过 程 产生 的 一 种 或 多 种 分 解 物 的 作用 。 显 著 的 理 田 可 从 这 种 效 “应 不 只 限于 葡萄 糖 ， 而 是 在 其 他 不 同 糖 类 的 利用 上 也 都 有 类 似 的 ”现象 ， 一 种 优先 被 利用 的 糖 类 的 分 解 产物 阻 过 利用 另 一 物质 的 分 解 酶 类 的 产生 。 3 . : a oe - eee 70 RS : . BS 50 Reem Bier ws 30 ae ase 10 hes Be. BB 12-29 大 肠 杆 菌 在 含有 不 同 浓度 葡萄 糖 和 山梨 糖 醇 的 ee 合成 培养 基 中 所 表现 的 二 次 生长 现象 Se A—# EI 8H 50 2/m1， 山 梨 糖 醇 150 y/ml Ye B 一 葡萄 糖 100 /ml， 山 梨 糖 醇 100 y/ml ae | C—i tj BF 150 /ml， 山 梨 糖 醇 50 y/ml 曲线 中 的 数字 代表 每 次 的 生长 量 。 到 目前 为 止 ， 关 于 这 种 分 解 物 阻 歇 的 机 制 还 没有 完全 明确 地 ， 确立 起 来 。 但 是 自从 发 现 cAMP ( 环 -AMP) 分 子 及 其 在 生物 调 RIED, WP 肯 定 这 种 分 解 物 阻 歇 的 调节 作用 与 cAMP 43%, cAMP 在 高 等 生物 激素 调节 作用 中 起 的 第 二 信使 的 He. ARATE LIE cAMP 在 大 肠 杆菌 的 许多 诱导 酶 的 合 。 成 是 必要 的 。 这 个 结论 的 证 据 来 自 不 能 合 成 cAMP 的 突 变 体 。 ”这 种 突变 种 不 能 在 乳糖 、 半 乳 精 上 生长 ， 而 且 也 不 能 在 其 他 一 些 477 糖 上 生长 。 而 添加 cAMP 后 则 恢复 了 在 所 有 这 些 糖 上 的 生长 能 力 ( 表 12-3) 。 表 12-3 分 解 物 阻 遏 作用 与 cAMP 的 关系 ]acmRNA 相对 合成 速度 TPTG* IPTG + Hi 4B 12 10 IPTG + @ 4 HE + cAMP 119 82 * IPTG: 蜡 丙 基 C-D- 硫 代 半 乳糖 苷 。 cAMP 不 是 一 个 诱导 物质 ， 它 不 同 于 诱导 物 在 于 通常 诱导 息 对 操纵 子 是 特异 的 ;而 cAMP 则 作用 于 许多 操纵 子 .cAMP 刺激 了 Me SLPTE m-RNA 是 由 于 增加 了 转录 作用 的 起 始 频率 。cAMP 作 为 酶 合成 的 激活 剂 的 机 制 的 模式 (图 12-30)。cAMP 不 是 直接 作 用 于 操纵 子 的 发 动 子 位 置 ， 而 是 与 另 一 个 中 间 物 一 一 cAMP 受 体 蛋白 (CAMP receptor protein) 形 成 复合 物 ， 然 后 这 个 复合 牺 再 作用 于 发 动 子 DNA。 关于 cAMP 在 细胞 内 浓度 的 调节 机 fill 15 RAN RR ATP 形 成 的 细胞 内 cAMP 的 浓度 与 ATP 的 浓度 显示 相反 方向 的 变 化 , 因此 生长 在 快速 利用 的 物质 上 的 细胞 CAMP ie BEE AIR £89» 而 生长 在 缓慢 利用 的 物质 上 时 ，cAMP 浓度 则 上 升 。 改 变 cAMP 度 的 可 能 途径 有 ， 第 一 种 方法 是 最 直接 的 ， 即 抑制 或 激活 cRNMEP 翡 酸 二 酯 酶 。 第 二 种 控制 方法 仅 在 细菌 中 发 现 cAMP 能 由 细胞 内 向 细胞 外 培养 基 输出 ， 这 第 三 种 方法 是 通过 控制 腺 苷 酸 环 化 栈 的 活性 。 在 大 肠 杆菌 中 ， 葡 萄 精 代 谢 物 阻 坎 腺 些 酸 环 化 酶 的 活性 从 而 降低 CAMP 的 浓度 ， 许 多 正常 的 细胞 代谢 物 已 知 是 抑制 腺 背 酸 环 化 酶 活性 的 ， 而 其 他 一 些 则 起 增强 其 活性 的 作用 。 478 ; Tey ara st i ikens.. 3828 0 > SRReS et CRPRNARAH 核糖 核 蛋白 体 AED s. = 图 12-30 cAMP 53H TH ROKA 12-30 表明 大 肠 杆菌 的 无 细胞 系统 中 发 生 的 一 系列 过 程 1 r FLAT RNA RAW, SPM, BAM CRP (可 逆 地 与 a “ 活 强 糖 操纵 子 起 点 处 的 发 动 子 位 置 时 ， 转录 准备 开始 ; 2 RNA FE 全 栈 结合 到 发 动 子 位 置 上 准备 以 正确 的 顺序 把 三 磷酸 核 音 连接 起 上 开始 组 全 乳糖 代谢 的 酶 ， 4 如 果 另 一 种 RARE .位 置 但 是 由 于 阻 过 物 阻 止 RNA 聚合 酶 与 转录 的 起 始点 接触 所 以 ss aS 479 Cs cAMP 结合 ) AISLONCMIOARL, 4 CRP 和 *AMP 的 复合 物 激 来 转录 开始 ; 3 转录 进行 ,核糖 核 蛋白 体 结合 到 转录 中 的 mRNA 结合 到 操纵 基因 位 置 (在 无 诱导 物 存在 的 条 件 下 ) ， 那么 尽管 GRP_ cAMP 复合 物 可 以 激活 起 始 作 用 ，RNase 亦 可 以 结合 到 RAE 转录 仍然 不 能 进行 。 分 解 物 阻 遏 作用 在 抗菌 素 发 酵 的 调节 控制 中 有 重要 意义 ， 许 “ 多 抗 苑 素 发 酵 中 存在 着 明显 不 同 的 阶段 ， 快 速生 长 的 阶段 和 抗菌 素 产 生 的 合成 阶段 。 不 少 抗菌 素 只 在 合成 阶段 产生 。 生 长 阶段 的 特 点 是 范 体 的 快速 生长 中 就 包括 多 种 营养 料 的 平衡 的 吸收 和 利用 ， 与 此 同时 中 间 代 谢 产 物 的 积 款 很 少 。 当 营养 料 中 任何 一 种 , 如 易 利 用 的 糖 , 气 或 磷 消 耗 到 一 定 程度 时 即 成 为 限制 因素 ;从 而 使 生长 速 度 减 慢 ， 同 时 菌 体内 某 些 中 间 产 物 迅 速 积 累 ， 原 有 酶 活力 的 下 降 以 及 新 酶 的 出 现 等 导致 生理 阶段 的 转变 。 抗 菌 素 发 酵 中 ， 在 生长 停止 ， 合 成 阶段 开始 ,新 酶 出 现 的 例子 很 多 。 例 如 青 堆 素 发 酵 申 ， 转 酰 酶 活力 的 上 升 和 青 霍 素 合成 能 力 的 出 现 相 联系 。 又 如 链 霉 素 合成 中 转 有 基 反应 以 及 杆菌 肽 放 线 菌 素 等 的 合成 中 ， 关 键 的 合成 酶 也 都 在 生长 末期 出 现 。 上 述 合成 阶段 新 酶 的 出 现 以 及 抗菌 素 的 产生 ， 在 很 多 情况 下 都 和 快速 利用 的 矶 源 如 葡萄 糖 的 消耗 密切 相 联系 着 。 例 如 青霉素 发 酵 以 乳糖 和 和 葡萄糖 为 矶 源 时 ,只 有 后 者 消耗 完了 ， 前 者 利用 时 才 有 青 霍 素 产 生 。 显 然 碳 源 的 缓慢 利用 是 合成 青 堆 素 的 关键 ， 因 为 不 加 乳糖 而 将 葡萄 糖 流 加 也 可 以 提高 抗菌 素 的 产量 。 除 青霉素 外 ， 应 用 混合 碳 源 以 提高 产量 的 发 酵 很 多 ， 例 ， AW Ee a A LFA i ed BE AE PLE, Sk Fd A 核 黄 素 应 用 葡萄 糖 和 麦芽 糖 。 在 混合 碳 源 发 酵 中 ， 绥 慢 利用 矶 源 的 优越 性 不 是 由 于 任何 合成 前 体 的 形成 。 现 在 比较 一 致 的 观 束 是 葡萄 糖分 解 产 物 的 存在 ， 阻 过 了 次 生物 质 的 合成 酶 的 生成 从 而 抑 制 了 抗菌 素 的 产生 。 