& 5a 3 学 习 指 导 系 列 生物 化 学 (第 二 版 (A) P.W. Fi) GB 罗 尔 斯 顿 等 著 姜 招 峰 等 译 wT 830 个 详细 疑难 解答 [> 几 百 个 练习 题 涵盖 所 有 要 点 , 可 辅助 任何 一 本 教科 书 有 效 提高 学 习 成 绩 ATA GP 4} Bok Ka ae 中 科 院 植物 所 图 书馆 rm 有 wa MM SS: 1/5 OSGS $0003541 “i 全 美 经 典 学 习 指 导 系 列 na (第 二 版 ) CRIP.W. Fi G.B. 罗 尔 斯 顿 等 著 姜 招 峰 等 译 eee Bw # 北 京 FAS: 0-2001-1768 A 8 wt 本 书 共 分 17 章 , 通过 问题 解答 和 实例 分 析 对 生物 化 学 的 基本 内 容 及 新 的 进展 进行 了 简明 扼要 的 介绍 。 本 书 表 述 风 格 独特 , 基本 内 容 以 客观 描述 为 主 , 选择 性 内 容 通 过 实例 分 析 进 行 探 讨 。 它 以 简明 而 有 趣 的 问题 和 丰富 的 背景 知识 来 反映 概念 的 发 展 与 演化 , 由 此 促进 并 引导 读者 对 疑难 问题 的 思考 ,激发 研究 探索 的 欲望 。 本 书 由 澳大利亚 著名 大 学 生物 化 学 系 中 众多 具 丰 富 教学 经 验 的 教师 扎 写 而 成 , 在 第 一 版 基础 上 经 过 内 容 的 调整 和 平衡 ,保证 所 有 章节 在 深度 上 更 适合 读者 。 由 北京 联合 大 学 教授 姜 招 峰 博 士 主持 翻译 , 译文 较 好 地 保持 了 原 书 风格 ,力求 叙述 规范 贴切 、 语 言 自 然 流畅 。 本 书 可 供 生 命 科学 专业 的 本 科 师 生 或 自学 者 参考 。 Philip W. Kuchel, Gregory B. Ralston et al. Shaum’s Outlines of Theory and Problems of Biochemistry, Second Edition ISBN: 0-07-0361495 Copyright © 1997 by the McGraw-Hill Companies, Inc. Authorized translation from the English language edtion published by McGraw- Hill Companies, Inc. All rights reserved. 本 书 封面 贴 有 McGraw * Hill 公司 防伪 标签 , 无 标签 者 不 得 销售 。 图 书 在 版 编目 (CIP) 数据 生物 化 学 / ( 澳 ] 库 彻 (Kuchel,P. W.) 等 著 ; 姜 招 峰 等 译 . -2 版 . -北京 : 科学 出 版 社 ,2002.2 (全 美 经 典 学 习 指 导 系 列 ) ISBN 7-03-009719-X I.#:-- I.@ 库 … @ 姜 … OT. 生物 化 学 K.Q5S 中 国 版 本 图 书馆 CIP 数据 核 字 (2001) 第 064949 号 责任 编辑 , 谢 灵 玲 /责任 校对 :, REM 责任 印 制 : 安 春 生 /封面 设计 : 王 浩 men Bw wR 出 版 北京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮政 编码 :100717 http:// Www.sciencep.com 新 学 印 别 厂 印刷 科学 出 版 社 发 行 ”各 地 新 华 书 店 经 销 2002 年 2 月 第 二 做 FFA: A4 (890 x 1240) 2004 4F 2 月 第 三 次 印刷 印张 : 28 3/4 印 数 : 8 001 一 11 000 字数 : 940 000 定价 ; 40.00 元 (如 有 印 装 质量 问题 ,我 社 负责 调换 《 环 伟 》 ) = & F& 作为 生命 科学 核心 基础 的 生物 化 学 学 科 进 展 极为 迅速 , 与 其 他 学 科 相 互 渗透 的 程度 亦 愈 加 深入 ; 而 作为 向 初学 者 传授 生物 化 学 知识 的 教材 和 生物 化 学 课程 的 特点 是 : 内 容 较 为 抽 象 , 信 息 量 较 大 且 更 新 速度 较 快 。 这 给 学 习 者 、 讲 授 者 和 编写 者 都 带 来 了 一 定 的 困难 。 各 式 各 样 的 生物 化 学 教材 及 参考 书 在 容量 、 范 围 、 深 度 、 撤 述 方式 和 角度 等 方面 均 做 了 大 量 的 探索 和 有 益 的 实践 , 其 中 不 乏 佼 佼 之 著 。 科学 出 版 社 引 进 的 全 美 经 典 学 习 指 南 系列 《生物 化 学 》 分 册 〈 原 书 名 为 Schaum’s Out- lines of Theory and Problems of Biochemistry) 是 由 澳大利亚 著名 大 学 具有 丰富 生物 化 学 教学 经 验 的 教师 所 编写 。 本 书 对 生物 化 学 的 基本 内 容 及 新 的 进展 进行 了 简明 扼要 的 介绍 。 本 书 的 表述 风格 独特 。 它 通过 提出 “有 趣 的 问题 ”来 引出 新 的 主题 , 其 解答 并 不 完全 依 赖 于 前 述 的 课文 内 容 , 对 一 个 问题 的 解答 常会 导致 另 一 个 问题 的 出 现 , 这 易于 引导 读者 对 疑 难 问 题 的 思考 , 并 激发 研究 探索 的 欲望 。 基 本 内 容 以 客观 描述 事实 为 主 , 选 择 性 的 内 容 是 通 过 实例 分 析 来 探讨 的 。 读 者 可 利用 本 书 中 介绍 的 内 容 , 至 少 在 一 个 合理 的 深度 上 理解 和 分 析 这 些 问 题 。 本 书 主要 是 为 学 习 生 命 科 学 及 其 相关 专业 的 大 学 生 而 编写 的 , 对 初学 生物 化 学 的 学 生 和 高 年 级 学 生 都 是 有 益 的 。 对 于 讲授 生物 化 学 课程 的 教师 而 言 , 本 书 亦 具有 实际 的 参考 价值 。 在 翻译 的 过 程 中 , 本 人 了 由衷 地 折服 于 作者 们 把 深奥 复杂 的 问题 叙述 得 如 此 简单 准确 的 能 力 和 直面 疑难 问题 的 坦诚 和 科学 态度 , 并 力求 在 译文 中 保持 原著 中 “准确 而 朴实 ”的 语言 反 格 。 对 译文 中 的 不 妥 之 处 , 敬 请 读者 指教 (本 人 的 E-Mail: Zfjiang@163bj. com). 姜 招 峰 2001 年 11 月 25 日 wm 7 | cH es i] 4 由 | 人 at x 和 a ~*~ : 了 Be ie i > ew ee Ply a , ita} rs “eS hs po." - a 4 Py 了 eee = “a o i a eee ¥ = a ; | + 站 第 二 版 前 自从 本 书 第 一 版 问世 以 来 , 生 物化 学 的 某 些 领域 已 有 了 很 大 的 发 展 , 特 别 是 分 子 生物 学 、 信 和 号 转 导 和 蛋白质 结构 等 领域 。 这 些 领 域 的 发 展 使 其 他 领域 (特别 是 传统 的 生物 化 学 领 域 , 如 : MAAS) 黯然 失色 。 第 二 版 包容 了 这 些 快速 发 展 的 领域 及 其 新 的 进展 。 第 二 版 也 给 了 我 们 一 个 机 会 来 调整 和 平衡 本 书 的 内 容 , 以 保证 所 有 章节 在 深度 的 选择 上 更 能 适应 我 们 的 读者 。 近 10 年 来 , 生 物化 学 的 主要 发 展 是 在 分 子 生 物 学 领域 , 第 二 版 反映 了 这 些 领域 的 巨大 变化 。 我 们 非常 感谢 Emma Whitelaw 博士 在 第 17 章 的 修订 过 程 中 做 出 的 真诚 努力 。 此 外 , 感谢 Anthony 博士 和 Dong Chappell 博士 在 DNA 动力 学 的 易于 理解 方面 , 以 及 将 DNA 重组 技术 的 发 展 和 聚合 酶 链 反 应 融入 这 个 新 版 本 中 所 付出 的 劳动 ; 感谢 Glenn King 博士 , Mitchell Guss 博士 和 Michael Morris 博士 对 本 书 第 二 版 蛋白 质 部 分 的 重要 修订 , 使 其 反映 了 这 个 领域 的 基本 发 展 状况 (特别 是 在 蛋白 质 折 重 方 面 )。 本 书 重 新 绘制 了 大 量 的 图 以 反映 我 们 新 的 理解 , 由 此 , 我 们 感谢 Mark Smith 先生 ,Eve Szabados 博士 和 Michael Morris 博士 在 绘图 方面 所 做 出 的 努力 。 扩充 和 加 强 了 脂 膜 , 膜 功能 和 信和 号 转 导 等 部 分 的 内 容 , 以 反映 这 些 领 域 的 现代 进展 , 这 是 Samir Samman 博士 和 Arthur Conigrave 博士 做 出 的 努力 。 氮 代谢 这 一 章 及 核 苷 酸 中 部 分 内 容 也 已 扩充 , 而 关于 特殊 氨基 酸 代谢 的 内 容 被 相应 地 减少 ; 这 得 益 于 Richard Christopher- son 博士 的 努力 , 谨 此 致谢 。 为 了 避免 课程 内 容 过 分 的 膨胀 而 且 还 能 反映 出 许多 学 院 在 酶 学 和 酶 动力 学 内 容 的 教学 上 所 进行 的 改进 和 完善 , 本 书 对 这 些 内 容 进 行 了 调整 ; 感谢 Ivan Darvey 博士 对 这 部 分 内 容 所 提出 的 批评 和 建设 性 的 意见 。 在 本 版 中 保持 了 第 一 版 的 叙述 风格 , 以 简明 而 有 趣 的 问题 来 反映 这 个 领域 中 概念 的 发 展 和 演化 , 并 由 此 来 促进 对 这 个 领域 中 一 些 疑 难 问题 的 思考 和 探索 。 因此 , 本 书 是 由 许多 在 各 自 领 域 做 出 过 贡献 的 合作 者 〈 其 参与 的 部 分 如 上 所 述 ) 与 我 们 共同 努力 完成 的 。 吓 W. Ef B. FRR 第 一 版 前 言 本 书 是 澳大利亚 最 大 的 大 学 生物 化 学 系 中 近 半 数 的 教师 合作 撰写 而 完成 的 。 我 们 在 医 学 、 牙 科学 、 药 学 、 兽 医学 和 工程 学 等 院 系 给 1000 多 名 学 生 讲 授 生 物化 学 。 那 么 , 本 书 是 为 谁 而 编 ? 其 目的 又 是 什么 呢 ? 正如 书 名 (Schaxmma ss Outlines of Theory and Problems of Biochemistry) 所 称 , 本 书 是 一 本 生物 化 学 “纲要 ”( 主 要 是 哺乳 动物 生物 化 学 ), 而 不 是 该 学 科 的 全 面 详尽 的 著作 。 换 句 话 说 , 它 不 是 一 本 百科 全 书 , 对 于 攻读 理学 学 士 学 位 〈 或 相应 的 学 位 ) 的 大 学 生 而 言 , 我 们 希 望 它 只 是 一 个 理解 生物 化 学 的 向 导 。 生物 化 学 已 成 为 生物 学 和 医学 许多 领域 的 基本 语言 ;其 基本 规律 和 实验 方法 是 所 有 基础 生物 学 及 其 分 支 学 科 GE) 的 基本 内 容 。 实 际 上 , 医 学 与 生物 化 学 之 间 的 界线 已 变 得 越 来 越 模糊 了 。 因 此 , 在 本 书 中 , 我 们 力图 通过 问题 的 解答 和 列举 实例 对 生物 化 学 的 基本 规 律 进行 了 解释 。 在 某 种 意义 上 来 讲 , 我 们 把 这 本 书 定 义 在 生物 化 学 领域 ; 简 言 之 , 我 们 认为 它 是 使 用 化 学 概念 来 描述 发 生 在 生命 有 机 体 中 的 基本 过 程 以 及 通过 生命 有 机 体 作 用 而 发 生 的 基本 过 程 。 当然 ,细胞 中 的 化 学 过 程 不 只 是 发 生 在 单一 的 溶液 中 , 而 且 也 与 大 分 子 的 结构 密切 相 关 。 因 此 , 生 物化 学 就 不 可 避免 地 涉及 到 : 组 织 结构 、 细 胞 结构 、 细 胞 器 结构 及 其 单个 分 子 本 身 的 结构 。 由 于 这 个 缘故 , 本 书 是 以 对 下 列 研 究 内 容 的 概要 介绍 作为 开始 的 : 细胞 及 其 细 胞 器 成 分 , 它 们 是 如 何 组 成 的 , 以 及 “〈 用 基本 术语 来 讲 ) 它们 有 什么 生物 学 功能 等 。 其 后 的 六 章 主 要 是 从 化 学 的 角度 分 门 别 类 地 介绍 了 生物 化 学 化 合 物 。 然 后 是 三 章 关 于 酶 学 和 代谢 调 控 基 本 规律 的 内 容 ; 紧 随 其 后 的 是 生物 化 学 真正 的 核心 内 容 : 代谢 途径 。 对 本 书 中 内 容 表 述 的 风格 稍 加 评价 是 值得 的 。 首 先 , 我 们 所 谓 的 “有 趣 的 问题 ”是 在 书 中 以 单词 “问题 ”来 表示 的 ; 它 引 出 一 个 新 的 主题 , 其 答案 对 于 前 面 的 课文 内 容 可 能 不 一 定 适合 。 我 们 认为 这 能 更 密切 地 体现 和 强调 各 类 研究 工作 中 的 问题 探索 , 包 括 生物 化 学 : 对 一 个 问题 的 解答 常会 很 快 地 导致 另 一 个 问题 的 出 现 。 其 次 , 与 本 系列 其 他 分 册 类 似 , 重 点 强调 的 是 以 一 般 事实 形式 提供 的 基本 材料 ; 而 选择 性 的 材料 是 以 示例 的 形式 体现 的 。 这 些 例 子 中 , 某 些 是 以 问题 的 方式 出 现 的 , 另 一 些 在 于 特定 领域 中 表明 基本 观点 的 特殊 例子 只 做 了 简 单 的 说 明 。 第 三 点 , 带 有 答案 的 问题 依 其 题 号 与 课文 中 相应 的 部 分 相关 。 实 际 上 , 在 所 有 的 情况 中 学 生 应 能 够 利用 本 纲要 中 的 材料 , 至 少 在 一 个 合理 的 深度 上 解答 这 些 问题 。 最 后 一 点 , 补 充 问题 通常 是 与 前 述 的 三 种 形式 的 内 容 有 些 关系 ; 这 些 问 题 的 答案 列 于 书后 。 本 书 是 教师 们 撰写 的 , 然 而 , 它 的 完成 也 依赖 于 其 他 人 的 许多 努力 , 我 们 感谢 他 们 。 在 打字 和 文字 处 理 方面 , 我 们 感谢 Anna Dracopoulos、Bev Longghurst-Brown、Debbie Man- ning, Hilary McDermott, Elisabeth Sutherland, Gail Turner, Mary Walsh 以 及 编辑 助理 Mer- ilyn Kuchel。 在 书稿 内 容 的 分 析 评 价 方面 , 我 们 感谢 Ivan Darvey 博士 和 许多 学 生 , 而 特别 要 感谢 的 是 Tiina Iisma、Glenn King、Kiaran Kirk、Michael Morris、Julia Raftos 和 David Thor- burn. Arnold Hunt 博士 在 筹备 本 书 的 早期 阶段 给 予 了 帮助 。 我 们 对 在 这 个 计划 实施 的 初期 逝世 的 Reg O'Brien 博士 表示 沉痛 的 悼念 。 他 对 本 书 的 撰写 的 内 容 和 用 词 有 很 高 的 要 求 , 我 们 和 希望 他 对 本 书 最 终 的 构成 形式 示 以 灶 同 。 最 后 我 们 感谢 McGraw-Hill 出 版 公司 的 Elizabeth Zayatz 和 Marthe Grice, Elizabeth 对 本 书 的 构思 给 予 了 高 度 重 视 , 并 且 他 们 二 人 付出 了 巨大 的 努力 使 本 书 得 以 出 版 。 W. #4 B. F RMM Blam—® ganda a LADS AIG SAR BABS signe cs: RAPER Lael og i 1 i ie i \ - cal ui j Ti > 让 = Hs aT ae ee sia tations nla? bale w WA > lie a - 1 可 a : i, é re . ln 有 a. 过 ¥ i f “本 有 iy 4 J | A des, all A i era oP! =~. * FE 第 二 版 前 言 第 一 版 前 言 的 0 1.2 研究 细胞 结 TTS sea 1.3 亚 细 胞 器 … 1.4 细胞 类 型 … 1.5 细胞 结构 层次 简单 醛 糖 pp 糖苷 键 … 多 糖 … 第 3 章 氢 基 酸 和 肽 3.1 氮 基 酸 … bb 这 a a ae oe ae ee a 23.2 On cea. GE corer eran ene retina roneenintnncnsnntinnpmcnnnitnntetetcos re SADIE... 3.4 RGB nee cee cee eee cee eee cee eee cee eee cee eee cee eee cee een ene eee eee sen eee een cee eee eee seeeenceeeen es 人 第 4 章 蛋白 质 - SAS ees cz 4.2 蛋白 质 的 纯化 与 鉴定 -。 4.3 ZAMS: 7 ee = = ke v3 ee eee oe ere eee eer eee eee ere 4.5 RP DR DE ey EG BEG oo nee cee cee cee cee cee eee cee cee nee cen eee cue ensceeeeseneeee eee ees 4.6 和 恒 晶 质 构象 的 测定 方法 … 第 5 章 ZAR: BOTH - 5° 导言 . 人 5.2 超 分 子 结构 的 装配 … 5.3 蛋白 质 的 自我 聚合 … ihn aati I~ fakin ernest 56 pee... hy 第 6 章 , 脂 、 膜 、 运 输 和 信号 --- REE ec ccvece cr ewe mew seine owtsireinen more notre nna seca ae ane oe toe MEET. «. 村 di EN FN EN GEN ES AF EN AS UZ US eS UES ESS) OS COA Se Ae ee ee eee eee ee eee ee ee ee ee eS ee - . as eS eat Gt NY Sw. Set Ne OS (ON (OG Ne NN Ss Se, Se NaN SS) se Se Se See NN OSS a * viii , 生物 化 学 导言 ( 1288 IG A AP ZB cose ee cee cee ee cee eee eee ee ee ee ee een eee ene nee ene e ee nee cee nee ene aen ses ese tes seeaee ces ( 129 ) HB AR BRB (130) 甘油 脂 … 0 ( 13] ) tg pa gee (0134) eve sk rian 性 质 … 人 血浆 脂 蛋 白 (41) 13 =e Me Ma DNA 的 大 小 ,组 构 和 拓扑 学 --- neers ccttene cen cnnnnccseenecenceeanmnne san staieneamiees OC 978 ) pH cage Lele (215) 10.1 导言 corer eee eee cee cee eee cen eee eee eee en cee eeeeeeceseencnenee eee ereaee eenen ees acesaeere ses ( 240 ) Sco =] CY Or & W Nh = Gy can Gn CGN (ON on GN Gy OW SN CON CON CONN CCN ~ SO SoS oN A aA fb DS NH = OO ©) SS ee ee pe ie GS 6 = Rh te Sr ee 10. 10. .4 ATP 及 其 在 生物 能 学 方面 的 作用 … 10 10. 10. 10. a1. zi. 11. Bi. RY: Er. Ae ze: EF: z. 2 热力 学 - 3 氧化 还 原 反应 - 5 代谢 途径 的 控制 步骤 - 避 - 调控 信 叶 的 放大 .--…-……-…- 糖 异 生 .-…-…-…-……-- Cori 循环 - Re - 细胞 液 中 NAD 的 再 生成 - ye AnN A A 2 DO NY = 第 12 章 柠檬 酸 循环 … a2. 42. az. 1 t2: 12 12 12. 13-1 13<2 13.3 13.4 5 脂肪 酸 的 氧化 - 6 7 8 9 13 13. 13. 13. 13.° 13. 13. 14 1 导言 . Siem saints ioe labial male ils 2 柠檬 酸 循环 反应 3 FRAN RRS - 贮存 脂 类 的 动员 - aR Con fipaeeic de a Hs Bh. aati ats: .o ae seoeeeeeeeeeeeseesaosaeesssseasasa5 ee ( 310 ) BAER - ree ee 2 电子 传递 链 的 成 分 - 3 电子 传递 链 的 构成 , 14. 14. 14. 4 ho 5 眶 粒 体 产生 的 质子 数 与 传递 给 氧 的 电子 数 的 比率 , eee 6 质子 传递 机 制 的 模型 - 进入 糖 本 解 途径 的 其 他 碳水 化 合 物 糖 酵 解 过 程 中 激素 的 作用 pp » (285 ) » (285 ) (286 ) (289 ) 5 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 pp .6 丙酮 酸 羧 化 酶 woe eee ce eee ee cee cee eee cee tee eee eee tee eee eee ee eee eee cet eee eee eee cee eee ees .7, 柠 檬 酸 循环 的 两 性 特点 pp 8 乙 醛 酸 循环 crc cee cce cee ce cee eee ee cee eee cee tee eee cee tee een eee cee tee eee cee eee eee eee cee ees 第 13 章 脂 类 代谢 .pp 导言 EEE SEOSOO SESE COOOOOOOOOOOOOOOOOSOOOOOSO OOO OSOOOOOOOECOOOOOOOSOOIOS 脂 类 的 消化 pp 脂 蛋 和 白 代 谢 pp (305 ) - (305 ) “= (240 ) + (244) (246 ) (247) | 用 再 的 区 室 与 代谢 .sm 本 代谢 糖 酵 解 eee occ 丙酮 酸 的 去 网 ecco S-.K267 ) =. €1269 ) #€270-) -- I 2729 (274) (250 ) : .€1257 ) ‘/@1257 ) ( 264 ) (277 ) ( 280 ) ( 289 ) (291 ) ( 292 ) ( 293 ) ( 293 ) ( 299 ) + (299 ) + (299 ) ( 301 ) ( 308 ) 11 AB AS OU AY TAFE -- + ee eee ee cee ce eee cee cee cee eee eee tee ee ence eens nen cee cee eee en eee ees 14. 14. ( 318 ) ( 321 ) ( 325 ) ( 332 ) i. Ei332°) #€ 332 ) * & 334) » (336) “A SOR) 10338) “im, 生物 化 学 1%. 8 WATR aH oteeeacecsecenseesacccsaesecscosccccesssedersceccsececseceress (134 ) 15. 一 碳化 合 物 的 代谢 cee cee cee eee cee cee eee cee eee cee eee eee tee (369) 16. 真 核 生 物 DNA 复制 的 起 始 、 延 伸 和 终止 cee eee cee cee eee cee eer see (390) 16.10 DNA ahaa eosin ns aa a ee a (383) 16.12 a BBE RL 【396) 17.1 an ak Dan pea eon apie (05) 17.7 “基因 组 的 组 构 pp ( 413 ) 8 9 ee HA nA ff WH NH -— oe wan oa © bp = 17.12 SERA AIG MR woo eee ee cee cee cee ee cee eect te eee (418) 补充 问题 答案 ee cece ete cee eee ee cence tee cence ee ce eeeeee (429 ) 问题 : 什么 是 生命 的 基本 单位 ? 一 切 动 、 植 物 及 微生物 都 是 由 细胞 组 成 的 。 在 细菌 中 , 细 胞 的 容量 只 有 10- 18L, 而 在 乌贼 的 大 神 象 细胞 中 , 细 胞 的 容量 可 以 达到 毫升 级 。 和 型 的 哺乳 动物 细胞 直径 为 10 ~ 100km, 比 最 小 的 可 见 微粒 还 要 小 。 它 们 通常 具有 易 计 曲 的 结构 , 其 起 划 界 作用 的 膜 处 于 动态 的 波动 状态 。 不 同 的 动 、 植 物 组 织 具 有 不 同类 型 的 细胞 , 其 不 同 不 仅 在 于 它们 结构 不 同 , 也 在 于 具有 不 同 的 代谢 活动 。 Spi 1.1 荷兰 Delft FA FIX HR (1632~1723 +) 自己 磨 制 了 透镜 , 并 制造 了 可 以 放大 2004 的 简单 显微镜 。1676 年 10 月 9 日 , 他 寄 了 一 封 长 达 17 页 半 的 信 给 伦敦 皇家 协会 。 在 信 中 , 他 描述 了 不 同 水 样 中 的 微生物 。 近 些小 的 有 机 物 包 括 我 们 现在 所 知道 的 原生 动物 和 细菌 。 因 此 , 列 文 虎 克 被 认为 是 第 一 个 发 现 细菌 的 人 。 他 后 来 的 功绩 还 包括 精子 及 许多 生物 种 类 红 细 胞 的 识别 。 于 细胞 发 育成 具有 特殊 功能 细胞 的 过 程 称 为 分 化 。 这 在 胚胎 中 发 生 的 最 为 活跃 , 可 以 从 一 个 由 精子 与 卵子 融合 而 成 的 细胞 分 化 为 大 量 不 同 的 组 织 。. 细胞 可 以 识别 与 其 类 似 的 细胞 , 进 而 结合 成 一 致 的 器 官 , 这 主要 依赖 于 细胞 膜 上 特定 的 糖 蛋白 〈 见 第 2 章 )。 1.2 研究 细胞 结构 与 功能 的 方法 光学 显微镜 许多 细胞 及 其 细胞 器 可 与 染料 发 生 强 烈 的 反应 。 因 此 , 将 组 织 切片 后 , 它 们 可 以 很 容易 地 通过 光学 显微镜 区 分 开 。 有 成 百 上 千 的 对 组 织 成 分 具有 不 同 选择 性 的 染料 被 用 于 这 项 工 作 , 它 们 构成 了 组 织 学 的 基础 。 Pil 1.2 在 对 患者 的 医疗 生化 评价 中 , 一 项 常用 的 评价 是 在 显微镜 下 观察 血样 , 以 判定 炎 性 白 细 胞 的 数量 和 类 型 。 将 薄 薄 的 一 层 血 涂抹 在 玻璃 片上 , 并 将 其 置 于 甲醇 中 以 国定 细胞 , 这 个 过 程 使 细胞 固定 并 保持 其 原 有 形状 。 细 胞 通常 由 几 滴 两 种 染 液 的 混合 物 染 色 。 最 常用 的 是 Romanowsky 染 液 , 过 是 以 19 世纪 它们 发 明 者 的 名 字 命 名 的 。 常 用 的 血液 染色 过 程 是 由 丁 W. Field 发 明 的 : 先 用 苯胺 蓝 工 和 次 甲 基 蓝 对 细胞 染色 , 接 着 用 曙 红 染色 。 各 种 染料 都 溶解 于 一 个 简单 的 磷酸 盐 缓 冲 液 中 。 这 种 方法 可 以 将 细胞 核 染 为 蓝 色 , 细 胞 质 染 为 粉色 , 部 分 亚 pinata mee: 以 不 同 的 染色 方式 为 基础 , 至 少 有 五 种 不 同 的 白细胞 可 以 被 识别 。 » ARMA, WERHFEER ARREARS, aati 的 不 同 染色 的 确切 化 学 机 制 了 解 得 还 很 少 。 因此 , 组 织 学 在 这 方面 仍然 只 能 赁 经 验 。 然 而 , 染 料 化 学 结构 的 某 些 特点 可 以 对 它们 的 选择 性 染色 作出 一 些 解 释 。 它 们 一 般 生物 化 学 是 多 环 、 杂 环 的 芳香 化 合 物 , 丰 富 的 键 合 作用 使 其 具有 鲜艳 的 色彩 。 在 许多 情况 下 , 它 们 最 初 是 从 植物 中 分 离 出 来 的 , 带 有 净 正 或 负电 和 荷 。 Hi 1.3 次 甲 基 蓝 将 细胞 核 染 为 蓝 色 , N . CH, | j ( ) CH, a ee p ries 天 IN CH, H 次 甲 基 蓝 CH; 染色 机 制 : 次 甲 基 蓝 上 带 正 电 荷 的 氛 原子 与 DNA fe RNA 磷酸 酯 中 的 氧 阴离子 发 生 相 互 作 用 3 第 7 明 红 将 细胞 中 富 含 蛋 白质 的 区 域 染 为 红色 , 染色 机 制 : BEA pH7 时 为 二 价 阴 离子 , 与 在 此 pH MPERYHARM, BAM, HAMS 有 蛋白质 基 团 静 电 相 连 。 因 此 , 这 种 染料 可 以 显现 细胞 中 有 蛋白 质 丰 富 的 区 域 。 PAS (高 碳酸 希 夫 ) 染料 用 于 碳水 化 合 物 的 组 织 染 色 , 它 也 同样 应 用 于 电泳 凝 胶 (LE 4 章 ) PREG (含有 碳水 化 合 物 的 蛋白 质 ; LEI) ORE, CRSRHASBALH 高 碳酸 (HIO,) RMSE, 碱 性 品 红 染色 机 制 : 高 碳酸 在 顺 - 二 酵 键 ( 即 葡 萄 糖 C2、C3 间 的 键 ) 打开 了 糖 环 , 形 成 了 两 个 醛 基 fo GH (IO3 一 )。 于 是 , 染 料 的 一 “NH2 基 团 与 醛 基 形 成 了 所 谓 的 希 夫 碱 键 , 将 染料 与 碳水 化 合 物 相连 。 其 本 反应 是 : O \ H2O (A cr +i. < Gey me A CGoNeCaR es ve ag 碱 性 品 红 的 环 A 转变 为 芳香 环 , 其 中 心 碳 原 子 为 正 碳 离子 (FEBHRRT), RAILS 第 1 章 “细胞 超 微 结构 呈 粉 色 。 电子 显微镜 通过 电子 显微镜 , 可 以 得 到 放大 200 000 倍 的 组 织 切 片 。 将 样品 放 在 高 真空 、 电 子 束 照 射 的 环境 下 , 电 子 被 样品 的 不 同 部 分 散射 。 这 样 , 在 样品 染色 时 , 不 同 的 电子 密度 代替 了 光 学 显微镜 使 用 的 有 色 染 料 。 常 用 的 染料 是 四 氧化 饿 , 它 与 蛋白 质 的 氨基 酸 相连 , 使 得 电子 密 集 区 域 呈 黑 色 。 pil 1.4 电磁 辐射 光 的 波长 限制 了 显微镜 的 分 辩 率 。 设 备 的 分 辨 率 是 指 通过 该 设备 观察 时 , 可 以 分 辨 的 两 物体 间 的 最 小 间距 , 大 约 是 所 用 电磁 波长 的 一 半 。 和 被 约 100 000V 电力 加 速 的 高 速 电子 也 具有 电磁 波 的 特性 , 波 长 为 0.004nm。 所 以 , 理 论 上 电镜 可 达到 的 分 辩 率 为 0.002nm。 因 为 许多 球 有 蛋白 , 如 血红 球 有 蛋白 的 直径 大 于 3nm, 这 使 得 至 少 在 理论 上 , 甚 至 蛋 白质 分 子 的 某 些 特点 也 是 可 区 分 的 。 但 是 实际 上 , 这 种 分 辨 率 一 般 是 达 不 到 的 。 组 织 化 学 和 细胞 化 学 组 织 化 学 研究 整个 组 织 , 而 细胞 化 学 是 研究 单个 细胞 。 这 些 学 科 的 技术 为 在 细胞 和 组 织 中 定位 特定 的 化 合 物 和 酶 提供 了 方法 。 组 织 切片 与 目标 酶 的 底 物 一 起 孵育 , 这 一 反应 的 产物 与 存在 于 孵育 混合 物 中 的 色素 发 生 反 应 。 如 果 样 品 在 孵育 前 固定 得 很 好 , 并 且 固 定 过 程 没 有 对 酶 造成 损伤 , 那 么 , 这 个 过 程 将 会 使 组 织 薄 片 中 含 酶 的 细胞 在 显微镜 下 显现 。 大 具有 更 高 的 分 辨 率 , 还 可 以 使 含有 该 酶 的 亚 细 胞 器 显现 。 FP 1.5 酸性 磷酸 酶 存在 于 许多 细胞 的 溶 酶 体 中 (1.3), HPAI. CRATER 酸 酯 上 水 解 下 磷酸 基 团 , 如 下 式 : H H—C— OH ye H,0 Si a OH O OH HN 磷酸 盐 2- 磷酸 甘油 在 Gomori 过 程 中 , 样 品 在 含有 2 -磷酸 甘油 的 缓冲 液 中 于 37 人 HA 30ming HA, HH 。” 品 上 的 杰 酸 酯 洗 脱 , 并 将 其 放 在 另 一 含有 硝酸 铅 的 缓冲 液 中 。2 - 磁 酸 甘油 可 自由 地 穿 过 溶 BAR, MEALS BSH AM se. Pv, PA RRA OKA FM ARS AT 溶 酶 体内 。 由 于 Pb TUBABBA, CNAKRARAHUARA, RERKRCHPEAYW 子 及 光学 显 微 图 上 都 显现 为 深 色 斑 点 。 放射 自 显 影 放射 自 显 影 是 对 细胞 内 具有 放射 活性 的 化 合 物 进行 定位 的 一 项 技术 , 它 可 以 在 光学 或 电 子 显 微 镜 下 进行 。 活 细胞 首先 暴露 于 胞 内 组 分 的 放射 活性 前 体 。 被 标记 的 前 体 是 有 一 个 或 多 个 氢 原 子 (CH) 被 放射 性 氛 CH) REHAB. OH, [PH] 胸腺 喀 喧 脱氧 核 音 是 DNA 的 标记 前 体 , 而 ["H] 尿 喀 啶 核 苷 是 RNA 的 标记 前 体 〈 见 第 7 章 )。 不 同 含 氛 的 氨基 酸 也 适用 。 被 标记 的 前 体 进入 细胞 并 与 适当 的 大 分 子 结合 。 接 下 来 , 这 些 细胞 被 固定 , 样 品 被 嵌 于 树脂 或 石蜡 中 , 进 而 被 切 成 薄片 。 放射 活性 是 通过 在 暗室 中 用 照相 的 贞 化 银 感 光 剂 涂 在 切片 表面 上 测定 的 。 等 感光 剂 晾 二 后 , 将 其 放置 在 一 个 不 透 光 的 盒子 内 , 放 射 性 衰变 使 表面 的 感光 剂 曝 光 。 曝 光 的 时 间 依 赖 于 样品 的 放射 性 大 小 , 一 般 情 况 下 , 光 镜 需 要 几 天 至 几 周 , 而 电镜 需要 几 个 月 。 电 镜 需 要 长 的 生物 化 学 暴光 时 间 是 由 于 切片 很 薄 (<1lpm ), 其 放射 性 很 少 。 将 制备 物 通过 常规 摄影 技术 显影 并 固 定 。 这 样 , 细 胞 内 含有 放射 性 分 子 的 区 域 表 面 就 覆盖 了 银 颗 粒 。 在 光 镜 下 , 银 颗粒 为 小 黑 点 ; 在 电镜 下 , 为 缠绕 的 黑 线 。 值 得 注意 的 是 , 整 个 过 程 只 有 在 前 体 分 子 可 以 穿 过 细胞 膜 , 且 细 胞 处 于 将 化 合 物 组 合成 大 分 子 的 生命 阶段 时 才 有 效 。 Pi 1.6 D bls & 04S BAAR 9 1 HI AT VL A RBARA AIR, Hl4o, HHT [7H] 亮 氨 酸 的 大 鼠 以 不 同 的 时 间 间 隔 处 死 , 对 其 前 列 腺 进行 放射 自 显影 。 在 电镜 下 , 注 射 4min 后 的 样品 细胞 粗 面 内 质 网 (RER) 上 出 现 了 银 颗 粒 , 表 明 [3H] 亮 氨 酸 已 经 通过 附着 在 RER 上 的 核糖 体 从 血液 整合 入 蛋白 。30min 后 , 高 尔 基 体 及 分 汰 空 泡 上 也 出 现 了 颗粒 , 反 上 映 了 标记 分 小 有 蛋白 从 RER 到 这 些 细 胞 器 的 胞 内 运输 。 在 注射 后 , 放 射 性 蛋白 从 这 些 细胞 中 释放 出 来 , 这 一 点 被 腺 体腔 上 的 银 颗 粒 所 证 实 。 超 离心 在 通过 细胞 分 级 分 离 将 细胞 器 分 离 出 来 之 前 , 这 些 亚 细胞 器 的 生化 功能 是 无 法 研究 的 。 20 世纪 40 年 代 后 期 ,George Palade 和 他 的 同事 们 证 实 , 大 鼠 肝 义 浆 可 以 通过 差 速 离心 分 为 几 个 部 分 。 由 于 不 同 细 胞 器 形状 、 大 小 及 在 溶液 中 密度 的 不 同 , 因 此 沉降 速度 也 不 同 。 例 1.7 介绍 了 一 个 典型 实验 。 Pi 1.7 离心 20min Bt th 10 000g 100 000g _—_—__ Bb 15min 1000g 细胞 核 与 质 膜 片 段 溶 酶 体 与 线粒体 BLES BEE 图 1-1 通过 细胞 勺 浆 的 差 速 离心 分 离 亚 细胞 器 把 肝 放 于 0.25mol/L 的 蔗糖 浴 液 中 , 在 一 玻璃 简 (Potter-Elvehjem JRE) 中 用 一 让 图 1-2 细胞 器 的 等 密度 离心 。 阴 影 部 分 表示 增加 的 溶液 密度 第 1 章 细胞 超 微 结 构 转 、 紧 密 的 活塞 将 其 磨 碎 。 要 小 心 不 要 在 习 浆 时 把 细胞 器 破坏 。 接 着 , 将 样品 离心 (图 1- 1)。 用 7cm 的 样品 管 , 尺 1000g 离 13min, 细 胞 核 最 先 沉降 至 样品 管 的 底部 。 用 10 000g 高 速 离心 20min, 会 产生 主要 由 线粒体 组 成 的 沉淀 , 但 其 中 也 摊 杂 有 溶 酶 体 。 继续 用 100 000g 离心 1h, 产 生 的 沉淀 是 核糖 体 和 包含 内 质 网 的 微粒 体 。 经 过 这 一 步 后 , 可 溶性 蛋白 和 其 他 溶质 被 留 在 了 上 清 液 (上 层 溶液 ) 中 。 密度 梯度 离心 〈( 亦 称 作 等 密度 离心 ) 也 可 以 用 于 分 离 不 同 的 细胞 器 (图 1-2)。 匀 浆 在 不 连续 或 连续 的 蔗糖 溶液 浓度 梯度 中 被 分 层 , 离 心 至 亚 细 胞 颗粒 与 其 环境 溶液 达到 密度 平 衡 。 问题 : 是 否 可 以 用 与 等 密度 离心 相似 的 方法 分 离 不 同 的 大 分 子 ? 可 以 。 事 实 上 , 在 基因 工程 中 , 就 有 一 种 方法 使 用 不 同 的 CsCl 密度 梯度 来 制备 和 纯化 DNA 片段 。 然而 , 达 到 平衡 所 需 的 时 间 要 长 很 多 , 并 且 , 所 需 的 离心 速度 也 比分 离 细胞 器 要 高 得 多 。 图 1-3 哺乳 动物 细胞 图 示 。 其 中 细胞 器 为 近似 的 相对 大 小 生物 化 学 1.3 We Ship 问题 : 典型 的 动物 细胞 是 什么 样子 ? 由 于 细胞 的 整体 大 小 、 形 状 及 不 同 细胞 器 的 分 布 都 是 不 同 的 , 所 以 不 存在 一 个 典型 的 动物 细胞 。 而 图 1-3 是 一 个 合成 图 , 它 表明 了 不 同 微 体 的 相对 大 小 。 质 腊 质 膜 (图 1-4) 是 细胞 的 外 层 边 界 , 它 是 一 个 由 连续 的 脂 质 分 子 〈 见 第 6 章 ) 构成 的 厚 为 4 一 Snm 的 双 分 子 层 , 其 中 灸 和 供 了 各 种 不 同 的 蛋白 质 。 蛋 白质 可 以 作为 酶 、 结 构 组 分 、 分 子 泵 及 允许 特定 小 分 子 进 出 细胞 的 选择 性 通道 , 此 外 , 蛋 白质 还 可 以 作为 激素 和 细胞 生长 因子 的 受 体 〈( 见 第 6 章 )。 细胞 外 空间 内 质 网 内 质 网 (ER) 是 由 膜 状 双 分 子 层 形成 的 扁平 赛 和 管 组 成 的 , 它 遍及 细胞 质 , 包 绕 了 大 量 的 胞 内 空间 。 腔 内 空间 (图 1-5) 是 连续 的 , 且 其 膜 与 核 膜 (图 1- 10) 的 外 膜 相 连 。 它 与 蛋白 质 的 合成 及 其 运输 至 细胞 质 膜 (通过 圳 泡 , 具 有 双 层 外 膜 的 小 的 球形 颗粒 ) HSE. HA 面 内 质 网 (RER) RAR PARR, A AR) RM LARA ERE 的 后 面 将 会 讨论 ), 核 糖 体 可 合成 蛋白 质 〈 见 第 17). HAM (SER) 的 连接 部 分 更 接近 于 管状 , 没 有 核糖 体 。 它 在 脂 类 代谢 中 起 着 重要 作用 ( 见 第 13 章 )。 人 epi 1.8 第 1 章 细胞 超 微 结构 肝 细 胞 脂 质 膜 中 质 膜 所 占 的 质量 比例 大 约 是 多 少 ? KH 10%, 其 余部 分 主要 是 ER 和 线粒体 膜 。 高 尔 基体 Re hE TRE a FBR TH WA Bi, a BEA FE ES AY II ER (图 1-6)。 在 该 系统 周围 有 许多 小 泡 (直径 为 S0nm 或 更 大 )。 这 些小 泡 是 分 沁 宫 泡 , 其 中 包含 有 向 细胞 外 释放 的 和 蛋白质 (WG 1.6)。 外 分 沁 腺 细胞 通过 分 泌 泡 分 沁 和 蛋白 及 糖 和 蛋白 ( 带 有 碳水 化 合 物 的 蛋白 质 ) 的 途径 已 经 被 了 解 得 很 清楚 了 , 但 不 同 细胞 器 的 膜 间 确切 交换 的 途 径 却 还 知道 得 很 少 , 可 能 是 图 1-7 中 所 示 的 一 种 或 两 种 途径 的 结合 。 (a) Aaya 图 1-6 高 尔 基 体 和 分 沁 襄 泡 内 质 网 ES) Tw 图 1-7 在 细胞 分 泌 蛋 白质 的 过 程 中 可 能 的 膜 交 换 途 径 在 图 1--7 膜 流动 模型 中 , 膜 穿 过 细胞 , 从 ER~~ 高 尔 基体 一 分 泌 宫 泡 一 质 膜 。 在 膜 穿 梭 RA, FEE ER 和 高 尔 基 体 间 穿梭 , 而 分 沁 宫 泡 在 高 尔 基体 和 质 膜 间 往 返 穿 梭 。 问题 : 是 什么 控制 着 膜 性 细胞 器 定向 的 流动 ? 没有 人 确切 知道 这 个 答案 。 这 是 细胞 生理 学 中 尚未 完全 了 解 的 奇迹 之 一 。 生物 化 学 溶 酶 体 溶 酶 体 是 由 膜 包 围 的 赛 状 结构 , 它 包含 着 酸性 水 解 酶 。 这 些 酶 催化 水 解 反 应 , 在 这 些 细 胞 器 中 其 最 适 pH 值 约 为 5S。 溶 酶 体 的 大 小 为 0.2~0.5nm, 它 们 是 胞 内 消化 〈 自 吞噬 ) 及 对 胞 外 物质 进行 消化 〈 蜡 吞噬 ) 的 工具 。 异 吞噬 包括 清除 体内 细菌 , 这 一 过 程 是 从 质 膜 形成 凹 陷 开 始 的 , 称 为 内 吞 作 用 。 图 1-8 显示 了 整个 的 消化 途径 。 异体 质 腊 M ho 内 含 物 释放 《〈 某 些 细胞 | 被 次 级 深 酶 体 消化 酸性 水 解 酶 图 1-8 典型 哺乳 动物 巨 噬 细 胞 的 异 吞 作用 所 有 生物 物质 的 消化 都 与 溶 酶 体 有 关 , 这 可 以 由 整个 细菌 内 所 有 不 同类 型 大 分 子 的 破坏 来 证 明 。 因 此 , 在 溶 酶 体内 发 现 大 量 不 同 的 水 解 酶 也 就 不 足 为 奇 了 。 这 些 酶 催化 核酸 、 蛋 白 质 、 细 胞 壁 碳水 化 合 物 及 磷脂 膜 的 水 解 ( 见 表 1.1)。 RRS te Be 酸性 磷酸 二 酯 酶 RRM 酸性 核酸 酶 酸性 脱氧 核酸 酶 多 糖 酶 及 黏 多 糖 酶 8B- 半 乳糖 苷 酶 a- 葡 萄 糖苷 酶 B- 葡 萄 糖苷 酶 B -葡萄 糖 酸 酶 溶菌 酶 透明 质 酸 酶 芳香 基 硫 酸 酯 酶 线粒体 第 1 章 细胞 超 微 结构 天 然 底 物 大 部 分 蛋白 质 胶原 〈 见 第 4 章 ) 肽 〈 见 第 3 章 ) 脂肪 酸 酯 ( 见 第 13 章 ) 磷脂 〈 见 第 6 章 ) 磁 酸 一 酯 (如 2 -磷酸 甘油 酯 ) FBTR RNA ( 见 第 7 章 ) DNA ( 见 第 7 章 ) 膜 半 乳糖 ( 见 第 6 章 ) 糖 原 〈 见 第 11 章 ) PAR BAR 〈 见 第 6 章 ) 多 糖 细菌 细胞 壁 及 黏 多 糖 (LSE 8 章 ) 透明 质 酸 及 硫酸 软骨 素 〈( 见 第 2 章 ) 有 机 硫酸 表 1.1 哺乳 动物 溶 酶 体内 的 酶 及 其 作用 底 物 组 织 部 位 大 部 分 组 织 骨 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 大 部 分 组 织 肝 、 脑 巨 哦 细胞 、 肝 脑 、 肝 巨 噬 细 胞 肾 肝 肝 、 脑 线粒体 是 膜 性 细胞 器 〈 图 1 -9), 在 细胞 能 量 代 谢 中 起 重要 作用 。 它 们 是 绝 大 多 数 ATP ( 见 第 12 章 ) 的 来 源 场所 , 也 是 许多 代谢 反应 发 生 的 场所 。 特 别 是 , 它 们 包含 着 三 羧 酸 循环 ( 见 第 12 章 ) 及 电子 传递 链 ( 见 第 14 章 ) 所 需 的 酶 。 电 子 传递 链 包 含 了 细胞 内 大 多 数 的 需 氧 反 应 。 一 个 哺乳 动物 肝 细 胞 约 有 1 000 个 这 样 的 细胞 器 。 细 胞 质 容 量 的 约 20% 为 线粒体 。 图 1-9 线粒体 Ale CF, ) 颗粒 生物 化 学 Spi 1.9 1890 , R. Altmann 首先 发 现 了 线粒体 。 他 推测 , 它 们 和 叶绿体 〈 植 物 中 含有 叶绿素 的 细胞 器 ) 可 能 分 别 来 自 细菌 和 海 蒙 , 是 胞 内 的 共生 生物 , 所 以 将 其 命名 为 原生 粒 。 这 个 观 点 直到 最 近 发 现 了 线粒体 核酸 之 前 , 一 直 受 到 了 驳斥。 在 组 织 学 上 上, 线粒体 可 以 被 超 活 染 色 , 即 功能 性 的 细胞 器 及 细胞 的 代谢 活动 可 以 被 选择 性 的 染色 。 染 料 度 纳 斯 绿 也 的 还 原形 式 是 无 色 的 , 而 当 其 被 线粒体 氧化 后 , 在 光 镜 下 呈现 出 鲜艳 的 绿色 。 线粒体 的 大 小 与 细菌 相似 , 直 径 约 为 0.2 一 0.$um, 长 .0.5 一 0.7xkm。 它 们 由 脂 质 双 层 膜 所 包围 , 内 膜 高 度 折 释 。 这 些 折 丢 被 称 为 晴 , 线 粒 体 最 内 部 的 空间 被 称 作 基质 。 它 们 有 自 己 的 DNA, 这 些 DNA 以 环 状 双 螺旋 〈 至 少 有 一 个 拷贝 ) 的 形式 存在 (LATE), BB 为 Sum。 线 粒 体 DNA 在 密度 与 变性 温度 上 不 同 于 核 DNA, 这 是 由 于 其 具有 更 丰富 的 乌 嗓 吟 ARM 〈 见 第 7 章 )。 与 DNA 在 密度 上 的 不 同 使 得 它们 可 通过 等 密度 离心 分 离 。 线 粒 体 也 有 自己 的 核糖 体 , 这 些 核 糖 体 与 细胞 质 中 的 不 同 , 但 与 细菌 中 的 相似 。 线粒体 中 的 大 部 分 酶 是 从 细胞 质 中 运输 来 的 , 大 多 数 的 酶 蛋 白 被 核 DNA 编码 〈 见 第 17 章 )。 这 些 酶 位 于 线粒体 内 不 同 的 特定 区 域 ( 表 1.2), 与 某 些 代谢 过 程 的 进行 方向 有 着 重要 关系 。 表 1.2 线粒体 中 酶 的 分 布 位 置 特点 或 参照 外 膜 单 胺 氧化 酶 神经 递 质 , 分 解 代谢 fi BR Bl A. BURR NADH -细胞 色素 < 还 原 酶 见 第 4 章 KRABI 色 氮 酸 分 解 代谢 ; 见 第 15 章 脂肪 酸 辅 酶 A 连接 酶 见 第 13 章 内 外 膜 间 的 空间 腺 苷 酸 激酶 AMP+ ATP 2ADP 核 苷 二 磷酸 激酶 XDP+ YTP XTP+YDP X、Y 代 表 任 一 核 苷 ARR FO te BS 见 第 14 章 ATP 合成 酶 见 第 14 章 BEA Re At Sl 见 第 14 章 B-#E T Ba Ae Sl BS 见 第 13 & 肉 碱 脂肪 酸 酰 基 转 移 酶 见 第 13 章 基质 苹果 酸 及 异 柠 檬 酸 脱 氢 酶 见 第 12 章 延 胡 索 酸 酶 及 乌 头 酸 酶 见 第 12 章 TERRA Wa 见 第 12 章 2 - 氧 酸 脱 氢 酶 见 第 12 章 B- 脂 肪 酸 氧化 酶 见 第 13 章 氨 甲 酰 磷 酸 合成 酶 I 见 第 15 章 RABE A BEF 见 第 15 章 过 氧化 物 酶 体 过 氧化 物 酶 体 的 大 小 、 形 状 都 与 溶 酶 体 相 似 〈 直 径 0.3 一 1.5um)。 但 是 , 它 们 并 不 含 有 水 解 酶 , 而 含有 氧化 酶 。 氧 化 酶 可 以 催化 许多 与 氧 结合 的 化 合 物产 生 过 氧化 氧 。 这 些 以 高 浓度 〈 甚 至 达到 可 以 形成 蛋白 结晶 的 浓度 ) 存在 的 酶 包括 : 呈 尿 酸 氧化 酶 〈 除 人 类 以 外 的 许 多 动物 ); QD -氨基 酸 氧化 酶 , 见 第 15 章 ; @L -氨基 酸 氧 化 酶 ; Oo - 羟 酸 氧化 酶 (包括 乳 酸 氧化 酶 )。 同 样 的 , 细 胞 中 的 过 氧化 氢 酶 也 是 包含 在 过 氧化 物 酶 体 中 的 , 这 种 酶 催化 其 他 反应 产生 的 过 氧化 氢 转 变 为 水 和 氧 。 第 1 章 细胞 超 微 结构 EAA, FAAS RR MRA AAA Ra, EARS 固定 脂 膜 , 维 持 细胞 形态 。 在 成 长 和 分 裂 的 细胞 , 如 肝 细 胞 中 , 细 胞 骨架 是 在 一 个 近 核 并 包 含 二 对 中 心 粒 《 见 第 5 章 ) 的 区 域 形 成 的 。 细 胞 骨 织 纤维 主要 有 三 种 类 型 : 四 微 管 , 直 径 25nm, 由 有 序 聚 集 的 微 管 蛋白 (RASH) Akh; OMMBRAAL, 直径 7nm ( 见 第 -5 章 ); OMA PAE, 直径 10nm 〈 见 第 5 章 )。 中 心 粒 中 心 粒 是 一 对 中 空 的 圆柱 体 , 由 9 束 3 个 一 组 的 微 管 蛋 白 组 成 〈 见 第 5 章 )。 中 心 粒 的 两 个 圆柱 体 互 相 垂 直 。 在 细胞 分 裂 《有丝分裂 ) 过 程 中 , 微 管 形成 网 状 恒 白 结构 , 附 着 在 染 色 体 上 。 该 网 状 结构 称 为 有 丝 分 裂 纺 锤 体 , 附 着 在 中 心 粒 的 末端 。 中 心 粒 在 染色 体 有 丝 分 有 裂 分 离 过 程 中 起 作用 , 它 对 高 等 植物 细胞 没有 任何 意义 。 高 等 植物 细胞 的 这 一 过 程 是 在 没有 中 心 粒 的 情况 下 进行 的 。 核糖 体 核糖 体 是 蛋白 质 合 成 及 存在 的 场所 : 四 细胞 质 中 玫瑰 花形 的 组 构 一 一 多 核糖 体 (在 未 成 部 血红 细胞 中 , 一 般 是 5$ 个 一 组 ); @ 位 于 RER 外 表面 ; 或 @@ 位 于 线粒体 基质 。 第 三 种 类 型 与 细胞 质 中 的 核糖 体 在 形状 与 大 小 上 都 不 同 。 核 糖 体 由 RNA 和 15 一 20nm 大 小 的 蛋白 质 组 成 。 它 们 在 蛋白 质 合成 中 的 作用 将 在 第 16 章 中 介绍 。 Hill 1.10 核糖 体 最 初 是 通过 差 速 离心 后 , 在 电子 显微镜 下 发 现 的 。 由 于 这 个 发 现 和 20 世纪 50 年 代 的 一 些 相关 工作 ,George Palade 在 1975 年 获得 了 诺 贝 尔 奖 。 曾 经 有 一 段 时 间 , 电 子 显 微 镜 学 家 把 核糖 体 称 为 Palade 微粒 。 细胞 核 细胞 核 是 细胞 中 最 显著 的 细胞 器 〈 图 1-10)。 它 被 核 膜 包围 , 从 而 与 细胞 质 分 开 。 核 膜 实 际 上 是 由 扁平 塞 组 成 的 双 层 膜 结构 , 上 面 有 核 孔 〈 直 径 为 60nm), 用 以 进行 核 质 与 细胞 质 之 间 的 物质 运输 。 细 胞 核 内 有 染色 体 , 它 是 通过 DNA 与 等 量 组 蛋白 〈 见 第 16 章 ) 结合 , 图 1-10 哺乳 动物 细胞 核 生物 化 学 包装 成 染色 质 纤 维 而 形成 的 。 核 仁 核 仁 中 有 5%~10%H RNA, 其 余 的 物质 为 蛋白 质 和 DNA。 在 光学 显微镜 下 呈 球 形 , 为 嗜 碱 性 〈 见 问题 1.1)。 其 功能 是 合成 核糖 体 RNA ( 见 第 17 章 )。 一 个 细胞 核 中 可 能 有 多 个 核 仁 。 染色 体 染色 体 是 细胞 中 遗传 信息 的 载体 , 因 此 , 它 们 是 细胞 活动 的 整体 调节 者 。 染 色 体 重要 特 征 有 : (a) 染色 体 数 量 。 在 动物 体内 , 每 个 体 细 胞 〈 不 包括 性 细胞 ) 包含 从 母 本 和 相应 〈 纯 合 子 ) 父 本 继承 来 的 各 一 套 染 色 体 , 这 两 套 中 染色 体 的 个 数 被 称 为 二 倍 体 数 。“ 倍 体 ” 是 指 一 套 , 而 “二 ”是 指 套数 。 性 细胞 (AT) 的 染色 体 数 只 有 体 细 胞 的 一 半 , 因 此 被 称 为 单 倍 体 。 基 因 组 是 指 相 当 于 一 个 物种 单 倍 体 的 全 套 染 色 体 。 wil 1.11 人 类 体 细 胞 有 46 个 染色 体 , 丫 为 60, 果 晶 为 8。 因此 , 半 倍 体 数 与 种 在 系统 发 育 体系 中 的 分 类 没有 关系 。 (b) 染色 体形 态 。 染 色 体 只 有 在 处 于 核 分 裂 周 期 的 特定 阶段 才 可 以 在 光学 显微镜 下 观察 到 。 基 因 组 中 的 每 个 染色 体 一 般 都 是 可 以 通过 以 下 特点 与 其 他 区 分 的 : @ 四 整个 染色 体 的 相对 长 度 ; @ 着 丝 粒 的 位 置 , 着 丝 粒 将 染色 体 分 为 有 两 对 不 等 臂 长 的 交叉 结构 ; 图 被 称 作 染色 粒 的 球状 染 色 质 的 存在 ; 图 被 称 作 随 体 的 末端 延伸 小 段 (图 1-11)。 CH Pi] 1.12 It T RE A AR RU ATG AS OR 85 SEL A AB LEA I RA 究 时 , 经 常会 制备 核 型 。 通 常 , 先 将 白细胞 培养 , 再 刺激 其 分 裂 。 图 1_11 哺乳 动物 染色 体 将 分 裂 前 的 细胞 在 玻璃 片 间 压 碎 , 使 细胞 核 释 放出 染色 体 , 并 用 染料 染 成 蓝 色 。 将 染色 体 摄 像 , 按 长 度 排 列 , 最 长 的 一 对 为 一 号 。 性 染色 体 不 编号 。 遗 传 性 疾病 唐 氏 综合 征 (也 称 为 先天 蚌 型 ) 具有 智力 迟钝 症状 和 明显 的 面 部 特征 。 它 是 由 于 体内 每 个 体 细胞 多 了 一 个 额外 的 21 号 染色 体 。 因 此 , 这 种 情况 称 为 21 三 体 性 。 (c) 常 染 色 体 和 性 染色 体 。 在 人 类 中 , 人 性 别 与 被 称 作 性 染色 体 的 一 对 具有 特殊 形态 的 染 色 体 有 关 。 这 对 染色 体 中 的 两 条 分 别 被 称 为 X 和 Y。 其 中 ,X 染色 体 要 大 一 些 。Y 染色 体 上 的 遗传 因子 决定 了 男性 。 除 性 染色 体 以 外 的 所 有 染色 体 都 被 称 为 常 染 色 体 。 1.4 细胞 类 型 在 人 体 中 , 有 200 多 种 不 同 的 细胞 类 型 。 组 织 是 由 多 种 方式 形成 的 , 通 常 是 不 同类 型 细 胞 的 混合 。 在 大 量 不 同类 型 的 细胞 中 , 有 一 些 已 被 高 度 特 化 了 。 红细胞 (红血球 ) 与 其 他 细胞 相 比 , 红 血球 个 体 小 , 形 态 独特 , 为 两 面 内 陷 的 圆 盘 形 〈 图 1-12)。 它 们 没有 细胞 核 , 因 为 核 在 细胞 从 骨 仙 中 释放 到 血液 之 前 就 被 挤 出 细胞 了 。 骨 人 是 造 细 胞 的 场 所 。 红 血球 的 细胞 质 中 没有 细胞 器 , 而 是 充满 了 结合 着 O, ACO, 的 血红 和 蛋 日 。 细 胞 质 中 也 第 1 章 细胞 超 微 结构 - 13° 存在 着 其 他 和 蛋白质, 它们 是 : ORF A 胞 骨架 ; 四 糖 酵 解 途径 及 成 糖 磷酸 途径 的 酶 〈 见 第 11 章 ), 还 有 一 些 其 他 水 解 酶 和 特殊 功能 酶 , 这 里 不 做 介绍 。 在 膜 上 , 存 在 着 与 阴离子 的 运输 , 及 碳水 化 合 物 细胞 表面 抗原 〈 血 型 物质 ) 有 关 的 特定 蛋白 质 。 脂肪 细胞 虽 肪 细胞 是 脂肪 组 织 的 特定 细胞 (图 1-13)。 这 类 细胞 的 直径 为 60 一 120km, 特 点 是 含有 充满 甘油 三 酯 的 大 襄 泡 ( 见 第 6 章 )。 核 与 线粒体 都 位 于 质 膜 内 侧 , 呈 扁平 状 。 其 所 含 内 质 网 的 数量 很 少 。 7~8 um 图 1-12 人 类 血红 细胞 图 1-13 脂肪 细胞 肝 细 胞 肝 组 织 含 有 许多 类 型 的 细胞 , 但 数量 上 最 多 的 是 肝 细 胞 。 肝 细胞 的 整体 结构 与 图 1 -3 所 示 非 常 相似 。 它 们 约 20 个 一 组 , 排 成 长 的 分 枝 状 , 位 于 胆汁 通道 的 横 截面 周围 。 细 胞 将 胆 汗 分 泌 到 这 些 通道 内 。 肝 是 尿素 ( 见 第 15 章 ) 的 主要 分 记 部 位 , 并 储存 糖 原 (OL 11 章 ), 合成 其 他 组 织 所 需 的 许多 氨基 酸 , 生 产 血 清 蛋白 。 此 外 , 肝 还 具有 很 多 其 他 代谢 功能 。 肌 细 胞 肌 细 胞 通过 收缩 产生 机 械 动 力 。 在 关 椎 动物 中 , 主 要 有 三 种 基本 类 型 : 1. 骨 散 肌 带 动 与 关节 相连 的 骨 。 这 些 肌 肉 是 由 长 的 多 核 细 胞 束 组 成 的 。 细 胞 质 内 有 高 浓度 的 大 分 子 收缩 蛋白 复合 体 一 一 肌 动 球 蛋 白 ( 见 第 $ 章 ), 还 含有 具有 高 浓度 Ca 的 复杂 的 网 状 膜 结构 一 一 肌 浆 网 。 在 显微镜 下 , 收 缩 蛋白 复合 体 呈 带 状 。 Z 生物 化 学 2. 平滑 肌 是 血管 壁 及 肠 壁 的 细胞 类 型 。 细 胞 长 , 成 纺锤 状 。 与 骨骼 肌 不 同 , 细 胞 不 成 Ro 3. 心肌 是 心脏 的 主要 组 织 。 细 胞 与 骨骼 肌 细 胞 相似 , 但 实际 上 , 它 们 具有 不 同 的 生化 特性 。 ERB 上 皮 细 胞 (图 1-14) 形成 了 机 体内 外 表面 的 连续 层 。 它 包含 许多 特定 种 类 , 主 要 的 几 种 如 下 : 纤毛 细胞 分 泌 细 胞 (a) 吸收 细胞 (b) 纤毛 细胞 和 分 泌 细 胞 图 1-14” 上 皮 细 胞 1. 吸收 细胞 的 外 表面 有 大 量 毛 发 样 的 突出 体 , 称 为 微 绕 毛 , 它 们 提高 了 表面 积 , 有 利 于 从 肠 腔 和 其 他 部 位 吸收 营养 。 2. 纤毛 细胞 具有 膜 结构 小 突起 〈 纤 万 ), 纤 毛 内 含有 收缩 蛋白 。 纤 毛 同 步 摆动 , 以 扫除 呼吸 道 , 即 肺 和 鼻 内 侧 表面 上 的 异体 颗粒 。 3. 分 记 细 胞 存在 于 多 数 上 皮 表 面 , 如 皮肤 的 汗腺 细胞 , 肠 和 呼吸 道 黏 液 分 刻 细 胞 。 1.5 细胞 结构 层 次 构成 生物 大 分 子 的 有 机 分 子 是 非常 小 的 。 例 如 , 丙 氨 酸 只 有 0.7nm 长 , 而 包含 574 个 氨基 酸 的 典型 球 蛋 白 血 红 蛋白 (WASH) 直径 约 为 6nm。 同 样 , 和 蛋白 质 与 合成 它们 的 核糖 体 相 比 也 很 小 〈 见 第 17 章 ), 这 些 大 分 子 聚 集体 是 由 70 多 种 不 同 蛋白 质 和 4 种 核酸 链 组 成 的 。 它 们 的 相对 分 子 质量 (M,) 约 为 2.8x105, 直 径 约 为 20nm。 相 反 的 , 线 粒 体 具有 自己 的 核糖 体 和 DNA, 其 DNA 最 大 直径 可 达 7wkm。 胞 内 的 空 泡 看 上 去 与 线粒体 大 小 一 样 , 而 高 尔 基体 或 脂肪 细胞 内 的 脂肪 泡 则 大 得 多 。 细 胞 核 可 以 更 大 , 也 具有 一 些 核 糖 体 和 其 他 的 大 分 子 聚 集体 , 其 中 包括 最 重要 的 染色 体 。 | 尽管 构成 大 分 子 的 材料 与 细胞 相 比 很 小 (如 , 一 个 丙 所 酸 分 子 体 积 与 血红 细胞 相 比 约 为 1:102), 但 蛋白 质 中 一 个 氨基 酸 顺 序 有 误 , 不 仅 会 对 蛋白 质 , 甚 至 会 对 细胞 结构 都 造成 严 重 影响 。 而 且 , 一 个 改变 的 酶 促 反应 或 结合 力 可 以 严重 影响 细胞 , 甚 至 整个 生命 体 的 生存 。 CH Gill 1.13 BABP, FAA-RARRA——#R@OR D, KHKRARA HE MRA YH MEE 白 分 子 发 生 缺 隐 , 有 蛋白 质 574 个 和 氨基酸 中 有 两 个 被 其 他 和 氨基酸 所 代替 。 和 血红蛋白 四 聚 体 两 条 B 链 上 的 第 6 位 谷 氨 酸 都 被 顷 氨 酸 所 代替 。 这 个 变化 提高 了 分 子 脱 氧 时 聚集 的 可 能 性 。 聚 集 的 蛋白 质 在 细胞 内 形成 了 大 的 次 晶 态 结构 , 使 细胞 成 为 相对 不 易 弯曲 乌 刀 形 。 这 种 细胞 容易 阻塞 小 血管 和 毛细 血管 , 从 而 造成 许多 器 官 缺 氧 。 而 有 全, 它们 也 更 脆弱 易 破 裂 , 使 细胞 数量 减少 , 造 成 贫血 。 第 1 章 细胞 超 微 结 构 问题 解答 研究 细胞 结构 和 功能 的 方法 1.1 h.2 “3 1.4 (BU FA EWR Be FA a A I PE HE BL, ER a TF ee Ko pH 值 时 带 正 电 。 这 样 , 染 料 就 结合 到 酸性 〈 解 离 掉 一 个 质子 后 带 负电 ) 物质 上 。 这 些 酸性 分 子 也 因此 被 称 为 亲 碱 性 物质 。 请 举 出 几 个 亲 碱 性 物质 的 例子 。 答 : 亲 碱 性 细胞 组 分 的 例子 有 DNA 和 RNA, 后 者 包括 信使 RNA ( 见 第 7 章 ) 及 核糖 体 。 在 血液 循环 中 , 最 年 轻 的 血红 细胞 的 细 忠 质 内 有 一 个 亲 碱 性 网 , 这 是 由 信使 RNA 及 核糖 体 RNA 组 成 的 。 在 循环 中 , 这 个 网 状 结构 在 该 细胞 生命 的 前 24h 后 缓慢 溶解 。 这 个 很 易 识 别 的 血红 细胞 称 为 网 织 红 细胞 。 像 曙 红 和 酸性 品 红 这 样 的 酸性 染料 , 在 通常 的 染料 溶液 pH 值 时 带 净 负 电 。 因 此 , 它 们 与 细胞 内 许多 带 净 正 电 的 蛋白 质 结 合 。 请 说 出 肝 细胞 中 哪些 区 域 可 能 是 亲 酸 性 的 。 答 , 细胞 质 、 线 粒 体 基质 和 滑 面 内 质 网 的 内 侧 是 来 酸性 的 , 这 些 区 域 基本 上 只 含有 蛋白 质 。 试 描述 一 条 可 以 对 6 一 棍 酸 葡萄 糖 酶 进行 细胞 化 学 检测 和 定位 的 方法 。 该 酶 存在 于 肝 中 , 可 以 催化 下 面 的 反应 ; H,0 6 — BE Hi A + 磷酸 等 , ee £I7TCAHE, HERA 5 6-RRBGRE-EY HREM P-AEH. HAR LikMeE, CARVALHO, URRRBT. 沉淀 残留 物 在 例 1.5 中 已 介绍 过 了 。 在 肝 细 胞 中 。 这 一 反应 的 产物 可 以 在 内 质 网 中 找到 , 从 而 显示 了 酶 所 在 的 位 置 。 若 想 通过 离心 分 离 亚 细 胞 器 , 应 如 何 破碎 细胞 ? 2 a 这 里 有 几 条 破碎 细胞 的 途径 : 1. 渗透 溶 胞 ;细胞 质 膜 对 水 有 通 透 性 但 对 大 分 子 及 一 些 离子 是 不 可 通 透 的 。 因 此 , 如 果 将 细胞 放 入 水 中 或 稀 杰 的 缓冲 液 中 , 它 们 会 由 于 水 的 渗透 作用 而 膨胀 。 因 为 质 膜 不 能 被 延伸 很 多 (血红 细胞 膜 最 多 只 能 被 延伸 其 原来 大 小 的 15%, 和 否则 就 会 破 裂 ), 所 以 细胞 破裂 。 该 方法 对 已 分 离 的 细胞 有 效 , 但 不 适用 于 组 织 。 2. 义 浆 器 : 例 1.7 中 已 经 介绍 过 一 种 。 3. 超声 波 : 在 细胞 样品 附近 用 一 钛 探 针 (HEO.5nm, K 10cm) 以 约 20 000Hz 振 动 , 从 而 产生 破碎 力 。 这 种 仪器 包括 一 个 压 电 铅 钳 钛 晶体 , 当 电子 振荡 器 对 其 进行 振荡 时 , 它 会 发 生 伸 长 和 收缩 。 超 声 压 力 波 使 样品 产生 许多 小 腔 , 从 而 破裂 细胞 。 这 一 过 程 一 般 只 需 几 秘 。 亚 细 胞 器 上 5 1.6 ERGURE (81-8) 的 基础 上 , 提 出 线粒体 自 吞 噬 降 解 的 途径 。 答 : 图 1-15 表 明了 一 个 线粒体 自 吞 噬 降 解 的 方案 。 注 意 , 一 旦 所 谓 的 吞噬 体形 成 后 , 消 化 过 程 等 就 与 异 符 只 一 样 了 (图 1-8)。 有 一 种 遗传 病 , 患 者 溶 酶 体 缺 少 B- 葡 萄 糖苷 酶 ( 表 1.1)。 这 种 缺陷 的 临床 及 生化 结 果 是 什么 ? 生物 化 学 胞 外 空间 细胞 质 内 质 网 包围 线粒体 BMA 最初 有 两 层 膜 》 自 吞 噬 体 残 体 图 1-15 RARER SME 答 : 这 种 疾病 被 称 为 高 雪 氏 病 , 是 最 常见 的 是 蔓 脂 沉 积 病 , 在 人 和 群 中 的 发 病 率 约 为 1 2 500。 这 种 病 是 由 于 称 作 糖 鞘 脂 〈 见 第 6 章 ) 的 膜 的 组 分 不 能 被 水 解 , 在 正常 情况 下 , 该 物质 是 被 细胞 溶 酶 体 的 水 解 作 用 分 解 的 。 糖 鞘 脂 是 带 有 碳水 化 合 物 的 脂 分 子 。 由 于 不 能 将 葡萄 糖 从 分 子 上 去 除 , 导 致 了 这 些 分 子 在 溶 酶 体内 的 积累 。 事 实 上 , 玫 年 后 , 如 肝 、 脾 等 具有 更 新 质 膜 的 细胞 会 由 于 这 种 脂 降 解 产物 积累 而 变 大 。 在 临床 上 , 上 患者 表现 为 肝 大 、 脾 大 。 如 果 脑 中 也 积累 了 许多 脂 , 还 可 能 表现 出 智力 损伤 。 细胞 类 型 bd 一 个 70kg 的 人 有 多 少 红细胞 ? SE, a —#KRA3.3X10%R 4A, mH RBAWK OL, HPR-H+AAAM, W3LA4 第 1 章 细胞 超 微 结 构 » 47% 胞 。 因 为 每 个 细胞 为 90x10-PL (图 1-12), 细 胞 数量 是 由 3EL 除 以 这 个 数 得 到 的 。 1.8 如 果 人 类 红细胞 平均 寿命 一 般 为 120 天 , 那 么 , 一 个 70kg 的 人 每 秒 钟 生 产 多 少 个 红 细 胞 ? Rs 每 秒 生 产 320 万 个 红细胞 。 这 个 数据 是 由 上 题 〈1.7) ) (2.1) WRIA PIER UE OIE SPAM, MM. [a= +17.5° (水 中 )。 2.3 SPER 简单 醛 糖 的 结构 DAL-SHHBAXK, 它们 可 认为 是 在 甘油 醛 分 子 C-1 和 C=-2 原 子 之 间 引 入 含 产 基 的 手 性 碳 原子 而 衍生 得 到 的 。 因 此 CHOH 引入 D -甘油 醛 可 得 到 两 个 丁 糖 。 CHO CHO CHO H—C—OH 本 HOSRC 滞 CHOH H—C—OH H—C—OH Sa CH,OH D-H whe D -aRaE D - 苏 阿 糖 问题 : 从 世 -甘油 醛 可 得 到 两 个 本 糖 , 分 别 是 LEA 工 - 苏 阿 糖 , 为 什么 不 需要 创造 新 名 称 命名 从 L -甘油 醛 衍 生得 到 的 丁 糖 ? 如 果 用 费时 尔 投影 式 将 这 两 个 丁 糖 结构 表示 在 D AEM D - 苏 阿 糖 旁 边 , 就 给 出 了 两 对 镜像 , 即 四 个 丁 醛 糖 包含 两 对 对 映 体 , 如 下 图 CHO CHO CHO CHO | go pg 8 5 | ae ihe HC Gi eee As: a HO-¢—-E ee si OH CH,0H CH2OH D - 赤 玖 糖 L - 赤 父 糖 D - 苏 阿 糖 L - 苏 阿 糖 以 上 四 个 丁 醛 糖 中 任何 一 个 都 可 从 其 结构 上 衍生 出 两 个 戊 醛 糖 , 因 而 总 共 可 产生 8 个 戊 醛 糖 , 以 此 方式 可 产生 16 个 己 醛 糖 。 Spl 2.4 8 KB Fe 16 个 己 醛 糖 的 简化 结构 表示 如 下 (其 中 *。 代 表 醛 基 , 一 代表 一 O 百 基 , 省 略 了 碳 上 的 百 原子): 第 2 章 RKLAD 时 RPS L 核糖 阿拉 伯 糖 34 L D L D L D L Hee 艾 杜 糖 半 乳 糖 塔 罗 糖 问题 : 甘油 醛 有 时 也 叫 甘 油 糖 , 为 什么 ? 英文 名 称 中 , 所 有 丁 醛 糖 、 戊 醛 糖 和 己 醛 糖 都 是 以 - ose 结尾 , 而 甘油 醛 是 醛 糖 的 母体 , 因 此 甘油 醛 也 可 称 作 甘 油 糖 。 简单 的 醛 糖 有 D -和 LL -两 个 系列 , 为 了 确定 某 一 醛 糖 的 归属 , 应 首先 用 离 还 原 基 团 最 远 的 手 性 碳 原子 与 甘油 醛 结构 相 比较 , 明 确 它 与 甘油 醛 的 关系 。 例 如 : 下 面 所 示 的 葡萄 糖 是 D -葡萄 糖 ; CHO H—C—OH HO—C—H H— C—OH CHO | He ni Im 结构 相关 性 一 “| HC 一 OH 手 性 碳 离 还 a CHLOH | RET a D- 甘油 梧 Sr Hill 2.5 在 以 下 所 示 的 糖 中 , (1) ZLB, (2), (3) 和 (4) BDH. EE: (3) 中 最 远离 还 原 基 团 的 手 性 碳 原 子 是 C-2?。 +24 - 生物 化 学 CHO CHO CHO CHO bo ae H—C—OH GH, ees ad H—C—OH ele err sabe seme sch cs sieht i io asi —— HB a ees jee (1) (2) (3) (4) 甘油 醛 只 有 一 个 手 性 中 心 一 然而 , 丁 醛 糖 、 戊 醛 糖 、 己 醛 糖 分 别 有 2. 3.4 个 手 性 中 心 , 每 个 手 性 中 心 都 有 光学 活性 , 因 此 , 净 光学 活性 的 (+) 或 〈- ) 将 视 每 个 手 性 中 心 的 贡献 而 定 。 问题 : 当 D - 赤 父 糖 溶 于 水 中 , 你 能 预测 其 溶液 的 光学 活性 是 (+ ) 还 是 (- ) 吗 ? 无 法 预测 , 因 为 前 缀 D -和 工 - 指 的 是 分 子 的 形状 , 并 无 任何 有 关 光学 活性 的 提示 。 事 实 上 ,D -未 砍 糖 溶液 的 光学 活性 为 (- )。 当 分 子 中 存在 多 于 4 个 手 性 碳 原 子 时 , 将 用 两 个 构 型 前 组 来 表示 醛 糖 , 一 个 表示 低 序 号 的 4 个 手 性 中 心 , 另 一 个 表示 其 余 的 部 分 。 高 序号 的 构 型 部 分 需 首 先 说 明 。 Sil 2.6 . F Ba re FR SHA Dt H-L-FULFR. Cap... Hi H I 上 HO- 二 -HH 到 条 } D- 赤 苏 CHOH 2.4 简单 酮 糖 从 结构 上 讲 , 人 简单 酮 糖 的 母体 是 二 羟基 丙酮 , 其 是 甘油 醛 的 异 构 体 。 人 ‘on iia CH,OH CH,OH 二 羟基 丙酮 甘油 醛 虽然 二 羟基 丙酮 没有 手 性 碳 原子 , 但 在 1 其 酮 基 和 一个 羟 甲 基 之 间 引入 羟基 化 的 手 性 人 碳 原子 可 得 到 其 他 人 简单 酮 糖 。 从 而 可 衍生 得 CO 到 2 个 丁 酮 糖 ,4 个 成 酮 糖 和 8 个 已 酮 糖 。 Ra) cis Hil 2.7 4 | 右 图 所 示 的 是 最 常见 的 酮 糖 ,D -果糖 。 me 试 将 离 酮 基 最 远 的 手 性 碳 原 子 的 构 型 与 D - H—C—OH 甘油 醛 作 比较 。 pie SS rc mr rt rt 第 2 章 碳水 化 合 物 例 2.7 中 所 示 的 果糖 这 一 叫 法 早 在 确定 其 结构 之 前 就 已 使 用 了 。 对 大 多 数 醛 糖 也 是 如 此 。 象 葡萄 糖 、 甘 露 糖 、 核 糖 、 果 糖 等 都 是 俗名 , 也 就 是 非 系 统 命名 。 作 为 相应 醛 糖 的 异 构 体 , 酮 糖 是 从 相应 的 醛 糖 中 分 离 或 合成 出 来 的 , 它 们 的 命名 依据 的 是 其 相应 的 醛 糖 异 构 体 。 由 于 这 样 的 名 称 并 不 反映 酮 糖 中 的 结构 元 素 , 因 此 容易 产生 误导 。 Hi 2.8 右 图 中 的 酮 糖 由 于 是 D -核糖 的 异 构 体 , 因 此 一 般 称 作 CH,OH D- 核 酮 糖 。 但 这 样 的 命名 是 不 确切 的 。 在 此 化 合 物 中, 只 Li 有 两 个 手 性 中 心 而 并 不 是 如 前 缓 核 (rib) 所 指 的 那样 有 三 | 个 手 性 中 心 。 这 个 化 合 物 与 D - 杰 苯 糖 相关 , 正 确 的 名 称 是 fone ce D ar St — BFB res 问题 : 下 面 两 种 糖 的 系统 命名 是 什么 ? PEO8 GOH co CO HHd -OH H H H H H——-OH CH,OH H | OH CH,OH (1) (2) (1) L- 苏 阿 - 戊 酮 糖 , 通 常 叫 世 - 木 酮 糖 (2) D- 阿 拉 伯 - 己 酮 糖 , 通 常 叫 D -果糖 问题 : 从 名 称 如 何 确定 一 个 单 糖 是 否 为 酮 糖 ? 除 果糖 外 , 酮 糖 的 系统 名 称 是 以 酮 糖 (-ulose) 结尾 的 。 对 俗名 也 是 如 此 。 有 些 酮 糖 的 结构 与 二 羟基 丙酮 无 关 , 它 们 的 命名 忽略 了 酮 基 , 是 通过 考虑 所 有 的 手 性 碳 原子 而 命名 的 。 SF 2.9 CH,OH 去 图 中 的 酮 糖 有 三 个 手 性 瑞 原 子 〈 尽 管 它们 被 一 个 酮 基 隔 开 HOC Ds RA DMARD, RERATARR RE, MR 4f-F RPERRRFL, Asese HA D-M4216-3-ALmMeB, “a 如 果 酮 糖 的 名 称 中 未 表明 酮 基 的 位 置 , 则 二 羟基 丙酮 为 这 个 i 酮 糖 的 母体 , 酮 基 的 位 置 在 2 位 。 Be OH CH2OH 问题 : 为 什么 在 醛 糖 中 不 需要 用 数字 指出 阁 基 的 位 置 ? 因为 醛 基 必 须 在 碳 链 的 一 端 。 wa 26 - 生物 化 学 2.5 “D- 葡 萄 糖 的 结构 D -葡萄 糖 是 最 常见 的 单 糖 , 它 以 自由 状态 存在 于 动物 血液 中 , 还 可 以 聚合 态 存 在 , 特 别 是 存在 于 淀粉 和 纤维 素 中 。 植 物 及 可 进行 光 和 作用 的 微生物 每 年 可 产生 出 数 千 万 吨 这 样 的 多 糖 。 基 于 这 些 原 因 , 人 们 已 对 葡萄 糖 的 结构 进行 了 仔细 研究 , 因 此 所 有 单 糖 的 许多 结构 特 征 可 以 用 葡萄 糖 为 例 加 以 说 明 。 D -葡萄 糖 的 费 软 尔 投影 式 〈 例 2.3) 为 其 开 链 或 直 链 结构 , 这 种 结构 仅 存在 于 溶液 中 。. 结晶 状态 时 D -葡萄 糖 有 和 两 种 结晶 形态 。 当 其 溶解 后 也 同样 具有 不 同 的 光学 活性 。 用 X 射线 衍射 研究 证 实 , 和 8B- D -葡萄 糖 中 包含 一 个 由 五 个 碳 原子 和 一 个 氧 原子 组 成 的 环 状 结构 。 CH, OH CH, OH HAH HA 2, on H H OH H OH H HO OH HO H H OH H OH ox D Hea B-D- 葡萄 精 这 种 结构 称 哈 沃 斯 透视 式 。 它 并 不 代表 分 子 的 真实 形状 , 只 表示 每 个 手 性 原子 的 构 型 。 这 种 分 子 式 代 表 环 平面 在 纸 平 面 上 所 处 的 位 置 。 在 透视 图 中 , 环 中 加 重 的 三 个 键 表 示 其 在 纸 平面 的 前 面 , 剩 余 的 三 个 键 以 及 氧 原 子 则 在 纸 平面 的 后 面 。 当 ua-D -葡萄 糖 或 B-D -葡萄 糖 深 于 水 后 , 环 便 打 开 形 成 开 链 结构 。 这 样 的 反应 是 可 逆 的 。 同 时 在 开 链 结构 和 两 种 环 状 结构 之 间 形 成 平衡 。 这 个 过 程 的 化 学 机 理 可 以 用 醛 类 的 化 学 行为 来 理解 。 总 之 , 醛 与 醇 可 逆 的 反应 生成 半 缩 醛 , 然 后 在 酸 存 在 下 〈 第 8 章 ) 进一步 形成 缩 醛 。 及 O R OH R OR’ Se + R’OH eae + ROH SEE Cee C a C. / BPR pS. | H H OR’ H OR’ 由 开 链 结构 生成 环 状 结构 可 以 认为 是 C- 5 上 的 羟基 与 醛 基 反 应 生成 半 缩 醛 的 结果 。 由 此 , 醛 基 破 原子 也 具有 了 手 性 , 因 此 形成 两 种 半 缩 醛 结构 -和 8B-D -葡萄 糖 。 这 些 半 缩 醛 互 为 异 头 体 , 环 中 C-1 原子 称 异 头 体 碳 。 CH,OH °CH,OH 半 缩 醛 〈c -D - RE | H—~'C—OH a H—C—OH Bc CH,OH 半 缩 醛 〈 B-D - GRE Sl. “碳水 化 合 物 1 es 间 题 : 为 什么 异 头 异 构 体 碳 有 时 也 称 作 潜在 还 原 性 碳 ? 当 在 溶液 中 环 打开 时 ,C -1 变 为 醛 基 碳 原子 , 具 有 还 原 性 。 仅 在 开 链 结构 中 才 具 有 还 原 性 , 在 环 状 结构 中 由 于 缺少 醛 基 而 无 还 原 性 。 哈 沃 斯 透视 式 是 表示 上 面 平衡 中 环 状 结构 的 简明 方法 , 并 表示 出 了 其 中 每 个 手 性 碳 原子 的 构 型 。 将 单 糖 的 开 链 结构 改写 为 哈 沃 斯 环 状 结构 并 不 困难 。 Ce Gil 2.10 HF BEA BR LACKMRREMRHRDR, BHRLALRT EH, UD-A BAP: 1. 写 出 开 链 结构 。 CHO H——OH H H H——OH H H CH,OH 3. MH C-4—-C-S5H, KRC-SLHMARRURA. CH,OH 5 OH O LF \ DN ge ge gee HO H OH 4.C-SLMRKRERKRRSE RS HER, CH,OH CH,OH 5 O 5 H H H OH H H OH H OH H HO OH HO H H OH H_ OH a B 注 : 通常 糖 的 环 状 结构 中 与 正 原 子 相连 的 H 原子 可 以 省 略 。 这 种 情况 下 ,B-D -和 葡萄糖 可 以 写 为 , CH,OH OH OH ao 2 9 生物 化 学 问题 ; 例 2.10 中 如 何 确定 哪个 异 头 体 为 型, 哪个 为 B 型 ? 这 是 由 异 头 体 碳 的 构 型 与 D 或 工 系列 的 单 糖 中 (对 葡萄 糖 来 说 是 C - 5) 的 一 个 手 性 碳 原子 的 构 型 决定 的 。 在 费 歇 尔 投影 式 中 , 如 果 这 些 碳 原子 的 羟基 为 顺 式 结构 , 这 样 的 异 头 体 为 型 ; 如果 这 些 羟基 为 反 式 结构 , 则 为 8 型 。 比 较 例 2.10 中 步骤 (2) 与 (4) 中 糖 的 结构 , 在 成 环 前 C- 5 上 的 羟基 在 环 面 下 , 因 此 , 蜡 头 体 羟 基 在 环 面 下 方 的 异 头 体 为 型 。 在 开 链 结构 中 , 葡 萄 糖 有 四 个 手 性 中 心 , 而 形成 环 后 生成 第 五 个 手 性 中 心 , 因 此 两 种 异 头 体 具有 不 同 的 旋光 活性 。 当 固态 v- D -葡萄 糖 溶 于 水 后 其 [a] 台 是 + 112", 而 当 B-D- 葡 萄 糖 溶 于 水 后 的 [al +19°. pl 2.11 a-D- 和 葡萄 糖 和 B-D- 葡 萄 糖 的 新 配水 溶液 的 旋光 活性 随时 间 变 化 , 称 为 “ 变 旋 现 象 "。 旋光 活性 的 变化 意味 着 结构 的 变化 。a-D- 葡 萄 糖 溶 于 水 , 在 刚 溶 解 时 , 溶 液 中 仅 存 在 au-D 异 头 体 , 但 此 时 在 溶液 中 开 环 反应 慢 慢 进行 , 且 由 于 反应 是 可 逆 的 , 因 此 溶液 中 会 出 现 一 些 B-D- 和 葡萄 糖 异 头 体 及 其 开 链 形式 。 最 终 , 反 应 会 在 开 链 结构 和 两 种 异 头 体 之 间 建 立 一 个 平 衔 , 这 时 的 [a] 算 是 +52"。 由 于 此 原因 , 用 下 面 的 结构 描述 葡萄 糖 在 溶液 中 的 状态 , 并 用 同样 的 结构 来 表示 尚 不 知道 异 头 体 正 构 型 的 糖 结构 。 CH20H oH )|H.OH HO OH 虽然 我 们 认为 D-ABBORALABCRASAATH, (iw eAC-4EHHE 与 醛 基 的 加 成 也 可 能 产生 另外 两 种 异 头 体形 式 , 它 们 是 五 元 环形 式 。 HO. 9121, 6 2 BR RBA fo 6 -磷酸 葡萄 糖 BS ( 详 见 第 11%); 以 及 4-AM-D-FSLBB Fe 4 -硫酸 - N-CMFIA BE, 2.8 糖苷 键 所 有 单 糖 和 具有 醛 基 或 酮 基 的 单 糖 衍生 物 〈 除 糖 醇和 糖 酸 类 衍生 物 外 ) 都 具有 还 原 性 。 进而 言 之 , 具 有 适当 碳 原子 数 的 糖 可 形成 两 种 环形 式 〈 蜡 头 体 ), 在 此 , 我 们 称 潜在 的 还 原 性 碳 为 异 头 体 碳 。 问题 : 在 单 糖 中 异 头 体 羟 基 的 反应 活性 与 其 他 羟基 相 比如 何 ? 它们 比 典 型 的 一 级 或 二 级 醇 活 泼 。 这 种 活性 是 由 于 环 上 氧 的 电子 亲 和 性 所 导致 的 。 此 种 情形 可 与 由 四 个 原子 C—O fl O 一 耳 组 成 的 羧 酸 相 比较 。 在 单 糖 中 , 异 头 体 碳 、 异 头 体 碳 上 的 HURT. O-H 原子 和 环 上 氧 原 子 组 成 了 相应 的 基 团 。 O H 人 NE siya oF \oH SH 2.21 单 糖 与 醇 、 单 糖 与 胺 类 反应 中 异 头 体 碳 上 羟基 的 反应 性 可 方便 的 用 图 示 表 示 出 。 在 分 子 中 , 羟 基 通常 不 参加 反应 , 而 异 头 体 状 基 则 参加 反应 , 此 过 程 称 为 酵 或 胺 的 糖 基 化 , 产 物 是 O -糖苷 和 N -484F, O O- 糖 昔 \ ROH OR O Oa. 2 on elite Q We) x ) Nowe 任何 单 糖 NHR 在 糖 音 中 的 及 基 团 是 糖苷 配 基 。 母体 单 糖 中 , 由 于 异 头 体 碳 仍 是 手 性 中 心 , 其 可 以 是 "或 B 构 象 。 问题 : 糖苷 环 与 单 糖 环 有 哪些 不 同 ? 糖苷 环 不 能 打开 生成 直 链 结构 , 且 糖苷 无 还 原 性 。 人 * 36 , 生物 化 学 以 化 学 观点 看 , 糖 苷 是 缩 醛 〈 详 见 2.5 WF) R O R OH R OR’ NT 4 wets i +R'OHe SX Me rae PAN R H OR’ Bet OR’ ie 半 缩 醛 ei RE ( 开 链 单 糖 ) (环形 式 ) (糖苷 ) 糖苷 是 通称 。 葡 萄 糖 、 果 糖 和 核糖 的 糖苷 分 别 是 葡萄 糖 董 、 果 糖苷 、 核 糖苷 等 , 即 词尾 加 苷 表示 。 与 母体 单 糖 一 样 , 糖 苷 具有 五 元 环 或 六 元 环形 式 的 叶 喃 糖苷 或 吡 喃 糖苷。 CH20H CH20H HO--H ox OCH: OH OH HO OCH, OH OH cx-D- 甲 基 吡 喃 葡萄 糖苷 有 8-D- 甲 基 吡 喃 葡萄 糖苷 问题 : 当 新 配 的 c- D - 甲 基 吡 喃 葡萄 糖苷 溶液 在 放置 过 程 中 其 旋光 活性 会 发 生 什么 变化 ? 保持 不 变 。 由 于 糖苷 环 不 能 打开 , 这 种 结构 不 表现 变 旋 现象 。 Fil 2.22 B-D-P Rk RBA A 25 14; 1 写 出 D -果糖 的 结构 。 2 转变 成 五 元 环 的 哈 沃 斯 环 结 构 〔 以 例 2.10 为 例 )。 3 取 B 异 头 体 , 并 用 蛙 氧 基 将 异 头 体 羟基 取代 。 CHOH CO CHOH CH20H HO H 0 SS 人 Hot OH CH:0H HO} on H OH ; CH20H OH OH (1) (2) (3) B-D- FARE UE 糖苷 键 广泛 存在 于 生物 化 合 物 中 , 并 且 由 糖 音 键 连接 两 个 单 糖 的 糖 将 ( 即 糖 童 配 基 是 一 个 糖 ) 具有 特别 重要 的 意义 , 这 样 的 化 合 物 称 为 二 糖 。 第 二 个 单 糖 上 的 异 头 体 羟基 能 与 第 三 个 单 糖 的 羟基 糖苷 化 而 生成 三 糖 等 。 多 糖 是 大 量 的 单 糖 通过 糖 将 键 联接 形成 的 聚合 物 。 问题 : {+} AE? GREASE EM AN PRT RE MHA. 问题 : tt Ze SRE AS BB A fir OR BE? } 每 一 个 糖苷 键 都 是 通过 缩合 反应 生成 的 。 反 应 过 程 中 生成 一 个 水 分 子 。 除 末端 的 单 糖 外 , 所 有 的 单 糖 都 失去 一 个 水 分 子 , 因 此 叫 残 基 是 恰当 的 。 残 基 的 名 称 是 通过 在 糖 的 名 称 后 加 “ 残 基 ”( 简 称 “ 基 ”) 而 得 到 的 。 因 此 , 三 个 葡萄 糖 生成 的 三 糖 叫 葡萄 糖 基 葡 萄 糖 基 葡 萄 糖 。 为 简化 赛 糖 和 多 糖 的 书写 形式 , 引 入 了 残 基 名 称 的 第 2 章 碳水 化 合 物 简写 方法 。 例 如 : Glc (葡萄 糖 基 ),Gal (FFL HAE) Fru (果糖 基 ) GlcN (ABE) Glc- NAc (N -乙酰 胺 基 葡 萄 糖 基 ) GlcA (葡萄 糖 醛 酸 基 ) NeuNAc (N- 乙 酰 神经 氨 糖 基 )。 聚 糖 是 多 糖 的 另 一 种 叫 法 。 如 葡 聚 糖 、 木 聚 糖 、 葡 甘 聚 糖分 别 指 由 葡萄 糖 残 基 、 木 糖 残 基 、 和 葡萄糖 和 甘露 糖 残 基 组 成 的 聚合 物 。 在 理解 宾 糖 和 多 糖 结构 方面 的 最 大 问题 是 有 关 糖 苷 键 的 写法 。 Broil 2.23 下 面 表示 出 由 和 葡萄糖 组 成 的 不 同 二 祠 的 结构 CH,OH CH;OH ¥ AFR con) OH OF a= Gle- (14) -Gle HO OH OH CH,OH -CH,OH ; ; 纤维 二 糖 (on) 0 Kon OH — g-Gle- (1->4) - Gle HO OH OH 由 于 下 面 即 将 提 到 的 原因 , 连 接 两 个 葡萄 糖分 子 的 糖苷 键 写 成 尺 上 形式 (假设 两 个 单 糖 分 别 为 A 和 B), 通 过 和 A 的 异 头 体 羟 基 与 马 的 C-4 位 羟基 糖苷 化 生成 二 糖 。 CH,OH CH,OH OH® OH® 站 ,OH HO OH OH 这 样 的 结构 以 下 两 方面 是 不 清楚 的 。 其 一 , 它 没有 表示 出 A 中 C-1l 的 构 型 , 即 糖苷 键 是 a 型 还 是 B 型 ; 其 二 , 它 没有 表示 出 也 中 C-4 的 构 型 , 因 此 不 能 确定 也 的 种 类 。 也 可 以 是 葡 萄 糖 (HMBTFOABAT) 或 者 半 乳 糖 (糖苷 O 在 也 环 上 )。 因 此 麦芽 糖 和 纤维 二 糖 写 成 上 面 的 形式 , 明 确 地 表示 出 了 : @ 相 应 于 糖苷 基 , 糖 配 键 是 wa 型 还 是 B 型 ; 加 另 一 个 是 什么 .时 C wanvasa Lol 和 CoC wAA-#m RTE, THERA TE TR ROM 型 , 而 实际 上 键 并 不 弯曲 。 问题 : 麦芽 糖 和 纤维 二 糖 的 系统 名 称 是 什么 ? 麦芽 糖 是 a- D -葡萄 糖 基 -(1-~>4)-D -葡萄 糖 ,更 明确 的 为 a-D - 吡 喃 葡萄 糖 基 -(1->4)-D - 吡 喃 葡萄 糖 。 纤 维 二 糖 是 B- D -葡萄 糖 基 -(1-~4)- D -葡萄 糖 。 在 例 2.23 中 给 出 的 麦芽 糖 结构 中 没有 表示 出 右面 葡萄 糖 单元 异 头 体 碳 的 构 型 , 这 种 结 构 表 示 的 是 麦芽 糖 在 溶液 中 的 状态 ac 和 B 异 头 体 的 混合 物 。 晶 态 麦 芽 糖 的 异 头 体 羟 基 为 ax 型 , 可 描述 为 : w-D -葡萄 糖 基 -(1->4)-2 -D -葡萄 糖 。 9。 生物 化 学 问题 : 麦芽 糖 是 还 原 性 糖 吗 ? 麦芽 糖 是 还 原 性 糖 。 虽 然 它 是 一 个 糖苷 , 但 第 二 个 葡萄 糖 单元 具有 一 个 异 头 体 碳 原子 。 而 且 环 能 够 打开 变 成 醛 基 。 同 样 的 原因 , 麦 芽 糖 溶液 也 具有 变 旋 现 象 。 问题 : 为 什么 另 一 种 二 糖 , 荐 糖 没 有 还 原 性 ? CH2OH 蔗糖 是 由 - D -葡萄 糖 的 异 头 体 羟基 与 B O -D -果糖 ( 例 2.22) 的 异 头 体 羟基 缩合 而 成 OH 的 二 糖 。 两 者 分 别 是 -葡萄 糖苷 和 B -果糖 HO 苷 。 没 有 一 个 单元 具有 蜡 头 体 羟基 , 没 有 一 HO 个 环 能 够 打开 生成 醛 基 。 9 CH,OH O HO CH20H OH 问题 : 蔗糖 的 系统 名 称 是 什么 ? .- Df 88 E-(1-2)- BD SRNL a~ D WEAN AGBEE-(1+2)- B- D -MANLAB Tat B- DR 糖 基 -(2~>1)- a - D -葡萄 糖苷 [B- D - 吡 喃 果糖 基 -(2~1)-a- DO aT). EAT AY al fel SY so - Gle -(12)- 8 - Fru fl B- Fru -(2>1)- a - Glew 2.9 BR 作为 结构 材料 的 成 分 或 能 量 的 贮存 形式 是 多 糖 的 主要 功能 。 Hi 2.24 淀粉 和 糖 原 是 葡萄 糖 的 聚合 物 (MKB), FABHEADT, PUFETUDRAD 体内 。 淀 粉 以 两 种 形式 存在 , 分 别 为 直 链 淀粉 [ 即 由 a(1->4) 糖 童 键 连接 wa-D- 交 萄 糖 而 成 的 线形 聚合 物 ] 和 支 链 淀粉 [ 即 由 于 a(1->6) 糖 音 键 的 存在 使 直 链 产生 支 化 ]。 糖 原 〈 详 见 第 11%) 也 是 一 种 支 化 的 葡 聚 糖 , 但 支 化 程度 大 于 支 链 淀粉 。 虽 然 直 链 淀 粉 的 线形 长 链 倾向 于 采用 螺旋 构象 , 但 其 相 邻 的 残 基 之 间 也 可 以 无 规则 的 排列 。 当 有 碘 存 在 时 , 葡 萄 糖 葡 基 与 碘 原 子 之 间 的 相互 作用 使 螺旋 构象 稳定 化 。 碘 原子 被 包 于 螺旋 中 后 生成 的 结构 具有 亮 蓝 色 。 FP 2.25 ’ 纤维 素 是 植物 细胞 壁 的 主要 材料 , 也 是 线形 葡萄 糖 聚 合 物 , 但 其 是 通过 B (1-4) RR 接 而 成 的 。 问题 : 为 什么 纤维 素 不 溶 于 水 , 而 与 其 结构 非常 相似 的 淀粉 可 溶 于 水 ? 淀粉 和 纤维 素 的 结构 间 看 似 很 小 的 不 同 却 使 得 纤维 素 的 直 链 以 边 靠 边 反 平行 延伸 的 构象 方式 堆积 , 并 通过 氢 键 作用 而 使 其 稳定 化 , 从 而 得 到 具有 高 力学 强度 的 不 溶 产物 。 BC1-~4) 键 合 对 水 解 作 用 特别 稳定 。 哺 乳 动物 不 能 消化 纤维 素 。 有 些 昆虫 〈 特 别 使 息 蚁 和 食 木 蜂 螂 ) 、 原 生动 物 和 真菌 具有 能 够 水 解 BL1-~~4) 键 的 纤维 素 酶 。 反 刍 动物 如 羊 和 和 牛 因 其 消化 系统 中 存在 共生 的 原生 动物 而 使 其 能 够 消化 纤维 素 。 除 纤 维 素 外 , 植 物体 中 还 含有 胶 质 和 半 纤 维 素 。 胶 质 是 由 阿拉 伯 糖 、 半 乳糖 和 半 乳 糖 醛 酸 组 成 的 聚合 物 。 半 纤维 素 不 是 由 纤维 素 衔 生得 到 的 , 它 是 D - 木 糖 、D -甘露 糖 或 D FAL H2E RKKEAD 39+ 糖 的 聚合 物 。 这 些 化 合 物 形成 了 基质 部 分 , 而 纤维 是 由 基质 和 基质 内 含 的 纤维 素 组 成 的 。 许多 真菌 的 细胞 壁 , 昆 贝 、 节 肢 动 物 及 软体 动物 的 外 骨骼 主要 是 由 壳 聚 糖 组 成 的 , 它 是 一 种 由 N -乙酰 -B-D -葡萄 糖 胺 以 BR(1-~4) 糖 苷 键 连接 而 成 的 聚合 物 。 哺乳 动物 的 结缔 组 织 中 富 含 被 称 为 糖 胺 聚 糖 或 黏 多 糖 的 多 糖 。 属 糖 胺 聚 糖 类 的 多 糖 有 很 多 种 。 硫 酸软 骨 素 是 由 葡萄 糖 醛 酸 和 N -乙酰 半 乳 糖 胺 通过 o (1-~3) 键 连 成 的 二 糖 重复 构 成 的 聚合 物 , 并 且 大 部 分 半 乳 糖 腕 中 的 C-6 羟基 被 硫酸 酯 化 了 。 透 明 质 酸 存 在 于 肘 关 节 和 膝 关 节 的 滑 液 中 , 是 由 葡萄 糖 醛 酸 和 N -乙酰 葡萄 糖 胺 组 成 的 二 糖 重 复 构成 的 聚合 物 。 问题 : 在 糖 胺 聚 糖 中 的 羚 基 和 硫酸 酯 基 有 什么 生理 功能 ? 在 中 性 pH 值 环境 下 , 在 这 些 基 团 上 的 负电 荷 所 产生 的 静电 排斥 力 可 增 大 分 子 的 太 寸 。 溶 液 中 大 部 分 的 空间 被 这 种 扩展 了 的 分 子 所 占据 , 使 溶液 具有 高 黏度 , 并 辅助 透明 质 酸 作为 一 种 关节 润滑 液 。- 问题 解答 D -葡萄 糖 的 结构 2.1 溶液 中 D -葡萄 糖 主要 以 和 B 异 头 体形 式 的 D - 吡 喃 葡萄 糖 存在 , 两 者 都 是 非 还 原 性 的 。 为 什么 D -葡萄 糖 溶 液 是 强 还 原 剂 ? XE (=) 因为 溶液 中 存在 一 些 具 有 还 原 性 的 开 链 葡 萄 糖 。 由 于 反应 , 在 糖 的 开 链 结构 和 非 还 原 性 的 环 状 形式 之 间 的 平衡 被 打破 , 导 致 更 多 的 开 链 形式 生成 。 最 终 , 所 有 的 葡萄 糖 将 通过 开 链 形式 而 发 生 反应 。 2.2 平衡 时 溶液 中 以 B 异 头 体 存在 的 D- 葡萄 糖 占 多 少 比例 ? 答 ; 据 定义 ,1lml 溶液 中 lgB-D- 葡 萄 糖 在 1dm 长 的 旋光 管 中 的 旋光 度 是 +19. A 况 下 ,1lga-D- 葡 萄 糖 的 旋光 度 是 +112”( 见 2.5 节 )。 平 衡 时 , 假 设 B-D- 葡 萄 糖 有 5g/ml, 则 a-D-# A (1 - 5) g/ml, FA Ht AY he HE (+ 52°, Hl 2.11) bg B-D- Me (1-b)ga-D-MRRAAHTAR. W:bx(+19°)+(1-6) X(+112°) = +52°, Am 7% b = 0.64g。 因 此 , 平 衡 时 和 葡萄糖 中 含 64% 的 B 异 头 体 。( 这 个 答案 假 设 在 平衡 混合 物 中 开 链 结构 葡萄 糖 的 贡献 可 忽略 不 计 , 这 个 假设 得 到 了 平衡 时 溶液 中 旋光 光谱 和 NMR 的 证 明和 支持 。) 葡萄 糖 的 构象 2.3 写 出 8-L- 吡 喃 葡萄 糖 的 哈 沃 斯 结构 。 2 据 定义 , 其 为 B-D- 吡 喃 葡萄 糖 的 镜像 。 设 想 将 镜子 放 在 B-D- 吡 喃 葡萄 糖 的 (1) 左 面 (2) 右面 (3) 上 方 (4) FA (5) WH (6) 后 面 , 分 别 将 其 结构 画 出 。 下 面 给 出 了 三 种 镜像 。 CH,OH CH,OH | OH HO | OH HO | HO OH OH OH B-D- 吡 喃 葡萄 糖 (2) » 40 , 2.4 HO OH CH2OH HO HO OH OH (4) (5) 所 有 6 个 镜像 都 代表 同样 的 结构 , 并 且 可 通过 旋转 任何 镜像 上 适当 的 轴 而 得 到 。 例 如 , 通过 转动 纸 面 内 的 水 平 轴 将 (4) 向 前 转 180" 将 得 出 〈5)。 3, 6 -脱水 - D -葡萄 糖 的 优势 构象 是 什么 ? 答 ; 3,6 -脱水 -D -葡萄 糖 (1) 是 在 葡萄 糖分 子 C-3 和 C-6 之 间 的 凑 基 脱 去 一 休 永 分 子 而 得 的 产物 。D -葡萄 糖 的 优势 构象 是 Cl, 但 (1) 不 可 能 采取 Cl 构象 , 这 是 因为 (如 下 图 (2) 中 所 示 ) C-3 上 的 0 原子 距 C-6 太 远 , 则 它们 之 间 无 法 形成 化 学 键 所 致 。 因 此 ,1C 是 其 可 能 的 构象 (如 图 中 (3) 所 示 )。 但 由 于 存在 大 量 的 直立 羟基 , 且 #EC-3% C-6HM AEH C-3, C-4, C-5. C-6MORFRRKHKAKA, HER 种 结构 不 稳定 。3,6 -脱水 -D -葡萄 糖 的 优势 构象 是 (4), 其 具有 两 个 相 结 谷 的 平面 五 元 环 。 H2 i CH ; O HC O CH : 8H9 十 攻 Ho O O O H, OH . E O O H,OH oF i HO OH OH OH HO (1) (2) (3) (4) 葡萄 糖 以 外 的 单 糖 23 2.6 D -甘露 糖 和 D - 半 乳 糖 是 差 向 异 构 体 吗 ? 答 , 不 是 。 它 们 在 两 个 碳 原 子 上 的 构 型 不 同 。 图 2-2 表 示 B-D- 核 糖 深 于 水 后 的 变 旋 现象 , 如 何 解 释 这 条 曲线 ? 答 Ws [a] 0 时 间 一 ~ 图 2-2 8B-D- 核 糖 溶 于 水 中 的 变 旋 现象 mu a D | 已 | 5 ae Ao B-D- 吡 喃 核糖 ( 见 2.7 节 )。 当 核糖 溶 于 水 后 , 吡 喃 糖 环 打 开 , 生 第 2 章 碳水 化 合 物 成 的 开 链 形式 又 将 环 化 生成 吡 喃 糖 环 和 呐 喃 糖 环 形式 。 在 开 链 形式 的 糖 中 , 由 于 C-4 上 的 拳 基 接近 C-1 的 机 会 远大 于 C-S 上 的 拳 基 , 因 此 其 形成 吡 喃 环 更 快 一 些 。 然 而 吡 喃 糖 环 更 稳定 , 因 为 其 较 大 而 空间 斤 力 较 小 。 因 此 在 图 2-2 中 , 初 始 旋光 性 的 变化 是 由 于 形成 了 相对 高 浓度 的 呐 喃 糖 环 形式 所 致 。 后 期 旋光 性 的 变化 反映 出 重新 生成 了 吡 喃 糖 形式 且 浓 度 逐 渐 生 高 。 2.7 请 表示 出 1 -磷酸 - L -核糖 醇 酯 与 5 -磷酸 - D -核糖 醇 酯 是 相同 的 。 答 : 在 核糖 醇 中 所 有 的 碳 原 子 都 处 于 同样 的 氧化 态 , 碳 链 可 以 从 任何 一 端 编 号 。 若 按 (a) 所 示 编 号 , 同 时 假设 C-1 是 从 醛 基 衍 生 而 来 , 那 么 这 个 化 合 物 将 与 工 -核糖 相关 (4 (a) 结构 上 下 颠倒 ), 称 为 L-KES. 1 RR L-KEBH AA (c) RF, RAL, (c) 与 (b) 中 所 示 的 磷酸 酯 相同 。 1 CH,OH CH,OH CH,OPO37 H H H H H——OH H H H H H H H H H——OH H——OH CH,OH CH,OPO37 CH,OH (a) . (b) (c) 糖苷 键 2.8 下 图 所 示 二 糖 为 乳糖 , 是 存在 于 哺乳 动物 奶 中 的 碳水 化 合 物 。 请 写 出 (a) 全 称 及 (b) 简称 。 CH2OH CH2OH OH OH 乳糖 答 : (a) B- 吡 喃 半 乳 糖 基 -(1->4)- 吡 喃 葡萄 糖 (b) B- Gal -(1—>4)- Glc 2.9 请 给 出 仅 含 葡萄 糖 的 非 还 原 性 的 二 糖 的 结构 。 答 : 由 于 二 糖 没 有 还 原 性 , 因 此 两 个 葡萄 糖分 子 中 的 CH,OH 异 头 体 碳 必须 通过 糖苷 键 相 连接 在 一 起 。 此 种 产 q Me te eR. CULEMRAAUDXFE, WW con) ei taF Uo, a; 8 Bs « B (如 图 ) 形式 相互 HO BRE-R. a, P-HRESHRE o-D-kKBA O 萄 糖 基 -(1->1)-B-D- 吡 喃 葡萄 糖 。 O 多 糖 CH,OH 2.10 壳 聚 糖 的 部 分 酸 水 解 将 生成 什么 产物 ? OH 答 : HO BG61-~4) 键 合 相对 较 难 水 解 。 因 此 主要 在 N- 乙 OH 酰基 位 置 上 发 生 水 解 , 生 成 聚 (a-D- 葡 萄 糖 K) 和 乙酸 。 这 种 材料 叫 聚 葡萄 糖 胺 。 “a2. * * 42 > 生物 化 学 如 何 确定 直 链 淀粉 样品 的 聚合 度 〈 即 每 个 链 上 葡萄 糖 残 基 的 平均 数量 )? te BRR NENG PEP RA-SRRERA, WROEMRE-TPREWC-1IRA 基 团 。 准 确 灵 人 敏 地 测定 样品 中 还 原 性 基 团 的 浓度 可 提供 聚合 物 链 数 目的 估计 值 。 分 析 1 葡萄 糖 的 总 浓度 , 从 总 葡萄 糖 浓 度 与 还 原 性 基 团 浓度 的 比值 可 估计 聚合 度 。 补充 问题 通过 分 类 和 名 称 确认 下 列 糖苷 中 的 单 糖 , 给 出 每 个 糖苷 键 的 构 型 。 cHoH N N oGH: CHCOO- O ,号 OH OH (b) _CH2OH NHCOOH? oo O— (CH}),,/CH, ve, - HO OH ars OH (d) eS (a) 半 乳 糖 (b) B- 甲 基 半 乳糖 苷 (c) RFR (d) 甘露 糖 (e) AE (f) 果糖 (g) RE (h) 核糖 (i) 葡萄 糖 胺 (j) 葡萄 糖 醛 酸 (k) 葡萄 糖 醇 (a) 画 出 吡 喃 糖 形式 的 所 有 8B-D - 庚 醛 糖 的 结构 。(b) Mine A, MERIAL Be 构 体 的 结构 。 一 个 糖 〈CsHioO:) 经 还 原 醛 基 处 理 后 得 到 的 产物 无 光学 活性 , 假 设 此 糖 为 D 型 , 那 么 此 糖 的 两 种 可 能 结构 是 什么 ? 放置 数 小 时 后 ,D - 半 乳 糖水 溶液 的 旋光 度 [ab 29 + 80.2". 纯 v-D- 半 乳糖 和 人- D - 半 乳 糖 的 旋光 率 分 别 是 +150.7° 和 + 52.8", 计 算 平 衡 混 合 物 中 w -和 有 B-D- 半 乳 糖 的 比例 。 水 中 麦芽 糖 的 旋光 率 是 + 138", 如 果 用 10cm KHER M SHES RAMEE 为 +23", 则 其 浓度 是 多 少 ? 一 种 叫 蔗糖 酶 的 酶 催化 蔗糖 水 解 成 等 摩尔 的 D -葡萄 糖 和 D -果糖 混合 物 。 在 水 解 过 程 中 , 溶 液 的 旋光 性 由 (+) 变 为 〈- ), 你 能 从 这 个 现象 中 得 出 什么 结论 ? BREE (5 -氨基 - 5 -脱氧 - D -葡萄 糖 ) 是 一 种 用 来 研究 糖 蛋白 的 生物 合成 的 抗菌 素 。 写 出 它 的 开 链 和 吡 喃 糖 环 结构 。 B-D - 吡 喃 葡萄 糖 有 两 种 可 能 的 椅 式 构象 异 构 体 , 它 有 多 少 可 能 的 船 式 构象 异 构 体 ? 请 表示 出 在 B- 世 - 吡 喃 葡萄 糖 中 , 所 有 在 环 中 碳 上 的 取代 基 都 是 平 伏 键 的 结构 。 写 出 一 种 存在 于 昆虫 淋巴 中 的 碳水 化 合 物 一 -海藻 糖 ( 见 问 题 2.9) 的 优势 构象 。 a.27 2.28 Bund 第 2 章 碳水 化 合 物 TRE D - 赤 玖 糖 的 还 原 产 物 , 为 什么 在 它 的 名 称 前 省 略 了 前 缀 D-? D - 半 乳 糖 的 还 原 产 物 半 乳糖 醇 是 当 人 患 了 半 乳 糖 血 症 时 在 体内 积累 的 一 种 有 毒 的 副 产物 , 写 出 它 的 结构 。 写 出 (a) D -葡萄 糖 酸 和 (b) D -葡萄 糖 醛 酸 的 开 链 结构 。 L- 艾 杜 糖 醛 酸 是 在 结缔 组 织 中 发 现 的 一 些 多 糖 的 部 分 结构 , 这 个 糖 是 如 何 通过 一 步 反应 由 D -葡萄 糖 醛 酸 生成 的 ? COOH OH HO , OH OH 写 出 例 2.20 中 命名 的 糖 衍生 物 的 费 软 尔 投影 式 。 甲 基 戊 糖 的 名 称 有 时 用 来 描述 L - 岩 薄 糖 和 L - 鼠 李 糖 , 这 个 名 称 对 吗 ? 请 解释 你 的 答案 。 a- 甲 基 - D - 吡 喃 葡萄 糖苷 和 8B- 甲 基 - D - 吡 喃 葡萄 糖苷 是 异 头 体 , 异 构 体 , 还 是 构象 异 构 体 ? + Ags Me eRe Ree EEE E HEHEHE HEE EH HEE THEE EH EE EE EE EEE EEE EEE EE ESE EEE EEHEEEST SESE EEE ESE EE SES SEEE EET ESEEEEEESESEEEEESEEEEEES 3.1 BABB 蛋白 质 中 的 氨基 酸 所 有 有 蛋白 质 均 是 由 氨基 酸 所 组 成 的 长 链 分 子 , 通 过 一 个 氨基 酸 的 氨基 与 其 相 邻 的 氨基 酸 Bs 的 羧基 所 形成 的 肽 链 相 连 在 一 起 。 蛋 白质 中 的 氨基 酸 都 是 -氨基 | 酸 ; 也 就 是 说 , 氨基 和 羧基 均 与 同一 个 碳 原子 〈(a - 碳 原 子 , 见 图 3 -1) 相连 。u - 碳 原子 是 一 个 潜在 的 手 性 中 心 , 并 且 除 了 R- 基 (或 HN Caml 称 为 侧 链 ) 为 H 原子 外 , 氨 基 酸 均 具有 光学 活性 。 蛋 白质 中 的 氨 | 基 酸 都 是 - 构 型 , 如 图 3 -1 所 示 。 R 蛋白 质 是 由 20 种 不 同 的 氨基 酸 所 组 成 , 这 些 氨基 酸 列 于 表 3.1, 表 中 还 列 出 了 每 种 氨基 酸 的 两 种 常用 简写 符号 。 尽 管 3 个 字 Minne, Rete 母 的 简写 便于 易 记忆 , 但 在 写 长 序列 氢 基 酸 组 成 时 单字 母 符号 则 20 侠 种 不 同 的 化 学 基 团 中 “更 常用 。 在 许多 蛋白 质 中 , 一 些 氨基 酸 在 蛋白 质 合成 后 可 被 修 做 ; 的 一 种 例如 在 胶原 中 , 每 几 个 且 氨 酸 残 基 中 就 会 有 一 个 被 加 上 羟基 而 形 RAM ARRE, RAR, AREORHAERYT HA 图 3-1 L- 构 型 的 -氨基 3 -1 所 示 的 方式 来 代表 。 表 3.1 蛋白 质 中 的 氨基 酸 , 根 据 侧 链 的 化 学 性 质 分 类 1. 中 性 氨基 酸 (a) 非 极 性 脂肪 族 H Hoon 4 CH; + a Eadie COO (b) 极 性 脂肪 族 H + | a iia COO- H + a ca eee COO H + | 人 COO oO H a eel lies COO™ O (c) 芳香 族 氨 基 酸 H + | HyN—C—cH,—<_Y (d) 含 硫 氨基 酸 H ae eee Leon H HaN—C—CH)—CHh—S—CH hope (e) LAER 第 3 章 ”氨基酸 和 肽 «' 45 « *。 46 , 生物 化 学 续 表 2. 酸性 氨基 酸 H + | a B i. ied CO + la 7 H; Ti) ae COO- 3. 碱 性 氨基 酸 H 一 | a B sf Fy € + H;3 ee ft ee ee Ns ss COO™ H NH) + | | a EN 9 CH —CH—CH,—CH,—NH—C—NH R 注 : 结构 式 中 的 希腊 字母 是 指 某 些 氨基 酸 中 碳 链 的 命名 。 与 羧基 相连 的 碳 原子 标 为 we 氨基 酸 的 侧 链 不 属于 任 一 天 然 系列 化 合 物 , 因 此 , 没 有 一 种 容易 的 方法 来 了 解 它 们 的 结 构 。 根 据 侧 链 的 极 性 或 非 极 性 , 芳 香 族 或 脂肪 族 以 及 酸性 或 碱 性 等 性 质 来 将 它们 分 类 是 非常 有 用 的 , 但 这 些 分 类 方法 并 不 相互 排斥 。 例 如 酷 氨 酸 , 既 可 属 芳香 族 氨基 酸 又 可 属 极 性 氨基 酸 , 虽 然 其 芳香 族 化 合 物 上 的 羟基 所 产生 的 极 性 是 比较 弱 的 。 芳香 族 氨 基 酸 在 紫外 区 有 强 的 光 吸 收 。 利 用 这 一 特性 可 测定 溶液 中 这 些 氨基 酸 的 浓度 。 比尔 - 朗 伯 定律 显示 在 特定 波长 下 , 溶 液 中 物质 的 光 吸 收 与 其 浓度 C (以 mmol ! 为 单位 ) 和 溶液 中 光 径 长 (WU cm 为 单位 ) RIEL: A = eC (3.1) 其 中 A 代表 溶液 的 吸光 值 s EER MEA. Mth MAIER (1p) SH 射 光 强度 (T) 比值 的 对 数 ; A = LE 了 (3.2) Pl 3.1 假定 ; BARA 2Som 时 , 水 溶液 中 的 摩尔 吸光 系数 是 1420Lmol Lecm 1, 则 光 径 lcm © 时 吸光 值 为 0.71, 那 么 酷 氨 酸 在 溶液 中 的 浓度 是 多 少 ? 根据 比尔 -有 归 伯 定律 C=A/e*l=0.71/ (1420*1.0) =5* 107 *molL 非 蛋 白质 氨基 酸 代谢 中 的 许多 氨基 酸 并 不 组 成 重 白质 ; 例如 B- 丙 氨 酸 , OOC—CN,—CN,—NH;, , 是 合成 8 族 维生素 泛酸 的 一 个 中 间 体 , 但 在 蛋白 质 中 却 未 发 现 其 存在 。 尽 管 绝 大 多 数 天 然 存在 的 氨基 酸 为 工 - 构 型 , 但 在 某 些 抗生素 以 及 细菌 的 细胞 壁 中 发 现 了 一 些 D -型 氨基 酸 。 RE at ee CE 第 3 章 氨基 酸 和 肽 “47 , 3.2 和 氢 基 酸 的 酸 碱 性 质 氨基 酸 是 两 性 化 合 物 ; 即 它 们 既 含有 酸性 基 困 也 含有 碱 性 基 团 。 因 此 , 根 据 溶 液 性 质 的 不 同 , 它 们 可 以 带 净 电 荷 。 带 电荷 的 分 子 可 以 影响 它 和 其 他 分 子 间 的 相互 作用 ; 这 一 性 质 可 被 用 于 分 离 纯化 氨基 酸 和 和 蛋白质 。 因 此 清楚 地 了 解 那些 影响 氨基 酸 所 带电 荷 的 因素 是 非常 重 要 的 。 水 的 离子 化 水 是 主要 的 生物 溶剂 , 所 溶 分 子 的 酸 碱 性 与 其 水 溶性 密切 相关 。 水 可 以 微弱 电离 成 一 个 质子 和 一 个 氢 氧 根 离子 。 在 这 一 过 程 中 , 质 子 与 相 邻 水 分 子 以 氢 键 ( 见 第 4 章 ) 相连 形成 一 个 水 合 离子 (HaO ” ) : H H H \ | 0O.……… 上 -一 OO 一 一 一 一 O'—H 十 OH - H ae 纯 水 在 25 人 时, 在 任 一 时 刻 都 存在 1.0x10-7molL 'H H,0* HARE OH 离子 。 需要 强调 的 是 , 由 于 蛋白 质 与 水 分 子 有 如 此 高 的 亲和力 , 使 得 蛋白 质 在 水 中 几乎 不 可 能 是 “裸露 ”的 。 除 了 H3O + 外 可 能 还 存在 其 他 的 水 化 物 , 但 由 于 水 分 子 间 有 大 量 的 氢 键 连接 , 故 通过 实验 来 鉴定 这 些 水 化 物 是 困难 的 , 并 且 作 为 一 个 简化 形式 , 水 合 质子 可 写成 H+ 。 水 的 溶解 是 一 个 迅速 平衡 过 程 , 可 用 以 下 的 公式 表示 : (3.3) 因为 , 对 于 稀 溶液 , 水 的 活性 系数 wa ( 见 第 10 章 ) 是 一 个 常数 , 且 非常 接近 于 1.0, 并 且 溶 解 活性 可 用 H3O -与 OH 的 浓度 来 代表 , 因 此 可 定义 一 个 实用 常数 人 ., 表 示 水 的 离子 产物 。 K,, Rod - [OH] (3.4) BALA K,= [H*]- [OH-], 其 中 忽略 了 质子 的 水 合 而 写成 简化 形式 。 注意 方 括号 代表 离子 的 浓度 , 单 位 是 mol L 1。 纯 水 在 25C HY, K,=10°“. Ak, #2482 [H*] = [OH-], [H+] = 410° =10-’mol L™ HK, 为 常数 , 在 酸性 溶液 中 ,[H- ] MERE, [OH ] WAR. K, 值 是 温 度 依 赖 性 的 ; Pildn, 37CHt K,=2.4x10° 4, Frill 3.2 25C HH, [H*] =0.1mol L7', #+#KiSHR-P [OH]. ™7 [H*] - [OH ] =10°" [OH ] = por 9 el! ral 1 * 酸性 与 pH 值 fay = 1b FZ AS. P. L. Srensen 将 pH 值 ( 氢 电 势 ) 定义 为 pH= -lg [H* ] (3.5) 中 性 溶液 被 定义 为 当 [H*] = [OH-] 时 的 溶液 , 且 纯 水 在 ITCH, pH= —lg [10°*] =7.0 (3.6) 注意 通常 在 实验 室 中 使 用 的 蒸馏 水 并 不 是 绝对 的 纯 水 。 由 于 其 中 溶解 的 痕 量 CO, 所 产 - 48° 生物 化 学 生 的 碳酸 可 使 氢 离 子 浓度 达到 10->mol L :左右 ,pH 值 相应 变 为 $ 左右 。 Hl 3.3 UREA 4X10 4mol L- 3h (HCl) 溶液 的 pH。 在 如 此 低 浓 度 下 , 可 认为 HC 完全 解 离 为 H 和 Cl 。 因 此 [H*] =4x107*mol L™? pH= —lg [4x10°*] =3.40 注意 酸性 溶液 (H'RRS) pH 值 会 而 碱 性 溶液 (OH 浓度 高 而 于 RAK) pH 值 高 。 [H*] 增加 10 倍 , 则 pH 值 相 应 减少 1.0。 5588 FO 55 tsk BR 酸 是 指 能 提供 一 个 质子 给 其 他 化 合 物 的 一 种 化 合 物 (所 谓 Brtnsted EX). LED CH;COOH 就 是 一 HB, ZR. ii, ZRREDKnaE Ree 一 种 弱酸 。 任 何 HA 型 弱酸 在 水 中 的 溶解 反应 是 : 两 人- 忆 HOA | H3O- 因此 乙酸 的 溶解 反应 是 : CH;COOH + H,0==CH;COO~>.+ H;0* H+ 供 体 HY RO ( 酸 ) (RR RR 给 出 质子 和 接受 质子 是 一 个 双向 过 程 。 形 成 的 HIO -离子 能 提供 一 个 质子 给 乙酸 根 离 子 而 形成 乙酸 。 即 可 认为 HO 离子 是 一 种 酸 而 乙酸 根 离子 是 一 种 碱 。 乙 酸根 被 称 为 乙酸 的 共 HE Ba . | 结合 与 溶解 这 两 个 过 程 达到 平衡 。 结 果 溶 液 中 HiO "浓度 高 于 纯 水 中 HsO MBE; 即 该 里 溶液 bH 值 低 于 7.0。 : | RAB, K, &-PeeRERENEH: Kove a aaa (3.7) QHA * 2H0 . WF CBR, K, WA: @H,0° * 2CH,COO” * ~~ @cu,coon , aH,0 其 中 a 代表 化 学 物质 的 热力 学 活 度 〈 见 第 10 章 )。 在 稀 溶 液 中 , 水 浓度 非常 接近 于 纯 水 , 且 纯 水 活 度 被 定 为 1.0, 进 而 在 稀 溶 液 中 , 溶液 活 度 可 近似 等 于 溶液 浓度 ; 因此 可 将 实际 酸 溶解 常数 表示 为 : 1 REIN K. = a | (3.8) 对 于 乙酸 来 说 , 则 为 : [H* |] [CH,;COO™] [CH3;COOH] K。 值 越 大 , 酸 解 离 出 质子 的 趋势 越 大 , 因 此 酸性 越 强 。 与 定义 pH 值 相似 , 可 定义 : K, = pK, =— lgK, (3.9) 因此 , 化 合 物 的 pK, 值 越 低 , 则 K。 值 越 高 , 酸 性 也 越 强 。 C 例 3.4 下 列 哪 种 酸 的 酸性 更 强 : MB, pK,=9.0, ZGXCM, pK, =4.6? 第 3 章 氨基 酸 和 肽 at MB, K,=10°, MOM K,=10°4°=2.5x10°, BACMAD K, HRA, KM 性 较 强 。 碱 碱 是 能 从 酸 中 接受 质子 的 化 合 物 。 甲 胺 ,CH; 一 NH2 溶 于 水 时 , 能 从 水 分 子 获得 一 个 质 子 , 因 此 可 增加 OH 浓度 提高 pH 值 。 CH3-NH, + H2O ==CH;-NH; + OH™ 碱 酸 stem = SEA 如 同 乙酸 一 样 , 随 着 OH RAO, Wi VaR Oe SHAKE RAAR ST 衡 。 碱 性 常数 K。 可 表示 为 : Pipe [CH3-NH3 ][OH™ ] : [ CH3-NH} ] 然而 , 应 用 这 一 常数 可 能 会 产生 混乱 , 因 为 需要 记录 两 种 不 同类 型 的 常数 , 开 。 和 Ky. 由 于 化 学 平衡 是 一 个 双向 的 过 程 , 者 认为 碱 的 性 质 可 由 其 共 斩 酸 来 代表 则 是 更 为 确切 且 更 为 方便 的 。 共 斩 酸 可 为 水 分 子 提供 质子 : CH;-NH; + H2O 一 CH -NEH + H;0* (3.10) 并 且 [CH3-NEH2 ]LH3O”] Ky 人 [CH3-NH}? ] €3..11) 因此 , 开 。 和 区, 的 关系 如 下 : [CH3-NHz]LH3O ] [CH3-NH3 ]LOH-] . K 一 一 K : [CH3-NH3 ] [ CH3-NH; | = [H;0° ][OH ] 即 Kio Ky =-R, (3.12) RDB, GOMEMRY 天 。 值 , 则 可 计算 碱 的 K, A. AOE HISR K, 值 较 低 。 缓冲 体系 加 入 小 量 酸 或 碱 时 , 酸 及 其 共 斩 碱 所 组 成 的 混合 物 可 对 抗 溶液 pH 值 的 改变 , 这 样 的 酸 碱 混合 物 称 为 缓冲 体系 。 再 次 以 乙酸 的 解 离 为 例 : CH;COOH + HzO ==CH;COO™ + H;0* MA BRM 21 H,O* F CH3COO 再 结合 形成 乙酸 , 可 对 抗 的 HIO-* #4. RS, MA NaOH 则 使 乙酸 解 离 为 乙酸 根 , 降 低 了 HOT 浓度, 采用 平衡 反应 式 (3.8) 双 侧 取 对 数值 的 方法 , 可 将 该 性 质 定量 表示 为 See See ¢ [HA] Ig K, = lgLH ]+lg[A ] — lg[HA] 等 式 两 侧 均 乘 以 - 1, 可 得 : — Ig K, =— Ig[H*] — lglA™] + lg[ HA] 由 公式 (3.9) APH, —-IgK,=pK,, HAs (3.5) WM-lg [H*] =pH. 通过 替换 , 可 得 pK.,= pH+ le fant = PH + le cgteeage (3.13a) » 49 , * 50: 生物 化 学 pH = pK, + lg cae a (3.13b) 此 为 Henderson-Hasselbalch 公式 的 两 种 形式 , 利 用 这 一 公式 可 计算 特定 pH 值 的 缓冲 液 组 成 。 注 意 , 如 果 [HA] = [A], Wi pH=pK。。 FP] 3.5 (a) 计算 含有 0.1lmol L>'CR Ff 0.1mol L | OR 44 BPP IRA pH 4A. CMA pK, A 4.7, (b) 加 入 0.05mol L -INaOH 后 pH 值 为 多 少 ? (c) 将 这 一 pH 值 与 单纯 0.05mol L! NaOH 溶液 的 pH 值 做 比较 。 解 : (a) 由 Henderson-Hasselbalch 公式 (3.13b) 可 得 : pil = px, + ae Bl 3k; 0.1 G.1 (b) 加 入 0.05mol/LNaOH &, AS OCRMR AM 2 0.0$SmolL, 而 已 酸根 浓度 升 高 到 0.15mol/L. & st, pH=4.7+ lg 一 =4.7+0=4.7 pH=4.7+lg 0-52 =4.7+ Ig3=4.7+0.48=5.18 (c) 0.05mol L -INaOH 的 pH 值 即 溶液 中 -lg [H*]. FRMHR NaOH 在 水 中 完全 解 离 , 则 [OH-] 44 0.05mol L-1。 水 的 离子 产物 值 已 知 为 10-14mol 站 1, 则 [H+] =10-144/0.05 且 pH=12.7 与 该 值 相 比 , 加 入 等 量 碱 后 , 缓 冲 液 的 pH 值 只 发 生 轻 微 改变 。 简单 氨基 酸 的 酸 碱 性 质 许多 生物 分 子 都 包含 不 止 一 种 可 解 离 基 团 , 一 种 基 团 的 解 离 可 极 大 地 影响 其 他 基 团 的 解 离 。 所 基 酸 , 既 含有 羧基 又 含有 氨基 , 可 用 来 说 明 这 种 现象 。 在 水 溶液 中 , 羧 基 易于 解 离 出 质子 , 而 氨基 则 倾向 于 结合 质子 。 因 此 这 两 个 反应 可 大 大 促进 反应 的 完成 , 而 无 HiO 或 OH 的 堆积 。 其 中 一 个 重要 的 结果 是 在 近 中 性 PH 值 溶液 中 , 氢 基 酸 既 带 负电 荷 也 带 正 电 人 荷 , 称 之 为 兼 性 化 合 物 。 RRB 测定 氨基 酸 兼 性 (两 性 ) 性 质 的 方法 之 一 是 进行 滴定 研究 。 例如 , 假 定 对 甘氨酸 的 盐酸 盐 溶液 来 进行 滴定 , 其 中 两 个 基 团 均 处 于 酸性 形式 。 加 入 NaOH 可 增加 溶液 的 pH 值 , 同 时 解 离 的 质子 可 与 加 入 的 OH 反应 生成 水 而 促进 其 进一步 解 离 , 如 图 3- 2 所 示 。 图 3-2 中 的 曲线 有 两 个 明显 的 拐点 , 其 中 一 个 代表 甘氨酸 盐酸 中 的 两 个 酸性 基 团 。 在 A 点 上 , 两 个 基 团 均 为 酸性 (质子 化 ) 形式 : HOOC—CH,—NH} 且 分 子 所 带电 荷 数 为 + 1, 在 加 入 10mmol NaOH Ja, (CA, pH 值 接近 6.0) 一 个 基 团 几乎 完全 去 质子 化 , 且 分 子 净 电荷 0。 继 续 加 入 10mmol NaOH 后 , 另 外 一 个 基 团 也 去 质子 化 (下 点 ), 分 子 形 式 为 OOC 一 CH 一 NH2, 且 电荷 数 为 -1。 在 B 点 和 D 点 附近 , 加 入 一 定量 的 NaOH 后 ,pH 值 变化 最 小 ; 即 溶液 具有 缓冲 作用 。 在 B 点 ,pH 为 2.3, 第 一 个 基 团 有 一 半 已 被 滴定 生成 其 共 罗 碱 , 而 另 一 半 仍 为 酸性 形式 ; 即 [ 酸 ] = [ 共 生 碱 ]。 在 这 一 点 上 , 由 公式 (3.13),pK。= pH, 或 就 这 一 基 团 而 言 ,pK。 =2.3。 被 滴定 的 第 一 个 基 团 必须 有 相对 较 强 的 酸性 , 且 这 一 基 团 是 羧基 。 同 理 可 知 第 二 个 第 3 章 氨基 酸 和 肽 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 质子 解 离 数 图 3-2 用 NaOH 溶 液 滴定 10mmol 甘氨酸 盐酸 溶液 。 不 连续 的 曲线 代表 在 有 甲 醛 存在 时 的 滴定 过 程 基 团 -氨基 的 pK, 为 9.6。 Fi 3.6 当 滴 定 到 pH 为 6.3 时, 第 一 基 团 (羧基 ) 的 解 离 比例 是 多 少 ? 根据 Henderson-Hassel- balch 2A. (3.13b): e [ 焉 ] pH = pK, + |e Tag] pHA6.3H, RA pK, 为 2.3: ste =,6.3 —2.3 = 4.0 Blst, [4] =10°x [ 酸 ]。 这 一 结果 提示 在 pH 为 6.3 时 ,10 000 个 羧基 中 只 有 一 个 羧基 是 质子 化 的 〈0.01% )。 分 子 不 带 净 电荷 时 的 pH 值 称 为 等 电 点 。 甘 氨 酸 的 等 电 点 为 6.0。 当 然 , 在 -pH 为 6 的 甘氨酸 溶液 中 , 任 何 时 候 都 有 一 些 分 子 以 COOH—CH,—NH; 形式 存在 , 而 有 等 量 分 子 以 _ G00- 一 CH 一 NH; 形式 存在 , 而 COOH—CH,—NH, 形式 存在 的 分 子 较 少 。 由 于 等 电 点 附 近 滴定 曲线 的 对 称 性 给 定 某 一 pK。 值 后 , 就 可 计算 等 电 点 的 pH 值 。 Sth AA, 所 pKa aa pK,.2 2 pl (3.14) P BE —s 在 滴定 氨基 酸 时 , 可 利用 化 学 修饰 作用 来 改变 pK, 值 的 分 配 。 例 如 , 加 入 甲醛 后 滴定 , 在 图 3 - 2 PHARM pK。l 指 羧基 ,pK。: 指 氨基 。 SH 3.7 甲醛 与 不 带电 的 氨基 所 进行 如 下 可 逆反 应 : ia 0H R—NH, +2HCHO == RN. CH2;—OH ' o> » - 52° 生物 化 学 因此 在 甲醛 溶液 中 和 氨基 的 pK。 值 发 生 了 改变 , 而 羧基 保持 原状 未 受 影 响 。 在 甲醛 浴 液 中 发 现 氨 基 酸 的 pK, HAE, ALCRATRA, pK. MK ( 见 图 3-2 中 的 不 连续 曲 线 部 分 )。 降 低 的 程度 依赖 于 甲醛 的 浓度 。 因 此 ,pK。 反 应 了 和 氨基 的 解 离 。 总 的 来 说 , 在 简单 化 合 物 中 .羧基 酸性 要 强 于 一 NHi 基 。 羧 基 pK, 值 一 般 小 于 5$, 而 —NH; 基 则 大 于 7。 问题 : 为 什么 甘氨酸 的 羧基 pK, 值 (2.3) 要 小 于 乙酸 的 pK。 值 (4.7)? 在 pH 值 小 于 6 的 甘氨酸 溶液 中 , 氨 基带 正 荷 。 这 些 正 电荷 可 以 通过 电 平 衡 相 互 作用 来 抵 销 羧基 所 带 的 负电 荷 , 也 就 是 说 甘氨酸 的 羚 基 更 容易 失去 质子 , 因 此 酸性 更 强 (pK。 值 较 小 )。 和 氨基酸 的 酸 碱 性 一 些 氨基 酸 带 有 质子 转移 作用 的 侧 链 , 例 如 : 天 冬 氨 酸 和 谷 氨 酸 有 一 个 额外 的 羧基 , 组 氨 酸 有 一 个 咪唑 基 , 赖 氢 酸 有 一 个 额外 的 氨基 , 以 及 精 氨 酸 带 有 县 基 。 这 些 侧 链 的 结构 式 见 表 3.1, 其 pK, 值 列 于 表 3.2。 表 3.2 一 些 氨基 酸 的 pK。 值 AEB pKa (a-COOH) pK, (a-NH3 ) PK。R (Mi) HAR Bes > BG 一 丝氨酸 2.2 9.2 一 AAR 2.3 9.7 一 AR 2.3 9.6 一 亮 氨 酸 2.4 > 36 一 RAAB Be 9.8 3.9 BAR 2:2 9.7 4.3 AAR 1.8 9.2 6.0 + RAR 1-7 10.8 8.3 BAR 22 9.1 10.1 MAR g 2 9.0 10.5 HAR 42 9.0 1295 这 些 氨 基 酸 的 滴定 曲线 都 有 一 个 额外 的 曲折 , 如 图 3 - 3 所 示 谷 氢 酸 的 滴定 曲线 那样。 碱 性 氨基 酸 的 电荷 如 前 所 述 , 氢 基 酸 不 同 基 团 所 带电 荷 依赖 溶液 的 pH (A: 1. 羧基 和 栈 氨 酸 侧 链 的 质子 化 形式 是 不 带电 的 , 而 去 质子 化 形式 则 带 负 电荷 , 或 称 为 阴离子 形式 。 2. 氨基 、 组 氨 酸 的 咪唑 基 及 精 氢 酸 的 肌 基 的 质子 化 形式 是 带 正 电荷 (ABT), MER 子 形式 则 不 带电 荷 。 S78 pH 值 低 于 某 基 团 的 pK。 时 , 溶 液 偏 酸性 , 基 团 质子 化 形式 占 优 势 。 当 溶液 pH 值 高 于 该 基 团 的 pK。 时 , 基 团 失去 质子 , 即 一 COOH 基 变 为 带 负 电 形 式 的 一 COO0- it 带 正 电荷 的 酸 形式 的 氨基 一 NHi; , 则 成 为 不 带电 的 NE 。 等 电 点 根据 上 述 讨论 , 参 照 表 3.2 所 给 出 的 基 团 的 pK。 值 , 可 计算 上 例 中 谷 氨 酸 的 等 电 点 。 当 pH 小 于 2.2 时 , 所 有 基 团 均 质子 化 。 图 3 -3 滴定 曲线 中 各 点 谷 氨 酸 解 离 的 主要 形式 EPR: Te a a a 第 3 章 AERA 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 质子 解 离 数 图 3-3 10mmol 谷 氨 酸 -盐酸 盐 用 NaOH 滴定 曲线 点 带电 形式 电荷 数 A (pH 1) COOH +1 cp cb Ro thle B (pH 3.25) : COOH 0 C (pH 7) COO" =1 D (pH 12) COO- —2 EEO Owner “ N 当 溶 液 pH 值 从 2.2 开始 增加 , 在 接近 pH 3 的 时 候 ,u -羧基 解 离 产 生 兼 性 离子 。 当 pH 值 增加 到 4.3 时 , 侧 链 中 的 羧基 也 解 离 使 得 谷 氨 酸 分 子 带 两 个 负电 荷 一 个 正 电 荷 〈 即 净 电 荷 为 =1)。 注 意 在 pH7 左 右 〈 即 中 性 溶液 时 ), 谷 氨 酸 和 天 冬 氢 酸 均 分 别 以 带 离子 化 侧 链 的 谷 氨 酸 盐 和 天 冬 氢 酸 盐 形式 存在 。 最 后 , 当 溶液 pH 值 继续 升 高 大 于 pK., 和 氨基 解 离 使 谷 氢 酸 带电 荷 数 为 -2。 谷 氢 酸 的 等 电 点 是 取 兼 性 离子 两 边 的 pK。 值 2.2 和 4.3 的 平均 值 。 因此 , 谷 氨 酸 的 等 电 点 可 表示 为 pI= (pKa1+pKer) /2= (2.2+4.3) /2=6.5/2=3.25 故 作 为 一 个 总 的 原则 , 和 氢 基 酸 的 等 电 点 是 指 两 侧 质子 化 转变 的 pK, 值 的 平均 值 。 这 一 人 - 54 + 生物 化 学 原则 提示 氨基 酸 具 有 不 同 的 带电 形式 。 3.3 ABRAM 蛋 自 质 水 解 为 氨基 酸 后 (通常 在 浓 HCL 中 进行 ), 毛 基 酸 可 通过 离子 交换 色谱 进行 分 离 。 相 继 利 用 三 种 高 pH 值 缓冲 液 将 氨基 酸 从 色谱 柱 上 洗 脱 下 来 。 洗 脱 顺序 依赖 于 氨基 酸 所 带电 荷 。 碱 性 氨基 酸 ( 赖 氨 酸 、 组 氨 酸 和 精 氨 酸 ) 与 带 负 电荷 的 离子 交换 树脂 , 结 合 更 为 紫 密 。 应 用 这 一 技术 , 可 分 析 某 一 蛋白 质 的 氨基 酸 组 成 。 通 过 测定 每 种 氨基 酸 的 浓度 , 也 可 得 知 蛋白 质 中 哪些 氨基 酸 较为 丰富 。 化 合 物 蔓 三 酮 可 与 氨基 酸 反应 生成 紫色 的 衍生 物 。 通 过 测 = 570nm 下 生成 的 紫色 溶液 的 吸光 值 , 可 得 出 每 种 氨基 酸 的 相对 浓度 值 (图 3-4)。 MB A Ei = A ZY O H OH | 2 + ae iid OH NH, + O 氨基 酸 t= O O | I C C SS 7 C=N—C + R—C—H + CQ» + 3H,0 v4 \ ha I 1 = O . 0.2 mol/L FrRBBM pH 3.3 0.2 mol/L FARAH pH4.3 0.35 mol/L H 5.3 1 p oP Thr ay Ala te Lys NH; 吸光 值 洗 脱 体积 图 3-4 通过 离子 交换 色谱 分 离 氨基 酸 。 峰 面积 与 溶液 中 相应 氨基 酸 的 含量 成 正比 但 且 氨 酸 与 地 三 酮 反应 不 生成 紫色 物质 而 产生 淡 黄 色 衍 生物 , 具 此 亦 可 定量 测定 且 氨 酸 。 进 行 氨基 酸 分 析 时 且 氨 酸 很 易 在 色谱 图 上 定位 , 这 是 因为 与 其 他 氨基 酸 相 比 , 且 氨 酸 在 , 570nm 和 440nm 的 吸收 峰 的 相对 高 度 是 相反 的 。 Hi 3.8 水 解 某 肘 后, 水 解 液 进行 氨基 酸 分 析 , 结 果 如 下 表 所 示 : : 第 3 章 ”氨基酸 和 肽 RRM pmol Asp 121 Ser 0.60 Gly 1.78 Leu 0.58 Lys 0.61 确定 该 肽 的 氨基 酸 组 成 比例 经 验 公 式 。 可 将 亮 氨 酸 作为 一 个 参照 标准 , 然 后 确定 其 他 和 氨基酸 与 亮 氨 酸 的 相对 比例 , 于 是 得 出 如 下 表 的 化 学 计量 结果 : 由 于 肽 中 氨基 酸 含量 一 定 为 整数 , 故 表 中 数据 可 进行 四 舍 五 入 地 近似 处 理 而 得 到 肽 的 最 可 能 的 氨基 酸 组 成 比例 经 验 公式 : Aspz,Ser,Gly3,Leu,Lys。 3.4 KP SAMRAT a -氨基 酸 以 线性 序列 相连 接 。 一 个 氨基 酸 的 o RESHMA -AE Ra -氨基 通过 一 特殊 的 酰胺 键 一 一 肽 键 相连 接 。 肽 键 通过 一 需 能 的 缩合 反应 而 生成 : H, ‘a H CH, ee cer > ~~ — 4 +e 7_N_cu. - NH, —CH,—COO NH, 一 CH 一 COO ae NH,—CH, 人 N 一 CH 一 COO O 甘氨酸 AAR HARARR 注意 羧基 和 氨基 在 缩合 形成 肽 键 后 即 失去 其 相应 的 酸性 和 碱 性 。 肽 键 水 解 为 游离 氨基 酸 是 一 个 自发 的 过 程 , 但 在 中 性 溶液 中 通常 极其 缓慢 。 肽 的 命名 命名 肽 时 , 以 具有 游离 子 w- NHi (NS) 的 氨基 酸 开 始 并 用 - yl ( 酰 ) 结尾 来 取代 -ine( 酸 ) 结尾 〈 最 后 一 个 氨基 酸 除外 , 仍 命名 为 酸 )。 肽 中 的 氨基 酸 被 称 为 残 基 , 因 为 它 们 是 肽 键 形成 过 程 中 脱水 后 剩余 的 部 分 。 Hil 3.9 , 区别 两 个 二 肽 : HARMAZMREAARHAR, 因为 肽 命名 是 以 氨基 末端 开始 ; KHAMAAMY Gly 上 有 一 个 游离 的 w- 和 氨基 , 而 游 离 羧基 则 位 于 Ala 上 。 这 两 个 二 肽 是 序列 异 构 体 的 实例 ; 它们 均 由 同样 的 氨基 酸 构成 , 但 它们 的 连接 顺序 不 同 。 ik 两 个 氨基 酸 通过 肽 键 相连 而 形成 的 化 合 物 称 为 二 肽 ; 由 三 个 氨基 酸 所 组 成 的 肽 就 称 为 三 肽 , 以 此 类 推 。 寡 肽 是 由 具体 数目 并 未 限定 但 通常 是 少数 几 个 氨基 酸 所 组 成 的 肽 。 而 多 肽 则 用 大 量 氨基 酸 所 组 成 。 天 然 存在 的 50 个 或 50 个 以 上 氨基 酸 组 成 的 多 肽 即 为 蛋白 质 。( 见 第 mol 工 -1 则 其 相对 分 子 质 量 =2/ (9.8x10-5); 即 M.=20400。 问题 解答 氨基 酸 3.1 下 列 哪些 化 合 物 属 -氨基酸 ? oN = . 58 . 生 物 化 = ag (i ue COO- AS ees in CH, CH) CH), Hoc CH, | L . +e H—C—NH} CH, 2 | | | Sng Nae COO" COO- H OH (a) SAB (b) 8- 丙 氢 酸 (c) y-RETR (d) SiR SAW (a) 5HHAR (d) HHao AER, AACNNAETRAATA-TRE 子 相连 。 虽 然 岛 氨 酸 在 蛋白 质 组 成 中 并 不 存在 , 但 却 是 尿素 循环 中 的 一 个 中 间 产 物 ( 见 15 #), B-AAR (b) Hy-ABTR (c), 它 们 的 氨基 与 羧基 分 别 与 不 同 的 碳 原 子 相 连 , 分 别 属 于 B- 及 -yY 氢 基 酸 。 严 格 地 说 且 氢 酸 是 一 种 亚 氮 莽 酸 , 因 为 它 的 氨基 氨 与 侧 链 共 价 连接 。 它 有 时 也 称 之 为 亚 氮 基 酸 。 3.2 通过 温和 水 解释 放 氢 后 , 哪 种 氨基 酸 可 转变 成 另外 一 种 不 同 的 氨基 酸 ? 答 : 谷 氨 酰 胺 与 天 冬 酰 胺 均 有 酰胺 侧 链 。 酰 胺 水 解 后 形成 羧基 与 游离 氨 。 O O- Se C—NH, 7 CH, 7 H2O 三 节 + NH; CH CH Ye Lit wh ~ COO NH; ~COO NH; 天 冬 酰胺 天 冬 氢 酸 3.3 为 什么 葵 丙 氨 酸 极 难 溶 于 水 , 而 丝氨酸 则 易 溶 于 水 ? 答 : Phe 的 侧 链 为 非 极 性 侧 链 , 且 其 水 溶 过 程 伴随 着 炳 减少 , 因 此 不 易 进 行 。 另 一 方面 Ser 的 侧 链 含有 极 性 的 一 OH, 可 与 水 形成 氢 键 , 故 极 易 溶 。 3.4 许多 蛋白 质 都 在 280nm 紫外 区 有 强 的 光 吸 收 , 而 白明 胶 却 没 有 。 请 解释 原因 。 答 : 许多 蛋白 质 在 此 外 区 有 光 吸 收 是 因为 它们 含有 芳香 族 侧 链 的 氮 基 酸 。 白 明胶 , 一 种 胶 原 的 衍生 物 〈 见 第 4 章 ) 其 组 成 比较 特殊 , 含 芳香 族 氨基 酸 的 比例 很 低 。 氨基 酸 的 酸 碱 性 质 3.5 写 出 下 列 弱 酸 的 共 斩 碱 : (a) CH;COOH; (b) NH; (c) HPO; ; (d) CH3NH3 XS (=) SRPRMAMCKE-RAFSMHBRKRENHKRR. ake Se 02 (a) CH;COO~; (b) NH3; (c) HPOZ ; (d) CH;NH, 3.6 写 出 天 冬 氨 酸 的 解 离 方程 式 。 指 出 每 种 形式 所 带 的 净 电 荷 数 。 SE (=H a7 2.9 第 3 章 ABRAM inp ere 9 一 一 9 二 了 + PM correc | CH CH Xp FR HN COOH HN GDO= 净 电 荷 数 : +1 净 电 荷 数 : 0 COOH eg 7 > a da +H, pK.ar 3.9 CH CH ae A ig ig: i H3N COO H3N COO 净 电 荷 数 : 0 净 电 荷 数 : -1 oo = CH, = iy +H* pK,.=9.8 CH CH Fa Cok BAS ! H3N COO H;N COO 净 电 荷 数 : -1 净 电 荷 数 : — 利用 题 3.6 的 内 容 , 计 算 天 冬 氨 酸 的 等 电 点 pI。 答 : 由 于 等 电 点 是 pK, 分 别 为 2.1 和 3.9 之 间 的 平均 值 , 故 2 pl= 7 =3.0 计算 0.1mol/L 乙酸 的 pH 值 (pK, =4.7). tee, (=) 乙酸 虽 是 一 种 弱酸 , 但 酸性 要 大 于 水 。 故 第 一 步 近 似 处 理 时 , 可 忽略 从 水 中 解 离 出 的 质子 而 用 下 式 代 表 乙 酸 的 解 离 。 CH;COOH ==CH;COO~ +H 现在 可 近似 地 认为 [H*] = [CH;COO ] =z. 另外 , 由 于 乙酸 是 弱酸 , 故 未 解 离 乙 酸 的 浓度 不 会 由 于 解 离 而 明显 下 降 。 则 可 假定 为 [CH;COOH] =0.1mol/L. 所 以 , x = LCHsCOO7] [H*]_ 2? : [CH;COOH] 0.1 2 =0.1%K, =0.1 x40" 故 x =0.0014mol L™! 且 pH=2.85 ER: 以 上 所 做 的 第 二 次 假设 可 通过 设 [CH;COOH] =0.1- 冯 及 解 二 次 eng ‘A 进行 检验 。 可 得 pPH=2.80。 所 得 答案 与 简化 假设 形式 相差 不 大 , 故 以 上 所 假设 是 的 。 谷 氨 酸 溶液 pH 值 为 多 少时 , 能 成 为 良好 的 缓冲 液 ? 答 : 从 图 3-3 可 以 看 出 £ pK, 值 附近 , 即 pH 为 2.2,4.3. 和 .9.7 附近 时 , 用 NaOH 滴 定 谷 氨 酸 溶 液 时 , 其 pH 值 改 变 最 为 缓慢 。 - 60 - 生物 化 学 3.10 氨基 酸 在 以 下 哪 一 pH 值 时 为 最 佳 缓冲 液 ? (a) 2.0, (b) 6.0, (c) 4.5, (d) 9? (可 参考 表 3.2) (a) 所 有 毛 基 酸 均 含 有 一 个 pK, 接近 2.0 的 羧基 。 因 此 在 该 pH 范围 内 , 所 有 氢 基 酸 均 为 良好 的 缓冲 液 。 (b) 组 氢 酸 含有 一 pK。 接近 6 的 侧 链 基 团 。 故 在 pH 为 6.0 时 组 氢 酸 具有 良好 的 缓冲 能 力 , 图 3-2 显 示 简 单 氢 基 酸 在 此 pH 下 缓冲 能 力 十 分 有 限 。 (c) 谷 氨 酸 的 侧 链 pK 值 接近 4.$5, 故 谷 氢 酸 在 该 pH 区 域 具 有 缓冲 能 力 。 (d) 所 有 的 氨基 酸 其 w- 氢 基 pK。 值 约 为 9, 故 所 有 的 氢 基 酸 在 此 pH 下 见 有 良好 的 缓 冲 能 力 。 3.11 利用 溶液 的 pH 值 与 某 具 有 质子 转移 能 力 的 基 团 的 pK。 值 , 推 导出 一 个 通用 公式 来 计 算 该 基 团 的 平均 净 电 荷 数 (Z)。 =. | oe: 将 Henderson-Hasselbalch 7 2 HH, AE: a lle 10(CPK。 ~ PH) [Ht wm | : BRKEANREKDIRLA a, Ml _ a, eee “ [ 酸 ] [# RR] 14 100K. - PH) Pee : a 10 (PK, ~ PH) | 因此 , 若 该 基 团 〈 例 如 氨基 ) 为 阳离子 酸 形式 , 则 ua 代表 该 正 电 荷 成 分 : ye oy ects Fe Z2= + a=7 4H PK 注意 : 4 pH 生物 化 学 (b) 由 标准 品 各 点 所 得 出 的 最 适 曲线 中 , 求 未 知 酶 样品 的 分 子 质量 。 (c) 解释 铁 蛋 白 和 卵 类 黏 蛋 白 的 洗 脱 行为 异常 的 原因 。 答 : (a) 图 4-2 是 利用 表 中 数据 所 作 的 最 适 曲线 以 及 未 知 样品 在 图 中 的 相关 位 置 。 (b) 从 图 4-2 可 知 , 未 知 酶 的 M, ~126 000。 (c) 铁 有 蛋白 含有 一 个 氨 氧 化 铁 核 心 , 故 其 密度 要 高 于 其 他 标准 品 。 卵 类 处 蛋白 是 一 种 密度 不 同 的 糖 蛋 白 , 故 其 形状 亦 不 同 于 其 他 标准 品 。 凝 胶 电泳 在 有 去 拍 剂 十 二 烷 基 础 酸 钠 (SDS) 存在 时 , 许 多 蛋白 质 构象 均 松 散 解 聚 。 当 用 一 定 体 积 溶液 进行 洗 脱 后 , 经 SDS 变性 的 多 肽 链 分 子 的 电泳 迁移 率 只 随 分 子 质 量 增 大 而 下 降 , 故 可 以 一 系列 标准 蛋白 质 的 迁移 率 中 求 出 未 知 蛋 白质 的 分 子 质量 。 问题 : 以 上 两 种 测定 蛋白 质 分 子 质量 的 方法 中 , 其 本 质 依据 是 什么 ? . 在 这 两 种 测定 方法 中 , 蛋 白质 分 子 的 流体 动力 学 行为 均 依赖 于 分 子 的 形状 。 故 必须 假定 未 知 和 蛋白 质 的 分 子 形状 〈 即 球形 、 椭 圆 形 等 ) 与 标准 品 的 分 子 形状 一 致 。 . 凝 胶 过 滤 行 为 实质 上 依赖 于 所 测 分 子 的 有 效 大 小 , 而 不 是 质量 。 所 以 若 所 测 蛋 白质 与 标准 品 密度 不 同 , 则 所 测 分 子 质量 就 会 出 现 错误 。 . 凝 胶 电 泳 时 SDS 与 蛋白 质 结合 , 应 首先 假定 对 于 所 有 蛋白 质 来 说 , 每 克 蛋 白质 所 结合 的 SDS 量 是 相同 的 。 每 摩尔 蛋白 质 所 结合 的 SDS 量 不 同 使 得 不 同 蛋 日 质 所 带 总 电 从 量 不 同 , 使 得 其 在 电 泳 中 的 迁移 率 不 同 , 故 据 此 所 得 的 分 子 质量 可 能 是 错误 的 。 — tro Ww 质谱 法 以 前 将 质谱 法 用 于 生物 大 分 子 的 分 子 质量 测定 时 受到 了 方法 学 上 的 限制 。 即 气 化 样品 没 有 一 种 方法 能 保证 样品 不 发 生 热 分解 。 近 些 年 来 , 随 着 技术 的 进步 , 这 些 问 题 已 被 解决 , 故 质谱 测定 法 在 大 多 数 生 化 实验 室 中 已 成 为 一 种 常规 测定 工具 。 目 前 用 于 进行 样品 处 理 的 方法 A: 基质 协助 激光 解吸 附 法 (MALDI), 该 方法 是 将 样品 用 一 种 低 分 子 质量 的 有 机 基质 进行 包 埋 , 然 后 用 一 种 脉冲 UV 激光 进行 照射 ; 电离 喷雾 法 , 该 方法 是 将 蛋白 质 的 稀 酸 溶液 从 一 个 带 正 电荷 的 针 状 电极 上 喷 入 一 真空 室 中 (在 真空 室 中 和 蛋白质 样 品 表面 的 溶液 被 迅速 蒸发 而 剩 下 了 裸露 的 带 有 大 量 正 电荷 蛋白 质 分 子 ); 以 及 原 浆 解吸 附 法 , 该 方法 是 用 高 能 带电 粒子 将 蛋白 质 样 品 从 一 金属 支持 物 上 释放 出 来 〈 带 正 电荷 的 粒子 通过 电场 被 加 速 然后 再 通过 磁场 而 发 生 偏转 , 由 于 具有 不 同 的 荷 - 质 比 , 带 电 粒 子 发 生 分 离 )。 质谱 法 的 精确 度 可 达 0.01%, 仅 需 几 皮 摩 样品 , 并 可 用 于 测定 从 单一 氢 基 酸 直到 超过 100kDa 的 蛋白 质 的 分 子 质量 。 4.3 Sonne 蛋白 质 通常 都 折合 成 结构 紧密 的 , 具 有 严格 定义 的 三 维 空间 构象 为 了 理解 重 白 质 的 功能 , 我 们 需要 了 解 多 肽 链 所 采取 的 空间 折 和 三 方式 或 称 为 构象 的 一 些 知识 。 虽 然 许 多 人 工 合成 的 多 聚 氨 基 酸 , 并 不 具有 严格 意义 上 的 构象 , 且 在 溶液 中 好 像 以 无 规则 卷曲 的 形式 存在 , 但 绝 大 多 数 天 然 蛋 白质 均 具 有 严格 定义 的 折 硬 构象 。 有 些 蛋 白质 , 如 毛发 中 的 角 和 蛋白 , 呈 纤维 状 , 并 具有 由 规则 的 , 重 复 折 麦 方式 而 形成 的 线性 或 片 层 状 结构 。 其 他 蛋 日 质 , 例 如 大 多 数 酶 , 被 折 麦 成 紧密 的 , 几 乎 呈 球 形 的 球状 构象 。 第 4 章 BAR a: 为 什么 蛋白 质 会 发 生 折 悟 ? 蛋白 质 折 笃 成 紧密 的 结构 可 伴随 构象 (紊乱 度 ) 的 大 幅度 降低 , 这 在 热力 学 上 是 不 稳定 的 。 天 然 折 笃 构象 的 维持 是 靠 大 量 弱 的 , 非 共 价 相互 作用 力 来 维持 的 , 这 些 作用 力 可 弥补 折 琶 构 象 造成 的 不 利 的 Him, HET HEA RAR. APR, KM EAR EH. LEME RLS RAE AR AR a BAY aE (通常 仅 是 稍微 稳定 一 点 )。 离子 键 根据 库仑 (Coulomb) 定律 带电 粒子 彼此 间 相 互 作用 时 : QZAZae” Dr ap 公式 中 余下 代表 离子 键 的 能 量 ,ZA 与 Za AAT eR, rape Pt 相互 作用 离子 间 的 距离 ,*e 为 一 个 电子 的 电荷 数 ,D 为 介质 的 介 电 常数 。 当 两 个 离子 所 带电 MRUR RA, “AFR Sa 〈 彼 此 靠近 ) 则 离子 键 能 和信 正 下 降 , 故 离子 键 易 形成 。 因此 蛋白 质 中 带 负 电荷 的 部 分 (如 Asp 和 Glu 残 基 的 羧基 侧 链 ) 经 常 与 Lys、Arg 或 His 残 基带 正 电荷 的 侧 链 形成 离子 键 。 这 些 离子 键 还 常 形成 盐 键 , 在 盐 键 中 除 电荷 间 的 相互 吸引 外 , 还 包括 某 种 程度 的 氢 键 形成 , 如 图 4- 3 所 示 。 AE = (4.2) SAR hes * 7/ 已 | 全 pr a ia 四 图 4-3 在 Arg 与 Glu 残 基 间 形成 的 盐 键 由 于 水 的 介 电 常数 高 达 80, 和 蛋白 质 表面 残 基 间 离子 对 形成 的 离子 键 能 量 较 低 , 范 围 在 0.5~1.5kJmol :之 间 。 而 埋藏 在 蛋白 质 内 部 的 残 基 , 由 于 介质 的 介 电 常数 较 低 , 故 它们 之 间 形 成 的 离子 键 能 高 达 1SkJmolz 1!。 范 德 华 力 所 有 原子 和 分 子 都 通过 瞬时 , 偶 极 - 偶 极 间 相 互 作 用 而 彼此 吸引 。 分 子 并 不 需要 带 净 电 和 荷 才 能 参与 这 种 偶 极 相 互 作 用 ; 如 果 参 与 偶 极 相 互 作用 的 原子 具有 不 同 的 电 负 性 , 则 原子 间 的 电子 密度 会 高 度 不 对 称 。 带 有 最 大 电 负 性 的 原子 “过 剩 ” 负 电荷 最 多 : 蛋白 质 中 原子 的 电 负 性 分 别 是 ;0@, 3.44; N, 3.04; C, 2.55; 以 及 H,2.20 (范围 从 0.8 一 4)。 这 些 瞬 时 偶 极 相互 作用 被 称 为 范 德 华 力 (van der Waals interaction)。 这 是 很 弱 的 近 距 离 相互 作用 , 而 且 随 原子 间距 离 六 次 方 的 倒数 而 变化 。 当 受 范 德 华 力 作用 的 两 个 原子 靠 得 太 近 。 974 = 一 生物 化 学 时 , 两 者 之 间 则 会 产生 强烈 的 排斥 力 。 因 此 , 范 德 华 力 能 量 (,s.) 可 用 以 下 公式 表示 : 2 一 d d 这 里 d 代表 相互 作用 原子 间 的 距离 ,a Mo 为 正常 数 。 公 式 中 第 一 项 和 第 二 项 分 别 代表 范 德 华 力 中 相 斥 力 和 吸引 力 这 两 种 作用 力 成 分 。 公 式 (4.3) 经 常 被 称 为 Lennard-Jones 6, 12 电势 。 范 德 华 力 的 理想 作用 距离 是 相互 作用 的 原子 间距 离 大 于 彼此 范 德 华 半 径 〈 指 晶体 中 所 看 到 的 两 原子 间 最 小 的 接触 距离 ) 之 和 , 即 0.3 二 0.5A。 范 德 华 力 的 能 量 是 相当 弱 的 , 通 常 水 天 1.kygnolt (4.3) 氢 键 氨 键 的 产生 是 因为 与 一 个 电 负 性 原子 (如 O、N 或 S) 共 价 结合 的 所 原子 跟 另 一 个 具有 孤 对 电子 的 电 负 性 原子 间 产 生 的 静电 吸引 作用 所 致 。 he 吕 | es 供 体 受 体 虽然 氢 原 子 形式 上 是 与 供 体 基 团 ORF) 相连 , 但 实际 上 和 氧 原子 是 受到 供 体 和 受 体 原 子 共同 作用 的 。 氢 键 具 有 高 度 方向 性 且 只 有 当 参 与 形成 氢 键 的 三 个 原子 位 于 一 条 直线 时 , 作 用 力 最 强 。 蛋 白质 分 子 上 大 多 数 的 氢 键 是 在 主 链 上 C—O 5 NH 基 团 间 形 成 的 , 其 H…O 间距 离 为 1.9 一 2.0A。 据 估计 , 在 水 溶液 中 , 这 种 类 型 的 氢 键 对 于 稳定 蛋白 质 的 构象 所 提供 的 能 量 约 为 S kJ mol-! (范围 从 2 kJ mol-! 到 7.5 kJ mol ', BWH4.1). 表 4.1 蛋白 质 构象 的 非 共 价 作用 力 类 型 作用 力 类 型 举例 键 能 / (kJ mol”) * 范 德 华 力 C—H---H—C 0.4~2.0 离子 键 一 CO00- ---H;N*— 0.5~15 AR NO 2.0~7.5 Bi 7k +8 Ee A * 埋藏 在 分 子 内 部 的 一 CH 一 2 * 键 能 是 指 破坏 该 相互 作用 所 需 的 能 量 。 + 该 值 代表 蛋白质 分 子 的 一 个 非 极 性 侧 键 上 的 一 个 一 CH 一 基 团 以 分 子 内 部 转移 入 水 所 需 的 自由 能 。 疏水 相互 作用 当下 水 基 团 进入 水 中 时 将 使 其 周围 的 水 分 子 排列 成 能 量 高 而 不 稳定 的 有 序 结构 , 即 使 溶 “ 液 箭 减少 。 因 此 将 非 极 性 基 团 从 水 中 转移 到 一 个 非 极 性 环境 中 将 伴随 着 水 的 箭 增加 , 且 为 自 上 发 过 程 (参见 第 10 章 )。 蛋 白质 多 肽 链 折 硬 成 紧密 的 球形 构象 即 可 使 非 极 性 基 团 不 再 与 水 直 一 接 接触 ;该 过 程 中 释 出 水 分 子 所 致 的 焙 增 加 可 补偿 多 肽 链 折 琶 所 致 的 和 减 少 。 将 一 个 亚 甲 基 (一 CH 一 ) 基 团 埋藏 入 蛋白 质 分 子 内 部 所 产生 的 构象 稳定 作用 力 与 氢 键 一 样 强 〈 约 为 3 kJ mol 1)。 下 水 相互 作用 是 水 溶性 球 蛋 白 分子 折 友 的 重要 驱动 力 , 故 我 们 可 得 出 如 下 规律 : 朴 水 残 基 总 是 倾向 于 埋藏 在 蛋 日 质 分 子 内 部 以 最 大 限度 地 减少 与 周围 水 分 子 的 接触 。 hl 4.8 49 RPA REGARD FT BMA BRERA 40 KJ mol-1, 为 破坏 它 的 结构 , 必 须要 断 RST Bt? 由 于 每 个 所 键 稳定 蛋 和 白质 构象 的 能 量 约 为 5 kJ mol 1, 故 断 裂 8 个 这 样 的 氨 键 就 足以 玻 第 4 章 ZAM 六 坏 此 蛋白质 的 天 然 构象 。 蛋白 质 的 变性 由 于 大 多 数 蛋白 质 中 稳定 其 构象 的 能 量 是 非常 小 的 , 故 即使 在 常温 下 许多 蛋白 质 的 构象 都 会 发 生 轻微 而 快速 的 变动 。 另 外 , 使 蛋白 质 分 子 构象 松散 , 或 称 为 变性 (denature) 是 很 容易 的 。 常用 的 变性 条 件 有 : (a) 高 温 (b) 极端 pH 值 (c) 高 浓度 的 腺 或 盐酸 肌 类 化 合 物 : page Cok NH,—C—CH, O *NH,Cl- Bk 盐酸 县 (d) 去 拍 剂 如 十 二 烷 基 磺 酸 钠 ,CHa(CH2 )ioCHOSO3 Na* 。 蛋白 质 结构 由 和 氨基酸 序列 决定 有 些 蛋 白质 和 酶 , 用 尿素 完全 变性 并 还 原 其 二 硫 键 后 , 在 去 除 尿 素 后 , 还 能 自发 折 硬 成 原来 的 活性 天 然 构 象 。 这 一 现象 证 明 使 蛋白 质 构 象 正确 折 琶 的 信息 存在 于 其 构成 氨基 酸 的 序 列 中 。 Fil 4.9 水 解 核 酸 的 核糖 核酸 酶 ( 见 第 7 章 ), 含 有 稳定 其 构象 的 四 个 二 硫 键 。 用 6 mol/LER 肽 来 减弱 其 氨 键 和 静水 相互 作用 , 并 用 1 mmoVL 琢 基 已 酵 来 还 原 二 硫 键 , 则 酶 的 活性 完全 琢 失 , 且 二 级 结构 也 完全 消失 。 用 透析 或 凝 胶 过 滤 法 除去 盐酸 肽 后 , 酶 活性 恢复 , 天 然 构 么 又 可 形成 , 且 可 再 次 形成 正确 的 二 硫 键 。 许多 较 大 的 蛋白 质 需 要 分 子 伴侣 〈 其 本 身 亦 为 蛋白 质 分 子 ) 协助 来 折 麦 成 正确 的 构象 。 据 认为 这 些 分 子 伴侣 通过 识别 蛋白 质 错 误 折 麦 的 中 间 体 , 并 使 其 解 链 松散 而 有 再 次 折 春 成 正 确 构象 的 机 会 。 4.4 蛋白 质 结构 如 何 描述 蛋白 质 的 结构 ? 完整 地 描述 一 个 蛋白 质 分 子 三 维 结构 的 方法 是 将 该 蛋白 质 置 于 Cartesion 坐标 系 并 列 出 每 一 个 原子 的 坐标 值 (xz, y,z)。 事 实 上, 这 种 方法 正 是 美国 Brookhaven 国家 实验 室 的 和 蛋 自 质数 据 库 中 经 实验 所 测定 的 蛋白 质 结 构 的 贮存 形式 。 然 而 , 蛋 白质 的 结构 可 以 更 简便 地 用 其 中 每 一 个 键 的 旋转 角度 (或 扭转 角度 ) 来 进行 描述 (图 4 -4)。 例 如 , 一 个 氨基 酸 残 基 的 主 链 构象 可 以 由 给 出 的 旋转 角 画 〈 绕 N 一 C。 BER). V (ACC RR) 和 w ( 绕 N—C eve) 进行 定义 。 当 一 N 一 H 基 团 与 C。 一 C“ 键 旺 反 式 时 ,56 为 零 位 ; 而 当 C。 一 N #5 一 C 一 O 键 呈 反 式 时 , 台 角 为 零 位 (图 4-4)。 肽 键 的 扭转 角 (w) 总 是 180”( 见 例题 4.10)。 要 想 全 面 描述 蛋白 质 分 子 的 立体 结构 还 需要 了 解 其 侧 链 y 的 扭转 角度 。 Sl 4.10 为 什么 肽 键 为 平面 构象 ? 由 于 肽 键 具有 如 下 式 所 示 的 两 种 共振 平衡 形式 , 故 CN 键 具有 部 分 双 键 性 质 : 74 - 生物 化 学 图 4-4 蛋 日 质 的 旋转 角 wo. oO. VMy. 图 示 当 w、 和 下 和 更 均 为 180" 时 的 构象 C—N 键 长 (0.132 nm) 介 于 -C 一 N 羊 键 长 (0.149 nm) 5 C=N_ 248(0.129 nm) 之 间 。 CN 键 的 部 分 双 键 性 质 限 制 了 它 的 自由 旋转 , 使 得 肽 键 的 四 个 原子 O0,C,N 与 瑞 均 位 于 同一 个 平面 内 , 其 中 O 原子 与 百 原 子 呈 反 式 构 条 ; RG RRA w=180°. MA 构象 仅见 于 X-Pro 所 形成 的 肽 键 中 , 其 w 相应 为 0"。 Hl 4.11 在 二 肽 甘氨酸 两 氨 酸 中 , 主 链 上 哪个 键 允 许 所 连接 基 团 自由 旋转 ? 二 “NHj—CH) TN SDCH—COO” ‘O77 HAMAR 在 以 上 结构 式 中 , 用 虚线 围 起 来 的 部 分 即 为 肽 键 。 由 于 肽 键 本 身 为 一 刚性 结构 平面 , 故 围绕 兰 基 碘 原 子 与 氮 原 子 之 间 形 成 的 键 《 印 CN 键 ) 是 不 能 自由 族 转 的 。 但 围绕 RRTSRERMT (C-C Ht) 及 围绕 气 原 子 与 两 气 酸 的 w 碳 原子 ( NT 一 C。 键 ) 所 形成 的 两 个 键 均 可 自由 旋转 。 因 此 , 对 于 蛋白 质 中 的 每 一 个 肽 键 来 说 , 均 有 两 个 可 自由 旋转 的 键 , 这 两 个 键 所 形成 的 相对 角度 确定 了 该 蛋白 质 的 特定 主 链 构象 。 第 4 章 RAM 。 775 « 问题 : 蛋白 质 分 子 的 结构 形成 有 何 限 制 条 件 ? FREE © MAY 角 的 组 合 都 是 可 行 的 , 这 是 由 于 有 许多 © HAY 角 的 组 合 会 使 相 邻 残 基 闻 的 原子 发 生 碰 撞 。 对 于 除 Gly 之 外 的 所 有 残 基 , 这 类 涉及 到 侧 链 原子 的 空间 位 阻 的 存在 使 得 蛋 昌 质 分 子 可 能 存在 的 构象 数量 急剧 减少 。 不 会 引起 相 邻 原子 发 生 碰撞 的 可 能 的 @ HOV 角 的 组 合 可 用 构象 图 来 表 示 (也 称 之 为 Ramachanclran 构象 图 , 是 以 在 这 方面 做 了 大 量 探 索性 工作 的 一 位 化 学 家 的 名 字 来 命名 的 )。 图 4-5 即 为 用 拉 氏 作 图 法 所 示 丙 氨 酰 丙 氨 酸 可 能 存在 的 构象 。 其 中 双 斜 线 区 代表 不 存在 位 阻 的 构象 ( 即 有 与 更 的 组 合 )。 单 斜 线 区 代表 有 某 种 位 阻 存在 的 构象 , 但 如 果 蛋 白质 中 存在 其 他 相互 作用 力 可 抵消 这 种 位 阻 的 影响 , 则 这 些 构 象 也 是 可 以 形成 的 。 