显 然 抗菌 素 发 酵 两 个 生理 阶段 的 存在 大 都 是 由 于 葡萄 糖 的 分 解 物 阻 坎 所 引起 ， 阻 遏 解除 后 ， 合 成 阶段 才能 开 始 。 在 少数 情况 下 ， 葡 萄 糖 对 产物 合成 的 不 利 影响 可 能 是 分 解 物 抑制 作用 。 480 第 三 节 CWRBEMEUR 谢 调节 的 措 置 过 程 ”和 具 物 体 细胞 如 何 利用 能 量 以 及 物质 在 细胞 中 转化 〈 包 括 物 质 的 复 天 过 程 , 经 过 了 半 个 多 世纪 的 努力 已 经 确立 下 来 了 ， 成 为 所 谓 “ 代 谢 图 谱 >。 在 这 一 段 时 间 里 一 直 存 在 着 “ 一 种 模糊 的 观念 ， 认 为 这 些 过 程 中 必须 有 某 些 机 制 调 廿 反应 的 速 at aad ele agi le “ ” 度 和 原料 供应 作 唯一 控制 因子 。 事 实证 明 是 不 切实 际 的 。 在 这 些 。 代谢 途径 还 没有 确立 之 前 是 不 可 能 对 调节 代谢 速率 的 机 制 进行 研 Fei. 但 是 ， 在 这 段 时 间 里 陆续 积累 了 不 少 有 关 调 节 机 制 的 线 。， 索 。 由 于 对 各 类 生命 物质 的 代谢 途径 和 酶 体系 积累 了 较为 完善 的 知识 ， 代 谢 的 研究 进一步 从 定性 转 和 定量、 由 分 析 转 入 综合， 由 个 别 过 程 的 研究 转 入 普通 联系 和 相互 制约 的 研究 。 从 而 对 在 上 述 诸 种 情况 下 发 挥 作用 的 重要 调节 机 制 已 经 和 弄 清 杷 了 。 这 些 机 制 总 结 和 比较 于 表 12-4。 8 应 该 指出 ， 关 于 代谢 调节 十 多 年 来 ， 已 经 获得 了 丰富 的 A 识 ， 今 后 将 会 有 重要 而 引 人 人 胜 的 新 知识 的 出 现 而 丰富 这 一 领 域 。 揭 示 细 胞 的 目 身 调节 机 制 不 仅 在 于 揭 罕 生命 之 谜 ， 而 且 在 发 酵 生 六 和 医学 实践 上 有 重大 意义 。 在 发 酵 生产 中 和 弄 清 楚 发 酵 产 物 在 菌 体内 的 合成 过 程 , 有 时 会 有 助 于 提高 产量 。 例 如 知道 茶 乙 酸 是 青霉素 合成 的 前 体 之 一 ， 在 培养 基 中 加 入 葵 乙 酸 就 可 显著 地 提高 ”青霉素 产量 。 但 加 入 前 体 的 方法 并 不 是 到 处 都 行 得 通 的 ， 例 如 在 sO WLR RM PINAR, SARI, RRM SHIKAI 不 能 提高 肌 苷 酸 产 量 。 相 反 ， 有 些 不 是 前 体 物质 却 对 发 酵 有 很 大 影响 ”如 培养 基 中 加 入 腺 嗓 叭 浓度 过 高 ， 对 肌 苷 或 肌 苷 酸 发 酵 有 Mn (A, ABM MARAE AMIE, texte Pas -成 有 诱导 作用 等 等 。 这 些 差 别 现在 并 不 难 理解 。 481 细菌 中 主要 的 调节 机 制 及 实例 表 12-4 Pte es Re 地 FR m 在 科学 中 ， 发 现 新 情况 ， 研 究 新 问题 ， 建 立新 思想 是 十 分 重 要 的 。 例如 ， 六 十 年 代 , 在 有 关 爹 需 素 合成 机 制 和 积累 的 研究 中 ;十 于 忽视 了 从 代谢 调节 控制 机 制 上 来 探讨 问题 而 只 是 依据 质量 作用 变化 ， 以 我 们 说 在 科学 研究 中 不 应 当 满足 于 一 般 的 经 验 知识 ， 我 们 要 勇于 从 实践 中 所 和 科学 的 发 展 中 吸取 新 的 资料 和 选择 有 意义 的 思想 方法 。 ° 因此 走 了 弯路 应 的 学 反 五 十 年 代 开 始 ， 生 物化 学 家 逐渐 从 研究 中 间 代 谢 的 过 程 转 入 482 定律 来 看 待 生物 化 “到 研究 代谢 途径 的 调节 和 控制 问题 ， 这 与 控制 论 的 思想 方法 明确 运用 于 生物 学 的 研究 有 关 。 其 实 微生物 的 发 酵 生 产 过 程 绝 大 多 数 ”是 用 各 种 方法 打破 微生物 原 有 的 代谢 平衡 ， 在 使 微生物 代谢 建立 起 新 的 平衡 而 又 保证 其 适当 生存 的 条 件 下 ， 为 人 类 积累 某 些 必 要 的 产品 ， 是 属于 控制 微生物 代谢 的 一 种 措 置 过 程 。 从 而 使 古老 的 工业 微生物 发 酵 进 入 了 一 个 新 的 历史 阶段 一 一 代谢 控制 发 酵 。 从 六 十 年 代 开 始 ， 代 谢 调 节 控 制 在 氨基 酸 核 苷 酸 等 发 酵 上 的 应 用 ， 已 经 看 到 了 十 分 显著 的 效果 ， 是 生物 化 学 研究 领域 中 理论 指导 实 ” 践 ， 从 而 推动 了 生产 发 展 的 光辉 例证 。 突破 微生物 的 自我 调节 控制 机 制 ， 而 使 代谢 产物 积 标 的 有 效 “ 措 置 有 三 种 ,第 一 是 应 用 营养 缺陷 型 菌株 。 在 这 些 缺 陷 型 菌株 中 ， < 由 于 合成 途径 中 某 一 步骤 发 生 缺 陷 ， 合 成 反应 不 能 守成， 最 终 产 “ 物 不 能 积累 从 而 解除 了 反馈 调节 作用 而 使 中 间 产 物 积累 或 另 一 分 枝 途 径 的 末端 产物 得 到 积 款 ;第 二 选 育 抗 反馈 调节 的 突变 菌株 ， 因为 这 些 菌 株 不 再 受 正常 反馈 调节 的 影响 ， 最 终 产 物 能 够 积累 ; 第 三 种 方法 是 改变 细胞 膜 通 透 性 ， 不 使 最 终 产物 在 细胞 内 积 款 到 引起 反馈 调节 的 浓度 ( 见 图 12-2)。 以 上 三 种 有 关 菌 种 的 生理 条 件 是 十 分 重要 的 ， 是 使 氟 基 酸 、 核 背 酸 等 微生物 自身 必需 物质 过 度 PAW KW Re, AB. 此 外 ， 发 酵 的 环境 条 件 如 PH, NHs， 氧 的 供应 ， 营 养 浓度 的 控制 ， 表 面 活性 剂 的 使 用 等 亦 都 非 ti HE 工业 发 醇 已 经 迅速 地 从 艺术 进入 了 科学 。 新 方法 学 的 代表 者 ”Demain 一 九 六 六 年 曾 恰当 地 描述 过 : 谁 珍 视 微 生物 学 的 , 生 物 化 学 的 ， 以 及 最 重要 的 是 微生物 和 它 的 人 工 (man-made) 环境 之 间 的 遗传 关系 ， 谁 将 获得 报酬 ?现在 ， 在 氨基 酸 ， 核 苷 酸 等 的 发 酬 方 面 已 经 最 明白 不 过 地 证 实 了 他 的 描述 。 483 a RU Da te tell Se NWRAERBTRS DWAR KAA, WABI RH ied “1 28 fil 9 BV BE ak Pe A Pts EBA TG al. EB ee 业 所 使 用 的 育种 以 及 饰 选 的 方法 也 都 与 以 往 所 使 用 的 菌 种 及 常规 饰 选 方法 根本 不 同 。 由 于 首先 明确 了 有 关 代 谢 途 径 中 反馈 调节 的 存在 ， 所 以 可 以 由 代谢 调节 控制 的 理论 指导 ， 选 育 所 需 的 特定 遗 传 类 型 的 突变 戎 株 ， 这 种 微生物 突破 了 自身 的 调节 机 制 ， 在 积 索 大 们 所 需 代 谢 产物 方面 是 合乎 要 求 的 。 一 、 减 低 末 端 产 物 浓 度 营 养 缺 陷 型 及 其 在 生产 上 的 应 用 所 谓 营 养 缺陷 型 (auxotrophic type, X ) 是 指 原 菌株 因 基 因 突 变 〈 一 般 为 合成 途径 的 某 一 单一 结构 基因 突变 ) 致使 合成 途径 出 现 茶 种 缺陷 ， 造 成 微生物 必需 的 某 种 营养 物质 不 能 自身 合成 的 突 变型 。 这 是 一 种 减低 或 消除 末端 产物 以 解除 反馈 控制 的 措施 二 例 如 用 于 简单 代谢 途径 的 乌 氨 酸 或 瓜 气 酸 积 需 ， 以 及 分 枝 代谢 途径 的 IMP 或 XMP 的 积累 ， 这 些 都 是 中 间 产 物 ， 也 有 用 于 分 装 代 “于 WE EAT DRAM, WAR, MAM, ARE. BIR 陷 型 突变 菌株 常 以 所 需 营养 物质 的 头 三 个 字母 表示 ， 如 蛋氨酸 缺 _ 陷 型 表示 为 met ， 而 相应 的 野生 型 则 表示 为 met”, ee ae 般 都 要 经 过 诱 变 剂 处 理 ， 淘 汰 野生 型 ， X 的 检 出 和 X 的 具体 营养 要 求 的 鉴定 。 在 饰 选中 一 般 要 使 用 三 种 培养 基 ,， 分别 是 : 只 能 满足 野生 型 生长 要 求 的 合成 培养 基 ， 叫 做 基本 培养 基 (M.M.); 为 满足 特定 X 需要 在 M,M. 培养 基 基础 上 补 加 了 某 种 营养 物质 的 培养 基 叫 补充 培养 基 (CS. M.); 而 将 能 满足 各 种 不 同 X 营养 要 求 的 培养 基 叫 做 完全 培养 基 〈G.M.)。 不 同 苗 具 有 不 同 营 养 要 求 ， 因 而 基本 培养 基 也 各 不 同 ， 例 如 大 肠 杆 484 MM. HEAL APL TR EA ft MM. WAGE, FEALER AER, ARE GS BI RAE BN ARS ， 定 营 养 缺 陷 型 的 饰 选 与 检 出 任务 。 经 诱 变 处 理 后 的 培养 物 分 离 在 ， 完全 培养 基 中 ， 待 长 出 菌落 后 将 它 印 影 或 逐个 检 出 ) 在 基本 培 … 。 养 基 上 ， 观 察 在 完全 培养 基 中 能 够 生长 ， 而 在 基本 培养 基 中 不 能 二 ”生长 者 可 能 为 营养 侧 陷 型， 选 出 这 种 菌落 进一步 由 补充 培养 基 确 ”证 和 检定 是 哪 种 营养 缺陷 型 。 二 急 气 酸 发 本 Coe 利用 精 氛 酸 营养 缺陷 型 arg -实现 鸟 氨 酸 的 积累 是 利 用 营养 。 “使 陷 型 菌株 发 酵 生产 的 第 一 个 氨基 酸 。 严 格 说 来 能 使 鸟 氨 酸 积累 ”的 应 称 瓜 氨 酸 营养 缺陷 型 (cit )( 图 12-31)。 。 。 “。 岛 氛 酸 是 精 氨 酸 合成 途径 的 中 间 产 物 。 在 这 个 简单 的 合成 途 ， ， 径 中 终 产 物 精 氨 酸 对 N- 乙 酰 谷 氛 酸 -5- 磷 酸 转 BME 〈 催 化 N- 乙 ARR We N-ZONE) 有 反馈 抑制 作用 。 这 个 菌株 ”的 瓜 氨 酸 缺 陷 型 ( 鸟 氨 酸 转 氨 甲 酰基 酶 的 基因 突变 ) 失去 了 合成 ， 。 瓜 氨 酸 的 能 力 ， 因 此 精 氨 酸 不 会 积累 ， 这 就 解除 了 精 氨 酸 对 N- 乙酰 谷 氨 酸 -5- 磷 酸 转移 酶 的 反馈 抑制 ,只 要 供给 少量 精 氨 酸 以 控 IVER, HBR RAKES RB 2, AFR) 5 LEB IMP) & ， ， 味 聆 核 背 酸 的 生物 合成 是 一 个 分 枝 的 途径 〈 图 12-32), HB ”“ 酸 核糖 焦 磷酸 (PRPP) 在 PRPP 转 酰 氨 酶 催化 下 ， 转 化 成 磅 酸 核 糖 胺 (PRA) 开 始 到 IMP 产生 是 味 叭 核 昔 酸 合成 的 公共 步骤 ， 然 后 开始 分 枝 ,在 产 胺 短 杆 菌 中 形成 单 向 分 枝 合成 途径 ,而 在 枯草 杆 WP, FER AMP SRA GMP 合成 酶 (XMP 氨 化 酶 ) 的 存在 ， 所 以 形成 闭合 的 环形 分 枝 合成 途径 , AMP 和 GMP 可 以 通 过 中 间 产 物 IMP 而 相互 转化 。 在 味 叭 核 背 酸 的 合成 途径 中 ， 由 于 AMP 和 GMP 都 对 起 始 步 又 的 PRPP 转 酰胺 酶 有 反馈 抑制 作 。， 用 ， 所 以 细胞 内 中 间 产 物 IMP 含量 不 可 能 很 高 。 不 能 用 这 样 的 二 菌株 生产 肌 背 酸 。 根 据 图 12-32 所 示 反 馈 调 节 机 制 可 以 确定 ， 如 485 Be eae GMP 让 ae AMP 5 GMP 对 其 公 其 j 全 B= 步 的 酶 的 反馈 抑制 存在 着 某 种 协作 的 机 制 ， 即 使 GMP ae 反馈 抑制 不 能 Silk. 718i “以 选 育 Ade 营养 催 陷 型 是 有 利于 IMP BBA, HR, eT 味 聆 缺陷 型 (gua ) 则 不 能 达到 有 效 积累 IMP 的 目的 。 25 L-Gae Bi-CoA . eu: re | N -乙酰 谷 氨 酸 ee ATP a es Se ADP ee at N-ZBt- I-A Reta fan | NADPH ys | ee ee | _N- 乙 酰 谷 氨 酸 -并 半 醛 | SRM Spite N- 乙 酰 鸟 氨 酸 ; p—Hooc -crt | 鸟 氨 酸 | | | | | | ee: a 了 A Ce 年 加 yi， 上 ~ 一 一 -一 一 WAR St oe m+ 486 i cranaamen Ra, 所 以 读 茵 一般 用 发 酵 。 而 产 氨 短 杆菌 积累 IMP 一 般 首先 在 体 外 积累 次 黄 、 后 在 分 段 合成 补救 合成 ) 酶 的 催化 下 重新 合成 IMP。 PRPP 谷 氨 酰胺 sk | reser ang 一 一 一 一 一 一 “一 一 FE | J _— ae yey | 和 ai ‘ E : asd ae i. eas oo aes | r = ee ae 图 12-32 ARCHERS BH Ao TT Pus axene BAMBI, Bt HAMA ie EE HL FRE I 487 个 或 两 个 末端 产物 合成 的 缺陷 而 使 另外 的 末端 产物 得 到 积累 号 HE 中 最 典型 的 例子 是 用 高 丝氨酸 营养 缺陷 型 (Hserz ) 或 苏 氨 酸 营养 缺陷 型 (thz ) 戎 株 而 达到 赖 氨 酸 的 积累 。 这 一 高 度 分 枝 的 合成 途 径 在 大 肠 杆菌 中 ， 公 共 途 径 第 一 个 酶 天 冬 氛 酸 激酶 是 分 别 受 三 全 末端 产物 控制 的 三 个 同 功 酶 ， 这 样 的 调节 模式 用 作 发 酵 生 产 情况 比较 复杂 。 谷 氮 酸 棒 杆 菌 的 天 冬 氛 酸 激酶 是 单一 酶 ， 并 且 受 赖 所 酸 和 苏 氨 酸 的 协同 反馈 抑制 〈 图 12-33)。 所 以 ， 选 用 高 丝氨酸 营养 缺陷 型 突变 菌株 在 限量 补充 高 丝氨酸 的 条 件 下 既 可 全 部 解除 SHAR, 蛋 所 酸 异 亮 所 酸 及 赖 氮 酸 对 公共 途径 的 反馈 控制 作 用 ， 又 使 天 冬 氛 酸 半 醛 这 个 中 间 产 物 全 部 转 入 赖 氨 酸 的 合成 。 所 以 这 样 的 调节 机 制 是 比 同 功 酶 线路 更 有 利于 赖 氛 酸 的 积累 。 谷 氢 酸 棒 杆 菌 的 苏 近 酸 营养 缺 唤 型 同样 能 很 好 积 标 赖 氨 酸 ， 但 实际 上 产量 要 比 用 Hser 的 低 得 多 。 aes 和 赖 氨 酸 结 构 类 似 的 硫 赖 所 酸 LS-(e- S HE TE) -L--B PE 酸 ](AEG) 对 细菌 表现 出 微弱 的 毒性 ， 在 苏 气 酸 存 在 时 ， 其 毒性 显著 加 强 ， 赖 氨 酸 存在 时 则 抑制 作用 减弱 。 在 苏 氨 酸 存在 时 ， 以 谷 氨 酸 产 生 菌 作为 亲 株 选 育 对 硫 赖 气 酸 具有 抗 性 的 突变 株 ， 该 抗 性 菌株 的 天 冬 氨 酸 激 酶 不 再 受 赖 氛 酸 和 共 氮 酸 的 协同 反馈 抑 制 ， 和 上 述 营养 缺陷 型 一 样 ， 可 以 积累 大 量 赖 气 酸 。 