PRADA HOSA? cx) O25 €, R555 00 CoC900 ree S525 OOD 900000 CC S05 a0 oo ee oe S552 5 S59 RS S505 180° 图 4-5 两 氨 酰 丙 氨 酸 的 拉 氏 构象 图 , 用 双 斜 线 表示 OMY 角 组 合 的 完全 允许 区 域 而 用 单 斜 线 表 示 部 分 允许 区 域 (图 4-4)。 在 坐标 图 中 用 8 和 8。 分别 表示 平行 与 反 平 行 BBR, Ho, Warp 分 别 表 示 左 手 与 右手 a -螺旋 构象 Fpl 4.12 右手 a me SAW DADA -—S57°F0 — 47°, THRUADKa- RRHRKA-—HBRENW RG? | 答 : RBRAMAR, AAKEF wa 一 螺旋 的 四 与 更 值 均 位 于 拉 氏 构 条 图 中 结构 特别 合理 的 区 域 , 即 在 图 4-5S 中 用 符号 ap 所 示 的 区 域 。 蛋白 质 构象 中 常 包 含有 规则 地 重复 性 结构 如 果 多 肽 链 中 每 个 相 邻 氨基 酸 残 基 间 的 主 链 旋转 角度 保持 不 变 , 则 多 肽 链 会 形成 一 个 规 则 地 重复 构象 。 这 些 规 则 的 重复 构象 从 数学 角度 来 考虑 的 话 , 可 认为 均 属 螺旋 结构 , 根 据 这 些 结构 外 表 的 特征 , 常 被 分 别称 为 v IES BBA. 天 然 存在 的 规则 重复 多 肽 构象 仅 有 两 种 类 型 可 完全 满足 下 列 条 件 ; 具有 正常 的 原子 间 范 德 华 半径 , 特 定 的 键 角 , 以 及 肽 键 为 平面 结构 , 且 不 存在 破坏 构象 的 因素 并 保证 最 大 限度 地 形成 氢 键 , 它 们 是 : - 76° 生物 化 学 1.a -螺旋 , 例 如 在 - 角 和 蛋白 中 发 现 的 螺旋 结构 2. 8B- 折 破片 层 (平行 或 反 平 行 ), 例 如 拉 伸 的 角 蛋 白 和 丝 心 蛋白 中 的 BB. 这 些 规则 重复 结构 也 作为 球 蛋 白 的 基本 折 友 模式 以 及 纤维 蛋白 的 主要 构象 而 存在 。 对 于 许多 球形 蛋白 质 分 子 来 说 , 多 肽 链 结构 的 一 个 显著 特性 是 折 重 的 无 规律 性 。 这 些 区 域 通 常会 有 一 些 称 之 为 回 折 的 短片 段 , 它 们 可 将 两 股 B- 折 琶 链 连接 起 来 。 那 些 不 存在 规则 重复 的 二 级 结构 的 区 域 则 常 被 称 为 无 规则 卷曲 构象 。 然 而 , 这 些 区 域 还 可 被 更 确切 地 命名 , 也 就 是 说 , 虽 然 这 些 构象 是 无 规则 的 , 但 称 之 为 无 规则 区 域 似 乎 更 为 合理 。 a ~ SRR Ea -螺旋 结构 中 , 多 肽 链 主 链 的 折 和 看 构象 使 每 个 氨基 酸 残 基 上 的 —C—O 基 与 它 后面 的 第 四 个 残 基 上 的 一 N 一 H 基 均 可 形成 氢 键 , 即 主 链 第 一 个 残 基 上 的 一 C 一 0O 基 与 第 五 个 第 残 基 上 的 一 N 一 H 基 间 成 键 , 其 他 从 此 类 推 。 问题 : a -螺旋 中 主 链 第 1 至 4 位 残 基 上 的 —N—H 基 也 能 与 其 他 残 基 上 的 一 C 一 0 基 形 成 所 键 吗 ? 多 肽 链 中 不 存在 与 这 几 个 酰胺 基 反 应 的 相应 一 C 一 0 基 团 。 故 这 四 个 酰胺 基 不 能 形成 氢 键 。 与 此 相似 , 在 多 肽 链 的 另 一 端 , 四 个 一 C 一 O 基因 亦 不 能 形成 相应 氢 键 。 若 多 肽 链 很 长 , 其 末端 残 基 不 能 形成 氢 键 对 于 整 条 肽 链 构象 的 稳定 影响 不 大 。 而 由 于 未 端 效应 对 于 短 肽 链 构象 的 稳定 更 重要 , 则 这 种 影 响 使 得 较 短 肽 链 更 不 稳定 。 如 图 4 -6 所 示 ,w -螺旋 的 主 链 围 绕 长 轴 螺 旋 上 升 。 所 有 的 氢 键 取向 基本 与 该 轴 平 行 , 侧 链 则 向 外 伸展 。 每 个 残 基 沿 长 轴 人 彼此 相距 0.15 nm, 每 圈 螺 旋 包 括 3.6 个 残 基 。 虽 然 左手 图 4-6 , 示 右手 -螺旋 。 在 图 中 每 个 该 平面 片段 表示 一 个 肽 键 〈 肽 平面 ), 其 中 a- 碳 原子 位 于 相 邻 平面 的 连接 处 Te- = ape 7 Seta, Sg 第 4 章 ZAM TP 螺旋 和 有 手 螺 旋 均 可 形成 , 但 对 于 L -氨基 酸 来 说 , 形 成 右手 螺旋 在 能 量 上 是 有 利 的 。 由 于 多 肽 链 中 每 个 一 C 一 0 与 —N—H 均 可 形成 氨 键 (除了 两 端的 四 个 残 基 之 外 ), Mo = 螺旋 构象 是 非常 稳定 的 。 然 而 对 于 某 些 氨基 酸 来 说 , 由 于 其 侧 链 之 间 的 相互 作用 可 以 降低 x -= 螺旋 的 稳定 性 , 故 多 肽 链 的 « -螺旋 构象 中 这 类 破坏 螺旋 稳定 性 的 氨基 酸 所 占 比 例 较 少 【〈 参 见 表 4.2)。 表 4.2 倾向 形成 wx -螺旋 的 氨基 酸 残 基 螺旋 形成 者 Glu, Ala, Leu, His, Met, Gln, Trp, Val, Phe, Lys, Ile : 螺旋 破坏 者 Pro, Gly, Tyr, Asn | 中 间 类 型 残 基 Asp、Thr、Ser、Arg、Cys 8B- 折 枉 片 层 结 构 第 二 类 具有 规则 、 重 复 构象 的 主要 类 型 是 B- 折 县 片 层 结 构 , 其 不 同 于 a -螺旋 之 处 在 于 R R R R 肽 键 图 4-7 Bre: (a) 伸展 的 B- 折 三 构 象 中 的 一 条 多 肽 链 片段 ; (b) 伸展 的 8B- 折 登 多 肽 链 被 此 并 排 相 连 形成 片 层 结构 ; (c) OFT BABA PH DS Ak ee 形成 氨 键 的 详细 图 解 - 78 。 生物 化 学 这 种 构象 的 多 肽 链 是 几乎 完全 伸展 的 , 如 图 4-7 (a) 所 未, 目 氢 键 是 在 相 邻 肽 链 间 形 成 的 而 不 是 在 单一 肽 链 内 部 形式 的 , 如 图 4-7 (c) 所 示 。 相 邻 肽 链 同 向 排列 时 〈 即 均 为 N 端 到 C 端的 走 辐 ) 称 之 为 平行 8B- 折 笃 , 如 相 邻 肽 链 肥 向 排列 时 , 则 称 为 反 平行 B- 折 丢 , 如 图 4-7 (c) 所 示 。 这 些 结构 经 常 形成 伸展 的 片 层 构 象 , 如 图 4-7 (b) 所 示 。 有 时 几 条 及- 折 释 肽 链 有 可 能 一 条 挨 一 条 地 排列 在 一 起 , 形 成 片 层 结构 。 这 是 因为 在 这 种 片 层 结构 中 相 邻 肽 链 中 氨基 酸 残 基 的 侧 链 交替 地 上 下 分 布 在 片 层 结构 | 的 两 侧 , 如 图 4-7 (b) 所 示 , 侧 链 相 对 较 小 的 氨基 酸 , 如 Ala 和 Gly DIEM Bre Hea 构 。 若 氨基 酸 残 基 的 侧 链 较 大 , 则 在 蛋白 质 多 肽 链 的 许多 部 分 间 都 会 产物 空间 位 阻 , 影 响 构 象 的 稳定 性 。 Pil 4.13 下 列 两 个 多 肽 最 可 能 形成 的 规则 、 重 复 结 构 分 别 有 是 什么 ? (a) $k (Gly-Ala-Gly-Thr); (b) #% AK (Glu-Ala-Leu-His). SK (a) GKPPRAMAA WM HRI. HK Ala 外 , 其 他 残 基 均 无 形成 螺旋 构象 的 趋 势 , 且 Gly 为 w -螺旋 的 破坏 者 , 故 该 多 肽 易 形成 B- 折 县 构 么 。 磷酸 丙 糖 异 构 酶 图 4-8 蛋白 质 结构 的 典型 代表 。 其 中 螺旋 状 条 带 用 来 代表 o -螺旋 结构 ,N~~C 端 方向 的 箭 头 带 用 来 代表 B- 折 释 结 构 。B 蛋白 主要 含 B- 折 笃 结 构 (例如 视 黄 醇 结 合 蛋白 和 抗体 的 抗原 结 合 区 ), 而 蛋白 则 主要 由 a- 螺 旋 构 成 (例如 肌 红 蛋白 )。a/B 蛋白 则 既 含 -螺旋 又 含 B- 折 三 结构 (例如 磷酸 丙 糖 异 构 酶 ) 第 4 章 RAM BK (b) 是 由 许多 侧 链 较 大 的 氨基 酸 戏 基 组 成 , 这 些 和 氨基酸 均 使 B- 折 有 登 结构 不 易 稳 定 。 相 反 , 这 些 氨基 酸 都 是 螺旋 结构 的 稳定 者 , 故 多 肽 (b) RHR a -螺旋 。 Spill 4.14 HFREGHARH a MR, P-MHERAMMERARM ARK, £A4-8PH-LRA 的 图 像 符号 来 表示 这 些 结构 在 球 有 蛋白 中 的 组 合 形成 , 其 中 螺旋 状 条 带 用 来 代表 a -螺旋 结构 , N->C 端 方向 的 箭头 用 来 表示 B- 折 本 结构 。 平 行 B- 折 和 登 层 的 箭头 方向 一 致 , 而 反 平行 B- 折 枉 的 箭头 方向 交替 反 向 。B 有 蛋白 (如 视 黄 醇 结 合 蛋 白 以 及 抗原 结合 区 ) 的 二 级 结构 中 及 - 折 梧 为 主要 成 分 , 而 o/B 有 蛋白 (如 肌 红 有 蛋白 ) 则 主要 由 au- 螺旋 组 成 。a/B 有 蛋白 〈( 如 磷酸 两 糖 异 构 酶 ) 则 由 au- 螺旋 与 B- 折 悟 混 合 构成 (图 4-8)。 三 股 胶原 螺旋 ARF RK MM ORREG, HARMARP Pro 与 羟 -Pro 大 约 占 30%, Gly & 30%, KHEARMA—-PHANHERBAH, HPR-—MBRMAAMSE FRMAMB MM, 它们 彼此 担 曲 盘 绕 形成 一 个 三 股 螺旋 构象 。 这 三 股 链 彼此 间 可 形成 链 间 氢 键 , 这 些 氨 键 是 在 Gly RAA—NH 与 其 他 氨基 酸 的 一 C 一 0 之 间 形 成 的 。 问题 : 为 什么 在 -螺旋 片段 中 很 少 发 现 Pro? Pro 的 v -氨基 为 亚 氨基 。 当 Pro 通过 其 亚 氨基 与 其 他 氨基 酸 形成 肽 键 后 , 则 没有 多 余 的 酰胺 氢 原 子 来 形成 氢 键 以 稳定 -螺旋 构象 。 此 外 , 由 于 Pro 的 侧 链 与 其 . -氨基 结合 在 一 起 , 故 其 N 一 C。 键 不 能 自 由 旋转 , 使 得 Pro 不 能 参与 形成 正确 的 -螺旋 构象 。 虽然 Pro 不 能 作为 形成 -螺旋 的 氨基 酸 残 基 , 但 只 由 Pro 组 成 的 多 肽 可 形成 一 种 不 同类 型 的 螺旋 的 构象 。 这 种 多 聚 且 氢 酸 螺旋 不 是 靠 形成 氢 键 来 稳定 构象 的 , 而 是 靠 Pro 侧 链 彼 此 间 的 空间 排斥 作用 来 稳 EN. BR Pro 螺旋 比 -螺旋 更 加 伸展 , 相 邻 残 基 间 的 轴 距 为 0.31 nm, - Hil 4.15 胶原 蛋白 的 多 肽 链 序列 大 部 分 都 由 (Gly-Pro-X) am, HP X KARE Gly 5 Pro 之 外 的 其 他 类 型 氨基 酸 残 基 , 为 何 胶原 蛋白 可 形成 三 股 螺旋 结构 , 而 多 聚 睛 氨 酸 则 不 能 ? 答 : 在 胶原 三 股 螺旋 中 , 每 个 排 在 第 三 位 的 焉 基 位 置 均 朝向 螺旋 的 中 心 且 与 另外 一 条 链 紧密 接触 。 只 有 Gly, 因 其 侧 链 为 单个 氨 原 子 , 故 才能 适应 这 种 狭小 的 空间 而 形成 三 股 螺旋 WR. KFS (HM) 不 对 称 的 分 子 , 如 碳水 化 合 物 , 氨 基 酸 以 及 蛋白 质 均 可 使 平面 偏振 光 的 偏振 面 发 生 旋 转 。 旋 转 的 程度 依赖 于 物质 的 浓度 以 及 通过 样品 的 光 径 长 度 ( 见 第 2 章 ), 这 一 概念 在 很 大 程度 上 与 光 吸 收 值 相 似 〈 见 第 3 章 )。 旋 转 的 程度 〈 事 实 上 , 甚 至 连 旋转 的 方向 ) 还 依赖 于 光 的 波长 。 旋 光 率 [o] (每 单位 浓度 物质 及 光 径 长 下 测 得 的 偏振 面 旋转 程度 ) 随 平面 偏振 光 的 波长 不 同 而 改变 的 现象 称 为 旋光 色散 (ORD). 重 自 质 的 构象 作为 分 子 不 对 称 性 的 另 一 个 来 源 , 影 响 了 ORD 的 光谱 范围 。 可 溶性 蛋白 质 构象 中 的 螺旋 区 域 可 使 ORD 光谱 图 中 出 现 一 个 特异 的 正 峰 (图 4 -9), 这 一 点 无 规则 区 的 图 形 截然 不 同 。 通过 将 未 知 蛋 白质 的 ORD 光谱 图 与 适当 的 已 知 构象 的 标准 品 蛋 白质 进行 比较 , 就 可 计 鼻 出 该 蛋白 质 中 各 种 构象 的 大 概 组 成 比例 。 ' 轩 生物 化 学 80 60 a- 螺 旋 [a] x10-3 “jp 无 规则 区 域 180 200 220 240 波长 /nm 图 4-9 多 聚 D- 赖 氨 酸 的 ORD 光谱 , 示 wa- 螺 旋 与 无 规则 构象 的 光谱 图 形 。[a] 的 单位 是 (emi dm lg 71) 蛋白 质 结构 层次 荷兰 重 白 质 化 学 家 Kai Linderstrgm-Lang 最 先 提 出 蛋白 质 分 子 构象 有 不 同 的 结构 层次 : (a) 一 极 结构 : 指 其 氨基 酸 的 组 成 序列 。 (b) 二 级 结构 : 规则 , 重 复 的 折 春 形式 (如 -螺旋 与 B- 折 和 春 片 层 结构 ), 该 构象 的 稳 定 是 通过 在 氨基 酸 序列 上 彼此 相近 的 肽 链 内 或 肽 链 间 形 成 氨 键 来 维持 的 。 一 种 蛋白 质 中 二 级 结构 的 组 成 形式 通常 可 用 一 个 拓扑 图 来 代表 (图 4-10), 在 该 图 中 用 平 面 图 形 来 表示 这 些 二 级 结构 的 组 成 范围 和 相对 伸展 方向 。 这 些 拓扑 图 形 常 用 来 表示 蛋 折 质 家 族 内 的 结构 关系 。 (c) 超 二 级 结构 : 在 许多 蛋白 质 中 都 可 见 到 二 级 结构 的 共同 重复 形式 。 其 中 一 种 常见 的 重复 形式 是 8-a-8B 模 式 , 该 模式 包括 二 个 B- 折 到 片 层 结构 , 中 间 由 一 个 -螺旋 隔 开 , 第 二 个 B- 折 释 片 层 与 第 一 个 B- 折 至 片 层 结 构 间 形成 氢 键 (图 4-11)。 其 他 的 模式 还 包括 : B- 发 卡 , 是 两 个 反 平 行 B- 折 午 股 中 间 用 一 个 小 的 回 折 段 紧密 地 连 接 在 一 起 ; aa 模式 , 由 两 个 相 邻 的 折 硬 起 来 的 反 平 行 -螺旋 所 组 成 ; B- 折 有 登 简 , 由 一 些 伸展 的 B- 折 硬 片 卷 起 来 形成 一 个 连续 的 圆柱 体 。 三 级 结构 : 对 于 球 蛋 白 来 说 , 三 级 结构 可 被 认为 是 不 同 的 二 级 结构 区 域 在 三 维 空间 上 的 折 秋 组合, 其 中 在 一 级 结构 上 相距 很 远 的 部 分 可 以 在 三 级 结构 上 聚 在 一 起 形成 相互 作用 来 稳定 构象 。 对 于 那些 很 少 或 几乎 不 含 可 测 到 的 -螺旋 或 B- 折 硬结 构 的 和 蛋白质 来 说 , 三 级 结构 可 被 认为 是 蛋白 质 在 三 维 空间 的 折 释 形式 , 它 通过 远 距 离 序 (d wa 第 4 章 HAM OU Ven Wed Wed i (6) N i 图 4-10 视 黄 醇 结 合 蛋白 (RBP) 与 (a) 磷酸 丙 糖 异 构 酶 (TPI) (b) 的 二 级 结构 拓扑 图 。 其 中 白色 前 头 代 表 B- 折 码 肽 段 (数字 表 AIAN 端 到 C 段 的 顺序 号 ) BERR -螺旋 段 。 注 意 从 图 4-8 中 可 看 到 这 两 种 蛋白 质 均 由 8 条 8B- 折 琶 肽 段 围 成 一 个 桶 形 并 且 第 一 条 链 与 最 后 一 条 链 之 间 形 成 氨 键 而 使 桶 闭合 。 而 其 中 RBP 中 的 8B- 折 码 均 为 反 平行 结构 ,TPI 中 的 则 为 平行 8B- 折 到 , 外 由 一 层 - 螺 旋 所 环绕 , 这 样 使 得 桶 内 每 一 段 平 行 8- 折 亚 结 构 均 可 与 相 邻 B- 折 BREE 列 间 的 相互 作用 来 稳定 构象 。 (e) 结构 域 : 是 许多 球 蛋 白 所 具有 的 共同 结构 特征 , 特 别 是 对 于 分 子 质量 超 过 20kDa 的 那些 大 分 子 。 较 大 的 蛋白 质 常 折 县 成 ”个 结构 域 以 便 每 个 结构 域 的 分 子 质 量 保持 在 17kDa 左右 。 例 如 三 磷酸 甘油 醛 脱氧 酶 的 酶 分 子 折 县 成 两 个 结构 域 , 这 样 使 得 两 个 结构 域 都 有 各 自 独 立 的 功能 : 一 个 分 子 质量 约 为 16kDa 的 结构 域 与 辅酶 NAD” 连接 ;而 另外 一 个 约 21kDa 的 催化 结构 域 , 与 底 物 三 磷酸 甘油 醛 相连 (LS 11 章 )。 (f) 四 级 结构 : 是 指 不 同 多 肽 链 之 间 通 过 相互 作用 以 形成 一 个 守 聚 体 结 构 , 通 过 链 间 非 COO - 图 4-11 蛋白质 的 B=a-8B 型 的 超 二 级 结构 单位 。 其 中 B-= 片 层 用 箭头 来 表示 ,a -螺旋 片段 则 用 螺旋 圈 来 表示 。 用 虚 线 来 表示 氢 键 形成 的 大 致 部 位 生物 化 学 共 价 键 来 稳定 四 级 结构 。 蛋白 质 结构 家 族 到 目前 为 止 , 许 多 球 和 蛋白 的 结构 已 经 通过 实验 进行 了 测定 , 因 此 就 有 可 能 将 这 些 绪 构 进 行 归 类 , 或 将 结构 相似 的 结构 域 进行 归 类 。cVB RK (包括 全 部 糖 酵 解 过 程 的 酶 ) 包含 重复 的 B-a-8B 模 式 , 而 w+B 家 族 包含 彼此 不 相关 的 8B- 折 麦片 层 与 o -螺旋 结构 。a RUM BA 族 则 分 别 包 含 大 量 的 v -螺旋 和 8 - 片 层 结构 。 绝 大 多 数 的 蛋白 质 类 毒素 都 属于 小 二 硫 键 蛋白 质 家 族 , 其 结构 特点 是 由 相对 数量 较 多 的 二 硫 键 来 维持 一 个 小 的 下 水 核心 的 形成 ; 例如 昆虫 和 蝎 类 的 毒素 仅 由 38 一 40 个 氨基 酸 残 基 组 成 , 但 它们 含有 3 个 二 硫 键 。 SP 4.16 对 于 一 个 球 蛋 白 来 说 ,(a) 其 体积 和 (b) 表面 积 与 分 子 质 量 的 关系 分 别 是 什么 ? (a) 假定 该 球 蛋 白 密 度 均 一 , 则 其 体积 V 直接 与 分 子 质 量 成 正比 , 即 VOCM,. (b) 球体 的 表面 积 与 半径 的 平方 成 正比 , 体 积 则 与 半径 的 立方 成 正比 , 1 (a) 中 已 证 明 -VecM 故 ACM, 上 面 的 计算 结果 说 明 随 着 分 子 质量 的 增加 球 蛋 白 的 体积 要 比 表 面积 增加 的 快 。 故 为 使 球 蛋白 中 所 有 带电 基 团 均 位 于 其 表面 而 所 有 非 极 性 基 团 均 埋 在 分 子 内 部 , 有 以 下 三 种 方法 | 1. 较 大 的 蛋白 质 氨基 酸 组 成 可 发 生变 化 , 即 增加 非 极 性 侧 链 氨 基 酸 的 组 成 比例 , 这 样 可 使 分 子 内 部 体积 增 大 。 2. 较 大 的 蛋白 质 分 子 可 折 丢 成 几 个 独立 的 结构 域 , 这 样 每 个 结构 域 都 是 一 个 球形 结构 , 单元 , 具 有 自己 的 内 部 结构 和 表面 积 , 这 些 结构 域 之 间 由 一 段 主 链 相 连 。 3. 较 大 的 蛋白 质 可 折 和 硬 成 更 长 一 些 或 称 为 杆 状 的 分 子 。 4.5 序列 同 源 性 与 蛋白 质 进 化 肌 红 和 蛋白 作为 肌肉 中 氧 分 子 的 携带 者 而 起 作用 。 它 是 第 一 个 利用 X 射线 晶体 本 射 进行 研究 的 蛋白 质 , 结 果 发 现 它 是 由 8 段 -螺旋 彼此 间 通 过 一 小 段 非 螺旋 区 域 连接 在 一 起 所 形 “, 成 的 一 个 紧密 的 球形 结构 。 血红 蛋白 , 是 兰 椎 动物 血液 中 的 携 氧 蛋白 质 , 其 结构 与 肌 红 蛋 白 相 似 。 但 血红 蛋白 是 由 四 条 肽 链 组 成 , 即 它 具 有 四 级 结构 。 四 条 肽 链 通过 非 共 价 键 组 合 在 一 起 形成 一 特殊 的 几何 形 状 。 正 常 成 人 的 血红 蛋白 有 两 种 主要 类 型 的 多 肽 链 ; oo GEA BOE. 肌 红 和 蛋白 的 多 肽 链 与 血红 蛋白 的 两 条 链 无 论 在 一 级 结构 还 是 三 级 结构 上 都 是 极其 相似 的 。 这 两 种 蛋白 质 可 以 说 是 同 源 的 。 肌 红 和 蛋白 由 153 个 残 基 组 成 , 血 红 和 蛋白 w 链 由 141 个 残 基 组 成 ,B HEH 146 个 残 基 组 成 。 通 过 序列 分 析 , 发 现在 人 类 的 这 两 种 蛋白 质 中 ,141 +A 基 酸 残 基 中 只 有 24 个 不 同 , 且 许多 还 是 属于 保守 性 替换 。 即 一 条 链 中 的 一 个 氨基 酸 残 基 在 另 一 条 链 中 的 相应 位 置 上 由 一 个 化 学 结构 相似 的 残 基 的 代替 , 例 如 Glu 用 Asp 代替 和 将 不 同 种 属 动物 的 血红 和 蛋白 和 肌 红 和 蛋白 链 的 氨基 酸 序列 进行 比较 发 现 相 关 种 属 的 序列 具 有 相似 性 。 随 着 种 系 发 生 差 异 的 增 大 , 不 同 的 氨基 酸 数量 也 随 之 增多 。 据 估计 蛋白 质 以 一 个 恒定 的 速率 进化 , 两 个 同 源 蛋白 质 间 氨基 酸 组 成 差异 的 数量 与 种 系 进化 中 发 生 歧 化 的 时 间 成 ie. Pil 4.17 利用 下 表 所 列 出 的 各 种 细胞 色素 < 氨基 酸 序列 组 成 上 的 差异 , 给 出 人 类 、 家 免 、 委 和 链 we (一 种 真菌 ) 的 进化 树 。 第 4 章 RAK 83 . 序列 组 成 上 的 差异 数 类 别 RR, cy FEL 人 类 0 11 36 71 家 免 0 35 70 & 0 69 ee 0 这 些 数据 可 使 我 们 构建 一 个 进化 树 , 其 中 分 支 的 长 度 大 约 与 种 属 间 氨 基 酸 差异 的 数目 成 正比 (图 4-12)。 人 类 和 家 兔 间 差异 很 小 , 故 二 者 间 用 短 分 支线 相连 。 与 链 孢 零 之 间 的 关 条 相 比 乔 的 细胞 色素 c 结 构 更 接近 哺乳 类 , 故 它 的 分 支线 与 哺乳 类 相连 。 委 分 支线 的 长 度 大 约 是 免 与 人 分 支线 长 度 的 三 倍 。 最 后 , 链 孢 零 与 其 他 三 种 属 的 差异 数 都 大 致 相等 。 故 它 的 分 支线 与 另 三 类 共同 的 分 歧 线 相连 。 AHI & 人 类 RS 图 4-12 由 细胞 色素 < 氮 基 酸 序列 的 差异 所 构建 的 种 属 发 生 树 4.6 蛋白 质 构象 的 测定 方法 目前 所 知 的 蛋白 质 结构 的 知识 绝 大 多 数 是 对 蛋白 质 晶 体 进 行 X 射线 晶体 衍 的 分 析 以 及 对 蛋 自 质 溶液 进行 核磁 共振 光谱 测定 获得 的 。 这 两 种 技术 都 有 各 自 的 优点 和 限制 , 二 者 对 于 蛋 自 质 构象 的 测定 具有 互补 性 。1960 年 肌 红 蛋白 成 为 第 一 个 通过 对 其 结构 进行 充分 解析 来 确定 其 多 肽 链 构象 的 蛋白 质 。 从 那 以 后 , 已 测定 了 与 数 百 种 不 同 蛋白 质 相 应 的 成 千 上 万 种 结 构 现 在 可 通过 蛋白 质数 据 库 来 获取 许多 蛋白 质 和 核酸 结构 中 原子 的 坐标 值 , 该 数据 库 可 通 过 互联 网 进入 (其 网 址 为 :http://www.pdb.bnl.gov) 问题 : 从 已 知 的 实验 测定 的 蛋白 质 结构 数据 库 中 可 得 出 什么 样 的 蛋白 质 结构 形成 的 折 笃 规律? 1. 多 数 的 带电 基 团 都 位 于 分 子 表面 , 与 水 发 生 相 互 作用 。 但 酶 分 子 中 具有 催化 作用 的 重要 残 基 则 属 例外 , 这 些 带电 残 基 可 与 分 子 内 部 某 一 朴 水 部 分 发 生 特 异 的 极 性 相互 作用 而 得 到 稳定 。 2. 多 数 非 极 性 基因 (如 烃基 ) 都 位 于 分 子 内 部 , 这 样 可 避免 与 水 接触 后 引起 的 热力 学 上 的 不 利 影 啊 。 但 也 有 例外 , 即 那些 能 与 其 他 蛋白 质 或 配 基 结合 的 特异 位 点 上 的 非 极 性 基 团 需 位 于 分 子 表 面 才能 发 挥 功 能 。 3. 分 子 内 部 形成 近 可 能 多 的 氢 键 。 4. HARE o -螺旋 片段 的 终结 者 。 se Ga: - 生物 化 学 X 射线 晶体 衍射 X 射线 的 波长 大 约 等 于 1 个 分 子 中 成 键 原 子 间 的 距离 长 度 (如 C 一 C 单 键 长 为 1.5A 而 由 阴极 射线 管 中 铜 靶 发 出 的 X 射 线 波 长 为 1.54A)。 当 一 训 单 色 X 射 线 与 一 个 分 子 发 生 相 互 作用 时 可 被 衍射 , 且 衍射 形式 可 反映 出 该 分 子 中 原子 的 位 置 。 如 果 样 品 是 溶液 状态 , 则 蛋白 质 中 各 个 分 子 将 被 随机 定向 而 只 能 获得 极 少 量 关 于 分 子 整 体 结构 的 解析 信号 。 纤 维 状 蛋白 和 核酸 可 被 X 射线 诱导 而 定向 凝聚 成 纤维 。 这 些 样 品 可 用 X 射线 衍射 法 来 测定 构象 中 的 那些 规则 重复 区 域 , 即 蛋白 蛋 中 的 a -螺旋 和 8B- 片 层 以 及 A 型 和 B 型 的 DNA、RNA 结构 。 对 于 这 些 样品 ,X 射线 衍射 法 也 只 能 验证 它们 的 结构 是 否 符合 事先 提出 的 某 种 几何 模式 , 而 不 能 作为 其 结构 惟一 的 、 客 观 的 测定 方法 。 X 射线 衍射 法 与 样品 的 单 晶 制备 法 相 结 合 , 可 以 成 为 结构 测定 中 最 有 效 的 方法 。 从 仅 由 几 个 原子 所 组 成 的 分 子 直到 由 好 几 万 个 原子 所 组 成 的 病毒 的 结构 都 已 用 这 一 方法 进行 了 测 定 。 在 一 个 单 晶 中 , 所 有 分 子 都 排列 在 具有 固定 的 相对 位 置 和 方向 的 一 个 立体 唱 格 中 。 衍 射 图 谱 中 每 一 点 的 强度 都 可 测 出 , 故 据 此 可 获得 样品 全 部 的 立体 结构 信息 。 问题 晶体 衍射 法 测定 蛋白 质 结构 的 优点 和 限制 分 别 是 什么 ? 1. 该 技术 的 应 用 范围 很 广 , 可 测定 的 样品 包括 蛋白 质 、 酶 、 核 酸 和 病毒 , 且 不 受 分 子 大 小 的 限制 。 2. 不 是 所 有 蛋白 质 都 能 形成 结晶 。 特 别 是 对 于 内 在 膜 蛋白 来 说 更 是 如 此 , 它 们 只 有 在 去 拍 剂 存在 的 “| 条 件 下 才 可 溶解 下 来 。 | 3. X 射线 衍射 法 对 于 绝 大 多 数 蛋白 质 晶体 来 说 都 不 可 能 达到 实际 的 原子 水 平 的 分 辩 率 。 由 于 该 方法 | 所 固有 的 缺陷 , 使 得 蛋白 质 晶体 中 包含 许多 结构 组 成 精确 信息 的 大 衍射 角 衍射 图 不 能 被 测 到 , 故 在 对 蛋白 质 结构 进行 测定 前 , 一 般 先 必 须知 道 其 氨基 酸 的 序列 组 成 。 核磁 共振 (NMR) 波谱 法 eased NMR 法 测定 蛋白 质 结构 的 技术 仅 在 最 近 十 年 间 才 发 展 起 来 ; 1986 年 第 一 次 用 该 技术 完 整地 测定 了 一 个 蛋白 质 的 立体 结构 。 核 磁 共 振 现 象 的 产生 是 由 于 原子 核 被 置 于 磁场 中 时 核能 级 随 着 非 零 自 旋 运动 而 变 得 不 平衡 。 因 此 可 通过 应 用 波长 相当 于 这 些 不 同 能 级 间 差 值 的 射频 脉冲 来 使 核能 发 生 改 变 :( 即 在 不 同 能 级 间 路 迁 )。 应 用 这 种 使 核能 发 生 改 变 的 方法 还 可 以 观 察 到 无 向 量 及 偶 极 核 间 的 相互 作用 。 通 过 无 向 量 相互 作 用 可 观察 到 蛋白 质 的 扭转 角度 , 而 偶 极 相互 作用 则 可 测定 质子 间距 。 可 通过 测定 蛋白 质 的 氨基 酸 序 列 组 成 , 再 结合 以 土 所 测 得 的 肽 平面 间 的 二 面 角 及 质子 间距 的 数据 而 计算 出 蛋白 质 的 结构 。 需要 指出 的 是 NMR 法 测定 的 是 蛋白 质 处 于 天 然 溶解 状态 下 的 结构 。 由 于 蛋白 质 分 子 在 溶液 是 处 于 运动 状态 , 故 NMR 法 测定 的 是 无 向 量 值 (二 面 角 和 质子 间距 ); KES X HY 线 唱 体 衍射 法 的 根本 不 同 之 处 , 因 为 在 X 射线 衍射 法 中 可 通过 稳定 的 唱 格 而 获得 分 子 的 向 量 “ 图 像 ”。 由 于 NMR 法 可 测定 溶液 中 的 蛋白 质 结构 , 故 可 应 用 这 一 技术 来 研究 重 白质 运 动 的 复杂 过 程 。 问题 : NMR 波谱 法 测定 蛋白 质 结构 的 优点 和 限制 分 别 是 什么 ? 1. 该 技术 可 测定 天 然 溶 解 状态 下 的 蛋白 质 及 核酸 结构 。 2. 该 技术 的 分 子 质量 测 定 上 限 为 35 一 40kDa。 即 使 如 此 , 由 于 绝 大 多 数 蛋 昌 质 的 结构 域 分 子 质量 均 低 于 该 上 限 , 故 可 应 用 NMR 来 研究 结构 域 的 构象 。 第 4 章 FAR 该 技术 的 分 辩 率 不 如 X 射线 品 体 衍 射 法 那样 精确 , 但 可 获得 许多 蛋 昌 质 动力 学 中 的 有 用 数据 。 Hi 4.18 一 个 样品 处 于 晶体 状态 下 和 处 于 溶液 中 的 天 然 状 态 下 所 测 得 的 结构 有 何 相关 性 ? 有 蛋白质 晶 体 所 含 溶 剂 约 占 其 体积 的 40% 一 70%。 故 几乎 不 存在 影响 分 子 结构 的 分 子 间 直接 接触 作用 。 尽 不 同 的 结晶 形式 来 测定 某 一 蛋白 质 的 结构 , 尽 管 每 种 晶 形 的 含水 量 不 同 , 但 总 的 测定 结果 一 般 都 是 相同 的 。 这 也 是 用 NMR 法 或 蛋白 质 X 射线 晶体 衍射 法 测定 结果 真 实 可 靠 的 原因 。 另 外 发 现 有 些 酶 在 结晶 状态 可 保持 其 全 部 活性 , 这 也 暗示 晶体 的 稳定 性 可 能 不 会 改变 有 蛋白质 的 天 然 构 象 。 Se fll 4.19 对 于 一 个 分 子 质量 为 20kDa 的 有 蛋白质, 首先 应 采取 什么 方法 来 决定 用 蛋白 质 晶 体 衍 射 法 和 (或 ) NMR 波谱 法 来 测定 其 结构 更 为 合适 ? (a) 凝 胶 过 滤 法 或 分 析 性 超速 离心 (沉降 平衡 ) 实验 可 用 来 确定 是 否 该 蛋白 质 本 身 聚 合 形成 察 聚 体 。 若 该 蛋白 质 为 察 聚 体形 式 , 则 测定 结构 时 优先 采用 NMR 波谱 法 , 即 使 三 聚 体 的 分 子 质 量 达 到 了 该 技术 测定 范围 的 上 限 。 (b) 车 该 蛋白 质 不 是 寡 聚 体 , 则 只 要 样品 浓度 等 于 或 超过 1 mmolL, 样 品 量 为 250 ul, 即 可 采用 NMR 法 测定 其 结构 。 (c) 即使 该 蛋白 质 为 察 聚 体 , 只 要 这 些 察 聚 体 都 是 相同 的 , 则 可 采用 X 射线 晶体 衍射 。 法 测定 其 结构 。 可 以 采用 下 同 的 医 验 条 件 (例如 不 同 的 缓冲 液 和 pH 值 ) 来 找到 合 适 的 结晶 条 件 。 由 于 有 蛋白质 在 其 等 电 点 (pl) 溶解 度 最 低 , 故 pI 为 一 较 好 的 结晶 条 件 。 问题 解答 蛋白 质 的 纯化 和 定性 4.1 已 知 一 纯 的 含 血 红 素 和 蛋白质, 其 含 铁 量 占 全 部 重量 的 0.426%, 则 该 蛋白 质 最 小 分 子 质量 是 多 少 ? 答 : 最 小 分 子 质 量 是 指 一 个 分 子 只 含 一 个 铁 原 子 时 的 分 子 质量 。 因 此 每 100g 蛋白 质 中 都 含 igo Ni 1mol (56g) 铁 的 蛋白 质 是 100 X 56 0.426 =13 145g 含有 1mol 铁 原 子 的 蛋白 质量 为 13 14Sg, 该 值 即 为 蛋白 质 的 摩尔 质量 , 因 此 它 的 最 小 分 子 质 量 为 13 14$。 该 值 与 含 血 红 素 的 蛋白 质 细 胞 色素 c 的 分 子 质量 接近 , 故 是 一 个 '` 侣 理 数 值 。 但 是 , 若 1 个 蛋白 质 分 子 所 含 的 铁 原 子 数 不 止 1 个 , 则 该 蛋白 质 的 分 子 质 量 是 13 145 的 倍数 。 4.2 Thr 占 胰岛 素 中 全 部 氨基 酸 重量 的 1.8% 。 若 Thr 的 相对 分 子 质量 为 119, 则 胰岛 素 的 最 小 相对 分 子 质量 是 多 少 ? 答 : 由 于 氢 基 酸 缩合 形成 肽 键 时 脱 去 水 分 子 ,Thr 残 基 的 相对 分 子 质量 则 为 119 - 18 = 101。 若 假设 每 分 子 胰岛 素 只 含 1 个 Thr 残 基 , 则 其 相对 分 子 质量 101 相当 于 胰岛 素 分 子 质量 的 1.8%, 即 faye ap M.= 9 91g 7 > 900 * BS , * 86: 生物 化 学 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 用 物理 法 测定 解 聚 溶液 中 胰岛 素 的 分 子 质 量 , 证 实 该 值 是 正确 的 。 血红 和 蛋白 A (人 体 主要 的 正常 血红 蛋白 ) 的 等 电 点 pPH 值 为 6.9。 变 异 血 红 和 蛋白 M 中 m 链 67 位 的 Glu 残 基 取代 了 正常 血红 蛋白 A 该 位 置 上 的 Val 残 基 。 这 种 取代 使 得 血红 和 蛋 白 M 在 pH 为 7.5 时 的 电泳 行为 会 发 生 怎 样 的 改变 ? DA HF pHAT7.S, SBT HbA 的 等 电 点 , 则 它 带 负电 向 阳极 泳 动 。 在 pH 为 7.5$ 时 ,Glu 残 基带 负 而 Val 不 带电 。 故 在 这 一 PH 条 件 下 ,HbM 所 带 的 负电 荷 增多 , 向 阳极 泳 动 速度 会 更 快 。 将 即 清 蛋白 (pI=4.6), 脲 酶 (pI=5.0) 及 肌 红 蛋白 (pl=7.0) 这 三 种 和 蛋 自 装 入 一 | fi pH 为 6.5 的 DEAE -纤维 素 离子 交换 柱 。 用 pH6.5 的 稀 缓冲 液 来 洗 脱 , 然 后 用 含有 ! 更 高 浓度 的 NaCl 的 同样 缓冲 液 洗 脱 。 这 三 种 蛋白 质 将 以 何 顺序 从 柱 中 被 洗 脱 下 来 ? € fae, i=) pH6.5 时 , 卵 清 蛋 白 和 脲酶 均 带 负电 荷 , 故 可 与 DEAE -纤维 素 结合 。 在 相同 pHA 下 , 肌 红 有 蛋白 带 正 电 荷 , 故 立即 被 洗 脱 下 来 。 随 着 洗 脱 液 盐 浓度 的 增加 , 静 电 引 力 减 弱 ; 脲酶 随即 被 洗 脱 下 来 , 卵 清 蛋 白 最 后 被 洗 脱 下 来 。 一 个 M,=24 000, pl=5.5 的 酶 被 两 种 蛋白 质 所 污染 。 一 种 蛋白 质 分 子 质量 与 酶 相同 , pI=7.0, 另 一 种 蛋白 质 M,=100 000,pI=5.4。 如 何 进行 纯化 ? 答 , 可 用 凝 胶 过 滤 法 除去 高 分 子 质 量 的 污染 蛋白 。 在 剩余 的 混合 物 中 , 可 用 离子 交换 层 析 法 〈( 即 如 习题 4.4 所 述 ) 将 低 分 子 质量 蛋白 质 分 离 出 来 。 (a) FARR ARSE P/N ik, ESTA RITA FY KH Be? Ala-Ser-Thr-Lys-Gly-Arg-Ser-Gly (b) 如 果 上 述 产物 都 用 2, 4 -— ARSE SAE (FDNB) 处 理 , 然 后 用 酸 水 解 , 将 可 分 离 出 何 种 DNP -氨基 酸 ? 答 , (a) 胰 和 蛋白酶 可 在 Lys 和 Arg hE HRA i KA. HAAR A SRI: Ala-Ser- 国 ThrLys,Gly-Arg,Ser-Gly。 (b) 三 个 小 肽 用 FDNB 处 理 再 酸 水 解 后 , 可 形成 游离 N 端 氨基 酸 的 DNP 衍生 物 : DNP-Ala,DNP-Gly,DNP-Ser。 注 意 Lys 的 氨基 也 可 与 FDNB 反应 ; 但 可 用 色谱 法 将 Lys 的 DNP 衍生 物 与 其 他 o-DNP 衍生 物 区 别 开 来 。 以 下 数据 来 自 一 个 八 肽 的 部 分 水 解 分 析 结 果 : A ZEA ZAK: Ala, Gly., Lys, Met, Ser, Thr, Tyr FA CNBr 裂解 : (1) Ala, Gly, Lys, Thr (2) Gly, Met, Ser, Tyr FARR AYE 1E: (1) Ala, Gly (2) Gly,.. Lys, Met, Ser, Thr,,. Tyx 胰 凝 乳 和 蛋白 酶 : (1) Gly, Tyr (2) Ala, Gly, Lys, Met, Ser, Thr N 端 氨基 酸 : Gly C 端 氨基 酸 : Gly 确定 该 八 肽 的 氨基 酸 的 序列 。 答 : 可 用 所 给 数据 得 出 一 套 重 亚 肽 , 这 是 因为 CNBr 是 在 Met 处 切断 肽 链 , 而 胰 蛋 白 酶 是 在 Lys 或 Arg 处 水 解 肽 链 , 胰 凝 乳 蛋白 酶 则 在 其 香 族 氨基 酸 处 断 开 肽 链 。 故 该 入 肽 的 序列 是 Gly-Tyr-Ser-Met-Thr-Lys-Ala-Gly。 - PS KA A 可 从 肽 链 的 C 端 开 始 逐 一 水 解 氨 基 酸 , 但 C 端 氨基 酸 为 Pro、Lys 或 Arg 者 第 4 章 RAM 5 QF 除外 。 图 4- 13 所 示 为 一 个 蛋白 质 用 羧 肽 酶 A 处 理 后 所 释放 出 的 氨基 酸 序列 , 请 推出 该 蛋白 质 C 端 序列 组 成 。 答 : 1.0 S 各 His & th & Ser 0 10 20 时 间 /min 4-13 根据 图 可 知 其 C 端 序列 为 -Ser-His-Ile。 4.9 人 工 合 成 的 多 肽 : ZRL-AAR, EVE pH=2 的 溶液 中 形成 -螺旋 , 但 在 pH=7 的 溶液 中 则 不 能 。 解 释 其 原因 。 答 : 溶液 bDH=2 时 , 多 聚 直 - 谷 氨 酸 的 侧 链 大 部 分 都 不 带电 荷 而 处 于 质子 化 状态 。 在 pPH= 7 的 溶液 中 , 则 大 部 分 侧 链 都 带 有 负电 荷 。 负 电荷 使 氨基 酸 相互 排斥 而 a- 螺 旋 结 构 不 稳定 。 4.10 多 聚 直 - 谷 氨 酸 形成 100% 的 a -螺旋 构象 时 在 ORD 光谱 中 表现 为 一 个 负 槽 , 其 La]o33= —15 000°; AB MACAW RAT, [a]o33= -1 000° (下 标 233 指 测定 光 的 波长 )。 请 计算 [alo3=-7160H—-TtEAR HT a -螺旋 所 占 的 比例 , 假 定 该 蛋白 质 仅 由 -螺旋 和 无 规则 卷曲 两 种 构象 组 成 。 答 , 100% 的 a- 螺 旋 构 象 对 应 的 [ao]233 = 站 000°, 故 ers La]o33 — 1000 —_ 6160 “ Baie % = 15000 一 1000 * 100% = zap qq * 100% = 44 % 4.11 肌 红 蛋白 溶 于 pH 大 于 6.0 的 溶液 中 时 , 可 产生 一 特异 性 旋光 值 [a]3 = —12 000°. PREM pH 调 到 2.0, 则 该 旋光 值 变 为 -2 000"*, 解 释 其 改变 的 原因 。 答 : 可 用 习题 4.10 的 方法 计算 出 肌 红 蛋白 在 这 两 个 pH 条 件 下 形成 w -螺旋 的 比例 , 其 前 提 是 假定 肌 红 蛋白 只 有 a=- 螺 旋 和 无 规则 卷曲 两 种 构象 。 在 pH6.0 时 , 螺 旋 比 例 为 79%, TH pH2.0 的 溶液 中 , 螺 旋 比 例 只 有 7% 。 故 可 得 出 结论 : 在 较 低 的 pH 条 件 下 , 山 红 蛋 失去 了 螺旋 构象 , 也 就 是 说 , 发 生 了 变性 。 4.12 下 列 给 出 了 一 个 肽 的 部 分 序列 组 成 : -Gly-Pro-SerGly-Pro-Arg-Gly-Leu-Hyp-Gly-, 请 推断 这 个 肽 所 组 成 的 蛋白 质 能 形成 何 种 构象 ? 2 该 序列 数 像 胶原 蛋白 的 一 部 分 。 特 别 是 它 符合 (Gy-ProX) 模式 , 且 具有 胶原 蛋白 所 特有 的 凑 且 所 酸 。 故 该 序列 可 能 来 自 一 个 胶原 蛋白 。 4.13 胰岛 素 由 两 条 多 肽 链 组 成 : A 链 和 B 链 , 中 间 由 二 硫 键 连接 。 将 胰岛 素 变性 , 还 原 后 再 氧化 , 测 定 发 现 其 活性 只 有 7% 可 被 恢复 。 这 一 数值 正好 相当 于 胰岛 素 中 随机 配对 形成 二 硫 键 时 的 活性 大 小 。 以 上 的 结果 如 何 与 “氨基 酸 的 序列 组 成 指导 蛋白 质 折 麦 ” - @8 « 4.14 4.16 4.17 生物 化 学 的 假设 相符 合 呢 ? 答 : 胰岛 素 最 初 合成 时 是 作为 胰岛 素 原 的 形式 存在 的 。 合 成 后 肽 链 折 司 , 此 时 要 有 一 部 分 DF (CK) 被 切除 , 剩 余 的 A 链 和 也 链 再 通过 二 硫 键 连接 。 故 天 然 胰岛 素 是 不 含 C 肽 的 , 这 样 就 缺失 了 一 部 分 指导 肽 链 折 重 过 程 的 必要 信息 。 胰岛 素 和 血红 蛋白 均 为 由 1 个 以 上 肽 链 所 组 成 的 蛋白 质 。 比 较 这 两 种 量 和 白质 中 肽 链 间 的 作用 力 形式 。 答 AW: 血红 蛋白 由 四 条 多 肽 链 组 成 ?相互 间 只 通过 非 共 价 相互 作用 结合 在 一 起 。 胰岛 素 中 的 两 条 肽 链 , 最 初 都 来 源 于 同一 条 肽 链 , 这 两 条 肽 链 间 由 共 价 三 硫 键 相连 。 核糖 核酸 酶 中 含有 四 对 二 硫 键 。 如 果 将 这 些 二 硫 键 全 都 还 原 为 硫 基 后 再 氧化 , 则 再 形 成 二 硫 键 的 组 合 比 率 有 多 少 ? aa 第 一 个 二 硫 键 形成 时 , 则 一 个 Cys 残 基 可 与 其 余 七 个 Cys 残 基 中 的 任何 一 个 形式 三 硫 键 。 ee ae 其 中 一 个 Cys 残 基 可 与 其 余 五 个 中 任何 一 个 Cys. 成 第 三 个 二 硫 键 时 , 其 中 一 个 Cys 可 与 其 余 三 个 中 任何 一 个 Cys 配对 吕 三 时 形成 于 证 二 硫 键 后 , 则 最 后 一 个 二 硫 键 的 形成 也 只 有 一 种 选择 了 。 因 此 , 三 硫 键 的 组 合 比率 2. 7X5X3=105 . 因此 , 一 对 二 硫 键 能 正确 形成 的 比率 为 , 1/105=0.0095, 或 0.95% 。 胰岛 素 序列 中 8 位 的 甘氨酸 残 基 具 有 转角 @ =82", 生 = -105", 它 位 于 图 4-5 中 的 量 Ramachandran 图 的 不 利 区 域 ( 记 为 X)。 这 是 为 什么 ? 答 : : 甘氨酸 具有 非常 小 的 侧 链 , 一 个 氨 原 子 。 图 4-5S 是 为 丙 氨 酸 〔( 其 侧 链 为 甲 基 ) 所 定 的 图 。 因 此 , 这 个 构象 只 适用 于 甘氨酸 , 而 不 是 丙 氢 酸 的 甲 基 。 用 例 4.7 的 数据 估价 一 个 洗 脱 体积 为 135Sml 的 酶 的 分 子 质量 。 AE : KA4-24%, 5 155ml EMAF RHR HY eM. 值 为 4.8。 假 定 该 酶 的 密度 和 形状 与 参 照 标准 相似 , 其 相对 分 子 质量 为 63 000。 一 个 本 在 EL Je 7 #8) 2K. BEN AE). 4A os ETL Aad hak Ie DOL 当 用 SDS 凝 胶 电 泳 分 析 , 只 有 一 条 带 , 该 带 的 表 观 分 子 质量 为 40 000。 这 如 何 解 释 ? KE =e 一 个 四 聚 体 。 在 用 凝 胶 过 滤 方 法 测定 B - 乳 球 蛋 白 相对 分 子 质 量 的 过 程 中 , 不 同 的 样品 浓度 得 到 的 数据 如 下 : ARR E/ (g/L) 10 去 污 剂 SDS 可 导致 四 级 结构 解 离 , 使 得 所 测定 的 分 子 质 量 为 组 成 亚 单 位 的 相对 分 子 , 质量 。 该 数据 提示 : 该 酶 由 四 个 相同 的 亚 单 位 (M,=40 000) 构成 M,=160 000 的 。 第 4 章 BAM 4.20 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 - 89 - SDS 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 电泳 分 析 得 到 的 相对 分 子 质 量 为 18 000, KSRZRAMPCAAN 氨基 酸 序列 相 吻 合 。 解 释 这 些 数 据 。 0 这 些 数 据 显 示 : 8B- 乳 球 蛋白 多 肽 链 的 相对 分 子 质 量 为 18 000, 并 且 在 高 浓度 下 该 蛋 白质 以 二 聚 体 (M,=36000) HHAFE. Kh, HUH, RARK (UAHH 非 共 价 相互 作用 维持 ) 发 生 了 部 分 解 离 : Ap 一 2A。 以 下 列 在 20Y 得 到 的 实验 数据 计算 蛋 日 质 的 M,。 SE=4.2x10- s B=1.2* 10°" m?**37" v =0.72ml:g"! p =0.998g-mL! 答 方程 式 (4.1): ees R (气体 常数 ) =8.314J-K~'+mol! T (#4) =293K mM. =——8:314 x 293 x 4.2 x 107 * 4.2 « 2075°2<6-Gh — 0: 323002998) _ 10 231 x 10°» Mee” ST = 30kg - mol | 或 30 000g - mol! 相对 分 子 质量 为 : 30000. 补充 问题 列 出 (a2) 肌肉 的 主要 和 蛋白质,(b) 骨 , 结 缔 组 织 和 皮肤 的 主要 和 蛋白质 ,(c) 毛发 和 羽毛 的 主要 蛋白 质 。 纯 的 血红 素 蛋 白 含 有 0.326% 的 铁 。 如 果 该 分 子 只 含有 一 个 铁 原 子 , 它 的 分 子 质量 是 多 少 ? 在 电场 中 下 列 蛋 白质 将 向 什么 方向 移动 (向 阳极 , 向 阴极 , 或 不 动 )? (a) 血清 白 蛋 白 (pl=4.9), pH8.0 (b) BREE (pI=5.0), pH9.0 (c) 核糖 核酸 酶 (pI=9.5), pH4.5; pH9.5; pH11.0 (d) 8 SAB (pl=1.0), pH3.5; pH7.0; pH9.5 用 Sephadex G - 200 凝 胶 过 滤 分 析 , 下 列 蛋 白质 以 什么 顺序 出 现 : 核糖 核酸 酶 (M,.= 12 000); 醛 缩 酶 (M,=159 000); 血红 蛋白 (M,=64 000); B- 乳 球 蛋 白 (M,=36 000); 血清 白 蛋 白 (M,=65 000)? 区 别 术 语 : 一 级 结构 , 二 级 结构 和 三 级 结构 。 下 列 氨基 酸 残 基 一 一 和 蛋氨酸, 组 氨 酸 , 精 氨 酸 , 葵 丙 氨 酸 , 纺 氢 酸 , 谷 所 酰胺 和 谷 氮 酸 一 一 哪个 可 存在 于 (a) 蛋白 质 的 表面 , 及 哪个 存在 于 (b) 蛋白 质 的 内 部 ? 下 列 存在 于 不 同 部 位 的 氨基 酸 残 基 功 能 是 什么 ? (a) 蛋白 质 表 面 的 葵 丙 氨 酸 。 (b) 蛋白 质 内 部 的 天 冬 氢 酸 。 什么 是 蛋白 质 结 构 中 的 结构 域 ? 给 出 一 个 实际 蛋白 质 结构 域 的 例子 。 * OO 生物 化 : 4 上 + Ff 上 请 二 - 下 本 上 ay .34 3 “ 氢 基 酸 残 基 的 特殊 构象 位 于 Ramachandran 图 中 不 利 的 区 域 ", 这 句 话 的 意思 是 什么 ? " (a) 为 什么 尿素 可 使 蛋白 质变 性 ? (b) 尿 中 存在 尿素 , 为 什么 我 们 的 肾脏 不 变性 ? 】 (a) 在 蛋白 质 中 非 共 价 相互 作用 的 重要 性 是 什么 ?” (b) 弱 的 相互 作用 如 何 能 形成 稳定 的 结构 ? 螺旋 中 的 螺 距 (p) 定义 为 = dm ,7 是 每 圈 中 重复 单位 的 数量 ,d 是 每 个 沿 着 螺旋 轴 重 复 单 位 的 距离 。 因 此 , 螺 距 可 度量 : 从 螺旋 的 一 个 点 到 该 螺旋 下 一 图 上 相应 点 的 距离 。 (a) 什么 是 每 个 残 基 距 离 和 a -螺旋 螺 距 ? (b) 如 果 它 是 一 个 连续 的 w -螺旋 , 肌 红 和 蛋白 将 有 多 长 ? (c) 如 果 它 是 一 股 8B- 折 至 片 层 , 肌 红 和 蛋白 将 有 多 长 ? (d) 如 果 完 全 伸展 (距离 / 残 基 =0.36 nm), 肌 红 和 蛋白 将 有 多 长 ? 推测 下 列 哪个 聚 氨 基 酸 在 室温 溶液 中 将 形成 -螺旋 ? 哪个 将 形成 无 规则 结构 ? (a) ®F2AR, pH=7.0 (b) 聚 异 亮 氨 酸 ,pH=7.0 (c) RMARM, pH=7.0 (d) RRAR, pH=13.0 (e) RAAR, pH=1.5 (f) 聚 苏 氨 酸 ,pH=7.0 在 四 级 结构 中 什么 力量 聚集 蛋白 质 亚 单位 ? 聚 且 氨 酸 可 形成 单 股 螺旋 , 该 单 股 螺旋 与 胶原 蛋白 三 重 螺旋 中 的 一 股 较为 相似 , 但 是 , 它 不 能 形成 三 重 螺旋 。 为 什么 不 能 ? 聚 (HAR HAR HAR) 可 形成 三 重 螺 旋 。 为 什么 ? 对 照 比 较 (a) 胰岛 素 ,(b) 血红 蛋白 和 (c) 胶原 蛋白 的 结构 , 它 们 全 是 由 两 个 以 上 链 构成 的 蛋白 质 , 但 却 是 通过 不 同类 型 的 键 将 这 些 链 聚 集 在 一 起 的 。 形成 -螺旋 显著 的 稳定 性 的 原因 是 什么 ? (a) a SRG BTA A RAH ERY HAI? (b) 它们 有 相似 的 地 方 吗 ? wi) 蛋白 质 : 超 分 于 结构 <: Me meee eee eee HEPES EEE RHEE EEES EEE SESE HEHE HESE ET HESE SHEE SEES SEES EEE HEEEHE SESE SEH EE EEEES EEESEH SEE EEEESHSEED ESE EEEES 虽然 蛋白 质 是 大 分 子 , 但 与 细胞 比较 〈 甚 至 与 构成 细胞 的 超 分 子 结构 , 如 : 原生 质 、 细 胞 器 膜 、 核 糖 体 、 染 色 体 、 丝 状 结构 、 酶 复合 物 和 病毒 比较 ; 见 第 1 章 ) 却 是 小 的 。 超 分 子 结构 也 存在 于 细胞 外 ; 比如 说 , 它 们 是 结缔 组 织 的 基本 的 组 成 成 分 , 如 : Re. Mi. Ka 骨 。 超 分 子 结构 可 由 从 小 (ol. 膜 脂 类 ) 到 大 (如 : BAR. DNA 和 RNA) 的 各 种 不 同类 型 的 分 子 构成 。 这 些 结构 与 各 种 细胞 的 各 种 生理 过 程 有 关 ; 对 于 一 个 有 机 体 或 一 个 有 机 体 中 的 任何 细 胞 , 这 些 结构 是 保持 其 正常 功能 所 必需 的 。 某 些 超 分 子 结构 (如 : 细胞 骨架 网 络 支 撑 着 小 肠 刷 状 缘 细 胞 的 微 绒毛 ) 呈现 出 相当 稳定 的 状态 , 即 : 在 细胞 的 整个 生命 过 程 中 它们 的 结构 并 不 发 生变 化 。 然 而 , 大 多 数 的 结构 是 处 于 明显 的 变动 之 中 的 ; 有 这 样 几 个 方面 : 四 其 中 的 成 分 快速 的 翻转 〈 如 : 大 多 数 细胞 膜 和 某 些 细胞 外 基质 ); @ 它 们 可 完成 机 械 运 动 (如 : AB, 鞭毛 和 肌纤维 ); 图 它们 可 对 机 械 力 或 某 些 外 部 的 刺激 做 出 反应 〈 如 : 耳 中 内 毛细 胞 表面 的 静 纤 毛 的 振动 可 对 声音 做 出 反应 , 以 及 人 红细胞 在 循环 系统 中 流动 时 对 液体 的 压力 和 机 械 挤 压 做 出 反应 而 发 生 显著 的 变形 ); 田 它 们 可 为 特殊 的 目的 而 被 构建 起 来 而 后 又 被 拆除 (如 : 海胆 精子 的 针 样 顶 体 突 的 构成 是 用 来 协助 精子 穿 过 卵子 的 细胞 外 物质 和 细胞 膜 , 随 后 该 顶 体 突 就 会 消失 )。 本 章 的 内 容 将 侧重 于 主要 以 蛋白 质 为 基础 的 超 分 子 结构 , 以 及 与 其 结构 和 构建 相关 的 某 些 特 征 。 重 点 讨论 细胞 外 的 〈 细 胞 外 基质 ) 和 细胞 内 的 〈 细 胞 骨架 网 络 ) 超 分 子 结构 , 这 些 网 络 结构 和 功能 之 间 的 关系 , 其 运动 特征 和 作用 , 可 导致 疾病 或 与 疾病 相关 的 遗传 或 先天 的 缺陷 等 。 Soil 5.1 UEP HA LTRS ERMA SRPMRDFEMP, HEP RPRADLGHR 吾 是 极 好 的 例子 。 构 建 纺锤 丝 的 目的 是 将 正在 进行 分 裂 的 细胞 中 的 染色 体 分 离 并 分 配 到 子 代 细胞 中 , 随 后 该 结构 消失 。 当 然 , 染 色 体 的 分 离 需要 纺 狂 丝 中 的 成 分 提供 机 械 力 和 所 消耗 的 能 量 。 5.2 超 分 子 结构 的 装配 时 许多 超 分 子 结构 主要 是 通过 大 分 子 (如 : BAR) 的 非 共 价 的 逐步 联合 形成 的 。 装 配 过 程 受 同一 类 化 学 和 物理 规律 所 控制 (控制 着 蛋白 质 折 释 和 四 级 结构 的 形成 , 见 第 4 章 )。 这 东 装 配 过 程 的 驱动 力主 要 是 依赖 于 大 量 形成 的 朴 水 键 , 氢 键 和 离子 键 (存在 于 由 范 德 华 力作 | 表 相 互 接触 的 亚 单位 上 互补 的 位 点 之 间 )。 另 外 , 也 存在 共 价 交 联 Cin, 相 邻 亚 单位 上 半 胶 氨 酸 之 间 的 二 硫 键 )。 互 补 结合 位 点 的 特异 性 是 指 亚 单位 之 间 相 互 聚合 具有 固定 的 方位 。 在 亚 单位 内 和 亚 单位 之 间 的 构象 变化 对 于 装配 过 程 是 非常 重要 的 。 这 些 结构 变化 对 于 由 独立 成 分 构成 的 最 终结 构 的 整体 稳定 性 是 重要 的 。 它 们 可 严重 地 影响 超 分 子 结构 装配 的 高 度 人 生物 化 学 人 的 方位 。 在 某 些 情况 中 , 装 配 过 程 是 由 大 量 相 同 亚 单位 结合 形成 复杂 结构 而 实现 的 。 该 逐步 装配 过 程 具 有 一 定 的 优点 。 首 先 , 它 减少 了 编码 复杂 结构 的 遗传 信息 的 数量 ; 其 次 , 如 果 有 缺陷 的 亚 单位 可 从 最 终结 构 中 被 除去 , 它 可 使 错误 避免 ( 见 题 $.1)。 如 果 装 配 超 分 子 结构 的 所 有 信息 均 存 在 于 组 成 分 子 自身 当中 , 该 装配 过 程 称 为 自我 装 配 。 Spl 5.2 核糖 体 是 较 大 的 大 分 子 复 合 物 , 其 组 成 成 分 包含 了 所 有 必需 的 自我 装配 信息 。 大 肠 杆 菌 核糖 体 的 沉降 系数 为 70S, 它 由 两 个 亚 单位 (50S 和 30S) 构成 , 总 质量 为 2.8X10%Da, 并 具有 58 个 不 同 成 分 。 这 些 成 分 中 有 三 个 是 RNA 分 子 , 它 们 占 总 质量 的 65%, 简 们 作为 导 引 各 种 蛋白 质 的 框架 或 模板 。 如 果 被 纯化 分 离 的 组 分 以 适当 的 顺序 并 在 正确 的 条 件 下 混合 在 | 一 起 , 它 们 可 自然 地 装配 形成 具有 完全 活性 的 核糖 体 (图 $-1)。 16S RNA 21 个 蛋白 质 30S CS oe + = yea? 一 一 一 一 < 70S prea b4 sf = 5S RNA 34 个 蛋白 质 50S 亚 单位 图 5-1 RAAT ay BR RACY ER 某 些 病毒 , 特 别 是 烟草 花 叶 病毒 (TMV), 也 可 自我 装配 。TMYV 颗粒 可 被 分 离 为 其 蛋 白质 组 分 和 RNA 组 分 , 通 过 将 这 些 组 分 重新 混合 在 一 起 , 它 们 可 重新 装配 成 具有 感染 性 的 病毒 颗粒 。 CE 例 5.3 TMV 是 由 2130 个 相同 蛋白质 亚 单位 桶 状 外 过 围绕 着 6400 KAMA RNA DF PHA 成 。1955 年 , 发 现 外 过 蛋白质 亚 单位 与 RNA 可 以 分 离 , 而 在 合适 的 条 件 下 它们 可 自然 地 自 我 装配 重新 形成 完全 具有 活性 的 病毒 颗粒 。 这 是 一 个 多 步骤 过 程 , 一 个 34 -单元 双 层 蛋白 硕 圆 盘 是 重要 的 中 间 体 , 基 于 与 RNA 的 结合 , 该 中 间 体 转变 为 一 个 每 圈 16.33 个 有 蛋白质 亚 单 位 的 螺旋 结构 (BAS5-2), HRA RNA, FHRTKSAARKAYORRE, RNAWFA 可 协助 这 个 聚合 过 程 并 形成 一 个 固定 的 300nm 长 度 的 病毒 颗粒 。 由 较 小 的 蛋白 质 多 拷贝 构建 的 病毒 外 壳 显 示 了 在 遗传 信息 方面 的 节省 。 甚 至 对 于 具有 数 个 外 壳 蛋 白质 的 更 为 复杂 的 的 病毒 来 讲 , 这 种 节省 仍然 是 很 大 的 。 例 如 : EA RKRRAS 中 , 外 壳 为 115 kDa 前 体 蛋 白质 聚合 形成 的 五 聚 体 ; 这 些 五 聚 体 的 每 个 多 肽 通过 蛋白 质 水 解 作用 被 裂解 形成 四 个 蛋白 质 ; 十 二 个 这 种 蛋白 水 解 加 工 的 五 聚 体 联合 形成 完整 的 外 壳 。 请 注 意 , 在 这 个 例子 中 , 自 我 装配 并 不 是 最 终结 构 完 整 而 正确 形成 所 需 的 惟一 因素 。 另 外 , 需 要 从 这 个 完整 的 系统 外 输入 用 于 加 工 的 蛋白 酶 。 其 他 的 外 输入 例子 包括 : 使 用 支架 和 模板 导 引 装 配 过 程 , 以 及 将 已 含有 所 需 信息 的 结构 用 于 形成 新 的 拷贝 。 这 些 例子 有 鸣 菌 体 T4 病毒 的 装配 (涉及 模板 和 蛋白质 的 使 用 ), 以 到 新 线粒体 的 形成 〈 新 线粒体 来 自己 存在 的 线粒体 的 分 裂 和 生长 )。 第 5 章 RAM: 超 分 子 结构 5-2 烟草 花 叶 病 毒 的 装配 Spl 5.4 噬菌体 T4 是 一 个 复杂 的 病毒 , 它 能 感染 某 些 细菌 。 该 病毒 的 蛋白 质 外 元 (K. LK HR) SA 40 个 结构 有 白 质 。T4 是 一 个 很 好 的 例子 来 说 明 ; 逐步 装配 过 程 的 空间 和 时 间 上 | 的 调料 , 以 及 调控 装配 过 程 中 外 输入 的 作用 。 装 配 过 程 需要 13 个 有 蛋白质, 但 这 些 有 蛋白 质 并 不 存在 于 最 后 形成 的 完整 病毒 颗粒 中 。 这 类 有 蛋白质 之 中 , 有 3 个 是 作为 临时 的 模板 促进 尾 基 片 的 形成 (图 $-3)。 还 有 一 个 是 蛋白 酶 , 它 在 头 部 的 装配 基本 上 完成 后 , 将 头 部 的 主要 有 蛋 白质 进行 裂解 (从 55 kDa 到 45 kDa)。 尾 部 达到 正确 的 长 度 时 , 盖 蛋白 置 于 项 部 , 这 时 完整 的 头 部 才 可 与 益 蛋 白 结合 (图 5-3)。 最 后 , 完 整 的 尾 纤维 结合 在 基 片 上 , 这 需要 一 个 酶 众 jo ee 基 片 尾 i 头 RA 5-3 T4 SAAC AI | 化 反应 。 生物 学 中 最 迷人 的 问题 之 一 是 : 常 由 一 系列 重复 单元 构建 而 成 的 器 官 、 细 胞 、 细 胞 器 、 | 纤 丝 和 其 他 大 分 子 复 合 物 , 它 们 是 如 何 达 到 一 个 限定 的 大 小 后 停止 生长 的 ?” TMV 桶 型 外 壳 | 长 度 的 控制 是 一 个 很 好 的 例子 ( 例 5.3)。 至 此 , 已 清楚 的 是 : 外壳 蛋白 质 与 其 包 庄 的 RNA | 之 间 的 相互 作用 是 决定 性 的 。 而 在 其 他 情况 中 , 如 鸣 菌 体 T4 尾部 的 长 度 , 以 及 骨骼 肌纤维 中 重复 收缩 单元 高 度 规则 的 长 度 , 其 调控 机 制 目前 尚 不 清楚 。 有 许多 可 能 的 解释 , 而 下 列 基 于 微 变 规律 的 解释 只 是 一 个 简单 的 机 制 。 两 类 不 同 长 度 的 杆 状 蛋白 质 平行 聚合 形成 一 个 线性 的 复合 物 (图 5- 4)。 它 将 生长 ; 直至 每 个 杆 状 物 的 末端 12 单 位 图 5S-4 微 变 规律 示例 +94 - 生物 化 学 严格 一 致 。 那 么 , 没 有 了 重叠 部 分 , 该 复合 物 将 不 再 生长 。 5.3 和 蛋 日 质 的 自我 聚合 大 量 的 具有 生物 学 活性 的 蛋白 质 以 大 的 复合 物 的 形式 存在 于 溶液 中 。 自 我 装配 最 简单 的 实例 与 单一 类 型 亚 单位 的 自我 聚合 有 关 。 许 多 蛋白 质 拥有 四 级 结构 , 这 是 由 相同 的 亚 单位 装 配 成 的 规则 的 几何 结构 , 例 如 : 胰岛 素 的 储存 形式 具有 排列 成 六 角形 的 六 个 单 体 , 储 铁 和 蛋白 质 REA) 具有 排列 成 20 面体 的 24 个 亚 单位 。 自 我 装配 和 对 称 体 的 某 些 内 容 介 绍 如 下 。 对 称 二 聚 体 问题 , 通过 什么 方式 蛋白 质 能 自我 装配 形成 规则 几何 形 的 寡 聚 体 ? 如 果 结 合 位 点 自我 互补 , 就 可 形成 一 个 对 称 的 二 聚 体 [图 5 -5 (b)]。 在 两 个 亚 单位 之 间 将 有 一 个 对 称 的 二 分 体 (或 二 部 旋转 的 ) 轴 , 因 此 , 一 个 亚 单位 以 该 轴 心 旋转 180 可 与 另 一 个 亚 单位 重 肆 。 (如 果 结合 位 点 不 存在 自我 互补 , 你 可 自己 证 明 : 这 将 不 形成 对 称 体 的 二 分 体 轴 。) 这 样 形 成 的 二 聚 体 本 身 可 作为 更 大 聚合 体 的 一 个 亚 单位 ; 例如: 两 个 二 聚 体 可 通过 不 同 的 结合 接触 面 聚合 形成 一 个 具有 两 个 对 称 体 轴 的 四 聚 体 。 在 这 种 情况 下 , 存 在 两 个 对 称 体 轴 , 该 对 称 体 被 称 为 双 面 体 。 原 聚 体 常 用 于 描述 参与 自我 聚合 反应 的 基本 单元 。 在 上 述 问题 中 , 单 体 是 二 聚 体 的 原 聚 体 。 同 样 , 由 同样 的 二 聚 体 聚 合 形成 的 四 聚 体 , 六 聚 体 等 等 , 该 二 聚 体 就 称 为 这 些 三 次 聚合 体 的 原 聚 体 [图 5-5 (c)]。 (a) Spe (b) =RK (c) FER 图 5-5 原 聚 体 自我 聚合 的 简单 图 示 旋转 对 称 体 如 果 结 合 位 点 与 蛋 日 质 其 他 位 点 互补 , 那 么 将 形成 一 个 链 。 若 在 原 聚 体 之 间 存 在 一 定 的 角度 , 该 链 将 自身 闭合 形成 一 个 环 (图 5 -6)。 这 个 环 的 大 小 变化 较 大 , 从 一 个 二 聚 体 到 更 per 图 5-6 当 蛋 白质 亚 单位 在 适当 的 固定 角度 进行 相互 作用 时 可 形成 环 状 或 螺旋 状 第 5 章 HAM: 超 分 子 结构 大 的 守 聚 体 。 这 样 的 规则 环 拥 有 旋转 对 称 体 , 并 且 该 类 型 的 对 称 体 通常 存在 于 具有 3、35 或 其 他 奇数 原 聚 体 的 蛋白 质 中 , 尽 管 它 也 可 存在 于 具有 偶数 原 聚 体 的 僵 聚 体 中 (CH: 胰岛 素 的 储存 形式 , 它 是 一 个 六 聚 体 )。 SP his.s mee (存在 于 流感 病毒 的 膜 中 ) 是 一 个 三 聚 体 (图 $-7)。 每 个 原 聚 体 是 由 一 个 单独 的 多 肤 链 折 县 成 的 两 个 片段 : 一 个 a- 螺 旋 的 “ 柄 ”和 一 个 球 型 的 头 〈 含 有 一 个 八 链 B- 片 层 结构 , 该 结构 中 含有 与 宿主 细胞 受 体 的 结合 位 点 )。 来 自 每 个 原 聚 体 的 “ 柄 ”通过 它们 非 极 性 氨基 酸 焉 基 的 相互 作用 形成 了 一 个 左手 超 螺旋 , 或 盘 绕 的 线圈 。 这些 疏水 的 相互 作用 提供 稳定 该 三 聚 体 的 主要 的 作用 力 。 形 成 的 对 称 体 三 重 周期 的 轴 , 示 于 图 5-7。 图 5-7 流感 病毒 血 凝 素 三 聚 体 的 图 解 “无 限 的 自我 聚合 在 许多 情况 下 , 一 个 链 能 形成 开放 末端 , 其 他 的 原 聚 体 可 没有 限制 地 连续 被 加 到 该 链 末 器 空 出 的 结合 位 点 。 这 称 为 无 限 的 自我 聚合 。 如 果 在 原 聚 体 之 间 的 角度 是 固定 的 , 该 开放 未 端的 链 将 形成 一 个 螺旋 (图 5- 6). QHHHOOL TLE POH GG (a) 双 螺 旋 〈 如 : 肌 动 蛋白 ) 图 5-8 双 螺 旋 、 片 层 和 管状 结构 的 形成 , 图 示 亚 单位 之 间 的 多 重 相互 作用 (APA A) - 96 + 生物 化 学 如 果 两 个 螺旋 链 相 互 缠绕 形成 双 螺 旋 , 或 如 果 该 螺旋 随后 转角 中 的 单 体 是 连接 状态 的 , 由 于 每 个 单 体 与 另外 一 条 链 上 的 两 个 单 体 以 及 其 自身 所 在 链 中 相 邻 的 两 个 单 体 相 互 作 用 , 那 么 , 其 稳定 性 就 会 显著 的 增加 [图 $S-8 (a)]。 片 层 和 闭合 面 在 同一 平面 中 的 多 种 相互 作用 可 导致 片 层 的 形成 , 如 : 每 个 单 体 可 在 六 聚 体 闭 合 排 布 中 与 六 个 相 邻 的 单 体 相互 作用 (图 $-8)。 通 过 轻 度 的 再 调整 , 片 层 可 被 转变 为 管 桶 状 〈 图 5S-8), 甚 至 球状 。 由 于 可 形成 最 大 数量 的 相互 作用 , 这 些 闭 合 结构 可 提供 更 大 的 稳定 性 。 某 些 病 毒 的 蛋白 质 外 壳 是 这 方面 最 好 的 例子 。 由 微 管 蛋白 构成 的 微 管 可 轻易 地 在 片 层 和 管状 之 间 相 互 转变 , 至 少 纯化 的 形式 中 是 如 此 。 Shi 5.6 BE HARASS, 180M HESGRMLSH (M,=41 000) 形成 一 个 赤 , 这 个 壳 转 绕 着 含有 4800 FEAF HRA RNA 分 子 。 从 几何 学 上 来 讲 , 以 明确 的 对 称 方式 组 入 球形 过 的 相同 的 亚 单 位 数量 不 会 超过 60 个 。 这 限制 着 体积 , 因 此 , 为 了 容纳 更 多 的 RNA 就 需要 更 大 的 壳 。 这 可 通过 使 对 称 体 松弛 来 实现 ; 亚 单 位 可 分 离 为 三 套 60, 每 套 以 严格 的 对 称 体 形 式 包 装 。 然 而 , 每 套 之 间 的 关系 是 不 同 的 , 以 至 整个 的 包装 只 是 准 相等 物 。 平 ” 衡 聚合 反应 可 以 平衡 常数 来 表征 。 聚 合 反 应 中 每 个 步骤 的 平衡 常数 的 实验 测定 可 提供 关于 该 聚合 系统 特征 的 重要 的 信息 。 特 别 是 可 以 获得 聚合 方式 (如 : 单 体 -二 聚 体 、 单 体 - 四 聚 体 , 等 等 ) 和 聚合 强度 (Bl: 各 种 寡 聚 体 在 各 种 总 浓度 下 能 够 存在 的 程度 )。 在 一 个 溶液 条 件 范围 〈 如 : 盐 浓度 和 温度 ) AMRA RAHI AKRKGRASERO GAM, URS 装配 过 程 有 关 的 价 键 类 型 等 方面 的 信息 。 注 意 , 这 些 信息 可 以 在 结构 信息 完全 缺乏 的 情况 下 获得 , 尽 管 任何 可 利用 的 结构 信息 可 用 来 协助 对 热力 学 数据 的 解释 。 hil 5.7 ‘ 溶质 的 二 聚合 反应 : 2A=A, 可 被 二 聚合 反应 常数 所 描述 ,K)= [Ay] / [AP coe 此 处 的 方 括号 表示 摩尔 浓度 〈 该 平衡 常数 的 定义 在 低 溶 质 浓度 的 情况 下 有 效 ; 也 就 是 说 , 在 这 种 情况 下 系统 为 理想 状态 )。 该 关系 式 显 示 二 聚 体 的 比例 随 总 分 子 浓 度 而 增加 。 相 反 , 箭 释 将 导致 解 聚 ( 见 问题 5.4)。 问题 : 在 体外 观察 到 的 装配 系统 的 性 质 总 是 与 该 系统 在 体内 的 性 质 相 同 吗 ? 未 必 ! 体外 实验 通常 是 在 接近 理想 的 条 件 下 进行 的 。 而 相反 , 体 内 的 条 件 (如 : 细胞 质 , 或 细胞 器 内 部 ) 是 相当 拥挤 的 。 蛋 白质 的 总 浓度 通常 在 200~ 500g/L 的 范围 内 , 并 且 还 有 高 浓度 的 小 分 子 的 存 在 。 水 环境 的 多 至 50% (或 更 多 ) 的 体积 被 所 有 的 这 些 溶质 所 占据 。 这 种 拥挤 的 环境 是 非常 不 理想 的 , 其 结果 将 严重 地 改变 聚合 系统 的 性 质 。 例如 , 如 果 二 聚 体 所 占据 的 体积 少 于 两 个 单 体 所 占据 的 体积 , 那 么 二 聚 体 将 会 越 来 越 多 , 进 而 导致 水 环境 越 来 越 拥挤 。 这 种 变化 极 富 戏剧 性 一 一 在 理想 条 件 下 难以 检测 的 聚合 作用 , 在 细胞 中 拥挤 的 条 件 下 却 可 显著 的 发 生 : _ 酶 的 催化 作用 也 在 许多 方面 受到 这 种 拥挤 的 影响 。 例 如 , 一 个 经 历 单 体 -四 聚 体 的 反应 的 酶 只 有 成 为 四 聚 体 时 才 具 有 催化 活性 。 如 果 在 拥挤 的 条 件 下 易于 形成 四 聚 体 , 那 么 反应 速度 将 增加 。 以 这 种 方 式 , 速 度 常 数 可 被 改变 几 个 数量 级 。 PINGS bes ~ , 递 到 复合 物 的 活性 部 位 。 HSH RAM: 超 分 子 结构 其 他 分 子 〈 小 或 大 ) 的 结合 也 可 改变 聚合 的 程度 。 例 如 , 如 果 聚 合 后 的 形式 利于 与 一 个 小 分 子 (或 配 体 ) 结合 而 不 是 原 聚 体 , 那 么 , 该 配 体 的 存在 将 促进 聚合 。 相 反 , 该 配 体 优 先 与 原 聚 体 结合 , 那 么 解 聚 合 将 被 促进 。 这 对 调节 聚合 状态 , 以 及 超 分 子 结构 的 装配 和 去 装 配 , 具 有 重要 的 意义 。 咏 例 5.8 兔 肌 肉 磷酸 化 酶 存在 两 种 形式 :; 一 个 基本 上 无 活性 的 二 聚 体 , 磷 酸化 酶 b, 和 一 个 活性 的 四 聚 体 , 研 酸化 酶 as。 当 AMP 5 ABRIL Db 非 共 价 结合 , 或 当 磷 酸化 酶 b 的 丝氨酸 残 基 被 磅 酸化 酶 激酶 研 酸 化 时 , 该 酶 转换 为 有 活性 的 , 占 绝对 优势 的 四 聚 体形 式 (第 11 章 )。 该 反应 可 通过 除去 AMP 或 通过 大 酸 化 酶 研 酸 酶 使 其 丝氨酸 去 磷酸 化 , 而 反 转 。 Pi 或 AMP 2X 磷酸 化 酶 ~~ 磷酸 化 酶 a (无 活性 ) E (有 活性 ) 这 个 例子 不 只 是 强调 配 体 非 共 价 结合 对 聚合 〈 及 催化 作用 ) 的 影响 , 也 说 明了 在 有 蛋白质 中 特定 或 基 (丝氨酸 、 苏 氨 酸 和 酷 氢 酸 ) 的 大 酸 化 和 去 大 酸 化 所 起 到 的 作用 。 大 酸 化 /去 大 酸化 , 对 于 许多 超 分 子 结构 的 装配 , 去 装配 和 其 他 的 动力 学 性 质 是 非常 重要 的 调节 因素 。 | RES 大 多 数 超 分 子 结构 是 杂 聚 合 的 。 也 就 是 说 , 它 们 含有 一 个 以 上 类 型 的 亚 单 位 。 通 常 , 不 | 同 的 亚 单位 具有 不 同 的 功能 作用 〈 例 如 催化 、 调 节 ), 或 纯粹 结构 上 的 作用 。 | 学- 例 5.9 RABBRAPRM ( 基 ) 酶 催化 喀 啶 核 音 酸 合成 中 早期 的 调节 步骤 (第 15 章 )。 源 自 大 肠 杆 菌 的 这 种 酶 可 被 解 离 为 两 类 亚 单 位 , 一 个 催化 亚 单位 C, (M,=100 000), 和 一 个 调节 | 亚 单 位 R (M,.=34 000)。 催 化 亚 单位 是 一 个 三 聚 体 , 具 有 催化 活性 , 但 不 被 调节 。 调 节 亚 | 学 位 是 一 个 二 聚 体 。 它 没有 催化 活性 但 可 与 调节 的 ATP 和 CTP 结合 。 当 将 它们 进行 混合 , | 这 此 亚 单 位 自我 装配 , 形 成 的 复合 物 具 有 活性 , 并 可 被 上 述 两 种 核 音 酸 调 节 : 2C3 + 3R2 一 R6Cs 和 射线 衍射 研究 显示 , 以 与 三 个 调节 二 聚 体 背 靠背 的 方式 , 两 个 催化 的 三 聚 体位 于 外 部 ARP (图 5-9)。 人 催化 (活性 ) 部 位 在 中 心 , 靠 近 对 称 体 三 重 旋 转 的 轴 , 而 调节 结合 位 记 位 于 外 侧 , 远 离 活 性 部 位 。 调 节 分 子 (ATP 或 CTP) 的 结合 导致 构象 变化 , 该 变化 可 传 在 某 些 例子 中 , 酶 的 特异 性 可 通过 与 修饰 亚 单位 聚合 而 被 改变 。 例 如 乳糖 合成 酶 , 该 酶 催化 葡萄 糖 和 半 乳 糖 的 键 合 形成 乳糖 。 该 酶 由 一 个 催化 亚 单位 和 一 个 修饰 亚 单位 构成 。 催 化 亚 单位 独自 催化 将 半 乳 糖 残 基 加 到 糖 蛋白 的 碳 Khe mee; 由 于 修饰 物 (a - 乳 清 蛋白 ) | 的 存在 , 该 酶 的 特异 性 发 生变 化 , 乳 糖 被 合 成 。 | 对 于 在 代谢 途径 中 一 系列 酶 催化 连续 的 反 ”应 时 , 这 一 系列 酶 装配 成 多 酶 复合 物 是 有 利 图 3-9 源 自 大 肠 杆 菌 的 天 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰基 ) 的 。 这 种 装配 使 一 个 酶 促 反 应 的 产物 成 为 下 一 酶 中 催化 (C) 和 调节 (R) 亚 单 位 的 排 布 — UU » OF * O8 , 生物 化 学 个 反应 的 底 物 , 使 这 种 代谢 途径 的 效率 增加 (第 9 章 )。 因 此 , 在 很 大 程度 上 由 反应 物 在 溶 液 中 扩散 速度 所 形成 的 限制 被 克服 。 CE 例 5.10 丙酮 酸 脱 和 氢 酶 复合 物 众 化 丙酮 酸 转 化 为 已 栈 辅 酶 A。 这 种 转化 将 碳水 化 合 物 的 降解 与 呼 吸 和 氧化 磷酸 化 过 程 联系 起 来 (第 12 章 )。 整个 反应 是 : 丙酮 酸 上 + 辅酶 A+ NAD*—C mss A + CO + NADH + H* 然而 , 事 实 上 , 这 个 反应 是 五 个 反应 的 综合 ; KAP ARBHEADBEL, CEBZADRHM 助 因子 : 辅酶 A (CoA), NAD*, FAD, & MARA (TPP), HFM (一 个 在 第 6 位 和 第 Siar ARAH 8 碳酸 )。 这 些 反应 的 详细 步骤 示 于 图 12-7 中 。 Rs RER CRS (E,) 共 价 结合 。 它 作为 一 个 “摆动 展 ” 而 发 挥 作用 , 与 丙酮 酸 脱 次 酶 (Eli) 相互 作用 接受 丙酮 酸 的 羟 已 基 衍 生物 , 与 CoA 共同 形成 已 酰 辅酶 A, 并 通过 二 各 硫 辛 酸 脱 氢 酶 (E3;) 再 被 氧化 。 在 大 肠 杆 菌 中 , 该 复合 物 的 分 子 质 量 为 4X104Da, 并 由 60 个 多 肽 链 构 成 。 在 该 复合 物 的 中 心 , 有 一 个 的 8 个 三 聚 体 构成 的 核 , 呈 立体 对 称 体 排 布 〈 图 $-10)。Es 的 三 聚 体 与 该 立方 体 的 六 个 面 结合 。 最 后 , 成 对 的 Ei 结合 在 该 立方 体 的 每 个 边 上 包 饶 着 脱 气 酶 二 又 体 。 转 已 酰 酶 (E;) 的 中 心 位 置 允许 柔性 的 破 辛 酸 “ 避 "将 反应 物 从 Ei 转移 到 Es 或 转移 到 CoA。 E, 的 8 个 三 聚 体 - E3 的 6 个 二 聚 体 - Ei 的 12 个 二 聚 体 “he AlS-10 大 肠 杆菌 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 物 的 模型 哺乳 动物 酶 复合 物 更 大 , 含 有 将 近 200 个 多 肽 链 , 使 其 相对 分 子 质量 超过 7X106。 与 上 述 酶 活性 类 似 , 哺 乳 动物 复合 物 含有 两 个 酶 作为 调节 因子 , 它 们 通过 催化 丙酮 酸 脱羧 酶 的 磷酸 化 /去 磷酸 化 来 对 代谢 需求 做 出 反应 : 当 对 产物 已 酰 辅 酶 A 有 需求 时 该 复合 物 通过 去 磁 酸化 而 被 激活 , 而 当 没 有 已 本 辅酶 A 的 需求 时 该 复合 物 通过 磷 酸化 而 被 抑制 执行 相似 或 相同 功能 的 酶 复合 物 在 种 属 间 有 广泛 的 差异 。 酶 复合 物 一 个 最 典型 的 例子 是 脂肪 酸 合成 酶 , 该 酶 众 化 由 已 酰 辅 酶 A 合成 脂肪 酸 , 并 涉及 7 步 俊 化 反应 《第 13 章 )。 在 大 肠 杆菌 和 大 多 数 细菌 中 , 该 酶 由 7 个 不 同 的 酶 构成 。 在 较 高 级 的 细菌 和 真 核 细胞 中 , 亚 单 ” 位 的 类 型 较 少 。 如 : 酵母 酶 是 一 个 多 酶 复合 物 (M,=2.3Xx104), 只 有 两 类 亚 单 位 (人 和 了 B) 和 一 个 AcBo 的 化 学 计量 。 该 亚 单位 是 多 催化 性 的 。 亚 单位 A (M,=185 000) 有 三 个 催化 活 性 , 而 亚 单 位 B (M,=175 000) 具有 其 余 的 四 个 。 哺 乳 动物 肝 脏 中 复合 物 有 是 一 个 三 季 体 , 每 个 亚 单位 是 由 单一 多 肽 链 (M,=240 000) 所 构成 , 并 且 在 该 多 肽 链 止 含有 脂肪 酸 会 成 所 需 的 所 有 酶 活性 。 5.4 血红 蛋白 控制 生物 学 活性 的 能 力 可 通过 形成 复合 物 而 被 加 强 〈 例 5.8 一 5.10)。 这 方面 最 好 的 例 子 是 血红 和 蛋白。 血红 蛋白 是 一 个 四 聚 体 , 由 两 个 链 和 两 个 B 链 构成 (第 4 章 )。 这 些 链 在 结构 上 彼此 是 相似 的 , 并 且 与 肌 红 蛋 白 也 是 相似 的 。 这 四 个 链 中 , 每 个 链 折 麦 成 8 + a 旋 片 段 (GREAT B), WON 端 开始 分 别 被 命名 为 A 到 H。 