如 由 黄色 短 。 杆菌 选 育 出 的 两 株 AEC" 菌株 FA-1-36, FA-3-1U — RATER 产 酸 为 30 殉 / 升 。 二 、 抗 代谢 物 类 似 物 突变 种 的 饰 选 与 应 用 用 降低 末端 产物 浓度 的 方法 来 促进 某 中 间 产 物 的 积 票 【如 上 例 1、2) 或 用 降低 一 个 或 两 个 末端 产物 的 浓度 来 达到 另 一 个 终 产 物 的 积累 (如 上 例 3)。 但 是 ， 在 一 个 单一 的 代谢 途径 中 ， 希望 要 得 到 的 产物 就 是 终 产 物 本 身 (例如 精 氮 酸 )， 用 以 上 方法 就 达 不 到 目的 ， 也 就 往往 不 能 选用 营养 缺陷 型 方法 。 i Se Lt TW LC D-H 488 种 及 发 酵 生 产 的 另 -- 个 途径 。 在 多 数 情况 下 ， 与 营养 缺陷 型 的 饰 ” 选 相 配合 ， 是 -定向 " 选 育 高 产 菌 株 的 有 效 方法 。 一 般 说 来 ， 在 分 。 - 枝 合 成 途径 中 仅 用 抗 性 突变 往往 难以 达到 高 产 ， 首 先 必 需 选取 合 ”和 拥 的 营养 缺陷 型 ， 同 时 ， 又 选取 具有 一 定 抗 性 突变 的 菌株 产量 将 会 大 幅度 地 提高 。 所 谓 抗 代 谢 物 类 似 物 突变 即 是 对 反馈 抑制 不 敏感 或 对 酶 的 合 成 的 反馈 阻 遇 有 抗 性 ， 或 两 者 兼 而 有 之 。 前 者 一 般 发 生 在 调节 酶 的 结构 基因 突变 ， 后 者 则 是 由 于 调节 基因 突变 操纵 基因 突变 所 致 。 可 诱导 酶 体系 由 于 调节 基因 突变 或 操纵 基因 突变 ， 致 使 在 无 需 诱 导 物 存在 酶 就 能 被 合成 的 突变 叫做 组 成 性 突变 (Constitutive |NHs 站 天 冬 氨 酸 协同 反馈 抑制 a en on ee gg 区 4 天 冬 氨 酰 磷酸 | KA AE RE / : aL XC 两 醒 酸 | yoni ae Ee sorte: ae I \ | p= wake oy | | of No] 二 所 并 -本 | x | (DAP) | 14 N A os aos __ 赖 氨 酸 S - 腺 萌 基 蛋氨酸 Sere: es 异 亮 氨 酸 图 12-33 “ 谷 氨 酸 棒 杆 菌 的 反馈 调节 线路 ， 用 高 丝氨酸 缺陷 型 (Hser-) 积 累 赖 氛 酸 489 mutation), 抗 性 突变 的 饰 选 方法 最 常 使 用 的 是 梯度 平板 法 。 把 一 定 浦 度 的 代谢 物 类 似 物 加 入 培养 基 中 制 成 梯度 平板 ， 将 大 量 的 经 过 诱 变 处 理 的 菌 液 涂 布 在 梯度 平板 上 ， 如 果 抑 制剂 浓度 合适 ， 经 过 培养 就 会 出 现 这 样 的 图 象 : 一 侧 为 抑制 剂 浓 度 太 低 ， 不 足以 抑制 微 生 物 生长 的 部 分 ， 另 一 侧 浓度 过 高 ， 全 部 微生物 被 抑制 的 部 分 ， 中 间 出 现 的 个 别 菌落 便 是 抗 性 突变 型 菌落 。 it ttre 和 经 济 性 状 的 测定 。 另外 在 饰 选 抗 反馈 抑 制 的 菌 种 时 往往 用 营养 缺陷 型 的 回复 罕 变 的 方法 ,遗传 学 上 把 野生 型 突变 成 突变 型 叫做 正 向 突变 ,而 把 由 突变 型 突变 为 野生 型 称 为 回复 突变 。 就 回复 突变 的 机 制 来 说 不 尽 相同 ,但 在 回复 突变 中 原 突变 基因 真正 回复 原状 的 并 不 多 ,多 数 是 通过 突变 (在 别 的 位 点 又 发 生 突变 ) 使 变异 了 的 多 肽 链 再 次 改变 为 具有 部 分 活性 的 双重 突变 型 多 肽 。 它 们 往往 具有 半 野 生 型 表现 型 或 称 为 渗 漏 突变 型 (Leaky mnutcnt) 以 X? 表示 。 这 种 突变 型 在 代 谢 上 也 起 到 汇流 和 消除 反馈 抑制 或 阻 如 的 作用 。 如 高 丝氨酸 缺陷 型 生产 赖 氨 酸 ， 这 一 缺陷 型 不 仅 起 到 汇流 的 作用 ， 而 且 也 消除 了 反馈 抑制 和 阻 遏 。 工 业 生 产 上 如 以 回复 突变 的 方法 选 育 出 高 毕 氨 酸 活 漏 缺陷 型 ， 则 生产 上 可 不 加 高 丝氨酸 也 能 得 到 同样 的 效果 。 渗 漏 的 选 育 是 把 大 量 的 营养 缺陷 型 菌株 接种 在 基本 培养 基 上 ， 选 取 生 长 特别 缓慢 而 且 特 别 小 的 菌落 ， 尚 可 是 回复 突变 的 同 cage ian . 精 氨 酸 发 酵 ane. 的 不 分 枝 合成 途径 的 末端 产物 (BS 12-31)， 由 营养 缺陷 型 方法 无 法 积累 精 氨 酸 ， 所 以 只 能 借助 于 精 氨 酸 代谢 调节 发 生 了 缺陷 的 菌株 ， 即 用 抗 代谢 物 类 似 物 的 方法 ， 选 育 抗 工 - 精 氨 酸 结构 类 似 物 的 突变 菌株 抗 D- 精 氨 酸 ， 抗 精 氨 酸 sith ete, AA PIL, HEA ARATE KY 10150 (Tie-) 作 为 出 发 菌株 通过 一 系列 选 育 得 到 了 比较 高 产 的 精 氨 酸 产 490 “a t 其 中 遗传 特征 为 ‘aise D- Ser- ,D-Arg", D-Arghxz) 的 突 恋 - iH RP AR 19.6 毫克 /毫升 。 最 近 有 报道 在 一 些 谷 氨 酸 产生 菌 : ease, HEAT TA, RATE, AE ER fH AOL Ve RB o- WE WA Py 2A, We (2-thiazole alanine 2-TA) 的 变异 株 。 anne ， 比 变 异 株 在 含有 13% 葡 萄 糖 的 培养 基 中 ,可 以 生产 34.8 Se l/s 天 的 工 - 精 氛 酸 ， 此 外 还 可 副 产 瓜 氨 酸 。 2. FABRE : FDEM THAME ES RRR ” 菌 。 在 选用 Lys” 和 -Met- 的 菌 株 中 ， 由 于 苏 氨 酸 对 高 丝氨酸 脱 EE SOER, ULAR TARRORR. 经 诱 变 用 、 =a a -氨基 - -1- 羟 基 成 酸 (AHV) 一 一 苏 氨 酸 结构 类 似 物 饰 选 得 到 抗 AH 突变 菌株 ， 结果 黄色 短 杆 菌 的 Lys ，Met 十 AHV 菌株 大 AT BRIO RE, : a .第 五 细胞 通 透 性 的 调节 作用 及 其 在 发 酵 工 业 上 的 意义 ee 我 们 知道 ， 多 数 发 酵 产 物 是 在 微生物 细胞 - 内 合成 的 ， 要 经 过 细胞 膜 的 通 透 性 障壁 才能 排 到 培养 基 中 。 如 果 ， | 细胞膜 的 通 透 性 很 差 ， 发 酵 产 物 出 不 来 ， 在 细胞 内 积累 ， 无 论 是 ae 从 反馈 调节 机 制 或 是 反应 的 质量 作用 定律 来 说 都 将 影响 它 的 进 一 。 ， 步 含 成 ;无 法 提高 产量 。 代 谢 产物 如 谷 氨 酸 等 如 果 在 细胞 内 积累 ， “还 会 进一步 转化 成 其 他 产物 ， 取 得 细胞 内 各 种 代谢 物质 的 平衡。 重要 的 问题 ， 其 效果 是 显著 的 、 多 方面 的 。 细胞 的 内 环境 与 细胞 的 周围 环境 都 是 水 溶性 的 ， 很 难 设想 没 491 。 