5 a MAW. 超 分 子 结构 - 9g - 四 级 结构 在 血红 蛋白 链 之 间 有 两 中 类 型 的 结合 。 在 wu 以 及 up 每 个 二 聚 体内 的 结合 涉及 B,G 和 百 螺 旋 , 以 及 GH 环 (图 $-11)。 这 些 称 为 包装 结合 。 在 这 两 个 二 聚 体 之 间 的 结合 (al Al, a FB.) 涉及 C 和 G 螺 旋 , 以 及 FG 环 。 这 些 称 为 “滑动 ”结合 , 这 是 由 于 在 三 聚 林 之 间 的 滑动 可 发 生 在 这 里 。 在 形成 四 聚 体 时 , 链 的 表面 积 的 约 20% 被 掩盖 。 这 些 结合 主 要 是 朴 水 性 的 , 有 1/3 涉及 极 性 侧 链 的 结合 是 氢 键 和 静电 相互 作用 (或 盐 键 ) 。 旋转 轴 图 5-11 血红 蛋白 of 二 聚 体 。 包 装 结合 (IR 图 5-12 血红 蛋白 环形 对 称 体 图 示 灰色 ) 将 二 聚 体 聚 在 一 起 。 滑 动 结合 〈 深 灰色 ) 形成 与 及 二 聚 体 的 相互 作用 可 认为 血红 蛋白 四 聚 体 是 一 个 由 两 个 非 对 称 的 但 相同 的 原 聚 体 (Bl 和 ony 二 聚 体 ) 构 成 的 二 个 对 称 体 分 子 。 它 们 被 一 个 对 称 体 的 双重 旋转 轴 而 相互 关联 : 如 果 一 个 二 聚 体 旋转 下 0", 它 将 与 另外 一 个 重奏 (图 5- 12)。 。 如 果 和 B 链 完全 相同 , 那 么 , 血 红 蛋 白 就 具有 双 面 对 称 性 , 带 有 两 个 旋转 轴 , 以 及 排 布 在 四 面体 顶点 上 的 四 个 亚 单位 。 问题 : 为 什么 血红 蛋白 链 可 聚合 而 肌 红 和 蛋白 却 不 能 ? 虽然 血红 蛋白 和 肌 红 蛋白 链 的 序列 具有 同 源 性 , 而 且 它 们 都 采用 珠 蛋 白 折 到 , 但 是 , 在 血红 蛋白 相 互 结合 链 的 某 些 区 域 中 有 非常 重要 的 差异 。 特 别 是 某 些 表面 残 基 在 肌 红 蛋白 中 是 极 性 的 , 而 在 血红 蛋白 Pema. PIM: B15 残 基 (B 螺旋 中 第 15 个 残 基 ), 在 肌 红 蛋 白 中 是 赖 氨 酸 , 而 在 血红 蛋白 中 却 是 亮 所 酸 或 顷 氢 酸 ;,FG2 RE (在 F 和 G 螺旋 之 间 的 环 中 第 2 个 残 基 ), 在 肌 红 蛋白 中 是 组 氨 酸 , 而 在 血 红 和 蛋白 两 类 链 中 却 是 亮 氨 酸 。 在 血红 蛋白 中 , 这 两 类 残 基 是 和 有 链 之 间 的 结合 部 分 。 | 氧 结合 与 变 构 效应 当 血 红 和 蛋白 与 氧 结合 形成 氧 合 血红 蛋白 后 , 四 级 结构 将 发 生变 化 。aupi 二 聚 体 在 op 二 AVE EWE 15°, TE a 和 pi 的 结合 上 发 生 滑动 , 并 且 两 条 B 链 相互 靠近 了 0.7 nm. 100: 生物 化 学 四 级 结构 的 变化 与 由 于 血红 素 铁 结 合 氧 后 导致 的 近 端 组 氨 酸 (ee SEE ML 素 铁 的 组 氨 酸 ) 移动 所 引起 的 三 级 结构 的 变化 相关 联 。 这 些 变化 引起 约束 四 链 末端 基 团 之 间 的 盐 键 断裂 。 脱 氧 血红 和 蛋 白 的 结构 对 氧 的 亲和力 较 低 〈 所 谓 的 紧 张 结 构 ), 而 氧 合 血红 蛋白 的 结构 对 氧 的 亲和力 较 高 (所谓 的 松弛 结构 )。 因 此 , 当 氧 成 功 地 与 血红 蛋白 的 血红 素 基 | 团结 合 , 剩 余 的 血红 素 基 团 的 氧 亲和力 下 将 增加 。 这 种 协同 影响 (第 9 章 ) 形成 卜 0 20 40 60 80 100 一 个 S 型 氧 离 解 曲 线 (图 $-13)。 /pO,mmHg 图 $S-13 BPG 和 pH 对 血红 蛋白 氧 亲和力 的 影响 BPG 百 分 饱 和 度 ,《Y 0 化 合 物 2, 3 -二 磷酸 甘油 酸 (2, 3 - bisphosphoglycerate, BPG; 或 2,3 =- diphosphoglycerate, DPG) 产生 于 许多 动物 的 红细胞 , 它 通过 改变 血红 蛋白 的 氧 亲和力 而 发 挥 作 用 : O O \ | 六 - 0 ae at i ay O- 2,3 -二 磷酸 甘油 酸 (BPG) 这 个 多 聚 阴 离子 化 合 物 在 生理 条 件 下 携带 5 个 负电 荷 , 并 结合 在 脱氧 血红 蛋白 的 中 心 腔 (B- BRR), SRRENMATBA ee (图 5 - 14)。 在 氧 合 血红 和 蛋白 中 , 该 腔 太 小 不 能 容纳 BPG. BPG 和 和 氧 的 结合 是 互 为 特异 的 ,BPG 结合 后 可 降低 血红 蛋白 的 氧 亲 和 力 〈 试 比 较 , 图 5-13 中 , 在 pH7.6 & BPG 存在 时 的 离 解 曲线 与 标记 “无 BPG” 时 的 离 解 曲线 )。 问题 : 在 高 海拔 红细胞 中 的 BPG 浓度 可 增加 50% (4000 米 , 两 天 后 )。 这 如 何 能 协助 适应 低 氧 分 压 ? 由 于 BPG 浓度 增加 , 血 红 蛋 白 的 氧 亲 和 力 降 低 , 可 使 更 多 的 氧 从 血液 释放 到 组 织 。 这 抵消 了 降低 的 动脉 氧 浓 度 。 pH 和 CO, 快速 代谢 的 组 织 需要 增加 氧 的 水 平 , 因 此 , 就 要 求 氧 合 血红 蛋白 释放 更 多 的 氧 到 这 些 组 织 的 细胞 。 在 快速 代谢 的 组 织 中 , 来 自燃 料 (如 : 葡萄 糖 ) 氧化 的 CO, 快速 堆积 。 这 导致 质子 浓度 的 增加 (pH 下 降 ), 反 应 式 如 下 : H,0 + CO,=HCO; + H* 脱氧 血红 蛋白 与 氧 合 血红 蛋白 相 比 对 质子 有 较 高 的 亲和力 , 因 此 , 质 子 的 结合 与 氧 的 结 合 相互 竞争 〈 在 不 同 的 位 点 ): Hb(O,), + 2H * =Hb(H"* ), + 40, 第 5 章 HAM: 超 分 子 结构 * 101 图 5-14 ARR RA AY B- BPR H2,3-BPGHAE 这 种 影响 称 为 Bohr 效应 , 源 自 脱 氧 血红 蛋白 中 解 离 基 团 的 稍 高 的 pK.。 一 个 这 样 的 基 团 是 BlL46 位 的 组 氨 酸 , 在 脱氧 血红 蛋白 中 由 于 它 靠近 天 冬 氨 酸 使 其 pK。 增 高 , 这 就 导致 了 它 对 质子 的 亲和力 增加 。 在 氧 合 血红 蛋白 中 , 由 于 几何 学 的 变化 ,B146 组 所 酸 是 游离 的 , 并 具有 更 为 正常 的 pK.。pH 由 7.6 降 到 7.2, 这 可 导致 释放 到 组 织 中 的 氧 量 成 倍增 加 (A 5-13)。 在 肺 中 , 氧 张力 很 高 , 上 述 两 个 反应 在 一 定 程 度 上 被 反 转 , 导 致 CO; 的 释放 。 尽管 在 血液 中 多 数 的 CO, 是 以 HCO; 的 形式 被 运输 的 , 但 也 有 一 些 与 血红 和 蛋白 结合 作为 变 构 效 应 物 而 发 挥 作 用 (9%). CO. 与 脱氧 血红 和 蛋 日 中 未 解 离 的 w -氨基 发 生 反应 , 形成 氨基 甲酸 ; 氨基 甲酸 可 形成 盐 键 , 稳 定 血 红 和 蛋白 的 紧密 结构 : Hb — NH, + CO, 一 Hb-NHCOO + H* 总 之 , 血 红 和 蛋白 亚 单位 之 间 的 相互 作用 使 氧 的 释放 灵敏 地 适应 生理 需要 。 变 构 效 应 物 BPG,H+* 和 CO, 都 是 通过 增加 亚 单位 相互 作用 的 强度 而 降低 血红 蛋白 对 氧 的 亲和力 。 5.5 细胞 外 基质 在 多 细胞 有 机 体 中 , 细 胞 之 间 的 空间 大 部 分 被 相互 作用 的 大 分 子 的 复杂 网 络 所 占据 , 它 们 构成 了 细胞 外 基质 。 这 些 基 质 包 绕 着 , 支 撑 着 和 调节 着 细胞 的 行为 , 如 : 分 泌 细胞 外 基质 的 成 纤维 细胞 。 基 质 与 这 些 细胞 共同 构成 了 结缔 组 织 。 细胞 外 基质 由 蛋白 多 糖 和 水 形成 的 胶 状 基础 物质 中 的 纤维 状 蛋白 质 构成 , 如 ; BORA 。 和 弹性 蛋白 。 其 他 蛋白 质 , 如 ; 纤 连 蛋白 , 在 将 基质 成 分 相互 结合 方面 具有 特殊 的 作用 。 在 钙化 的 组 织 中 , 一 种 产 磷 灰 石 结晶 [Cato(PO4)6(OH)2] 填 充 物 取代 了 基础 物质 , 而 具有 较 高 , 药 承 载 能 力 。 结 缔 组 织 的 数量 和 大 分 子 的 组 成 成 分 , 器 官 之 间 的 差异 较 天 。 这 导致 形状 、 功 , 能 和 生理 性 质 巨 大 的 不 同 〈 把 大 理 石 样 的 骨 组 织 和 绳索 样 的 筋 妥 相 比较 ; 见 表 5.1)。 + 102: 生物 化 学 5.1 结缔 组 织 的 近似 组 成 (Pw) /% 羟 磷 灰 石 胶原 蛋白 弹性 蛋白 蛋白 多 糖 骨 80 19 0 1 软骨 0 50 0 50 ji: 3 0 90 1 皮肤 0 50 45 Dit 0 23 75 2 < 骨 中 水 分 低 (- 10%), 但 其 他 组 织 高 (=- 70% )。 胶原 蛋白 胶原 蛋白 是 一 类 广泛 分 布 的 蛋白 质 ; 在 哺乳 动物 中 , 它 占 身 体 总 蛋白 质 的 23% 还 要 多 。 典型 的 胶原 蛋白 分 子 由 硬 的 , 不 可 伸展 的 , 三 股 螺 旋 构 成 (第 4 章 )s 现在, 已 有 25 个 起 源 不 同 的 单独 多 肽 链 被 了 解 , 并 且 这 些 三 联 体 组 合 形成 15 个 类 型 的 胶原 蛋白 ( 表 $.2)。 这 些 当中 ,I 型 的 分 布 最 广 , 也 是 被 研究 最 充分 的 一 种 类 型 。 它 有 3 个 w 链 , 每 个 的 分 子 质量 为 95 000Da, 由 1 000 + AMM, HARA 1/3, HARA 1/$。 早 期 的 研究 者 们 将 胶原 蛋 白 变性 形成 明胶 , 并 发 现 了 相对 分 子 质量 约 为 100 000,200 000 和 300 000Da 的 分 子 系列 , 他 们 分 别 将 其 称 为 we、B 和 7 链 。 在 此 过 程 中 , 发 现 B 链 是 二 聚 体 , 7 Heo 链 的 三 聚 体 , 但 原 有 的 名 称 仍然 保留 。 表 5:2 胶原 蛋白 的 类 型 和 性 质 类 型 链 名 称 , 三 联 体 组 成 和 长 度 (估计 ) /nm 结构 形状 分 布 I 2al (I) #1 1a2 (1); 300 有 67 nm 带 的 宽 纤 维 最 广泛 ; 存在 于 皮肤 、 a, BAAR I 3al (11); 300 有 67 nm 带 的 小 纤维 广泛 ; 存在 于 软骨 、 玻 璃 体液 和 椎间盘 Il 3al (III); 300 有 67 nm 带 的 小 的 网 硬 , 广泛 ; AEP RR, 蛋白 纤维 管 和 内 脏 器 官 IV 2al (IV) 和 1la2 (IV); 390 非 纤 维 交 联网 络 存在 于 所 有 的 基 膜 (iF 多 器 官 的 内 皮下 层 ) V al (V), a2 (V), 四 (【V); 390 小 纤维 , 常 与 I 型 结合 ”广泛 存在 于 间 质 组 织 VI al (VI), o2 (VI), o3 (VI); 有 100 nm #745 1 大 多 数 间 质 组织 结合 150 的 纤维 VII 3al (VII); 450 侧 向 装配 的 末端 -末端 二 “基质 和 基 膜 间 的 锚 定 纤 聚 体 go IX al (IX), a2 (IX), a3 (IX); 与 I 型 侧 向 装配 的 与 糖 胶 。 小 软骨 和 蛋白 200 聚 糖 集合 x 3al (X); 150 薄片 状 过 度 生 长 的 或 矿 化 的 软 骨 问题 : 通过 什么 过 程 三 个 单独 的 链 排 列 形成 规则 的 三 联 体 螺旋 ? 单独 链 是 作为 前 胶原 链 被 合成 的 , 该 前 胶原 链 的 分 子 质量 为 150 000Da 并 且 在 氨基 和 羧基 末端 分 别 有 额 外 的 伸展 扰 。 从 三 个 % 链 的 氨基 和 羧基 末端 区 域 分 别 折 友 形 成 球状 结构 , 该 结构 相互 作用 引导 形 成 三 联 体 螺 旋 。 链 内 二 硫 键 稳定 着 羧基 末端 区 域 , 三 联 体 螺旋 从 该 区 域 进一步 盘 曲 (图 5- 15)。 第 5 章 HAM: 超 分 子 结构 - 103 - —— N- ik 一 一 | -——————__ Ritu —————- | 一 Cth 一 一 Gal BR | 结构 域 结构 域 | 。。 三 稀 体 螺旋 结构 域 _ 。 | BIG Kah A i EF ———————’ Als-15 | ikReARw WG. RRZORAPAUMTLCSARMARARMABRE, AW, RARER TMA RADA 多 肽 链 中 , 那 么 一 在 胶原 蛋白 中 它们 是 如 何 形成 的 ? RARE ELMABRE (位 于 前 % 链 中 重复 甘氨酸 残 基 的 前 面 ) RK: = Fe _ 到 十 “A SLB HT Bt + 2 ABR #2 SEAR At H AB + 琥珀 酸 + CO, +H 赖 氨 酰 羟 化 酶 以 同样 的 方式 作用 于 赖 氨 酸 残 基 。 注 意 : 胶原 蛋白 的 三 联 体 螺旋 部 分 由 〈z-y-Gly), 构成 ,z RAAB, y HF ARAR. AG. 在 由 缺乏 抗坏血酸 (维生素 C) 导致 的 坏 血 病 中 , 皮 肤 和 血管 变 的 非常 脆弱 。 这 是 为 什么 ? 没有 抗坏血酸 , 赖 氨 酸 和 且 氨 酸 的 羟 化 不 能 进行 。 这 有 三 种 影响 : OHISRRARERS A ANE 内 氢 键 的 形成 , 导 致 三 联 体 螺旋 的 稳定 性 降低 。@ 阻 止 糖 基 化 作用 , 该 作用 像 其 他 的 将 葡萄 糖 加 到 半 屯 糖 上 那样 , 将 半 乳 糖 单元 加 到 羟 赖 氨 酸 残 基 上 。@ 限 制 成 熟 胶原 蛋白 分 子 的 广泛 交 联 (图 5- 18)。 大 多 数 的 非 产 化 的 前 " 链 在 细胞 中 被 降解 。 问题 : 一 旦 前 胶原 蛋白 分 子 被 羧 化 , 糖 基 化 、 以 及 盘 曲 成 三 联 体 螺旋 , 它 如 何 形成 更 高 层次 的 结构 ? 前 胶原 分 子 从 细胞 分 泌 出 来 , 伸 展 的 前 肽 被 两 个 特异 的 前 胶原 蛋白 肽 酶 切除 , 形 成 原 胶 原 蛋 昌 分 子 。 该 肽 (M,=20 000 和 35 000) 的 去 除 导致 原 胶原 蛋白 分 子 自 我 装配 成 原 纤 维 。 这 种 装配 被 细胞 和 其 他 细胞 外 成 分 控制 着 其 在 某 种 范围 , 并 形成 存在 于 胶原 蛋白 纤维 中 极 具 多 样 性 的 结构 。 胶原 蛋白 纤维 固定 , 用 重金 属 试剂 染色 ; 电镜 观察 显示 : 间隔 67 nm 的 明暗 交叉 的 融 (图 5=16)。 这 来 自重 金属 在 缺口 区 域 的 堆积 而 形成 的 染色 深 的 带 。 单 个 原 胶原 分 子 装配 的 方式 是 :邻近 分 子 相互 交错 , 即 , 纵 向 移 位 约 其 长 度 (67 nm) 的 1/4, 在 每 个 分 子 末端 之 重金 属 试剂 聚积 在 胶原 蛋白 分 子 之 间 的 缺口 无 缺口 和 无 染 粒 的 区 域 二 + ERED «=A: 0) ae Oe RAe Cc N 1 OO —E——E—E——E——————————————— . Ci — ot eS a : C N 3 — ) a a 4 4 ee 一 Cc IN 图 5-16 示意 图 显示 : 原 胶原 蛋白 分 子 交 错 排 布 形成 磷 钨 酸 负 染 的 交替 带 ~ 104 - 生物 化 学 间 留 下 一 个 缺口 。 这 种 原 胶 原 分 子 移 位 67 nm 的 装配 是 由 多 肽 链 上 以 67 nm 周期 重复 存在 的 带电 和 不 带 电 的 残 基 秘 所 形成 的 。 因 此 , 当 原 胶 原 蛋白 分 子 被 移 位 多 个 67 nm 后 , 最 大 数 基 的 分 子 内 相互 作 【〈 静 电 的 或 疏水 的 ) 用 就 形成 了 。 然而 , 原 胶原 分 子 是 如 何以 四 交错 排列 三 维 包 装 成 桶 状 的 原 纤维 的 , 目 前 还 不 清楚 。 一 个 被 广泛 看 好 的 模型 是 以 67 nm 交错 模式 聚 在 一 起 的 五 个 原 胶 原 分 子 一 组 构成 的 五 聚 微 2F4E (715-17). 300 nn -一 图 5-17 可 能 的 模型 : 以 五 聚 微 纤 维 形 式 的 胶原 蛋白 分 子 的 三 维 包 装 排 布 胶原 蛋白 原 纤 维 的 排 布 和 大 小 各 组 织 之 间 有 明显 的 不 同 , 直 径 范 围 是 : 10~300 nm, 包 装 形式 从 杂乱 无 章 (如 : 哺乳 动物 皮肤 中 ) 到 严格 的 平行 束 (如 : RP). BRE GY RH 胶原 蛋白 原 纤维 通过 形成 交 联 被 进一步 加 强 , 以 抵抗 高 强度 的 张力 。 共 价 交 联 可 以 在 原 胶原 蛋白 分 子 内 形成 , 也 可 在 不 同 的 分 子 之 间 形 成 。 第 一 步骤 是 赖 氨 酸 残 基 的 s AAA 化 脱 氨基 作用 , 形 成 醛 赖 氢 酸 的 醛 基 (图 5-18)。 这 些 高 反应 的 醛 自然 地 相互 之 间或 与 赖 氢 BRAT RM. | | HN HN Co2+ HC —(CH,),—NH* + 40, ————» | HC—(CH,),—CHO+NH; | 赖 氨 酰 氧化 酶 d O=C | 醛 赖 氨 酸 残 基 MAR RE + 醛 赖 氨 酸 自动 进行 | | + AR HN NH 如 eee HER 自动 进行 ca CHO C=O 羟 醛 交 联 | H,0 HN NH sa —(CH,),—CH=N—(CH,),—CH O=C C=O Schiff 碱 交 联 图 5-18 胶原 蛋白 分 子 中 形成 交 联 的 反应 BOREAL UW, Wl, VA XI 型 形成 纤维 结构 。 其 他 的 类 型 常 含有 非 螺旋 区 域 , 但 全 都 聚集 形成 各 种 各 样 的 超 分 子 结构 , 而 且 形 状 也 各 不 相同 ( 表 5.2)。 BSR HAM: 超 分 子 结构 “ 105 。 Spi 5.11 IV 型 胶原 蛋白 分 小 形式 在 'C 痛 含 有 一 个 球形 区 域 , 并 在 接近 N 端的 三 联 体形 中 有 一 个 弯曲 。 它 聚合 时 , 不 需要 任何 加 工 过 程 , 以 及 不 进行 侧 向 结合 , 但 是 , 它 仍然 聚合 成 二 维 的 片 层 样 网 络 。 非 对 称 体 的 单 体 聚集 只 是 通过 其 相同 的 末 闯 彼此 聚合 ; 两 个 单 体 的 球形 区 域 相 到 结合 在 一 起 , 而 四 个 单 体 通 过 其 N 峭 三 联 体 螺 旋 聚 集 在 一 起 (图 $-19)。 因 Seer yes: | -= ”球状 结合 位 点 Pen ai J ME ss oa ~~, nm 图 $S-19 基 膜 中 IV 型 胶原 蛋白 聚合 的 模式 模型 ~ 弹性 蛋白 细胞 外 基质 中 其 他 的 主要 蛋白 质 是 弹性 蛋白 质 , 它 是 弹性 纤维 的 主要 成 分 , 存 在 于 韦 带 , 大 动脉 和 肺 组 织 中 。 合 成 和 且 氨 酸 部 分 羟 化 后 ,72kDa 原 弹 性 蛋白 分 子 被 分 泌 到 基质 申 。 这 个 蛋白 质 富 含 非 极 性 氨基 酸 , 并 含有 重复 序列 , 如 : (Val-Pro-Gly-Val-Gly)。 这 些 部 分 形成 无 定形 的 , 无 规 盘 曲 的 结构 , 带 有 频繁 的 反 向 回转 。 其 他 重复 的 序列 是 富 含 两 氨 酸 及 其 配对 的 赖 氨 酸 残 基 , 如 : -Ala-Ala-Ala-Ala-Lys-Ala-Ala-Lys-Ala。 赖 氨 酰 氧化 酶 的 作用 形成 醛 赖 氢 酸 , 在 导致 三 个 这 种 被 修饰 的 残 基 与 一 个 赖 氨 酸 残 基 聚 集成 杂 环 复合 物 氨基 酸 一 - 锁 链 素 , 它 可 交 联 两 个 或 甚至 三 个 链 , 形 成 高 度 交 联 的 网 络 。 — NH CO. ER cH ig (CH); i CH—(CH;) (CH, )2—CH 7 272 XQ 2 /2 NI =O Go 4 | preg CH gra st TACO NH— 锁链 素 残 基 Hil 5.12 弹性 蛋白 不 是 真正 的 橡胶 , 因 为 它 不 能 自我 润滑 。 它 只 有 在 水 存在 的 情况 下 才 具 有 弹性 性 质 。 在 静止 状态 下 , 弹 性 蛋白 折 腹 紧密, 通过 非 极 性 残 基 之 间 的 政 水 相互 作用 使 其 稳定 ; 过 被 称 为 加 了 油 的 螺旋 。 在 拉 伸 状态 下 , 这 些 疏 水 相互 作用 被 破坏 , 并 且 非 极 性 葡 基 暴露 于 水 。 近 种 构象 在 热力 学 上 是 不 稳定 的 , 一 旦 拉 伸 力 去 除 , 弹 性 蛋白 重新 盘 曲 成 其 静止 状态 。 无 定形 的 弹性 蛋白 被 组 织 成 弹性 纤维 , 并 且 , 每 个 10 nm FHARA MAAS. 的 主要 成 分 是 糖 蛋白 一 一 原 纤 和 蛋白, 其 基因 突变 可 引起 Marfan 综合 征 。 SAR ARSE EAR ere KS HR, SAKHSRARTHRARH, CAA il "106 生物 化 学 95% 的 多 糖 和 5% 的 和 蛋白质。 多 糖 链 由 重复 的 二 糖 单元 构成 , 称 为 糖 胺 聚 糖 , 因 为 半数 的 三 是 氢 安 或 N -乙酰 半 乳 糖 腕 ; 另外 一 半 是 带 有 负电 倚 的 糖 醛 酸 , 如 : THERE (第 2 章 )。 Sil] 5.13 透明 质 是 单个 的 , 非 常 长 的 糖 胺 聚 糖 链 , 该 分 子 具 有 SOTAKTHEZABSLE, Hl 如 : [8-(1+4)-GlcA - 8 -(1>3)- GleNAc — 8 =(1>4) ], (5-20). BHP FUD FMR Tit 围 是 : 0.2x105 到 10x105, 它 们 并 不 与 蛋白 质 共 价 相 联 。 因 为 羧基 的 缘故 , 在 中 性 pH 值 时 , 这 种 物质 带 有 大 量 的 负电 荷 。 它 常 被 称 为 透明 质 酸 , 或 更 确切 地 称 为 透明 质 酸 盐 。 CH20H DS HN—CO—CH, AlS-20 透明 质 重复 二 糖 的 结构 式 蛋白 聚 糖 的 的 核心 蛋白 质 异 常 的 大 (M.= 30 0000), 它 有 二 个 球形 的 头 (M,=75 000) 和 一 个 富 含 丝 氨 酸 和 苏 氨 酸 的 长 尾 。 糖 胺 聚 糖 通过 守 糖 键 与 这 些 羟 基 氨 基 酸 共 价 相 联 (A 5- 21)。 在 合成 过 程 中 , 通 过 一 个 特异 的 糖 基 转 移 酶 单 糖 一 次 一 个 地 被 加 上 ; 在 链 的 延伸 过 程 中 , 通 常 在 氨基 糖 的 羟基 上 加 上 硫酸 基 团 , 增 加 该 分 子 的 负电 荷 。 在 软骨 中 , 最 丰富 的 糖 胺 聚 糖 是 硫酸 软骨 素 (M,=10 000 一 30 000), 并 且 可 有 100 多 个 这 样 的 链 与 核心 aH 联 。 硫 酸化 可 发 生 在 半 乳 糖 胺 的 4 或 6 羟基 上 。 核心 蛋白 质 图 5-21 糖 胺 聚 糖 硫酸 软骨 素 和 核心 蛋白 质 的 丝氨酸 残 基 之 间 联 接 的 图 示 Pi 5.14 与 硫酸 软骨 素 一 样 , 其 他 带 有 短 链 的 糖 胺 聚 糖 (如 : AMAMK) 也 存在 于 软骨 组 织 中 (图 5$-22)。 那 些 与 存在 于 糖 蛋 白 中 相似 的 连接 的 宕 糖 也 可 存在 。 注 意 , 其 他 组 织 〔 如 : 椎间盘 或 角膜 ) 中 的 硫酸 角质 素 具 有 较 长 的 链 (M.=10 000~25 000), 并 且 可 具有 不 同 的 家 糖 与 核心 蛋白 质 相 联 。 在 透明 质 存 在 的 情况 下 , 对 于 大 多 数 的 软骨 蛋白 聚 糖 仍 可 进一步 地 装配 桶 集成 庞大 的 复 旱 合 物 , 该 复合 物 可 含有 50 个 蛋白 聚 糖 单位 , 总 分 子 量 约 为 108Da。 沿 着 透明 质 的 长 轴 , 核 时 DR ARM RBARS 5 个 二 糖 单位 的 片段 相互 作用 。 通 过 连接 蛋白 质 (M,=50000) & 透明 质 和 核心 重 白 质 相 结合 稳定 这 种 非 共 价 的 相互 作用 (图 5-23)。 恒 日 聚 糖 的 生理 性 质 几乎 全 部 基于 糖 胺 聚 糖 成 分 ;核心 蛋白 质 的 作用 主要 是 作为 空间 的 Rr Ek eeFre se 5 BMW 超 分 子 结构 - 107 - sige | GalNAc-Gal-[Gal-GlcNAcSO., ,], sroGaNAe《 硫酸 角质 素 Gal-NeuNAc | Man-GlcNAc-Gal-NeuNAc Asn-N-GlcNAc-Gle NAc-Man . Man-GlcNAc-Gal-NeuNAc ER 图 5-22 存在 于 软骨 中 的 额外 连接 的 碳水 化 合 物 <= BAR 核心 蛋白 质 连接 蛋白 质 | s 4 fe } A: Ba NER 富 含 硫酸 角质 富 含 硫酸 软骨 素 区 域 YS EB EK IK 素 的 区 域 图 5-23 软骨 中 蛋白 聚 糖 聚 合 的 部 分 组 织 者 。 糖 胺 聚 糖 链 的 数量 和 长 度 变化 较 大 。 高 密度 的 负电 和 谷 导 致 静电 相 斥 , 因 此 , 糖 胺 育 糖 链 充分 伸展 和 分 离 形成 瓶 刷 样 的 结构 (图 $S-24), 这 种 结构 所 占 的 体积 相当 大 。 糖 胺 聚 糖 的 亲 水 基 团 结合 并 固定 大 量 的 水 分 子 ;负电 和 荷 吸引 阳离子 。 这 两 个 效应 形成 膨胀 压力 或 膨 压 。 Spi 5.15 透明 质 是 糖 胺 聚 糖 中 研究 得 最 多 的 , 也 是 最 大 的 。 在 水 溶液 中 , 它 形成 无 规 的 盘 曲 , 并 二 据 庞大 的 区 域 , 其 体积 中 充满 了 被 国定 的 水 , 而 且 一 些小 分 子 和 离子 可 以 进入 该 体积 中 , e 4 - 108° 生物 化 学 但 大 的 则 进 不 去 。 在 0.01% 的 溶液 中 , 透 明 质 区 域 将 占据 水 的 所 有 体积 ; 在 高 浓度 时 GB 明 质 分 子 将 渗透 到 邻近 的 区 域 , 形 成 黏度 较 大 的 溶液 , 该 溶液 具有 润滑 的 性 质 , 这 是 关节 中 “ 册 需要 的 。 AS-24 BARBRA DS, mihi eat 糖 胺 聚 糖 的 空间 填充 特性 在 形态 发 生 过 程 中 是 非常 重要 的 , 特 别 是 在 骨 组 织 的 发 育 过 程 中 。 在 这 些 发 育 过 程 中 , 透 明 质 的 存在 将 促进 细胞 的 迁移 。 这 个 效应 可 通过 透明 质 酶 去 除 透 明 质 , 以 及 通过 用 聚集 的 蛋白 聚 糖 将 其 替换 而 被 终止 。 问题 : 蛋白 聚 糖 的 功能 是 什么 ? 蛋白 聚 糖 大 的 体积 /质量 的 比值 (基于 其 吸引 和 保留 大 量 水 的 能 力 ) 在 细胞 外 基质 中 形成 膨胀 渗透 压 , 或 膨 压 , 以 抵抗 压缩 力 。 这 可 在 关节 软骨 和 椎间盘 中 清楚 地 被 证 明 。 在 退行 性 疾病 (如 : 关节 炎 ) 中 , 蛋 白 聚 糖 被 部 分 的 消耗 和 解 离 , 导 致 组 织 弹性 的 发 生变 化 。 蛋 白 聚 糖 的 多 聚 阴离子 瓶 刷 结构 产生 一 个 过 滤 效 应 , 因 此 , 大 分 子 通过 结缔 组 织 的 扩散 被 限制 , 而 小 分 子 (特别 是 阴离子 ) 甚至 可 呈现 出 扩散 增强 的 状态 。 其 他 的 蛋白 聚 糖 要 小 的 多 , 并 且 只 含 少量 (1 到 10 个 ) 的 糖 胺 聚 糖 链 。 其 中 许多 是 质 膜 的 整合 成 分 , 它 们 在 膜 上 结合 并 调节 各 种 分 泌 的 蛋白 质 , 还 可 作为 几 种 生长 因子 的 共同 受 体 。 纤 连 蛋白 对 于 细胞 基质 的 几 个 其 他 蛋白 质 成 分 , 了 解 最 多 的 是 纤 连 和 蛋白。 这 个 糖 蛋白 是 杂 二 聚 体 , 由 非常 小 的 , 但 不 相同 的 , 被 二 硫 键 联结 的 2 个 多 肽 链 构 成 (M,=220 000)。 它 有 几 种 形式 : 作为 细胞 (如 : 成 纤维 细胞 ) 表面 的 结合 复合 物 ; 作为 细胞 外 空间 大 的 聚集 体 ; 作 为 血浆 中 所 谓 冷 不 溶 球 蛋 白 (BD: ZE OC 易 形 成 沉淀 ) 的 一 个 修饰 形式 。 纤 连 蛋白 是 一 个 多 功能 和 蛋白质, 由 一 系列 由 柔性 片段 (对 蛋白 水 解 敏 感 ) 连接 球形 结构 域 构 成 。 这 些 结构 域 携带 着 细胞 外 基质 成 分 和 细胞 表面 的 结合 位 点 (图 5-25)。 纤 连 蛋白 可 形成 多 种 相互 作用 , 这 种 作用 对 组 织 稳 定 状 态 是 重要 的 。 例 如 , 硫 酸化 的 糖 胺 聚 糖 可 增加 HSE RAM: 超 分 子 结构 “109 - 纤 连 蛋白 与 胶原 蛋白 结合 的 速度 , 由 此 增加 该 复合 物 的 稳定 性 , 使 其 沉淀 并 在 基质 中 形成 更 大 的 聚集 。 图 $5-25 图 示 纤 连 蛋 白 的 结构 域 : 结构 域 A 与 肝素 和 纤维 蛋白 结合 ; 结构 域 B 与 胶原 蛋白 结合 ; 结构 域 C 与 细胞 表面 结合 ; 结构 域 D 与 肝素 结合 GE 例 5.16 纤 连 蛋白 的 一 个 重要 功能 是 参与 细胞 的 附着 。 纤 连 蛋 白 形 成 网 络 使 细胞 与 细胞 外 基质 | (AFRRREG) 连接 , 固 定 细胞 的 位 置 。 与 细胞 的 连接 是 通过 膜 直 白 ( 整 连 蛋白 ) HE | 观 的 , 该 整 连 蛋白 与 细胞 骨架 相 联 。 纤 连 蛋 白 中 结合 整 连 蛋白 所 需 的 最 小 结构 是 序列 Arg- Gily-Asp (RGD), 该 序列 位 于 该 蛋白 质 单位 表面 环 的 最 项 闯 。 转 化 的 细胞 产生 较 少 的 的 纤 连 。。 委 自 而 不 能 附着 。 把 纤 连 肥 白 加 到 这 种 细胞 的 培养 基 中 将 引起 附着 , 并 且 该 细胞 可 呈现 更 为 ] oe 2S oe ae Se ERR, HBR MMORLHEEG, AFRAZSOKMHKR, 结构 研究 显示 : 纤 连 蛋白 由 至 少 三 种 类 型 的 单位 〈 内 部 氨基 酸 序列 同 源 性 ) 构成 , 它 们 已 在 其 他 几 种 蛋白 质 的 序列 中 发 现 。 另 外 两 个 附着 糖 蛋白 最 近 也 被 描述 , 它 们 的 性 质 及 其 与 纤 连 蛋白 的 比较 列 入 表 5.3。 表 5.3 附着 蛋白 质 的 比较 | 性 质 纤 连 蛋白 层 黏 连 蛋白 软骨 黏 连 蛋白 分 子 质量 440 000 820 000 约 170 000 亚 单位 2 x 220 000 2 x 200 000 3x #4) 55 000 / 1 x 400 000 / 碳水 化 合 物 含量 5% 一 9% 12% ~15% 约 8% | 形状 伸展 的 V 型 十 字 型 ; 紧密 的 | 3 个 长 臂 ,1 个 短 臂 组 织 分 布 纤维 结缔 组 织 基 膜 软骨 , 玻 璃 体 胶原 蛋白 结合 I 一 V 型 , IV 型 II 型 III 和 I 型 最 佳 糖 胺 聚 糖 结合 肝素 、 硫 酸 类 肝素 硫酸 类 肝素 、 肝 素 硫酸 软骨 素 、 肝 素 | 细胞 结合 成 纤维 细胞 上 皮 和 内 皮 细 胞 软骨 细胞 | | | 5.6 细胞 骨架 存在 与 真 核 细胞 质 中 的 蛋白 质 丝 的 复杂 网 络 被 称 为 细胞 骨架 。 某 些 重 要 的 也 是 研究 得 较 清楚 的 功能 有 : @D 维持 细胞 适宜 的 形态 并 增强 质 膜 抵抗 裂解 和 襄 化 ; @ 调节 细胞 的 形态 ; @ 协助 细胞 迁移 (细胞 运动 ), 如 : 巨 噬 细 胞 和 粒 细胞 向 感染 部 位 的 移动 ; 图 大 量 物质 在 细胞 中 的 运输 , 以 及 物质 运输 出 细胞 和 运输 进 细胞 。 这 些 网 络 对 于 细胞 稳 态 , 感 受 和 应 答 和 发 送信 号 等 , 是 重要 的 。 例 如 , 在 质 膜 发 生 的 内 吞 作用 使 某 些 营养 素 和 其 他 物质 被 摄 入 细 | ii - BO - 4: By {kt #4 胞 , 包 装 进 小 圳 泡 。 信 和 号 转 导 机 制 〈 第 6 章 ) 控制 着 细胞 对 外 界 刺激 的 应 答 反 应 , 该 机 制 与 内 香 作 用 有 关 。 在 细胞 内 快速 和 慢 速 运输 机 制 将 营养 素 , 细 胞 物质 和 信和 号 分 子 分 布 到 细胞 内 的 相应 区 域 。 物 质 也 可 通过 胞 吐 作 用 以 宫 泡 的 形式 运 出 细胞 。 胞 吐 作用 的 特 化 形式 一 一 突 触 , 使 神经 元 之 间 可 快速 地 进行 信号 传递 。 细胞 骨架 中 出 现 遗 传 错误 或 损伤 是 一 些 疾病 的 的 主要 原因 , 这 些 疾 病 包括 : 许多 类 型 的 溶血 性 贫血 ,Duchenne 和 Becker 肌 萎 缩 。 适 当 的 细胞 -细胞 接触 (由 细胞 骨架 调控 ) 在 阻止 细胞 癌变 方面 有 重要 作用 ;确实 许多 类 型 的 癌 细 胞 出 现 异 常 的 细胞 骨架 - 细胞 骨架 网 络 的 重要 特征 是 :基本 成 分 可 被 组 入 细胞 各 个 部 分 中 的 各 种 不 同 的 结构 中 。 某 种 网 络 可 被 拆散 为 细胞 的 一 部 分 , 而 其 他 网 络 可 由 彼此 相似 的 成 分 被 构建 起 来 。 事 实 上 , 某 些 网 络 可 在 它们 的 一 个 未 端 进行 构建 , 而 同时 在 另 一 个 末端 被 拆除 。 me, PIF 在 大 多 数 细胞 的 细胞 骨架 中 通常 存在 三 种 主要 类 型 的 纤维 丝 。 它 们 是 : O MF (SB 为 25 nm), 主 要 由 微 管 蛋 白 构 成 ; © 细 纤 维 (或 微 丝 , 直 径 为 7 nm), 主 要 由 聚合 的 肌 动 蛋白 构成 ; @ 中 等 纤维 (直径 为 10 nm), 由 几 种 相关 蛋白 质 构 成 。 微 管 蛋白 和 肌 动 蛋白 是 球 蛋 白 , 并 且 在 进化 上 是 高 度 保守 的 。 这 些 纤维 比 中 等 纤维 具有 更 多 的 动态 性 〈 见 5.1 节 )。 导 所 有 这 三 种 类 型 的 纤维 均 是 具有 极 性 的 螺旋 杆 状 〈 即 : 它们 具有 化 学 上 明显 区 别 的 “ 头 王 部 ”和 “尾部 ")。 除 了 具有 稳定 纤维 作用 的 多 种 接触 以 外 , 还 有 额外 的 用 于 结合 辅助 蛋白 质 的 多 结合 位 点 。 这 些 辅助 蛋白 质 :, 可 调节 纤维 的 装配 和 拆卸 , 可 将 纤维 相互 连接 , 可 将 纤维 和 包括 膜 在 内 的 其 他 细胞 成 分 相连 接 , 可 使 纤维 参与 依赖 能 量 的 移动 。 肌 动 蛋白 纤维 肌 动 蛋白 (M,=41 800) 广泛 分 布 于 真 核 细胞 中 , 是 含量 最 丰富 的 蛋白 质 , 通 常 占 细 胞 总 蛋白 质 的 约 10% 。 这 种 蛋白 质 是 高 度 保守 的 , 如 : 黏 菌 肌 动 蛋白 和 免 肌 肉 肌 动 蛋白 之 Y 间 375 个 氨基 酸 中 只 有 17 个 是 不 同 的 。 单 体 的 肌 动 蛋白 通常 称 为 球形 肌 动 蛋白 或 G 肌 动 蛋 旺 白 , 而 聚合 的 纤维 状 的 肌 动 蛋白 则 称 为 下 肌 动 蛋白 。 肌 动 蛋白 含有 二 价 阳离子 (Ca2+ 或 Mg2+ ) 的 结合 位 点 , 这 些 位 点 必须 被 占据 , 以 便 阻 止 该 蛋白 质 的 变性 。 它 也 可 结合 ATP 或 ADP 和 无 机 磷 (Pi)。 在 体外 , 通 过 保持 极 低 的 离 子 强度 使 肌 动 蛋白 维持 G 型 。 然 而 , 在 ATP 或 ADP 存在 的 情况 下 提高 盐 的 浓度 , 它 能 聚合 成 F 型 。 ADP 参与 的 聚合 ADP 参与 的 聚合 过 程 示 于 图 5 - 26。 当 盐 浓度 升 高 时 , 在 F - 肌 动 蛋白 出 现 之 前 有 一 个 王 特征 的 间隔 时 间 , 通 常 为 数 分 钟 。 这 个 间隔 源 自 这 样 的 事实 ; 在 聚合 发 生 之 前 必须 形成 有 效 WK ( 含 2 一 4 个 单 体 )。 该 核 是 不 稳定 的 , 这 可 能 是 由 于 它们 不 存在 全 部 亚 单 位 - 亚 单位 的 | 接触 〈 该 接触 稳定 着 纤维 中 的 单 体 ) (图 5-8)。 一 旦 有 效 的 核 形 成 , 聚 合 将 从 该 核 的 两 侧 末端 快速 地 进行 。 纤 维 可 含有 数 百 个 肌 动 蛋白 单 体 , 每 个 均 结 合 一 个 ADP 分 子 。 这 个 结构 为 右手 双 螺 旋 , 每 圈 13.5 个 单 体 , 为 36 nm 的 螺旋 重复 结构 。 肌 动 蛋白 只 有 在 其 浓度 超过 临界 浓度 (Cc) 时 才 发 生 聚 合 。 因 此 在 化 学 平衡 时 ,G- 肌 动 重 白 池 保持 其 浓度 与 Co 相等 。 这 个 平衡 是 动态 的 ; 在 一 个 临界 浓度 时 肌 动 蛋白 单 体 与 纤 维 末 端 结合 的 速度 与 其 解 离 的 速度 是 相等 的 。 如 果 系 统 被 稀释 , 将 有 纤维 上 单 体 的 净 丢 失 , 在 G - 肌 动 蛋白 浓度 重新 恢复 为 临界 浓度 之 前 , 这 种 解 离 将 不 断 地 进行 。 ASH 蛋白 质 : 超 分 子 结构 ( Mae) / 纤维 ( F- 肌 动 蛋白 ) \ € €) 5-26 #£ ADP ERT WL oh & A Af ae) Be Al 问题 : 肌 动 蛋白 纤维 的 极 性 是 如 何 确定 的 ? 肌 球 蛋 日 (图 5- 32) 与 纤维 中 每 个 肌 动 蛋 昌 分 子 特异 地 相互 作用 , 这 导致 该 纤维 被 装饰 成 箭头 图 案 , 而 且 所 有 箭头 指向 同一 个 方向 。 基 于 这 个 图 案 , 纤 维 的 一 个 末端 称 为 前 端 , 而 另 一 端 称 为 尾 端 。 ATP 和 参与 的 聚合 与 ADP 相 比 ,有 APT 参与 的 聚合 更 为 复杂 , 但 更 具 生 理学 意义 。 主 要 的 差异 是 在 F - 肌 动 蛋白 的 性 质 方面 (图 $-27)。 纤 维 的 两 个 未 端 在 动力 学 上 是 有 区 别 的 。 当 聚合 起 始 , 结合 有 ATP 的 单 体 加 到 尾 端的 速度 要 比 加 到 前 端的 速度 快 。 他 SN AR 5 an s Fan = t. 4 图 $S-27 在 ATP 存 在 的 情况 下 肌 动 蛋白 纤维 的 轮转 和 稳 态 性 质 | 在 单 体 与 纤维 结合 后 不 久 , 与 每 个 单 体 结合 的 ATP 被 水 解 为 ADP + Pi。 因 此 , 大 部 分 | 生长 的 纤维 中 肌 动 蛋白 是 带 有 ADP 的 , 而 在 尾 端 有 一 个 ATP - 肌 动 蛋白 的 “帽子 "。ATP 单 向 的 水 解 意味 着 在 溶液 中 存在 ATP 时 , 该 系统 决 不 可 能 达到 化 学 平衡 。 而 稳 态 的 实现 是 基于 每 个 尾 端 具有 不 同 的 Co 值 ; 尾 端的 Ce 值 比 前 端的 Ce 值 要 低 得 多 。 在 稳 态 时 G - 肌 动 SAY BE Sh BE Rt Ce 值 之 间 。 由 于 在 Ce 方面 的 这 些 差异 , 以 及 由 ATP 水 解 所 提供 的 能 量 , 在 稳 态 的 纤维 呈现 一 个 繁 重 而 单调 的 轮转 状态 。 由 于 前 (RH) Mt Cc 高 于 G - 肌 动 蛋白 的 浓度 , 在 此 有 单 体 (多 为 ER 生物 化 学 ADP - 肌 动 蛋白 ) WHER. AE (或 正 ) 端 Cc 低 于 G - 肌 动 蛋白 的 浓度 , 在 此 有 ATP 肌 动 蛋白 的 净 增 加 。 从 纤维 释放 的 ADP 肌 动 蛋白 可 在 溶液 中 将 ADP 转换 为 ATP, 并 重新 与 纤维 结合 。 由 于 结构 上 的 差异 , 纤 维 中 的 单 体 不 能 将 其 ADP 转换 为 ATP。 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 与 肌 动 蛋白 聚合 的 调控 尽管 有 很 大 比例 的 肌 动 蛋白 集中 于 细胞 皮层 〈 质 膜 下 的 区 域 ), 但 肌 动 蛋 自 可 存在 于 大 多 数 细胞 的 整个 细胞 质 中 。 通 过 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 的 作用 , 纤 维 可 以 各 种 非常 不 同 的 方式 相互 排 布 。 这 些 蛋 白质 (及 其 调节 物 ) 和 一 系列 其 他 机 制 调控 着 肌 动 蛋白 的 聚合 , 以 及 以 肌 动 蛋白 为 基础 的 网 络 的 稳 态 和 动态 。 基于 它们 在 纤维 上 的 结合 位 置 和 它们 所 起 到 的 作用 , 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 可 被 分 为 几 类 ; 这 些 种 类 的 定义 和 示例 见 图 5 - 28。 切割 作用 ds I cee F- 3 收缩 作用 > e % = < Ss, _ ITIL 间隔 作用 图 5-28 在 肌 动 蛋白 的 组 建 方面 不 同类 型 的 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 的 作用 单 体 结 全 sp 已 知 有 几 个 蛋白 质 可 特异 地 与 肌 动 蛋白 单 体 结 合 。 在 大 多 数 情况 下 , 这 些 单 体 结合 蛋白 质 〈 亦 如 预期 的 那样 , 抑 制 聚 合 ) 促进 初步 形成 的 纤维 的 解 聚 , 并 提高 临界 浓度 Ce. CH Hil 5.17 在 成 纤维 细胞 及 其 他 细胞 中 , 单 体 肌 动 蛋 白 的 浓度 可 高 达 200k moML, 并 可 占 细胞 中 总 肌 动 蛋白 的 50%。 这 与 体外 ATP 肌 动 有 蛋白 的 临界 浓度 (lLumol/L 或 少 于 lpmolML) 形 成 强 烈 的 对 照 。 胸 腺 素 (M,=5000) 是 负责 在 这 些 细胞 中 使 单 体 肌 动 蛋 白 隔 离 的 一 种 蛋白 质 。 大 的 单 体 肌 动 蛋白 池 提 供 了 快速 装配 以 肌 动 蛋白 为 基础 的 细胞 骨架 网 络 的 机 会 , 而 原封 不 动 地 保留 先 形 成 的 肌 动 有 蛋白 网 络 。 S58 BAM: 超 分 子 结构 .113 , ZAMS OH SE A YH SR GAL AY SG 2 ET EL | (BREE) 从 该 未 端 单 体 的 进一步 延伸 和 解 聚 。 SF Hil 5.18 尾 端 盖帽 蛋白 质 研 究 得 最 多 的 是 凝 溶胶 蛋白 (M,=90 000)。 像 许多 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 三 样 , 凝 溶胶 蛋白 质 对 肌 动 蛋白 纤维 的 亲和力 被 Ca: 浓度 的 变化 所 调节 ,Ca2+ 浓度 的 变 楷 基 于 以 特殊 方式 对 细胞 进行 的 刺激 。 约 10-6 mol/L Ca2+ 浓度 激活 尾 端的 盖帽 作用 , 并 促 进 肌 动 蛋 白 的 解 聚 , 这 是 由 于 系统 的 可 观察 的 临界 浓度 升 高 , 接 近 于 前 痛 的 Cc. Waza mh BAAILAVANASAFAD SAR, EIR FMR RRS Fy RAVE BES HIS BOK AS TPR BE MBE EY BEY Fe EK Ca a, FET RE FS AY REF. Pil 5.19 溶 凝 胶 蛋 白 除 了 结合 其 尾 端 以 外 还 可 切割 肌 动 蛋白 纤维 。 这 种 切割 活性 依赖 于 Ca2+ ,并 涉及 肌 动 蛋白 实际 的 弯曲 程度 。 切 割 后 , 凝 溶胶 蛋白 可 通过 与 新 生成 的 尾 闯 结合 来 阻止 纤维 的 再 聚合 。 Rim SEG MH 严格 地 与 肌 动 蛋白 纤维 侧面 〈 与 盖帽 的 末端 相对 ) 结合 的 蛋白 质 可 促进 纤维 的 形成 和 降 低 临 界 浓度 。 在 某 些 情况 下 , 纤 维 的 机 械 稳 定性 和 硬度 也 会 增加 。 Pill 5.20 RUREGZ—PRORAUOEK, WAY 35KDa 亚 单位 构成 。 它 结合 在 肌 动 蛋 自 纤维 的 沟 档 中 , 跨 距 约 为 7 个 肌 动 蛋白 亚 单位 , 并 促使 纤维 变 硬 和 变 直 。 该 蛋白 质 协同 结 含 于 下 - 肌 动 重 白 , 意 味 着 一 旦 一 个 分 子 结合 , 纤 维 的 全 长 在 其 沟 槽 中 将 结合 原 肌 球 蛋白 。 原 肌 球 蛋白 的 功能 在 横 纹 肌 肌 动 球 蛋白 收缩 装置 中 被 了 解 的 最 清楚 , 它 是 作为 启动 肌 内 | 政 缩 机 制 的 一 部 分 ( 见 下 面 的 生 力 蛋 白质 部 分 )。 在 静 息 的 肌肉 中 , 原 肌 球 蛋白 被 肌 钙 蛋白 | 复合 物 〔 由 三 个 多 肝 连 构成 ) 置 于 肌 动 蛋白 沟 槽 以 外 。 这 阻止 肌 动 爱 自 王 肌 球 蛋白 分 子 的 头 | 部 相互 作用 (图 5- 29)。 在 神经 刺激 后 钙 从 细胞 内 储存 池 释 放 到 细胞 质 中 ;- 它 可 与 肌 钙 蛋 自己 结合 , 改 变 肌 钙 有 蛋白 C 复合 物 的 构象 。 原 肌 球 蛋白 可 移 向 沟 槽 暴露 出 肌 动 蛋白 上 的 肌 球 受 和 白 结 合 位 点 , 使 肌 球 有 蛋白 与 肌 动 蛋白 结合 。 Ra ae gee a ea 一 oe + ee — 肌 钙 蛋白 复合 物 图 5-29 静 息 肌肉 中 F - 肌 动 蛋白 , 原 肌 球 蛋白 和 肌 钙 蛋白 之 间 的 相互 作用 模式 交 联 和 蛋白质 交 联 蛋白 质 也 结合 在 肌 动 蛋白 纤维 的 侧面 , 但 它 可 结合 一 个 以 上 的 纤维 。 这 些 蛋 白质 有 帮 种 重要 的 亚 型 , 可 形成 不 同 的 交 联 模式 。 集 束 蛋 白质 (如 : 绒毛 蛋白 和 o - 辅 肌 动 蛋白 ) | 将 肌 动 蛋白 纤维 交 联 成 为 规则 的 束 , 在 纤维 之 间 有 窒 的 沟 槽 (<40 nm). RAR 〈 如 : | 地 性 的 高 度 延 伸 的 血 影 蛋白 四 聚 体 ) 导致 更 松散 的 纤维 聚集 , 在 纤维 之 间 有 200 nm WY I cna Me oy ee ec ok ne | 114° 生物 化 学 槽 。 族 结交 联 物 〈 如 : 细 丝 蛋白 二 聚 体 ) 将 两 个 纤维 在 其 重 释 点 上 结合 在 一 起 , 这 与 纤维 之 惕 目 间 形 成 的 角度 无 关 。 Pl 5.21 绒毛 蛋白 是 集束 有 蛋白质 的 一 个 例子 。 绒 毛 有 蛋白 存在 于 微 绕 毛 中 , 如 : 肠 刷 状 缘 细 胞 (图 S-30)。 微 绒毛 可 大 量 增加 细胞 事 面 的 面 积 , 这 对 于 有 效 的 进行 吸收 是 重要 的 。 每 个 微 线 毛 向 肠 腔 内 伸展 2 um, 8 20704 右 被 绒毛 蛋白 (以 及 其 他 有 蛋白质) 以 规则 的 间隔 聚集 成 束 的 肌 动 蛋白 纤维 来 支撑 。 许多 肌 动 蛋白 网 络 中 的 共同 特征 是 所 有 聚 集成 束 的 纤维 以 相同 的 方向 起 始 于 其 尾 3, MAEPAFS P, HAT MRERS 的 位 置 是 它们 的 终点 。 肌 动 蛋 白 纤 维 通过 来 自 肌 球 蛋白 - 工 家 了 族 的 第 二 个 蛋白 质 (4 收缩 蛋白质 肌 球 有 蛋白 -II 有关) SRBR 联 。 这 个 有 蛋 和 白质 将 其 “ 头 部 ”区 域 结 合 与 纤维 的 侧面 , 把 其 “尾部 ”区 域 理 入 膜 中 。 Hil 5.22 成 熟 的 哺乳 动物 红细胞 的 细胞 骨架 是 较为 特殊 的 , 如 同 其 细胞 是 高 度 分 化 的 细胞 那样 。 在 红细胞 成 熟 的 过 程 中 , 细 胞 骨架 被 限制 为 位 于 膜 的 细胞 质 面 的 二 维 网 络 (图 $-31)。 这 , 种 柔性 的 耐用 的 膜 骨 架 在 细胞 通过 衢 环 系统 艰辛 的 途径 中 使 细胞 免 于 破裂 , 并 且 这 种 柔性 足 以 使 其 挤 过 非常 狭 罕 的 毛细 血管 。 Fl 5-30 A 锚 蛋白 图 $S-31 成 熟 哺乳 动物 红细胞 的 膜 骨 架 主要 成 分 是 血 影 蛋白 杂 四 聚 体 (两 个 w 链 和 两 个 B 链 ), 它 是 非常 大 的 (1 052 kDa), 高 度 伸 展 的 柔性 分 子 ; 它 可 使 用 在 其 末 冯 的 结合 位 点 将 肌 动 蛋白 交 联 。 有 蛋白 质 4.1 加 强 血 影 蛋 白 和 肌 动 蛋白 之 问 的 相互 作用 。 与 其 他 细胞 不 同 , 红 细胞 中 的 肌 动 蛋白 组 成 的 原 丝 只 由 约 15 个 亚 单 位 构成 。 平 均 每 个 原 丝 结合 6 个 血 影 蛋白 , 形 成 大 的 六 角 组 合格 子 。 这 个 格子 恒 要 通过 锚 有 蛋白 (与 血 影 蛋白 的 B 链 和 膜 内 的 阴离子 通道 蛋白 结合 ) 与 膜 结合 。 生 力 有 蛋白 质 肌 球 蛋白 -II ( 肌 和 其 他 细胞 收缩 装置 的 生 力 蛋 白质 ) 是 第 一 个 被 描述 和 鉴定 的 肌 动 蛋 日 结合 蛋白 质 。 肌 球 蛋 白 原 体 (M,s5$20 000) 由 两 个 相同 的 重 链 (M,= 220 000) 和 两 对 轻 链 〈( 依 其 来 源 ,M,= 16 000~27 000)。 每 个 重 链 含 有 一 个 球形 的 头 部 , 该 头 部 通过 一 不 上 EK IMS AY c -螺旋 尾部 相连 接 。 来 自 两 个 重 链 的 尾部 形成 一 个 长 130 nm 的 卷曲 螺旋 ll S58 BA: 超 分 子 结构 « DS,- (图 5-32)。 轻 链 在 每 个 头 部 的 基部 附近 相 联 。 肌 球 蛋白 原 体 可 自我 聚合 形成 粗 纤 维 , 这 是 通 约 400 个 肌 球 蛋白 尾部 的 装配 而 完成 的 , 其 方式 为 相互 并 排 包装 , 而 肌 球 蛋白 的 头 部 螺旋 排列 以 规则 的 间隔 突出 出 来 。 粗 纤维 有 两 个 极 , 在 中 部 有 一 个 150 nm 的 裸 带 , 在 此 两 套 相反 来 源 的 肌 球 蛋白 尾部 结合 在 一 起 。 这 个 区 域 的 中 心 称 为 M 线 。 该 粗 纤维 形 成 了 肌 原 纤维 的 部 分 。 肌 原 纤维 也 含有 下 - 肌 动 蛋白 的 细 纤 维 , 该 纤维 带 有 结合 于 沟 槽 中 的 原 肌 球 蛋 日 的 二 聚 体 , 并 且 每 个 原 肌 球 蛋白 二 聚 体 结合 一 个 肌 钙 蛋白 。 这 些 细 纤 维 也 排列 为 两 极 模式 。 所 有 的 前 端 从 乙 盘 〈 含 有 大 量 的 蛋白 质 , 包 括 : o HARA) 的 每 一 边 指向 外 面 。a “HLS 白 将 肌 动 蛋白 在 其 尾部 聚集 成 束 , 并 把 它们 牢固 地 固定 在 盘 中 。 肌 原 纤维 的 粗 和 细 纤 维 部 分 地 相互 交叉 , 每 个 粗 纤维 被 6 TMA. TPH ey (WL) 被 描述 于 图 5 - 32, 它 的 直径 为 1.5 pm 而 长 度 为 2.2 pm。 肌 节 的 线性 排 布 形成 肌 原 纤维 ;, 这 些 肌 原 纤维 平行 排列 , 并 贯穿 肌 细胞 的 全 长 〈 长 至 数 厘 米 )。 在 收缩 过 程 中 , 每 个 肌 原 纤维 的 每 个 肌 节 中 的 粗 和 细 纤 维 协调 一 致 地 相互 滑动 , 而 其 长 度 并 不 改变 。 肌 节 缩 短 , 粗 和 细 纤 维 之 间 的 相互 穿插 增加 。 这 就 是 肌肉 收缩 的 纤维 滑动 模 型 。 ~ SS WA ~~ = Coe O OOOO ocOo Oooo CL Lib bk bk domkd 本 一 EEC- 一 = WENES GE \ Es EE SN or Me Mo Mo Mo io Mo ae — Sa Se Sr ne 1 BB —_— Sa _ “SS G> Go i Gras Godage dCdC do KP 图 5-32 骨骼 肌 肌 原 纤 维 的 成 分 : (a) 肌 球 蛋白 ; (b) 粗 纤维 ;(c) 肌 节 的 收缩 。 细 纤 维 的 极 性 以 箭头 表示 问题 : 通过 什么 机 制 肌 球 蛋白 可 在 粗 和 细 纤 维 之 间 形 成 机 械 力 ? 机 械 力 是 通过 肌 球 蛋白 头 部 与 肌 动 蛋白 循环 地 相互 作用 和 水 解 ATP 提供 能 量 而 形成 的 〈 图 5- 33). 每 个 肌 球 蛋 白头 部 可 结合 一 个 ATP 分 子 。 肌 球 蛋 白 是 ATP 酶 。ATP 酶 活性 是 组 成 型 的 , 但 是 , 在 肌 动 蛋白 存在 时 该 活性 可 提高 200 倍 。 循 环 开 始 于 肌 球 蛋白 头 部 将 与 其 结合 的 ATP KARA ADP 和 Pi. EX 种 形式 中 , 头 部 与 肌 动 蛋白 纤维 结合 , 并 使 其 产物 释放 ,ADP 和 Pi, 由 此 引起 肌 球 蛋白 头 部 周围 的 构象 发 生变 化 。 头 部 向 后 拉 , 同 时 搜 着 肌 动 纤维 向 后 。 这 是 个 有 力 的 划 动 。 然 后 , 头 部 与 肌 动 蛋 日 分 离 , 结 ARH ATP 分 子 开始 新 的 循环 。 在 快速 收缩 过 程 中, 每 个 循环 为 0.2s。 注 意 两 个 匀 链 的 重要 性 , 己 们 提供 一 个 柔韧 的 移动 。 236: ALS -33 肌肉 收缩 循环 的 四 个 步骤 , 图 示 通 过 水 解 ATP 驱动 的 肌 球 蛋白 和 肌 动 蛋白 的 聚合 和 解 聚 问题 ; 机 械 力 的 形成 是 如 何 起 始 和 调节 的 ? Ca 的 增加 (如 : 107 8mol/L 2 10° °mol/L) BARRA. ERAN, Ce * 是 从 内 质 网 释放 到 7 细胞 质 中 的 , 这 是 肌 细 胞 由 其 附着 的 运动 神经 的 刺激 所 诱导 的 。Ca“* 与 肌 钙 蛋白 复合 物 相互 作用 , 导 致 原 肌 球 蛋白 的 移动 使 纤维 上 的 肌 球 蛋白 结合 位 点 暴露 出 来 〈( 见 例 5.21)。 在 平滑 肌 中 , 释 放 的 Ca 间接 地 活 (WERE AR ER, ZENE AR RRR. Alt, MRE ERAN KE. REEMA, 通过 Ca” 的 调控 是 在 肌 球 蛋白 装配 成 纤维 的 这 个 水 平 。 在 所 有 情况 下 ,Ca”… 浓度 的 下 降 (如 : 被 泵 回 细胞 内 储存 池 ) 反 转 这 个 过 程 。 值得 注意 的 是 收缩 过 程 需要 ATP 持续 的 供应 。 当 ATP 被 完全 耗 尽 , 强 直 发 生 。 问题 : 在 肌 节 中 是 什么 调节 细 纤 维 的 长 度 和 粗 纤 维 的 位 置 ? 肌 节 中 的 细 纤 维 长 度 相 同 。 近 年 来 , 在 肌 节 中 发 现 两 种 蛋白 质 一 一 伴 肌 动 蛋 白 和 原 肌 球 调节 蛋白。 伴 肌 动 蛋白 是 相当 大 的 蛋白 质 , 几 乎 全 由 多 聚 35 残 基 肌 动 蛋白 结合 基 原 构成 。 伴 肌 动 蛋白 的 长 度 是 肌 节 细 纤 维 的 长 度 , 它 可 通过 微 变 规律 调节 细 纤 维 的 长 度 (图 5-4)。 原 肌 球 调节 和 蛋白 通过 在 纤维 的 前 端 盖帽 来 参 与 这 个 过 程 , 盖 帽 可 阻止 其 进一步 延长 , 这 也 是 前 端 盖帽 蛋白 的 一 个 例子 。 其 他 近来 发 现 的 蛋白 质 一 一 肌 联 蛋白 ,也 是 相当 的 大 并 且 是 高 度 伸展 的 。 肌 联 蛋 白 从 Z - 盘 延 伸 到 粗 纤 维 , 在 肌 节 中 可 起 到 将 纤维 定 于 中 心 的 作用 。 微 管 是 中 空 圆 桶 状 结构 , 内 径 为 14 nm, 外 径 为 25 nm。 完 整 的 圆 桶 含有 13 个 平行 的 原 丝 , 每 个 是 头 尾 相 联 的 杂 二 聚 体 的 多 聚 体 , 形 成 杆 状 (图 5 - 34)。 杂 二 聚 体 含有 一 个 -和 B- 微 管 重 白 亚 单位 , 它 们 紧 紧 地 结合 在 一 起 。 这 两 个 亚 单位 〈 每 个 M,= 50 000) 2K thw 的 基因 合成 的 , 但 是 它们 的 氨基 酸 序列 具有 高 度 的 同 源 性 。 聚合 作用 , 轮 转 和 动态 不 稳定 性 微 管 蛋 白 的 聚合 与 激动 蛋白 具有 许多 相似 之 处 。 原 体 是 微 管 蛋 白 杂 二 聚 体 。 杂 二 聚 体 中 第 5 章 ZAM: 超 分 子 结构 .117 , 图 5-34 微 管 的 短片 段 , 图 示 微 管 蛋 白 二 聚 体 组 入 原 丝 中 的 每 个 亚 单位 可 结合 一 个 核 苷 酸 ; 在 这 个 例子 中 , 是 GTP。 有 一 个 与 成 核 作用 相关 的 延 组 期 。 一 旦 有 效 的 核 形成 , “爆发 ” 式 的 聚合 可 从 核 的 两 端 进行 。 钙 离子 和 低温 (40) 抑制 聚 合作 用 , 而 镁 离子 和 高 温 (370) 可 刺激 聚合 。 与 肌 动 蛋白 相似 , 微 管 是 有 极 性 的 , 并 且 从 正 端 的 聚合 作用 比 负 端 要 快 3 倍 。 聚 合作 用 伴随 着 CTP 的 水 解 , 这 只 发 生 在 B- 微 管 蛋 日 上 , 而 且 发 生 在 /8B 原 体 与 纤维 结合 时 或 以 后 不 久 。GTP 帽 可 存在 于 纤维 的 两 个 末端 ,而 : 平均 来 看 , 在 正 端的 帽 要 比 负 端的 帽 大 一 些 。 在 稳定 状态 , 自 由 的 杂 二 聚 体 池 (表示 临界 浓度 ) 与 纤维 同时 存在 。 对 于 这 些 纤维 , 在 正 端 的 临界 浓度 比 负 端的 低 。 因 此 , 轮 转 可 在 负 端 形成 原 体 的 净 丢 失 , 而 在 正 端 形成 净 增 加 。 然 而 , 对 于 微 管 , 轮 转 一 般 来 讲 要 逊色 得 多 , 这 是 由 于 动态 不 稳定 性 所 造成 的 。 如 果 纤 维 在 任何 一 端 失去 GTP 帽 , 那 么 在 该 端的 解 聚 将 发 生得 非常 快 。 因 此 , 即 使 在 稳定 状态 , 某 些 纤维 在 一 端 或 两 端 快速 地 缩短 , 而 其 他 的 纤维 可 在 一 端 或 两 端 快速 地 生长 。 动 态 不 稳定 性 也 发 生 在 体内 , 并 且 这 对 于 许多 基于 微 管 的 网 络 正 常 的 功能 是 重要 的 因素 。 fhe KE AM (MAP) MAP 可 与 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 相 似 的 方式 被 分 类 。 与 肌 动 蛋白 结合 的 相应 部 分 相似 , MAP 也 可 成 核 , 盖 帽 , 稳 定 和 交 联 微 管 。 在 最 近 几 年 中 , 已 有 几 种 动力 蛋白 质 被 鉴别 , 它 们 与 天 量 的 基于 微 管 的 网 络 中 的 动力 形成 有 关 。 与 肌 动 蛋白 结合 蛋白 质 相 似 ,MAP 也 被 标 定 手 细胞 的 一 定 区 域 , 作 为 组 成 性 的 或 短暂 的 基础 物质 。 这 使 得 特 化 了 的 微 管 网 络 在 特殊 的 位 置 被 构建 和 执行 其 功能 。 某 些 MAP 的 功能 和 性 质 将 在 下 述 的 例子 中 进行 探索 。 问题 ; 微 管 在 细胞 中 是 如 何 分 布 的 ? 在 几乎 所 有 动物 细胞 的 间 期 , 大 多 数 微 管 从 中 心 体 〈 靠 近 核 的 深 染 区 域 ) 向 外 放射 状 分 布 。 中 心 体 含有 一 对 中 心 粒 (小 的 圆 桶 状 结构 , 含 有 微 管 和 其 他 蛋白 质 ) [图 5- 36 (a)]。 在 中 心 粒 对 的 周围 是 中 心 周围 物质 , 它 们 与 新 微 管 形成 的 成 核 作用 有 关 。 因 此 , 中 心 体 被 认为 是 一 种 类 型 的 微 管 组 织 中 心 (MIOC)。 放 射 状 的 微 管 , 其 正 端 指向 细胞 的 周边 , 而 其 负 端 被 稳定 地 包 埋 在 中 心 体 中 。 微 管 在 体内 保 持 着 高 度 的 动态 性 , 其 半衰期 在 数 分 钟 的 数量 级 。 某 些微 管 通过 在 其 正 端 盖帽 而 增强 稳定 性 , 以 此 阻止 解 聚 。 SP 5.23 微 管 的 中 期 组 构 具 有 许多 作用 , 其 中 最 重要 的 是 快速 地 将 细胞 器 和 包 庄 入 慢 泡 的 物质 运 输 到 细胞 的 各 个 部 分 。 这 个 过 程 首先 是 在 乌贼 巨 轴 突 中 直接 观察 到 的 , 被 称 为 快速 轴 突 运输 。 在 高 度 伸展 的 细胞 中 , 如 : 和 神 经 元 , 细 胞 器 和 有 蛋白 质 的 简单 扩散 是 相当 / 的 慢 , 过 种 快速 运输 机 制 可 将 重要 的 物质 传送 到 细胞 的 远 端 部 分 , 以 及 运 回 某 些 物 Ti FRE Pl Ria ay mA AB aH ( 即 : 从 细 LRA, oy Fh RE OY EH 4 HH) 可 快 至 每 秒 Sm。 逆行 运输 是 这 个 速度 的 一 a. 现在 已 知 快速 运输 存在 于 几乎 所 有 的 动物 细胞 中 。 微 管 作为 “高 速 公路 ”在 发 挥 作 用 , 大 量 的 癌 泡 以 及 其 他 细胞 器 图 5-35 动力 蛋白 和 驱动 蛋白 动力 装置 , 全 Ry ae 以 及 它们 与 圳 泡 和 微 管 的 相互 作用 (i EE) Te ee 问题 : 快速 运输 的 机 制 是 什么 ? 细胞 中 的 快速 运输 需要 载体 (细胞 器 或 圳 泡 ), 动 力 和 燃料 。 动 力 可 被 分 为 两 类 : 细胞 质 动 力 蛋白 和 驱动 蛋白 (图 5-35)。 每 个 均 以 ATP 作为 燃料 , 将 其 水 解 为 ADP 和 Pi 而 提供 能 量 。 动 力 装置 可 感觉 到 微 管 的 极 性 ; 动力 蛋白 向 负 端 驱动 , 而 大 多 数 驱动 重 白 的 驱动 方向 为 正 端 。 移 动产 生 于 ATP 的 循环 水 解 , 构 象 变化 , 以 及 与 微 管 的 可 逆 结 合 。 SG] 5.24 纤毛 和 鞭毛 是 稳定 的 微 管 结构 , 它 们 从 特定 的 真 核 细胞 的 质 膜 突 出 出 来 。 这 些 结构 依赖 “ 于 能 量 的 摆动 驱动 物质 在 细胞 表面 移动 或 驱动 细胞 本 身 的 移动 。 例 如 , 输 卵 管 头 部 细胞 上 的 纤毛 的 鞠 打 样 的 运动 将 刚刚 由 卵巢 释放 的 卵细胞 拉 进 并 沿 着 输 稣 管 移动 。 精 子 鞠 毛 蛇 样 的 摆 动 是 这 些 细胞 可 以 移动 。 尽管 纤毛 和 鞠 毛 的 运动 有 某 种 程度 的 不 同 , 但 是 , 基 于 微 管 的 鞭毛 轴 丝 是 它们 的 共同 结 图 5-36 图 示 纤 毛 的 中 心 粒 , 基 粒 和 凌 毛 轴 丝 。 (a) 中 心 粒 / 基 粒 , 示 9 组 三 联 体 微 管 。 (b) 纤毛 / 凌 毛 的 截面 , 示 “9+ 2” 排 布 的 微 管 和 鞭毛 轴 丝 的 辅助 蛋白 质 。(c) 示 细 胞 的 基 粒 和 中 心 粒 的 组 织 作用 | 第 5 章 蛋白 质 : 超 分 子 结构 Hh, ME4H% AM MH (直径 约 为 200 nm), 由 “9+2” 排 布 的 微 管 构成 (AS - 36 (b)]o 注意: 两 个 中 心 微 管 是 完整 的 , 而 9 个 三 联 体外 微 管 中 的 每 一 个 含有 一 个 完整 的 (A 营 ) 和 一 个 不 完整 的 (B 管 ), 它 们 融合 在 一 起 。 大 量 的 辅助 蛋白 质 与 鞭毛 轴 丝 以 规则 的 间隔 相 结合 。 每 24 nm, 纤 毛 动 力 蛋 白 (BA 动力 蛋白 的 一 个 三 头 异 型 体 ) 从 每 个 二 联 体 的 A 管 向 相 邻 的 二 联 体 的 也 管 伸展 出 成 对 的 展 。 在 86 nm 的 间隔 , 连 接 有 蛋白 联结 着 相 邻 的 二 联 体 。 每 29 nm, 辐 射 带 从 外 二 联 体 向 内 突起 朝 向 内 鞘 (其 本 身 与 中 心 微 管 对 相 联 )。 若 没 有 交 联 , 动 力 蛋 和 白 的 动力 装置 可 容易 地 引起 微 管 相互 滑动 , 直 到 它们 不 再 接触 。 交 联 限制 滑动 , 在 促进 弯曲 和 周期 性 的 鞭打 方面 具有 重要 作用 , 但 其 机 制 尚 不 清楚 。 问题 : 鞭毛 轴 丝 的 结构 是 如 何 组 构 的 ? 凌 毛 轴 丝 从 被 称 为 基 粒 〈 与 中 心 体内 中 心 粒 的 构造 相似 ) 的 结构 形成 [图 $- 36 (a)]。 基 粒 由 9 组 被 蛋白 质 以 规则 间隔 交 联 的 微 管 三 联 体 构成 。 没 有 中 心 微 管 , 但 某 些 截面 中 可 以 看 到 指向 中 心 “ 轴 ”的 辐射 状 蛋白 质 带 。 每 个 鞭毛 轴 丝 二 联 体 由 每 个 基体 三 联 体 的 两 个 微 管 所 形成 。 凌 毛 轴 丝 的 两 个 中 心 微 管 的 生长 是 如 何 控制 的 ? 鞭毛 和 纤毛 精确 控制 的 长 度 是 如 何 被 监控 的 ? 这 些 均 不 清楚 。 SP Hil 5.25 有 丝 分 裂 期 是 细胞 周期 的 高 潮 , 在 此 期 内 , 两 个 相同 的 子 代 细胞 形成 , 每 个 携带 着 全 部 遗传 物质 。 这 个 过 程 非常 复杂 , 并 且 是 动态 的 ; 在 “典型 ”的 细胞 中 这 个 过 程 可 持续 一 个 小 时 多 一 点 儿 。 在 这 段 时 间 内 , 一 定 要 形成 微 管 有 丝 分 裂 纺 锤 体 , 且 染色 体 浓 缩 (AT). BR 后 , 核 膜 崩 解 , 染 色 体 被 微 管 俘获 到 纺锤 体 上 (前 中 期 )。 在 中 期 , 纺 锤 体 移 动 并 将 所 有 的 染色 体 排 列 在 中 期 板 〈 在 纺锤 体 两 极 之 问 的 平面 )。 后 期 开始 : 每 个 染色 体 的 两 个 姐妹 染色 质 之 间 的 连接 断裂 , 姐 妹 染 色 质 快速 地 向 纺 链 体 相 对 的 两 极 移动 。 两 极 分 离 。 一 旦 到 了 极 区 , 染 色 质 去 浓缩 , 每 套 被 新 的 核 膜 包 襄 起 来 (末期 )。 通 过 胞 质 分 裂 形成 两 个 新 细胞 ; 胞 质 分 裂 开 始 于 后 期 末 , 涉 及 在 纺 狂 体 两 极 之 间 的 中 间 位 置 质 膜 的 内 陷 和 分 裂 。 问题 : 在 有 丝 分 裂 纺锤 体 中 微 管 的 来 源 是 什么 ? 间 期 细胞 的 微 管 网 络 是 去 聚合 的 , 并 重新 形成 有 丝 分 裂 纺锤 体 。 这 需要 两 个 MTOC, 第 一 个 是 原 有 - 的 中 心 体 及 其 一 对 中 心 粒 。 第 二 个 源 自在 间 期 的 S 和 G? 期 中 中 心 粒 的 复制 。 在 前 期 中 , 两 对 中 心 粒 相 互 移动 分 开 , 包 绕 它 们 的 中 心 周边 物质 具有 成 核 作用 和 稳定 微 管 的 作用 。 这 两 个 MTOC 成 为 纺锤 体 的 极 - Ro 在 有 丝 分 裂 纺锤 体 中 有 三 种 微 管 易 被 区 分 。 极 性 微观 在 两 极 之 间 重 至 (并 可 能 相互 作用 ), 它 与 后 期 中 将 两 极 拉 开 有 关 。 星 型 微 管 向 所 有 的 方向 辐射 , 也 与 极点 分 离 有 关 。 动 粒 微 管 与 特 化 了 的 蛋白 质 结 AH; 位 于 每 个 染色 体 的 着 丝 粒 两 侧 ) 结合 。 这 些微 管 与 染色 体 移 向 中 期 板 以 及 在 后 期 姐妹 染色 质 的 分 离 有 关 。 纺 锤 体 中 的 微 管 是 动态 的 , 并 只 有 几 秒 钟 的 半 误 期。 这 对 于 动 粒 微 管 染 色 体 的 俘获 方面 是 非常 重要 的 。 那 些 没 与 动 粒 结合 的 微 管 很 快 丢失 , 这 是 由 于 它们 动力 学 的 不 稳定 性 所 导致 的 快速 解 聚 。 那些 击 中 靶 点 的 新 微 管 由 于 正 端的 盖 帐 而 较为 稳定 。 问题 : 移动 染色 体 和 分 离 极点 的 力 是 如 何 形成 的 ? 纺锤 体 含有 大 量 的 动力 蛋白 和 驱动 蛋白 系列 的 动力 装置 (图 5 - 37)。 它 们 与 动态 不 稳定 性 和 微 管 的 轮转 , 共 同 控制 移 以 及 染色 体 和 极点 的 相应 位 置 。 纺 锤 体 处 于 源 自 系 列 作用 力 的 持续 的 张力 状态 下 。 在 中 期 , 当 所 有 的 染色 体 均 排列 在 中 期 板 时 , 所 有 这 些 力量 处 于 平衡 状态 。 动 粒 中 的 动力 蛋白 装置 试图 沿 着 动 粒 微 管 将 染色 体 拖 回 极点 (Bl: 负 方 向 )。 由 于 每 个 染色 体 含 有 两 个 动 粒 , 而 且 每 个 面向 不 同 ee - 119 - “120 - 生物 化 学 的 极点 , 这 种 向 两 极 的 拖拉 被 抵消 [图 5-37 (a) 中 的 箭头 所 示 ]。 至 少 有 两 个 力 同 时 参与 将 极点 分 离 的 过 程 。 在 极 性 微 管 重大 的 部 分 , 驱 动 蛋白 装置 将 其 尾部 与 微 管 的 侧面 结合 , 并 使 用 其 头 部 的 这 个 装置 向 另外 的 正 端 驱动 , 在 极点 上 施 以 一 个 推力 。 在 直接 远离 纺锤 体 中 心 的 星 形 微 管 , 动 力 蛋 白 装置 〈 可 能 与 细胞 皮 层 相 联 ) 在 极点 上 施 以 一 个 拉力 。 在 后 期 中 , 当 姐妹 染色 质 在 着 丝 粒 处 分 开 , 这 种 平衡 消失 [图 5-37 (b)]。 动 粒 中 的 动力 蛋白 装置 向 极点 驱动 姐妹 染色 质 。 此 处 的 速度 可 通过 动 粒 微 管 的 可 控 的 解 聚 来 调节 。 现在 , 两 极 可 以 分 开 , 极 性 微 管 间 的 重 和 到 部 分 缩短 。 在 这 些 纤 维 的 正 端 快速 的 聚合 作用 可 完全 丧失 。 (a) 纺锤 体 极 (MTOC) Mer ; ¢ eaeA @ Hane 系列 驱动 器 的 着 丝 粒 图 5-37 图 示 (a) 中 期 有 丝 分 裂 纺锤 体 , 染 色 体 排列 在 中 期 板 ; (b) 在 后 期 中 姐妹 染色 质 和 极点 分 离 问题 : 胞 质 分 裂 如 何 发 生 ? 胞 质 分 裂 起 始 于 后 期 的 某 个 时 间 。 在 质 膜 中 与 中 期 板 相同 的 平面 上 有 裂 沟 开始 形成 。 肥 沟 如 何 定 位 尚 不 清楚 。 基 于 收缩 环 (一 个 肌 动 球 蛋白 网 络 ; 为 此 目的 而 被 特殊 地 装配 , 而 后 解散 ) 的 作用 有 裂 沟 形成 并 加 涤 。 因此 , 该 网 络 的 稳定 性 与 肌肉 中 的 类 似 物 有 很 大 的 不 同 。 这 些 网 络 的 动力 学 也 是 不 同 的 〈 见 题 5.16)。 中 等 纤维 中 等 纤维 是 一 系列 强度 好 的 , 不 溶 的 蛋白 质 纤 维 , 直 径 为 10 nm, 存 在 于 大 多 数 真 核 细 下 胞 中 。 其 亚 单位 (图 5$-38) 的 大 小 变化 较 大 (M,=40 000~200 000), 但 是 , 在 每 个 亚 单 位 的 中 部 , 它 们 却 具 有 一 个 共同 的 盘 绕 螺旋 ,a -螺旋 区 域 。 这 个 杆 状 的 区 域 有 恒定 的 长 度 , 以 及 显著 的 序列 同 源 性 , 在 各 种 类 型 之 间 相 同 的 氨基 酸 为 30% ~70%; 它 也 是 纤维 结构 的 基础 , 约 25 个 亚 单位 并 排 连接 形成 一 个 纤维 的 截面 。 末 端 球 形 区 域 是 可 变 的 片段 , 由 此 可 将 中 等 纤维 分 化 为 各 种 类 型 , 并 且 它 从 纤维 向 细胞 质 突出 , 在 细胞 中 起 到 一 个 尚 不 明了 的 作 用 。 有 5 类 中 等 纤维 ( 表 5.4), 它 们 可 通过 生物 化 学 , 免 疫 学 和 分 子 生 物 学 技术 来 区 分 。 - 般 来 讲 , 一 种 类 型 的 细胞 只 含有 一 种 类 型 的 中 等 纤维 。 所 有 类 型 的 中 等 纤维 在 细胞 中 起 到 ASH RAM: 超 分 子 结构 -121- 结构 的 作用 , 以 此 抵抗 机 械 压 力 。 盘 曲 螺旋 , 一 螺旋 域 N 端 球形 区 域 Cam FE DR 图 5-38 图 示 一 个 中 等 纤维 的 亚 单位 。( 数 字 表 示 每 个 结构 域 中 氨基 酸 残 基 的 数量 表 5.4 并 椎 动物 细胞 中 中 等 纤维 的 分 类 中 等 纤维 蛋白 质 成 分 细胞 类 型 细胞 角 和 蛋白 多 种 : M,= 40 000~70 000 上 皮 细 胞 神经 丝 主要 三 种 ,M,= 68 000, 145 000 和 220 000 神经 元 波形 蛋白 M,=55 000 间 质 , 如 : 成 纤维 细胞 结 蛋白 M,=53 000 肌 细 胞 胶 质 纤 丝 M,=50 000 某 些 胶 质 细胞 , 如 : 星 形 细胞 核 纤 层 蛋白 主要 三 种 :, M,=65 000 一 70 000 真 核 细 胞 核 纤 层 Si 5.26 研究 最 多 的 而 且 最 具 多 样 性 的 中 等 纤维 类 型 是 细胞 角 有 蛋白 , 也 称 为 前 角 和 蛋白, 它 通 过 二 榴 键 而 交 联 。 通 过 还 原 , 可 从 上 皮 细 胞 获得 几 种 不 同 的 多 肽 链 , 链 的 范围 因 组 织 不 同 而 不 同 。 从 人 类 组 织 中 已 鉴定 出 19 个 不 同 的 细胞 角 有 蛋白 , 每 个 均 为 不 同 的 单独 基因 产物 , 并 不 是 由 不 同 的 加 工 过 程 而 形成 的 。 有 两 种 类 型 , 酸 性 角 有 蛋白 和 中 性 - 碱 性 角 有 蛋白 , 它 们 以 1:1 的 比例 相 乏 作用 形成 角 蛋 白 纤 维 。 通 过 形成 跨越 整个 上 皮层 的 连续 纤维 网 络 (RAK 度 ) 而 在 上 皮 细 胞 中 起 到 重要 的 作用 。 通 过 锦 钉 样 联接 (点 桥 粒 ; 作为 角 有 蛋白 纤维 的 锚 定 2) 国定 细胞 。 角 各 白 纤 维 在 较 高 等 动物 醒 的 外 保护 履 盖 物 中 含量 丰富 , 并 且 伴 随 细胞 的 成 芍 及 最 终 死亡 , 它 们 的 交 联 将 增加 , 形 成 角 化 的 外 皮肤 层 , 指 甲 和 头发 。 ROR, PSA FP - 肌 动 重 白 和 微 管 更 为 耐久 , 并 且 未 聚合 亚 单位 池 非 常 小 。 而 它们 的 装配 和 去 装配 由 许多 方式 来 调节 , 包 括 蛋 白质 水 解 和 磷酸 化 。 Spi 5.27 支持 哺乳 动物 细胞 核 内 膜 的 是 中 等 纤维 网 络 〈 称 为 核 纤 层 , 由 核 纤 层 蛋白 构成 )。 有 丝 分 用 的 前 期 林 , 核 膜 鹿 解 为 可 泡 , 这 是 由 核 纤 层 蛋 白 在 各 种 丝氨酸 残 基 上 的 大 酸 化 所 启动 的 5 这 使 得 核 纤 层 去 装配 。 在 有 丝 分 裂 完 成 , 核 纤 层 蛋白 去 磷酸 化 使 得 每 个 新 的 子 代 细胞 中 的 发 泡 重 新 形成 包 庄 着 染色 体 的 核 膜 。 问题 解答 超 分 子 结构 的 装配 | 3.1 一 个 多 酶 复合 物 有 三 个 不 同 的 催化 活性 , 每 个 活性 有 8 个 位 点 。 比 较 下 列 两 种 情况 中 形成 缺陷 型 复合 物 的 频 度 : (a) 该 复合 物 在 一 个 步骤 中 作为 一 个 含有 8 000 FABER 残 基 的 长 多 肽 链 被 合成 。(b) 该 复合 物 通 过 三 个 步骤 被 构建 。 一 、 合 成 24 个 多 肽 链 : 8Xx200,8x300 和 8x500 个 氨基 酸 残 基 。 二 、 三 个 3 种 类 型 的 链 (每 种 各 一 个 ) 构 成 三 聚 体 。 三 、8 个 三 聚 体 装配 成 该 复合 物 (KR: 在 这 两 种 情况 下 每 个 操作 错误 的 频 度 为 10 ", 并 且 一 个 错误 将 导致 彻底 的 废弃 。)。 | am 1z2 * 蛋白 质 自我 装配 Dine +53 5.4 mA 5.5 胎儿 血红 蛋白 (HbF) 是 两 条 链 和 两 条 y 链 的 四 聚 体 。7 链 与 HbA AY BETH AD, 12 生物 化 学 ma (a2) HA#RARRHRKZ 1/10. Ah, ABBRZSCMHLMHME ZBxXx10°x 10°, HHEBZ IO TAZEWPA 8 个 是 缺陷 型 的 。 (b) 因为 缺陷 型 多 肽 链 不 能 形成 二 聚 体 而 被 废弃 以 及 任何 缺陷 的 二 聚 体 将 不 被 进一步 装配 , 所 以 , 缺 陷 型 复合 物 的 频 度 将 与 二 聚 体 最 后 装配 形成 复合 物 所 需 的 7 个 步 , 骤 有 关 , 这 个 频 度 为 7xX10-5。 因 此 , 三 步骤 过 程 形 成 的 缺陷 型 复 奉 物 要 比 单 步 又 过 程 少 1 000 倍 ; 另外 , 所 需 的 遗传 信息 也 仅 为 1MX8。 二 聚合 反应 2A 一 心 , 在 molL 为 单位 刻度 中 的 平衡 常数 为 10。 与 单 体 (10-3molL-1) 平 衡 的 二 聚 体 (molL -1) 的 浓度 是 多 少 ? ee. 调整 方程 式 - (5.1),[Az] =K[A]*. Ak, 2 -t@ eH, [A] =10° (10°7)*molL7!=0.1molL 7} 二 聚合 反应 2A 一 A,A 是 克 分 子 质量 为 40 000 gmol (HEAR, -FRRRA FT 10°molL :。 当 蛋白 质 的 总 浓度 为 18L 时 的 二 聚 体 的 重量 百分数 是 多 少 ? | 答 ; 将 所 有 的 单位 转换 为 一 致 是 重要 的 。 在 此 最 方便 的 是 使 用 molL :。 因 此 , 克 分 子 浓度 是 [A] =ca/M 和 [Ag] = cnw/2M,, 这 里 的 ca 和 ca DAME A Ay MK R (gL-1),M, 是 A 的 相对 分 子 质量 。。 AW RIKER ze: Ca= Gad Cas 因此 , Cs = 代 进 方程 式 (5.1), 得 到 ; [Az] (cr -caA)/2M,. og Le 调整 并 解 caNIKABK, SAADR, —ShERW (ABR), -—TPEER. E 根 可 由 下 列 方 程式 得 到 ; 区 所 三 «La fit SKice/ I.) cA 4K/M, {A K, crf M,, 2: cg=0.13gL"! 所 以 , 单 体 的 重量 百分数 是 13, 二 聚 体 的 重量 百分数 是 87。 以 10gL :的 总 浓度 重复 以 上 的 计算 。 ya (=) 使 用 题 $S.3 PRT R, RE 式 , 得 到 ; 2S [1 sole ee x 100) C4 x 10 Se 4x 10°/4 x 104 . en /2 _=1+ (2001) se sr el! 05437gL-1 这 表示 在 这 个 新 浓度 , 只 有 总 量 的 4.4%, 因 此 , 三 聚 体 的 重量 百分数 是 9$.6%。 注意 这 里 反映 的 基本 规律 : 如 果 进 行 自 我 聚合 的 分 子 总 浓度 增加 , 聚 合 形 式 的 比例 起 增加 。 一 个 必然 的 结构 是 : 稀 杰 对 单 体 有 利 。 这 是 Ostwald HER EH-PAT. ASH 和 蛋白质: 超 分 子 结构 它们 之 间 的 序列 有 许多 不 同 。 一 个 显著 的 不 同 是 : 在 B 链 中 H21 残 基 是 带 正 电 荷 的 组 氨 酸 , 而 y 链 中 却 是 中 性 的 丝氨酸 。 (a) 解释 : 为 什么 HbF 比 正 常 成 人 血红 蛋白 (HbA) 具有 更 高 的 氧 亲和力 ? (b) 这 种 效应 为 什么 在 生理 上 是 重要 的 ? 答 ; (a) 在 H21 氨基 酸 的 蔡 换 影响 B-B 有 裂隙 (BPG 结合 位 点 ), 在 HbF 中 少 两 个 正 电 荷 。 因此 ,BPG 与 HbF 结合 的 强度 减弱 , 而 且 , 氧 更 紧密 的 结合 并 较 难 从 HbF 释放 出 来 。 (b) 该 效应 使 得 HbF 通过 胎盘 从 成 熟 的 .HbA 夺取 氧 以 供 胎 外 需要 。 5.6, 关 椎 动物 红细胞 中 , 四 聚 体 与 氧 结合 是 协同 作用 ; 二 聚 体 没有 协同 效应 。 血 蛤 含有 两 种 血红 蛋白 分 子 : 由 两 对 不 相同 的 链 构成 的 四 聚 体 , 以 及 1/3 的 同 二 聚 体 , 这 些 链 均 具有 与 珠 蛋白 折 释 相似 的 三 级 结构 。 在 这 些 血 蛤 血红 蛋白 的 四 级 结构 中 , 位 于 血红 素 基 团 近 侧 和 远 侧 的 下 和 下 螺旋 与 亚 单位 相互 作用 形成 二 聚 体 链 之 间 广 泛 的 接触 有 关 。 与 峭 椎 动物 血红 蛋白 (E 和 下 螺旋 在 分 子 的 外 侧 ) 相 比 , 这 是 “ 背 人 靠 前 ”的 。 有 趣 的 : 是 , 二 聚 体 和 四 聚 体 蛤 血红 蛋白 协同 地 与 氧 结合 。 请 说 明 : 如 何 证 明 软 体 动物 二 聚 体 血红 蛋白 的 协同 作用 。 答 : 与 氧 结合 , 下 螺旋 〈 含 有 近 端 的 组 氨 酸 残 基 ) 移动 0.5A。 养 椎 动物 中 , 这 个 移动 (在 分 子 的 表面 ) 没有 直接 的 效应 , 只 作用 于 四 聚 体 结构 (af 二 聚 体 的 硬度 较 大 )。 在 蛤 中 , 这 料 的 移动 将 直接 影响 二 聚 体 的 结构 , 并 导致 对 氧 的 亲和力 增加 , 和 形成 协同 作用 。 5.7 有 许多 异常 和 突变 体 血 红 蛋 白 , 某 些 可 导致 病理 状态 。 镰 状 红细胞 血红 蛋白 (HbS) 就 是 其 中 之 一 , 其 分 子 中 , 正 常人 血红 蛋白 (HbA) B 链 第 6 位 的 谷 氨 酸 残 基 被 置换 为 顷 氢 酸 。 这 个 位 置 ( 称 为 86) 在 血红 蛋白 分 子 的 外 侧 。Hbs AS FAI Hh AE BR 环 系统 疾病 和 贫血 。 这 是 因为 ; 红细胞 在 静脉 循环 中 成 为 镰 状 , 导 致 其 在 毛细 血管 中 的 破裂 , 并 主要 被 脾脏 除去 。 为 什么 这 样 小 的 变化 〈 总 数 为 574 氨基 酸 中 的 两 个 氨基 BR) 会 引起 这 样 大 的 影响 ? 答 : 在 可 溶性 蛋白 质 外侧 的 氨基 酸 残 基 几乎 都 是 极 性 的 。HbA 中 强 极 性 的 谷 氢 酸 在 HbS 中 被 没有 极 性 的 顷 氨 酸 所 置换 导致 分 子 外 部 产生 一 个 朴 水 区 域 。 这 样 的 一 个 “ 黏 性 ”的 班 点 易于 与 其 他 分 子 上 的 互补 结合 位 点 相互 作用 。HbS (不 是 氧 合 的 HbS) 具有 这 样 的 一 个 位 点 , 这 导致 HbS 聚合 成 长 的 纤维 状 链 , 使 红细胞 的 形状 扭曲 形成 镰 状 。 在 热 带 非洲 HbS 基因 极为 常见 , 因 为 杂 合 子 个 体 (罕见 镰 状 ) 可 以 抵抗 最 危险 的 首 疾 类 型 。 一 吾 被 准 疾 感染 , 由 于 施加 高 的 氧化 压力 , 红 细胞 变 为 镰 状 ; 然后 , 这 些 细胞 通 过 脾脏 从 循环 系统 中 被 清除 出 去 。 5.8 血红 蛋白 w, 有 滑动 接触 中 的 突变 一 般 导 致 协同 效应 的 损失 。 在 Hbkewessy,8B 链 中 天 RAGRE G1 被 天 冬 酰 胺 置换 。 这 从 滑动 接触 去 掉 了 氢 键 (图 5 - 12), 这 种 滑动 接 触 稳定 脱氧 血红 蛋白 的 紧密 结构 , 但 不 涉及 氧 合 血 红 蛋 白 的 松弛 结构 。 该 氨基 酸 的 置 换 对 Hbxewesey 的 氧 亲 和 力 有 什么 影响 ? 2 Ha, Mo, BR 两 个 滑动 接触 中 的 相互 作用 的 丧失 所 导致 的 紧密 结构 稳定 性 的 下 降 , 氧 与 HbkgwMpsgy 结 含 所 需 的 能 量 减 少 。 因 此 ,Hbksgvpsgy 具 有 较 高 的 氧 亲 和 力 | (p50=15 托 ) 和 较 低 的 Hill 系数 ( 见 第 9 章 和 题 5.21)。 携 有 这 种 血红 蛋白 的 个 体 可 通过 生成 更 多 的 红细胞 来 进行 补偿 。 细胞 外 基质 (5.9 在 身体 中 胶原 蛋白 分 子 存在 一 个 连续 的 更 新 , 例 如 , 在 骨 的 重建 过 程 中 和 伤口 愈合 过 8 eee ge eek eee 13. 生物 化 学 程 中 。 有 许多 年 , 人 们 相信 三 重 螺旋 可 以 抵抗 所 有 的 蛋白 水 解 酶 的 攻击 。 在 最 近 20 年 中 , 发 现 了 许多 哺乳 动物 胶原 酶 , 该 酶 对 这 三 条 链 中 的 每 一 条 , 均 可 在 自 N 端 约 3/4 距离 的 甘氨酸 和 大 的 政 水 残 基 (1; 亮 氨 酸 、 异 亮 氨 酸 或 葵 丙 氨 酸 ) 之 间 进 行 裂解 。 | 一 个 不 稳定 的 区 域 , 且 氨 酸 和 羟 有 睛 氨 酸 含量 较 低 。 这 种 三 重 螺旋 的 裂解 如 何 使 胶 原 蛋白 进行 降解 ? SS 哺乳 动物 胶原 酶 对 胶原 蛋白 的 特异 裂解 形成 两 个 片段 (在 体温 下 不 稳定 万 并 开始 解 旋 为 单个 的 链 。 这 对 其 他 蛋白 水 解 酶 的 攻击 是 敏感 的 。 5.10 VI 型 胶原 蛋白 单 体 是 最 短 的 胶原 蛋白 分 子 (150 nm), 1/3 质量 为 三 重 螺旋 结构 域 , a. a 12 13 其 余 的 2/3 是 两 个 末端 球形 区 域 。 通 过 分 散 和 旋转 遮挡 的 电镜 观察 到 下 列 结 构 含 量 最 ALE: oe" ——@ ke—_ 135 nm 一 -一 全 | <0 a 说 明 , 该 结构 的 构造 , 并 讨论 如 何 进 一 步 装 配 形成 伸展 的 微 丝 。 = 左边 的 结构 显示 : 由 两 条 反 平 行 的 胶原 蛋白 VIBPFURKARERH RK 体 , 三 重 螺旋 片段 重 竹 75 nm。 该 二 聚 体 对 称 排 列 , 其 自由 的 (未 重 和 的 ) SBR 末端 剪 刀 样 交叉 形成 四 聚 体 , 示 于 右 侧 。 这 个 四 聚 体 作为 原 聚 体形 式 而 起 作用 , 它 未 上 端 和 末端 聚合 , 使 未 端 进一步 交叉 形成 线性 的 微 丝 多 聚 体 。 纤维 胶原 蛋白 (I、II、III 可 能 还 有 V) 链 的 基因 含有 约 50 个 短 的 外 显 子 (表达 的 区 域 ), 被 长 的 内 含 子 〈 不 表达 的 区 域 ) 所 隔离 ; 在 遗传 信息 被 翻译 为 蛋白 质 链 之 前 , 内 含 子 被 除去 ( 见 第 17 章 )。 三 重 螺旋 结构 域 的 外 显 子 较为 特殊 , 它 们 都 含有 数 个 倍 , 数 的 9 个 碱 基 对 ,54 倍 是 最 为 常见 的 , 然 后 是 108 倍 。 a 基 酸 , 该 基因 的 组 构 有 何 意义 ? ME 每 个 外 显 子 的 翻译 形成 一 个 长 的 寒 肽 , 是 三 个 氨基 酸 的 多 倍数 ; 19 6 RE 度 是 最 常见 的 , 相 当 于 三 重 螺旋 的 6 个 或 12 个 旋转 。 每 个 外 显 子 开始 于 编码 甘 氢 栈 的 密码 子 , 其 后 每 9 个 核 茜 酸 为 另外 的 密码 子 。 这 提示 ; 胶原 蛋白 基因 是 从 小 的 原始 的 基因 进化 而 来 , 并 且 该 基因 的 组 构 是 非常 保守 的 。 胶原 蛋白 合成 中 的 缺陷 可 导致 严重 的 结缔 组 织 异 常 。 在 Ehlers-Danlos 综合 征 VII 的 患者 , 皮 肤 薄 、 光 滑 〈( 较 难 治 愈 ), 过 度 灵 活 的 关节 和 弱 的 韧带 , 这 些 症 状 可 导致 关 节 错 位 。 已 有 报道 , 在 该 综合 征 中 , 外 显 子 46 (从 C 端 起 记 数 ) 缺失 编码 2 (1) 的 基因 。 这 个 序列 包括 : 前 胶原 蛋白 N - 肽 酶 的 切割 位 点 和 靠近 胶原 蛋白 2 (1) 链 的 正常 N 端的 一 个 赖 氨 酸 残 基 。 介 绍 该 外 显 子 的 缺失 对 I 型 胶原 蛋白 结构 的 影响 。 “四 答 : 4 N - 肽 酶 的 切割 位 点 缺失 将 阻止 2 (I) WRARE SR HES HCHE, Ak, Kw 熟 链 将 具有 大 的 N 端 伸展 约 50 个 氨基 酸 , 这 将 干扰 三 重 螺旋 胶原 蛋白 分 子 适当 的 装 配 为 原 纤 维 。 赖 氨 酸 的 缺失 将 阻止 4 个 主要 的 链 内 交 联 (2 (1) 链 与 其 临近 的 链 交 错 连接 ) 的 中 的 一 个 交 联 的 形成 。 总 的 影响 是 削弱 依赖 于 工 型 胶原 蛋白 的 组 织 的 张 齐 | 强度 。 在 硫酸 软骨 素 的 合成 中 连续 添加 单 糖 单位 的 过 + 程 中 需要 多 少 特 异 的 粮 基 转移 酶 ? 注意 严格 的 底 物 特异 性 。 ee, Ae 需要 6 个 糖 基 转移 酶 (图 5-21), 它 们 作用 的 顺序 如 下 : (1) _ PREG, Ai see nat. 第 5 章 RAM: 超 分 子 结构 -a25" (2) 半 和 乳糖 基 转 移 酶 [ ( 木 糖 特异 ),(3) 半 乳 糖 基 转移 酶 II (FIBA), (4) 葡 欧 糖 醛 酸 转 移 酶 1 (GaLGal 特 异 ),(5) NI- 乙酰 葡萄 糖 胺 转移 酶 ,(6) 葡萄 糖 醛 酸 转移 酶 II (N -乙酰 葡萄 糖 胺 特异 )。 最 后 , 硫 酸 基 转移 酶 催化 硫酸 基 团 的 加 入 。 细胞 骨架 5.14 如 果 血 影 蛋 白 杂 二 聚 体 头 靠 头 聚合 , 观 察 并 解释 像 十 二 聚 体 那 样 大 的 高 聚 体 。 , 答 : 每 个 血 影 蛋白 链 的 头 另 一 个 杂 二 聚 体 互 补 链 的 头 部 相互 作用 。 在 四 聚 体 中 , 存 在 成 对 的 相互 作用 (图 $-31), 在 更 高 级 的 寡 聚 体 中 , 可 形成 一 个 闭合 的 环 , 由 于 头 部 区 域 较 为 柔软 。 这 示 于 图 $-39 中 六 聚 体 , 但 这 种 自我 装配 可 无 限 地 进 ;所 村 +. BA ag a ~B - ; B…A 六 聚 体 é.0 Be a: Pl 5 - 39 B, . | 5.15 , 几 种 骨架 蛋白 含有 长 的 盘 曲 螺旋 结构 域 , 其 中 , 两 个 或 三 个 -螺旋 相互 盘 绕 。 在 水 溶液 中 u -螺旋 形成 稳定 的 盘 曲 螺旋 需要 什么 样 的 序列 特点 / 答 Q= 螺 旋 每 图 含有 3.6 个 氨基 酸 残 基 , 在 盘 曲 螺旋 中 , 这 形成 每 两 圈 = 螺旋 7 个 残 基 。 WRKTISRARTA: a b,c, de, ff g, RH afb (Ke, 作为 选择 ) 将 是 RAW, CMKRPRHREREe RRN-WPR RRA P SC, BERK AK 个 结构 是 稳定 的 。 这 称 为 七 重复 。 5.16 细胞 中 许多 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 的 装配 是 临时 的 结 者 构 。 一 个 例子 是 出 现在 细胞 分 裂 过 程 中 质 膜 下 的 收缩 环 。 由 于 环 的 收缩 , 细 胞 的 中 央 缩 陷 直至 形成 两 个 子 代 细胞 。 什 么 样 的 相互 作用 和 过 程 导致 这 个 收缩 的 发 生 ? 注意 该 环保 持 稳 定 的 厚度 。 答 : 为 了 在 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 之 间 形 成 力量 去 作用 于 膜 , 收 缩 环 必须 通过 特异 的 肌 动 蛋 白 集 合 蛋 白质 锚 定 在 膜 上 。 在 细胞 收缩 时 , 该 收缩 环 必 须 一 点 儿 一 点 儿 的 去 装配 并 保 持 稳定 的 厚度 。 S17 解释 生物 碱 类 药物 秋水 仙 素 〈 与 微 管 二 聚 体 紧 密 结合 ) 如 何 阻止 有 丝 分 裂 。 答 秋水 仙 素 与 微 管 蛋 白 二 聚 体 结合 不 仅 阻 止 微 管 的 形成 和 聚合 , 通 过 将 游离 的 微 管 蛋白 浓度 降低 到 临界 浓度 以 下 , 也 可 导致 有 丝 分 裂 纺锤 体 的 降解 和 解 聚 。 类 似 的 药物 已 被 用 于 抗 肿瘤 。 生物 化 学 5.18 , 核 被 膜 是 超 分 子 装置 , 位 于 核 的 内 表面 。 被 膜 的 主要 和 蛋 晶 质 是 A,B 和 C 核 纤 层 蛋 自 , 它 们 是 中 等 纤维 家 族 的 成 员 。 核 纤 层 蛋白 有 何 特 征 ? 等 中 等 纤维 家 族 的 蛋白 质 具 有 大 的 中 心 区 域 , 该 区 域 中 的 序列 具有 高 度 的 同 源 性 , 尼 折 和 登 成 w -螺旋 并 具有 7 重复 单元 使 得 盘 曲 螺旋 结构 域 形成 。 在 盘 曲 螺旋 结构 域 之 间 的 时 短 随机 部 分 是 保守 的 。 在 两 个 球形 末端 区 域 存在 着 很 大 的 序列 差异 。 补充 问题 | .5.19 二 聚合 反应 2A 一 Aj, 计 算 下 列 条 件 中 二 聚 体 的 浓度 (mol 站 5) : K [A] (mol L~') (a) 10° 1 (b) 10° 107 (c) 10° 1074 f 1] 5.20 “BARN 2ASA, KH AE—THATREH 50 000 ¢ ml HEAR; ZAR | 总 浓度 是 18L +, 平衡 常数 是 (2) 10000 和 (b) 10?, 计 算 ; 二 聚 体 的 重量 百分数 | 5.21 20 世纪 初 ,Hill 推导 出 一 个 有 用 的 方程 式 , MQ2H27 aoe 方程 st (pO2)" (pO2)" + ( p50)" Hab, Y EME AES RA EHM, pO, 是 O; HOE, p50 Y=0. 5 | ( 即 ,50%% 的 位 点 被 填 满 ) 时 的 氧 分 压 ,, 是 Hill 系数 (度量 协同 程度 )。 人 HbA 的 用 7 值 是 2.8, 而 肌 红 蛋白 〈 没 有 协同 作用 ) 是 1。 计 算 : 血红 蛋白 从 肺 到 作 功 的 肌肉 | 过 程 中 饱和 状态 AY 的 变化 , 在 下 列 条 件 下 , 肺 的 pO, 是 100 toor, 肌 肉 的 20; F Y =- 20 托 : . BAR p50/torr n (a) HbA 26 ; 25 i (b) 非 协 同 作 用 的 Hb 26 1 (c) Mb 样 的 Hb 1 1 (d) HbA 带 有 高 DPG 31 2.8 P| (e) 钳 样 二 聚 体 Hb 26 1.5 : 5.22 ”稳定 脱氧 血红 蛋白 的 盐 键 之 一 与 氯 离子 有 关 。 说 明 : 这 个 离子 如 何 作为 别 构 效 应 物 而 起 作用 。 5.23 在 异常 血红 蛋白 HbkaNsas 中 ,8 链 G4 是 苏 氨 酸 而 不 是 HLA 中 的 天 冬 酰 腕 。 这 个 变化 减弱 氧 合 血红 蛋白 松弛 状态 滑动 接触 的 相互 作用 , 而 不 影响 紧密 状态 。 与 HbA 的 氧 亲和力 比较 ,HbrkaNsas 的 氧 亲 和 力 将 如 何 变化 ? 5.24 下 列 哪个 合成 的 多 肽 将 形成 与 胶原 蛋白 相似 的 三 重 螺旋 ? (a) (RAR-HAR),, (b) (HHARM-IRAR-HAR),, (c) (RAR-HAR-HARB),, 加 :23 5.26 ASHE BAR: 超 分 子 结构 (d) (HRAR-HAR-HAR-HAR),, 哪个 形成 的 三 重 螺旋 最 稳定 ? 为 什么 胶原 蛋白 的 三 重 螺旋 对 于 提供 张力 强度 是 比 e 螺旋 好 的 结构 ? 胶原 蛋白 前 链 的 部 分 序列 为 : -HARHAR- ZAR HAR-AAR-HAR-hA AR-KARB-HAR-ZAR-HAR-HAR-HAR-HAR-HAR-AAR- A RHARHAR-AARK-HAR-HAR-BAR-HAR-AR-AR-HA R-CAR-KAR-HAR-FAR-HAR-HAR-AAR-ZAR-. (a) 有 多 少 残 FE Riis A ES (FEL? (b) 在 胶原 酶 〈 源 自 气 性 坏 赴 有 机 体 一 一 溶 组 织 杆菌 ) 消 化 后 可 形成 多 少 肽 ? 该 酶 特异 裂解 序列 - 且 氨 酸 - X -甘氨酸 - 且 氨 酸 -中 甘氨酸 前 的 键 。 在 骨 形 成 的 钙化 过 程 中 , 沿 胶原 蛋白 纤维 间隔 67 nm 有 羟基 础 灰 石 的 初步 结晶 。 其 原因 是 什么 ? 在 骨 关 节 炎 中 , 形 成 蛋白 聚 糖 片段 。 这 些 片段 是 通过 (炎症 反应 中 产生 的 ) SABE 用 而 形成 的 。 在 蛋白 聚 糖 的 什么 位 置 蛋白 酶 最 容易 发 生 作 用 ? 在 0.01% 的 溶液 中 , 透 明 质 酸 占据 整个 体积 。1 分 子 透 明 质 酸 (M,=1.5X10°) 占 据 的 体积 与 $ 分 子 胶原 蛋白 (M,=300 000; 直径 : 1.5nm; KE: 300 nm) 所 占据 的 体积 比例 是 多 少 ? 中 等 纤维 类 型 及 其 亚 型 的 鉴别 如 何 帮 助 癌症 的 诊断 和 分 类 ? 在 快速 轴 突 运输 中 , 动 力 蛋 白 驱 动 器 可 将 宫 泡 从 轴 突 的 末端 (SHE) 运输 到 细 胞 体 〈 微 管 的 负 端 )。 其 行程 可 多 达 一 米 。 由 于 动力 蛋白 是 负 端 介 导 的 驱动 器 , 它 如 何以 微 管 的 正 端 作为 起 始 位 置 ? oan) Way Ay 脂 , 膜 , 运 输 和 信号 < 人 脂 是 一 类 从 生物 体内 通过 弱 极 性 或 非 极 性 溶剂 抽 提 而 得 到 的 不 溶 于 水 的 化 合 物 。 这 个 定 义 是 基于 脂 类 的 物理 性 质 , 而 和 蛋白质 、 碳 水 化 合 物 和 核酸 的 定义 却 是 基于 它们 的 化 学 结构 。 所 以 , 脂 这 个 名 词 包 括 一 群 结 构 互 不 相同 的 化 合 物 , 而 且 脂 的 分 类 也 没有 一 个 普遍 被 认同 的 星 标准 。 Spl 6.1 请 指出 下 列 化 合 物 中 的 脂 类 化 合 物 : CH; (CH>),4COO7~ ~ CH,CH,COO7 (1) RARER ”(2) 丙 酸 盐 CH; (CH;)14CH,OH ¢ (3) Sa (4) # SS (S) FBR (6) fA OH 人 HG 0 《9 (7) yA HO O (8) SARE 第 6 章 , 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 .129 , COO st OH OH (9) 前 裂 腺 素 E, 化 合 物 1、3 和 5 到 9 属于 脂 类 , 因 为 它们 是 生物 体 起 源 并 且 能 够 溶 于 有 机 溶剂 。 上 述 化 合 物 的 所 和 碳 均 占 了 很 高 的 比例 , 因 此 而 产生 了 定义 中 的 第 二 个 性 质 即 它们 不 溶 于 水 。 化 合 物 4 不 是 脂 , 因 为 它 不 能 独立 存在 于 生物 体内 。 化 合 物 2 是 水 溶性 的 , 但 因为 它 是 属于 化 合 物 1 系列 中 的 一 员 , 因 此 它 通 常 被 看 作 脂 。 6.2 脂 的 分 类 从 生物 学 角度 看 , 所 有 脂 类 的 一 个 共同 特征 就 是 它们 的 碳 氢 组 分 均 是 由 乙酸 发 生 聚 合 反 应 而 形成 的 , 这 个 过 程 伴随 着 链 的 还 原作 用 。( 但 是 这 种 聚合 反应 也 可 以 合成 脂 以 外 的 其 他 化 合 物 , 所 以 这 个 性 质 不 能 作为 脂 类 的 定义 。) 例如 , 乙 酸 的 聚合 反应 能 够 引起 下 列 物质 的 生成 , 1. 长 的 线性 烃 链 : 2CH5GCOGO —-—> CH3;COCH,CO::: --—» CH3;CH2CH2CH;°:: 这 个 反应 的 产物 为 脂肪 酸 CHs(CH2 ),, COOH, 而 脂肪 酸 又 可 以 导致 腕 和 醇 的 生成 。 脂 WBA NS TS HH RAR ARS. 2. Ht — TRAY FA) Fc (SR ei) 生成 分 支 链 烃 : ‘*¥ 3CH;COO:-——> —~>(CH;—CH=C—CH,—)—> —>if¥ (包括 类 固 醇和 类 胡萝卜 素 ) 3. 部 分 还 原 的 线性 或 环 状 结构 : 这 些 化 合 物 称 为 聚 酮 化 合 物 。 大 多 数 这 类 化 合 物 为 芳香 性 的 , 而 且 它 们 的 形成 路 径 遵循 了 苯 环 在 自然 界 合成 的 原则 。 这 类 化 合 物 不 全 都 是 脂 , 因 为 部 分 还 原 通 常 会 留 下 含 氧 基 团 , 这 就 导致 生成 的 产物 可 溶 于 水 。 Ca nCH,COO- —-—— din OA CH. n—3 Fil 6.2 请 说 明 例 6.1 中 的 各 化 合 物 的 合成 路 径 〈 以 上 三 条 路 径 ): 化 合 物 1、3 和 9 是 通过 路 径 工 合成 的 。 化 合 物 $S 和 6 是 通过 路 径 2 合成 的 。 化 合 物 7 通过 路 径 3 合成 , 而 化 合 物 8 为 路 径 2 和 3 的 混合 产物 。 下 列 化 合 物 是 路 径 2 的 合成 产物 , 它 们 的 结构 式 的 虚线 断裂 处 即 为 异 戊 二 烽 单 位 的 连接 mens 维生素 了 6.3 脂肪 酸 在 自然 界 中 , 目 前 已 发 现 100 余 种 脂肪 酸 , 它 们 主要 在 链 的 长 度 和 饱和 度 方面 有 差异 , 几乎 所 有 的 脂肪 酸 都 含有 偶数 碳 原 子 , 大 部 分 由 线性 碳 链 组 成 , 少 数 具 有 分 支 结构 。 自 然 界 中 只 有 极 少数 脂肪 酸 独 立 存 在 , 绝 大 多 数 是 作为 其 他 脂 类 的 酯 化 组 分 。 羧 基 的 pK, KAA 5, 在 生理 条 件 下 , 该 基 团 以 被 称 作 酰基 离子 的 离子 状态 存在 , 如 软 脂 酸 的 离子 软 脂 酸 盐 , CE5UGH 有 和 CODE CE 例 6.3 下 列 为 重要 的 生物 学 脂肪 酸 。 (a) 饱和 脂肪 酸 CH5(CH2 )14COO 百 CH3s(CH2 )15COO 百 软 脂 酸 硬 脂 酸 (十 六 烷 酸 ) (十 六 烷 酸 ) 16:0 18:0 (b) 不 饱和 脂肪 酸 , 双 键 通常 为 顺 式 构象 : CH; (CH> );CH=CH(CH,)7COOH fr Hal Hs BR ( 顺 - 9 -+- 75 BRAS HR ) 164 (c) 多 不 饱和 脂肪 酸 中 , 极 少 存在 共 斩 双 键 : CH; (CH) )4CH=CH—CH,—CH=CH (CH, );COOH 亚 油 酸 ( 顺 - 9,12 -十 八 碳 二 烯 酸 ) 18:2? 从 例 3 中 各 脂肪 酸 的 表示 方法 可 见 , 脂 肪 酸 的 结构 可 通过 数字 符号 表达 。 冒 号 左边 的 数 字 为 脂肪 酸 的 碳 原 子 个 数 , 右 边 是 双 键 的 个 数 , 记 号 全 后 的 数字 表示 了 双 键 的 碳 原子 位 置 , 而 碳 原子 的 计数 从 脂肪 酸 的 羧基 端 开 始 , 凑 基础 原子 为 第 1 个 碳 原子 。 Pil 6.4 下 列 脂 肠 酸 的 数字 名 称 、 系 统 名 称 和 常用 名 称 分 别 为 ; CH; (CH, );CH=CH(CH,);COOH ROR AR. RR, was - 131° 18:1 A-9-+ Ame BR ( 油 酸 ) CH;CH,CH=CH—CH,;—CH=CH—CH,—CH+CH( CH; );COOH 18:34 !215 顺 = 9, 12,15 -+/\ REI (a TL RR) CH3 (CH) )4 CH-=CH—CH,—CH=CH— CH,—CH==CH—CH,—CH=CH( CH) )3COOH 20:4458 11.14 顺 -5,8,11,14 -二 十 碳 四 烯 酸 (花生 四 烯 酸 ) 不 同 脂肪 酸 的 熔点 有 显著 差别 , 如 : ARR A 63°C ; 硬 脂 酸 为 70 ; WARRA 13° 反 油 酸 〈 反 - 9- 十 八 碳 烯 酸 ) A 44T 亚 油 酸 为 -SC ; au- 亚麻 酸 为 -11C 问题 : 为 什么 碳 原子 数目 相同 的 脂肪 酸 熔 点 不 同 ? 一 个 愧 和 链 状 碳 原子 的 首选 构象 为 长 的 直 链 结构 。 一 个 顺 式 双 键 会 引起 结构 上 的 弯曲 , 与 相同 长 度 的 侈 和 脂肪 酸 相 比 , 这 将 会 导致 不 易 折 麦 为 晶体 结构 。 而 反 式 双 键 不 会 引起 链 的 弯曲 。 例 如 : 1. 饱和 碳 链 2. 有 一 个 反 式 双 键 的 碳 链 COOH rs (It P<. SON NS 3. 有 一 个 顺 式 双 键 的 碳 链 COOH ev = 站 2 与 相同 长 度 的 弯曲 分 子 相 比 , 直 链 分 子 能 够 更 紧密 地 聚集 在 一 起 , 形 成 高 熔点 的 晶体 结构 ; 换 句 话说 , 在 加 热 时 它们 需要 更 多 的 能 量 才能 相互 分 离 。 生物 体 中 的 不 饱和 脂肪 酸 顺 式 双 键 多 于 反 式 双 键 , 这 就 保证 了 含有 脂肪 酸 的 脂 类 具有 较 低 的 熔点 , 因 而 使 它们 在 生理 温度 下 保持 液态 。 问题; 除 不 伯 和 外 , 还 有 哪些 结构 对 脂肪 酸 的 熔点 有 影响 ? 。 分 支 结构 也 对 脂肪 酸 的 熔点 有 影响 。 例 如 : 硬 脂 酸 (18 个 碳 原子 ) 和 花生 酸 (20 个 碳 原子 ) 均 是 饱和 线性 的 , 它 们 的 熔点 分 别 为 75C 和 75C , 而 10- 甲 基 硬 脂 酸 为 10C 。 然 而 , 生 物体 内 鲜 有 分 支 结构 的 脂 肪 酸 , 它 们 合成 途径 的 进化 也 并 非 是 保持 脂 类 流动 性 的 主要 方式 。 SRC CH; 10 - 甲 基 硬 脂 酸 6.4 甘油 脂 甘油 脂 为 甘油 的 羟基 基 团 被 取代 的 一 类 脂 。 从 数量 上 讲 , 甘 油脂 是 动物 体内 含量 最 丰富 RE “32 , 生物 化 学 的 脂 类 。 二 元 醇 类 的 脂 与 甘油 脂 结构 类 似 , 但 含量 不 足 甘 油脂 的 1% 。 这 类 脂 中 常见 的 二 元 醇 如 乙 二 醇 .1,2- 丙二醇 和 1,3 -两 二 醇 , 因 为 它们 很 黎 有 , 因 此 二 元 醇 类 的 脂 类 就 不 作 进 —$it#z. CH,OH CEHOH CH,OH HOCH CHOH Bors CH,OH CH; 甘油 乙 二 醇 1, 2H | 三 酰 甘 油 CH,O . OCR 三 酰 甘 油 (TAG) 是 中 性 的 甘油 脂 , 也 称 作 甘 油 三 酯 。 ae 三 酰 甘 油 中 甘油 的 三 个 羟基 基 团 都 分 别 被 酯 化 , 通 常 是 被 不 | 。 同 的 脂肪 酸 酯 化 , 这 就 使 得 甘油 的 第 二 个 碳 原子 出 现 半 手 CHO OCR 性。 三 酰 甘 油 和 其 他 甘油 衡 生物 通常 用 一 种 传统 的 三 名 法 命 。 i tig Mahe ali Z, WEBI VEEL MH RKB (82 章 ), 从 上 到 下 的 碳 原子 分 别 为 第 1.2 和 3 10, WE sm OE 体 专 一 性 计数 ) 位 于 甘油 之 前 。 例 如 ( 见 左 图 ): —jh H- 2 AR sn -甘油 的 结构 支 为, CH,0 +» OC(CH; )7CH=CH(CH; )7CH3 - a r CH; ( CH, ) 14CO . OCCH CH,OH wd 这 是 一 个 二 酰 甘 油 , 细 胞 内 发 现 二 栈 和 单 酰 甘 油 的 存在 , 但 含量 较 低 , 它 们 主要 是 甘油 和 厂 脂 的 代谢 产物 。 三 酰 甘油 因为 具有 食物 贮藏 的 功能 , ee 于 脂肪 组 织 的 细胞 内 , 在 那里 它们 形成 贮存 脂肪 。 三 酰 甘油 的 酯 键 水 解 后 从 脂肪 组 织 释 放 甘 油 和 脂肪 酸 的 过 程 称 为 脂肪 动员 , 贮 存 脂肪 是 不 溶 于 水 的 三 酰 甘油 的 混合 物 , 这 些 混 合 物 中 的 三 酰 甘油 因 组 成 的 三 个 脂 酰 基 的 不 同 而 性 质 各 异 。 or) aie a 问题 : 贮存 脂肪 内 的 不 他 和 脂肪 酸 含量 很 高 , 这 个 性 质 对 细胞 有 何 益处 ? ihe CAEN FR RS REDS He FE OES 能 使 它 保 持 流动 性 的 细胞 质 中 。 同 样 , 固 体 脂肪 会 使 脂肪 组 织 坚硬 , 在 机 械 压 力 下 不 易 弯 曲 。 通常 贮存 脂肪 的 熔点 比 体温 低 几 度 , 贮 存 脂肪 脂肪 酸 的 组 成 要 兼顾 保持 脂肪 流动 性 和 储量 存 足够 能 量 两 方面 〔 氧 化 时 , 不 饱和 脂肪 酸 比 相同 长 度 的 侈 和 脂肪 酸 产 能 少 。)。 磷酸 甘油 本 联 酸 甘油 酯 为 极 性 的 甘油 脂 , 通 常 指 磅 脂 。 磷 脂 也 指 其 CH,OH AAR Ae HEEL RY RES, PLE Oy AS PE Peal. 所 有 的 磷酸 甘油 酯 均 来 源 于 sn -甘油 - 3 -磷酸 , 其 中 的 [a PRS C- 3 的 羟基 发 生 酯 化 ,C - 1 和 C - 2 HYFRAES SIS ea # 肪 酸 发 生 酯 化 。 OH sn -甘油 - 3 -磷酸 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 问题 : sn -甘油 - 3 -磷酸 在 生理 pH 时 将 以 怎样 的 形式 存在 ? 磁 酸 单 酯 的 pK。 值 分 别 约 为 1 和 6, 因 此 , 当 pH 为 7 时 , 存 在 两 种 离子 形式 , 其 中 二 价 阴离子 占 主 时 地 位 : eA: CH,OH ‘aie 7 HOCH ? Eh veka 1 CHIO--F-0O OH Cr 磷酸 甘油 酯 是 以 与 磷酸 甘油 发 生 酯 化 反应 的 醇 的 性 质 ?0 . R 进行 命名 和 分 类 的 〈 表 6.1)。 en Sa 绝 大 多 数 磷酸 甘油 酯 的 C- 1 上 的 脂肪 酸 为 饱和 的 , | 而 C-2 上 的 为 不 饱和 的 。 尽 管 磷酸 甘油 酯 的 结构 各 异 , a to ile (LEE 7 FF Ae PR EN BA X 基 团 的 混合 O- 物 。 有 些 磷 酸 甘油 酯 的 C- 1 被 长 链 的 脂肪 醇 醚 化 〈 而 非 酯 化 ), 倒 如 缩 醛 磷脂 〈 如 右 图 )。 区 表 6.1 一 些 主要 的 磷酸 甘油 酯 CH,O—P—OX ue ; X—OH 的 名 称 X 的 结构 磷酸 甘油 酯 的 名 称 (FES) 水 >H 磷脂 酸 [磷脂 酸 离子 ] (PA) 。 乙醇胺 一 CH 一 CHNH3 BEARBE ZBL (PE) 胆 碱 —CH;—CH,N(CH;)3 磷脂 酰 胆 碱 (PC) 一 CHCHNH3 丝氨酸 | EASA (PS) COO- 甘油 —CH,CH(OH)CH,OH 磷脂 酰 甘 油 (PG) 1 二 磷脂 酰 甘 油 人 二 磷脂 酰 甘油 LOBRHE] (DPG) 0- HCO: OCR R‘CO + OCH; 磷酸 甘油 酯 之 所 以 被 称 作 极 性 脂 类 是 因为 磷酸 甘油 酯 的 酯 化 的 磷酸 带 有 电荷 。 但 极 性 是 一 个 相对 意义 上 的 概念 , 相 对 于 三 酰 甘 油 , 磷 酸 甘 油 酯 为 极 性 的 ; 但 从 绝对 意义 上 讲 , 磷 酸 甘 油 酯 为 非 极 性 的 , 因 为 它 们 不 溶 于 水 。 ee 肌 醇 磷脂 酰 肌 醇 (PI) OH | | 问题 : 为 什么 磷酸 甘油 酯 常 被 称 作 极 性 脂 类 ? * 133 » 134° 生物 化 学 动物 细胞 内 的 磷酸 甘油 酯 大 约 有 1% 是 以 溶血 磷酸 甘油 酯 的 形式 存在 。 溶 血 磷 酸 甘油 酯 由 于 磷酸 甘油 酯 C-2 上 的 酰基 丢失 而 形成 , 它 们 的 命名 是 在 相应 的 磷酸 甘油 酯 前 加 前 组 溶 血 。 问题 : 请 写 出 溶血 磷脂 酰 胆 碱 的 结构 式 。 no ma i 7 CHO P—O(CH) N (CH); La 糖 甘油 脂 4 在 某 些 方面 , 糖 甘油 脂 与 磷酸 甘油 酯 相似 , 它 们 同样 都 含有 朴 水 和 极 性 〈 亲 水 ) 部 分 。 糖 甘 油脂 的 极 性 部 分 并 非 磷酸 而 是 糖 。 Sill 6.6 | — AS RA 8g BTA 6 a D-H SLB B- Dhl hw, HEBD 法 已 在 第 2 章 介 绍 过 , 因 而 这 个 糖 甘 油脂 的 结构 为 : CH:0-OCR R'CO-OCH CH20 O-—CH, OH HO O OH CH,OH HO OH OH 6.5 #8 fs 荆 脂 是 由 长 链 的 产 化 碱 街 生 而 来 , 并 非 甘油 的 衍生 物 。 动 物体 内 发 现 两 种 辅 脂 ; Bate 是 HIARAM HARA), HARE AH Ih. CH; ( CH, ) 12 Jose aly ines OH CH; ( CH), ) 12 CH, CH, Niall) me OH ¥ OH *NH; OH *NH; CE HARMAN 问题 : EE DAP, PARR eH LS a? : 神经 畏 氨 醇 的 极 性 部 分 与 丝氨酸 相似 , 非 极 性 部 分 与 软 脂 酸 相 似 , 二 者 发 生还 原 反 应 , 释 放 1 分子 , CO, BNA: HEE BH AE ~ OOCCHCH,OH CH3(CH))14COO7 +NH3 (a) (b) 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信号 当 业 氨 醇 或 神经 鞘 氨 醇 的 氨基 与 脂肪 酸 发 生 酰基 化 反应 后 可 生成 神经 酰胺 。 CH3(CH> ) ‘ameilies °F: Vi bi OH OH ny CO | R Tile OS SS Fs PT BS OE Hs FB AS Oe A BY SS — SE ll LAT AR TT Bes His 在 磷酸 鞘 脂 中 , 鞘 脂 的 第 一 个 羟基 与 磷 酰 胆 碱 发 生 酯 化 反应 , 形 成 的 脂 即 为 蔓 磷脂 。 它 具有 如 下 结构 : O | , CH3(CHp) pT ne ee he CH, )2N (CHs)3 b R BEA 鞘 磷 脂 中 的 酯 酰基 一 般 不 常见 , 例 如 木 蜡 酰基 24:0 神经 酰基 24:144 脑 酮 酰基 24:0,C -2 羟基 化 鞘 糖 脂 中 的 第 一 个 羟基 被 糖化 , 即 羟基 被 大 分 子 的 糖 取代 , 而 不 是 被 单 糖 或 寡 糖 取代 。 鞘 糖 脂 中 糖 的 部 分 如 果 含 有 唾液 酸 残 基 , 则 被 称 作 神 经 节 苷 脂 。 根 据 所 含 糖 的 不 同 , 目 前 已 发 现 至 少 50 种 鞘 糖 脂 , 并 且 , 每 一 种 畏 糖 脂 的 神经 酰胺 部 分 也 含 不 同 的 脂肪 酸 。 CE 例 6.7 以 下 为 一 些 常 见 的 鞘 糖 脂 , CH, (CH,) ; CH=CHCH—CH—CH, —'Gal OH NH | sat R 半 乳 糖苷 神经 酰胺 Te CH Gle'— Gal’—'Gal’—'GalNAc OH NH ie 红细胞 糖苷 脂 Ls Td * 136° 生物 化 学 CH,(CH,) ,CH—CHCH—CH-CH, ,'Gle ", Gal, GalNAc OH Ms al, oe NeuNAc | R i Tag-Sachs #14 i # fig Gle: ™ B#; Gal: +94; GalNAc: N -已 酰 氨基 半 乳 糖 ;, NeuNAc: 唾液 酸 6.6 源 自 异 成 二 烯 《 熙 ) 的 脂 类 1. 油脂 中 存在 的 萌 类 绝 大 多 数 含 有 CioHis 的 结构 。 2. 熙 类 所 含 的 碳 原子 数目 均 大 于 10, 通 常 为 5 的 倍数 , 而 它们 的 结构 各 异 。 3. 许多 相似 的 水 不 溶性 的 茧 类 在 自然 界 中 分 布 非常 广泛 。 许 多 植物 中 发 现 大 量 的 蒿 , 它们 同样 也 存在 于 其 他 生物 中 。 酉 最 初 是 指 用 水 蒸气 蒸馏 松节油 〈 一 种 松树 的 抽 提 物 ) 而 得 到 的 油 。 它 具 有 以 下 特点 | 熙 类 BGA A 10 个 碳 原子 的 蓝 类 , 例 如 : NE CHOH RAF & a et ERK 牧牛 儿 醇 ( 香 叶 醇 ) cy fF HE A — HAE A 15 和 20 个 碳 原子 , 例 如 : = CHOH | 7 BS SOR EY ee HOCH, 4 | 法 尼 醇 维生素 了 =i 〈 含 30 个 碳 原子 ) AR 〈 含 40 个 碳 原 子 ) 需 特 别 注 意 , 因 为 它们 能 哆 产生 藉 轩 BAAWMS hR. Heli 〈 一 种 三 昔 ) 是 例 6.1 中 的 化 合 物 6。 CT 信人 人 全 人 全 Py B-Ab AAA AW ES RAS, WARE. (UAE ERA, IZA a a 〈 参 见 第 6 章 Ae, BR. eit s 137° | 14). 1 O CH;O H CH,OH CH; H A goth 2 CH;0O S ) Cn 3 6~10 O 18~20 Be XS ii BE 类 固 醇 , “从 结构 看 , 类 固 醇 是 还 原 性 的 芳香 族 碳 氢化 合 物 环 戊 烷 多 氢 菲 的 簿 生物。 尽管 在 结构 上 与 菲 相 关 , 但 类 固 醇 并 非 聚 酮 化 合 物 而 为 真正 的 莫 类 , 在 生物 体内 , 它 们 是 由 异 成 二 炳 通过 fie tT BLY 6 4 RK Mite & A ae 菲 固 醇 类 化 合 物 是 含有 一 个 或 多 个 羟基 的 类 固 醇 。 例 如 : 胆固醇 一 一 动物 细胞 膜 的 主要 组 分 ; 军 酮 一 一 种 性 激素 ; 胆 酸 一 一 胆汁 的 一 种 主要 组 分 。 | PIMA Ae — PE RAP a, FAP A, IRR or ER 基 是 位 于 平面 前 (8) 还 是 平面 后 (0). PAS AZ li) SE Te PA AY Bie De BY Hie ARE By Bg = 138 - 生物 化 学 定 了 固 醇 分 子 构象 的 顺 反 式 , 反 式 稠 环 为 平 直 结 构 , 而 顺 式 稠 环 为 弯曲 结构 。 胆 固 醇和 军 酮 为 顺 式 稠 环 , 它 们 是 很 重要 的 平面 结构 。 H H V Lh] : H RAH 顺 式 稠 环 问题 : 请 问 胆 酸 的 三 维 结构 中 稠 环 是 皇 样 排列 的 ? C,HsCOOH 类 胡萝卜 素 类 胡 葛 卜 素 是 含 40 个 碳 原子 的 烃 即 胡萝卜 素 的 羟基 克 生物 。 这 类 化 合 物 高 度 共 恩 , 以 能 吸收 可 见 光 , 根 据 吸收 色素 为 黄 和 红 , 可 分 为 胡 葛 卜 素 和 类 胡 葛 仆 素 。 这 些 色素 常常 参 与 生物 体 与 光 的 相互 作用 , 因 此 ,b -胡萝卜 素 (— HO) 在 动物 体内 能 代谢 为 维生素 (二 者 的 结构 见 前 ), 而 维生素 A 对 视觉 活动 很 必要 。 6.7 脂 在 水 中 的 性 质 从 定义 看 , 脂 不 溶 于 水 。 但 脂 存在 于 水 环境 中 , 并 且 脂 具有 亲 水 性 , 因 此 , 脂 在 水 中 的 下 性 质 具 有 非常 重要 的 生化 意义 。 许多 脂 类 具有 两 亲 性 , 即 它们 由 两 部 分 组 成 一 一 非 极 性 的 烃 区 域 和 极 性 区 域 (或 离子 罗 域 , 或 既 有 极 性 又 含 离子 的 区 域 )。 问题 : 以 下 脂 类 哪些 具有 两 亲 性 : 脂肪 酸 ; 酰基 离子 ; 三 酰 甘 油 ; FR; PRA; BRAG; 蒜 糖 脂 ? 脂肪 酸 、 三 酰 甘 油 和 胆固醇 为 非 两 亲 性 的 , 因 为 它们 所 含 的 极 性 非常 弱 。 而 其 他 化 合 物 的 分 子 含有 至 | 少 工 个 以 上 的 电荷 或 大 量 羟 基 , 因 而 具有 两 亲人 性 。 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 «139 4 RED Fora Skat, Bik aod 〈 即 烃 链 ) 通过 自 聚 集 作 用 从 溶剂 中 分 离 出 。 聚 集 产物 即 为 微 团 〈 指 分 散 于 水 中 的 聚集 物 ) 和 单 分 子 层 〈 指 水 - 空气 边界 的 聚集 物 )。 图 6-1 表明 一 个 亲 水 脂 分 子 〈 以 符号 O 一 表示 ,0O 代表 极 性 头 部 , 一 代表 非 极 性 尾部 ) 是 怎样 在 水 的 表面 形成 单 分 子 层 , 极 性 头 部 与 水 相连 , 以 保证 非 极 性 尾部 尽 可 能 下 离 水 。 烃 链 朴 远 极 性 溶剂 一 一 水 的 倾向 即 为 疏水 效应 〈 第 4 章 )。 烃 不 与 水 形成 氢 键 , 而 水 包 围 着 烃 有 助 于 水 分 子 之 间 形 成 氢 键 。 与 没有 烃 时 相 比 , 有 烃 时 , 水 的 结构 更 规则 。 换 句 话 说 , 烃 不 存在 时 , 水 失去 箭 (第 10 章 ), 因 而 处 于 热力 学 不 稳定 状态 。 这 种 状态 由 于 烃 有 序 地 存在 而 避免 , 以 便 烃 远离 水 , 因 此 使 靠近 烃 的 水 分 子 不 太 规则 。 所 以 , 葡 水 效应 被 称 作 灶 驱动 。 仅 有 一 小 部 分 两 亲 性 脂 分 散在 水 中 时 能 够 形成 单 分 子 层 〈 除 非 水 以 非常 薄 的 薄膜 存在 ), 这 时 大 量 的 脂 形成 了 可 溶性 的 微 团 。 微 轩 有 各 种 各 样 的 形式 以 满足 芷 水 效应 。 图 6-2 是 一 个 球形 微 团 的 示意 图 , 当 然 也 存在 椭圆 形 、 圆 盘 状 和 圆柱 状 的 微 团 。 H2O d H2O 闭合 的 空心 球状 的 双 分 子 层 结构 也 有 可 能 存在 [图 6-3 (a)], 这 种 结构 称 作 小 泡 。 问题 : 请 问 是 否 还 存在 适应 于 水 的 其 他 两 亲 性 脂 类 ? 闭合 的 空心 球状 的 双 分 子 层 结构 也 有 可 能 存在 [图 6-3 (a)], 这 种 结构 称 作 小 泡 。 小 泡 最 主要 的 概念 就 是 两 层 脂 分 子 的 烃 链 相对 [ 双 分 子 层 , 图 6-3 (b)], 分 离 的 双 分 子 层 不 可 能 像 分 离 前 那样 存在 于 水 中 , 因为 非 极 性 尾部 将 会 在 边缘 暴露 , 这 种 情况 能 够 通过 脂 的 片 层 的 弯曲 形成 一 个 自我 封闭 的 空心 球状 得 以 避 fio 图 6-3 脂 双 分 子 层 的 形式 * 140° 生物 化 学 微 团 和 双 分 子 层 都 是 通过 两 种 相反 的 力 的 作用 产生 : 呈 使 烃 链 聚集 的 朴 水 力 效应 能 产生 烃 链 之 间 的 吸引 力作 用 〈 范 德 华 引力 ) 和 外 极 性 头 部 的 排斥 作用 。 问题 : 微 团 大 小 的 最 小 限度 由 什么 决定 ? 由 芯 水 效应 决定 。 在 水 - 烃 界面 消除 之 前 , 必 须 有 最 小 数目 的 烃 链 相 结合 , 这 种 结合 过 程 是 协同 过 程 , 因此 就 决定 了 微 团 的 最 小 限度 。 问题 : 微 轩 大 小 的 最 大 限度 由 什么 决定 ? 由 极 性 头 部 的 排斥 作用 决定 。 与 极 性 头 部 和 一 个 烃 链 相 连 的 两 亲 性 脂 分 子 相 比 , 每 个 极 性 头 部 与 两 个 烃 链 相连 的 两 亲 性 脂 分 子 , 其 非 极 性 基 团 的 体积 是 前 者 的 两 倍 。 后 一 种 情况 会 产生 更 大 的 排斥 力 以 阻止 脂 分 子 紧密 结合 , 因 而 保持 了 微 团 的 最 小 玉 寸 。 而 前 一 种 情况 排斥 力 较 小 , 烃 链 体积 相对 较 大 , 这 样 就 能 形 四 成 较 大 的 结构 , 即 双 分 子 层 和 小 泡 。 问题 : 分 别 是 哪 种 脂 类 形成 小 微 团 、 小 泡 和 双 分 子 层 ? 一 个 两 亲 性 分 子 的 烃 链 相对 于 极 性 头 部 的 长 度 , 对 其 在 极 性 溶剂 如 水 中 形成 微 团 或 小 泡 具有 影响 。 酰 “ 基 离子 和 溶血 磷酸 甘油 酯 形成 小 微 团 ; PRR RARBG, SERDAR, HRA A aE ei 问题 : 以 下 因素 @ 烃 链 的 长 度 ,@ 水 介质 的 离子 强度 ,@@ 两 亲 性 分 子 的 浓度 分 别 如 何 影响 小 微 团 的 大 小 ? 1. 越 长 的 烃 链 形成 的 微 团 越 大 , 因 为 这 样 烃 相 对 于 头 部 的 体积 比率 越 高 , 非 极 性 尾部 间 的 吸引 力 ( 范 德 华 引力 ) 就 会 超过 极 性 头 部 间 的 离子 排斥 力 。 2. 增强 水 介质 的 离子 强度 , 将 形成 较 大 的 微 团 。 因 为 高 离子 强度 将 降低 极 性 头 部 的 排斥 力 , 这 样 将 使 更 多 的 脂 分 子 聚集 在 一 起 。 3. 如 果 两 亲 性 分 子 浓度 很 低 , 将 不 会 形成 微 团 。 从 非 聚 集 状态 到 微 团 的 转变 在 一 个 很 窜 的 浓度 范围 进 上 局 行 , 即 临界 胶 团 浓 度 。 问题 : 胆固醇 在 形成 微 团 过 程 中 的 作用 是 什么 ? 胆固醇 不 形成 微 团 , 因 为 中 它 不 是 两 亲 性 分 子 , 加 其 平面 的 、 坚 硬 的 稠 环 结构 使 之 成 为 固态 而 非 液态 , 而 流动 的 烃 对 微 团 的 形成 很 必要 。 胆 固 醇 可 与 两 亲 性 脂 类 形成 混合 微 团 并 进入 单 分 子 层 内 。 6.8 胆汁 酸 和 胆 盐 胆汁 酸 是 胆固醇 在 肝脏 内 的 代谢 产物 , 是 含有 24 个 碳 原 子 的 二 羟基 和 三 羟基 类 固 醇 。 胆汁 酸 的 结构 见 6.6, 脱氧 胆 酸 和 鹅 胆 酸 是 另外 两 种 胆汁 酸 。 胆 汁 酸 中 所 有 羟基 都 是 a 型 , 和 两 个 甲 基 则 为 b 型 , 因 此 , 胆 汁 酸 分 子 的 一 侧 比 另 一 侧 极 性 强 。 胆 计 酸 分 子 并 非 平 直 而 是 这 曲 的 , 因 为 其 A 和 B 环 为 顺 式 构象 。 肝脏 产生 的 胆汁 酸 以 胆 盐 的 形式 聚集 在 胆囊 中 , 胆 盐 是 胆汁 酸 的 羧基 与 甘氨酸 或 牛 克 酸 结合 后 的 产物 。 *NH;CH,COO7™ *NH;CH,CH,SO; HAR 牛 磺 酸 Sr Hl 6.8 甘 氨 胆 酸 盐 和 丫 磺 胆 酸 盐 的 结构 为 | a a et 6 Se OE Soe 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 “141+ OH OH CONHCH,COO> CONH(CH,),SO; HO OH HO OH 甘 氨 胆 酸 盐 牛 磺 胆 酸 盐 胆 盐 具有 去 污 剂 的 性 质 , 但 不 形成 典型 的 微 团 。 问题 : 胆 盐 为 何不 会 形成 典型 的 微 团 ? . 尽管 胆 盐 有 极 性 头 部 和 非 极 性 尾部 , 但 其 非 极 性 尾部 不 全 是 烃 , 分 子 一 侧 还 有 两 个 或 三 个 羟基 。 此 外 , 同 胆固醇 一 样 (胆固醇 也 不 形成 典型 的 微 团 ), 。 刚性 环 系 能 使 胆 盐分 子 更 紧密 的 聚集 , 几 乎 成 为 固态 非 极 性 相 而 非 液 态 非 极 性 相 。 胆 盐 能 够 与 磷脂 混 合 形成 微 团 。 ”目前 还 不 清楚 聚集 的 胆 盐 的 确切 结构 , 但 能 确定 的 是 , 相 邻 胆 盐分 子 之 间 由 于 羟基 间 的 氢 键 而 连接 。 胆 盐 是 非常 有 效 的 乳化 剂 , 它 们 能 够 在 肠 内 乳化 饮食 中 的 脂 , 使 得 脂 更 易 受 消 化 酶 的 作用 。 此 外 , 肠 黏膜 细胞 吸收 消化 后 的 脂 同 样 需 要 胆 盐 。 6.9 血浆 脂 蛋 白 血浆 中 含有 一 系列 可 溶性 的 脂 蛋 白 , 根 据 各 自 的 密度 不 同 , 可 以 分 为 四 种 主要 类 型 , 这 些 脂 蛋 自 复 合体 的 作用 是 作为 脂 的 运输 系统 。 血 液 中 单独 的 脂 是 不 可 溶 的 , 但 当 这 些 脂 与 特 殊 的 蛋白 质 结合 后 , 就 变 得 可 溶 并 可 运输 , 所 以 这 些 蛋 白质 被 称 作 脂 蛋白 。 人 体 血 液 中 有 四 种 基本 类 型 的 脂 蛋 白 : OAR MH, ORIKSEIBA (VLDL), 图 低 密度 脂 蛋 白 (LDL),@@ 高 密度 脂 蛋 白 (HDL)。 它 们 的 性 质 请 见 表 6.2. 表 6.2 血浆 脂 蛋 白 FL BR RL VLDL LDL HDL 密度 / (g ml‘) <0.95 0.95~1.006 1.006~ 1.063 1.063~1.21 最 大 直径 /nm 500 70 25 15 组 成 含量 /% * 蛋白 质 2 10 22 33 三 酰 甘 油 83 50 19 8 磷脂 7 18 22 29 胆固醇 和 8 22 46 30 AB ER] AY AE * DARE AF HIT. 血浆 脂 蛋 白 的 不 同 组 成 与 其 不 同 功能 相关 。 从 本 质 上 讲 , 三 酰 甘 油 内 富 含 的 脂 蛋 白 是 由 肝脏 (VLDL) 和 小 肠 〈 乳 糜 微 粒 ) 合成 的 , 它 们 将 中 性 脂肪 运输 到 肝 外 组 织 中 (特别 是 脂 a 生物 化 学 肪 组 织 中 )。 没 有 结合 脂肪 的 脂 重 日 密度 较 高 , 它 们 在 胆固醇 的 运输 中 起 重要 作用 。 问题 : 请 问 一 个 脂 蛋 白 微 粒 的 一 般 结 构 是 什么 ? | 请 见 图 6- 4。 球形 微 粒 的 极 性 表面 使 得 脂 蛋白 溶 于 水 , 但 这 种 结构 仅 为 一 个 假设 。 乳 糜 微粒 和 VLDL 的 极 性 部 分 很 少 , 而 且 当 脂 蛋 白 与 靶 组 织 的 细胞 膜 结合 时 , 蛋 白质 仍 保持 可 溶性 并 不 与 细胞 膜 结 合 。 这 种 现象 表明 脂 重 日 内 的 重 日 质 具有 非 同一 般 的 性 质 , 其 中 一 些 重 日 质 的 氨基 酸 序列 是 固有 的 并 且 有 牙 水 区 域 ,, 也 即 这 些 蛋 白质 具有 与 烃 亲 和 的 结构 (如 三 酰 甘 油 和 磷脂 的 尾部 )。 表面 : 磷脂 、 蛋 白质、 胆固醇 \ / XN / \ VA { \ - t ‘ \ ' 核心 :三 酰 甘油 、 胆 固 醇 N \ 六 SS / \ / ; tf SS Fd \ dal R = mem : x / i \ 4 = 胆 is fig | | 固 醇 if Sy [\ = xem 图 6-4 PEE + Gere 6.10 A\38 当 将 水 加 入 某 种 含有 长 链 的 干 磷脂 内 时 , 磷 脂 便 会 膨胀 , 当 磷脂 分 散 到 更 多 的 水 中 时 , 就 形成 脂 质 体 的 结构 。 脂 质 体 是 具有 多 层 态 脂 的 小 泡 , 请 见 图 6 - 5。 当 超声 振动 〈 超 声 处 7 \ \ \ ee / io. wes | | | \ | | | | | H2O i | \ \ » / / j \ \ ~i-* / / ‘ Ns a / 4 a Pe / \ Se 7 \ a ae a ~ a ns —_— 第 6 章 ” 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 | 带 , 时 , 脂 质 体 就 会 转变 为 只 有 双 层 磷脂 的 小 泡 。 问题 : 小 泡 也 可 以 通过 在 去 污 剂 中 透析 磷脂 溶液 而 形成 , 这 种 情况 下 小 泡 是 怎样 形成 的 ? 磅 脂 和 去 污 剂 形成 混合 微 团 , 但 其 中 带 有 长 链 烃 的 去 污 剂 占 优 势 , 因 此 形成 的 微 团 较 小 。 透 析 降 低 了 水 溶性 去 污 剂 的 浓度 , 导 致 微 团 中 磷脂 占据 优势 , 又 因 每 分 子 磷脂 含有 两 个 烃 链 , 所 以 微 团体 积 膨大 , 这 样 微 团 就 彼此 融合 形成 了 双 分 子 层 。 问题 : 磷脂 混合 物 形成 的 小 泡 , 其 双 分 子 层 的 磷脂 并 非 在 两 层 均匀 分 布 , 其 原因 是 什么 ? 小 泡 的 高 度 弯 曲 使 外 表面 是 内 表面 的 三 倍 , 因 此 , 外 层 脂 分 子 的 数量 比 内 层 多 两 倍 。 外 层 较 密 , 因 为 双 分 子 层 中 心 的 收缩 增强 , 迫 使 烃 链 充分 地 扩张 。 头 部 较 大 的 磷脂 〈 如 PC), 更 易 进 入 外 层 , 因 小 泡 的 外 层 压 缩 空间 较 少 , 因 而 排斥 力 较 弱 。 请 见 图 6-6。 RAITT PP yoo? 通过 前 一 个 问题 的 方式 形成 的 小 泡 事实 上 不 能 渗透 到 小 的 阳离子 和 大 多 数 大 的 极 性 分 子 申 , 但 对 于 CI 有 轻微 的 渗透 性 。 水 的 渗透 性 很 高 , 因 为 液态 烃 水 的 溶解 性 起 了 作用 。 小 泡 形成 过 程 中 有 蛋白质 存在 时 , 蛋 白质 便 会 进入 磷脂 双 分 子 层 内 。 这 样 的 小 泡 称 作 脂 蛋白 体 。 除 用 磷脂 和 蛋白质 人 工 制造 小 泡 外 , 通 常 也 可 以 采用 超声 处 理 细 胞 的 细胞 膜 形 成 小 泡 。 大 造 小 泡 和 从 细胞 膜 形成 的 小 泡 在 研究 膜 的 运输 现象 时 非常 有 用 。 小 泡 也 可 以 自然 地 形成 , 如 真 核 细 胞 的 高 尔 基 体 出 芽 时 即 可 形成 小 泡 。 6.11 B | 副 胸 的 细胞 质 被 一 层 质 膜 包围 , 核 、 溶 酶 体 和 线粒体 等 亚 细 胞 结构 也 被 膜 包围 而 形成 特 定 的 细胞 器 。 真 核 生 物 的 内 质 网 是 与 细胞 膜 相连 的 非常 丰富 的 内 膜 系统 , 线 粒 体 也 具有 高 度 折 蚕 的 内 膜 系统 。 IT 回 题记 请 问 这 些 膜 具有 什么 功能 ? 膜 将 细胞 与 环境 分 离 , 还 将 细胞 的 不 同 部 分 分 离 , 使 细胞 及 其 各 部 分 具有 相对 独立 的 活动 。 膜 是 一 个 物理 屏障 , 有 适当 的 选择 通 透 性 , 控 制 有 益 和 有 害 物质 的 进出 , 并 且 影 响 所 选择 化 合 物 的 流量 。 膜 还 能 提 供 一 个 非 水 条 件 的 环境 以 便 某 些 化 学 反应 的 进行 。 膜 包 括 脂 、 蛋 白质 和 少量 的 糖 。 膜 的 类 型 不 同 , 所 含 各 组 分 的 比例 有 较 大 的 变化 。 糖 一 般 以 糖 甘 油脂 、 畏 糖 脂 和 糖 蛋 白 的 形式 存在 。 膜 中 所 含 最 普遍 的 脂 为 磷酸 甘油 酯 和 磷酸 精 脂 (全 了 磁 脂 ) 。 胆 固 醇 存在 于 动物 质 膜 中 , 植 物质 膜 内 很 少见 。 精 糖 脂 存在 于 神经 和 肌肉 组 织 的 膜 中 。 尽 管 极 性 头 部 的 类 型 和 数量 各 异 , 但 所 有 膜 的 脂 类 都 含有 相似 的 烃 链 。 一些 膜 的 组 成 请 见 表 6.3。 ss “144 , 生物 化 学 表 6.3 ROAM 脂 的 组 成 ” ( 占 总 脂 的 百分比 ) fe 量 的 百分比 ) PA* PC PE PIT 和 TPSTPG TDEGCSSMAGSSILEESI 人 体 红 细胞 2 19° 48 1 8 * ~ 18) ©) 99 "9 595 AR RB AB 1 10 20 1 9 - = 8 26 «= 26 大 鼠 肝 脏 细胞 质 1 is. ore 4 9 ~ = 14 = 30 | 外 部 线粒体 1 age gprs NO T Up 2 3 5 - 5 内 部 线粒体 1 43. 24 6 1 2 18 2 = 3 大 肠 杆 菌 细胞 质 人 65 tr - 一 - * SM: #48845; GS: #54848; Chol: 胆固醇 + 一 些 脂 的 各 组 分 总 量 不 到 100% , 因 为 此 表 没 有 列 出 所 有 的 脂 。 tr: 痕 量 。 问题 : 考虑 到 @ 膜 内 脂 的 性 质 和 人 @ 膜 的 两 维 结构 , 脂 分 子 在 膜 中 是 如 何 排列 的 ? , 和 在 人 造 小 泡 中 是 一 个 闭合 的 双 层 结构 (图 6-3)。 自 然 发 生 的 膜 被 称 作 生物 膜 , 以 区 别 于 人 造 小 泡 及 用 细胞 膜 制 成 的 小 泡 。 | Fb LE) — 2 JY LD 2S A A EE TT] CR HR eR EAE) PRY 去 , 这 些 蛋 白 为 外 部 或 外 周 蛋白 。 其 他 蛋白 质 为 内 部 或 整合 蛋白 , 它 们 只 能 通过 去 污 剂 或 有 机 溶剂 处 理 膜 而 除去 。 WE: 就 膜 中 蛋白 质 的 定位 而 言 , 有 关外 周 蛋白 和 内 部 蛋白 的 观察 结果 说 明了 什么 问题 ? 如 果 膜 主要 由 极 性 脂 类 组 成 双 分 子 层 , 则 外 周 蛋 白 位 于 双 分 子 层 的 表面 , 通 过 离子 键 和 极 性 键 与 脂 极 性 头 部 或 整合 蛋白 相连 。 整 合 蛋白 通过 范 德 华 力 和 朴 水 作用 深 深 地 镶嵌 在 双 分 子 层 内 部 。 问题 : 从 膜 上 分 离 的 一 些 整合 蛋白 分 子 质量 较 高 ,请 解释 这 些 蛋白 质 如 何 与 脂 质 双 分 子 层 相 适 应 3 | 1 这 类 蛋白 质 横 跨 全 膜 (图 6 - 7)。 丁 出 于 及 西 仙 |) YP had, AAO FRAME soe SHKNAN SERA, RELEASE, ) 将 亲 水 侧 链 凸 出 于 双 分 子 层 以 远离 脂 。 跨 膜 的 整合 蛋 加 图 6-7 白 的 长 度 可 达 膜 厚度 的 12 倍 甚至 更 多 。 尽管 只 有 少量 的 整合 蛋白 被 纯化 , 但 许多 整合 蛋白 的 氨基 酸 序列 现 已 确 知 。 这 些 整合 蛋 白 的 跨 膜 区 域 是 由 20 个 氨基 酸 组 成 , 在 这 20 个 氨基 酸 中 朴 水 性 氨基 酸 含量 很 高 。 迄今 为 止 , ee ne ne cones 种 共同 的 蛋白 质 组 分 《比较 了 几乎 所 有 的 PC 和 PE)。 所 以 , 膜 中 的 蛋白 质 也 没有 一 个 普遍 的 结构 。 膜 的 类 型 不 同 , 膜 score | 如 大 肠 杆菌 含有 大 约 100 种 。 人 体 红 细胞 的 质 膜 至 少 含有 17 种 不 同 的 蛋白 质 。 在 关于 膜 中 脂 和 蛋白 质 关系 的 争论 中 , S.J. Singer 和 G. L. Nicolson 于 1972 年 提出 了 腊 结构 的 流动 镶嵌 模型 (图 6- 8), 此 模型 现 为 脂 结构 的 一 个 公认 模式 。 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 , 145 , 图 6-8 膜 结 构 的 流动 镶嵌 模型 极 性 脂 双 分 子 层 厚 约 5 nm, 不 规则 形状 的 块 状 物 表 示 蛋 白质 , 其 中 包括 跨 膜 恒 昌 。 问题 : 将 图 6- 8 的 模型 描述 为 一 个 液态 的 、 流 动 的 结构 , 其 含义 是 什么 ? 这 个 模型 不 是 固态 的 , 因 为 烃 链 是 液态 的 , 而 脂 和 和 蛋白质 均 可 进行 快速 的 侧 向 扩散 和 旋转 扩散 〈 围 绕 | 与 双 分 子 层 垂直 的 轴 进 行 )。 | IB, 在 流动 镶 镶 模型 中 , 哪 种 运动 受到 限制 ? | 各 组 分 从 双 分 子 层 的 一 个 面 到 另 一 面 的 运动 ( 即 翻转 ) 是 不 能 进行 的 。 如 发 生 , 在 一 定时 期 , 脂 和 和 蛋 直 质 的 极 性 区 域 必 须 通 过 双 分 子 层 的 琉 水 区 , 而 这 个 过 程 为 热力 学 不 稳定 过 程 。 问题 : 脂 的 翻转 运动 的 限制 对 膜 结 构 有 怎样 的 影响 ? 膜 通常 表现 为 脂 和 蛋白 质 在 双 分 子 层 的 两 侧 分 布 不 对 称 , 有 大 量 证 据 可 证 明 这 点 。 例 如 ,PC AUR BAB | 主要 存在 于 双 分 子 层 的 外 侧 , 而 PE 和 PS 主要 存在 于 内 侧 。 单 向 性 膜 运 输 的 存在 表明 蛋白 质 在 膜 上 的 分 布 | 必须 不 对 称 , 而 且 , 质 膜 外 侧 所 含 的 分 子 〈 糖 蛋白 和 糖 脂 ) 可 将 细胞 分 型 , 以 便 被 物质 循环 中 的 组 分 识别 , | 这 些 糖 蛋白 和 糖 脂 不 存在 于 双 分 子 层 的 内 侧 。 最 近 , 有 证 据 表明 , 某 些 磷脂 〈 如 PS) 是 由 于 磷脂 移 位 酶 的 需 能 作用 而 不 对 称 分 布 的 。 问题 : 温度 如 何 影响 膜 的 物理 性 质 ? 如 果 膜 处 于 低 于 常温 的 环境 中 , 脂 双 分 子 层 将 变 为 非 液态 , 当 温度 升 高 , 烃 链 变 得 无 序 , 膜 又 转 为 液 So 这 种 可 逆转 变 一 般 发 生 在 10Y 的 范围 内 , 转 变 的 中 点 被 称 为 熔点 或 转移 温度 , 在 特定 组 织 内 , 其 值 比 环境 温度 略 低 几 度 , 并 且 还 依赖 于 @ 烃 链 的 长 度 及 其 不 亿 和 度 和 @ 脂 的 头 部 基 团 的 性 质 。 熔点 依赖 于 脂 的 头 部 基 团 的 性 质 表 明 各 种 头 部 基 团 之 间 具 有 相互 作用 。 这 点 可 由 人 造 腊 申 PC 比 PE 易 动 证 实 。 当 为 PE 时 , 氢 键 由 相 邻 分 子 的 一 NH# 和 磷酸 生成 , 而 PC 分 子 所 舍 的 基 团 一 *N(CH3 )3 较 大 , 与 一 NHi 相 比 , 不 易 与 磷酸 生成 氢 键 , 因 没有 强烈 的 排斥 力 , 所 以 紧密 地 排列 , 这 样 就 导致 了 较 强 的 可 动 性 。 当 分 离 时 , 许 多 整合 蛋白 仍 保留 所 结合 的 脂 分 子 。 在 完整 的 膜 中 , 蛋 白质 和 其 周围 脂 质 的 物理 缔 合 作用 限制 了 二 者 的 移动 性 。 除 去 脂 , 会 影响 蛋白 质 结构 和 功能 的 完整 性 。 t @ * 146: 生物 化 学 问题 : 在 生理 温度 下 , 胆 固 醇 的 存在 如 何 影响 膜 的 性 质 ? 胆固醇 降低 了 周围 脂 质 的 运动 性 , 因 为 胆固醇 是 一 种 刚性 结构 , 与 其 相 邻 分 子 的 烃 链 有 高 度 的 亲和力 。 而 且 , 胆 固 醇 深 深 镶 府 在 膜 内 部 , 其 羟基 水 平 于 相 邻 的 脂 的 酯 键 , 因 此 羟基 便 与 脂 的 极 性 头 部 产生 氢 键 。 一 般 地 说 , 富 含 胆固醇 的 膜 其 水 的 渗透 性 降低 。 RHE A 细胞 膜 表 面 的 糖 与 蛋白 质 相 连 形成 糖 蛋白 , 是 细胞 被 其 他 细胞 识别 的 标志 。 细 胞 膜 表 面 的 糖 常常 通过 O -糖苷 键 与 丝氨酸 或 苏 氨 酸 残 基 连 接 (第 3 章 ), 或 通过 N -糖苷 键 与 天 冬 酰胺 残 基 的 侧 链 相连 。 糖 蛋白 的 N 端 所 连接 寡 糖 通常 有 一 个 含 5 个 残 基 的 公共 “核心 ”, 如 图 6-9 所 示 , 其 中 两 个 为 N - 乙酰 葡 糖 腕 残 基 , 三 个 为 甘露 糖 残 基 。 核 心 可 以 连接 另外 的 甘露 糖 残 基 (高 甘露 糖 型 ) 或 各 种 糖 的 混合 物 , 如 N -乙酰 葡 糖 胺 、 半 乳糖 、N -乙酰 神经 氨 酸 和 果糖 等 (复合 型 )。 因 为 有 大 量 不 同 的 单 糖 可 供 选择 、 几 种 连接 的 可 能 性 和 两 种 异 头 构 型 , 因 此 , 糖 蛋白 存在 大 量 可 能 的 结构 。 Nae Gal Gal am Man, aus Men GlcNAc GlcNAc GlcNAc 3 共同 的 “ 核 ? | Fuc 'GlcNAc -Asn- (b) 高 甘露 糖 型 图 6-9 糖 蛋 白 的 N HIER: (a) 复合 型 ,(b) 高 甘露 糖 型 问题 : 糖 重 日 的 结构 为 什么 具有 多 样 性 ? 大 量 的 多 样 性 提供 了 巨大 的 信息 容量 , 使 细胞 识别 的 复杂 机 制 成 为 可 能 。 Foil 6.9 我 们 可 以 相信 , 哺 乳 动物 衰老 的 细胞 或 流动 的 糖 蛋白 可 通过 血管 组 织 内 唾液 酸 酶 引起 的 N 一 已 酰 神经 氨 酸 (ARB) 的 丢失 而 识别 。 暴 露 于 末端 的 半 乳 糖 残 基 能 被 某 些 细胞 的 脱 唾 液 酸 糖 蛋白 受 体 所 识别 并 与 其 结合 , 这 些 细胞 能 够 通过 胞 吞 作 用 的 方式 使 载 有 脱 唾液 酸 糖 蛋 白 的 细胞 或 蛋白 质 内 在 化 并 降解 。 FF Fill 6.10 植物 和 一 些 细菌 可 产生 众所周知 的 蛋白 质 一 凝集 素 , 它 们 能 够 特异 性 地 与 某 种 类 型 的 察 | 糖 结合 。 刀 豆 球 蛋白 A 是 从 刀 豆 中 分 离 的 凝集 素 , 它 能 识别 和 结合 于 非 还 原 性 a- 甘 露 糖 组 © 成 的 察 糖 。 细 菌 附 着 于 宿主 组 织 , 如 大 肠 杆菌 , 通 过 细菌 凝集 素 识别 和 连接 于 宿主 细胞 表面 的 特定 糖 位 点 上 。 这 种 类 型 的 识别 机 制 解释 了 细菌 疾病 的 组 织 特异 性 。 1 外 | 曲线 开始 部 分 的 斜率 即 为 溶质 的 吸收 速率 (在 溶质 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 6.12 运输 膜 主要 作为 机 械 屏 障 , 将 环境 分 为 两 个 水 相 。 通 过 极 性 脂 类 的 二 维 朴 水 双 分 子 层 的 作 用 , 膜 抑制 了 溶质 从 一 相 到 另 一 相 的 自由 运动 。 不 同 物质 简单 扩散 的 速率 有 很 大 变化 。 例 如 , 在 穿 过 典型 膜 时 , 下 列 物质 依次 按照 简单 扩散 速率 降低 的 顺序 排列 : A EL A, 萄 糖 、 天 冬 氨 酸 、 血 红 蛋 白 。 简 单 扩散 的 速率 取决 于 物质 的 状态 〈 气 体 扩 散 最 快 )、 大 小 (分 子 越 小 , 扩 散 越 快 ) 和 极 性 〈 极 性 越 大 , 扩 散 越 慢 )。 在 没有 气体 的 定量 条 件 下 , 简 单 扩 散 仅 在 大 量 玻 水 分 子 的 运输 中 起 重要 作用 。 人 少数 膜 可 以 允许 较 大 范围 的 物质 , 包 括 极 性 化 合 物 进 行 快速 的 简单 扩散 。 问题 : 一 些 膜 允 许 某 些 溶质 非 选 择 性 地 进入 , 其 机 制 是 什么 ? 一 些 膜 上 上 有 管 孔 。 许 多 亲 水 性 化 合 物 〈 一 般 为 M, 小 于 600 的 化 合 物 ) 能 自由 地 穿 过 含有 管 孔 的 膜 , 这 些 膜 包括 线粒体 的 外 膜 和 革 兰 氏 阴 性 细菌 的 细胞 膜 。 膜 上 的 管 孔 是 由 称 为 孔 蛋白 的 蛋白 质 形成 。 。 大 多 数 膜 没 有 人 允许 溶质 快速 扩散 的 非 极 性 管 孔 , 并 且 , 对 这 些 膜 而 言 , 溶 质 的 简单 扩散 是 一 个 非常 缓慢 的 过 程 。 如 果 通 过 载体 介 导 的 转运 , 溶 质 穿 过 这 些 膜 将 会 快 得 多 。 膜 上 介 导 转运 的 组 分 为 蛋白 质 , 这 些 蛋 白质 被 称 为 载体 或 通 透 酶 或 转运 蛋白 。 移 位 酶 有 时 也 用 , 但 应 尽量 避免 , 因 为 移 位 酶 也 指 参 与 蛋白 质 生物 合成 中 的 酶 。 溶质 转运 的 载体 是 特异 性 的 。 一 系列 载体 使 细胞 能 快速 吸收 各 种 所 需 物 质 和 除去 多 余 物 质 。 出 于 同样 原因 , 细 胞 将 有 用 物质 保留 而 将 不 需要 的 化 合 物 置 于 细胞 外 。 如 没有 适当 载体 的 存在 , 简 单 扩散 就 成 为 这 些 化 合 物 穿 过 膜 的 惟一 途径 。 决定 一 种 特定 化 合 物 穿 过 膜 的 运动 的 性 质 尽 管 是 简单 的 实验 (如 pH 和 温度 对 转运 速率 的 影响 ), 但 确定 一 个 载体 如 何在 分 子 水 平 上 操作 却 很 困难 。 问题 ; 为 什么 很 难 确定 载体 转运 的 机 制 ? 如 要 很 有 效 地 研究 载体 的 性 质 , 必 须 将 载体 纯化 。 而 纯化 载体 必须 将 其 与 膜 分 离 , 因 此 , 膜 就 会 被 破 坏 , 这 样 导 致 载体 生物 活动 所 依赖 的 膜 的 性 质 将 不 存在 。 这 个 难题 可 通过 将 纯化 的 载体 结合 到 人 造 小 泡 上 克服 。 Ss 6.11 可 应 用 放射 性 标记 溶质 的 方法 测定 这 种 溶质 进 六 细胞 (或 人 造 小 泡 ) 的 转运 速率 。 将 细胞 悬 液 在 仿 放 射 性 溶质 的 培养 基 内 孵化 , 在 不 同时 间 取 出 部 分 细胞 悬 液 , 测 定 冲 洗 过 滤 后 细胞 的 的 放射 性 。 图 6-10 表 明 冲 洗 细 胞 的 放射 性 随时 间 的 变化 规律 。 细胞 内 的 放射 活性 浓度 由 放射 性 引起 之 后 ), 当 时 间 为 0 时 , 溶 质 浓 BA [Slo 时 间 /s 图 6=10 . 147 , * 148 - 生物 化 学 问题 : 是 否 存在 与 上 述 方法 相似 的 实验 人 为 构造 ? 存在 。 在 细胞 内 , 溶 质 可 以 代谢 , 所 以 它 在 细胞 内 的 实际 浓度 低 于 应 用 放射 性 方法 测定 的 浓度 。 如 果 细 胞 内 已 有 溶质 , 测 定 的 吸收 速率 即 为 净值 , 因 为 溶质 通过 某 些 运动 (简单 扩散 和 载体 转运 ) 到 达 了 细胞 外 。 这 些 问 题 通过 非 代谢 类 似 物 可 部 分 解决 , 例 如 , 在 研究 葡萄 糖 的 转运 时 , 可 用 放射 性 的 2 -脱氧 葡 糖 或 a - 甲 基 葡 糖苷 。 在 研究 细菌 的 转运 时 , 可 用 另 一 种 方法 解决 溶质 的 代谢 问题 。 即 选用 细菌 的 突变 型 , 此 突变 型 能 转运 溶质 但 缺乏 一 种 或 多 种 代谢 这 种 溶质 的 酶 。 问题 : 应 用 类 似 物 的 方法 有 一 个 什么 缺陷 ? 我 们 所 研究 的 化 合 物 如 葡萄 糖 的 精确 转运 速率 不 能 确定 , 尽 管 可 以 假设 转运 速率 与 用 类 似 物 时 接近 。 问题 : 如 果 能 够 测定 一 种 溶质 进入 细胞 的 转运 速率 ", 在 (a) 载体 介 导 的 转运 和 (b) PRT A vo 是 如 何 随 溶质 的 浓度 [S]o 的 变化 而 改变 ? 载体 介 导 的 转运 [图 6-11 (a)] 中 , 膜 上 有 一 定数 量 的 载体 分 子 。 当 [Slo RAT, KARA Aa 与 溶质 结合 , 但 当 (Slo 高 时 , 绝 大 多 数 载体 与 溶质 结合 , 此 时 v ARK Vin 简单 扩散 时 [图 6-11 (b)], 没 有 载体 ," 随 [Sjo 的 升 高 而 升 高 , 因 为 跨 膜 的 浓度 梯度 决定 扩散 的 速率 , 而 当 (Slo mh, WR 穿 过 膜 的 浓度 梯度 比 [Sjo 低 时 大 。 3 数学 方程 式 能 够 解释 图 6 -11 的 曲线 ( 见 第 9 章 )。 图 6-11 (a) 的 曲线 可 用 一 个 直角 双 曲 线 描述 。 Y max OG °= [Sho + WH a v : v | | [S], [S}, (a) ”载体 介 导 的 转运 (b) 简单 扩散 图 6-11 转运 速率 依赖 于 溶质 浓度 描述 图 6-11 (b) 的 方程 式 为 v= Bers), | (6.2) ! 表示 膜 的 厚度 。 (在 推导 上 述 方程 式 时 , 假 设 在 膜 的 一 侧 没 有 溶质 , 而 另 一 侧 溶 质 的 浓 为 ES 作坊 问题 , 假设 在 一 个 转运 实验 中 , 载 体 介 导 的 转运 和 简单 扩 散 同时 进行 , 怎 样 能 证 明 这 种 现象 ? v 对 [S]o 所 作 的 图 表明 [S]o 不 饱和 , 除 非 简单 扩散 相对 于 载体 介 导 的 转运 忽略 不 计 。 见 图 6 - 12。 但 当 [Slo 高 时 , 难 以 测定 v。 例 如 , 为 了 到 达 高 [S]o, 有 的 溶质 可 oF 能 没有 完全 溶解 。 溢 质 穿 过 膜 的 复合 过 程 可 用 一 个 双 个 数 图 说 明 。( 见 第 9 章 ) 得 qd ? Fl 6-12 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 CS Fl 6.12 方程 式 (6.1) 和 (6.2) 的 转化 形式 为 ce we ee oe 1 we i” Ved Wes eee ke i/o 对 【S], 作 图 , 简 单 扩散 和 载体 介 导 的 转运 均 为 直线 [图 6-13 (a)]。 二 者 同时 进行 的 双 倒 数 图 见 图 6-13 (b)。 1/v 简单 扩散 7 载体 介 导 的 转运 1/[S}, 1/[S], (a) (b) 图 6-13 。 ” 妃 采 浴 质 分 子 有 一 个 手 性 原子 , 可 用 另 一 种 方法 将 简单 扩散 和 载体 介 导 的 转运 加 以 区 列 。 简 单 扩 散在 两 种 对 映 体 时 均 可 发 生 , 且 扩散 速率 相同 。 但 载体 介 导 的 转运 需要 溶质 国定 的 立体 专 一 性 , 换 句 话 说, 载体 只 能 识别 对 映 体 中 的 一 种 。 a: 在 细胞 膜 上 , 载 体 的 识别 (4S) 位 点 是 D -葡萄 糖 还 是 工 -葡萄 糖 ? D- 葡 萄 糖 能 被 载体 识别 , 因 为 D -葡萄 糖 在 自然 界 存在 。L -葡萄 糖 不 被 识别 , 因 为 几乎 没有 载体 进化 的 生物 体系 存在 。 问题 : 在 什么 条 件 下 (a) 简单 扩散 和 (b) 载体 介 导 的 转运 将 停止 ? (a) 当 膜 两 侧 溶质 浓度 相同 时 , 简 单 扩散 将 停止 。 (b) 某 些 载体 介 导 的 转运 系统 同 简单 扩散 一 样 , 当 膜 两 侧 溶质 浓度 相同 时 , 净 转运 停止 。 而 另外 一 些 系统 即使 当 膜 两 侧 溶质 浓度 相等 , 溶 质 的 转运 仍 可 进行 。 ' 前 面 的 问题 表明 , 载 体 介 导 的 转运 系统 有 两 种 类 型 : 四 易 化 扩散 〈 膜 两 侧 的 溶质 浓度 可 以 相等 ) MOLD (溶质 的 转运 可 以 逆 浓 度 梯度 进行 )。 Sr Pill 6.13 图 6-14 列 出 溶质 穿 过 膜 的 几 种 方式 。[S]- 和 [s] 分 别 代表 溶质 的 高 浓度 和 低 浓 度 。 简单 扩散 易 化 扩散 主动 转运 (s} [} (SIC RR Is) gl- 载体 DIS) 图 6-14 “ar ° - 150° 生物 化 学 简单 扩散 和 易 化 扩散 是 自发 的 过 程 , 溶 质 顺 浓度 梯度 运动 ( 即 从 高 浓度 到 第 浓度 ), 直 到 平衡 状态 。 这 两 个 过 程 的 自由 能 变化 AG 为 负 值 〈 第 10 章 ), 因 为 溶质 的 分 布 变 得 无 序 。 因此 , 这 样 的 过 程 不 需要 能 量 。 AG = 2.3RTIg FS (6.3) Fea, [s] = [S], AG=0. 主动 转运 时 , 溶 质 浓缩 于 膜 的 一 侧 。 这 个 过 程 不 是 自发 的 , 因 为 AG 为 正 值 , 此 时 载体 介 导 的 转运 必需 某 种 形式 的 能 量 , 所 以 称 为 主动 转运 。 问题 :主动 转运 浓缩 某 种 溶质 的 能 力 是 无 限 的 吗 ? 不 是 。 如 果 溶 质 的 浓度 在 膜 的 一 侧 达到 较 高 浓度 , 溶 质 将 通过 简单 扩 散 渗 漏 到 另 一 侧 。 膜 两 侧 溶质 的 浓度 差 越 大 , 简 单 扩散 的 速率 越 快 。 事 实 上 , 浓 度 比 率 很 少 超 过 几 百 比 一 , 通 常 都 要 小 得 多 。 如 果 膜 上 有 易 化 扩散 的 载体 , 溶 质 同样 会 扩散 到 浓度 低 的 一 侧 。 所 以 , 简 单 扩散 和 易 化 扩散 是 双向 的 , 而 主动 转运 为 单 向 的 。 问题 : 当 简单 扩散 或 易 化 扩散 或 二 者 同时 进行 时 , 离 子 化 溶质 穿 过 某 种 类 型 的 膜 的 运动 并 不 总 使 膜 两 侧 离子 浓度 相等 。 这 点 如 何 解释 ? 如 果 存 在 跨 膜 电势 差 , 达 平衡 时 离子 化 溶质 分 布 不 均匀 (图 6-15)。AG 不 仅 依赖 于 溶质 的 浓度 , 还 与 跨 膜 的 势 差 AV mis-15 [sr 和 [ic = ™~ 生 生生 人 平衡 浓度 。 请 注意 膜 上 负电 荷 AG = 2.3RTg tS + zraw 比 正 电荷 多 [s*] Z 代表 溶质 的 净 电 荷 ,F 代表 法 拉 第 常数 。 [S ] OE ORO RIO. 3 (OL 人 人 主动 转运 时 必须 提供 能 量 。 初 级 主动 转运 过 程 所 需 的 能 量 要 么 来 自 ATP AK, BA 来 自 电 子 在 电子 传递 链 上 的 传递 〈( 见 第 10 章 )。 次 级 主动 转运 , 其 能 量 是 由 两 种 运动 的 结合 提供 , 即 离子 顺 浓度 梯度 运动 与 溶质 的 逆 浓 度 梯 度 运动 。 离 子 梯度 是 在 初级 主动 转运 时 建立 的 。 基 团 转运 是 一 种 特殊 的 主动 转运 方式 , 物 质 在 跨 膜 运输 时 进行 了 化 学 修饰 , 例 如 , 接 受 一 个 化 学 基 团 。 基 团 转运 也 消耗 能 量 , 因 为 化 学 基 团 的 转移 是 高 能 化 合 物 裂 解 的 结果 。 FB 6.14 图 6-16 示 意 了 主动 转运 的 三 种 类 型 , 能 量 来 源 假 设 为 ATP。 符 号 [s], li'] 和 [S]、 [I*] 分 别 代表 会 浓度 和 高 浓度 的 溶质 和 离子 。AX 为 一 个 化 合 物 , 它 的 X 基 团 〈 如 一 个 研 , 初级 主动 转运 plas. ls — [s] [s] fe: [] [] 好 [s] [S] ATP [s] [Sx] ADP (I*] [i*] A Pi ADP te Al 6-16 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 酸 ) 转移 到 溶质 上 形成 SX。 转运 系统 的 一 些 例子 列 于 表 6.4 中 。 表 6.4 载体 介 导 的 转运 系统 溶质 转运 类 型 发 生 于 葡萄 糖 易 化 扩散 多 数 动 物 细胞 ATP 出 -ADP 进 易 化 扩散 线粒体 H* 初级 主动 转运 (利用 ATP) ALR Na+ 出 -K+ 进 初级 主动 转运 (利用 ATP) 动物 细胞 葡萄 糖 次 级 主动 转运 (Na 协同 转运 ) 一 些 动 物 细胞 葡萄 糖 基 团 转运 许多 细菌 6.13 跨 腊 转运 的 分 子 机 制 参与 特定 溶质 跨 膜 转运 的 蛋白 质 具有 两 个 性 质 : @ 与 溶质 结合 的 能 力 和 四 进行 向 量 过 程 的 能 力 , 即 将 溶质 从 膜 的 一 侧 运 送 到 另 一 侧 的 单 向 过 程 。 < 问题 : 有 哪些 简单 的 方法 能 进行 向 量 过 程 ? 7 1. 转运 蛋白 能 表现 为 活动 载体 , 例 如 一 个 大 的 跨 膜 蛋白 能 够 旋转 , 如 图 6 -17 (a), 或 一 个 小 的 蛋白 能 够 穿越 膜 , 如 图 6-17 (b)。 2. 转运 蛋白 能 够 形成 一 个 管 孔 或 通道 , 如 图 6-17 (c). (c) 图 6-17 在 上 述 问题 中 提出 的 两 个 概念 是 难点 。 其 一 是 分 子 的 极 性 部 分 穿 过 脂 双 分 子 层 的 非 极 性 部 分 较为 军 见 , 另 一 个 是 活动 载体 的 概念 在 热力 学 领域 不 被 支持 。 尽 管 非特 异性 通道 存在 于 某 些 膜 内, 但 管 孔 的 概念 只 在 下 列 情 形 被 接受 : 即 管 孔 有 一 个 门 , 能 使 转运 蛋白 特异 性 地 通 过 , 并 且 只 人 允许 溶质 以 特定 转运 类 型 要 求 的 方向 运动 。 管 孔 的 概念 可 以 通过 假定 转运 蛋白 是 寡 聚 蛋白 质 的 方式 而 界定 , 守 聚 蛋白 的 亚 基 之 间 的 空间 形成 了 充满 水 的 通道 , 此 通道 被 连接 的 亚 基 包 围 (图 6- 18)。 溶 质 与 蛋白 质 结合 将 引发 构象 的 改变 , 从 而 引起 蛋白 质 亚 基 相 对 位 置 的 变化 , 这 样 就 打开 了 通道 。 这 就 是 易 化 扩散 过 程 。 如 果 不 是 简单 的 蛋白 质 和 溶质 的 结 , 合 , 而 是 由 于 代谢 能 消耗 引起 的 构象 改变 , 就 为 主动 转运 过 程 。 迄 今 , 转 运 系统 结构 的 实验 ‘451° 生物 化 学 研究 能 够 支持 形成 离子 通道 时 管 孔 的 概念 , 还 能 够 支持 某 种 转移 性 ATPase 的 活动 载体 假 | geal eas ep 图 6-18 管 孔 蛋 白 的 构象 变化 允许 溶质 发 生 转 运 允许 阳离子 转运 的 人 造 系统 已 可 插入 自然 膜 和 人 造 小 泡 中 。 这 些 人 造 系统 被 称 为 离子 载 体 , 有 两 种 类 型 , 分 别 以 短 杆 菌 肽 A ISAS A Gi, 1. 短 杆菌 肽 A 是 由 15 个 氨基 酸 组 成 的 抗生素 : CHO—NH—L-Val—Gly—L-Ala—D-Leu—L-Ala—D- Val—L- Val—_D-Val—_L- Trp-_D-Leu— L-Trps D-Leu—12- Trp D-_Leu_ frp CONH( CH JOH | ELK te, 短 杆 菌 肽 A HE SPEEA Ot Fe : PAP FRAT BR A 形成 头 - 尾 二 聚 体 , 此 二 聚 体 扭曲 形成 中 空 的 螺旋 结构 , 其 中 有 6 个 螺旋 , 总 长 为 3 nm, KAR FMF 层 朴 水 区 域 的 距离 。 螺 旋 结 构 是 通过 分 子 内 多 肽 链 上 肽 键 之 间 的 氢 键 而 稳定 。 芍 水 侧 链 位 于 螺旋 的 外 侧 , 螺旋 中 心 是 亲 水 通道 ,能 允许 阳离子 通过 。 这 种 类 型 的 离子 载体 是 非特 异性 的 ,阳离子 与 短 杆菌 肽 A 结合 不 紧密 。 | . 统 氨 霉 素 也 是 一 种 离子 载体 , 但 与 短 杆菌 肽 A 不 同 :(a) 当 其 插入 膜 或 小 泡 中 时 , 只 能 特异 性 地 转运 K* , 而 不 能 转运 其 他 离子 ;(b) 纺 氨 霉 素 转运 K* ,只 能 发 生 在 膜 的 相 变 温度 之 上 , 而 短 杆 菌 肽 A 转运 阳离子 对 温度 不 敏感 。 纺 氢 霉 素 是 一 个 由 12 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 环 状 结构 , 其 基本 单位 是 四 个 氨基 酸 的 结构 , 重复 3 次 便 形 成 顷 氢 霉 素 : p NH—( L-Valt—D-HyV7_D-Val—L-Lac) 3CO ] 其 中 D-HyV 代表 D- 羟 基 异 纺 氢 酸 , L-Lac 为 乳酸 盐 。 此 结构 由 于 连续 的 酰胺 键 和 酯 键 而 稳定 。 i) [rl el: SE A iS KYAT RE Ll et A? a A RES K*, 所 以 与 短 杆 Am he 苗 肽 形成 通道 不 同 , 它 必须 与 离子 结合 。 因 为 只 有 nf & LAO 当 腊 为 液态 时 ,转运 才能 进行 ,又 因为 顷 气 才 素 是 TON Yo f Ba 个 小 分 子 , RUGRER-K* 复合 物 一 定 能 穿 过 TD Cn . RUE, MARR RRA. TUT Se=o “Ko 一 cC 想象 , 环 状 结构 的 烃 侧 位 于 外 全 ,使 之 与 脂 双 分 了 必 和 go fF “og | 的 烃 部 分 亲 和 。 结 构 的 内 部 含有 12 个 由 酯 和 酰胺 人 Cc ¢ Cc. aL BAL, Set 6 个 与 K* 协调 地 位 于 结构 的 中 fish ee a pt ba ee 图 6-19 通过 统 氢 霉 素 与 K 7 结合 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信号 表 6.5 质 膜 受 体 受 体 类 型 实例 自然 配 体 功能 配 体 控 制 的 离子 通道 烟 碱 乙酰 胆 碱 神经 肌肉 接点 的 激活 (Na+ \Ca?* 通道 ) GABA(A) y -氨基 丁 酸 盐 脑 中 神经 传递 的 抑制 (CI -通道 ) 兴奋 性 氨基 酸 BARE 脑 中 神经 传递 的 激活 (Nat+sCa2* 通道 ) P, MaRS RF RS ATP 脑 中 神经 传递 的 激活 (Na+ Ca2* 通 道 ) G-=- 和 蛋白 结 合 受 体 毒 草 碱 受 体 乙酰 胆 碱 减缓 心率 ;释放 胰腺 消化 酶 (结合 GTP 的 蛋白 质 与 受 体 (5 个 亚 型 ) 连接 , 激活 了 细胞 内 的 酶 ) 肾上腺 素 能 受 体 ERR, 提高 血压 (al); 提 高 心率 (三 种 al 亚 型 ;三 种 2 亚 去 甲 肾上腺 素 (B1) ; 型 ;三 种 B 亚 型 ) 提高 空气 流 进 和 流出 肺 (p2) 血管 紧张 素 受 体 血管 紧张 素 II 提高 血压 (通过 收缩 小 动 脉 ) 中 性 白细胞 : 提高 细 白 三 烯 B4 受 体 白 三 烯 B4 菌 的 细胞 内 杀伤 力 血管 平滑 肌 的 内 皮 依 赖 Pu 味 叭 核 苷 酸 受 体 ATP, UTP 性 舒张 生长 因子 受 体 ( 这 类 受 体 可 胰岛 素 1 胰岛 素 降低 血糖 ; 促进 葡萄 糖 以 糖 分 为 两 类 : 受 体 酷 氨 酸 激酶 ! 原 贮存 于 肝 胜 和 骨骼 肌 , 和 与 细胞 质 栈 氨 酸 激酶 有 关 以 脂肪 贮存 在 脂肪 细胞 内 的 受 体 ?) 表皮 生长 因子 1(EFG) EFG 促进 细胞 分 化 和 排列 干扰 素 2(INF)( 几 种 亚 型 ) INFasB、y 促进 淋巴 细胞 的 分 化 和 增殖 生长 激素 ? 生长 激素 促进 各 类 组 织 的 生长 i 6.14 信号 | 细胞 膜 是 细胞 内 外 液体 的 重要 屏障 。 信 和 号 机 制 的 发 展 进化 使 细胞 对 来 源 于 神经 末端 ( 神 | 经 性 传递 ) 内 分 这 腺 (内 分 刻 传 递 ) 或 相 邻 细胞 ( 旁 分 泌 传 递 ) 的 化 学 信使 作出 响应 。 两 种 基本 形式 的 信号 能 被 识别 。 1. 亲 水 性 化 学 信使 能 扩散 穿 过 质 膜 。 细 胞 内 的 信使 分 子 与 特异 性 受 体 (结合 蛋 白质 ) 相 互 作 用 。 在 配 体 结合 状态 下 , 这 些 受 体 调 节 特 异性 信使 RNA 的 转录 , 进而 控制 关键 酶 、 受 体 或 透 性 酶 的 表达 。 2. 有 些 化 学 信使 因 其 低 脂 溶性 , 不 能 穿 过 质 膜 。 这 些 信使 特异 性 结合 到 质 膜 受 体 上 ( 整 合 膜 蛋白 )。 在 配 体 结合 状态 下 , 受 体 不 是 激活 @ 内 部 离子 通道 (离子 化 受 体 ) 就 是 激 活 包 酶 的 确定 序列 (代谢 转动 受 体 )。 表 6.5 为 质 膜 受 体 的 实例 。 es. 这 些 受 体 主要 与 类 固 醇 激素 如 皮质 醇 、 甲 状 腺 激素 和 维生素 A 等 的 生理 效应 有 关 。 它 们 】 是 具有 同样 基本 结构 的 蛋白 质 , 其 基本 结构 是 由 一 个 配 体 结合 域 和 一 个 DNA 结合 域 ( 由 锌 指 模式 构成 ) 组 成 , 它们 起 到 配 体 应 答 转录 因子 的 作用 (参见 第 17 章 的 进一步 讨论 )。 . 154 生物 化 学 Pill 6.15 LIRR CAASA ADP SCEZWEAHREA:CKMEMASE ABR (AH), DNA #5 @ 7% 8 8) 4> 44 48 1% A ta hk, N 末端 区 域 参 与 基因 的 转录 调节 (图 6-20)。 DNA 结 合 Oe oe he 转录 调节 te 图 6-20 肾上腺 素 能 受 体 的 结构 质 膜 受 体 离子 化 受 体 ( 配 体 阅 门 离子 通道 ) 化 学 信使 改变 了 作为 离子 (例如 Na* \K* Ca Cl” ) 运 动 通道 的 整合 膜 蛋白 的 构象 。 兴 上 Bren HAH AA Ait. CRA DRA ATP 激活 了 配 体 闸门 离子 通道 , 促使 Na 和 Ca? * HE 入 ,使 神经 元 去 极 化 (激活 )。 另 一 方面 ,抑制 性 的 神经 性 递 质 如 7Y -氨基 丁 酸 盐 (GABA) 促 进 了 Cl- 进入 ,使 神经 元 超 极 化 ( 失 活 )。 (a) (b) . 图 6-21 G- 和 蛋白 偶 联 受 体 的 图 解 。(a)G -蛋白 偶 联 受 体 的 部 分 穿 透 膜 说 明了 它 的 N 端 位 于 细胞 外 ,有 七 个 跨 膜 区 域 , 它 的 C 端 在 细胞 质 内 。(b) 上 图 G -蛋白 偶 联 受 体 的 路 膜 区 域 的 图 示 说 明了 和 氢 基 酸 侧 链 怎 样 形成 一 个 精确 的 配 体 结合 位 点 。 此 例 中 配 体 结合 位 点 是 由 一 个 羧基 侧 链 两 个 氨基 侧 链 和 三 个 羟基 侧 链 形成 代谢 转动 受 体 (G -蛋白 偶 联 受 体 、 生 长 因子 受 体 ) G -蛋白 偶 联 受 体 应 答 于 惊人 种 类 的 激活 剂 ,包括 短 肽 、 蛋 白质 .生物 胺 、 核 酸 、 脂 类 甚至 郑 量子 ! 它们 是 单一 亚 基 的 整合 膜 蛋 白 , 有 以 所 谓 “ 螺 旋 轮 "形式 构成 的 七 个 跨 膜 区 域 的 共同 结 构 [ 图 6-21(D)]。 通过 氨基 酸 侧 链 , 配 体 结合 位 点 形成 于 膜 表 面 或 舍 近 膜 表面 , MAEMO RA HE 膜 区 域 形成 的 中 心 空洞 [图 6- 21(b)]。 处 于 配 体 结合 状态 时 , 这 些 受 体 激活 了 胞 质 鸟 味 叭 核 苷 酸 结 合 蛋白 (又 称 GEA), 又 依次 激活 了 一 种 或 多 种 关键 酶 的 活性 。G 蛋白 由 三 个 不 相同 iy WIE (aby) AM. a 亚 基 与 一 分 子 的 GDP 或 GTP 结合 , GDP 结合 形式 没有 活性 。 受 体 的 柄 体 结合 位 点 的 占据 启动 了 鸟 味 叭 核 苷 酸 的 交换 反应 , 即 GDP 被 GTP 取代 (图 6-22)。 激 活 的 o 亚 基 会 从 By 亚 基 上 脱离 , 这 是 信号 转动 过 程 中 的 关键 ,因为 自由 的 亚 基 和 By 亚 基 结合 手 受 体 的 下 游 酶 , 并 将 它们 激活 。u 亚 基 也 有 酶 活性 , 通过 它 的 鸟 味 叭 核 苷 酸 结合 位 点 上 的 GTP 转变 为 GDP,a 亚 基 内 部 的 GTP 酶 限制 了 其 自身 活性 的 持续 。 SWC we 本 GTP GDP GDP 6-22 蜡 三 聚 体 G 蛋白 激活 和 钝 化 的 循环 。 配 体 结合 受 体 作为 乌 味 叭 核 苷 酸 交 换 因子 ,将 亚 基 上 的 GDP LA GTP 取代 , 然后 -GTP 和 By-GTP 亚 基 分 离 ,激活 了 下 游 目 标 酶 。 这 个 循环 是 通过 亚 基 的 内 部 GTP 酶 活性 完成 。 自 由 的 -GDP WH Al py 重新 聚合 形成 没有 活性 的 By 异 三 聚 体 。G 蛋白 的 激活 表示 在 信号 通道 中 位 点 的 扩 增 。 因 为 膜 中 每 个 配 体 都 结合 受 体 分 子 , 所 以 估计 有 上 百 或 上 千 个 G 蛋白 分 子 被 激活 SH Fil 6.16 霍乱 毒素 通过 灭 活 小 肠 内 部 GTP 酶 活性 而 干扰 了 关键 的 G 有 蛋白 的 功能 , 其 后 果 为 信号 埋 导 途径 的 不 可 抑制 的 激活 , 此 途径 能 产生 第 二 信使 3 ,5 - 环 化 AMP, 从 而 导致 伴随 离子 激 活 和 水 分 波 的 致命 腹泻 。 问题 :有 多 少 G 蛋白 偶 联 受 体 存在 ? 目前 还 不 清楚 。 但 同 源 分 子 克 隆 技 术 使 都 含有 七 个 跨 膜 区 域 模式 的 上 百 种 受 体 逐一 区 分 。 许 多 这 些 受 体 的 功能 和 配 体 还 未 知 , 这 样 的 受 体 被 称 为 “孤儿 ” 受 体 。 同 样 , 也 有 大 量 不 同 种 类 的 G 蛋白 存在 , 特别 是 已 发 现 30 多 种 不 同 的 WHE, 通过 G 蛋白 的 酶 调节 , G 人 蛋白 激活 酶 与 细胞 膜 表 面 关系 不 大 , 或 在 细胞 质 中 不 存在 。G 蛋白 主要 作用 于 两 种 形 式 的 底 物 :@O 细 胞 质 内 的 核 苷 酸 和 @ 质 膜 内 侧 的 甘油 磷脂 。 Pill 6.17 G 有 蛋白 偶 联 受 体 调 节 核 苷 酸 代 谢 酶 腺 苦 酸 环 化 酶 可 催化 ATP 生成 腺 苷 3 ,S- 环 化 单 磷酸 (cAMP), 它 能 被 激活 G 蛋白 的 受 | AG(AKE G 和 蛋白) 激活 ,又 受到 激活 G 有 蛋白 的 受 体 Gi( 抑 制 性 G 有 蛋白 ) 的 抑制 。ecAMP 水 吉平 的 提高 是 糖 元 释放 葡萄 糖 的 基础 ,而 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 可 以 诱导 葡萄 糖 的 释放 ( 见 第 一 11%). cGMP 磷酸 二 酯 酶 可 催化 鸟 叮 叭 3 ,5“- 环 化 单 磷 酸 (cGMP) 生 成 GMP,G 蛋白 转 导 素 《Go 激活 cGMP 应 答 于 视网膜 视 杆 细胞 质 膜 上 的 光 感 受 器 的 激活 。 光 诱导 的 cGMP 水 平 的 抑制 关闭 了 视 杆 细胞 膜 的 Na+* 渗 透 通 道 ,导致 膜 的 超 极 化 和 视网膜 上 神经 传递 的 减少 。 强 光 下 ,大 脑 会 阻 断 这 种 神经 传递 的 抑制 。 ' * 156 - 生物 化 学 G & G18 Hi 7A a 8 | 甘油 磷脂 易于 受 在 各 个 位 上 由 磷脂 酶 介 导 的 攻击 。 在 某 些 情况 下 ,磷脂 酶 对 特殊 的 水 溶 , 性 头 部 基 团 具 有 特异 性 ;如 PI- 特 异性 磅 脂 酶 C。 其 他 情形 时 ,各 种 类 型 的 磷脂 酶 参与 双击 如 脂 , 如 磷脂 酶 A, RES A,\C 和 D 的 某 些 同 种 类 型 可 被 G 蛋白 (GivGosGq) 激 活 。 其 结果 是 质 膜 的 内 侧 是 各 种 化 学 中 介 体 的 来 源 , 这 些 化 学 中 介 体 作为 受 体 激活 的 产物 被 麦 放 , 尼 人 | AE ALB 1,4,5-L RR 1,2-—RH i, — FAA Pl -特异 性 磷脂 酶 C 的 产物 (图 6-23)。 | 这 些 受 体 还 包括 花生 四 烯 酸 ; CERES A, 和 磷脂 酸 (磷脂 酶 D 的 一 种 产物 ) 的 作用 产物 。 IP; 诱导 Ca2+ 离子 从 细胞 内 质 网 的 贮藏 中 释放 。 DAG 是 脂 依赖 性 丝氨酸 和 苏 氢 酸 蛋 白 激酶 是 (蛋白 激酶 C) 的 激活 剂 。 i bC— 0—_E=ae | i EC 一 0 一 C 一 Ri nC — 0 rf PIP, 5 HC— O—C—R, H,C — OH DAG | ‘ a ne Oe -— 0 | (Gi 或 Gd) Pua oO—P|vo0”~ f° | i O I 6-23 通过 磷脂 酶 C 水 解 磷脂 酰 肌 醇 4,5 -二 磷酸 。 磷 脂 酶 C(PC-L) 被 GEA - 的 a 亚 基 和 (或 )B 亚 基 激 活 。 图 中 中 空 的 箭头 即 水 解 位 点 。 水 解 后 可 得 到 两 种 水 解 产物 ;能 激活 蛋白 激酶 C 的 1,2 -二 酰 甘油 和 诱导 Ca2+ 从 细胞 内 释放 的 肌 醇 1,4,5- 三 磷酸 (IP3) aes 生长 因子 受 体 某 些 能 够 调节 细胞 代谢 和 基因 转录 激活 受 体 的 生长 因子 如 表皮 生长 因子 GEGF) 和 血水 板 里 生长 因子 (PDGF), 在 细胞 质 内 具有 内 部 蛋白 激酶 活性 (图 6-24)。 这 种 内 部 蛋白 激酶 活性 特 异性 地 使 蛋白 质 中 的 酷 氨 酸 残 基础 酸化 。 当 没有 配 体 存 在 时 , 酷 氨 酸 激酶 受 体 没 有 活性 ;但 当 配 体 与 细胞 外 表面 结合 后 , 则 被 激活 , 这 时 , 栈 氨 酸 残 基 发 生 磷酸 化 作用 , 其 作用 部 位 为 四 受 体 自身 存在 的 细胞 质 区 域 ( 自 磷酸 化 作用 ) 和 名 关键 的 细胞 质 蛋 白质 。 这 种 类 型 的 受 体 部 分 以 单 亚 基 形式 存在 ,激活 后 形成 二 聚 体 (例如 表皮 生长 因子 受 体 , 见 下 )。 另 一 部 分 受 体 由 多 亚 基 组 成 ,通过 二 硫 键 的 连接 而 稳定 (例如 胰岛 素 受 体 )。 细 胞 质 区 域 受 体 的 磷酸 化 因 和 蛋 自 质 装配 的 目的 产生 了 模板 , 此 模板 能 激活 被 称 为 RAS 的 单 体 G 蛋白 。RAS 的 激活 在 丝氨酸 和 苏 氨 酸 特异 性 蛋白 激酶 的 激活 之 前 , 这 样 影响 了 基因 转录 和 细胞 骨架 重 排 。 所 以 这 些 都 是 细胞 分 化 和 增殖 的 基础 。 问题 : 兢 酸 化 反应 时 蛋白 质 具有 什么 性 质 ? 大 酸化 作用 是 自然 界 调节 关键 酶 活性 的 共同 机 制 。 蛋 白 激酶 是 作用 于 蛋白 质 或 肽 类 底 物 的 ATP 磷酸 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 酷 氨 酸 激酶 区 域 (a) | | | (b) | 图 6-24 表皮 生长 因子 (EGF) 受 体 的 示意 图 。 该 受 体 为 含有 一 个 跨 膜 区 域 的 整合 膜 蛋白 。 配 体 结合 位 点 位 于 细胞 内 ,细胞质 内 靠近 C 端 有 一 个 栈 氨 酸 激酶 区 域 。(a) 静 止 时, 受 体 以 单 亚 基 形式 存在 。(b) 与 EGF 结合 时 , ” 受 体 通过 非 共 价 缔 合 作用 形成 二 聚 体 。 之 后 激活 的 栈 氨 酸 激酶 将 细胞 质 内 的 酷 氨 酸 残 基础 酸化 , 进而 募集 更 多 的 蛋白 质 与 受 体 结合 。 细 胞 质 区 域 内 蛋白 装配 的 结构 对 激活 那些 调节 细胞 代谢 和 基因 转录 的 酶 很 必要 转移 酶 。 一 般 而 言 , 蛋白 激酶 分 为 两 类 ; 一 类 是 将 丝氨酸 和 苏 氨 酸 残 基础 酸化 (例如 cAMP 依赖 性 蛋 晶 激酶 ), 另 一 类 则 使 酷 氨 酸 残 基础 酸化 (例如 EGF 和 胰岛 素 受 体 )。 前 一 种 情况 下 , ATP 的 末端 磷酸 转移 到 了 丝氨酸 和 苏 氨 酸 的 羟基 上 , 后 一 种 情况 , 则 特异 性 地 转移 到 酷 氨 酸 的 羟基 上 。 问题 :蛋白 质 怎样 与 酷 氨 酸 激酶 受 体 的 磷酸 栈 氨 酸 残 基 连 接 ? 特异 的 肽 序列 如 SRC 同 源 - 2(SH- 2) 区 域 , 与 富 含 磷酸 栈 所 酸 的 序列 相 结合 。 这 个 结合 反应 允许 关键 蛋白 质 与 激活 的 受 体 栈 氨 酸 激 酶 和 RAS 激活 的 装配 复合 物 相互 作用 。 其 他 生长 因子 通过 一 个 家 族 的 单一 跨 膜 区 域 受 体 发 出 信号 , 这 些 受 体 激 活 了 细胞 内 酷 氨 酸 激 酶 , 但 却 不 能 在 细胞 质 区 域 由 它们 自己 表达 酷 氨 酸 激酶 的 活性 。 几 种 细胞 因子 (淋巴 和 骨 艇 细胞 功能 的 肽 调节 器 ) 和 几 种 激素 的 受 体 就 属于 这 个 家 族 , 如 生长 激素 、 促 乳 素 和 红细胞 生 成 素 。 配 体 与 受 体 结合 后 , 细胞 质 酷 氨 酸 激酶 的 JAK(Janus 激酶 ) 家 族 成 员 结合 到 受 体 的 细胞 质 区 域 并 且 被 激活 。JAK 栈 氨 酸 激酶 能 调节 关键 的 细胞 质 酶 和 转录 因子 的 STAT 家 族 成 员 。 细胞 内 介 体 在 信号 转 导 通道 中 的 作用 质 膜 受 体 在 配 体 或 “第 一 "信使 (神经 递 质 激素 等 ) 将 携带 的 信息 由 细胞 外 传递 到 细胞 内 的 过 程 中 具有 重要 作用 。 然 而 , 细胞 信号 也 需要 信息 在 细胞 内 的 传递 。 携 带 调 节 离 子 通道 酶 或 受 体 活 性 信息 的 分 子 被 称 作 ”第 二 "信使 。 但 是 , 基于 信和 号 转 导 级 联 的 复杂 性 ,也 许 专 有 名 词 “ 细 胞 内 介 体 "更 适合 , 因为 信号 转 导 级 联 中 一 个 “第 二 "信使 的 水 平 能 够 调节 另 一 个 “第 二 ”信使 的 水 平 。 FF] 6.18 生长 因子 受 体 的 细胞 内 介 体 可 以 调节 细胞 骨架 和 基因 转录 ,它们 包括 酷 氢 酸 激酶 (例如 受 VE BS BBR AB AL JAK 激酶 ) 关键 的 结合 蛋白 、 杰 脂 修饰 酶 及 其 产物 、 单 体 G 有 蛋白 (如 RAS) .157 , * 158: 生物 化 学 和 下 游丝 氨 酸 和 苏 氨 酸 蛋 白 激酶 (例如 MAP 激酶 )。 许 多 生长 因子 通过 乌 嗓 叭 核 音 酸 交 换 激 活 RAS 是 激活 下 游 信 号 通道 的 关键 。 G 蛋白 偶 联 受 体 的 细胞 内 介 体 包括 squaring | CH) .. a 熔点 低 于 线性 饱和 脂肪 酸 , 环 丙烷 基 团 降 低 了 分 子规 则 排列 的 倾向 。 乳 杆菌 酸 和 19:0 脂肪 酸 的 熔点 分 别 为 28 和 69Y 。 6.2 如 果 将 以 a 碳 原 子 放射 性 标记 的 甲 产 成 酸 提供 给 合成 胆固醇 的 组 织 , 那么 合成 的 胆固醇 哪 一 个 碳 原 子 将 被 标记 ? CH; HOCH2CH2 iil COOH OH FAH CR 答 : 自然 界 中 , 固 醇 是 由 角 汐 烯 合成 的 ,所 以 固 醇 最初 是 由 异 戊 二 烯 合成 。 甲 产 皮 酸 是 异 皮 二 烯 单位 的 中 间 前 体 , 当 两 个 甲 产 皮 酸 分 子 头 尾 相 连 时 , 羧 酸 基 团 就 以 二 氧化 碳 释 放 。 Aik, wR PRR No 碳 原子 被 标记 , 那么 这 个 碳 原子 总 是 连接 于 带 有 侧 链 甲 基 的 碳 原子 上 。 六 个 异 皮 二 烯 单位 连接 生成 角 鲨 烯 的 途径 ( 例 6.2) 表 明 异 皮 二 烯 单位 并 非 总 是 头 尾 相连 , 角 溜 烯 是 一 种 点 对 称 结构 (下 面 的 结构 中 此 点 用 * 标 记 )。 这 一 点 两 侧 的 三 个 异 成 三 烯 单位 是 头 尾 相连 的 ,而 它们 彼此 却 是 头 - 头 连接 ,请 见 给 出 的 标记 模式 图 。 CH; FA #4) HOCH,CH, OCH COOH OH ™ Fe e e e HO 胆固醇 脂 在 水 中 的 行为 6.3 含有 短 链 烃 的 磷脂 是 否 能 形成 双 分 子 层 ? - 160 - 生物 化 学 不 能 ,它们 只 能 形成 微 团 (参见 6.7 HH ISHAM). WROTE Oe MEE ED 要 含有 6 个 碳 原子 。 6.4 请 解释 为 什么 酰基 化 离子 具有 去 污 剂 的 性 质 ? 答 ; 酰基 化 离子 具有 两 末 性 , HARES KEM) OM 粒 , 留 下 了 离子 化 的 微粒 在 表面 (图 6-26), KH, MERE A CREE A. AR Ie. | 肥皂 在 硬 水 中 的 去 污 效果 不 佳 , DHKPHBRTASRH 团 的 聚集 和 沉淀。 二 价钱 离 子 就 像 两 个 微 团 间 的 桥梁, 但 因 时 为 一 个 微 团 是 多 价 的 ,相对 于 大 量 肥皂 ,少量 的 钱 就 可 引起 所 量 有 微 团聚 集 在 一 起 。 6.5 离子 去 污 剂 和 非 离子 去 污 剂 , 哪 一 个 能 更 好 地 溶解 膜 上 的 整合 蛋白 ? 答 8 离子 去 污 剂 改 变 了 整合 蛋白 疏水 部 分 的 构象 , 而 非 离子 去 污 剂 可 溶解 膜 并 形成 去 污 剂 - OT 脂 - 蛋 白质 的 混合 微 团 , 这 个 微 团 中 蛋白 质 的 构象 没有 发 生变 化 。 因 此 , EBSA 里 效果 更 佳 。 但 是 , 从 混合 微 团 中 除去 脂 和 去 污 剂 将 会 引起 蛋白 质 构象 的 改变 及 其 生物 学 上 活性 的 丢失 。 整 合 蛋白 需要 被 溶化 的 脂 包 围 , 以 便 使 蛋白 质 活性 的 丢失 更 具 效力 。 656 如 果 将 细菌 突然 从 SC 的 环境 转移 到 35C , 细菌 将 采用 什么 对 策 来 恢复 它们 的 膜 流动 性 ? 答 : 细菌 能 够 结合 到 它们 的 磷脂 脂肪 酸 内 ,这样 脂肪 酸 就 比 开始 四 更 长 \ 四 更 饱和 或 国 更 少 分 支 。 转运 6.7 在 研究 D -葡萄 糖 进 入 的 转运 时 ,L -葡萄 糖 有 什么 用 处 ? 答 1.0 4 L -葡萄 糖 能 用 于 区 别 简 单 扩散 和 载体 介 导 的 转运 。L -葡萄 糖 只 能 通过 简单 扩散 0.8 转运 。D -葡萄 糖 和 LL- 葡 萄 糖 吸收 速率 之 差 表 现 为 D -葡萄 糖 的 载体 介 导 的 转运 的 速率 , 因为 葡萄 糖 转运 蛋白 对 D -葡萄 糖 具有 立体 选择 性 。 6.8 装 有 缓冲 液 的 六 个 试管 中 , 每 管 都 加 入 50 pl Bl AF AE Be KR A, BS 20 mg. ml “蛋白质 , 每 管 再 加 入 放射 性 标 a 记 的 丙酮 酸 (0.07 mCi mmol ! )。 每 管 每 PS 秒 分 别 依次 加 入 w- 氰 -3- 羟 肉桂 酸 (一 种 转运 的 抑制 剂 )。 每 个 试管 中 的 溶液 在 时 间 /s 加 入 抑制 剂 后 立即 过 滤 , 在 5.10、15 20、 图 6-27 0.6 0.4 滤液 的 放射 活性 /nCi AS 50 pl 的 线粒体 悬 液 , 所 以 每 个 试管 有 1 mg 蛋白质。 6.9 6.12 Hoe 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 * 261 25 Fl 30 秒 加 入 抑制 剂 时 , 获得 的 滤液 (保留 着 线粒体 ) 的 放射 性 分 别 为 0.17、0.35、 0.51.0.66.0.82 和 0.96 nCi。 请 问 丙酮 酸 的 吸收 速率 为 每 分 钟 每 蛇 克 和 蛋白 多 少 nmol? 答 : 滤液 放射 性 可 以 衡量 分 离 时 线粒体 内 丙酮 酸 的 多 少 。 以 含有 丙酮 酸 的 线粒体 悬 液 的 培 养 时 间 为 横 坐 标 , 以 滤液 的 放射 性 为 纵 坐 标 作 图 (图 6-27), 可 以 得 到 一 条 曲线 。 丙 酮 酸 的 初始 吸收 速率 可 以 从 曲线 的 切线 的 斜率 获得 ,其 值 为 2.1 nCi min :。 这 代表 丙 柄 酸 的 吸收 速率 为 每 秒 30 nmol, 因为 1 mmol 的 丙酮 酸 有 0.07 nCi 的 放射 性 。 每 个 试管 因此 ; 丙 醋酸 的 吸收 速率 为 30 nmol 每 秒 每 毫克 蛋白 oe hs 假如 有 两 种 独立 的 载体 参与 一 种 溶质 转运 进入 细胞 内 ,并 且 简 单 扩散 可 忽略 不 计 , 怎样 证 明 两 种 载体 的 | 存在 ? 和; 两 种 载体 的 存在 可 以 通过 测定 溶质 在 不 同 浓度 下 图 6-28 ([S]) 的 及 收 速 率 (v) 证 明 。 两 种 载体 存在 时 ,为 图 6-28 的 双 倒 数 图 。 也 见 第 九 章 。 1/[S]。 细胞 外 肾上腺 素 ( 来 源 于 肾上腺 介 质 ) 在 脂肪 细胞 内 激活 B -肾上腺 素 能 受 体 , 导致 三 酰 甘 油 裂解 为 游离 的 脂肪 酸 和 甘油 。 参 与 这 个 过 程 细胞 内 酶 一 一 激素 敏感 性 脂 酶 被 重 白 激酶 A 激活 。 请 问 什 么 是 信号 转 导 级 联 中 的 关键 因子 ? 答 酸 环 化 酶 .3 ,5 - 环 化 AMP 和 蛋白 激酶 A。 哪 一 类 受 体 作用 最 快 ,哪些 受 体 作 用 较 慢 ? 答 : 一 般 而 言 , 作用 最 快 的 是 那些 参与 最 少 分 子 步骤 的 的 受 体 。 配 体 闲 门 受 体 通 道 在 几 微 妙 内 就 对 它们 的 激活 剂 作 出 响应 。 依 赖 于 G 有 蛋白 偶 联 受 体 的 效应 一 般 在 几 秒 内 可 观 察 到 。 核 受 体 需要 基因 转录 、 信 使 RNA 翻译 成 蛋白 质 、 翻 译 后 修饰 过 程 和 某 种 情况 下 细胞 周期 性 的 翻转 , 其 结果 是 这 些 受 体 的 效应 几 小 时 甚至 几 天 都 不 明显 。 生 长 因子 受 体 激 发 了 初期 和 后 期 事件 。 初 期 事件 的 产生 是 细胞 内 酶 活动 的 结果 ,例如 一 些 磷脂 修 人 饰 酶 。 而 基因 转录 的 效应 导致 了 后 期 事件 发 生 。 将 人 类 嗜 中 性 粒 细胞 暴露 于 肿瘤 助 催 化 剂 乙 酸 肉 豆 藻 佛 波 醇 (PMA, 100nmol/L) F, ££ 得 到 一 个 稳定 的 代谢 状态 后 , 细胞 悬 液 变 得 均匀 。 离 心 后 ,收集 膜 和 离心 上 清 液 。 膜 和 离心 上 清 液 也 可 不 通过 细胞 暴露 于 PAM 而 制备 。 两 种 情况 下 也 均 收 集 了 和 勺 浆 样品 ( 即 在 离心 之 前 收集 )。 之 后 测定 各 部 分 的 蛋白 激酶 C 的 活性 , 得 到 以 下 数据 : 匀 浆 % 膜 % 上 清 液 % 对 照 细胞 100 10 90 PMA -处 理 细胞 100 60 40 注 : 所 有 数据 均 是 与 对 照 匀 浆 相 变 的 百分比 值 请 问 怎样 最 简单 地 解释 这 些 数 据 ? 肾上腺 素 能 受 体 属于 G 蛋白 偶 联 受 体 家 族 。 信 和 号 转 导 级 联 中 的 关键 因子 为 ;Gs、 腺 昔 "162 , 6. 区 CH,OH ae A CN 13 生物 化 学 Bs . pana BE SHKAHEOKBSHBORWL, KZA 100%, CRETEORS 的 重新 分 布 。 蛋 白 激酶 C 被 PMA( 或 被 其 自然 激活 剂 DAG 或 Ca ) 激 活 巾 ,被 运 输 到 质 膜 ,在 膜 上 蛋白 激酶 C 将 靶 蛋 白质 磷酸 化 。 补充 问题 请 指出 生成 下 列 化 合 物 时 异 戊 二 烯 单位 共同 连接 的 途径 : HOOC (a) ”法 尼 醇 (b) HAR O 8 (c) 维生素 人 (d) 樟脑 (a) 怎 样 定义 糖 脂 ? (b) 请 举 出 两 个 例子 。 为 什么 几乎 所 有 自然 界 存在 的 脂肪 酸 都 含有 偶数 个 碳 原子 ? 请 写 出 下 列 脂肪 酸 的 结构 (a) 258 PR(14:0) (b) PS © 5 Hs BR (14: 14°) (c) BERTH AR ( 18:1°° C- 12 羟基 化 ) 甘油 和 四 种 不 同 的 脂肪 酸 可 以 构成 多 少 种 不 同 的 三 酰 甘 油分 子 ? 写 出 两 个 三 酰 甘 油 的 结构 ,在 37°C 时 , 一 个 为 (a) 固 态 , 另 一 个 (b) 为 液态 。 pH7 时 ,将 下 列 脂 类 的 混合 物 进行 电泳 :PE PS. PG. DPG, 说 明 这 些 脂 类 是 向 阳极 运 动 , 还 是 向 阴极 运动 或 保持 不 动 ? 请 绘制 胆固醇 的 结构 以 表明 其 构象 。 | | 将 1 -棕榈 酰 - 2 - 硬 脂 酰 - 3 - 肉 豆 翘 酰 甘 油 和 磷脂 酸 的 苯 溶 液 分 别 与 等 量 体 积 水 剧 列 ; 振荡 。 当 两 相 分 离 后 , 哪 一 个 脂 在 水 相 中 浓度 较 高 ? | 1 pm 的 磷脂 双 分 子 层 区 域 有 多 少 个 磷脂 分 子 ? 假设 一 个 磷脂 分 子 占 用 的 表面 积 为 0.7 nm’. BA 4.74 10° 人 体 红 细胞 细胞 膜 中 分 离 的 脂 以 面积 0.89 m2 的 单 分 子 层 延 伸 。 假 设 红 细胞 是 直径 7 pm JE 1 pm 的 圆 盘 , 次 明 包 围 红细胞 的 细胞 膜 必 须 是 双 层 脂 分 子 厚 。 为 什么 磷脂 酰 乙 醇 胺 优先 进入 PE 和 PC 组 成 的 人 造 小 泡 的 内 侧 ? 预测 下 列 操作 将 对 小 泡 的 相 变温 度 及 其 对 磷脂 运动 性 的 影响 , 其 中 小 泡 是 由 二 棕榈 本 磷脂 酰 胆 碱 制 成 。 (a) 将 二 棕榈 酰 磷脂 酰 胆 碱 引入 小 泡 (b) 将 高 浓度 胆固醇 引入 小 泡 6.32 6.33 第 6 章 脂 、 膜 、 运 输 和 信和 号 (c) 将 整合 膜 蛋 白 引 入 小 泡 请 计算 由 30% (重量 ) 的 蛋白 质 ( 密 度 为 1.33g cm - 3) 和 70% 重 量 的 磷酸 甘油 酯 (密度 为 0.92g cm ”) 组 成 的 膜 的 平均 密度 。 问题 6.26 中 的 膜 , 每 一 分 子 蛋白 质 对 应 多 少 分子 的 脂 ? 假设 磷酸 甘油 酯 和 蛋白 质 的 平 均 分 子 质 量 分 别 为 800 和 40 000。 下 列 化 合 物 穿 过 生物 膜 的 简单 扩散 的 顺序 是 什么 : 丙 酸 、1,3 -两 二 醇 \ 丙 酰胺 、1 - 丙 醇 、 AAR? FEE. coli 中 ,葡萄 糖 是 以 基 团 转运 方式 吸收 ,乳糖 以 次 级 主动 转运 (利用 HH- ) 吸 收 , 而 甘露 糖 的 吸收 是 通过 结合 蛋白 系统 。 请 描述 怎样 确定 蜜 二 糖 (葡萄 糖 和 半 乳 糖 组 成 的 BLS) AEB R E. coli 吸收 。 如 能 吸收 ,是 以 上 述 三 种 方式 中 的 哪 一 种 进行 。 相同 的 细胞 悬 液 用 不 同 标记 活性 的 亮 氨 酸 处 理 。 亮 氨 酸 吸收 的 初始 速率 可 通过 细胞 悬 液 测定 ( 见 下 表 )。 请 问 用 同 种 转运 系统 , 细胞 吸收 亮 氨 酸 的 最 大 速率 为 多 少 ? 亮 氢 酸 浓度 /mol/L 初始 吸收 速率 /cpm * 0.5 55 1 110 5 480 10 830 20 1 300 30 1 700 50 2 100 100 2 600 * cpm 表示 放射 性 的 单位 , 为 每 分 的 计数 。 胃液 的 pH 为 1, 而 产生 胃液 的 细胞 , 其 内 部 pH 为 7。 计 算 37 人 时 ,从 这 些 细胞 中 转运 质子 到 胃 中 的 AG。(R, 气体 常数 ,等 于 8.3 J mol 一 K-:) TTT (a) Bt SX BE He A ( b) LAP BIR A 对 葡萄 糖 转运 到 小 泡 内 初始 速率 的 影响 , 这 些小 泡 来 源 于 葡萄 糖 和 Na* 共 转 运 的 细胞 。 假 设 外 部 培养 基 含 0.2moVL Na*, 并 且 小 泡 的 内 部 含有 相同 浓度 的 K-。 在 血小板 中 , 蛋白 激酶 C 激活 了 阻止 肌 醇 1,4, 5 -三 磷酸 (IP;) 形 成 1, 4 -二 磷酸 (IP,) 的 肌 醇 1,4, 5 -三 磷酸 - 5 -磷酸 单 酯 酶 。 这 会 给 激活 磷脂 酶 C 的 受 体 引起 的 Ca HE 放 造 成 怎样 的 影响 ? * 162 - 7.1 35 1868 4£, Friederich Miescher 从 脓 细 胞 的 核 中 分 离 出 一 种 物质 。 这 种 物质 被 认为 是 胞 核 和 特征 性 物质 , 他 称 它 为 核 素 。 接 下 来 , 从 名 精 头 部 分 离 出 一 种 相似 的 物质 。 之 后 得 知 核 素 是 一 种 碱 性 重 白 和 一 种 含 磷 的 有 机 酸 的 混合 物 , 现 称 作 核 酸 。 7.2 核酸 及 其 化 学 组 成 细胞 核 中 主要 的 核酸 为 脱氧 核糖 核酸 (或 DNA)。DNA 含有 戊 糖 一 -脱氧 核糖 , 脱 氧 和 核糖 是 其 化 学 组 分 中 的 一 种 。 现 已 知 DNA 是 遗传 物质 。 另 一 类 型 的 核酸 是 核糖 核酸 (或 RNA), 它 以 核糖 代替 了 DNA 中 的 脱氧 核糖 。RNA 的 主要 作用 是 遗传 信息 从 DNA 到 蛋白 质 的 传递 。 DNA 分 子 非常 大 , 比 蛋白 质 分 子 大 得 多 。RNA 与 蛋白 质 大 小 接近 。 用 酸 将 DNA (或 RNA) 完全 水 解 使 DNA 分 裂 为 含 氮 碱 基 、2 -脱氧 - D -核糖 (RNA 时 为 D -核糖 ) 和 正 磷酸 , 的 混合 物 。 在 DNA 和 RNA 中 都 有 两 种 类 型 的 碱 基 , 喀 啶 和 味 叭 。 喀 啶 是 杂 环 化 合 物 喀 啶 的 衍生 物 ; ” 嗓 叭 是 稠 环 化 合 物 味 叭 的 衍生 物 : 环 中 位 置 的 编号 方式 按 国际 理论 和 应 用 化 学 联合 会 (IUPAC) 的 规定 进行 。 喀 喧 DNA 中 发 现 的 主要 喀 啶 为 胸腺 喀 啶 和 胞 喀 啶 ,RNA 中 为 尿 喀 啶 和 胞 喀 啶 。 这 三 种 旷 院 的 区 别 在 于 连接 在 环 上 的 化 学 基 团 的 类 型 和 位 置 不 同 。 胸腺 喀 喧 是 5 - 甲 基 - 2, 4 —— Se me ne Hel ME WE) 2 - 氧 - 4 -氨基 喀 啶 。 PRB WEA 2, 4 -二 氧 喀 喧 , 第 7 章 ; 核 RB YF Swi 7.1 写 出 (a) WR ee, (b) ee te (c) Rrra sy 2d 14, 1 NG i eh OE ae 人 ECG WS Mr at 5 al H H H (a) fil Bis AE ae (b 胞 喀 喧 (c) 尿 喀 喧 胸腺 喀 啶 也 可 称 为 S- 甲 基 尿 喀 啶 。 在 一 些 核酸 中 还 发 现 其 他 甲 基 化 喀 喧 。 pil 7.2 Bw 5 -P Biase ay 25 74, DNA 和 RNA 中 , 胞 喀 啶 的 甲 基 化 作用 在 遗传 物质 及 其 表达 的 保护 方面 具有 重要 的 生物 学 意 义 。 5 -省 尿 喀 啶 是 胸腺 喀 喧 的 类 似 物 , 区 别 仅 在 于 C-5 的 取代 基 (WIRES PAE) 不 同 。 这 两 个 取代 基 占 用 了 几乎 一 样 的 空间 , 负 责 合成 DNA 的 酶 可 以 接纳 任何 一 个 , 在 某 种 类 型 的 细胞 和 病毒 中 允许 5 -省 尿 喀 啶 摊 入 DNA。 这 在 研究 DNA 的 合成 中 非常 有 用 。 rm 在 DNA 和 RNA ACBL AY IRENS SE BE ARS A SS, AK all Ae Re ES HE 的 化 学 基 团 的 类 型 和 位 置 不 同 , 如 下 所 示 : 1 i a ne HNA Sco wi || CH ue 上 | CH S Ary/ ‘ SAUTE N N H ie wey Pill 7.3 4 FB PRA KEIR AAO BK A EI Fo 1% HHI AREY fo BR, WES A 6 -RREZ, BRA 6-H-2-KREEF., * 166° mg Oe FOURS HB RH ANCE MEAT RABE, AREA. MU, 尿 喀 啶 能 以 酮 HRA Hs BEA FF TE O H I i fe C HN~ ‘GH A cH O=C CH N\nZ H mx Fi XK 粗 箭头 表示 在 中 性 bpH 下 , 常 以 酮 式 的 形式 存在 。 Spl 7.4 Bk Beeb a MBA BA. e.» Go) NEY yi 光 15 (HH ESR FES 问题 : Fe A AY VAS th BRIS BY ME A? 不 可 以 , 因 为 腺 味 叭 没有 酮 基 。 但 是 , 当 其 异 构 为 亚 氨基 形式 的 互 变异 构 体 后 , 则 可 以 写 出 烯 醇 式 。 但 中 性 PH 时, 氢 基 形式 占 优势 。 xb DNA 中 的 糖 为 2 -脱氧 核糖 ,RNA 中 为 D -核糖 。 Hil 7.5 5 DNA 和 RNA 中 存在 的 糖 的 形式 。 HOCH, OH HOCH, | OH wr By ye OH H OH OH (2- 脱氧 -B -D- Wen BOR ) ( B -D- Wr A ) 注意 核酸 中 的 糖 均 以 B 异 头 体 的 形式 存在 。 7.3 BB ERP RHP, —-S mine as Se (2 -脱氧 - D -核糖 或 D -核糖 ) 连接 后 就 形成 核 苷 。 如 果 含 脱氧 核糖 , 核 苷 就 指 脱氧 核糖 核 苷 , 如 含 核糖 , 则 指 核糖 核 苷 。 叶 叭 核 苷 是 碱 JEN] N -9 和 糖 的 C-1 以 8B- 糖 苷 键 相 连 , 而 喀 啶 核 苷 的 这 种 连接 是 在 碱 基 的 N-1 和 糖 的 B7IE BR er 1 之 间 。 CEH Gill 7.6 Bu (a) SAR ESD 4 RT O(b) 含有 胞 喀 啶 的 脱氧 核糖 核 苷 的 结构 。 站 NH, ae: ro || BC CL / 0 一 ER sy HOCH: 6 HOCH: 6 | ‘Ch mC ‘Ch we IN | | H | 3” 2 H H |3 |2 H OH OH OH H (a) 9- B-D-Ke (b) 1,2' - BiA-B -D- RR Ret GRE) 核糖 胞 喀 啶 (脱氧 胞 苷 ) 因为 例 7.6 中 的 糖苷 键 是 发 生 在 喀 喧 或 味 叭 中 的 氮 原 子 上 , 因 此 , 这 些 核 苷 也 称 为 N 一 Bt. ARKH ERPS CERES RAT, CRUE ARP, 2’, --,5 表示 , 如 上 图 所 示 。 按 结构 写 的 化 学 名 称 虽然 简单 明了 , 但 却 较 难 使 用 , 使 用 简单 术语 将 更 方便 。 因 此 腺 嗓 叭 与 核糖 连接 = 腺 苷 尿 喀 啶 与 核糖 连接 = PRP SER SRR = SH See SRARRER =A ST 胞 喀 喧 与 脱氧 核糖 连接 = A 胸腺 喀 啶 与 脱氧 核糖 连接 = 脱氧 胸 苷 hil 7.7 Bw (a) RASH (b) MHA, O NH, I ee (alla) 知 | I 2 ee ee wh eas sig i HOCH, ey oF | OIL .H OH OH (a) BASH (b) 胞 苷 7.4 核 苷 酸 核 苷 酸 是 核 苷 的 磷酸 酯 , 磷 酸 位 于 C-S$'。 也 有 其 他 位 置 磷 酸化 的 核 苷 酸 , 但 却 不 是 核 酸 的 组 分 。 含 有 脱氧 核糖 的 核 苷 酸 称 为 脱氧 核糖 核 苷 酸 , 含 核糖 的 则 称 作 核 糖 核 苷 酸 。 Hl 7.8 Bu (a) SAMS A KBR (b) SAMAR Roe 05 A HE EE 9 EHH, * 167 - Em 化 学 NH, O \| r | CH ugk oe PCA ry sw oH H HO—P—OCH, 4 HO—P—OCH, P | SS aa O CH H * Cr Ht it 『 ue 1H OH OH OH 上 (a) 腺 苷 -5'- 磷 酸 (AMP) (b) 脱氧 胸 苷 -5 -磷酸 (dTMP) 腺 苷 5 一 磷酸 也 称 为 AMP ( 腺 苷 一 磷酸 ) 或 腺 苷 酸 。 如 果 腺 苷 的 5 -磷酸 上 的 核糖 被 脱 氧 核糖 取代 , 则 术语 为 4AMP 或 脱氧 腺 苷 酸 。 一 些 核 糖 核 背 酸 和 脱氧 核糖 核 苷 酸 的 缩写 名 称 列 于 下 表 。 phat 核糖 核 苷 酸 脱氧 核糖 核 苷 酸 腺 嘎 哈 ,A 腺 苷 酸 ,AMP 脱氧 腺 苷 酸 ,dAMP Sey, G SR, GMP tA SR, dGMP HOMEDE, C 胞 苷 酸 ,CMP 脱氧 胞 苷 酸 ,dCMP 尿 喀 啶 ,U RR, UMP 脱氧 尿 苷 酸 ,dUMP 胸腺 喀 啶 ,T 胸 苷 酸 ,TMP 脱氧 胸 苷 酸 ,dTMP 术语 名 称 告诉 我 们 核 音 酸 是 酸 , 这 是 磷酸 第 一 次 电离 的 结果 , 磷 酸 电离 后 其 pK, Ae 近 1 (第 10 章 )。 因 此 , 中 性 pH 时 , 核 苷 酸 是 电 负 性 的 。 磷 酸 的 第 二 次 电离 ,p 开 .大约 勇 6, 这 也 有 助 于 核 苷 酸 在 中 性 pH 时 保持 电 负 性 。 中 性 pH 时 , 碱 基 上 不 带电 荷 。 FH 7.9 写 出 pH7 时 AMP 的 电荷 形式 的 结构 。 AMP( 电 荷 形式 ) 注意 碍 酸 上 的 两 个 负电 荷 残 基 。 这 个 结构 中 , 腺 嗓 叭 以 A 表 示 , 它 不 带 任何 电荷 。 所 有 的 5 - 核 苷 酸 也 以 5 一 二 磷酸 和 5'- 三 磷酸 的 形式 存在 , 它 们 分 别 含有 两 个 和 三 个 磷 量 酸 。 相 应 的 腺 苷 $- 核 苷 酸 就 为 ADP 和 ATP, Fl 7.10 OH OH OH HO —P0— Popo Hie tem scan 65 oo hi ye eae BITE KB 酸 “ 169'> 注意 这 个 结构 是 以 非 电 荷 形式 表示 。 大 原 子 以 w、B 和 7 标注 ,a 厂 与 核糖 的 SC 连接 。ADP 只 含有 Q 和 B 7 BR 问题 : 中 性 pH AT, ATP 的 净 电 荷 为 多 少 ? ATP 为 电 负 性 , 含 -2 到 - 4 个 净 电荷 。 因 为 ATP 和 所 有 的 核 苷 三 磷酸 可 以 从 磷酸 基 团 上 分 离 出 四 个 质子 , 分 离 出 第 一 个 质子 , 其 pK。 大 约 为 1, 分 离 第 二 变化 。 Spi 7.11 pH7 时 , 以 净 负 电荷 增加 的 顺序 排列 ATP. dAMP 和 CDP ( ff — BR). 其 顺序 为 dAMP, CDP, ATP. HA + pH 时 主要 是 醋酸 起 作用 。 分 子 中 所 含 磷 酸 越 多 , 所 带 负电 荷 越 多 。 FARA, BRKT RRA = BR (NDP, NTP) 与 脱氧 核糖 核 苷 二 磷酸 和 三 磷酸 (dNDP、 dNTP) 具有 重要 功能 。 它 们 是 各 类 反应 中 能 量 的 载体 和 核酸 合成 的 前 体 (第 10 章 和 第 16 章 )。 7.5 多 聚 核 苷 酸 核酸 , 包 括 DNA 和 RNA, HASREATR, ENZUBETR (SHARD) 为 重复 亚 单位 的 多 聚 物 。 核 苷 酸 通过 一 个 核 苷 酸 的 3“C 和 相 邻 的 另 一 个 核 苷 酸 的 SC 之 间 的 磷酸 二 酯 键 连接 。 磷 酸 二 酯 键 重复 多 次 就 形成 了 含有 上 百 到 上 百 万 个 核 苷 酸 的 巨大 分 子 , 见 右 图 。 Pil 7.12 Bk KFS KRM (RNA) #424, 这 段 RNA VARRRS, Gee fo fF ve MAM 序 。 注 意 这 个 结构 为 其 电荷 形式 。 因 为 磷酸 二 酯 键 连接 了 核 将 酸 的 不 同 CRT, 3 “和 5 碳 原 子 , 、 第 三 和 第 四 个 质子 ,pK。 在 6~7 的 范围 内 Se p= ied O He 5 LOL Se 4 ii Ne 3 2’ 9 OH o= i Oo 4 ie a 链 的 方向 AH 9 H O aie Oo p HC Fa GE ee 4 H H 了 H H 了 OH O=P—O | Ei Pp 因此 , 这 个 链 具 有 方向 性 或 极 性 。 按 照 惯例 , 所 示 结 构 具 有 5 一 3 “向 下 的 方向 (或 3' 5A 上 的 方向 ), 核 童 酸 的 顺序 一 般 按 $ 一 3 方向 书写 。 因 此 , 上 述 RNA 链 的 一 部 分 的 顺序 就 为 腺 嗓 叭 、 乌 嗓 叭 、 胞 喀 啶 , 或 简写 为 AGC。 为 了 表明 结构 的 $ 和 3“ 闹 均 与 磷酸 连接 , 更 精 确 的 写法 为 pApGpCp。 这 种 速记 形式 不 能 表明 这 三 个 核 音 酸 的 序列 是 更 长 结构 的 一 部 分 , pApGpCp 还 可 以 表示 只 含有 $ 和 3! 六 均 被 厂 酸 化 的 三 个 核 音 酸 的 分 子 (一 个 三 核 苷 酸 )。 如 果 表 示 AGC 是 多 脱氧 核 音 酸 的 一 段 , 可 用 d-pApGpCp 的 简写 形式 表示 , 或 用 dAGC 表 CSS 7.13 Bk — 7K HR d-ApTp 的 结构 。 -170- 生物 化 学 3 ee O- ZESRAAAM, BAMAMR. A-ARAH 简写 形式 为 注意 后 一 种 形式 没有 明确 糖 的 性 质 。 Pil 7.14 写 出 pApUpGpCpApCp 的 简写 结构 。 A U G C A C 3' 3' 3' 3' 3' 3' |g R P 也 FE P eee AS ae ene. BAR VE HARE AF BR 7.6 DNA 的 结构 DNA 为 多 脱氧 核 苷 酸 , 是 最 大 的 生物 大 分 子 , 一 些 DNA 分 子 由 超过 10° 个 核 苷 酸 组 Re ESA EARS AAR, SS ARE, we ARE DNA TRAE 精确 的 核 苷 酸 序列 编码 。 一 种 最 简单 的 确定 DNA 序列 的 方法 是 用 酶 一 -DNA RAM, EE 化 DNA 的 合成 。 它 的 性 质 将 在 第 16 章 讨论 。 DNA 的 碱 基 组 成 目前 已 明确 各 种 不 同 生 物 的 DNA 的 碱 基 组 成 , 每 一 种 均 不 同 于 其 他 种 LE 721) 0 问题 人 体 肾脏 的 DNA 的 碱 基 组 成 是 什么 ? 它 与 人 体 肝 脏 的 DNA 组 成 相同 , 请 见 表 7.1。 因 为 每 一 种 生物 的 DNA 碱 基 组 成 具有 一 个 特性 , 而 目 不 会 随 细胞 类 型 的 改变 而 变化 。 这 反应 出 核 苷 酸 序列 及 其 编码 的 遗传 信息 在 一 个 生物 体 的 不 同类 型 的 细胞 中 相同 。 但 是 , 这 种 信息 在 一 个 生物 体 中 的 各 类 细胞 中 表达 各 异 , 正 如 后 文 所 示 。 第 7 章 、 核 AR 表 7.1 不 同 生物 的 DNA 的 碱 基 组 成 碱 基 组 成 /mol % 来 源 G A ry 下 RR BRA 37} 1 13.4 37.1 12.4 3S" RT 33.9 16.5 32.8 16.8 大 肠 杆 菌 K12 24.9 26.0 25.2 23.9 INE 2.7 27A3 22.9" a 牛 胸腺 21.5 28-2 93° 5° 27.8 人 肝脏 19.5 30.3 19.9 30.3 酿酒 酵母 18.3 31.7 17.4 32.6 Pe K SF A 14.0 36.9 12.8 36.3 » 胞 喀 啶 + FA 3 Af ee CS Gl 7.15 来 源 于 不 同 种 类 生物 的 DNA, 其 一 种 碱 基 (或 一 类 型 的 碱 基 ) 对 另 一 种 碱 基 的 比率 是 否 有 共同 特征 ? PA AMES (A+G) HE (T+ C) 的 比率 接近 相等 。 更 为 显著 的 是 A 对 工 和 G 对 避 的 比率 接近 相等 。 这 两 点 反应 了 许多 DNA 分 子 的 结构 特征 。 DNA 的 双 螺 旋 结 构 问题 : DNA 的 什么 结构 特征 导致 A 对 T 和 G 对 C 的 比率 接近 相等 ? DNA 是 含有 两 条 多 核 苷 酸 链 的 双 螺 旋 分 子 , 两 条 多 核 苷 酸 链 彼 此 通过 特异 性 碱 基 配 对 (图 7-1) 相连 接 。 一 条 链 上 上 的 腺 嗓 哈 和 另 一 条 链 上 的 胸腺 喀 喧 配对, 而 鸟 嗓 叭 与 胞 喀 院 配对 。 这 两 条 链 是 互补 的 。 这 就 是 Watson 和 Crick 提出 的 DNA 结构 的 重要 特征 。 相 对 的 配对 碱 基 之 间 形 成 氢 键 。Watson 和 Crick 提出 的 DNA 结 构 中 ,A:T 和 G:C 碱 基 对 几乎 在 一 个 平面 上 , 并 以 氢 键 (点 划 线 ) 相连 , 如 图 7- 1。 注 意 A:T 碱 基 对 之 间 有 两 个 氢 键 , 而 G:C 有 三 个 。 H | CH, ae ° xe) Ne Nw Na, am: y i mg Oe Z nN 让 糖 N | \ HON, be, N \ x H 8 工人 C HG (a) (b) 图 7-1 DNA 中 的 碱 基 配对 一 个 碱 基 对 堆积 在 另 一 个 碱 基 对 之 上 , 碱 基 对 平面 垂直 于 双 螺 旋 的 长 轴 。 如 图 7-2 所 示 , 可 用 梯形 结构 示意 图 表示 DNA 的 结构 。 问题 : 图 7- 2 的 双 螺 旋 、 梯 形 结构 中 , 为 什么 两 条 链 是 相反 的 方向 ? 172+ 生物 化 学 5 — G 332222222 C re P P 5’ = Aimsovhacee ae ae OH P 3) St 5’ Sa 图 7-2 DNA 双 螺旋 中 碱 基 对 的 堆积 每 组 点 划 线 代表 碱 基 对 之 问 的 氢 键 , 这 些 氢 键 位 于 垂直 于 纸 面 的 平面 上 。 缠绕 形成 螺旋 的 最 重要 的 效应 就 是 使 堆积 的 碱 基 对 距离 非常 近 。B 型 DNA 的 螺旋 结构 中 , 碱 基 对 的 距离 为 0.34nm, 这 个 距离 称 为 垂直 高 度 。 所 以 , 水 从 芷 水 中 心中 排出 , 电 离 的 磷酸 位 于 表面 。 中 心 的 牙 水 作用 同 碱 基 对 之 间 的 氢 键 一 起 稳定 了 整个 螺旋 。 还 应 注意 在 螺旋 中 每 10 个 碱 基 对 或 3.4nm 形成 一 个 完 全 的 旋转 , 这 个 距离 称 为 螺旋 的 螺 距 。 随 着 双 链 分 子 的 旋转 , 螺 旋 表 面 形成 两 条 螺 形 凹 沟 , 根 据 其 长 度 , 分 别称 为 大 沟 和 小 沟 。 现 已 知 大 沟 具 有 调节 与 蛋白 质 的 相互 作用 , 某 些 蛋白 质 能 够 识别 和 结合 在 特异 性 核 苷 酸 序 列 上 。 问题 : 图 7 - 3 所 示 的 双 螺旋 结构 称 为 B 型 DNA_ DNA 的 其 他 形式 是 什么 ? 它们 是 否 具有 生物 学 作用 ? Watson 和 Crick 所 用 的 X 射线 衍射 数据 来 自 高 湿 度 条 件 下 制备 的 DNA 纤维 。 在 低 湿度 UN FESS 75) 条 件 下 ,DNA 纤维 将 缩短 。 这 是 DNA 转变 为 A 型 的 结果 ,A 型 DNA 的 碱 基 对 与 螺旋 轴 不 垂直 , 大 约 倾斜 20",11 个 碱 基 对 形成 一 个 螺旋 , 螺 距 降低 到 “8nm。B 型 螺旋 在 细胞 内 占 优 势 , 双 链 RNA 和 DNA/RNA 杂交 分 子 产 生 A 型 螺旋 1953 4F, J. Watson 和 F. Crick 将 互补 链 的 碱 基 配 对 和 X 射 线 衍射 数据 进行 共同 分 析 , 提 出 了 DNA 的 结构 模型 。 这 个 模型 的 基 本 结构 是 两 条 链 彼 此 缠绕 形成 右手 螺旋 ( 双 螺 旋 ), 所 确定 的 结构 与 当时 获得 的 数据 吻合 , 这 个 结构 中 Pik H +h 8 77 1 (7 = 3)¢ 但 两 条 链 极 性 相反 的 直接 的 证 据 10 年 以 后 才 获 得 。 Uh a te a 构 对 整个 DNA 分 子 结构 的 稳定 有 什么 作用 ? 图 7-3 DNA 双 螺旋 的 模式 图 (B 型 ) SABES — MEOEIED, $EBIJEd(CG), UDR d(TG)。 的 DNA, 其 双 螺 旋 具 在下 辣 史 We 瑟 是 左手 螺旋 而 非 右手 螺旋 , 被 称 为 2 型 DNA。DNA 各 种 螺旋 参数 的 比较 列 于 吉 7.2, Z BUA BE DNA 的 空间 填充 模型 比较 于 下 (图 7-4), 第 7 章 BK 酸 * 173° 37.2. DNA 螺旋 的 比较 螺旋 参数 A-DNA B-DNA Z-DNA 螺旋 方向 右手 右手 左手 每 个 螺旋 的 碱 基 对 数目 11 10 12 每 对 碱 基 之 距离 /nm 0.29 0.34 0.37 螺 距 /nm 3.2 3.4 3.5 在 Z 型 DNA 中 , 重复 单位 是 一 个 双 核 苷 酸 , 其 生成 物 结 构 中 的 糖 - 磷酸 骨架 为 交错 的 Z 字形 , 它 的 名 称 (Z) 也 是 由 此 而 来 。Z 型 DNA 也 许 有 重要 的 生物 学 作用 , 但 目前 我 们 还 不 确 知 。 当 ”> 25 AY, FS d (TG), 在 真 核 DNA 中 (在 人 类 基因 组 中 大 约 为 10° 个 拷贝 ) 普遍 存在 , 但 在 体内 它们 是 否 以 Z 型 存在 还 不 确 知 。 螺旋 结构 的 局 部 变化 DNA 纤 维 的 X 射线 衍射 数据 只 表示 了 DNA 构象 中 序列 变化 的 平均 效应 。 DNA 的 高 分 辩 率 研究 需要 单一 DNA 品 体 的 射线 衍射 分 析 , 这 只 有 在 确定 长 度 和 顺序 的 纯 DNA 的 化 学 合成 之 后 才 可 能 实 现 。 (a) Z 型 Al7-4 Z 型 和 B 型 DNA 转动 螺旋 浆 式 图 7-5 _DNA 碱 基 对 几何 学 中 的 序列 依赖 变化 ,174 , 生物 化 学 且 强调 A, 和 ONA SER / UL te 7 whet nt 位 中 , 而 这 种 定位 通过 以 X 轴 、Y 轴 和 Z 轴 为 中 心 倾斜 、 转 动 或 扭曲 确定 的 。 碱 基 对 中 两 个 碱 基 的 相对 转动 也 将 产生 弯曲 、 螺 旋 桨 式 和 开口 等 变化 (图 7-5)。 表 7.2 所 列 参 数 为 平均 值 , 例 如 , 尽 管 B 型 DNA 的 平均 碱 基 对 间 的 距离 为 0.34nm, 但 这 个 距离 实际 是 在 0.25 一 0.44nm 的 范围 内 变化 。 问题 : 上 述 文字 描述 了 什么 样 的 序列 依赖 性 变化 ? 存在 于 螺旋 重复 中 (每 10 一 11 个 碱 基 对 ) 的 一 段 序 J dA, (n=4~6) 将 导致 B 型 螺旋 轴 的 弯曲 。 与 之 相似 , 嘲 叭 -本 喀 - x - x - x NES x - x- x 重 复 序列 也 将 导致 弯曲 , 其 中 x 可 以 为 任何 碱 基 。 Z 型 螺旋 的 发 现 是 在 序列 dCGCGCG ( 见 上 ) FE BRAY ERR AY BRIE ABA, LA he A Ay me FIA DNA 片段 会 导致 B 型 螺旋 “起 锌 ", 即 产生 一 个 较 深 的 小 沟 。 因 此 , 就 转变 到 Z 型 螺旋 。 于 AG. CBE, ERA RAKIM ; . DNA SRW HATED LRM (A7-6), -KEKERREY—-T+REBREN 9 -羟基 和 下 一 个 的 3 RZ ESE A TT ER, BOAR 3’ -BER RE — ERE (DPA) 取代 物 激活 , 为 与 第 一 个 核 苷 酸 的 5- OH 的 反应 作 好 准备 。 为 了 避免 不 需要 的 连接 , 第 一 个 核 苷 酸 通 过 3- OH 连接 在 柱 或 漏斗 中 的 固体 载体 (通常 为 硅胶 ) 上 , 第 二 个 核 昔 酸 的 5- OH 被 二 甲 氧 三 lid | (DMT) 保护 起 来 。 _ DMT 0 | wae 2 H H y i P. H,CO~ \ppa DMT 0 碱 基 + 催化 齐 ; H H O H H 0_ wae HiCo 一 、 Ye 1 a i H H 站 ] H ci H 载体 一 氧化 | OMT 基 H co me H B 2 H 脱 三 葵 甲 基 H H H ae oe HCO. — H H is H H ue — RA —2k— 图 7-6 PRAHA S wt 第 7 章 GR RB 这 个 反应 产生 了 亚 磷 酸 三 酯 , 亚 磷酸 三 酯 通过 充满 柱 中 的 碘 氧 化 为 磷酸 二 聚 体 。 接 下 来 ,DMT 基 困 用 80% 的 乙酸 RRA) 处 理 , 将 它 从 第 二 个 核 苷 酸 上 除去 , 为 与 下 一 个 DPA -激活 的 单 体 反应 作 准 备 。 这 样 的 循环 将 持续 进行 , 直 到 守 核 苷 酸 完全 合成 。 这 种 循环 反应 能 最 多 能 连接 150 PK 酸 残 基 。 问题 : 怎样 测定 DNA 序列 ? 最 经 常 使 用 的 方法 称 为 链 终止 测序 法 或 双 脱氧 法 , 将 在 第 16 章 讨论 。 7.7 DNA 的 变性 双 螺 旋 DNA 是 相对 僵硬 和 较 长 的 分 子 , 所 以 DNA 溶液 黏度 很 高 。 如 果 将 DNA 溶液 加 热 到 OSC, BARE PRE, FEA RR EE Py AE I, 这 就 是 变性 作用 , 这 个 过 程 还 伴随 着 双 链 分 离 为 单 链 柔性 的 单 链 。 变 性 和 复 性 作用 提供 了 各 种 来 源 DNA 性 质 的 重要 信息 。 变 性 作用 同样 为 DNA .和 RNA 特异 序列 的 精细 鉴别 提供 了 基础 , 并 且 对 分 子 遗 传 学 快速 发 展 有 重要 意义 。 通过 黏度 的 变化 可 以 检测 变性 , 一 个 更 为 方 ame 便 的 检测 方法 是 测定 其 紫外 〈uv) MU. KR DNA ( 双 螺 旋 ) 和 变性 DNA ( 单 链 ) 紫外 吸收 光 谱 的 差异 请 见 图 7 -7。 在 最 大 吸收 波长 (260nm), 单 链 DNA 的 吸收 比 双 链 DNA 高 大 约 = ne 40% 。 这 就 是 增色 效应 , 是 螺旋 中 的 碱 基 对 不 再 波长 /mm 堆积 的 结果 。 7-7 光 吸 收 问题 : 除 加 热 外 的 其 他 方法 是 否 能 引起 DNA 的 变性 ? DNA 螺旋 是 通过 每 个 碱 基 对 之 间 的 氢 键 和 堆积 的 碱 基 对 之 间 的 疏水 力 而 稳定 的 。 只 要 是 能 够 减少 氢 键 和 降低 周围 介质 极 性 的 试剂 , 如 甲 酰胺 , 均 能 导致 变性 。 极 端 pH 能 增加 碱 基 的 电荷 , 因 此 对 变性 同 样 有 效 。 所 以 ,DNA 在 pH12 时 ,260nm 的 光 吸 收 比 其 天 然 形 式 高 40%。 DNA 的 热 变性 如 果 将 DNA 溶液 的 温度 逐渐 提高 , 可 以 通过 260nm 下 光 吸 收 的 变化 反应 DNA 的 变性 。 几 种 DNA 的 典型 结果 请 见 图 7-8。 图 7- 8 中 的 曲线 称 为 解 链 曲线 , 因 为 随 着 光 吸 收 的 上 升 , 高 度 有 序 、 半 圆 简 形 的 双 螺 旋 DNA 被 破坏 (或 解 链 )。50% 的 DNA 解 链 的 温度 称 作 熔点 , 或 了。 SPB 7.16 除 热 必 外 的 何 种 其 他 因素 对 一 种 DNA 49 T,, A? 中 性 pPH 时 ,T。 主要 与 介质 的 盐 浓 度 (或 离子 强度 , 第 10 章 ) 有 关 。 图 7-8 中 的 曲 线 是 在 离子 强度 刚好 高 于 0.15 时 取得 。 如 果 离 子 强度 降低 90%, 所 有 T,, 值 将 降低 到 20T 左右 。 这 是 增加 的 负电 荷 及 其 导致 的 增 大 的 静电 排斥 作用 的 结果 。 . 175 、 生物 化 学 在 260nm 的 相对 光 吸 收 7-8 不 同 种 类 生物 的 DNA 的 解 链 曲线 问题 : 为 什么 不 同 来 源 的 DNA 的 T。 AAA? 这 是 因为 DNA 含有 数量 不 同 的 G:C 和 A:T 碱 基 对 ,G:C 使 螺旋 更 稳定 , 也 许 是 因为 每 对 碱 基 有 三 个 氢 键 而 不 是 两 个 (图 7- 1)。 所 以 ,GC 含量 越 高 ,T。 越 高 。 因 此 , 标 准 条 件 下 的 工 , 值 可 用 于 估算 未 知 DNA 的 G+C 含 量 。 多 种 DNA 的 T。 对 G+C 含 量 所 作 的 图 请 见 图 7- 9。 c+C 的 摩尔 百 分 含量 60 70 80 90 100 110 Tn/°C 7-9 DNA 的 解 链 温度 与 G+C 含量 的 关系 St DNA 的 复 性 当 温度 低 于 Tu 时 , 热 分 离 的 DNA 互补 链 自 动 的 重新 缔 合 即 为 复 性 作用 , 也 称 作 退火 。 ——— » ATH RR 问题 : 所 有 类 型 的 DNA 的 退火 速率 是 否 相同 ? 退火 速率 主要 由 互补 序列 的 浓度 决定 。 病 毒 DNA 的 数量 少 于 细菌 DNA, 所 以 细菌 有 较 高 水 平 的 遗 传 复杂 度 。 相 同 平均 大 小 和 摩尔 装 度 的 病毒 和 细菌 DNA 相 比 , 病 毒 DNA 的 互补 序列 浓度 较 高 。 因 此 , 病毒 DNA 比 细菌 DNA 复 性 快 , 换 名 话说, 细菌 DNA 序列 异 源 性 更 高 。 复 性 速率 和 序列 异 源 性 (或 复杂 度 ) 可 通过 COT (AKA) 定量 测定 。 如 果 DNA 的 初始 浓度 (Ft DNA 的 摩尔 数 ) A Co, k 代表 互补 链 重 新 缔 合 的 速率 常数 , 单 链 分 子 的 重新 缔 合 比例 将 按照 下 列表 达 式 随时 间 上 降低 。 {> 1 om GE 通常 将 上 对 Cot 的 COT 分 析 结 果 作 图 。 几 种 DNA 在 固定 条 件 下 (DNA 的 大 小 、 温 度 、 pH, BRE) 的 COT 分 析 见 图 7-10。F=0.5 时 , 称 Cot HCotir. 小 牛 胸腺 非 重 复 DNA 0.5 Cot/mol L's 图 7-10 各 种 DNA 的 COT 分 析 问题 : Coilyvz 的 不 同 值 代表 了 什么 意义 ? 速率 常数 上 是 一 种 DNA 的 特性 常数 , 与 DNA 序列 组 成 的 复杂 度 有 关 。Coti/? 是 不 的 倒数 , 它 是 衡 量 序列 复杂 度 的 尺度 。Coii7z 值 越 高 ,DNA 分 子 越 复杂 。 因 此 , 从 以 上 分 析 可 见 , 细 菌 DNA 比 病毒 DNA 复杂 。 问题 : 上 述 分 析 表 明 , 高 重复 和 非 重复 DNA 的 含义 是 什么 ? 小 鼠 高 重复 DNA 的 Cotlyz 大 约 为 10-3mol L 1s。 它 是 所 检测 的 DNA 中 复 性 最 快 的 。 小 鼠 基 因 组 ( 见 7.8) 包含 大 约 10° 个 300 个 碱 基 对 的 重复 序列 , 这 样 的 DNA 就 称 作 高 重复 DNA。 高 重复 DNA 的 结构 简单 , 摩 尔 浓度 相对 较 高 , 复 性 较 快 。 而 另 一 个 极端 的 牛 胸腺 非 重 复 DNA 的 Coiia 很 高 , 反 应 了 其 基因 组 高 度 复杂 。 以 COT 分 析 动 物 细胞 的 总 DNA, 发 现 高 重复 、 中 等 重复 和 独特 ( 非 重复 ) 序列 的 三 步 曲 线 。 独 特 序列 是 编码 蛋白 产物 的 序列 。 高 重复 序列 位 于 染色 体 的 着 丝 粒 区 域 , 主 要 参与 染色 体 与 染色 体 的 识别 。 中 等 重复 序列 目前 还 了 解 很 少 。 病 毒 和 细菌 DNA 的 COT 分 析 没有 表现 出 多 个 步骤 , 它 们 的 DNA 内 不 包含 高 重复 和 中 等 重复 序列 。 本 - 178+ 生物 化 学 7.8 DNA 的 大 小 、 组 构 和 拓扑 学 DNA 分 子 非 常 长 。 例 如 , 细 菌 细胞 内 的 DNA 包含 一 条 双 螺 旋 分 子 , 当 DNA 分 子 伸 展 后 , 大 约 是 杆 状 细胞 直径 的 1000 倍 。 这 个 DNA 分 子 携 带 了 细胞 的 所 有 遗传 信息 , 即 基因 44 ; REKEASHARAA ai, Alt, KP RSRARA-ARG, 由 单个 DNA 分 子 组 成 。 它 的 大 小 为 2.5Sx10?Da, 大 约 含有 4.6 10° 个 碱 基 对 。DNA 分 子 昌 的 大 小 通常 用 千 碱 基 对 (kb,1000 碱 基 对 ) 表示 。 大 肠 杆菌 染色 体 的 大 小 为 4639 kb, CA 一 个 特征 为 闭合 或 “ 环 状 ” 结 构 , 即 它 没 有 游离 末端 。 Pill 7.17 基因 组 大 小 、 染 色 体 数目 和 DNA 拓扑 学 在 不 同 种 类 生物 中 有 什么 变化 ? 一 些 病毒 、 细 菌 和 真 核 生物 〔〈 细 胞 内 含有 核 的 生物 ) 的 上 述 信息 总 结 如 下 。 生物 体 基因 组 大 小 /kb 每 个 基因 组 的 染色 体 数 DNA 拓扑 学 i ee ae om Mth BE 40 (SV40) i 1 环 状 噬菌体 6X 174 5.4 1 环 状 , 单 链 噬菌体 入 48:6 — - 1 线性 细菌 大 肠 杆菌 4 639 1 环 状 真 核 生物 醇 母 菌 13 500 - 17 线性 人 2 900 000 23 g 注意 在 例 7.17 F, WR ©X174 EA SETTIE ME, RH, BRAK) be 各 fl] SH MSEC BOE A. REELED, ERASE 增加 。 病 毒 和 细菌 基因 组 的 千 碱 基 对 数目 可 粗略 地 认为 与 基因 数 相等 , 每 一 个 基因 编码 一 个 和 蛋白 质 产 物 。 而 真 核 生 物 的 千 碱 基 对 数目 与 基因 数目 并 不 相等 , 因 为 真 核 生 物 的 DNA 内 有 不 表达 的 碱 基 序列 〈 见 第 17 章 )。 病 毒 和 细菌 〈 原 核 生 物 ) 的 DNA i HAIR DNA. BE 生物 中 , 每 一 个 染色 体 包 含 一 条 线性 双 螺旋 DNA 分 子 。 Pon eee eae eT 问题 : 非常 长 的 DNA 分 子 是 怎样 凝聚 成 更 致密 的 染色 体 结构 ? 真 核 生 物 中 的 DNA 不 能 游离 存在 , 而 是 与 大 约 等 量 的 碱 性 蛋白 (REA) BREA. BK-B 时 间 认 为 细菌 DNA 不 会 形成 这 种 复合 物 。 细 菌 中 尽管 没有 组 蛋白 , 但 却 有 越 来 越 多 的 证 据 表明 细菌 中 含有 似 组 蛋白 蛋白 质 , 它 帮助 DNA 凝聚 成 致密 的 拟 核 形 式 。 组 蛋白 有 五 种 类 型 , 分 别 为 HH、H2A、H2B、H3 和 H4。 它 们 的 相对 分 子 质量 很 低 四 (M,=11 000 一 23 000), 并 含有 较 大 比例 的 碱 性 氨基 酸 精 氨 酸 和 赖 氨 酸 。 每 一 种 情况 下 , 一 条 多 肽 链 的 氨基 酸 分 布 都 与 众 不 同 , 碱 性 氨基 酸 聚 簇 在 其 中 一 侧 , 另 一 侧 相 对 朴 水 。 此 外 , 组 强 日 含有 许多 修饰 的 氨基 酸 侧 链 , 例 如 甲 基 精 氨 酸 和 乙酰 赖 氨 酸 。 核 蛋 日 复合 物 称 为 染色 质 。 染 色 质 能 从 核 中 像 纤 维 一 样 分 离 出 。 当 纤维 伸展 后 , 置 于 电 子 显微镜 下 观察 , 可 见 纤维 就 好 像 “珠子 穿 在 一 条 绳子 上 ,”。 大 多 数组 蛋白 构成 的 所 谓 珠子 被 称 为 核 小 体 。 核 小 体 由 8 个 组 蛋白 被 大 约 200 个 碱 基 对 的 DNA 缠绕 组 成 , 其 中 8 个 组 蛋 日 分 别 是 各 两 个 H2A、H2B、H3 和 H4。 用 核酸 酶 消化 染色 质 CUP) 将 产生 核 粒 子 , 核 粒 BT) 核 酸 子 仍 含 有 8 个 组 蛋白 但 是 DNA 只 有 140 个 碱 基 对 。 其 余 的 受 消化 作用 的 影响 的 DNA, 作 为 两 个 核 之 间 的 连接 体 与 组 蛋白 H1 连接 。X 射线 衍射 实验 已 探 明 了 核 粒 子 的 结构 。 图 7=11 显示 了 DNA 和 组 蛋白 八 聚 体 的 排列 。 为 了 使 DNA 进一步 致密 , 核 小 体 凝 聚 成 高 级 结构 。 1.10 nm 4 A H2A, H2B, H3, H4 Al7-11 RAIMA PABA AM DNA 的 排列 问题 : 什么 是 质粒 ? 质粒 是 细菌 细胞 经 常 含有 的 染色 体外 DNA 分 子 , 它 们 相对 较 小 〈 最 多 200kb), 以 环 状 双 链 的 形式 存在 。 质 粒 可 以 独立 于 细菌 染色 体 而 自行 复制 , 并 且 一 个 细胞 内 可 以 有 多 个 拷贝 。 一 个 细胞 内 的 质粒 就 像 所 有 的 DNA 一 样 以 负 超 螺旋 构象 存在 。 真 核 细胞 也 含有 核 外 DNA, 这 种 染色 体外 DNA 存在 于 线粒体 和 叶绿体 中 。 问题 : 超 螺旋 DNA 的 含义 是 什么 ? 超 螺旋 代表 DNA 双 螺 旋 的 进一步 缠绕 , 主 要 在 环 状 DNA 和 通过 与 蛋白 质 的 复合 被 拓扑 限制 的 DNA 中 存在 。 如 果 环 状 DNA 分 子 在 松弛 构象 ( 非 超 螺 旋 ) 下 两 条 链 发 生 断 裂 , 那 么 两 条 链 在 重新 连接 之 前 , 一 个 或 多 个 增加 的 右手 螺旋 圈 将 插入 DNA 分 子 ,DNA 分 子 因此 自我 绰 绕 形成 正 超 螺旋 。 如 果 重 新 聚合 前 , 螺 旋 是 松弛 的 左手 方向 ), 将 导致 负 超 螺旋 。 这 两 种 形式 是 拓扑 异 构 体 , 见 图 7- 12。 图 中 描述 的 每 一 种 超 螺旋 只 含 单个 超 螺旋 ,DNA 分 子 超 螺旋 的 数目 可 以 非常 大 。 超 螺旋 DNA 通过 两 条 链 中 的 一 条 上 的 相 邻 核 苷 酸 之 间 的 一 个 切口 可 转变 为 松弛 型 , 这 种 形式 不 受 拓扑 学 限制 。 —————— ———E <_—_ eye 负 超 螺旋 松弛 构象 正 超 螺旋 Al 7-12 7.9 RNA 的 结构 和 类 型 RNA 由 含有 腺 味 哈 、 乌 味 叭 、 屎 喀 喧 和 胞 喀 喧 的 多 核糖 核 苷 酸 链 组 成 。 细 胞 的 核 中 和 细胞 质 中 均 有 RNA。 _ * 180 - 生物 化 学 问题 : 化 学 组 成 上 RNA 和 DNA 的 主要 差别 是 什么 ? ZRNA 有 很 多 种 形式 , 相 对 分 子 质 量 从 25 000 到 几 百 万 。 多 数 RNA 只 含 一 条 多 核 苷 酸 链 , 但 它 能 BARRA MSA A:U 和 G:C 碱 基 对 的 双 螺 旋 区 域 。 问题 : 一 个 典型 细胞 中 RNA 有 什么 类 型 , 其 作用 分 别 是 什么 ? 主要 有 三 种 类 型 , 转 移 RNA (tRNA)、 核 糖 体 RNA (rRNA) 和 信使 RNA (mRNA), 它 们 在 遗传 信息 表达 中 的 作用 将 在 第 17 章 详细 讨论 。 转移 RNA 的 功能 是 多 肽 链 合成 的 连接 物 。 它 占 细 胞 总 RNA 的 10% 一 20%, 每 一 种 氢 基 酸 至 少 有 一 种 tRNA。 转移 RNA 是 独特 的 , 因 为 它 含 有 相对 高 比例 的 罕见 的 核 背 〈 如 假 PREF. LEP A 2’- O - 甲 基 核 苷 ) 以 及 多 种 类 型 的 修饰 碱 基 (PERCH Re, 胞 喀 啶 、 乌 味 叭 和 尿 喀 啶 )。 作 为 例子 , 假 尿 苷 和 肌 苷 的 结构 显示 如 下 。 肌 童 在 密码 子 - 反 密 码 子 配 对 中 起 重要 作用 。 O 人 | | CH eC ‘ A HC 大 i YNN TN HOCH, O HOCH, O H H H H H H OH OH OH OH BURT 肌 昔 ( 5— GRR) 核糖 体 RNA 存在 于 核糖 体 中 , 含 有 近似 等 量 的 蛋白 质 。 核 糖 体 RNA 占 细胞 总 RNA 的 80%, 超 速 离心 时 , 根 据 沉 降 速率 的 不 同 可 分 为 几 种 类 型 (第 4 章 )。 例 如 , 细 菌 核糖 体 含 有 三 种 RNA: SS、16S 和 23S。 核 糖 体 的 结构 和 功能 将 在 第 17 章 详细 讨论 。 信使 RNA 是 异 源 性 很 高 的 RNA。 每 一 个 信使 RNA 分 子 携带 一 个 DNA 序列 的 拷贝 在 细胞 质 中 被 翻译 成 一 条 或 多 条 多 肽 链 (第 17 章 )。 7.10 GiB wR 核酸 酶 是 通过 切断 磷酸 二 酯 键 降解 核酸 的 酶 。 它 们 可 以 是 对 DNA 或 RNA 特异 性 的 , 也 可 以 非特 异性 地 作用 于 RNA 和 DNA, DNA 特异 性 核酸 酶 称 为 脱氧 核糖 核酸 酶 (DNase), 而 RNA 特异 性 核酸 酶 为 核糖 核酸 酶 (RNase). Hil 7.18 4G BG EF OS AKT BR EA 其 所 作用 的 键 的 位 置 是 否 具有 特异 性 ? 核酸 酶 有 两 种 类 型 : (1) 外 切 核酸 酶 和 (2) 内 切 核 酸 酶 。 外 切 核酸 酶 与 多 核 童 酸 链 的 末端 (5 或 37) 结合 , 并 且 每 次 切 去 一 个 或 几 个 核 苷 酸 。 一 些 外 切 核酸 酶 作用 于 $' 末 端 , 并 以 5 一 3 方向 水 解 核 音 酸 (5' 一 3 外 切 核酸 酶 ), 另 一 此 《3 一 $ 外 切 核酸 酶 ) 则 从 3 HIF 以 相反 方向 进行 降解 。 也 存在 一 些 外 切 核酸 酶 可 作用 于 两 个 末端 。 外 切 核酸 酶 没有 碱 基 或 序 列 特 异性 。 内 切 核 酸 酶 的 作用 不 需要 末端 , 而 是 众 化 切 审 多核 童 酸 链 的 一 个 或 多 个 位 点 。 许多 内 切 极 酸 酶 具有 对 多 核 并 酸 链 某 些 位 点 〈 特 异 碱 基 序列 ) 的 特异 性 。 第 7 章 ., 核 RR * [81 - 问题 : 核酸 酶 是 否 可 以 既 作 用 于 单 链 核酸 , 又 可 作用 于 双 链 核酸 ? 尽管 一 些 核酸 酶 可 以 水 解 单 链 和 双 链 两 种 核酸 ,但 许多 外 切 和 内 切 核酸 酶 在 这 点 上 还 是 有 差异 的 。 例如 ,DNase I ( 牛 胰腺 ) 和 DNase II (小 牛 胸腺 ) 能 够 水 解 两 种 形式 的 核酸 。 但 这 两 个 酶 的 差别 在 于 DNase [产生 $- P-GP DNase II 产生 3- P-K mR KTR. HAM, AURA (大 肠 杆 菌 ) 是 一 种 3 一 $ 内 切 核酸 酶 , 它 需要 双 链 DNA 作为 其 底 物 。 问题 : 什么 是 限制 性 内 切 核酸 酶 ? 限制 性 内 切 核酸 酶 是 细菌 中 “DNA: 免 疫 系统 ”的 一 部 分 。 它 们 通过 催化 外 源 DNA 双 链 的 断裂 , 防 止 其 进入 并 保护 细胞 ;而 细胞 自身 的 DNA 被 保护 。 限 制 性 内 切 核 酸 酶 有 三 种 类 型 。II 型 限制 性 内 切 核 酸 酶 对 DNA 分 子 的 分 析 和 形成 非常 有 用 , 它 们 在 特异 性 位 点 切割 双 链 DNA, 这 些 位 点 由 四 个 或 八 个 核 苷 酸 序列 组 成 。 这 些 被 切割 序列 的 一 个 重要 特征 是 双重 旋转 对 称 。 