因子 ,获得 精 氨 酸 的 生产 菌 ， 最 好 的 结果 是 黄色 短 杆菌 的 乌 嗓 叭 ， 改变 细胞 膜 的 通 透 性 以 利于 代谢 产物 在 细胞 外 (培养 基 中 ) 的 - 3 由 此 看 来 ， 细胞 膜 对 代谢 产物 的 通 透 性 在 发 酵 工业 上 是 一 个 十 分 各 * "ta ee Pet Me tae 有 细胞 内 外 物理 界面 和 渗透 性 障壁 的 情况 下 会 表现 细胞 的 组 织 有 和， 结构 。 这 细胞 内 外 环境 的 渗透 性 障壁 即 为 细胞 质 则 ， 简 称 质 膜 或 细胞 膜 。 对 于 真 核 细胞 (如 高 等 动物 ) 除 细胞 质 膜 外 ， 还 有 各 种 外 围 各 种 细胞 器 的 膜 ， 如 线粒体 膜 ， 内 质 网 膜 ， 溶 酶 RR 等 ， 称 为 细胞 内 膜 ， 各 种 细胞 器 的 特征 功能 ， 严 格 地 取决 于 这 些 膜 所 具有 的 特殊 结构 与 功能 。 现 代 生 物 学 的 研究 表明 ， 生 物 膜 体 系 是 一 切 真 核 细胞 的 基本 结构 之 一 ， 而 细胞 质 膜 则 是 原 炉 细胞 (如 细菌 ) 的 生命 活动 中 心 ， 其 中 许多 功能 在 真 核 细 胞 中 是 由 各 释 细胞 内 膜 实行 的 。 而 对 原核 生物 来 说 ， 此 功能 则 在 细胞 质 膜 上 上进 行 。 因 此 ， 可 以 说 细胞 的 膜 系统 是 与 生命 的 本 质 相 关 的 重要 结 ， 构 。 ; Sa BLED JE: NS Sb RS A Te, 3 Pe ad SP | 界 环 境 进 行 物质 交换 和 信息 交流 的 接触 面 。 越 来 越 多 的 事实 证 明 ， 质 膜 绝 不 仅仅 起 到 限定 空间 区 域 的 作用 ， 而 且 直 接 或 简 接 地 参与 为 维持 生命 所 必需 的 重要 代谢 活动 及 其 调节 。 从 本 世纪 三 十 年 代 起 ， 就 对 细胞 膜 的 结构 不 断 提出 各 种 很 说 、 模 型 。 目 前 最 为 广大 科学 工作 者 所 赞同 的 ， 认 为 与 当前 所 未 得 的 实验 结果 一 致 的 是 所 谓 “ 脂 质 、 球 状 BA (图 12-34) 。 这 学 说 认为 细胞 膜 的 结构 是 ， 在 液态 的 脂 质 双 层 申 ” 镶 殿 着 可 以 移动 的 球状 蛋白 质 。 可 是 膜 所 以 不 溶 于 水 ， 主 要 是 它 一 含有 较 多 的 脂 质 。 因 此 膜 显然 是 水 溶性 物质 ， 如 人 金 RB. OP 氨基 酸 等 通 透 的 一 个 “屏障 >。 细 胞 中 脂 质 的 最 常见 成 分 是 脂肪 酸 , 即 链 长 达 16~20 双 数 碳 原子 的 直 链 烃 衍 生物 。 各 和 村 物 细胞 审 脂肪 酸 以 酯 的 状态 存在 ， 形 成 酯 的 醇 有 三 大 类 :，@ Hi, BRE 生成 甘油 三 酯 ， 即 中 性 脂肪 ，@ 磷酸 甘油 ， 酯 化 生成 磷 酯 ; @ 胆固醇 酯 化 生成 胆固醇 酯 。 这 三 类 酯 有 不 同 的 不 能 相互 取代 的 功 : 能 。 脂 质 在 很 多 组 织 及 细胞 中 是 选择 性 地 集中 在 膜 的 部 分 。 不 同 来 源 的 膜 的 构象 大 致 相同 ， 可 是 它们 的 化 学 组 成 及 复杂 性 却 各 不 相同 ， 很 多 细菌 的 膜 只 有 一 、 三 种 脂 质 ， 而 神经 细胞 和 叶绿体 都 492 = 23 图 12-34 RJR, BRR Eesha “人 A 一 表面 蛋白 ， 以 静电 引力 和 离子 键 连接 ， 易 洗 脱 ”了 一 蛋 Abtk 本 亲 水 端 外 露 ”C 一 蛋 白 横 跨 整个 膜 双 层 ， 中 间 。 为 朴 水 区 “D 一 完全 在 疏水 环境 中 ， 只 能 用 有 机 溶剂 溶出 斜 线 表 eee aa meet te a roan Es 磷脂 市 分 汪汪 时 夫 现 共 友 天 溶解 “于 有 机 介质 ， 又 能 在 某 种 程度 上 溶解 于 水 。 它 可 以 形成 具有 高 度 向 性 的 微 东 结构 。 磁 脂 怎样 影响 细胞 膜 的 稳定 性 ， 怎 样 决定 通 透 4 PeeeeR we TeLeM, a2 很 不 清楚 的 问题 。 很 可 能 这 些 分 子 的 运转 的 特异 性 存在 于 膜 脂 蛋白 的 蛋白 部 分 ， 但 是 磅 脂 通 过 对 各 自 质 空间 结构 的 特定 作用 也 可 及 5g 响 运转 的 选择 性 。 目前 关于 影响 膜 的 流动 性 即 膜 的 总 的 通 透 效果 方面 研究 较 多 的 是 关于 磁 脂 组 成 中 脂肪 酸 的 链 长 和 亿 和 程度 (图 12-35). ae 的 性 质 和 粘 秽 度 (无 论 是 液态 的 还 是 固态 的 ) 取 决 于 链 长 〈 碳 原子 。 数 ) 和 不 饱和 程度 ( 双 键 数 )。 主要 由 饱和 脂肪 前 构 成 的 猪 油 和 主 要 由 不 也 和 脂肪 酸 构成 的 杠 槛 油 可 列 为 脂肪 酸 结构 影 5 响 甘 油 三 酯 "scapes 双 键 的 引入 脂肪 酸 链 所 造成 的 主要 影响 “是 使 次 点 下 降 . 硬 脂 酸 在 室温 是 固体 ， 而 油 酸 则 为 液体 .变更 脂肪 不全 诺 可 凡生 人 人 及 有 和 从， ve See a da + ~_ tach — ; 49 3 “* 以 使 某 些 细胞 组 分 得 以 维持 恰当 的 物理 性 能 ， 以 适应 环境 温度 的 变化 。 很 早 就 知道 ， 生 长 在 较 冷 的 地 带 的 植物 种 子 ， 含 油 的 不 饱 ， 和 度 较 高 ， 这 显然 对 于 植物 的 生存 有 利 。 天 然 脂肪 所 含 脂肪 酸 国 来 源 不 同 而 异 ， 无 论 就 链 长 或 双 键 数 来 衡量 ， 都 是 种 类 极为 繁多 的 。 例 如 仅 就 一 种 生物 眼 虫 (eaglena grocilis) 来 说 就 有 53 FAAS 同 脂肪 酸 ,: 而 这 些 脂 肪 酸 的 比例 紧密 地 随 着 环境 起 变化 。 看 来 细 胞 在 经 受 环境 不 断 改 变 时 往往 采取 变更 脂肪 酸 模式 的 方法 以 谍 求 细胞 质 膜 的 重要 功能 之 一 是 选择 性 的 通 透 性 。 通 过 选择 性 的 通 透 性 ， 细 胞 能 接受 或 拒绝 ， 保 留 或 排出 某 种 物质 。 物 质 通 过 细 胞 膜 的 传送 有 三 种 方式 ; 《1) 被 动 传送 又 称 简单 扩散 ， 深 2) Tato 上 分 子 发 生 反 应 ， 扩 散 速度 决定 于 膜 两 边 溶质 的 浓度 梯度 及 溶质 分 子 大 小 、 电 荷 等 性 质 ， 它 不 需要 能 量 。 (2) 帮助 扩散 ， 又 译作 易 化 扩散 。 在 这 种 扩散 方式 中 ， 被 传 送 的 物质 (也 称 底 物 ) 与 膜 中 的 载体 蛋白 〈 在 膜 中 起 传送 剂 功能 的 蛋白 质 ) 发 生 可 逆 的 结合 。 载 体 蛋 白 ( 或 与 它 底 物 的 络 合 物 在 膜 内 外 两 面 摆动 。 它 在 任何 一 面 都 可 以 结合 或 释放 底 物 ， 因 此 传送 的 方向 同样 决定 于 浓度 梯度 。 载 体 蛋 白 ( 或 其 与 底 物 的 络 合 物 ) 摆 动 所 需要 的 能 量 来 自 热 能 ， 或 由 于 结合 或 大 放 底 物 时 蛋白 质 分 子 的 微小 变形 ， 并 不 与 能 量 代谢 偶 联 。 (3) 主动 传送 是 一 种 溶质 分 子 的 逆 浓 度 梯 度 的 传送 方式 ， 在 热力 学 上 这 是 一 种 耗 能 的 过 程 ， 一 般 认 为 它 需 要 一 个 传送 蛋 自 起 主动 传送 作用 。 以 上 是 关于 细胞 膜 的 组 成 ， 膜 的 结构 以 及 膜 在 物质 传送 过 程 中 的 方式 。 生 物 膜 结构 的 复杂 性 ， 功 能 的 多 样 性 已 吸引 了 许多 生 物 学 家 、 生 物化 学 家 、 生 物 物 理学 家 的 注意 。 尽 管 六 十 年 代 以 来 。 已 运用 新 技术 和 新 方法 ， 对 膜 的 结构 与 功能 进行 了 研究 ， 并 积累 ， 了 大 量 数据 ， 建 立 了 许多 模型 ， 但 生物 膜 的 秘密 并 设 有 轻易 地 被 494 NA 4 j | , = es Se ST Di To de ti, as i tn ~— = ‘ 2 夕 。 和 a = ae m as L eS: | ah « — “” 部 ( 极 性 ) 甘油 脂肪 酸 尾 部 ( 非 极 性 ) Le 一 人 一 -一 一 人 一 图 12-35 ”典型 的 膜 类 脂 质 结构 甲 一 示 含 弯 酸 盐 、 碱 基 等 的 亲 水 极 性 部 分 及 脂肪 酸 尾部 的 疏水 非 极 性 部 分 乙 一 脂肪 酸 成 分 的 变化 可 以 破坏 生物 膜 有 序 堆 放 。 示 双 键 的 引入 使 膜 的 滞 动 性 增加 揭露 ， 它 是 当前 生物 科学 的 重大 课题 之 一 。 今 天 对 生物 膜 的 认识 瑟 五 十 年 代 对 “分 子 遗 传 学 ”的 认识 相仿 ， 正 处 在 重大 突破 的 前 细胞 膜 的 作用 在 发 醇 工 业 上 的 重要 意义 是 无 良 置 疑 的 ， 无 论 是 原料 的 输入 或 代谢 产 电 的 排出 ， 都 将 大 大 促进 整个 发 醇 过 程 和 _ 产 肠 的 体外 积累 ， 在 发 酵 工 业 上 对 细胞 膜 的 通 透 性 问题 引起 注意 并 玫 乎 成 为 焦点 的 是 谷 氨 酸 发酵 ， 其 后 注意 到 产 氨 短 杆 菌 的 IMP 发 酵 也 有 同样 的 问题 。 关于 谷 受 酸 发 酵 菌 的 细胞 膜 对 谷 氨 酸 的 通 透 性 、 对 谷 氨 酸 发 495 RAM, EE AAMT AE. ERIE STR 2 BE RT) PBR Heike oP tH” 控制 着 谷 氨 酸 生物 合成 的 途径 。 生物 素 丰 富 主要 走 EMP 途径 ， 只 有 在 生物 素 亚 适量 的 情形 时 ， HDP AAT MR, mh EDP 途径 能 提供 更 多 还 原型 辅酶 工 (NADP-2 孔 )， AAI oP 成 二 酸 还 原 氨基 化 。 这 种 看 法 可 能 更 多 的 是 出 于 推测 而 鳞 东 理论 上 和 实验 的 依据 。 自 从 确定 了 由 于 生物 素 的 添加 量 影响 着 细胞 丙 外 谷 氨 酸 积累 量 的 关系 ( 见 表 12-5)， 以 及 油 酸 缺陷 型 前 发 现 之 了 后 ， 这 种 观点 才 告 放弃 。 油 酸 缺 陷 型 的 谷 氨 酸 发 酵 荔 株 在 限量 深 加 油 酸 的 条 件 下 ， 同 样 人 使 谷 所 酸 体 外 积累 并 且 提出 了 一 系列 “ 细胞膜 中 饱和 脂肪 酸 与 不 多 篆 肪 酸 比例 的 分 析 资料 ， 指 出 他 和 脂肪 酸 和 不 饱和 脂肪 酸 比例 大 于 1 者 ， 有 利于 谷 氨 酸 的 通 透 性 汪 这 时 转 而 认为 生物 素 有 控制 不 也 和 脂肪 酸 合 成 的 作用 。 甚 至 认为 添加 含有 高 级 饱和 脂肪 酸 的 表面 活性 剂 的 作用 亦 在 于 饱和 脂肪 酸 对 不 饱和 脂肪 酸 合 成 的 生物 素 持 抗 作 用 。 表 12-5 在 不 同 水 平生 物 素 内 生长 的 谷 氨 酸 棒 杆 fA Ne 541 的 氛 基 酸 组 成 * 生物 素 缺 乏 的 细胞 25 Ag/ 富 含 生 物 素 的 细胞 25 ug/l DUT | AA | 组 成 于 蛋 | 分 泌 于 培 养 基 的 | 游离 的 Aa 养 基 的 细胞 内 | 组 成 了 琶 游离 的 - | Be RAAB 21 0 432 73 425 谷 A 酸 85 49 569 115450 586 AA 酸 254 32 802 1019 809 Wii 2X RR 28 0 161 73 130 亮 氨 酸 7 2 345 0 358 * 列举 5 种 氨基 酸 , 指 在 24 小 时 培养 时 , 1 克 于 细胞 中 氨基 酸 量 及 所 分 洲 的 基 。 一 九 七 O 秆 日 本 人 将 溶 烷 棒 杆 菌 No 314 经 亚 硝 基 肌 处 理 获 。 六 得 甘油 缺陷 型 GL-21， 由 于 “- 磷 酸 甘 油 脱 气 酶 的 遗传 缺陷 致使 496 ee 这 一 类 的 作用 最 后 都 归结 为 控制 (或 从 脂肪 酸 的 角度 ， 或 失 甘 油 的 角度 ) 克 脂 的 合成 ， 细 胞 膜 磋 脂 含量 降低 ， 利 于 细胞 _ RE, aA ME MRL By ve FAL, BA ri 2 Ha Ek ERI HT SLT, AN RR Ze x AN, BEATIN HME WEA te Rs ANE caper. 将 造成 膜 的 破坏 ， 使 氨基 酸 泄 出 细胞 。 以 上 是 关于 谷 氨 酸 发 酵 细 胞 膜 通 透 性 问题 资料 的 概要 总 结 。 0 从 以 上 的 讨论 可 以 看 出 ， 尽 管 目前 关于 生物 膜 的 研究 GAM 得 根本 的 突破 ， 但 是 已 经 积累 了 很 多 资料 ， 建 立 了 一 些 模型 。 但 ”是 就 发 酵 工 业 细胞 膜 通 透 性 问题 研究 最 多 的 谷 氮 酸 发 酵 来 看 ， 其 ”工作 未 能 与 整个 生物 膜 的 研究 联系 起 来 。 其 工作 也 不 能 用 当前 有 ” 关 生 物 膜 研 究 的 一 些 结论 来 作 解释 。 可 以 提出 的 问题 有 : 首先 ， “目前 建立 起 的 生物 膜 的 动态 模式 认为 ， 影 响 膜 的 通 透 性 的 重要 因 | 素 在 于 腓 的 流动 性 ， 而 起 决定 作用 的 是 砍 脂 结构 中 脂肪 酸 链 的 不 ， ”饱和 程度 ， 克 脂 脂肪 酸 不 饱和 程度 高 ， 膜 的 流动 性 好 ， 通 透 输送 ne, RR 7 FE AAS GR HE AH see 理化 学 性 质 可 以 解释 的 ,并 为 一 些 实际 的 材料 所 支持 。 这 一 点 ,与 497 tat ay SNM ete PL e hie e he io Rieti Se RN ci Comat yak Cray AAs id Mi es gees PL Lhe ee :5 oe a ses Coe see Tintern one MAAR snunteniexaws a —REwR. RRM, BAW. he. HR Ph ee i AEE, AWS, DATE. ARES , > MT 谷 氨 酸 通 透 性 的 早期 研究 特别 强调 膜 内 饱和 脂肪 酸 比例 高 有 利 谷 氨 酸 的 通 透 是 直接 相 矛 盾 的 。 第 二 目前 认为 磷脂 含量 决定 了 细 胞 膜 的 谷 氨 酸 的 通 透 性 ， 似 乎 与 生物 膜 的 动态 模式 相 吻 谷 ， 但 是 这 种 对 膜 流 动 性 的 磁 脂 含量 决定 作用 的 事实 还 未 有 其 他 生物 材料 的 支持 ,也 未 见 甘油 起 着 膜 组 成 的 控制 作用 的 其 他 报道 。 第 三 首 前 一 般 认为 生物 体 脂 类 的 组 成 有 种 族 的 差别 ， 有 的 简单 ， 有 的 复 杂 ， 但 就 脂肪 酸 组 成 的 比例 来 说 ， 紧 密 地 随 着 环境 的 改变 而 起 变 化 ， 即 细胞 往往 采取 变更 脂肪 酸 的 模式 的 方法 ， 以 经 受 环境 的 不 断 变更 。 所 以 由 油 酸 的 控制 从 而 控制 磷脂 的 量 是 站 不 住 脚 的 。 