现 已 确定 近 300 种 II 型 限制 性 内 切 核 酸 酶 的 切割 位 点 , 许 多 情况 下 , 切 割 是 交错 进行 , 从 而 产生 重 故 的 3 -羟基 或 $ RRR A. RA EcoR I 内 切 核酸 酶 的 切割 位 点 和 序列 的 识别 如 下 所 示 , 箭 头 代表 每 条 链 的 切割 位 点 。 问题 解答 核酸 及 其 化 学 组 成 ; BE; 核 苷 酸 7.1 写 出 5$- 氟 尿 喀 啶 的 结构 。 答 : RB RA24-—ASe SMR SRE RB C-5 LHe T-—HART. A, 的 结构 是 : O || é Bnd Dice | | oF a 7.2 5 Wa DR ME Me FE A AR EAR, (15 - 氟 尿 喀 啶 不是, 为 什么 ? | ig | RE Re SPR RGR. MRS PRES, CRAPS SPRADHUS BX | DNA KE SHE, S-RR BR TBA DNA 分 子 , 但 5 - 氟 尿 喀 啶 却 不 能 。 | 7.3 写 出 腺 嗓 叭 的 互 变异 构 形 式 。 =. (=) Ie eS Bh AA VLARDER AAW RL. Ask, « IgZ * 生物 化 学 NH, a | C C in esac \ 站 \ | CH Sat | CH HSCN 下 HEX 的 H N 氨基 形式 WA EK 7.4 写 出 2,3 MhA-B-D-BeH AY. eS a 这 个 化 合 物 是 B-D - 核 交 其 中 失去 了 C-2 和 C-3 上 的 氧 原 子 。 Ak, CWaMZ: H H 7.5 如 果 DNA 水 解 产生 了 2,3- 双 脱氧 -wa-D -核糖 , 那 么 这 个 糖 将 以 什么 样 的 端 基 异 构 形 式 存 在 ? is . 2,3 - 双 脱 氧 -B-D -核糖 和 2,3 - 双 脱 氧 -w-D- 核 糖 均 存在 。 因 为 前 一 种 异 构 体 在 DNA 结构 内 稳定 , 水 解 后 转变 为 ec 形式。 Ni 7.6 SBA EBAY NA oy AUR RY 9 -2'- FA B- Dk RARE, ah 2 - Ea | CH 脱氧 - D -核糖 的 C- 1 与 碱 基 的 N-9 以 B- 糖 昔 键 相连 。 因 We ed ih, EMEA: : 7.7 核 音 及 其 组 分 腺 苷 、 尿 苷 、D -核糖 、 脱 氧 鸟 音 、 胞 昔 和 胸 昔 HOCH, 中 的 哪 一 个 大 量 在 RNA 的 部 分 水 解 液 中 存在 ? NLA 答 ; a % 含有 2 -脱氧 - D - 核 糙 (只 在 DNA PER) HASHES 有 胸腺 喀 喧 (只 在 DNA 中 大 量 存在 ) 的 胸 昔 将 不 存在 7.8 将 下 列 具有 相同 结构 的 化 合 物 配 对 : SRR. KASHR. GDP. GTP. BAS 音 一 磷酸 、GMP、 鸟 苷 三 磷酸 、dGMP、 脱 氧 岛 苷 二 磷酸 。 答 , 乌 昔 一 磷酸 = GMP hia S FR = dGMP = KASAM dGDP = Lia SHAR GTP = 5F=eR SREB 7.9 4 20 PBA tk ER ETE SD’, 5 — We Fig — BE BE? 2 , RRO RAAT AMEN KER i, 因此 一 条 多 核 苷 酸 磷酸 二 酯 键 的 总 数 比 其 核 苷 酸 单 位 少 一 个 。 而 链 的 9 或 3 疹 的 磷酸 不 形成 磷酸 二 酯 键 。 所 以 , 答 案 为 休 。 7.10 写 出 四 核 苷 酸 ApGpUpCp 的 化 学 结构 。 2 = 请 记 住 多 核 苷 酸 的 序列 总 是 从 左 到 右 以 5 一 3 方向 书写 。 因 此 3“ 端 磷酸 化 。 这 个 序列 Al K 酸 + 人 的 糖 为 D -核糖 , 因 为 没有 dd 前 缀 。 所 以 , 它 的 结构 如 下 所 示 。 7.11 中 性 pH 时 ,ApGpUpC 携带 多 少 电 荷 ? TS 这 个 四 核 苷 酸 含有 三 个 磷酸 ;每 一 个 携带 一 个 游离 质子 。 分 子 的 其 他 部 分 在 中 性 pH 不 带电 荷 。 因 此 , 所 携带 的 电荷 为 3。 H Ni} OX 4. 1» OW SS YY PK: a O- aN CH, _O G | H ie H O OH uN i P WS te Or- CH, OF Ay ; H ty H O O OH WA i rf 人 o- \ ere -O | H H ° OH ae Or- 7.12 自然 界 是 否 存 在 一 个 同时 含有 DNA 和 RNA 的 共 价 结构 的 多 核 苷 酸 ? 答 : 存在 , 但 量 很 少 并 且 是 瞬间 的 。 通 过 非 连 续 DNA 复制 形成 的 新 生 (RAB) 片段 含 有 一 段 短 的 伸展 的 RNA, 这 段 RNA 是 DNA 链 生长 的 引物 (第 16 章 )。 结构 DNA 7.13“ 写 出 下 列 DNA 序列 的 互补 序列 : GCTTAGTA Ce DNA 的 互补 碱 基 配 对 为 G 与 C 配 对 ,A 与 工 配对 。 因 此 答案 为 CGAATCAT。 7.14 写 出 问题 7.13 序列 的 RNA 的 互补 序列 。 答 : DNA 和 RNA 配对 时 ,DNA 中 的 A 和 6G 分 别 与 RNA 中 的 U 和 C 和 连接 。 因 此 答案 是 CGAAUCAU。 7.15 碱 基 配 对 时 ,5 - 甲 基 胞 喀 啶 与 胞 喀 啶 一样 。 为 什么 ? ES [=] S-FE RPE PARES SRM KNAR, HHFATRG:CZASShARH + 184 - 生物 化 学 形成 。 7.16 为 什么 DNA 纤维 干燥 后 会 缩短 ? 答 高 软 度 下 DNA 双 螺 旋 主 要 以 B 型 存在 , 其 螺 距 (或 重复 距离 ) 为 3.4nm, 包括 10 个 碱 基 对 。 而 低 逻 度 条 件 时 ,DNA 由 也 型 转变 为 A 型 , 其 螺 距 较 小 为 于 Snm, 并 包括 11 KE st, 7.17 将 一 个 DNA 纤维 由 高 湿度 转移 到 低 湿 度 , 即 由 B 型 转变 为 A 型 , 它 大 约会 缩短 百 分 Fa sa MS 假设 DNA 双 螺 旋 含 有 100 个 碱 基 对 。 如 果 为 了 型 时 , 其 长 度 为 34nm (4 10 个 碱 基 对 3.4nm)。 如 果 为 A 型 时 , 它 将 减少 到 大 约 25.$nm (每 11 个 碱 基 对 2.8nm)。 因 此 ,DNA 的 长 度 将 减少 大 约 25%。 7.18 如 果 DNA 双 螺 旋 的 一 条 链 中 A 和 GHAR (摩尔 百分比 ) 分 别 为 ; A=27,G=30。 请 问 它 的 互补 链 的 工 和 C 的 含量 是 多 少 ? 答 : DNA 双 螺 旋 中 , 一 条 链 的 工 和 C (摩尔 百 分 化 ) 分 别 等 于 另 一 条 链 的 A 和 G。 因 此 , HE 44 4 T=27, C=30 摩尔 百分比 。 7.19 问题 7.18 中 DNA 中 的 那 条 链 , 其 互补 链 的 A 和 G 的 含量 为 多 少 ? 答 : 从 所 提供 的 数据 看 , 互 补 链 A 和 G 的 售 量 不 能 确定 。 和 但 是 , 互 补 链 A+G 的 含量 为 100-27+30), 即 43 摩尔 百分比 。 DNA 的 变性 7.20 为 什么 环 状 双 螺旋 DNA 比 线性 双 螺旋 DNA 复 性 快 ? 答 , 当 变 性 时 , 环 状 DNA 的 两 条 单 链 仍 保持 连接 (假设 两 条 链 均 没有 断裂 ), 所 以 复 性 时 , 能 够 比 线 性 DNA 更 快 地 找到 另 一 条 链 。 7.21 为 什么 将 DNA 放 入 纯 水 即 离子 强度 为 0 时 会 产生 变性 ? ae DNA 的 解 链 (或 变性 ) HERMIT RSRE;, 随 着 离子 强度 的 降低 , 解 链 温度 降低 。 在 离子 强度 为 0 的 极端 环境 中 ,DNA 的 阴离子 基 团 不 被 相反 电荷 的 离子 保护 , 其 静 电 排斥 足以 使 解 链 温度 降低 到 20002 FE, 7.22 为 什么 病毒 DNA 比 细菌 DNA 的 序列 不 均一 性 低 ? 答 : 病毒 比 细菌 的 基因 组 携带 较 少 的 基因 。 因 此 , 在 一 特定 量 的 DNA 中 , 病毒 基因 将 此 | HAR EA AT KRIS, DNA 中 各 种 序 - | 列 出 现 重 复 的 机 会 相对 要 多 一 些 , 也 就 是 说 , 病毒 DNA 的 不 均一 性 较 低 。 DNA 的 大 小 、 组 构 和 拓扑 学 7.23 大 肠 杆 菌 染 色 体 大 约 为 4000kb, 其 (BH) 长 度 为 多 少 ? 答 B 型 DNA 每 十 个 碱 基 对 长 3.4nm, 或 每 千 碱 基 对 340nm。 所 以 大 肠 杆 菌 染 和 色 体 长 为 i. 36 X 10°nm, 或 大 约 1. 4nm, 7.24 人 体 细 胞 (二 倍 体 ) AY BRI DNA 的 长 度 为 多 少 ? A = , Bel 27 7K BR oe 人 基因 组 的 大 小 为 2.9X10?kb, 所 以 二 倍 体 细 胞 含有 S.8X10°kb, #H B# DNA, 则 长 度 为 2x10?nm 或 2m。 人 体 细 胞 核 的 直径 为 10km, 它 怎样 容纳 x 104pm 的 双 螺 旋 DNA? 答 : DNA 与 组 蛋白 结合 凝聚 为 染色 质 。 凝 聚 的 基本 单位 是 核 小 体 , 而 且 这 些 重 复 结 构 (每 个 含 200 个 碱 基 对 的 DNA) 能 进一步 组 成 更 紧密 的 结构 从 而 形成 染色 体 。 DNA 结构 的 什么 特征 对 超 螺旋 很 重要 ? Ss 超 螺旋 是 将 DNA 结构 中 增加 的 双 螺 旋 扭 曲 引入 CRE) 的 结果 。 因 此 , 超 螺旋 的 DNA 人 必须 是 双 螺 旋 的 , 而 且 是 拓扑 学 限制 的 。 例 如 ,DNA 环 化 或 与 蛋白 质 的 复合 , 可 通过 在 某 一 位 点 将 两 条 链 “ 系 ”在 一 起 进行 。 如 果 在 某 一 位 置 将 环 状 DNA 分 子 的 两 条 链 分 开 ( 解 旋 ), 什 么 类 型 的 超 螺旋 将 被 引 入 分 子 的 其 余部 分 ? ae (=) WRATH BA RA, DNA 将 过 旋 。 因 此 , 额 外 右手 回转 将 引入 这 部 分 DNA, 这 将 导致 正 超 螺旋 。 RNA 的 结构 和 类 型 7.28 » 7.29 7.30 RNA #1 DNA 的 主要 化 学 差异 是 什么 ? AE , RNA 中 的 糖 是 核糖 , 而 DNA 为 脱氧 核糖 。 并 且 , 尿 喀 喧 存在 于 RNA, 而 DNA 中 是 Ai] AR Pa PE 一 个 典型 细胞 中 RNA 含量 最 多 的 类 型 是 什么 ? a a 核糖 体 RNA (rRNA) AH 4 KR RNA HW 80%, FUESEREBH. ih AL S’-BeR (IMP) 的 结构 。 ~~. (=) IMP < Ale Ww—PRREADRRREN C-SHH. Ah, thewez HO— POCH, HO H 了 OH OH RNA fil DNA 的 解 链 曲线 比较 有 何 区 别 ? 2 DNA 几乎 总 是 双 螺 旋 。 当 加 热 通过 解 链 温度 时 , 在 一 个 很 窗 的 温度 范围 内 ,DNA 从 自然 〈 双 螺旋 ) RARE (无 规 卷 曲 ) 状态 , 这 个 过 程 伴 随 着 Aggy (波长 260 的 光 吸 收 ) 百 分 之 40 的 提高 。 而 RNA 几乎 总 为 单 链 , 它 链 内 碱 基 对 的 程度 一 般 很 低 并 且 可 变 。 而 且 短 的 碱 基 对 (或 双 螺 旋 ) 区 域 变化 稳定 。 因 此 , 提 高 典型 RNA 溶液 的 温 * 186° 生物 化 学 度 将 导致 An 逐渐 提高 , 反 应 了 短 的 螺旋 区 域 的 连续 解 链 , A260 的 提高 明显 低 于 百 分 之 40。 核酸 酶 7.32 ”核酸 酶 切断 的 是 什么 类 型 的 键 ? 答 核酸 酶 切断 的 为 3 5'- 磷 酸 二 酯 键 。 核 酸 酶 总 是 催化 连接 于 糖 的 C-3 或 C=5 的 酯 键 的 水 解 , 产 生 5'- 或 3- 磷酸 加 3- 或 $ 一 凑 基 。 7.33 “为 什么 一 个 外 切 核酸 酶 不 能 降解 叭 菌 体 @X174 BY DNA? 答 : 外 切 核酸 酶 需要 含有 5 或 3 端的 DNA 或 RNA 作为 底 物 。 而 OX174 的 DNA 是 单 链 HI DNA, KAS KR 3’ 端 。 7.34 你 认为 大 肠 杆菌 染色 体 上 大 约 有 多 少 个 EcoRI 位 点 ? 答 , EroRI 识 别 并 切断 DNA 内 含 六 个 碱 基 对 的 特异 序列 。 考 虑 到 每 一 个 位 点 都 可 能 是 四 个 正确 配对 的 碱 基 对 中 的 一 对 , 所 以 每 45 (或 4096) MAM HMM A MA — EcoRI 酶 切 位 点 。 大 肠 杆 菌 染 色 体 有 4.6 x 105 HME, Bh, RERMBAAN 4.6X105/4096 或 大 约 1000 个 EcoRI 位 点 。 补充 问题 7.35 下 列 哪个 化 合 物 为 味 叭 或 喀 喧 ? i a NHpoge 人 名 HN “CH Hea CH NZ i Ta He ae HG. 6 O N N H H H (a) (b) (c) 36 列 出 (a) RNA 和 (b) DNA 中 共同 存在 的 含 氮 碱 基 。 37. (a) Bik $- 甲 基 胞 喀 啶 的 结构 。(b) EAA DNA 的 通常 的 组 分 ? 38 写 出 胞 喀 喧 的 亚 氨基 形式 。 39 Sit (a) 脱氧 胸 苷 和 (b) 胸腺 喀 啶 核糖 核 苷 (一些 RNA 中 的 小 组 分 ) 的 结构 。 40 举 一 个 N -糖苷 的 例子 。 41 核 苷 和 核 苷 酸 的 区 别 是 什么 ? .42 写 出 3 ,$ -AMP ( 环 化 AMP) 的 结构 。 .43 下 列 化 合 物 中 的 哪 一 个 与 其 他 化 合 物 不 同 : (a) GMP、(b) 脱氧 鸟 苷 一 磷酸 、(c) 鸟 HAR. (d) SH- 5 一 磷 酸 ? 44 DORR d-ApGpUpCp 不 是 DNA 部 分 水 解 形 成 的 , 为 什么 ? 45 产 气 英 膜 梭 状 芽孢 杆菌 与 姜 产 碱 杆 菌 的 DNA 相 比 , 哪 一 个 抗 变性 能 力 更 强 ? 46 序列 互补 性 的 含义 是 什么 ? 47 列 出 B 型 和 Z 型 DNA 结 构 的 三 个 主要 差别 。 JF Ss) Sy A oS = ee ~~) ae) Gm TS) 第 7 章 K 酸 - 187 为 什么 双 螺 旋 结 构 的 DNA 在 高 离子 强度 的 溶液 中 比 低 离子 强度 溶液 更 稳定 ? 为 什么 细菌 DNA 的 非 重 复 序列 复 性 比 真 核 DNA 快 ? 序列 复杂 性 的 含义 是 什么 ? 染色 体 和 基因 组 的 区 别 是 什么 ? 核心 组 蛋白 和 接头 组 蛋白 的 区 别 是 什么 ? 组 蛋白 的 氨基 酸 组 成 的 什么 特征 使 之 与 DNA 强烈 地 结合 ? (a) DNA 的 正 超 螺旋 和 负 超 螺旋 有 什么 区 别 ? (b) 什么 是 超 螺旋 DNA 的 松弛 ? (c) 怎样 得 到 松弛 的 超 螺旋 DNA? 请 列 出 DNA 和 RNA 化 学 组 成 的 主要 差别 。 为 什么 细胞 的 细胞 质 中 信使 RNA (mRNA) 是 主要 的 含有 蜡 源 碱 基 序 列 的 RNA 形 式 ? 下 列 哪 一 个 序列 不 能 被 限制 性 内 切 核 酸 酶 切断 ?” 为 什么 ?” (a) GAATTC; (b) GTATAC; (c) GTAATC; (d) CAATTG. 酶 的 催化 作用 < 人 EE EERE EEE EEE EERE EE EEE TEETH EEE EEE EE TEE EEE EEE EEE ESTEE TEESE EEEEEE ESHEETS EESEEEEESEESS 问题 : 什么 是 酶 ? 酶 是 催化 生物 化 学 反应 的 生物 催化 剂 , 在 细胞 中 浓度 很 低 。 酶 可 以 在 不 改变 平衡 位 点 的 情况 下 提高 反应 速率 , 即 通过 相同 的 因子 , 可 以 同时 提高 正 反 应 和 逆反 应 的 速率 。 这 个 因子 通常 可 将 反应 速率 提高 10°~10!?, Sol 8.1 尽管 我 们 早已 知道 发 酵 和 消化 现象 , 但 对 于 酶 的 秆 一 次 清楚 的 认识 是 由 Payen 和 Persoz , (Ann. Chim. (Phys), 53, 73, 1833) 在 研究 麦 胚 提 取 液 时 发 现 的 。 他 们 发 现 麦 胚 提取 液 的 酒精 沉淀 物 中 含有 一 种 将 淀粉 转变 为 糖 的 不 耐 热 物质 。 CE 例 8.2 | 上 面 提 到 的 物质 被 称 为 淀粉 酶 (希腊 语 : “分 离 "), 因 为 它 具 有 从 淀粉 谷 粒 的 不 可 溶 被 RPS ETS EMH. SEPM RAK LMR Shi BA St, HF 1898 ¥-, Duclaux 建议 在 酶 的 名 称 中 使 用 -ase, 这 个 分 类 方式 一 直 沿 用 至 今 。 Hl 8.3 许多 酶 是 从 大 量 的 原料 中 纯化 而 来 。J.B,Sumner 第 一 一 次 将 从 刀 豆 中 分 离 的 腺 酶 结晶 , 这 项 工作 用 了 6 年 多 时 间 (1924~1930). J. B. Sumner 于 1946 FRG TENRE, CHT 作 彻 底 地 证 明了 酶 的 明确 的 化 学 本 质 。 Pl 8.4 : 二 氧化 碳 气 体能 迅速 地 溶解 于 水 并 自动 地 水 合 形成 碳酸 , 而 碳酸 又 能 迅速 地 分 解 为 一 个 硬 质子 和 一 个 碳酸 气 根 离子 , | CO, + H,O ==H* + HCO; 25C, pH7.2, 20mmolL 1CO, 的 正 向 水 合 反应 速率 为 0.6mmolL=1i s 三 更 | 在 哺乳 动物 的 红细胞 中 , 碳 酸 栈 酶 的 浓度 为 1 一 2gL 1L 细 胞 , 它 的 相对 分 子 质量 为 mn i 30 000, 因 此 , 它 的 摩尔 浓度 为 50 x 10-5。 在 上 述 条 件 并 且 酶 在 此 浓度 时 , 正 反应 的 速率 目 为 S0molL -1s-1, 比 非 催化 过 程 提高 了 8x104。 有 超过 2500 种 不 同 的 生化 反应 依靠 特异 性 酶 提高 它们 的 反应 速率 。 因为 不 同 组 织 产 生 结构 不 同 的 变异 酶 , 所 以 在 生物 学 领域 内 的 不 同 酶 蛋白 一 一 共 超 过 10° 种 。 每 一 种 酶 都 具有 作 用 于 窄 范围 的 化 学 相似 底 物 〈 反 应 物 ) 的 专 一 性 , 并 且 酶 活性 可 被 其 他 分 子 调节 , 这 些 分 子 被 称 为 效应 物 , 它 们 可 以 是 激活 剂 、 抑制 剂 或 同时 即 为 激活 剂 又 为 抑制 剂 。 对 于 许多 复合 酶 , 一 种 化 合 物 也许 具 有 两 种 效应 , 这 主要 依赖 于 其 他 的 物理 和 化 学 条 件 。 酶 的 大 小 可 以 从 大 的 多 亚 基 复 合 物 ( 称 为 多 聚 体 酶 , M 29-4 10°) 到 小 的 单 亚 基 形 式 而 变化 。 CE 例 8.5 天 人 冬 气 酸 氨 申 酰 转移 酶 是 催化 喀 喧 生物 合成 的 第 一 个 关键 反应 , 它 众 化 氨 甲 栈 磷 酸 和 天 第 8 章 MALE 入 氨 酸 形成 氨 甲 栈 天 入 氨 酸 (第 15 章 )。 大 肠 杆菌 来 源 的 这 种 酶 由 12 个 亚 基 组 成 , 其 中 6 个 为 调节 亚 基 , 其 余 6 个 为 催化 亚 基 。CTP 是 一 个 负 效 应 物 , 它 通过 结合 到 调节 亚 基 上 而 折 制 酶 的 作用 。ATP 是 正 效 应 物 , 当 琥珀 酸 在 活性 位 点 通过 与 天 冬 氨 酸 的 直接 竞争 抑制 了 反应 的 进行 时 ,ATP 通过 调节 亚 基 发 挥 作用 ( 见 第 9 章 有 关 效 应 物 的 讨论 )。 即使 最 小 的 酶 〈 例 如 核糖 核酸 酶 ,M,=12 000), 它 的 表面 也 能 被 与 反应 物 结合 的 化 学 基 团 所 占据 , 所 占据 的 面积 不 到 总 表面 积 的 百 分 之 S, 此 区 域 被 称 为 酶 的 活性 位 点 。 问题 : 酶 的 哪 一 个 部 分 负责 它 的 底 物 专 一 性 ? 活性 位 点 氨基 酸 侧 链 的 特有 排列 决定 了 此 位 点 所 结合 和 反应 的 分 子 类 型 , 酶 中 一 般 大 约 有 五 个 这 样 的 氨基 酸 侧 链 。 此 外 , 许 多 酶 有 结合 在 或 靠近 于 活性 位 点 的 小 的 非 蛋白 质 分子 , 这 些 非 蛋 日 质 分 子 决定 了 底 物 的 专 一 性 。 这 些 分 子 如 果 没有 与 蛋白 质 共 价 结合 , 就 称 为 辅 因 子 ; 如 果 与 蛋 日 质 共 价 结合 则 称 为 辅 基 。 有 一 些 酶 的 活性 还 需要 特异 的 金属 离子 。 hil 8.6 RBA HA —ADFRAEA—* Zr**, FHAKASBSTFEFERES, RAB AP RH BALAK LER (dodecamer) 有 六 个 Zn2+ , 它 们 的 主要 作用 是 稳定 复合 物 , 因 为 没有 Zn2+ 的 六 聚 体 将 解 离 。 8.2 MAAK 问题 : 酶 命名 的 根据 是 什么 ? 所 有 酶 均 按照 国际 理论 和 应 用 化 学 联合 会 (IUPAC) 的 酶 学 委员 会 制定 的 分 类 系统 命名 , 是 在 酶 所 催化 反应 类 型 的 基础 上 而 命名 。 每 一 种 酶 都 有 一 个 特别 的 四 位 整数 的 EC 编号 和 一 个 复杂 但 明确 的 名 称 , 避免 出 现 酶 催化 相似 但 不 相同 反应 的 混乱 。 事 实 上 , 许 多 酶 共用 一 个 名 称 , 这 个 名 称 来 源 于 它 所 催化 的 主要 的 特异 性 反应 物 后 加 后 缀 -ase。 一 些 共用 名 称 甚至 没有 -ase 后 级 , 它 们 在 酶 系统 分 类 之 前 就 已 被 研究 和 命名 。 SR 8.7 一 个 标准 的 酶 的 名 称 比 如 精 氢 酸 酶 和 腺 酶 , 它 们 分 别 作 用 于 精 氢 酸 和 尿素 (F 15 章 )。 两 个 非 标 准 的 酶 名 称 如 胃 有 蛋白 酶 , 它 是 一 个 消化 道 蛋 白水 解 酶 (EC 编号 为 3.4.23.1) 以 及 玖 和 氛 酸 生成 酶 (ARAM: 和 氛 化 物 硫 代 转 移 酶 ,EC2.8.1.1), 它 存在 于 哺乳 动物 的 肝 及 和 肾脏 中 , 催 化 清除 体内 和 氛 化 物 和 硫 代 酸 酸 盐 的 反应 。 后 一 种 情况 的 酶 就 是 在 酶 的 系统 分 类 之 前 命名 的 , 因 此 可 以 理解 为 什么 旧名 称 仍 在 通用 。 EC 编号 的 第 一 个 数字 表示 一 个 酶 属于 六 个 大 类 中 的 哪 一 类 ( 表 8.1)。 表 8.1 酶 的 主要 分 类 EC 编号 的 第 一 个 数字 MK 催化 反应 的 类 型 氧化 还 原 酶 类 ”氧化 还 原 反 应 。 其 中 一 个 底 物 为 氢 或 电子 供 体 转移 酶 类 化 学 基 团 一 般 形 式 的 转移 ,A-X+ B-~A+B-- 驻 水 解 酶 类 C 一 C 、C 一 N 、C 一 0O 及 其 他 键 的 水 解 反 应 裂 合 酶 类 C 一 C . C-N , C—O 及 不 包括 双 键 在 内 的 其 他 键 的 裂解 (不 是 水 解 ) 异 构 酶 类 分 子 的 几何 学 (立体 ) 重 排 变化 EBA BAS StF HERE (A), FER — TEA Dd KR, A AG RK A vn & W NY = + Feo 生物 化 学 第 二 个 数字 表示 该 酶 属于 哪 一 个 亚 类 , 如 果 是 水 解 酶 , 第 二 个 数字 则 表示 酶 所 作用 的 键 的 类 型 ( 表 8.2)。 表 8.2 水 解 酶 的 亚 分 类 EC 编号 的 前 两 个 数字 所 作用 的 键 的 类 型 sa Mi, —C—O“R ,或 S 或 P 代 赫 C, 或 —C-S-R, 3.2 糖 基 、 糖 fe 2 MNRSREO 3.3 Serle legals 3.4 ik 3.5 非 肽 oe O O 3.6 i lI mE R 一 C 一 0 一 0 一 C 一 R 2% ae 3.8 pes toes epee 3.9 a 3.10 = We 3.11 ae Hil 8.8 精 氨 酸 酶 是 产 尿 素 生 物体 (LER) 肝脏 中 的 水 解 酶 。 它 催化 反应 , ‘NH, i 1 | x ‘=NH, 7 下 x H;0 wh NH, (CH); 全 0 (Cit) H—C—NH, NH, a COO- COO- MAR 尿素 Saw 这 个 酶 的 标准 EC ZARA L - 精 氨 酸 - 胀 基 水 解 酶 , 它 众 化 在 CN 之 间 加 入 水 分 子 而 导致 脉 基 (方程 式 中 的 圈 内 部 分 ) 从 精 氨 酸 上 有 裂解 下 来 的 反应 。 在 这 个 反应 中 , 它 断裂 了 一 ARIK SE CN, PU, HR RAR BW ECm@>SMRKFAS, LEX EC 编号 为 2 第 -个 数字 是 所 作用 键 的 类 型 或 反应 中 基 团 转移 的 亚 分 类 , 或 兼顾 二 者 的 亚 分 类 ,EC 加 第 8 章 酶 的 催化 作用 芬 类 是 从 一 个 主要 的 EC 种 类 到 下 一 个 变化 。 第 四 个 数字 是 简单 的 序列 号 。 8.3 提高 键 断 裂 速 这 的 方式 酶 提高 化 学 反应 速率 的 基本 机 制 可 分 为 四 种 类 型 。 邻近 易 化 也 称 为 邻近 效应 , 它 指 当 两 个 分 子 从 黎 释 溶液 中 分 离 并 在 酶 的 活性 位 点 相互 征 近 时 , 两 个 分 子 反 应 速率 的 提高 。 这 个 效应 主要 是 提高 了 反应 物 的 有 效 浓度 。 共 价 催化 氨基 酸 侧 链 通常 表现 为 催化 的 亲 核 基 团 , 包 括 RCOO 、 R—NH; 、 组 所 酰基 、 R 一 OH 、RS- 。 这 些 基 团 攻 击 底 物 的 亲 电 性 (缺乏 电子 ) 部 分 使 底 物 和 酶 之 间 形 成 共 价 键 , 因 此 , 产 生 了 一 个 反应 中 间 体 。 这 个 过 程 在 基 团 转运 的 酶 中 特别 明显 (EC 分 类 为 2, 见 表 8.1)。 在 共 价 结合 的 中 间 体 的 形成 过 程 中 , 通 过 酶 攻击 底 物 的 亲 核 物质 (fi 8.10 中 的 REX) 能 够 导致 亲 核 物质 的 酰 化 作用 、 磷 酸化 作用 或 糖 基 化 作用 。 写 出 某 反 应 的 化 学 机 制 , 此 机 制 说 明 底 物 通过 某 种 过 渡 态 转变 为 产物 时 , 发 生 了 电子 重 排 。 常 用 的 描述 键 的 电子 重 排 的 方法 是 通过 弯 箭 头 表 示 电 子 流动 的 方向 。 Sr Pil 8.9 一 个 肽 键 水 解 时 的 电子 流向 图 如 下 所 示 : Sa x aes is ‘4 i ae ? ? ER O*’ H sh, SO H OPBeTRARAKAMRRERRLYT, CHURVBERRARCARRAEKHKE, Zz 意 第 二 和 第 三 个 结构 中 的 四 面体 中 间 体 , 在 这 两 个 结构 中 , 碳 原子 通常 以 含 四 个 键 的 四 面体 排列 。 Ss 8.10 在 共 价 众 化 过 程 中 , 有 一 种 类 型 的 酶 可 形成 磷酸 酶 中 间 体 : R i *R R 酶 -X: | ~ 酶 -X: | Rr’ 酶 -X: | anita Sugita i op? — ONS es DER ‘tol a | Taian a) oO Oo Cr- 在 EC 分 类 2 的 酶 中 发 现 酶 共 价 催化 的 大 量 例子 , 其 中 之 一 为 己 糖 激酶 。 第 二 个 亲 核 物质 攻击 共 价 中 间 体 可 导致 产物 的 释放 。 当 第 二 种 亲 核 物质 为 水 时 , 整 个 反 应 称 为 水 解 。 在 许多 情况 下 , 亲 核 物质 并 非 简单 的 酶 的 氨基 酸 侧 链 , 而 是 辅 基 , 转 移 酶 中 的 吡 哆 醛 磷酸 就 是 其 中 一 例 (第 15 BE), 一 般 的 酸 碱 催化 酸 碱 催化 是 过 渡 态 中 质子 转移 的 过 程 。 本 质 上 , 它 不 参与 共 价 键 的 形成 , 但 它 参 与 整个 酶 反应 。 SP 8.11 一 个 来 源 于 有 机 化 学 的 一 般 酸 碱 催化 的 例子 说 明了 上 述 内 容 , 但 注意 在 某 些 酶 反应 中 也 有 半 缩 醛 的 形成 总 反应 : Ci CH, C=0+ cH-oH- 一 ao 一 focH H H A 甲醇 “OGRE 反应 机 制 A: HR (OH) 加 速 了 半 缩 醛 的 形成 , 如 下 所 示 : CH;—OH + OH’ =—=CH,— O: + H2O 亲 核 物质 CH a 中 2 CH, Ps ae ce I UN A H H yy H:0 H OH 亲 核 性 攻击 3. OW 在 反应 中 被 循环 利用 , 因 此 , 它 可 认为 是 实际 意义 上 的 催化 剂 。 反应 机 制 B; 反应 中 也 存在 酸 催化 剂 , 随 着 与 酵 的 反应 , 它 参与 了 钾 盐 的 形成 CH CH, os + H+ 一 一 — —H H 鲜 CE CHs CH; CH, *O CH, .O 本 Ai * “ee T a / a. Si NG 前 一 个 例子 中 , 在 强酸 和 强 碱 的 作用 下 , 半 缩 醛 形成 的 速率 提高 。 ae 催化 剂 只 有 一 种 , 非 碱 即 酸 。 Pi 8.12 BR BAK 04 7K AB Fy SBME HR I HR BREA FH om, HA HFEF, gt 将 使 反应 速率 提高 , 如 下 面 反应 所 示 : NH,NO, + OH” —*H,0 + NHNO, NHNO, —>N,0+ OH™ OH -不 是 惟一 催化 水 解 反应 的 碱 , 其 他 碱 如 醋酸 盐 同 样 可 以 众 化 水 解 反 应 。 例 如 : NH,NO, + CHaCOO ——*>CH;COOH + NHNO, NHNO, —~>N,0+ OH™ OH + CH;COQOH —~H,0 + CH3;COO — q 按照 Bronsted-Lowry 的 定义 及 前 面 的 例子 , 酸 是 能 够 为 其 他 物质 提供 质子 的 物质 , .而 碱 是 可 以 接受 质子 的 物质 。 酸 碱 催化 并 不 能 使 反应 速率 提高 100 倍 以 上 , 但 与 酶 活性 位 点 的 其 他 机 制 共同 作用 能 使 酶 反应 速率 极 大 地 提高 。 谷 氨 酸 、 组 氨 酸 、 天 冬 氨 酸 、 赖 氨 酸 和 半 胱 氨 酸 的 氨基 酸 侧 链 如 为 质子 化 形式 , 就 可 作为 酸 催化 剂 , 如 为 非 质子 化 形式 则 可 作为 碱 催 化 剂 〈 见 问题 8 和 通 因 此 , 一 个 侧 链 作 为 催化 剂 的 有 效 性 依赖 于 其 pK。( 第 3 章 ), 而 p 开 ,与 活性 位 点 所 处 环境 以 及 酶 作用 的 pH 有 关 。 张力 、 分 子 扭曲 和 形状 变化 张力 存在 于 反应 物 的 键 系统 内 , 当 过 渡 态 转变 为 产物 (好像 切 断 了 一 个 绷 紧 的 时 钟 弹 第 8 章 MPA HELE - 193. Bi) 时 , 张 力 的 释放 能 使 化 学 反应 速率 提高 。 Sr Fll 8.13 下 面 两 个 化 学 反应 与 一 个 磷酸 酯 键 的 水 解 相 关 。 aah ao CH: —CH,—OH | O O O OH 2 aes Mb Yen 0” pS os” o- (a) CH; CH a CH; CH, IK Cea ee gf O O OH OH = Ph p7 W, ie if Wes (b) 在 标准 条 件 下 , 反 应 (a) 比 反应 (b) 快 108 倍 。 其 原因 为 (a) 中 的 环 化 化 合 物 有 相 当 大 的 键 张力 (这 种 构象 的 势能 很 高 ), 当 水 解 时 张力 随 开 环 而 释放 。 这 种 类 型 的 张力 在 (b) 中 的 二 酯 化 合 物 内 不 存在 。 在 酶 催化 的 情况 下 , 不 仅 底 物 被 扭曲 (有 张力 ), 而 且 还 有 额外 的 自由 度 的 引入 , 即 酶 及 其 全 部 的 氨基 酸 侧 链 。 酶 与 底 物 的 结合 涉及 到 相互 作用 的 能 量 ; 该 能 量 可 促进 催化 反应 。 当 催化 速率 提高 时 , 一 定 存在 着 酶 - 底 物 复合 物 的 整体 去 稳定 作用 以 及 过 湾 态 稳定 性 的 提 高 。 图 8 -1 说 明了 上 述 概念 。 在 非 催化 反应 [图 8= 工 (a)] 中 , 假 设 紧张 构象 对 于 两 个 反应 基 团 之 间 的 相互 作用 很 必要 , 由 于 反应 物 不 是 紧张 构象 , 所 以 将 处 于 到 应 概率 较 低 的 状态 。 为 了 使 反应 发 生 , 分 子 必须 通过 所 谓 的 活化 能 障碍 。 在 催化 反应 [图 8-L (b)] 中 , 反 应 物 与 酶 的 结合 形成 一 个 复合 结构 ( 酶 - 底 物 复合 牺 ), 这 个 结构 使 底 物 形成 过 渡 态 的 可 能 性 更 大 , 也 就 是 说 , 较 少 的 能 量 就 使 反应 基 团聚 在 一 起 。 因 此 , 反 应 进行 较 快 。 酶 - 底 物 复合 物 的 去 稳定 作用 可 以 想象 是 将 以 前 较 稳 定 构象 的 键 角 和 长 度 进行 扭曲 。 这 点 可 通过 底 物 和 酶 上 基 团 的 静电 吸引 和 排斥 获得 。 或 者 , 可 通过 芷 水 活性 位 点 上 带电 基 团 的 | 去 溶剂 作用 (RK) 获得 。 去 稳定 作用 的 一 个 进一步 的 原因 是 反应 中 的 箭 的 变化 , 将 在 下 一 部 分 讨论 。 问题 是 否 酶 及 其 底 物 之 间 紧 密 的 结合 就 意味 着 快速 俱 化 作用 ? 如 果 一 个 底 物 与 酶 连接 时 , 结 合 能 没有 有 效 地 转变 为 扭曲 张力 , 那 么 这 种 结合 将 很 强 , 但 并 不 必然 影响 AGE (图 8 - 1)。 但 是 如 果 一 些 结合 的 自由 能 将 底 物 扭曲 转变 为 过 滤 态 的 形状 , 或 将 酶 扭曲 成 为 底 物 过 渡 态 的 互补 形状 , 那 么 酶 与 底 物 的 结合 将 减弱 , 而 酶 与 过 湾 态 底 物 的 结合 将 提高 。 所 以 , 酶 与 底 物 的 紧密 结合 并 不 必然 提高 酶 反应 的 速率 。 SF Hil 8.14 假设 当 酶 浓度 为 10-7molL 1 ( 即 Ki=10-7molL 1) 时 , 底 物 半 饱 和 于 酶 溶液 的 活性 位 点 , 但 在 生理 条 件 下 , 该 浓度 变 为 10-3?molL 1。 在 生理 条 件 下 , 酶 的 位 点 金 部 饱和 ( 即 所 有 位 点 均 占 满 )。 所 以 , 如 果 大 部 分 结合 能 用 于 酶 一 底 物 (E'S) 复合 物 的 去 稳定 作用 , 那 么 酶 速率 的 提高 并 没有 预期 的 大 。 如 果 一 些 结合 能 用 于 酶 和 底 物 分 子 的 张力 导入 和 拒 曲 , 那 么 酶 与 底 物 过 渡 态 的 结合 将 更 -194- 生 物 化 学 紧密 , 因 此 酶 对 于 底 物 的 结合 亲和力 将 降低 。 Ta 反应 基 团 (a) 非 催 化 反应 : zh i 3 E.S 复 合 物 E.Sf 过 渡 态 EP 复 合 物 (b) “催化 反应 图 8-1 活化 能 在 催化 反应 中 降低 。 每 个 反应 模式 上 面 的 图 表明 反应 的 每 一 个 阶段 底 物 的 能 量 (这 里 指 弯曲 底 物 的 势能 ) 变化 。 箭 头 及 其 长 度 表示 反应 的 能 力 和 速率 。AGi# 表 示 过 渡 态 分 子 的 活化 能 ,AG!' 表示 反应 的 全 部 自由 能 〈 第 10 章 )。 酶 和 底 物 的 变化 使 它们 在 过 渡 态 比 ES 或 E'P 态 结合 更 紧密 事实 上 , 许 多 酶 具有 与 它们 底 物 的 亲和力 , 这 在 平均 生理 浓度 下 很 有 价值 。 这 也 可 能 是 高 效 催 化 作用 的 进化 压力 的 结果 。 Hil 8.15 凑 肽 酶 与 假冒 底 物 (一 个 不 能 被 酶 降解 的 错误 底 物 , 即 一 种 抑制 剂 ) HES OG RAGS X | 射线 分 析 表 明 , 易 受 影响 的 肽 键 常 常 担 曲 为 不 在 正常 平面 的 构象, 这 种 构象 经 常 在 肽 键 中 见 到 (第 4 章 )。 这 种 担 曲 导致 键 中 可 以 提高 水 解 攻 击 教 感性 的 共振 能 丢失 , | 在 俊 化 过 程 中 , 酶 底 物 复 合 物 是 不 稳定 的 , ALAR REM TA AGERE, BRR AP, GHKRMEEES, HLBMTRURAK Myo, PFURAFAWH BAF (<10-8s), 但 其 类 似 物 是 稳定 的 结构 (与 过 渡 态 复合 物 相似 )。 第 8 章 酶 的 催化 作用 ”195 , Sr sll 8.16 WARK RAB e, CRIA AMD Bee L 型 异 构 体 的 相互 转变 : y HH yi Hy = 6 i a fw enn H N (Coo- H H H L- Apa D- fib 假定 在 工 型 变 为 D 型 的 过 程 中 , 一 个 分 子 的 平面 (而 不 是 通常 的 四 面体 ) 构象 将 暂时 以 a- 碳 原子 形式 存在 。 H H N H 吡咯 —2— 72 AB tb fi BBR —4-F Ky KR rbB- 2 - 羧 酸 盐 , 它 被 证 明 是 消 旋 酶 的 有 效 抑 制剂 。 在 低 于 DHAL PMAREMED=z $0 结合 的 浓度 的 160 倍 的 某 一 浓度 下 , 它 引起 反应 百 分 之 SO 的 抑制 。 因 此 , 它 是 过 渡 态 类 似 物 的 极 好 例子 。 问题 : 酶 和 底 物 在 反应 时 均 有 变化 吗 ? 是 。 一 个 活性 位 点 对 底 物 的 诱导 反 合 概念 强调 了 活性 位 点 契合 进 底 物 功能 基 团 的 适应 作用 。 一 个 不 恨 的 底 物 或 抑制 剂 不 能 诱导 在 活性 位 点 中 的 正确 构象 反应 。 Pll 8.17 CRMABKATASRZSEMZ, CHARA ATP 转移 到 葡萄 糖 的 C-6, 如 下 所 示 :, CHOH CHOPO:- H 台 O H Ar ADP oy O H OH H HO Pa Ve Ana H OH H OH 葡萄 糖 葡萄 糖 -6- 磷酸 过 个 酶 也 催化 将 ATP 的 末 身 研 酸 转移 到 水 , 即 它 的 作用 与 ATPase 相似 , 但 其 速率 比 上 述 反应 慢 5x109 倍 。 水 和 葡萄 糖 的 C-6 羟 基 非 常 相似 , 从 这 点 看 , 反 应 速率 应 没有 差异 。 那 么 反应 速率 的 差异 主要 在 于 葡萄 糖 引起 的 构象 变化 建立 了 酶 中 正确 几何 学 的 活性 位 点 , 而 水 分 子 太 小 , 不 能 建立 这 样 的 活性 位 点 。 含有 结合 能 的 良好 底 物 能 够 诱导 一 个 酶 活性 位 点 的 恰当 几何 学 形式 。 另 外 一 个 解释 是 诱 导 旭 合 是 一 些小 分 子 〈 如 HzO 在 己 糖 激酶 中 的 例子 ) 的 无 效 结 合 , 也 就 是 说 , 因 为 它们 小 , 所 以 有 很 多 与 其 他 底 物 (ATP 在 己 糖 激酶 中 的 情况 ) 定位 的 可 能 , 这 样 就 不 会 发 生 反应 。 大 底 物 在 运动 时 受到 限制 , 在 分 子 振动 过 程 中 以 正确 催化 方向 存在 的 机 率 比 在 水 中 高 上 百 万 倍 。 « 196 * 生物 化 学 8.4 速 论 提高 和 活化 能 问题 : 一 些 生化 试剂 当 以 纯 品 形式 放置 在 架子 上 时 很 稳定 , 但 当 有 酶 的 存在 时 , 将 很 快 降解 。 为 什么 ? 一 个 底 物 的 热力 学 稳定 性 (以 反应 的 平衡 常数 表示 ) 和 动力 学 稳定 性 之 间 有 一 个 重要 的 区 别 , 后 者 仅 指 反 应 进行 得 有 多 快 , 但 对 平衡 时 底 物 和 产物 的 相对 量 而 言 , 前 者 指 反 应 的 最 终 位 置 ( 见 例 8.18)。 酶 影响 了 底 物 的 动力 学 稳定 性 。 Hil 8.18 许多 还 原 性 有 机 分 子 在 氧化 性 的 大 气 中 是 热力 学 不 稳定 的 , 如 葡萄 糖 。 葡萄 糖 + 60, 一 ~ 6CO, + 6H,O0 —- AG® = 2.872 kJ mol"! 因此 , 和 氧化 作用 是 高 度 放 能 (FAM) HR, HER BHEBRE KY -AG (第 10%), 但 我 们 知道 葡萄 糖 在 架子 上 是 稳定 的 。 因 此 , 它 热力 学 不 稳定 但 动力 学 稳定 。 热力 学 和 动力 学 稳定 性 的 区 别 非 常 重要 , 它们 的 区 别 可 以 通过 活化 自由 能 的 概念 解释 , 活化 自由 能 对 于 将 底 物 转变 为 过 渡 态 很 必要 。 为 了 使 底 物 形成 产物 , 它 的 内 在 自由 能 必须 超 过 某 一 个 值 , 即 它 必 须 克 服 能 量 障碍 。 能 量 障 碍 就 是 过 渡 态 的 自由 能 AG?. HOH. Eyring 介 绍 的 反应 速率 的 过 渡 态 理论 认为 反应 速率 与 AG# 的 大 小 相关 。 问题 : 反应 速率 和 AG#+ 有 简单 的 数学 关系 吗 ? 有 。 在 19 世纪 80 年 代 ,Arrhenius 观察 到 一 个 简单 化 学 反应 的 速率 常数 随 着 温度 而 变化 , 其 变化 按 照 下 式 进 行 , k= Aen (8.1) 其 中 已 。 被 称 为 反应 的 Arrhenius 活化 能 ,A WHHRRTAS, RPE AMAAEM, TOI (K). A 是 , 很 显然 ,4 不 完全 依赖 于 温度 , 特 别 是 在 催化 反应 中 。 因 此 ,Eyring 提出 了 所 有 的 过 渡 态 以 相同 的 速率 常数 ET/h 分 裂 ,k Al h 分别 为 Boltzmann 和 Planck 常数 。 他 因此 提出 了 对 所 有 反应 的 方程 式 , adie (8.2) 其 中 AG AEA A WA ELA. 在 第 10 章 中 将 看 到 Gibbs 自由 能 由 两 个 组 分 构成 , AG = AH - TAS (8.3) ASARMAA PHA, AHA AL, Al, est (8.2) 可 被 写 为 ie ee ee (8.4) ® PANTO eS et Ue RAE BE AE EK, ELH ARE — RYE RE. BSR (8.4) 可 看 出 中 当 过 滤 态 复合 物 形成 时 , 指 数 前 因子 A [方程 式 (8.1)] SHOT EMR A 结构 有 关 。@@ 指 数 因 子 与 反应 的 烩 (th) AK. 任何 可 以 稳定 过 渡 态 的 分 子 因子 都 能 够 降低 AG ANSE RZ VIR AK, Al, Hise ak — 共同 导致 了 这 个 速率 的 提高 。 8.5 ERBR 通过 对 大 量 不 同 来 源 的 酶 CO: 各 种 同 工 酶 , 或 源 自 不 同 物种 的 酶 ) 的 比较 研究 对 酶 反 第 8 章 酶 的 催化 作用 应 机 制 已 有 了 一 定 的 了 解 。 但 这 些 来 源 中 可 供 研 究 的 变异 数量 通常 有 限 。 通 过 对 特异 性 化 学 修饰 酶 的 活性 研究 发 现 酶 活性 可 被 进一步 修饰 。 随 着 克隆 和 表达 DNA 方法 的 成 熟 , 通 过 定 点 诱 变 , 特 异性 修饰 酶 的 方法 得 以 发 展 。 例 如 , 基 因 改 变 能 产生 序列 特异 性 变化 的 蛋白 质 。 诱 变 酶 之 间 和 诱 变 酶 与 野生 型 (或 自然 存在 形式 ) 之 间 的 比较 研究 使 我 们 获得 了 有 价值 的 信 息 。 在 底 物 结合 、 催 化 、 酶 稳定 和 调节 过 程 中 特殊 氨基 酸 残 基 所 起 的 作用 。 Pill 8.19 胰 有 蛋白 酶 专 一 性 地 作用 于 与 束 氨 酸 和 精 氢 酸 相 邻 的 肽 键 , 但 酶 活性 位 点 的 甘氨酸 残 基 被 AAR ( 比 甘 氨 酸 多 携带 一 个 额外 甲 基 ) 代替 后 , 其 专 一 性 将 改变 。 这 个 替代 的 两 氨 酸 与 赖 氨 酸 相 结合 , 而 不 是 稍 大 的 精 氨 酸 。 Fill 8.20 在 枯草 杆菌 丝氨酸 蛋白 酶 的 俊 化 机 制 中 , 四 面体 中 间 体 通过 一 个 氢 键 结合 到 Asn155 的 侧 链 上 而 稳定 , 以 Gly 代替 Asn1$$, 底 物 结合 不 受 影 响 , 但 会 抑制 众 化 步 又, 这 证 实 了 上 面 所 提出 的 机 制 。 Pl 8.21 在 化 学 修饰 研究 的 基础 上 , 有 人 提出 羧 肽 酶 A 的 Tyrl98 是 众 化 机 制 中 的 质子 供 体 〈 即 一 个 普通 的 酸 )。 然 而 , 通 过 定点 诱 变 的 方法 以 Phe KF Tyrl198, 修 饰 酶 仍 保 留 其 酶 活性 , 表明 栈 氨 酸 羟 基 在 众 化 中 也 许 没 有 特殊 作用 。 问题 : 特异 的 突变 作用 导致 的 活性 消失 是 否 表明 突变 残 基 具 有 催化 作用 ? 不 一 定 ! 一 个 氨基 酸 被 另 一 个 氨基 酸 代替 可 能 消除 对 局 部 折 和 县 甚至 整个 蛋 白 质 稳定 性 非常 关键 的 特 异性 相互 作用 。 诱 变 后 监测 蛋白 质 构象 在 这 些 类 型 的 研究 中 非常 重要 。 如 果 以 X 射线 晶 体 学 或 NMR (第 4 章 ) 获得 酶 的 野生 型 和 突变 型 的 精细 结构 将 会 对 研究 更 有 帮助 。 问题 解答 。 基本 概念 8.1 证 明 : 酶 活性 位 点 的 表面 积 不 超过 其 总 表面 积 的 百 分 之 五 。 假 设 一 个 球形 酶 的 分 子 质 量 为 27 000Da, 其 活性 位 点 上 有 五 个 氨基 酸 。 oe, ; [=] 酶 活性 位 点 与 整个 蛋白 质 分 子 的 体积 之 比 为 $:27 000/110 =0.02, 因 为 氢 基 酸 残 基 平 均 重 110。 如 果 假 设 酶 为 球状 , 上 述 体积 比 就 对 应 于 表面 积 之 比 (0.02)23 x0.5。 因 子 0.5 是 由 于 活性 位 点 的 氨基 酸 残 基 有 一 半 面 向 外 表面 , 而 另 一 半 则 面向 酶 的 内 部 。 所 以 答案 为 0.04, 或 表面 积 的 百 分 之 四 。 8.2 神经 毒气 二 异 丙 基 氟 磷 酸 (DFP) 在 一 些 酶 中 与 丝氨酸 的 一 OH 反应 生成 HF RR BE, WF atm: C;H,O O 了 人 Wy, yin + HO—Ser - ii ——~HF+ C;H,O F 197 > *198- 生物 化 学 1949 42 E. F. Jansen 和 同事 们 所 作 的 化 学 酶 修饰 实验 中 , 胰 凝 乳 蛋白 酶 首先 在 P 标 记 的 DFP 中 温 育 , 然 后 用 强酸 将 其 水 解 。 最 后 分 离 得 到 的 氨基 酸 组 分 中 每 25 000 eR 凝 乳 蛋白 酶 有 lmol 标记 的 O -磷脂 酰 。 从 上 述 实 验 我 们 可 以 得 到 有 关 活 性 位 点 的 氨基 酸 组 成 的 什么 信息 ? 答 : 因为 胰 凝 乳 蛋白 酶 M,.=25 000, 所 以 它 的 27 个 丝氨酸 残 基 中 仅 有 一 个 发 第 放 郁 R 明 其 中 一 个 特殊 的 丝氨酸 是 活性 位 点 的 重要 组 分 。 这 个 实验 是 许多 酶 修饰 过 程 的 岩 型 , 现在 经 常用 于 确定 活性 位 点 的 组 分 。 酶 的 分 类 8.3 8.4 六 类 EC 编号 的 酶 中 含量 顺序 是 什么 ? 答 : 在 2 500 种 名 称 不 同 的 酶 中 , 最 丰富 的 的 是 氧化 还 原 酶 , 即 第 1 类 。 其 顺序 为 1 福 2>4 23>6> 56 ; 将 下 列 酶 促 反 应 按照 主要 的 EC 编号 分 类 , 并 提出 每 一 个 酶 的 常用 名 。 (a) D -甘油 醛 - 3 -磷酸 + Pi+NAD -一 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 +NAD 百 (b) os + H,O >NH, + CO, NH, (c) | ah % COO” ce CH; CH, a a HC—NH, 一 一 一 aa 十 C=) cH COO7 Hem COO- C=O COO Coo: 2- 酮 友 二 酸 L-AaR L-Fam 丙酮 酸 d H 3 a | | 其 | i ee Tay - —CO0G) C=C—C—C—=H ee ae 和 Nie No NH, + HO—- gist 2h NH, +HCO; | H H i H H H L-AAR 3H Wi (e) LRAR=D HAR (f) L— ABE 5 -磷酸 ->D - 木 酮 糖 - 5 - 磷 栈 (g) 催化 蛋白 质 中 S 一 S 重 排 的 酶 。 (h) ATP+L- 酷 氨 酸 + tRNAT"—>AMP + PPi + L - 酷 氨 酰 - tRNATY (i) AIP+Y-L- 谷 氨 酰 -L - 半 胱 氨 酸 + HAR ADP + Pi+ AEH TK a: (a) 甘油 醛 -3 -磷酸 脱 氢 酶 ,EC 1.2.1.12。 系 统 名 称 为 D -甘油 醛 -3 -磷酸 。 NAD* ACER (RRL); 它 是 一 个 重要 的 糖 酵 解 酶 。 (b) WBF, EC 3.5.1.5。 它 的 系统 名 称 为 尿素 酰胺 水 解 酶 。 有 趣 的 是 它 是 一 个 含 镍 的 第 8 章 酶 的 催化 作用 酶 。 AAR HH, EC2.6.1.12. ARHZMRA _L-AaR: 2 - 酮 戌 二 酸 氨基 转移 酶 。 注意 几乎 所 有 氨基 转移 酶 的 辅 因子 均 为 吡 哆 醛 磷酸 。 (d) 组 氢 酸 脱羧 酶 ,EC 4.1.1.22。 系 统 名 称 为 工 -组 氮 酸 羧基 - 裂 合 酶 , 在 动物 体内 它 同 样 需要 吡 哆 醛 磷酸 , 但 细菌 酶 不 需要 。 丙 氨 酸 消 旋 酶 ,EC 5$.1.1.1。 系 统 名 称 也 为 丙 氨 酸 消 旋 酶 。 它 很 荣幸 是 第 五 类 中 的 第 一 个 酶 。 它 同样 需要 吡 哆 醛 磷 酸 作为 辅 因子 。( 外 消 旋 混 合 物 是 一 种 化 合 物 的 旋光 异 构 体 的 混合 物 , 第 2 章 )4 (f) 核 酮 糖 磷酸 差 向 异 构 酶 ,,EC;5.1.3.4。 系 统 名 称 为 L-KME-5 -磷酸 -4- 差 向 异 构 酶 。 它 是 一 个 皮 糖 磷酸 途径 中 的 关键 酶 。( 差 向 异 构 体 是 一 个 糖分 子 仅 在 一 个 碳 原子 的 构象 上 不 同 的 立体 异 构 体 , 第 2 章 )。 (g) 二 硫 键 ( SS ) 重 排 酶 ,EC 5.3.4.1。 系 统 名 称 为 蛋白 质 二 硫 键 异 构 酶 。 其 常 用 名 是 以 反应 后 现象 命名 的 例子 , 以 反应 后 现象 分 类 的 酶 称 为 现象 酶 , 但 IUPAC 的 EC 编号 和 国际 生物 化 学 和 分 子 生物 学 命名 委员 会 (IUBMB) 并 不 约 成 这 样 命 名 。 另 一 个 常用 的 例子 就 是 将 移 位 酶 用 于 酶 或 蛋白 质 载体 的 命名 , 它 们 催化 某 一 基 团 在 生物 结构 区 室 之 间 的 移动 , 例 如 线粒体 中 的 ATP 移 位 酶 (第 4 章 )。 (h) BABM- tRNA 合成 酶 ,EC 6.1.1.1。 系 统 名 称 为 工 - 酷 氨 酸 : tRNA“#EH (形成 AMP)。 它 是 第 六 类 酶 中 的 第 一 个 , 但 更 为 重要 的 是 它 对 生命 的 重要 性 , 因 为 它 作用 于 蛋白 质 的 合成 (第 7 章 )。 (i) 谷 胱 甘 肽 合成 酶 ,EC 6.3.2.3。 系 统 名 称 为 Y-L-FAR-L-#HARBR: HAR 连接 酶 〈 形 成 ADP)。 它 是 谷 胱 甘 肽 生成 的 关键 酶 , 在 许多 组 织 和 生物 中 都 发 现 它 的 存在 。 提高 键 断 裂 速率 的 方式 8.5 共 价 酶 的 催化 作用 主要 是 参与 了 酶 及 其 底 物 之 间 短 暂 的 共 价 键 的 形成 。 以 下 是 经 常 遇 到 的 酰基 酶 中 间 体 和 其 他 共 价 了 衍生 物 的 一 般 结构 。 下 ee We Oe at OH (c Ye (e ~~ O O 1 1 | De 酶 一 SH ip R,O—C—R, =. ——s-—c ih ah R,OH O O | | 3. 栈 ay 下 本 R,OH +/ - " N== N= H H Ri Ri vas yA 4. #§—NH, + O=C 一 EC +H,O oS SS R, Ra (a) 给 出 上 述 各 反应 中 其 侧 链 参 与 反应 的 氨基 酸 残 基 。 (b) 写 出 酰基 酶 中 间 体 化 合 物 的 化 学 名 称 。 La (a) (1) 4AR (2) +HAB (2) HAR (4) MAR. (b) (1) BH (2) RH (3) BAK (4) HAR, 8.6 糖 酵 解 途径 的 果糖 -1,6 -二 磷酸 醛 缩 酶 与 其 酮 底 物 果糖 1,6 -二 磷酸 形成 一 个 酰基 酶 中 * 199 - - 200 - 生物 化 学 间 体 。 酶 中 含有 一 个 赖 氨 酸 残 基 对 其 活性 非常 重要 , 请 问 所 形成 是 什么 类 型 的 共 价 中 | 间 体 ? re 其 结构 为 问题 8.5 (b) 中 的 (4), 其 名 称 为 希 夫 碱 (或 酮 亚 腕 )。 CHOPO;: 酶 一 (CH), 一 N 一 C HO—C—H | H— A eben H— C—OH CH,OPO; 酮 亚 胺 的 形成 活化 了 以 星 号 标记 的 键 , 并 导致 其 断裂 。 8.7 近 接 效应 对 反应 速率 提高 非常 重要 。 在 下 列 化 合 物 的 情况 下 , 酸 本 〈 除 去 水 后 的 产物 ) 以 不 同 速率 形成 。 请 按照 酸 酬 形 成 速率 重 排 下 列 化 合 物 的 顺序 并 解释 这 个 顺序 的 原因 。 O a | H-C—O : Hod O T gar nag Y (b) AN H aed O (c) Ho | C—O—R (d) H H H oe eG be . 酸 栈 形成 的 相对 速率 为 : (d) 1; (a) 230; (b) 10 100; (c) 33 000。 一 个 更 大 和 速率 的 提高 通常 发 生 在 反应 羧基 被 更 快 占据 的 化 合 物 中 , 这 缩短 了 过 渡 态 形成 的 时 间 , 因 而 缩短 了 产物 形成 的 时 间 。 8.8 过 淡 态 类 似 物 是 酶 的 有 效 抑制 剂 。 在 大 肠 杆菌 来 源 的 胞 苷 脱 氨 酶 中 , 发 生 了 下 列 化 学 变化 : 第 8 章 酶 的 催化 作用 8.9 Ze cH H;0 NH; _CH H asad Bs) R 其 中 R 代表 一 个 核糖 残 基 。 (a) 写 出 一 个 可 能 过 渡 态 化 合 物 的 结构 。 (b) 下 面 两 个 化 合 物 有 不 同 的 反应 速率 , 一 个 为 过 渡 态 类 似 物 , 另 一 个 为 底 物 。 请 问 哪 一 个 为 类 似 物 。 H OH Wee 4 C a a O=C CH, “es R 3,4,5,6 ~ DU A Re (1) 答 ; 体 : 全 人 HS) ~CH O=C_ CH (a) 可 能 的 过 渡 态 为 四 面体 中 间 体 , 即 一 种 化 合 物 中 有 一 个 碳 原子 为 四 键 排列 的 中 间 R (b) HAM 1) 与 中 间 体 的 结构 非常 相似 , 它 也 确实 为 胞 苷 脱 氢 酶 的 有 效 抑制 剂 〈 过 渡 态 类 似 物 )。 细菌 来 源 的 分 支 酸 变 位 酶 - 预 酚 酸 脱 氢 酶 很 特别 , 它 是 一 个 蛋白 质 单 位 却 有 两 种 催化 活 性 。 它 催化 分 支 酸 到 预 酚 酸 转变 的 系列 反应 以 及 随后 的 通过 预 酚 酸 的 氧化 形成 葵 丙 氢 酸 和 酷 氨 酸 的 反应 。 第 一 个 反应 很 有 趣 , 因 为 它 是 少数 的 严格 单一 底 物 酶 反应 中 的 一 ”个 , 它 需要 一 个 侧 链 从 环 的 一 部 分 移动 到 另 一 部 分 , 如 下 图 所 示 。 分 支 酸 (a) 预测 一 个 可 能 的 过 湾 态 中 间 体 的 结构 。 “201 * * 202 - 生物 化 学 (b) 指出 这 个 酶 的 一 个 过 渡 态 类 似 物 , 它 是 这 个 酶 的 有 效 抑制 剂 。 答 ; (a) 通过 轨道 计算 ,P. R. Andrews 和 G. D. Smith 于 1973 年 提出 了 如 下 所 示 的 过 湾 BDF: 过 渡 态 金刚 烷 分 子 有 一 个 外 部 亚 甲 桥 (图 中 星 号 ) 与 六 元 环 结合 , 因 此 稳定 了 笼 形 结构 。 作者 随后 确实 证 明 金 刚 烷 衍 生物 是 分 支 酸 变 位 酶 的 有 效 抑制 剂 。 所 以 , 这 些 就 是 过 湾 态 类 似 物 的 例子 。 注 : 因 这 个 酶 没有 在 哺乳 动物 中 发 现 , 所 以 这 个 酶 的 抑制 剂 也 许 对 控制 细菌 感染 具有 有 效 作用 。 可 以 肯定 , 种 选择 性 毒性 是 发 展 新 的 抗菌 制剂 的 重要 方向 。 8.10 溶菌 酶 是 眼泪 中 的 一 种 酶 。 它 水 解 细菌 细胞 壁 的 多 糖 , 其 作用 机 制 是 了 解 得 最 清楚 中 “ 旺 的 一 个 。 溶 菌 酶 是 一 个 由 129 PART BRR TBARS RE, FE 侧 有 一 个 裂 颖 。 底 物 恰 好 可 以 嵌入 这 个 裂 妖 , 溶 菌 酶 的 底 物 是 由 N -乙酰 氨基 葡 糖 (NAG) 和 N -乙酰 胞 壁 酸 (NAM) 的 交替 单位 组 成 。 通 过 X 射线 晶体 学 分 析 获 得 了 竞争 性 抑制 剂 (NAG), 结合 到 它 活性 位 点 的 细节 ,X 射线 结构 从 分 子 内 部 观察 到 酶 与 底 物 的 结合 , 如 与 (NAG-NAM);, 的 结合 〈 见 图 8 - 2, 关 于 活性 位 点 和 结合 基 团 的 模式 图 )。 溶菌 酶 催化 残 基 (4) 的 碳 1 和 残 基 (5) 糖苷 键 上 的 氧 原 子 之 间 键 的 断裂 。 在 这 个 键 区 域 的 两 个 氨基 酸 侧 链 分 别 为 质子 供 体 和 受 体 : Asp52 和 Glu35, 每 个 残 基 离 这 个 键 , 大 约 0.3nm。Asp52 处 于 一 个 极 性 环境 , 在 溶菌 酶 的 最 适 pH (pH5) 下 离子 化 , 而 Glu35 在 非 极 性 区 域 , 也 不 离子 化 。 图 8 -3 是 提出 的 催化 机 制 。 (a) 溶菌 酶 属于 哪 一 个 EC 类 , 它 的 EC 编号 的 前 两 位 数字 是 什么 ? (b) 请 用 文字 描述 图 8 -3 中 (NAM-NAG); 键 断 裂 的 各 个 基本 化 学 过 程 。 (c) 溶菌 酶 的 催化 作用 是 共 价 催化 还 是 非 共 价 催化 ? (d) 底 物 (NAM-NAG)3 与 酶 结合 的 键 属于 什么 类 型 ? (e) 在 酶 与 底 物 结合 时 , 糖 残 基 (4) 从 结合 前 的 椅 式 构象 变 为 了 半 椅 式 构象 , 这 对 酶 的 催化 有 何 帮助 ? 第 8 章 酶 的 催化 作用 CH,OH O \\ Asp ac 101 O 四 ch, vd Hy n4_2 c/ | i, FS H NS \ Trp JP NOR ihe %3 62 SN 区 HG:H- se 7H…O=G 107 N \ 从 ES CH 59 \N-H Loma : CH,OH 0=K 52 Asp 会 st - et & BS pe HL 图 8-2 JRE SSR (NAG-NAM), 的 结合 。 底 物 以 粗 键 表 示 , 酶 的 基 团 以 细 键 表示 , 氢 键 以 点 划 线 表示 (a) 溶菌 酶 为 水 解 酶 , 因 此 其 EC 编号 ( 表 8.1) 的 第 一 个 数字 是 3。 因 为 它 催 化 C—O 键 的 水 解 , 所 以 它 的 第 二 个 数字 为 2 ( 表 8.2)。 (b) Glu35 的 羧基 提供 了 一 个 质子 , 使 C-1 一 O BHRHRKH—H(5]-[6]. Av 环 [4] 上 的 C=-1 成 为 碳 正 离子 , 它 通过 带 负 电荷 的 Asp52 而 稳定 。 碳 正 离子 接着 与 溶剂 水 的 OH 反应 释放 出 一 个 四 糖 [1]-[2]-[3]- [4]。 之 后 ,Glu35 重新 质子 化 , 为 下 一 轮 反 应 作 好 准备 。 因 谷 氨 酸 是 反应 中 的 电子 供 体 , 因 此 可 将 反应 归于 一 般 的 酸 催化 作用 。 - 204 - 生物 化 学 (c) 因为 电子 供 体 是 催化 反应 的 关键 , 因此 这 是 一 个 一 般 酸 碱 俱 化 的 例子 , 很 明确 , 它 是 酸 催化 并 且 非 共 价 。 ee (4) 在 图 8-3 中 , ARBRE OP NHZAREBHN OF NH 之 间 的 点 划 线 代表 氨 键 。 但 非 共 价 结合 的 范 德 华 引力 也 存在 。 Asp at O 6 52 A / . CH,OH D E 图 8-3 溶菌 酶 催化 键 断裂 的 可 能 机 制 。 粗 的 实 线 结构 代表 底 物 , 细 线 基 团 为 酶 的 基 团 , 小 箭头 代表 反应 中 电子 对 的 置换 (e) 与 底 物 的 结合 导致 残 基 [4] 结合 前 椅 式 构象 的 扭曲 , 这 个 变化 减少 了 结合 趋 遇 人 | 势 , 即 结合 的 AG 将 提高 。 但 是 , 扭 曲 〈 张 力 ) 能 量 有 助 于 通过 正 碳 离子 的 形 昌 成 而 导致 的 连续 的 键 断裂 所 需要 的 总 活化 能 提高 。 8.11 羧 肽 酶 A (EC 3.4.17.1) 是 一 个 M .为 36 000, & 307 个 氨基 酸 残 基 的 单一 多 肽 链 组 成 的 胰 消 化 酶 。 它 催化 多 肽 链 C 端 氨基 酸 残 基 的 断裂 。 更 为 重要 的 是 , 在 其 催化 过 程 中 , 它 的 活性 位 点 有 一 个 Zn 。 它 的 活性 位 点 和 催化 轴 序列 的 氨基 酸 侧 链 如 图 8 -4 所 示 。 (a) 羧 肽 酶 属于 哪 一 类 酶 ? (b) Zn 六 在 催化 机 制 中 起 到 什么 基本 作用 ? 催化 属于 哪 一 类 型 ? (c) 用 文字 描述 图 8 - 4 中 的 系列 反应 。 答 : (a) 羧 肽 酶 是 一 种 水 解 酶 , 它 催化 肽 键 的 水 解 断裂 。EC 编号 的 第 二 个 数字 3 表明 它 众人 化 C—O 键 的 水 解 。 凑 肽 酶 是 外 肽 酶 , 它 从 肽 链 的 羧基 末端 水 解 氨 基 酸 残 基 。 而 氢 肽 酶 催化 N 端 氨基 酸 残 基 的 水 解 , 内 肽 酶 既 不 从 C 端 , 也 不 从 N 端 , 而 是 从 肽 链 内 部 水 解 肽 键 的 水 解 酶 , 例 如 胃 中 的 胃 有 蛋白 酶 以 及 胰 肽 酶 , 如 胰 蛋 A Be RR ILE BB. (b) Zn2+ 作为 亲 电 体 在 酶 的 Glu270 Hy RESRHAZMBRHVRZHRBBA | 第 8 章 酶 的 催化 作用 “ 205 - 进一步 极 化 。 这 个 酯 键 为 共 价 键 , 所 以 这 个 反应 是 共 价 催化 的 例子 。 (c) (1) 拓 链 底 物 与 酶 的 活性 位 点 结合 , 酶 的 活性 位 点 包括 Argl145、Zn “和 含有 芳 SRE GKRALZRMRAHRKA. (2) Glu270 对 钛 键 的 亲 核 性 攻击 伴随 着 Glu270 从 Tyr248 吸收 一 个 H*。 (3) 肽 键 的 断裂 和 C 端 游离 氨基 酸 的 脱离 。 (4) 通过 水 分 子 对 Glu270 的 酸 栈 键 的 亲 核 性 攻击 , 使 共 价 结合 肽 链 释 放 , 从 而 使 自由 酶 再 生 , 这 个 过 程 伴随 Tyr248 的 重新 质子 化 。 OH RAKR (d) (c) 图 8-4 通过 羧 肽 酶 A 催化 从 肽 链 C 端 水 解 氨基 酸 残 基 的 共 价 催化 机 制 。 反 应 从 (a) 到 (d), 粗 线 结构 代表 肽 链 底 物 ,(a) 中 的 肽 链 C 端的 酷 氨 酸 侧 链 在 (b)、(c) 和 (d) 中 以 Ri 表示 速率 的 提高 和 活化 能 8.12 如 果 将 酶 的 过 渡 态 复合 物 及 底 物 的 活化 能 均 减 半 时 , 计 算 反 应 速率 将 提高 多 少 ? 答 从 方程 式 (8.2) Te, Ree OMT 成 比例 , 因 此 , kx =k exp (—AG*/RT) 很 显然 , 速 率 的 提高 与 初始 AG+ 以 及 温度 相关 。 所 以 , 只 有 AG+ 和 温度 值 已 知 , 才 能 计算 速率 提高 了 多 少 。 8.13 ”如果 前 一 个 问题 中 的 AGA T 分 别 为 - 1kJmol-! 和 300K, 那 么 速率 提高 因子 为 多 少 ? - 206 生物 化 学 Oo co Co “把 .16 ae i 18 .19 .20 21 une 答 , &R 新 三 RH exp [1 000/ (2x8.314Xx300)]j =AB 1.22 因此 , 速 率 将 提高 22%。 很 显然 , 酶 作用 的 速率 有 一 个 戏剧 化 的 提高 , 表 明 在 第 一 种 情况 下 〈 即 在 自由 溶液 中 ) AG# 较 大 , 酶 的 反应 速率 大 大 降低 〈 比 这 个 问题 中 讨 论 的 情况 低 两 倍 )。 补充 问题 画 出 下 列 反应 中 底 物 和 产物 的 结构 并 说 明 催化 这 些 反 应 的 酶 的 一 般 EC PR (a) 葡萄 糖 -6 -磷酸 + H2O 有 有 本 -人 (b) 乳酸 +NAD ET (d) qe AAA AR + H,O aia Z, RENE SS HE PP UO AE. ORE RE (molL -1) 和 酶 量 确定 , 下 列 底 物 的 反应 速率 不 同 , FARE ZO. RE, TR. WOM. RM. (a) 以 反应 速率 降低 的 顺序 将 上 述 底 物 重新 排列 。(b) 请 解释 排列 的 原因 。 甘油 醛 - 3 -磷酸 脱 氢 酶 的 活性 位 点 有 一 个 重要 的 半 胱 氨 酸 残 基 。 这 个 酶 可 和 其 底 物 甘 油 醛 - 3 -磷酸 形成 一 个 短暂 的 酰基 化 合 物 。(a) 这 个 化 合 物 的 化 学 名 称 是 什么 ? (〈(b) 画 出 它 的 可 能 结构 。 被 下 列 酶 催化 的 反应 有 什么 基本 区 别 : (a) 变 位 酶 和 蜡 构 酶 ; (b) 氧化 酶 、 加 氧 酶 和 催化 逆反 应 的 还 原 酶 ? 请 举例 说 明 。- 假定 CO; 的 自动 水 合作 用 相当 快 〈 例 8.4), 那 么 从 生理 角度 出 发 , 需 要 碳酸 酬 酶 的 合理 解释 是 什么 ? 什么 是 一 个 酶 的 自杀 底 物 ? 与 反应 物 浓度 相 比 , 如 果 一 个 反应 混合 物 中 的 酶 浓度 达到 平衡 , 那 么 产物 浓度 与 底 物 浓度 的 比值 是 否 与 没有 酶 存在 时 一 样 ? 为 什么 许多 酶 与 它们 的 底 物 有 很 大 的 关系 ? 举 出 一 些 酶 小 于 其 底 物 的 例子 。 9.1 导言 和 定义 酶 动力 学 是 研究 酶 反应 的 速率 以 及 影响 此 速率 的 各 种 因素 的 科学 。 ”问题 , 酶 反应 速率 由 什么 因素 决定 , 为 什么 这 个 因素 很 重要 ? 影响 酶 反应 速率 最 重要 的 因素 是 底 物 和 酶 的 浓度 以 及 pH、 温度 、 是 否 存在 辅 因子 和 金属 离子 等 其 他 因素 。 这 些 因 素 的 研究 非常 重要 。 从 实用 意义 上 讲 , 对 它们 的 研究 就 有 可 能 实现 对 一 个 特殊 反应 的 速 率 进 行 最 优化 处 理 。 依 赖 于 实验 变量 的 速率 研究 的 方法 可 将 预测 酶 作用 的 可 能 模式 即 酶 的 作用 机 制 。 除了 酶 动力 学 的 实验 方面 如 实验 的 设计 以 及 确定 酶 反应 进行 的 方法 之 外 , 另 一 个 重要 方 面 就 是 数据 的 解释 。 数 据 的 解释 通常 依赖 于 写 出 模式 反应 图 的 数学 表达 式 , 这 些 数学 表达 式 预测 了 速率 怎样 依赖 于 反应 变量 , 以 及 验证 这 些 方 程式 与 实验 数据 的 一 致 性 , 这 些 实验 数据 也 可 能 反驳 与 预测 行为 不 符 的 模型 。 酶 动力 学 分 析 经 党 用 到 的 基本 原则 和 定义 将 在 下 面 讨论 。 质量 作用 的 定律 一 个 化 学 反应 的 单一 、 不 可 逆 步 又 , 即 一 个 基本 化 学 过 程 , 其 反应 速率 与 反应 过 程 中 反 应 物 的 浓度 成 比例 。 这 个 比例 常量 称 为 速率 常数 , 或 为 了 突出 所 参与 的 为 基本 过 程 而 称 为 单 一 速率 常数 。 一 个 微妙 之 处 在 于 在 速率 表达 式 中 引入 化 学 活 度 〈 第 10 章 ), 而 不 是 使 用 简单 的 浓度 , 但 活化 系数 在 生物 系统 中 基本 上 都 接近 于 1。 Spi 9.1 将 质量 作用 定律 应 用 于 反应 模式 A+B==P+Q ky Pk PMRTFED PH HR DREFRK, FULERV MER DRED ALA FHRRA 表示 : 正 向 速率 =&li[A][B] 逆向 速率 =&_I[A][B] 其 中 方 括号 代表 摩尔 浓度 molL |. AF EMH, ERR PER HREM, HUM 变化 没有 任何 反应 物 的 净 产 生 。 因 此 , a = P ee A LPL) (9.2) 其 中 K, 被 称 为 平衡 常数 , PT 反应 速率 是 每 时 间 单 位 的 一 种 物质 简单 的 浓度 变化 , 因 此 , 反 应 速率 可 用 导数 的 数学 关 (9.1) * 208° 生物 化 学 系 式 求 出 。 但 请 注意 , 数 学 表达 式 中 [A] 的 全 部 变化 速率 一 定 包 括 正 向 和 逆向 变化 。 例 如 , dA} __ 4 [al[B] + &-s(PI[Q] (9.3) 反应 分 子 数 应 分 子 数 指 参 与 一 个 基本 反应 的 分 子 数目 。 通 常 , 基 本 反应 指 只 有 两 个 分 子 在 一 瞬间 只 产业 着 (反应 分 子 数 = 2) 或 一 个 分 子 发 生 裂 变 (也 称 为 分 裂 , 反 应 分 子 数 =1)。 例 9.1 是 一 个 正 向 和 逆向 过 程 中 反应 分 子 数 均 为 2 的 反应 。 一 个 反应 的 级 数 这 是 指 动力 的 总 和 , 所 谓 动力 即 在 一 个 速率 表达 式 中 所 提 及 的 浓度 〈 或 化 学 活 度 庆 CH Hl 9.2 在 一 级 反应 中 A—>p [A] 变化 速率 的 表达 式 为 2 二 一 在 [A] (9.4) 因为 表达 式 的 左手 边 是 反应 速率 单位 (molL-is-1), 所 以 右手 边 的 单位 也 一 定 是 这 个 单位 ( 量 岗 平衡 ) Hot, & [A] 的 单位 表 定 为 molL -ls-1, 意 味 着 上 的 单位 是 s-1。 所 以 , 在 一 个 特殊 的 反应 模式 中 , 简单 的 量 纲 分 析 可 因为 一 个 特殊 常数 的 单位 而 直接 得 到 二 般 表 达 式 。 9.2 依赖 于 底 物 浓度 的 酶 反应 速达 实验 时 , 底 物 浓 度 对 酶 反应 速率 的 效应 能 够 通过 记录 一 个 固定 浓度 的 酶 和 一 系列 不 同 浓 度 的 底 物 的 酶 促 反 应 过 程 而 进行 研究 。 初 始 速度 wo 是 当时 间 上 = 0 时 曲线 切线 的 斜率 。 初 始 速度 很 有 用 , 因 为 反应 中 酶 的 降解 或 反应 产物 的 抑制 可 能 发 生 , Behe 结果 。 Vinex ‘GE POS he eee eae ae ae ae a g S | | | vo/(mmol 一 ') 0 Km 2Kim 3Km 4Km 5Km [S]o / (mmol L~') 图 9-1 一 个 酶 促 反应 中 初始 速度 (wo) 与 初始 底 物 浓度 [S] 的 双 曲 线 关系 BA EARS bE EB LM — 2 Od AR 第 9 章 酶 动力 学 当 [S]u> 酶 浓度 时 ,zwo 通常 与 反应 混合 物 中 酶 的 浓度 成 正比 , 并 且 对 大 多 数 酶 而 言 , vo 是 [S]o 的 矩形 双 曲 型 函数 。 当 存在 其 他 ( 共 ) 底 物 时 , 在 [Sh 变化 的 一 系列 实验 中 , 它们 通常 为 常量 。 通常 表示 酶 反应 数据 的 矩形 双 曲 线 的 方程 式 被 称 为 米 氏 方程 〈( 图 9 -,1): us da{Ss] _ Vinaxl SJo BRIT I | dt vn yi, Akai th BSH ee 4% [Slo 非常 大 时 ,vo= Vinx ( 称 作 最 大 速度 ); 而 当 wo= Vinax/2 HY, [Slo WEA K,,, Bl 所 谓 的 米 氏 常数 。 -9.3 Km #0 Vinax OS BB KB 当 一 个 新 变量 对 另 一 个 新 变量 作 图 时 , 方 程式 (9.5) 可 以 重新 写 为 几 种 能 产生 直线 的 新 形式 。 这 种 处 理 的 优点 在 于 @ 通 过 使 一 条 直线 与 变化 的 数据 相符 , Vinx Al K,, 能 被 迅速 确 定 ;@ 偏 离 于 一 条 直线 的 数据 比 偏离 于 双 曲 线 的 数 ” 据 更 易 观察 到 (偏离 表明 不 适合 于 简单 酶 模型 ) ; 图 反应 中 抑制 剂 的 效应 更 易于 分 析 。 另 外 从 一 条 睛 估计 其 渐 近 线 更 容易 且 更 准确 。 最 经 常 应 用 的 米 氏 方程 的 变换 形式 是 Liner- weaver-Burk 的 “ 双 倒 数 ” 方 程 。 这 个 方程 于 1935 年 第 一 次 提出 。 将 方程 式 (9.5) 两 侧 均 取 倒数 , 可 得 到 = Kuper i 0 1/{S] V0 T Vea [Slo ei | ae mk P 将 数据 对 (1/ [Slo,;, 1/vo,;) (EA, HP i=1 图 9-2 Lineweaver-Burk 图 解 过 程 , 以 确定 in, ”是 数据 对 的 数目 。 分 别 以 1/ Vinge 和 米 氏 方程 的 两 个 稳 态 动力 学 参数 =1/K。 为 纵 坐 标 和 横 坐 标的 截 距 , 作 图 得 到 一 条 BAX (H9-2). 问题 : 图 解 过 程 还 被 用 于 获得 最 佳 稳 态 参数 的 估算 吗 ? 由 于 计算 机 的 应 用 , 图 解 方法 已 很 大 程度 上 被 动力 学 方程 式 的 非 线 性 最 小 平方 回归 程序 代替 , 其 中 动力 学 方程 式 直接 由 非 变化 数据 而 来 。 但 是 , 图 解 过 程 对 参数 值 的 快速 预计 或 数值 法 需要 的 初始 估算 仍 然 有 效 。 。 9.4 酶 抑制 的 定义 酶 反应 速率 经 常 受 底 物 而 非 反应 物 的 影响 , 当 一 个 化 合 物 引起 速率 降低 时 , 这 个 化 合 物 被 称 作 抑制 剂 。 正 好 与 上 述 效 应 相反 , 一 个 激活 剂 能 使 反应 速率 提高 。 在 研究 抑制 剂 时 , 将 实验 观察 的 效果 和 所 提出 解释 它们 的 机 制 〈 或 模式 ) 加 以 区 别 非 常 重 要 。 抑制 有 三 种 基本 类 型 , 它 们 被 定义 为 抑制 度 ;, 而 ;本身 的 定义 为 : j = i (9.7) V0 其 中 wo 和 v,; 分 别 为 非 抑 制 和 抑制 时 的 初始 反应 速率 。 1. 如 果 ;不 受 底 物 浓度 的 影响 ,那么 存在 的 为 单纯 非 竞争 性 抑制 。 2 210) 生物 化 学 2. 如 果 当 底 物 浓 度 提高 时 ,;i 下 降 , 那 么 存在 竞争 性 抑制 。 3. 如 果 当 底 物 浓度 提高 时 ,; 上 升 , 那 么 存在 反 竞 争 性 抑制 。 除 上 述 情 形 之 外 , 还 存在 混合 抑制 。 如 果 当 底 物 浓度 上 升 时 ,; 上 升 或 下 降 , 但 分 别 与 单纯 竞争 性 抑制 及 反 竞 争 性 抑制 的 程度 不 同 , 这 时 存在 的 即 为 混合 抑制 。 事实 上 , 从 作用 机 制 看 , 非 竞争 性 抑制 是 混合 抑制 的 一 种 特殊 情况 ; 但是, 就 象 这 里 所 定义 的 , 混 合 抑制 是 三 种 基本 类 型 中 两 种 的 组 合 。 9.5 酶 抑制 方程 有 关 反 应 速率 和 抑制 剂 浓度 的 数学 表达 式 通常 都 相当 复杂 , 但 米 氏 方程 有 四 种 简单 的 扩 展 方程 式 。 这 些 方程 式 值得 特别 考虑 , 因 为 许多 酶 的 动力 学 都 能 很 好 地 被 这 些 方程 式 描述 。 表 9.1 的 方程 式 中 ,[I] 代表 抑制 剂 浓度 ,K; AK 为 抑制 常数 , 单 位 为 一 个 离 解 平衡 党 数 的 单位 (mmol L-1)。 与 这 些 方程 式 相 一 致 的 机 制 将 在 9.10 节 中 进行 讨论 。 表 9.1 四 种 类 型 酶 抑制 的 速率 方程 式 单纯 非 竞争 性 抑制 单纯 竞争 性 抑制 人 + [Slo (Kat [S]o) (1+ 四 tt a K,+ [I] ; eal 124) te i). [Slo 反 竞 争 性 抑制 混合 抑制 oa Pie Vinx [S]o ale) eB) (1B K,+ mer [Slo Ke e+ (| [Slo 9.6 米色 方程 的 基本 机 制 平衡 分 析 为 了 解释 通过 转化 酶 催化 的 蔗糖 转化 为 葡萄 糖 和 果糖 的 结果 ,Michaslis 和 Menten 于 1913 年 提出 了 下 列 反应 模式 , ky kp K + 2 ES eee 假设 与 ko FALL, k -1 较 大 。 因 此 , 反 应 的 第 一 部 分 可 用 酶 - 底 物 复合 物 解 离 的 平衡 常数 描 述 : K,=[E][S]/[ES]。 任 意 时 间 S 和 正 的 浓度 可 由 已 知 的 初始 条 件 得 到 [Sj =[S] + [ES] + [P] (9.8) [E]o =[E] + [ES] (9.9) 因为 实验 时 [S]o> [E]o, 所 以 反应 早期 的 [S] ~ [S],, 通 过 应 用 K, 的 表达 式 和 方程 式 (9.9), 我 们 得 到 ; 第 9 章 酶 动力 学 _ CLE]o = [ES])LSjo [ES] (9.10) 这 个 方程 式 新 型 重新 整理 后 为 tes) = ES oo. 反应 的 第 二 步 是 一 个 简单 的 一 级 反应 , 因 此 vp = k2[ES] (9.12) 所 以 描述 底 物 降低 的 整个 速率 的 方程 式 为 _ R2lLElolS]o (9.13) Po Kye [Slo 如 果 Y cee = ko[E]o F## A K,= K, AY, 它 其 实 就 是 方程 式 Pn5y. 稳 态 分 析 1925 年 ,Briggs 和 Haldance 验证 了 早先 的 米 氏 分 析 并 对 此 作出 了 重要 发 展 。 他 们 没有 假设 反应 的 第 一 阶段 处 于 平衡 , 为 了 全 部 的 意图 和 目的 , 他 们 只 假设 酶 - 底 物 复合 物 的 浓度 并 不 随时 间 变 化 , 即 它 处 于 一 个 稳 态 。 