第 四 ， 可 以 认为 ， 谷 氨 酸 的 排出 至 少 是 一 种 易 化 扩散 ;而 谷 氨 酸 发 酵 中 关于 通 透 性 问题 的 考虑 似乎 被 看 成 一 种 简单 扩散 过 程 ， 特 别 是 也 看 成 象 青 替 素 的 作用 那样 ， 看 作 是 一 种 简单 的 漏出 过 程 v 锰 离 子 (Mn++) 在 核 苷 酸 细胞 外 积累 中 ， 对 通 透 性 的 控制 作 用 是 膜 的 通 透 性 问题 在 发 酵 上 显示 特 出 作用 的 另 一 个 例子 但 对 其 通 透 性 机 制 的 了 解 则 与 在 谷 氨 酸 发 酵 中 的 情形 相似 。 在 微生物 中 核 昔 酸 无 论 在 细胞 外 或 细胞 内 ， 分 段 合成 (salvage synthesis, 补救 合成 ) 方 式 是 很 普通 的 ， 对 发 酵 也 有 实际 意义 。 例如 腺 嘎 喉 缺陷 型 (ade- ) 或 腺 嘎 聆 渗 漏 型 (adel) 的 菌株 能 过 量 合成 IMP, 但 事实 上 在 一 般 情形 下 ， 培 养 液 中 并 不 积 妹 IMP 而 是 次 黄 嘎 叭 (着 草 杆 菌 则 积累 肌 苷 ) 。 只 有 在 Mn** 浓度 限量 的 条 件 下 ， 才 在 培 养 基 液 中 获得 IMP。 经 研究 表明 ， 这 IMP 是 由 细胞 外 分 段 谷 成 方式 形成 的 。 所 以 可 以 看 出 ， 碱 基 及 核 苷 在 一 般 情 形 下 ， 都 是 具 ， 有 较 好 通 透 性 的 物质 ， 而 经 磷酸 化 后 ， 则 易 留 在 细胞 内 。 Mt 对 产 氨 短 杆菌 的 作用 表现 在 (1L) Mn** 过 量 时 细菌 生长 良好 ， 量 正常 小 球菌 形态 ，Mnt+ 限量 时 ， 生 长 受到 抑制 , 菌 体 呈 不 规则 ， 伸展 膨 润 状态 。(2) Mn** 过 量 时 ,R-5-P 和 了 PRPP 以 及 PRPP 激酶 和 核 苷 酸 焦 磷酸 化 酶 留 在 菌 体内 ， 培 养 液 中 积累 次 黄 味 叭 而 不 积累 IMP，Mn 人 限量 时 ， 该 分 段 合成 酶 及 底 物 泄 出 细胞 外 二 并 在 培养 基 中 重新 合成 IMP。 (3) Mn** 限量 时 ， 菌 体内 脂肪 498 Pea “ag > e NY pa it ie Sa ee i. ee ten ee 2. 5 if . Ss hee 1 I ~ i 是 | * af 5 a wR % AN ; LE RT A gi - a, ; 7 ~ = ay’ Pare FE WE z Oe fare é i, md IMP Ith BERRI ARR 目前 发 酵 工 业 上 用 的 原料 及 工业 用 水 都 会 有 较 多 的 Mn， 何 消除 Xmnt+ 过 量 的 影响 是 个 大 问题 。 据 报道 ， 发 酵 期 链 规 素 ， 丝 裂 堆 素 等 抗菌 素 或 阳离子 表面 活性 剂 如 聚 氧 乙 酰胺 可 解除 Mn++ 过 量 的 影响 ， 使 R-5-P 及 分 段 合成 有 出 体外 进行 核 苷 酸 的 合成 。 淹 清 楚 代 谢 途 径 的 基础 上 ， 改 变 其 他 环境 因素 (如 其 他 畏 ，pH， 通 风 溶 氧 量 等 等 ) ， 以 控制 合成 路 线 使 之 积累 某 些 本 章 在 于 讨论 典型 的 调节 控制 有 关 问 题 及 机 制 ， 二 。 关于 代谢 调节 控制 问题 ， 在 理论 上 、 实 区 上 都 已 取得 了 重大 成 果 ， 但 在 这 一 领域 里 显然 还 有 待人 们 去 进一步 探索 。 毛 主 良 孝 导 我 们 , “人 类 总 得 不 断 总 结 经 验 ， 有 所 发 现 ， 有 所 发 明 ， 有 所 Ae, APE’, 我 们 不 能 等 待 自然 界 的 恩赐 ， 我 们 只 能 向 自 然 界 索取 ， 同 样 我 们 要 向 微生物 索取 ! 科学 的 春天 来 到 了 ， 在 工 亚 爱 酝 这 一 技术 科学 领域 里 ， 生 物化 学 将 更 有 所 作为 ， 发 挥 更 大 ion 作用 。 499 iva, aiieerwdes se, SLiCennOW Me HE 0 oe ad oe te! RAPS oh re a oe Me ee et a ee 或 改变 酶 活性 而 达到 积累 的 例子 。 这 在 有 关 代谢 各 章 都 有 提 ere 8 « a Pe Py ee ey, ef Dey ae asa Sere phy Gar te q ‘ eta Me at. - 5 ; 人 三 区 % a > i 7 * ey 天 .% - py > a; . eye 可 2 ve 4 Ni ¥ iy A Pl 1 UG Pat aa ne 由 0 SS Fea Pa Ce 可 , { 大 4 Bac 3e Ree? ike tt ten 4 on yi WA ON ewes a IE Ath ae a > 人 OA ¢ er tw ee Seg ge tee Be oe ae ts Se Bee -. pee 900 西 x Angstrom Amino acid Alanine Arginine Aspartic acid Asparagine Cysteine Glutamic acid ~ Glutamine Glycine Histidine Hydroxyproline Isoleucine Leucine Lysine Methionine Ornithine Phenylalanine Proline Serine Threonine Tryptophane Tyrosine Valine RAB RAM ‘EWE, 谷 氨 酸 | 谷 氨 酰 胺 HRB 组 氨 酸 32 Nf SR RAR | 蜡 亮 cane, Emme | 3 赖 氨 酸 | mam, Tae |e 酸 ary AY AR Wi 3A PB 丝氨酸 Dp AR GAR it SAR Si SA 了 Go-enzyme | 辅酶 Co-enzyme A 辅酶 A Co-enzyme 1 (DPN, | 辅酶 工 ( 即 DPN, NAD) NAD) Co-enzyme II (TPN, 辅酶 工 ( 即 TPN, NADP) NADP) Flavin adenine dinucleo- | 黄 素 腺 叮 叭 二 核 苷 酸 tide Flavin adenine dinucleo- | 黄 素 腺 吓 叭 二 核 苷 酸 (还 tide (reduced) 原型 ) Flavinmononucleotide KEMBHR Tetrahydrogen folic acid | PUA mR Lipoic acid 6, 8- 二 硫 辛酸 Lipothiamide pyrophos- | 硫 辛 酰 焦 磷 酸 硫 胺 素 : phate nicotiamide 2 dinu-| 烟 栈 胺 腺 叮 叭 二 核 昔 酸 cleotide (DPN, Co 1) ( Bl ai Be T a DPN) nicotinamide adenine 10H Pe Haze gL ES — EF OE dinucleotide(TPN CoII)| ” 酸 ( 即 辅酶 开 或 TPN) uridine diphosphate 尿 苷 二 磷酸 葡萄 糖 glucose thiamine pyrophosphate | 辅 羧 酶 (ay FERRER TEES) 3-deoxy—D-arabo-hepto— | 3- 脱 氧 D-}% Pi Be #E-7-BE nic acid—7—phosphate Ba A At Be y synthetase diethyl-amino-ethyl cellu-| ~7,AOKARE lose 7 ~ _ DNFB, FDNB | 2, 4-dinitrofluorobenzene| 2,4-— WEE . DN dinitrophenyl ae ES ai 3,4-dihydroxy-phenyl “|3,4- 二 羟 葵 两 气 酸 ， 多 巴 alanine F 501 ‘ ft 号 DON 己 〈 酶 学 上 用 ) Eo HMS I 〈 酶 学 用 ) I UPAC Km LDH M (代谢 上 用 ) MA MC - MVA NB Nucleoside A, Ado C, Cyd 902 6- diazo-5-oxo-norleucine 6- HR -5-M EIEN -| 酶 normal oxidation—reduc— Ten enzyme tion electro—potential enzyme-substrate complex | 中 间 i by ( 指 栈 ¥ Embden—Meyerhof-Par- | E-M-P =r filha 经 nas pathway flavin protein farnesyl pyrophophate reduced glutathiore oxidized glutathione hemoglobin B-Hydroxy-6-methyl- glutamic acid hexose monophosphate pathway hexose—mono-phosphate shunt inhibitor International Union of Pure and Applie Cdhemi- stry Michaelis constant Lactic dehydrogenase met abolite cation exchange resin carboxymethyl Mevalonic acid anion exchange resin adenosine cytidine 7 ® a HE “2 二 segment — ¥ Me AMA MH 血红 蛋白 a p- 羟 -A- 甲 基 谷 氨 酸 on : ie ‘ ube : aniwae uae ad ., > aie 磷酸 己 糖 支 路 抑制 剂 a oe ee | 米 氏 常数 FLAG SUN i ity CABS) 阳离子 交换 树脂 碳 氧 甲 基 Wine 3,5- 二 羟 -3- 甲 基 成 酸 阴离子 交换 树脂 Br eon 腺 区 COREE RTE) iat | ed es‘ ¥ ant = eo ec a pe guanosine : 3 fF ! Inosine ig EH. WL Uridine 3 Rf Xanthosine we F 2’-deoxyribosyl-adenosine 2/- 脱 氧 腺 昔 (d ash) 2'-deoxyribosyl guanosine | 2’—}hi4a & thymidine 胸 苷 FAY BR adenosine-5/—monophos— | */#+"— BEAR, HR — RE phate . adenosine-5/-diphasphate | — BABI. [Rm adenosine—5’/—triphosphate| = @EAgHRTY, R= cytidine—5’—monophos— — BERR at. je— te phate cytidine-5’-diphosphate.__| — we RB ha tF . ia — 88 deoxythymidylic acid 脱氧 胸 苷 酸 i * 其 他 核酸 同样 可 有 多 种 名 称 ， 可 以 类 推 。 a eee Te ee eee ee Cytidine-5’-triphosphate | ia7f=—= Rim, la= we Guanosine-5’—monophos- | 鸟 苷 一 磷酸 ， 鸟 一 磷 phate Guanosine-5/—diphosphate 乌 昔 二 磷酸 ， & —B Guanosine-5/-triphospha-| &7*= BEM, & = BE te yr aa -monophospha-| 次 黄 苷 酸 e Inosine-5/'-diphosphate 次 黄 戎 二 磷酸 TInosine-5’—triphosphate yee ff = RR , Gi bp cAMP dAMP Nucleic acid DNA RNA mRNA 504 号 西 x Ry Thymidine-5’—monophos- phate Thy odine-5’—diphos— phate Thymidine—5'—triphos— phate Uridine-5’—-monophosphate Uridine-—5/—diphosphate Uridine-—5’/-triphosphate Xanthosine-—5/—monophos-— phate Xanthosine-5’—diphos-— phate” ‘Xanthosine-5'—triphos- phate cyclic AMP Desoxy AMP etc Desoxyril-onucleic acid Ribonucleic acid Messenger RNA Transfer RNA Ribosome-RNA Inorganic phosphate Pyrophosphate Triphosphate Phosphocreatine Para-amino-benzoic acid The negative log of hydrogen ion concen- tration as ， A) PN mo, ‘ Py ty fae a an b ae ws. al “Th Ss We. ‘2p Piglet nad 和 CT 一 中 Hatta, oz- Wi=ae, Woe roe ee RASA ee-am, Rom eto, RE 35’ SM a aes 核酸 脱氧 核糖 核酸 二 核糖 核酸 es 信息 核糖 核酸 ， 信 息 AN 转移 核糖 核酸 ,转移 RNG 核 蛋 白 体 BNA =| aa 焦 磅 酸 或 焦 砚 酸根 =a Se BRAWL. YEE 氢 离 子 浓度 指数 “ ~ wile ce ET 5'-phospho-ribosyl-1 , 5- pyrophosphate Rate of fractionation 层 析 素 Sedimentation constant 沉降 系数 ， 漂浮 单位 | unit 5 | | . Substrate | ae? -| 底 , 物 ~ | Sulfhydryl- ee oi ee a FESS | ”北京 大 学 编 〈1975 ) 物化 学 〈 讲 义 ) ”中 山大 学 编 (1974) | 生物 化 学 〈 讲 义 ) 复旦 大 学 编 (1976). 生物 化 学 (讲义 ) 四 川 大 学 编 (1975) ， 生物 化 学 (讲义 ) “厦门 大 学 编 (1975) Eee 讲义) 无 锡 轻工业 学 院 (1962) Heit GEL) ”武汉 大 学 编 1976) ae 于 普通 生物 化 学 简明 教程 南京 大 学 郑 集 编 ， 微生物 生理 生化 CEL) ”厦门 大 学 编 es 辽宁 大 学 纺 有 有 机 、 生 物化 学 (讲义 ) ”无 锡 轻工业 学 院 编 (1975) APL, EEE GEL) 广东 化 工学 院 编 (1974) 高 级 生化 《讲义 ) 中国 科学 院 生物 化 学 研究 所 编 (1962) ee ES) - 天津 轻 工业 学 院 编 (1977) ew gee e% (1905) ABBE 和 鲁 宝 重 编 (1964) 生物 化 学 导论 OK 哈里 森 著 ， 严 自 正 等 译 (1975) 细胞 生理 学 与 生物 化 学 ”麦克 尔 罗 伊 著 〈 杨 松 榆 译 ) 细胞 生物 学 安 布 罗斯 ， 上 海 实验 生物 所 译 505 和 ee ae ee > F ase = a ee elt ee re iat Fil BEAR AD ® / 7 - es 4 9 “Sih eon ey . 4 . 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