以 数学 表达 式 表示 , 即 等 于 ates] _ , es (9.14) 现在 ,[ES] 变化 的 方程 式 为 一 一 = k,[E]LS] — (e-1 + #2) LES] (9.15) 通过 应 用 方程 式 (9.8) 和 (9.9), WR [S] 全 [So], MA 0 三 有 [也 ]oLSjo (TS] + &-1 + 22) [ES] (9.16) 通过 重新 整理 这 个 方程 式 , 并 将 wo=A&A [ES] 带 入 , 我 们 得 到 kol[E lol Slo (9.17) 汉人 ( ea 2) + [Sly WM Ky 45 (h-1+ b>) /hy HS, VinoS br [Ely HE, RT WERRU—KSWAR (9.5) 一 样 。 方程 式 (9.17) 有 几 个 特征 值得 注意 : 1. 因为 &z 描述 了 每 秒 每 摩尔 酶 将 底 物 转变 为 产物 的 摩尔 数 , 因 此 称 &z 为 酶 的 转换 数 。 一 般 而 言 , 在 许多 复杂 的 酶 机 制 中 ,Vusx 的 表达 式 很 复杂 , 因 ko 被 一 个 表达 式 代 蔡 , 这 个 表达 式 为 单一 速率 常数 下 产物 总 量 的 比例 , 这 个 组 合 的 表达 式 被 称 为 Rsst。 2. 如 果 一 个 酶 不 纯 , 也 许 就 不 可 能 准确 确定 它 的 活性 浓度 , 即 [Eo]。 但 是 , Vansx 仍 可 通过 稳 态 动 力学 分 析 获 得 。 所 以 , 为 了 使 实验 结果 标准 化 , 我 们 指定 一 个 酶 单位 〈 或 开 特 ) 为 : 在 标准 pH、 离 子 强度 和 温度 条 件 下 ,! 分 钟 将 1Immol 底 物 转化 为 产物 所 需要 的 酶 溶液 的 量 。 3. 45K, 相 比 ,[S]e 很 大 时 , 事 实 上 所 有 的 下 均 为 ES 形式。 所以, 此 时 的 酶 处 于 饱和 状态 , 即 它 以 最 大 速度 进行 作用 。 9.7 复杂 的 稳 态 方程 式 的 推导 原则 上 , 任 何 酶 、 任 何 数量 的 反应 物 的 稳 态 速率 表达 式 均 可 通过 应 用 前 一 部 分 介绍 的 方 法 进行 推导 。 但 事实 上 , 推 导 过 程 非常 麻烦 。 所 以 可 以 应 用 1956 年 由 King 和 Altman 介绍 的 一 种 算法 进行 推导 。 这 种 方法 不 适 于 @ 非 酶 反应 〈 每 一 个 反应 物 浓 度 必 须 六 [E]o),@ 酶 “Zee < 212 + 生物 化 学 混合 物 ,@@ 非 酶 步骤 的 反应 。 但 这 些 并 非 严格 的 限制 , 它 可 应 用 于 1. 画 出 反应 图 解 , 需 要 用 反应 箭头 将 所 有 相关 酶 类 (游离 及 复合 形式 ) 相连 接 。 2. 以 相应 的 单一 速率 常数 注释 所 有 的 反应 箭头 。 底 物 参 与 的 正 反应 中 , 将 代表 底 物 的 字母 与 速率 常数 相 邻 ; 参与 着 反应 的 产物 也 是 同样 。 3. 对 于 ”种 酶 形式 (一 种 为 游离 酶 , 其 余 为 酶 的 复合 物 或 酶 的 异 构 体 形式 ), 画 出 反应 模式 图 。 模 式 图 中 有 ”- 1 个 箭头 , 同 时 产生 一 个 连续 途径 或 产生 了 每 一 种 酶 形式 的 。 另 外 , 模 式 图 中 不 允许 有 闭环 步骤。 4. 每 一 个 模式 图 的 总 产物 浓度 及 速率 常数 可 给 出 的 【ESs;] - [E]7 BBR, KH [ES;] 为 任何 酶 形式 ,[E]7 为 总 酶 浓度 。 5. 单独 的 产物 形成 的 整体 速率 的 表达 式 可 通过 相关 酶 - 底 物 复合 物 浓度 ( [ES,] 以 及 一 级 速率 常数 (ki) 的 相 乘 而 给 出 : k,[E]rLES, ] ” ( (E] 和 各 种 [ES;] 表达 式 总 和 ,此 处 的 ; = 1,---,n -1) 在 应 用 该 算法 时 , 应 注意 ; (a) 所 有 机 制 均 不 涉及 变换 的 反应 顺序 , 速 率 表 达 式 的 分 子 将 只 有 两 个 项 ; 二 个 为 所 有 在 正 向 速率 常数 和 底 物 浓度 条 件 的 产物 【如 方程 式 (9.18)], 另 一 个 为 道 反应 的 相应 产物 。 (b) SHH, LADS ELMER 3 中 的 一 些 模式 。 对 mm 步骤 产生 的 总 数 为 (9.18) (2 一 1) 行 的 模式 (HF ”为 酶 形式 的 总 数 ), 一 个 有 用 的 公式 为 4=. m ! Bn -1) et =( 人 = 让 (9.19) (c) 方程 式 (9.19) 预测 了 (n-1) TRADRA, RPA-HAbAFBRRH, AB | 模式 必须 除去 。 有 ~ RWB (n-1) 行 模式 的 总 数 Z 等 于 i m-r ho o-Ft AERA ae) Ge po oe: Se ie Alte, ZA 1 Bln —-1, PAH Z AM RARER ORR. Hil 9.3 通过 应 用 King-Altman 的 推导 步骤 , 推 导 下 列 酶 机 制 的 稳 态 方程 式 , Z >= AY pe a ep = = coe 步骤 (3): EP 的 反应 模式 为 , 步骤 (1) 和 (2); RAH: NA EP EP EP 步骤 (4): Ast, [EP] = kiko[A] + k_,k_3[P] + kk_-3[P] (9.21) 与 之 相似 , 另 外 两 种 酶 的 表达 式 为 [EA] =k,k-,[A] +&_R_3[P] + kik3[A] [E] = 天 -Ra3 + 有 2R3 + R_1k_> 4 x HOM 酶 动力 学 因 为 "= SP! = ta[EP] -As[E]IP] (9.22) 并 且 [E]7r = [E] + [EA] + [EP] (9.23) 因此 y J [E]riks(kik2lAl + k-yk-3[P] 十 k2k-3[P]) 一 k_3[P](k-1k3 + R2R3 + k_1k-2)} me kyk2[A] 了 k_,k-3[P] 十 kok -3(P] + kik_-2[A] “1 k_2k-3[P] ae kik3(A] + k_jk3+ kok3+ k-k-2 : (9.24) 简化 为 emer may LE leeierkslAl> kak Se aPI CY Kk teh ahe de bobbed bk ahuo) +, hy (hart bgtthee Malet & VCR Ma dalnd bP 4 (9.25) 如 果 [P] =0, MARA (9.25) 的 表达 式 将 变 为 下 列 形式 numl Dual 大 [ 卫 ] ra] [A] (9.26) ey » . coef t.cogfA(A] oy | coef | [A] , 了 coefA HF numl 相当 于 分 子 系数 ,coef 和 coefA 分 别 代表 两 个 分 母 条 数 。 当 分 子 和 分 母 同 被 coefA 相 除 , 方 程式 (9.26) 的 形式 就 与 米 民 方程 一 方程 式 〈9.5) 一 致 。 因 此 , 以 上 分 析 说 明 稳 | 引入 仅 涉 及 在 酶 复合 物 〈( 此 情况 下 的 EP) 间 的 异 构 化 步骤 的 机 制 并 不 引起 稳 态 速率 方程 式 形 式 〈 见 下 一 部 分 ) HEM, 9.8 多 反应 物 栈 概 说 , 最 普通 的 酶 反应 是 有 两 个 或 多 个 底 物 和 与 底 物 个 数 相 同 的 产物 的 反应 。 但 许多 更 简单 的 单一 底 物 模式 对 酶 反应 速率 动力 学 概念 (4 pH、 温度 等 效应 相关 ) 的 发 展 更 具 价值 。 尽 管 多 底 物 反应 的 机 制 很 复杂 , 但 它们 的 动力 学 常 以 下 列 方程 式 描述 it: & ver LA] "7 理 v= Ke + [A] (9.27) 如 果实 验 中 除 A WSU Mk Ee il A, RR EER. VPA KOR eh 反应 物 浓度 的 函数 ( 例 9.6)。 命名 原则 11963 4F, W. W. Cledand 在 反应 中 底 物 和 产物 数目 的 基础 上 , 发 表 了 有 关 酶 促 反应 的 cen 1. 反应 物 是 动力 学 上 有 意义 的 底 物 或 产物 的 数目 , 一 般 以 音节 Uni (1), Bi (2), Ter (3) 和 Quad (4) 表示 。 SRI 9.4 FMA Cleland 的 相关 命名 为 已 Uni Uni ame wee Uni Bi A+B —P+Q Bi Bi A+, S87 C=—FP+t+OG+eTs Ter Quad 2. 如 果 在 任何 产物 排出 之 前 , 所 有 底 物 就 加 入 到 酶 中 , 那 么 其 机 制 就 规定 为 顺序 机 制 。 AS! 214 生物 化 学 如 果 底 物 的 加 入 按照 强制 性 顺序 , 那 么 作用 机 制 称 为 有 序 机 制 。 如 果 底 物 的 加 六 和 产物 的 排出 没有 强制 性 顺序 , 就 称 为 无 序 机 制 。 当 一 个 或 更 多 产物 在 所 有 底 物 加 入 之 前 排出 , 酶 将 以 反应 过 程 中 来 回 振动 的 两 种 或 多 种 稳定 形式 存在 , 这 种 类 型 的 机 制 因 此 被 称 为 乒乓 机 制 。 与 瞬间 存在 形式 不 同 (例如 例 9.5 中 的 EAB、EPQ), 如 果 有 稳定 的 异 构 化 的 酶 形式 存在 , 术 语 Iso 将 加 入 所 命名 的 机 制 中 。 Hl 9.5 A FR Bi Bi 机 制 可 表达 为 k k k E+A—“FA EA+B= EAB EAB=EPQ we, bes k4 kg ks EPQ re +P EQ ee +Q 4 -5 或 应 用 Cleland 的 图 解 惯例 ), 可 简单 地 写 为 A B P Q 由- bales belt. bales k E EA (EAB =— EPQ) EQ E -3 按照 Cleland 的 常规 , 字 母 A、B、C、D 代表 底 物 ,P、Q、R、S 代表 产物 , 并 且 分 别 以 它 们 加 入 和 离开 酶 的 顺序 排列 。 Fh 9.6 — : 通过 应 用 King-Altman 工法 程序 , 上 一 个 例子 中 的 有 序 BiBi 机 制 的 速率 表达 式 如 下 所 ws v =(kykok3kgkslA][B] — k-1Rk-2k-3k -4k-s[P][Q]) + lksk_1(k3kq + kak-2 + k-2k-3) + [A] kiks(k3kq + kak-2 + k-2k-3) + [Bl kok3kaks + [P]k_:R_.k_3k-4 + [Q]k_jk-s(k3k4 + R4R_2 + R-2k-3) + [AJ[B] Ry ho(h3k4 + Rahs + aks + Rsk-3) + [P][Q]k_ghk_s(k3k-1 + R-1k-p + k_yR-3 + R_pk-3) + [A][P]Ryk_-pk_-3k-4 + [B][Q] kok3kak-s + [AJ[BI[P]&,22k_4(k3 + R_3) + [B][P][Q]k2k-4k_-5(k3 + k-3)} (9.28) 了 如 果 我 们 假设 反应 开始 [P] 和 [Q] =0, 那 么 这 个 表达 式 可 以 戏剧 化 地 简化 。 而 且 , 如 果 [B] 是 饱和 的 , 我 们 可 将 分 子 和 分 母 均 除 以 ,[B], 并 取 其 极限 值 即 [B] 全 oo, 方程 式 将 简 化 为 numlLAj]。 " = coefB + coefABLA Ty sing 其 中 术语 numl, coefAB 和 coefB 与 方程 式 (9.28) 相同 。 因 此 , Vinax 4? Km 的 表达 式 分 别 , 为 numl max ~ coefAB (9.30) _ _coefB ™ ~~ coefAB (9.31) , 与 孔 相 关 的 参数 的 表达 式 也 可 以 通过 相似 方法 得 到 。 1) 在 原来 的 Cleland 符号 系统 中 只 使 用 单 箭头 表示 , 该 机 制 可 写成 , ~~ A B P Q NS swt ta E EA EAB EQ E 3 ; : : * 4 f fe 4 BOR 酶 动力 学 9.9 pH 对 酶 反应 速率 的 影响 概 说 问题 : 什么 对 于 研究 pH 对 酶 反应 速率 的 影 响 非常 有 用 ? 实际 上 , 大 家 也 许 只 是 想 找到 一 个 催化 反应 的 最 有 效 的 pH 值 , 即 最 适 pH 值 。 另 外 ,pH 对 酶 反应 动力 学 的 影响 的 完全 和 仔细 的 研究 也 许 会 导致 对 参与 结合 或 催化 作用 的 酶 或 底 物 的 功能 基 团 的 了 解 。 要 完全 描述 pH 变化 对 酶 催化 反应 的 影响 , 几 乎 是 一 个 不 可 能 完成 的 任务 。 酶 中 的 许多 氨基 酸 侧 链 是 可 电离 的 , 但 它们 在 极 性 环境 中 与 非 极 性 溶液 中 的 不 同 , 它 们 的 pK。( 第 3 章 ) 将 明显 地 改变 。 然 而 , 从 实验 角度 出 发 , 在 各 种 pH 条 件 下 , 确 定 一 个 酶 的 稳 态 动力 学 参数 (Kix Vinx) 是 一 件 很 简单 的 事情 。 pH 可 能 引起 下 列 基 团 离子 状态 的 变化 : @ 参 与 催化 的 基 团 ,@ 与 底 物 结合 的 基 团 ,@) ”结合 于 非 活性 位 点 的 基 团 , 这 些 位 点 被 定义 为 异 位 效应 物 位 点 ,@ 田 底 物 上 的 基 团 。 电 荷 状 态 的 改变 将 影响 酶 及 其 底 物 的 亲和力 以 及 催化 作用 的 速率 。 pH 效应 的 一 个 简单 模型 游离 酶 的 离子 化 分 析 酶 的 离子 化 对 酶 动力 学 参数 的 效应 的 最 简单 的 米 氏 模型 为 y EH+S <= EHS—?- EH +P EH; 其 中 an) Se _ [EH][H*] _ [EHI[S] Ko = ,[EH] TBE EI — 对 应 于 这 个 模型 的 速率 表达 式 可 通过 应 用 米 氏 平衡 分 析 迅 速 得 到 。 酶 的 质量 守恒 方程 式 为 [E]o = [E-]+[EH]+[IEHS]+[IEH;] (9.33) 通过 应 用 方程 式 (9.33) 的 关系 式 , 可 得 到 LE]o [Ens = : (9.34) 1+ ae Roe + HI) [So] 3: ae oe 因为 vp=k2 [EHS], AE kaLE]o[Slo > one sk Tee (9.35) K,|1+ Wy)? Ki. | [Slo 方程 式 (9.35) 和 米 氏 方程 的 Vs 和 & [Elo 的 表达 式 相 同 , 但 Bin Ei Ke = K,{1 + TH] + Ki, | (9.36) 这 些 方程 式 需 注 意 下 列 事实 : (a) 对 [Slo [E]o 的 固定 值 , 方 程式 (9.35) 描述 了 一 个 钟 形 曲线 , 曲 线 在 pK;. 和 p 开 2 之 间 的 pH 值 时 pK, 有 最 大 值 。 以 -lg ( 表 观 Ku。) =pK,, 对 pH 作 图 , 所 得 曲线 见 图 9-3, 在 pPH= -1/21lg (K;.X K>.) WY, pK, 为 最 大 值 , 即 反应 的 最 适 生物 化 学 pH {HA (pK;.+pK2) /2。 (b) 因为 在 任何 pH 值 时 , 方 程式 (9.36) 圆 括号 中 的 值 总 大 于 1, 因此, 天 二 之 天 号 (c) H+ 的 浓度 (BD pH) 对 Vsx 没 有 任何 影响 。 (d) 如 果 [H+] >K>., -4 pH BAK (BD [H+] 较 高 ) 时 , 方 程式 (9.35) 变 为 Weakhsn (9.37) 这 个 方程 式 与 将 H+ 作为 抑制 剂 时 的 竞争 性 抑制 方程 式 (229.1) 形式 相同 。 (e) 7E(K pH YT, K,2K2zz> [H"], K,.K.K>,/ [H*], 3H pK,=pK.+pK2. - pH, pK, 对 pH 作 图 得 到 一 条 斜率 为 -1 的 直线 。 在 中 间 pH 范围 内 , 当 K,.> [H+] >K。, 且 天 -社民 , Ht, pK» %t pb 也 帮 图 得 到 全 条 水 平 线 。 所 以 通过 水 平 线 与 两 条 直线 相交 之 点 即 可 估算 出 pKi 和 pK2?。( 图 9-3)。 9 10 11 pH 图 9-3 酶 模式 图 , 图 中 以 -lg (RW K,) =pK, HA“, pH 为 横 坐 tr. AX (9.35) 中 使 用 的 参数 为 K,=10 -ml L 1,Kis=10-4mol 1, 天 元 三 二 §mol.L7! 9.10 酶 抑制 的 机 制 表 9.1 中 给 出 的 方程 式 简单 地 描述 了 酶 的 抑制 行为 , 因 此 这 些 方程 式 可 称 为 现象 方程 。 但 是 , 应 用 Michaelis 和 Menten 对 单一 酶 的 描述 方法 描述 其 基本 机 制 非常 重要 。 这 些 机 制 能 够 解释 抑制 方程 的 形式 。 竞争 性 抑制 欧 争 性 抑制 的 最 简单 模式 为 第 9 章 酶 动力 学 on 中 ky k E+S = ES ~ E+P he F EI 其 中 K,=k-,/k1, ABM SAS ES He RL. 通过 应 用 Briggs 和 Haldane 的 稳 态 分 析 , 可 表示 为 kolLE]oLSlo + caren bt [1] Ri eo ky k_s/ky : i Viel Sly (9 39) eee ATO ; (ee he = + [S]o 竞争 性 抑制 的 方程 式 (9.39) 双 倒 数 形式 为 : Es Sa OEY V0 7 Vv iM ee Z| [Slo Gay 这 个 方程 式 预 测 Lineweaver-Burk 图 的 斜率 将 随 着 抑制 剂 浓度 的 上 升 而 提高 , 但 1/v9 (1MV。,) 轴 上 的 截 距 不 会 改变 。 不 同 浓度 抑制 剂 的 几 个 实验 的 一 系列 图 均 有 相同 的 1/vo 截 距 , 如 图 9-4 (a), 表 明 竞争 性 抑制 不 改变 Vaax。 lzo 0.04 (1) = 4K, I/vg 9.15 -0.04 0.00 0.04 0.08 0.12 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 1[S]。 1/[S]0 (a) (b) 图 9-4 1/v_ Xt 1/ [Slo 所 作 的 Lineweaver-Burk A, (a) 单纯 的 竞争 性 抑制 和 (b) 单纯 的 非 竞 争 性 抑制 非 竞争 性 抑制 和 混合 抑制 非 竞争 性 抑制 和 混合 抑制 的 最 简单 模式 为 I I ky i ay ie - E+S = ES—E+P EI ESI 相应 的 速率 方程 式 为 P16 - 生物 化 学 V maxl Slo (9.41) x(1+ 2). (1+ 2 Jest 如 果 K,~AK',, HERR MFRS ( 表 9.1)。 但 如 果 Kr = 人 7T, 其 结果 就 为 捍 纯 的 非 竞争 性 抑制 。 因 此 , 可 以 看 出 , 从 机 制 角 度 讲 , 单纯 的 非 竞争 性 抑制 是 混合 抑制 的 一 种 特 殊 情 况 。 i 4 GED KA 人 cae (9.42) 这 个 方程 预测 Lineweaver-Burk 图 的 斜率 和 1/ vo 截 距 均 随 抑制 剂 浓 度 的 上 升 而 提高 。 AR Tal ee 度 抑制 剂 的 几 个 实验 的 一 系列 图 的 所 有 1/ [S]o 截 距 见 图 9-4 (b), 表明 单纯 的 非 竞争 性 抑制 不 改变 K mo 反 竞 争 性 抑制 反 竞 争 性 抑制 的 最 简单 模式 为 | ky t k2 E+S = 1 —- E+P ESI 其 相应 的 速率 方程 式 为 Views! Sia v0 = K,, + (Slo(1 + MK) ‘om 在 这 种 情况 下 , 不 同 浓度 抑制 剂 的 几 个 实验 中 1/09 对 1/ [S]u 的 Lineweaver-Burk 图 的 斜率 WYK wal V axl -F4T Ro 9.11 pw 概 说 已 深入 讨论 的 酶 动力 学 被 称 为 米 氏 动力 学 。 因 为 反应 速率 对 底 物 浓度 所 作 的 图 是 一 个 单 纯 的 抢 形 双 曲 线 , 所 以 变换 形式 后 , 以 初始 速度 的 倒数 对 底 物 浓 度 倒 数 所 作 的 图 为 线性 的 。 有 两 个 或 多 个 底 物 参加 的 反应 中 , 当 其 他 底 物 浓度 固定 时 , 对 其 中 一 个 底 物 所 作 的 图 也 为 线 性 的 。 有 很 多 酶 遵守 米 氏 动力 学 , 也 有 许多 酶 并 不 遵守 。 这 些 酶 的 典型 速度 对 底 物 所 作 的 图 为 “S” 状 而 不 是 双 曲 线 , 它 们 被 称 作 控制 酶 或 调节 酶 , 它 们 经 常 位 于 一 个 代谢 途径 的 开始 或 分 支点 。 Hil 9.7 代谢 途径 的 最 简单 的 调节 形式 是 通过 途径 中 的 产物 抑制 酶 的 作用 。 图 9=5 中 ,EI 代 表 | 酶 ,A 和 也 为 代谢 物 , 圆 形 的 负 号 表示 抑制 作用 。 如 果 没 有 影响 A 的 酶 (Ei) 抑制 剂 存在 , 那么 也 的 浓度 只 依赖 于 它 的 合成 及 利用 速率 。 如 果 也 的 利用 速率 下 降 或 忆 由 外 源 提 供 , 它 的 浓度 就 会 上 升 , 也 许 甚 至 能 达到 中 毒 的 水 平 。 但 是 , 如 果 了 是 第 一 个 酶 的 抑制 剂 , 当 了 B 的 浓度 上 升 , 就 会 导致 B 对 EI 抑制 作用 的 提高 , 那 么 也 的 合成 速率 将 下 降 。 这 种 效应 称 为 一 a a a 和 1 第 9 章 酶 动力 学 反馈 抑制 或 负 反馈 控制 , 这 个 概念 也 用 于 描述 电子 电路 。 Hi 9.8 分 支 代 谢 途 径 的 控制 要 复杂 得 多 。 请 看 图 9 -6 的 代谢 模式 。 在 这 里 , 卫 与 C 反应 ,D 是 这 条 途径 较 远 的 产物 。 为 了 最 有 效 地 控制 D,B 应 该 抑制 第 一 个 酶 (Ei) 而 C 应 该 激活 它 。 这 种 情况 下 , 如 果 也 由 外 源 提 供 , 使 B>C, 那 么 也 就 会 抑制 由 人 A 而 来 的 它 自己 的 合 成 ,B 和 C 的 浓度 就 趋向 于 相等 。 图 9-6 而 如 果 C>B,C 将 激活 也 的 产生 , 这 将 同样 导致 B 和 C 浓 度 趋 于 相等 。C 的 激活 作用 通常 是 C 与 也 竞争 Ei 的 同一 个 位 点 的 结果 , 因 此 也 的 抑制 作用 就 降低 。 喀 啶 合成 的 第 一 个 酶 , 天 冬 氨 酸 氨 甲 酰基 转移 酶 在 大 肠 杆 菌 中 即 为 此 类 型 的 控制 (第 15 章 的 例 8.5), 其 中 也 为 CTP,C 为 ATP,D 为 核酸 。 调节 酶 的 动力 学 表现 通常 效应 物 分 子 与 酶 作用 的 底 物 很 少 在 结构 上 相似 , 因 此 , 这 种 控制 并 非 结合 到 活性 位 点 而 是 另外 一 个 位 点 即 变 构 位 点 。 通 过 蛋白 质 的 构象 变化 来 调节 活性 位 点 的 反应 效率 。 如 果 一 个 酶 的 一 个 效应 物 同时 也 为 底 物 , 我 们 把 这 种 调节 称 作 同 促 效应 ; 如 果 是 非 底 物 , 则 称 为 异 促 效应 。 调节 酶 通常 通过 它们 的 动力 学 与 米 氏 动力 学 的 偏差 而 分 辨 出 , 速 度 对 底 物 浓度 所 作 的 图 可 能 为 “S” 型 曲线 或 修饰 的 双 曲 线 [图 9-7 (a)]。 如 果 以 双 倒 数 形 式 (Lineweaver-Burk ) [Slo I (a) vo 对 [S]o 作 图 : (1) S 型 (b) 同样 数据 的 双 倒 数 作 图 。 (Slo (2) 双 曲 线 (3) 表 观 双 曲 线 注意 : RA (2 ) 是 线性 的 ,并 为 双 曲 线 动 力学 ; 而 〈 1 ) 为 止 型 ,( 3 ) 为 凸 型 。 图 9-7 调节 酶 的 可 能 动力 学 表现 5 219 * - 220 - 生物 化 学 作 图 , 所 得 曲线 为 非 线性 图 [图 9-7 (b)]。 一 个 比较 调节 酶 的 很 有 用 的 参数 为 比例 尺 ,: R, = 在 最 大 速度 90% 时 的 底 物 浓度 /在 最 大 速度 10% 时 的 底 物 浓度 (9.44) 对 米 氏 酶 而 言 ,R_ = 81。 对 一 个 “S” 型 曲线 ,R,<81 并 且 酶 与 底 物 表 现 正 协同 性 。 正 协同 性 指 底 物 结合 或 催化 速率 或 二 者 共同 随 着 底 物 浓度 的 提高 而 提高 , 这 上 比 一 个 简单 的 米 氏 酶 提 高 更 多 。 如 果 R_ >81, 酶 与 底 物 表现 为 负 协同 性 。 当 底 物 浓度 提高 时 , 与 一 个 米 氏 酶 浓度 提高 时 相 比 , 底 物 结合 或 催化 效率 提高 较 少 。 Fill 9.9 同 促 和 异 促 效应 均 能 作用 于 结合 有 蛋白。 最 好 的 例子 就 是 血红 有 蛋白 与 0 HHO. —9F 的 0, 结合 到 血红 有 蛋白 上 ,. 与 下 一 分 子 DO? 的 结合 为 正 向 协同 , 所 以 当 O; 的 饱和 度 提 高 , 血 EOYs O, 的 亲和力 就 明显 提高 。 当 以 部 分 饱和 度 对 O; 分 压 〔( 相 当 于 ,O; 浓度 ) FA, F 到 的 曲线 不 是 双 曲 线 而 是 “S” 型 曲线 (图 9-8)。 100 Si PLZ A 3 . Ha 纯 血 红 和 蛋白 = 50 红细胞 0 Pe 局 = 0 10 20 30 40 50 氧 分 压 /torr 图 9-8 血红 蛋白 和 肌 红 蛋白 的 氧 结合 曲线 Atk ee ae P, HARK 42, 3-— RRR (BPG) 降低 了 血红 有 蛋白 四 聚 体 的 全 部 四 个 结合 位 点 对 O, 的 亲和力 (第 5$ 章 )。 另 一 方面 , 肌 肉 的 0O; -结合 蛋白 一 一 肌 红 蛋白 总 一 个 单 亚 基 有 蛋白 质 , 并 不 表现 “S” 型 O, 结合 行为 , 也 不 受 BPG 的 影响 。 协同 性 的 数学 模型 尽管 血红 蛋白 不 是 一 个 酶 , 而 是 一 个 O, -结合 蛋白 , 但 它 的 研究 对 于 我 们 了 解 分 子 协同 性 有 很 大 帮助 。 血 红 蛋 白 的 协同 O, -结合 行为 是 于 1903 年 由 Bohr 提出 的 , 比 酶 的 协同 效应 早 很 多 。 他 为 了 解释 这 种 效应 作 了 许多 努力 。 因 此 , 这 是 一 个 我 们 值得 注意 的 早期 理论 , 即 使 在 今天 它 还 有 重大 意义 。 Hill 方程 式 1909 年,A. V. Hill 提出 了 人 血红 蛋白 (Hb) 和 和 氧 的 结合 可 以 通过 反应 分 子 数 又 +1 摘 述 : Hb + nO, 一 二 Hb(O,), 其 中 ”为 血红 蛋白 分 子 上 的 OO, -结合 位 点 的 数目 。 对 部 分 饱和 度 Y (在 任何 情况 下 结合 位 点 被 0; 占用 的 比例 ) 的 方程 式 为 〈 问 题 5.21 ), 第 9 章 酶 动力 学 K,(pO,)” YY SS Se 9.45 1+ K,( pO)” \ 其 中 pO, HAH (46), K, 是 联合 结合 常数 , 定 义 为 [Hb(CO: ),] [Hb](pO,)” 注意 Y B-+*+ARAE, F0~1 之 间 变 化 ; n 为 Hill AM. n HKAA 2.5, Hill 方程 为 一 条 类 似 于 图 9-8 的 “S” 型 曲线 。?” 不 是 一 个 整数 的 事实 在 Hill 方程 的 数据 分 析 和 机 制 表达 方面 产生 了 一 些 早 期 的 问题 。 这 样 的 问题 导致 了 其 他 机 制 模型 的 发 展 。 Fil 9.10 如 果 Hill FRAP n=1, FRABRAN ABA? 4n=1H, FHA (9.45) 为 矩形 双 曲 线 。 回 想 米 氏 表 达 式 中 , 开 相当 于 (单位 等 于 ) 一 个 解 离 常 数 , 而 像 Hill 方程 式 这 样 的 结合 方程 式 , 通 常 写 为 绩 合 常数 (其 数值 为 相应 的 解 离 常数 的 倒数 ) 。 b a ai K, 一 (9.46) 问题 , 有 可 能 从 实验 数据 确定 Hill FRM K, 和 值 吗 ? 一 重新 整理 方程 式 (9.46), 同 时 将 两 边 取 对 数 , 我 们 得 到 SiR le ao = IgK, + nlgK, + nlg( pO») (9.47) 或 , 一 种 应 用 蛋白 与 底 物 SoH aot Y 的 更 普通 的 方程 式 为 a la es | = Igky + nlglSlo (9.48) 以 方程 式 (9.48) 的 左手 边 对 lg[S]。 所 作 的 图 即 称 为 Hill 图 , 从 图 的 斜率 可 以 估计 出 w, 以 截 距 可 估计 出 有 SP 9.11 对 一 个 酶 反应 而 言 (与 结合 反应 相反 ), 和 初始 速度 vo 由 酶 底 物 复合 物 的 浓度 决定 , 这 时 , 方 程式 (9.48) 为 什么 形式 ? ”部 分 饱和 度 的 单位 对 应 于 Vi, Atte Ig (uo/Vaix- vo) 对 lg [Slo 作 图 可 得 到 Hill BA. RL, 在 应 用 这 种 方法 分 析 数 据 前 , 必 须 得 到 Vsx 的 初始 估计 值 。 Adair 方程 1925 4F, G. S. Adair 推断 血红 蛋白 的 分 子 质量 大 约 是 先前 估计 的 四 倍 。 他 假定 血红 蛋 个 9 缚 合 位 点 , 分 四 步 被 填充 , 如 下 所 示 : Hb+O, 一 一 HbO, HbO, + O, = =Hb(0;)> Hb(O2)2 +O, = =Hb(0;)3 Hb(O,)3 +O. ==Hb(02), 假设 一 个 结合 位 点 位 于 一 个 完全 空 〈 没 有 位 点 被 填充 ) 的 血红 蛋白 分 子 上 上, 那么 这 个 位 点 的 结合 反应 可 通过 缔 合 平衡 常数 Ki = Ri 人 R_1i 而 定性 , 其 中 &7/ 和 大 -1 分 别 为 正 反应 和 逆反 应 的 单一 速率 常数 。 因 为 这 个 常数 仅 指 一 个 位 点 , 所 以 被 称 为 内 部 常数 。 总 体 或 外 部 结合 数 与 所 有 四 个 结合 位 点 相关 , 因 此 有 4K, 值 。 针 对 其 他 三 个 位 点 的 外 部 结合 常数 也 可 用 内 部 结合 常数 和 它们 所 谓 的 统计 因子 3/2K;、2/3K3 和 1/4K4 来 表示 。 因 此 , 四 个 位 点 的 “2 «222: 。 Adair 结合 函数 Y 可 表达 为 : 充 的 结合 位 点 的 数量 (或 ”被 填 外 (9.49) Y = 结合 位 点 的 总 量 (或 摩尔 浓度 ) KiI[X] + 3KIK2[X] 上 3KIK2Ks[X] + KIK2KsK4LX] (9 50) ~ 14 4K,[X] + 6K, Ko[X/? + 4K,K2K3[X)° + KiK2K3K4[X]* 其 中 在 血红 蛋白 结合 的 特殊 情况 下 ,[X] = p02. Pil 9.12 估计 内 部 结合 常数 也 可 通过 如 下 所 示 的 另 一 种 方法 。 实 验 测 量 一 个 聚合 蛋白 或 酶 的 每 个 位 点 的 结合 常数 将 依赖 于 每 一 个 分 子 有 效 位 点 的 数目 , 如 , 血 红 有 蛋白 四 聚 体 的 第 一 个 结合 反 应 为 Hb + 0; HBO; 血红 有 蛋白 有 四 个 位 点 可 以 结合 O;, 但 结合 的 O, 只 能 从 其 中 一 个 位 点 上 解 离 。 Ath, REM 量 作用 定律 ,( 全 部 ) 外 部 平衡 常数 等 于 44/R_1=4Ki。 与 之 相似 , 开 8 所 代表 的 外 部 常数 等 于 3/2K,, 开 ,为 内 部 常数 。 因 为 相同 的 原因 ,K3=2/3K3 和 K3=1/4K4。 WG: 如 果 血 红 蛋 白 四 聚 体 有 四 个 完全 相同 的 没有 相互 作用 的 结合 位 点 , 内 部 结合 常数 的 相对 值 为 多 少 ? 它们 全 部 相等 , 即 K; = K; = 人 3 = 天 4。 因 此 , 在 这 种 情况 下 位 点 之 间 没 有 协同 性 〈 见 例 9.13)。 如 果 每 一 个 结合 步骤 促进 了 下 一 个 步骤 的 进行 , 即 Ki < K2< K3 K2”) 数目 的 变化 效应 。 (c) 当 工 =1000 和 )7=4 时 ,KT/KR 比率 ec 的 变化 效应 Shi 9.14 由 方程 式 (9.59) 决定 的 饱和 度 曲 线 的 形状 依赖 于 工 和 c Hh, wRL=0, FARH T 形 式 将 不 存在 ,Y= KR [X] / (1+ KR [X])。 这 是 一 个 双 曲 线 结合 函数 。 如 果 工 = oo, 则 Y=KT [X] / (1+KT [X])。 因 此 , 双 曲线 结合 曲线 的 偏离 仅 发 生 于 及 和 人工 形式 共同 存在 的 情况 下 , 否 则 , 例 9.13 的 Adair 方程 式 所 描述 的 情况 将 适用 , 因 为 每 一 个 位 点 的 结 合 是 独立 并 完全 相等 的 。 HF 例 9.15 除非 c=0, 并 不 能 明确 方程 式 (9.59) 或 (9.58) A “S” WR, n=4 的 情况 下 (1+ Kel X])°KpLX] TAPS + KplX])* iii Ast, ¥ [X] 很 大 并 且 KR [X] >L, LRT LETH, Y= KE weeny R 结合 方程 式 。 当 [X] GRR, LRRD, 4 [X] 一 0 时 , 结 合 曲线 的 斜率 接近 于 第 9 章 酶 动力 学 - 225° a, 与 双 曲 线 的 斜率 相反 , 它 接近 于 Karo KMFRAHP ae AYE ott elas ¥s [xj diy X Leon (L +1) 当下 远 远大 于 1 时 , 这 条 曲线 肯定 为 “S” 型 曲线 。 当 二 无限 大 时 , 曲 线 的 初始 斜率 为 0。 (9.61) 异 促 效应 的 MWC 模型 前 一 部 分 的 MWC 模型 只 解释 了 同 促 效应 , 例 如 , 血 红 和 蛋白 结合 O0,, 但 异 促 效应 经 常 在 调节 酶 中 观察 到 。 为 了 将 这 些 效应 与 MWC 模型 结合 , 我 们 必 须 介 绍 第 二 个 配 体 与 R 态 KTS (或 与 二 者 同时 ) 的 结合 。 我 们 考虑 一 个 简化 的 模型 , 假 设 底 物 X ( 配 体 ) 只 与 R 态 结 合 。 与 另 一 个 配 体 A 的 结 合 将 使 酶 活化 , 这 样 肯定 促进 了 平衡 在 R 态 和 T 态 之 间 改 变 , 使 平衡 更 偏向 于 R 态 。 因 此 一 个 激活 剂 肯定 与 R 态 结合 , 同 样 的 原因 , 一 个 抑制 剂 肯定 与 T 态 结合 , 从 而 导致 酶 向 非 激活 状态 变化 。 与 前 一 部 分 应 用 相似 的 多 平衡 分 析 , 可 以 得 到 Y 的 表达 式 : Pie) uae Co 其 中 = Kel X],8=K[1],y=KalA]M L=[T,]/[R,]. L1+B)"/1+ y)" RUHR ARM, SCHON, HER (9.62) 恢复 到 一 个 双 曲 线 结合 函数 。 很 显然 , 如 果 激 活 剂 项 y 上 升 , 变 构 系 数 将 下 降 , 因 此 , 就 使 函数 变 得 更 加 趋 于 双 曲 线形 〈 见 例 9.15$)。 而 抑制 剂 浓 度 提 高 , 将 提高 抑制 作用 项 (B), 因 此 变 构 系数 也 将 提高 , 这 样 就 使 曲线 更 加 “S” 形 。 上 述 效应 请 见 图 9 - 10。 1.0 Y= (9.62) 0.5 0 2 4 6 8 a 图 9-10 当 正 和 负 蜡 促 效应 物 存 在 时 , 一 个 MWC 变 构 酶 的 动态 变化 。 方 程 式 (9.62) 中 的 激活 剂 y 导致 双 曲 线 变 得 更 加 弯曲 , 而 抑制 剂 (B) 使 曲线 更 加 “S” 型 。 上 图 是 当 工 =1000 和 允 =4 时 , 由 方程 式 (9.62) 所 得 的 曲线 Koshland、Nemethy 和 Filmer 模型 (KNF 模型 ) MWC 模型 在 描述 一 个 守 聚 蛋白 质 负 协同 同 促 效 应 和 蜡 促 效应 的 结合 函数 的 失败 使 Koshland 等 人 (1966 年 ) 发 展 了 一 个 关于 协同 性 的 更 普通 的 模型 。1958 年 Koshland 的 关于 Ne 生物 化 学 酶 专 一 性 的 诱导 契合 假说 扩展 了 Fischer 的 锁匙 概念 。Koshland 认为 底 物 结合 到 酶 上 引起 所 催化 的 反应 基 团 正确 的 三 维 排列 。 这 个 抽象 的 概念 在 关于 守 聚 协同 酶 的 KNF 模型 中 得 以 扩 展 , 在 这 种 情况 下 , 构 象 的 变化 通过 底 物 结合 到 一 个 原 聚 体 (WH) 上 而 被 诱导 〈 与 之 相 反 ,MAWC 模型 认为 无 论 底 物 结合 与 否 , 亚 基 之 间 的 平衡 均 存在 )。 原 聚 体 中 的 构象 变化 被 传输 到 相 邻 的 原 聚 体 上 以 影响 它们 的 结合 和 催化 性 质 。 这 个 基本 思想 能 同时 解释 负 协 同性 和 正 协同 性 。 但 是 , 这 个 模型 的 细节 这 里 不 再 讨论 。 问题 解答 导言 和 定义 9.1 应 用 质量 作用 的 原则 写 出 下 列 反应 速率 的 表达 式 : (a) A—>P (b) ASP (c) At B—>p k (d) A+B=—P = 一 上 k (ec) At+B=—=P+Q+R =) 答 : (b) HAL. -Ai[A]+A-i[P] a --— d[ A} at d[P]___a[A] (c) a. ki [A][B] See as (4) GLAL_ alBl_ _, [alte] +e-1[P] ee (e) HAl dB -= -和 [A][B]+&-iTP]LQ]IR] d{P]_d{[Q]_d[R]__ d[A] dt dt dt dt 9.2 问题 9.1 中 每 一 个 反应 的 动力 学 级 数 是 什么 ? a: 反应 (a) 和 (b) 是 一 级 , 其 中 (b) 的 两 个 方向 均 是 ; RM (c) 和 (d) HEMRD (从 左 到 右 ) 为 二 级 ,(d) 的 逆向 反应 为 一 级 ; (ec) 的 正 向 反应 为 二 级 , 而 逆向 反应 为 三 级 。 注 : 对 于 非 催化 反应 , 所 给 定 的 反应 分 子 数 和 级 数 一 样 。 但 是 , 一 个 三 分 子 的 反应 , RR (e) 那样 的 反应 是 不 太 可 能 发 生 的 。 更 经 常 发 生 的 是 两 个 反应 物 之 间 相 互 作用 后 再 与 第 三 个 反应 物 发 生 反 应 。 这 在 顺序 上 相当 于 两 个 二 级 反应 。 9.3 问题 9.1 中 各 反应 模式 速率 常数 的 单位 是 什么 ? 答 (a) ki: ss; (b) ky #1 R-1: ss-1 (c) 有 mol 1LS- 1 (d) 大 IO k-1: s ‘3 (e) ki: mol 4Ls-!, fa k-1: mol 7L’s"}, 9.4 #9.2 中 的 数据 由 一 个 反应 的 速率 得 到 , 这 个 反应 的 化 学 计量 为 cA+ bB>pP; KE 率 是 由 不 同 浓度 的 A 和 了 B 决 定 。 请 确定 反应 的 级 数 , 即 估计 a Ho 的 值 。 YN a: 第 9 章 酶 动力 学 反应 的 级 数 是 一 个 由 实验 确定 的 参数 , 得 到 它 最 简单 的 方法 为 测定 一 个 反应 物 浓度 变 化 的 初始 反应 速率 。 接着 以 一 个 反应 物 的 jg- (速率 ) 对 lg ORE) 作 图 , 如 果 控 制 其 他 反应 物 为 常量 , 就 得 到 一 条 和 斜率 等 于 级 数 的 直线 。 如 果 所 有 反应 物 的 浓度 以 固定 比例 变化 , 那 么 所 得 直线 斜率 为 整体 反应 级 数 。 如 果 只 有 一 个 反应 物 浓度 变化 , 级 数 就 仅 指 这 个 反应 物 的 级 数 。 因 此 , 应 用 表 9.2 的 数据 , 以 lg (对 角 线 单元 ) 对 lg (KE) 所 作 的 图 见 图 和 天 sl (a)o 9.2 反应 级 数 数 据 : zo/ (mmolL's ') [A]o/ (mmolL 1) 10 20 50 100 10 v2 2.0 2.8 3.9 [Blo 20 2.6 4.0 5.9 7.9 / (mmolL 1) 50 6.5 8.8 14.5 19.8 100 12.5 17.9 29.0 40.5 图 9-11 (a) 的 斜率 为 于 .$, 它 为 整体 反应 的 级 数 。[ 图 9-11 (b) 和 (c)] 为 四 个 级 数 的 一 系列 图 , 它 们 分 别 是 从 变化 的 [Al 和 固定 的 [Blo 及 相反 的 情况 下 而 得 到 的 。 从 这 些 图 的 斜率 , 我 们 可 以 看 出 A 的 级 数 a 等 于 1/2,B 的 级 数 b 等 于 1。 10 [Bo SN 0 1 2 0 1 2 lg ([Alo = [B]o) lg [Alo (a) (b) 2 100 50 a 20 = 1 10 [Alo 0 l 2 lg [Blo 图 9-11 反应 级 数 图 + 228: 生物 化 学 酶 反应 速率 依赖 于 底 物 浓度 9.5 应 用 米 氏 方程 完成 酶 动力 学 数据 集合 ; K, CHA lmmolL 1。 [S]o/ (mmolL~!) vo/ (pmolL lmin 7) 0.5 | 50 1.0 oa 2.0 一 3.0 = 10.0 = 答 应 用 方程 式 (9.5) 和 表 中 的 第 一 项 得 到 Vs= 150mmolL lmin :。 其 他 结果 就 可 简 单 地 将 [Slo 值 带 入 方程 式 (9.5) 中 , 结 果 请 见 下 。 [S]o/ (mmolL~') vo/ (pmolL -imin-1) 0.5 50 1.0 75 2.0 100 3.0 ; 112.5 10.0 136.4 9.6 己 糖 激酶 在 ATP 存在 的 条 件 下 , 催 化 葡萄 糖 和 果糖 的 磷酸 化 作用 。 但 葡萄 糖 的 KW 0.13mmolL “, 而 果糖 的 为 1.3mmolL :。 假 设 葡 萄 糖 和 果糖 的 Vs 一 样 , 并 且 己 糖 激酶 展现 了 双 曲 线 动 力学 [方程式 (9.5)]。 (a) 当 底 物 [S] 分 别 为 0.13、1.3 和 13.0mmolL “时 标准 化 的 反应 初始 速度 (BM wo/ Vinax)o (b) 已 糖 激酶 对 哪 一 个 底 物 的 | 亲和力 更 大 ? 答 (=) (a) MW vo/ Vinx iD FA 0.5, 0.91 和 0.99; HHH AFI H 0.091, 0.5 和 0.91. (b) WH. SERKRH, RMREH VI WREXK. Ky 和 Vaax 的 图 解 求 值 9.7 一 个 固定 量 的 酶 溶液 加 到 含有 不 同 底 物 浓度 的 一 系列 反应 混合 物 中 , 初 始 速率 可 通过 产物 生成 的 进行 曲线 的 初始 斜率 得 到 。 表 9.3 为 取得 的 数据 , 表 9.3 稳 态 酶 动力 学 数据 [S]o/ (mmolL -1) vo/ (mmolL -lmin 1) 0.1 0.27 2.0 5.0 10.0 20 20.0 40 40.0 64 60.0 80 100.0 100 200.0 120 1 000.0 150 2 000.0 155 HOR 酶 动力 学 . 229 , (a) 酶 反应 混合 物 的 Vsx 为 多 少 ? (b) 对 底 物 的 酶 的 玉 。 为 多 少 ? 答 : 我 们 可 以 应 用 Lineweaver-Burk 方程 。 在 此 , 表 9.3 中 的 变量 的 倒数 肯定 可 以 计算 出 , 并 且 能 够 作成 图 9-12 那 样 的 图 。( 忽 略图 9-12 中 的 星 号 , 它 们 针对 问题 9.9。) (a) 从 倒数 图 的 纵 坐 标的 截 距 可 得 到 了 =160mmolL lmin- 1。(b) 从 鲁 数 图 的 横 坐 标 截 距 可 得 到 K,,=60umolL |, 9.8 为 酶 动力 学 实验 设计 的 关键 因素 之 一 就 是 选择 正确 的 底 物 浓度 。 在 图 9- 12 的 基础 上 , 底 物 浓度 的 最 适 变 化 范围 是 多 少 ? 50 40 E : 学 x > -40 -20 0 20 40 60 80 100 1/{S}oA10~? x pmol ~! L) 图 9-12 除了 前 两 对 数据 外 表 9.3 中 其 他 数据 的 Linweaver-Burk 图 ( 星 号 指 问题 9.9) 答 , 最 有 用 的 浓度 是 在 开 。 周围 的 浓度 。 事 实 上 , 粗 略 地 估计 , 有 用 的 浓度 在 1/S 到 5K, 范围 , 在 这 个 范围 ,zo 将 在 0.17 到 0.83 EN VinxZ Rt. MAIER, vo ‘oe 浓度 比 在 最 低 浓 度 高 S 倍 。 如 果 初 始 浓度 很 低 , 速 度 ey poe Ae Fe AAYt= 时 , 反 应 进行 曲线 时 非 线 性 的 。 9.9 对 于 问题 9.7 中 描述 的 酶 动力 学 实验 , 得 到 两 个 其 他 的 数据 对 : [S]o =50umolL™?, v9 = 60umolL min ') 和 ( [S]o=150pmolL’, v9 ='80pumolL ‘min™'). 以 整个 数据 集 画 一 个 Lineweaver-Burk 图 。 与 问题 9.7 的 结果 不 同 , 现 在 的 玉 。 和 Vs, 估计 为 多 少 ? 答 : 图 9-12 中 以 星 号 代表 的 点 为 新 点 。 它 们 使 V 和 开 。 的 估计 值 更 小 , 分 别 大 约 为 25umolL :min 1 和 10umolL~'min™', 酶 抑制 9.10 对 一 个 单一 底 物 酶 促 反 应 的 抑制 剂 工 的 影响 进行 研究 并 得 到 以 下 结果 , > 230- 生物 化 学 抑制 剂 浓度 / (mmolL~') 底 物 浓度 [S]o/ (mmolL :) 0 0.5 1.0 反应 速率 vo/ (mmolL :min 1) 0.05 0.33 0.20 0.14 0.10 0.50 0.33 0.25 0.20 0.67 0.50 0.40 0.40 0.80 0.67 0.57 0.50 0.83 0.71 0.63 (a) 抑制 剂 作用 的 模型 是 什么 ?” (b) 估算 Vsx 和 Km 的 值 及 反应 的 抑制 常数 。 答 ; (a) 推断 出 抑制 剂 作用 模型 的 最 简单 的 方法 是 对 每 一 个 抑制 剂 浓度 〈 图 9=13) 的 1/ vo 11/[S]o 作 图 。 (1)/(mmol L~!) nn 1/v9 / ((umol L~! min~')~ -10 0 10 20 LISlo(mmol-1L) 9-13 抑制 效应 的 Lineweaver-Burk 图 针对 单纯 的 竞争 性 抑制 的 方程 式 (9.40) 预测 出 Lineweaver-Burk 图 的 斜率 将 随 抑制 剂 浓度 的 变化 而 变化 , 但 1/u 轴 的 截 距 (LVaax) 并 不 变化 。 因 此 ,上述 数 据 与 抑 制剂 (I) 作为 单纯 的 竞争 性 抑制 剂 一 致 。 (b) 从 1/vo 轴 的 截 距 ;可 以 估计 出 Vss。 我 们 从 上 面 的 方程 式 注 意 到 图 的 斜率 (SI) 为 ra SI=T [1T+ 六 因此 , 当 将 斜率 作为 [I] 的 函数 作 图 , 我 们 的 到 了 图 9-14 的 结果 。 第 二 个 图 上 的 横 坐 标的 截 距 为 ~- KL; 因此 K; 可 被 估计 为 0.SmmolL- 1。 纵 坐标 的 截 BEA Ke! Vinaxs AA Vinax 30, PUL Kp Wt 0.1mmolL 1。 针对 表 9.1 的 酶 抑制 作用 的 四 种 类 型 , 推导 Lineweaver-Burk 方程 式 并 画 出 原型 图 。 tk os 为 了 得 到 Lineweaver-Burk 方 程式 , 我 们 通过 简单 地 将 表 .9.1 中 vo FA [Slo 的 函数 | max 第 9 章 酶 动力 学 1.0 [mmolL-) 图 9-14 的 方程 式 两 边 同 时 取 倒 数 而 进行 。 相 应 的 1/vo 对 1/[Sjo FA, 4 [I] 变化 时 , 图 的 斜率 或 截 距 或 二 者 同时 发 生变 化 。 单 纯 的 非 竞争 性 抑制 显示 直线 在 横 坐 标 上 相交 。 竞争 性 抑制 的 直线 在 纵 坐 标 上 相交 。 反 或 对 竞争 性 抑制 的 直线 相 平行 。 对 混合 抑制 而 » = By 当 [I] 值 不 同时 , 斜率 和 轴 的 截 距 均 不 同 。 ILA o= 35, 1/v9 1/9 (I) i] 0 1/{S]o 0 1/[So (a) “单纯 非 竞争 性 (b) ”竞争 性 1/v9 1/vo ” 站 0 1/[S]o 0 1/[S]o (c)” 反 竞争 性 (@) 混 合 图 9-15 各 种 类 型 酶 抑制 剂 的 Lineweaver-Burk 图 。 箭 头 方向 为 [I] 增加 的 方向 9.12 假设 顺序 的 Bi Bi 反应 为 ( 例 9.6): A+B rt 当 A 的 浓度 变化 并 了 或 Q 是 抑制 剂 时 , 指 出 将 获得 的 抑制 作用 模式 。 生物 化 学 答 , 我 们 有 四 种 情况 考虑 。 不 同 抑制 剂 浓度 及 下 列 条 件 的 影响 为 : (1) [A] 变化 ; [B] AX, Fam; PAM el FH (2) [A] 变化 ; [B] 确定 , 饱 和 ; P 为 抑制 齐 (3) [A] 变化 ; [B] AX, Fate; Q 为 抑制 齐 (4) [A] 变化 ; [B] 确定 , 饱 和 ; Q 为 抑制 齐 在 各 种 抑制 剂 浓度 情况 下 , 按 照 1/uo 对 1/ [RW] 所 作 的 图 就 能 够 很 方便 考虑 抑制 模型 。 变 化 的 抑制 剂 也 许 只 能 影响 竞争 性 抑制 图 的 斜率 、 非 竞争 性 或 混合 抑制 的 斜率 和 截 距 或 反 竞争 性 抑制 的 截 距 。 抑 制 模型 可 从 下 述 所 谓 的 Cleland 规则 预测 : (a) 当 抑 制剂 和 变化 的 底 物 结合 到 相同 形式 的 酶 , 或 不 同形 式 的 酶 但 相互 之 间 平 衡 , 在 这 样 的 情况 下 , 可 获得 竟 争 性 抑制 。 (b) 当 抑 制剂 和 变化 的 底 物 结合 到 不 同形 式 的 酶 上 , 这 些 酶 通过 可 逆 互 变 的 形式 而 连 接 , 这 种 情况 下 可 得 到 非 竞争 性 抑制 或 混合 抑制 。 (c) 当 抑 制剂 和 底 物 结合 到 不 同形 式 的 酶 上 , 这 些 酶 通过 不 可 逆 互 变 的 形式 而 连接 , 这 种 情况 下 , 可 获得 对 或 反 竞 争 性 抑制 。 上 述 反 应 的 全 部 可 写 为 : kA Bc k2B | EAB) &3 . kg F k k-2 EPQ k-3P 2 Ting 情况 1 (变化 的 [A]、 不 饱和 [B]、P 为 抑制 剂 ), 从 上 面 原则 的 (b) TH, 4 OP A 和 了 结合 到 不 同形 式 的 酶 上 (分 别 为 下 和 EQ), 而 酶 以 可 逆 互 变形 式 连接 , 获 得 F 的 为 非 竞争 性 或 混合 抑制 。 i | 情况 2 (变化 的 [A]、 饱 和 [B]、P 为 抑制 剂 ): 在 这 种 情况 下 ,正和 EQHE 接 不 可 逆 (因为 也 现在 处 于 饱和 水 平 ); 因此 , 从 上 面 原 则 的 (c) 六 可 知 , 将 获得 的 为 , 反 竞 争 性 抑制 。 情况 3 (变化 的 [A]、 不 饱和 [B]、Q 为 抑制 剂 ): A 和 Q 均 与 酶 的 相同 形式 , (E) 结合 ; 因此 , 从 上 面 原 则 的 (a) 可 知 , 获 得 的 为 竞争 性 抑制 。 情况 4 (变化 的 [A]、 饱 和 [BJ], QAM): 尽管 EA 和 下 AB 的 相互 作用 不 7H, 24 [B] 饱和 时 将 EAB 形成 的 方向 进行 , 而 A 和 Q 仍 与 酶 的 相同 形式 结合 ; 因此 , 从 上 面 原 则 的 (a) 可 知 , 获 得 的 为 竞争 性 抑制 。 在 酶 促 反 应 中 建立 抑制 模型 通常 是 阐明 反应 机 制 的 重要 步骤 。 这 些 数 据 表 达 中 的 一 个 复杂 情况 是 可 能 形成 死 端 复合 物 ( 即 上 述 模型 中 EAP 复合 物 的 形成 )。 这 在 快速 平衡 反应 中 特别 重要 [ 除 重 要 的 异 构 化 步骤 〈( 上 面 例子 中 的 EAB 和 EPQ) 外 的 其 他 所 有 步骤 的 速率 常数 均 很 大 ]。 pH 对 酶 反应 速率 的 影响 9.13 假设 酶 对 一 个 中 性 底 物 的 水 解 有 活性 , 其 活性 在 一 个 很 宽 的 pH 范围 即 pH6 到 pH8 不 受 影响 。 但 是 , 对 一 个 变换 的 含有 咪唑 基 团 的 底 物 , 它 则 显示 出 很 窄 的 pH 活性 。 当 酶 量 不 变 , 在 5 个 不 同 pH 值 , 使 用 了 10 个 不 同 的 底 物 浓度 作 了 50 个 试验 。 对 于 每 一 个 pDH, 都 给 出 了 酶 的 线性 Lineweaver-Burk 图 , 并 且 所 估计 的 K。 和 Vmax 但 如 下 所 示 : 第 9 章 酶 动力 学 pH K,,/ (mmolL 1) Vinax/ (mmolL :min- 1) 8.0 Ail ib) hee 1-23 80 7.0 2.0 77 6.5 4.2 83 6.0 1 .0 75 (a) 描述 变化 的 pH 对 Ky, A Vinx. (b) 与 不 带电 荷 底 物 作用 的 酶 的 活性 在 pH6~8 范围 内 很 少 随 pH 的 变化 而 变化 , 其 重要 意义 是 什么 ? (c) 提出 一 个 与 上 述 结果 一 致 的 反应 模型 。(d) 计算 H*- 反 应 复合 物 的 相关 解 离 常数 。 答 : (a) 从 数据 可 明显 看 出 ,V ,不随 pH 变化 的 实验 错误 。 相 反 , 开 ,。 对 pH 是 强 依赖 性 的 ,在 高 pPH 下 酶 与 底 物 有 最 高 的 亲和力 。 (b) 如 果 酶 促 反 应 速率 对 pH 不 敏感 , 这 说 明 缺 乏 离子 化 基 团 参与 结合 、 催 化 或 二 者 共同 的 过 程 。 这 就 是 有 酶 的 情况 。 离 子 化 底 物 反 应 速率 依赖 于 pH 的 事实 说 明 底 物 的 离子 化 影响 反应 速率 。 (c) 鉴于 上 述 陈 述 , 一 个 可 能 的 反应 模型 为 S+ EES SE +P K | iH (d) 相应 的 速率 表达 式 为 二 V col Sip A x1 +t [si 在 低 pH- 时 盖 这 个 方程 式 与 方程 式 (9:35) -形式 相同 , 即 方程 式 (9.37), RNAA Vinx X pH 的 影响 ”但 Ki = 开 。(1+ [H*] /K,). LRP RRE KP 对 [H*] HA, HHA K,/K,, REA K,. Alt, K,=10 ’molL!, K,,=1.0mmolL'. SLB 9-16. K*?°/(mmol L~') -20 0 20 40 60 - 80 100 [H+]/108 x mol L~') 图 9-16 “283 * +234 . 生物 化 学 画 出 一 个 参与 游离 酶 而 非 底 物 离子 化 的 反应 模型 。 推 导 与 问题 9.13 (d) 相似 的 相应 的 速率 方程 式 。 答 a: 方程 式 为 als Vimeo 1+ HED) sts) 这 个 方程 式 在 低 pH 时 也 与 方程 式 (9.35) 的 形式 相同 , 并 且 与 上 面 的 问题 9.13 的 形式 相同 。 因 此 , 在 pH 依赖 性 的 基础 上 不 可 能 辨别 现 有 模型 《游离 醇 的 离子 化 ) 和 游离 底 物 的 离子 化 模型 。 v0 调节 酶 9.15 9.16 图 9-17 的 反应 模型 描述 了 细菌 球形 红 假 单 胞 菌 从 天 冬 氨 酸 〈A) 合成 异 亮 氨 酸 (E) 的 反应 模型 。 这 种 控制 称 为 顺序 反馈 控制 。 请 描述 这 个 代谢 控制 体系 的 操作 过 程 。 /这 E 低 了 通过 酶 3 (高 丝氨酸 脱 氢 酶 ) 生成 的 C (高 丝氨酸 ) HEF. B(KAA ARTE) 的 浓度 上 升 又 反 过 来 抑制 了 El (天 冬 氢 酸 激酶 ) 的 作用 。 困 此 , 很 明显 为 什么 将 这 个 控制 体系 称 为 负 反 馈 网 络 或 顺序 反馈 体系 。 图 9-17 在 肝脏 中 的 磷酸 果糖 激酶 中 ,ATP、ADP 和 柠檬 酸 是 反应 速率 的 效应 物 〈 见 图 9-18)。 确 定 这 些 效应 物 的 类 型 。 答 , 1.ATP: 负 同 促 效 应 物 2. 柠 模 酸 : 负 异 促 效应 物 3.ADP: 正 异 促 效应 物 ATP 产生 负 反 馈 控 制 〈 与 例 9.7 相 反 ), 而 ADP 产 生 正 反馈 控制 。 描述 分 别 表现 与 底 物 结合 的 协同 性 、 非 协同 性 和 负 协 同性 的 酶 的 1/vo 对 1/ [S]o HH 线 的 形状 。 /让 es 在 1/vo 对 1/ [S]e 所 作 的 图 中 , 直 线 的 斜率 与 K, 成 正比 。 在 正 协 同性 的 情况 下 , FE ( 异 亮 氨 酸 ) 的 过 量 产生 抑制 了 E6 (RARMAM), MED (HAR) HEAR ROR 酶 动力 学 FF RR 果糖 -6- RR 图 9-18 酶 与 底 物 的 亲和力 增加 , 因 此 , 当 [Sl EA (或 1/[S]o) H, Ki 降低 。 因 此 , 1/ vo 11/[Slo 所 作 的 图 的 斜率 将 随 着 1/[S]o 的 降低 而 降低 [图 9-19(a)]。 在 非 协同 性 的 情况 下 , 酶 对 底 物 的 亲和力 及 天 m 随 着 [S]o 的 变化 保持 不 变 。 因 此 ,1/zo 对 JS]o 所 作 的 图 的 斜率 将 保持 恒定 [图 9-19(b)]。 ”在 负 协 同性 的 情况 下 , 酶 对 底 物 的 亲和力 随 着 [Sh 的 提高 而 降低 , 因 此 , 天 。 随 [Sjo 的 提高 而 提高 。 因 此 ,1l/vo 对 1V[Sje 所 作 的 图 的 斜率 将 随 1/[S]o 的 降低 而 提高 。 1/% 1/U9 0 {Sb 0 7 1/1Slo 0 1/1S]o (a) 正 协 同 酶 (b) 非 协 同 酶 (c) 负 协 间 酶 图 9-19 9.18 证 明 对 于 一 个 米 氏 酶 , 方 程式 (9.44) 中 的 R, 等 于 81。 答 : 速率 方程 式 为 (mM lsh ated Kw + [Slo 如 以 [Sl 表达 , 方 程式 变形 为 : vopKm 人 wep — 0.9-V pax Km (Vina 0-1 Vine) (0.9)(0.9) ‘= 0.1VL&.(V_.. —0.9V.) -200.1)(0.1) 9.19 如 果 一 个 溶液 含有 等 量 的 一 个 酶 的 两 种 同 工 酶 (用 凝 胶 电 泳 确定 ), 而 且 它 们 的 相等 , 但 底 物 的 K,, 分 别 为 1ImmolL 上 和 0.1mmolL 1, 请 解释 Lineweaver-Burk 图 的 初始 速度 数据 特征 , 这 些 数据 是 由 0.02 到 SmmolL -1! 变 化 的 九 个 底 物 浓度 得 到 的 。 ee oy 一 个 理想 的 数据 集 产生 于 这 本 表达 式 : [Slo = = 81 “255° 236 . 生物 化 学 1[Sj]。 1[Sj。 SS He [S]o= (0.02, --, 5] mmolk 4, V,,,=1 (£82) [So 1/ [Slo vo 1/ v9 / (mmolL~!) / ( (mmolL7!) 74] / (任意 单位 ) / [ (任意 单位 )-!] 0.020 50.0 0.19 5.3 0.025 40.0 0.22 4.5 0.04 25.0 0.32 3.1 0.10 10.0 0.59 1.7 0.20 5.0 0.83 1.2 0.50 2.0 1.17 0.85 , 1.00 1.0 1.41 0.71 2.00 0.5 1.63 0.61 5.0 0.2 1.82 . 0.55 Lineweaver-Burk 图 显示 于 图 9-20。 1/uo 人 任意 单位 ) L/[Sljo/(mmol-!L) 9-20 两 个 矩形 双 曲 线 之 和 的 Lineweave-Burk 图 ; V inaxl = Vinx =1, Km =1.0mmolL~!, K,»=0.1mmolL~!, 注意 图 9-20 的 曲线 从 右 向 左 向 下 弯曲 。 这 与 负 协 同性 [MB 9-19 (c)] 的 效应 相 同 。 换 句 话 说, 这 样 的 弯曲 并 非 控 制 酶 的 特征 , 但 能 够 简单 地 从 一 个 同 工 酶 的 混合 物 中 出 现 。 9.20 推导 Hill FERWE (9.45). Te MAX (9.46) K, 的 定义 看 , 血 红 蛋 白 - O, 复合 物 的 浓度 为 LHb(O:),] = K,[Hb](pO,)” BA WAR 了 为 _ Hb(O,), 的 浓度 血红 蛋白 总 浓度 _ _K,[Hb](pO,)” 一 一 [Hb] + K,(pQ,)” | 将 分 子 和 分 母 同时 消去 [Hb] 即 产生 了 Hill 方程 式 , 9.21 9.22 HOG 酶 动力 学 -237- 2 Ky( pO)” 1+ K,(pO,)” 证 明 当 ”>1 时 ,Hill 方程 式 与 一 个 正 协同 性 结合 或 酶 体系 相 一 致 。 答 : 对 于 一 个 酶 , 将 Hill 方程 式 进行 重新 整理 , 得 到 voKm 1/n US Jo ie Lenn ~ Vo 从 问题 9.18 已 知 R,= (81)"", wR n>1, WR <81, KBI1 部 分 即 在 “调节 酶 的 动力 学 行为 ”中 的 定义 , 酶 为 正 协同 性 。 调节 酶 催化 的 反应 初始 速度 由 下 列 范围 的 初始 浓度 的 底 物 决 定 : [S]o/ (mmolL 1) vo/ (mmolL -lmin 1) 0.1 1.6x10~* 0.3 DO 0.5 4.0x10~? 1.0 1.6107? 3.0 0.14 5.0 0.39 10.0 1.45 100.0 14.6 500.0 15.9 ~ 1000.0 16.0 确定 Hill AMA AM K,,. ® ; (RR, Vina 16.0mmolL™'min™', H #4 [Slo HW 500 1000mmolL™! Ht AY vp 很 接近 , 因 此 , 在 这 样 高 的 底 物 浓度 时 酶 几乎 为 饱和 状态 。 如 果 我 们 假设 ViaKtE 这 个 值 , 并 且 应 用 例 9.11 的 表达 式 , 我 们 可 以 建立 将 [Sl 以 摩尔 浓度 表示 的 下 表 。 当 ?=2 和 天 。=1lmmolL ! 时 , 利 用 此 表 中 的 数据 可 得 到 图 9-21, 其 斜率 为 如, 纵 坐 标的 截 距 为 lg (1/ 开 。)。, a 说 二 | lg [S]。 二 和 一 4.00 一 4.06 + See [4,60 = 和 -30 390 —3.00 =2.05 =. oe =a 260 bs BO =a: 00 = 2200 1.02 — 1.00 +. + 2.20 10.50 二 0.00 - 238 - 9.25 9.24 生物 化 学 lg [Slo 图 9-21 当 内 部 结合 常数 KT/KR=c 等 于 1 时 ,MWC 方 程式 (9.$9) 将 为 什么 形式 ? pe 方程 式 变 为 Y= afte a 4a tae (1+a)"+L(1+ a)” 将 分 子 和 分 母 分 别提 取 公 因 式 (1+a)”- :和 (1+a)", RNA you ei te L)Gbtag)*Th te KrlX] (+ L)(1 ta). 二 十 这 时 J Rae 因此 , 这 是 第 三 种 形式 , 这 个 特殊 的 模型 简化 到 一 个 简单 的 双 曲 线 表 达 式 ; 其 他 两 种 情况 在 例 9.14 中 已 讨论 。 这 个 结果 完全 “合理 ”, 因 为 如 果 配 体 与 两 种 状态 结合 完全 一 样 , 各 种 状态 的 相对 量 与 结合 行为 不 相关 。 补充 问题 除 Lineweaver-Burk 方程 式 之 外 , 米 氏 方 程 经 代数 变换 后 均 能 以 酶 动力 学 数据 产生 直 线 图 。Eadie 和 Hofstee 即 得 到 这 样 一 个 图 , 他 们 的 方程 式 为 以 下 形式 ; 二 Rater, 的 M bs 推导 这 个 方程 式 。 一 个 Eadie-Hofstee 图 的 纵 坐 标 为 wo 值 , 横 坐标 为 wo/ [S]jo。 请 画 一 个 这 样 坐 标 系 的 图 。 从 这 个 图 中 怎样 得 到 天 ,和 Vinax? Hanes- Woolf 方程 式 是 米 氏 方程 的 另 一 种 变换 形式 , 它 能 够 产生 一 些 适 当 变化 变量 的 一 个 线性 图 。 其 方程 式 为 : [Slo [Slo a HES Lit EX. ae AOR 酶 动力 学 画 出 一 个 Hanes-Woolf 图 , 怎 样 从 图 上 得 到 天 。 和 Vinaxo (a) 以 图 9-12 的 数据 , 画 出 S% 系 数 的 变量 图 。(b) 这 个 图 以 及 分 析 是 否 可 以 客观 估计 参数 ? (a) 综合 米 氏 方程 并 (b) 作 一 个 图 解 以 估算 Ky 和 _Vaaxo (a) 综合 非 竞争 性 抑制 的 米 氏 方程 ( 表 9.1) 并 (b) 作 一 个 图 解 以 估算 Kie 证 明 如 果 一 个 酶 被 它 的 产物 竞争 性 抑制 , 并 且 K, SK, 值 一 样 , 从 表 9.1 而 来 的 完整 方程 式 可 以 写 为 (SJ, ="LSloexp[- V_xt/(Km + [S]o)] 这 是 一 个 单纯 的 指数 衰减 方程 。 分 离 到 一 个 蝙蝠 唾液 来 源 的 ATP 酶 , 当 酶 浓度 为 10 mmolL :时 ,ATP 的 水 解 速率 mF: [ATP] (molL :1) Si TDA OT Mona} 0.56 Op thinmolli Sin VY 2 2.6) POPP TS Pia 8 1.24 WEB Kis Vin Fl Rees Theorell-Chance 酶 机 制 是 有 关 关 键 复合 物 的 稳 态 浓度 为 零 的 机 制 中 的 一 种 。 在 BiBi 反应 的 情况 下 , 它 可 表示 为 : k2B i tie Qiao 马 - 肝 乙醇 脱 氢 酶 与 这 个 基本 模型 一 致 。 注 意 重 要 的 EAB/EPQ 复合 物 并 不 存在 。 (a) 画 出 应 用 Cleland 惯例 的 反应 模式 。(b) 证 明 在 变化 的 底 物 A, 及 B 为 饱和 和 非 饱 和 ACEP P Al Q 的 抑制 模式 如 下 所 示 : P 抑制 , 非 饱和 B: 非 竞争 性 抑制 P 抑 制 , 饱 和 B: 没有 抑制 Q 抑制 , 非 饱和 B: 竞争 性 抑制 Q 抑制 , 饱 和 B: 竞争 性 抑制 与 酶 浓度 相关 的 底 物 浓度 的 变化 怎样 影响 稳 态 假设 的 正确 性 和 米 氏 表达 式 的 适用 性 ? 在 一 个 米 氏 酶 机 制 中 , 对 于 下 列 反应 速率 分 别 需 要 怎样 的 底 物 浓度 (与 K。 相 关 ): ER (b) 0.25V,..3; (ce) 0.5V..; (d) 0.9V,..2 对 于 一 个 非 离子 化 的 底 物 与 一 个 离子 化 的 酶 , 证 明 以 pK,, 对 pH 所 作 的 图 在 bpH= - 0.5lg (KiK2) 时 pK, ARKH. 应 用 图 9- 8, 计 算 下 列 物质 的 Rs。(a) 红细胞 中 的 血红 蛋白 ,(b) 单纯 的 血红 蛋白 和 (c) 单纯 的 肌 红 蛋白 。 Hill 方程 式 中 的 ” 值 , 当 带 入 实际 值 之 后 , 将 会 永远 比 1 小 吗 ? 推导 两 位 点 Adair 方程 式 。 “2391 * 10.1 Ss 所 有 的 生物 体 都 可 将 取 自 周围 环境 的 能 量 进行 转换 , 以 用 于 维持 组 织 生长 及 分 化 需求 的 大 分 子 的 合成 。 能 量 转换 是 通过 大 量 的 酶 的 作用 OL 8 章 ) 来 完成 的 , 这 些 酶 所 催化 的 复 杂 的 似 网 络 的 化 学 反应 , 总 体 上 被 称 为 代谢 。 本 章 只 论述 这 些 网 络 化 学 反应 的 基本 原理 , 而 详细 的 代谢 过 程 将 在 后 面 的 章节 中 讨论 。 10.2 ADs BME — ES SALE OLE RR. EME 统 能 量 的 科学 , 是 与 物质 的 许多 性 质 相 关 的 宏观 理论 。 热 力学 与 分 子 过 程 之 间 的 关系 可 由 统 , 计 力 学 的 原理 来 表述 。 基本 概念 (a) 系统 : 是 与 我 们 相关 的 宇宙 的 任意 部 分 (HM: 一 个 有 机 体 或 一 个 玻璃 容器 , 化 学 反应 可 在 其 中 进行 )。 与 系统 分 割 开 的 宇宙 部 分 即 称 为 系统 的 环境 。 (b) 开放 系统 : 是 物质 和 能 量 均 可 与 环境 进行 交换 的 系统 。 (c) 闭合 系统 : 是 只 能 与 环境 进行 能 量 交 换 的 系统 。 (d) 隔离 (绝热 ) 系统 : 是 与 环境 既 不 进行 物质 交换 也 不 进行 能 量 交换 的 系统 。 Hil 10.1 生命 有 机 体 是 属于 开放 系统 、 闭 合 系统 还 是 隔离 系统 ? 生命 有 机 体 属 于 开放 系统 , 因 为 它们 与 周围 环境 既 可 以 交换 热能 , 也 可 以 进行 物质 交换 (如 : 营养 要 素 、 排 泄 物 )。 (e) 状态 函数 : 指 与 系统 变化 相关 的 一 些 性 质 , 该 变化 仅 依赖 于 系统 的 初始 状态 和 终了 状 , S. PHEW NARNRS BRE ABE. tS. HR Gibbs 自由 能 等 ) 都 是 状态 函数 。 热力 学 第 一 定律 热力 学 第 一 定律 所 表示 的 内 容 是 如 果 系 统 可 以 与 环境 进行 热 交换 , 或 对 环境 作 功 , 则 该 系统 的 内 能 将 发 生变 化 。 其 数学 表达 式 为 : AU = Aq - Aw (10.1) EP, Aq 表示 系统 与 环境 所 交换 的 热能 ,Aw 表示 系统 对 环境 所 做 的 功 。 Pi 10.2 4947 KK Aq # Aw HER? % Ad 为 正 值 , 则 表示 热能 被 转换 入 系统 , 使 得 系统 内 能 增加 ; 当 Ad 为 负 值 时 , 表 明 热能 由 系统 被 转换 进入 环境 , 使 得 系统 内 能 减少 。Am 为 正 值 时 , 系 统 对 环境 作 功 , 引 起 内 能 下 降 ; 相反 ,Azm 为 负 值 时 , 环 境 对 系统 作 功 , 导 致 系统 内 能 上 升 。 sm 第 10 章 ”代谢 :基本 原理 问题 : 如 何 通过 实验 测定 AU 值 ? AU 值 可 以 通过 在 一 个 绝热 的 量 热 器 中 进行 的 化 学 反应 而 获得 。 可 以 测定 该 化 学 反应 过 程 中 温度 的 变 化 , 并 将 其 转化 成 Ag 值 。 而 化 学 反应 中 最 常见 的 功 的 产生 则 表现 在 反应 过 程 中 体积 的 变化 方面 。 功 与 压 力 的 关系 可 用 下 式 表 示 ; hat [Pav (10.2) "5 0 和 12 分 别 表示 系统 的 初始 体积 及 终了 体积 。 因 此 方程 式 (10.1) 可 以 表达 如 下 ; AU = Agi | “Pav (10.3) Uy 对 于 恒 容积 的 绝热 量 热 器 ,dV 为 零 , 因 而 电阻 是 AU=A9 。 对 于 恒 压 的 绝热 量 热 器 , 上 式 的 “温度 二 积分 式 为 PAV, 因 此 (10.3) 可 表示 为 AU = Aq, — PAV (10.4) SRE a ee ee = 、 。 问题 ; 量 热 器 是 如 何 工作 的 ? 在 恒 容积 的 绝热 量 热 器 中 (如 图 10-1 所 岂 示 ), 化 学 反应 是 在 一 恒 容 积 的 容器 中 进行 叶 的 , 其 四 周 为 水 浴 。 将 量 热 器 与 周围 环境 完 , 好 地 隔绝 , 以 确保 没有 任何 热量 从 系统 中 散 叶 出 。 量 热 器 中 所 完成 的 化 学 反应 将 引起 水 浴 中 温度 的 变化 (AT), 该 温度 变化 又 可 通过 量 © 样品 , 热 器 的 热 容 (C) 而 被 换算 成 Aq。 = Ag, = 一 加 热 器 CAT。 同 理 , 对 于 恒 压 绝热 量 热 器 , 其 反应 容器 是 被 设计 成 恒 压 状态 的 , 而 非 恒 容 积 状 态 。 10-1 人 恒 体 积 弹 式 量 热 器 ER rs Kit _—" a 为 了 方便 起 见 , 对 众多 化 学 反应 的 研究 都 是 在 恒 压 , 如 一 个 大 气压 状态 下 进行 的 。 由 方 程 (10.4) 可 以 看 出 , 恒 压 反 应 中 热能 的 变化 如 下 : ER , Aq, = AU + PAV (10.5) y Beeb, ARERR AISE, RAH 来 表示 。 由 于 绝 大 多 数 生 化 反应 都 是 在 溶液 中 进行 恒 的 , 体 积 的 变化 可 以 忽略 不 计 , 因 此 AHE= AU。 Pi 10.3 在 310 开 的 条 件 下 , 萄 萄 糖 和 硬 脂 酸 和 氧化 反应 的 AU HHA -2.9X 10° kJmol | fe =11.36X10? kJmol-!1。(a) +H BY AREY AH i; (b) 这 两 种 物质 中 哪 一 个 更 有 利于 体内 能 量 的 储存 ? (a) 葡萄 糖 的 氧化 反应 式 为 : CsHi2Os + 60, 一 ~6C0, + 6H,O 反应 前 后 体积 没有 变化 (£310K F4F, O, 和 CO, 都 是 气体 )。 因 此 , 由 方 程 (10.5) #4 AU=AH= —2.9X10° kJmol'. 硬 脂 酸 的 氧化 反应 式 为 : 241 生物 化 学 CigH3sO2 + 260, 一 ~18CO; + 18H2O 可 以 看 出 , 每 氧化 1mol 的 硬 脂 酸 将 消耗 8mol 的 气体 (260, - 18COz)。 假 设 可 以 运用 理想 气体 定律 , 即 PAV = AnRT (10.6) 其 中 表示 气体 的 摩尔 数 , 尺 为 气体 常数 (8.314 Jmol 'K'), TARA, 则 | AH =AU + AnRT =-— (11.36 103+8 8.31 x 310/1000) = —11 381 kJmol™! (b) 很 明显 , 脂 肪 , 如 硬 脂 酸 由 于 其 碳 原 子 数 目 多 , 因 而 是 远 远 优 于 葡萄 糖 的 储 能 物 质 。 热力 学 第 二 定律 热力 学 第 一 定律 描述 了 一 个 指定 反应 的 能 量 平衡 问题 , 而 热力 学 第 二 定律 则 提出 了 决定 HES BRET HE. MASAI REAM SE (AS, Bhi] K') 的 概念 , 人 恒温 BAER, FEAR AKSER, TAS RE A A SET RY RE BY EX | AS > Aq/T (10.7) SSR RMA, RES MRA RMA Bw. Gibbs 自由 能 热力 学 第 二 定律 提出 如 果 Adg< TAS 则 反应 能 自发 进行 。 对 于 在 恒温 恒 压 下 进行 的 反 WW, Aq=AH [WAH (10-5)]. Bk, MARE: AH - TAS <0 (10.8) (AH- TAS) 的 量 以 AG 来 表示 。 即 , 若 反应 自发 进行 ,AG<0。 符 号 G 指 Gibbs 自由 能 , 由 下 式 表述 : G=H-TS (10.9) 对 于 恒温 恒 压 反应 | AG = AH - TAS (10.10) 在 忽略 与 压力 或 体积 相关 的 功 的 前 提 下 ,AG 值 给 出 了 反应 过 程 中 最 大 的 功 。AG 互 可 以 每 摩 尔 物质 的 焦耳 数 或 卡 数 表示 (4.186J = lcal)。 Hil 10.4 高 等 动物 所 转化 的 绝 大 部 分 能 量 都 可 以 从 葡萄 糖 的 氧化 方面 获得 : CeHizO6+60: —~6CO, + 6H,0 C#eA HH AH = -2 808 kJmol"', AS=182.4 kJmol"', #AA 310K FHF, 40 1mol 葡萄 糖 可 以 获得 多 少 能 量 ? 我 们 利用 ; AG = AH - TAS =- (2 808 x 10° + 310 x 182.4) =- 2 865 kJmol7! Ast, #310 K 条 件 下 每 消化 1mol 的 葡萄 糖 , 即 可 给 动物 提供 2 865 kJ 的 非 PV 功 。 标准 状态 某 一 纯 物 质 , 在 指定 温度 及 1 个 大 气压 (101.325kPa) 下 能 稳定 存在 的 状态 称 为 该 纯 物 质 的 标准 状态 。 对 于 溶质 , 其 标准 状态 更 适合 于 以 1molL-1! 表 示 。 在 溶液 中 进行 的 化 学 反 旺 应 , 其 标准 自由 能 变化 是 将 lmolL-I 反 应 物 转化 为 ImolL-1I 产 物 的 能 量变 化 。 AG° = AH® TAS4 (10.11). 第 10 章 代谢 :基本 原理 :2243 , i 生化 标准 状态 很 多 的 生物 学 过 程 都 包含 有 氢 离 子 ; (根据 定义 ) 氢 离 子 溶 液 的 标准 状态 是 1molL 而 溶液 pH 值 接近 零 , 这 与 大 部 分 生物 体形 态 不 相 吻 合 。 因 此 , 以 lmolL 定义 溶质 的 生物 化 学 标准 状态 适用 于 除 氢 离 子 以 外 的 所 有 组 分 , 而 氢 离 子 则 以 10 “molL ” (pH 7) 表示 。 生化 标准 状态 自由 能 变化 以 AG’ 表示 , 其 他 的 热力 学 参数 的 表示 与 此 类 似 (AH. ASS 等 )。 反应 平衡 与 自由 能 对 于 化 学 反应 aAt+ bB==cCt dD 其 自由 能 变化 Ate. ci/Aic)>:dpYVipr)? (LA]/[A]°)?([B]/[B]°)? | [A]®, ([B]°, [C]° [D]° 为 标准 状态 下 反应 物 的 浓度 , 对 于 在 溶液 中 进行 的 反应 来 说 , XE RFI mol L - 1, 因此, 方程 (10.12) 可 简化 为 AG = AG0 RT In (10.12) 5 [C]‘[pD]? AG = AG° + RT in| ra (B]e) (10.13) 若 该 化 学 反应 是 平衡 的 〈( 即 , 可 逆 过 程 ), 则 AG =0。 所 以 , 由 方程 (10:13) 可 以 得 出 [C]s(D]? AG® =- RT In [FA]a[B]4 (10.14) 其 中 , 下 标的 e 表示 反应 物 的 平衡 浓度 。 可 以 看 出 , 圆 括号 内 的 表达 式 为 该 反应 的 平衡 常数 KK.)。 所 以 , AG®° =— RTln K。 (10.15) Spl 10.5 葡 糖 磷酸 变 位 酶 俊 化 下 列 反应 史 1 ABE H 2) 糖 一 6 -FHMH AB ¢ AG®° A-7.3kJmol |}, #4 310K 条 件 下 , 在 浓度 为 2x10-4 moll 14 1 -HKHZBSR PKG BABE, Bi DHEMREA ST? ‘ 由 方程 (10.15) 得 出 ; K, = exp(— AG°/RT) = exp(7.3 x 103/(8.31 x 310)) = 17.00 (10.16) : [6 ABH 2H). 4 因此 (1am aD 17.00 HA [1 -磷酸 和 葡萄糖] + [6 -磷酸 葡萄 糖 ] =2Xx10-4molL 1 所 以 , [6 ABE H 2 #),=1.89X10°4* moll! [1 -磷酸 葡萄 糖 ].=1.11x10-5 molL 1 平衡 常数 随 温 度 的 变化 Hf (10.15) 得 出 : In K, = -— AG°/RT (10.17) 变换 成 : Fi ae din K d\ Pe] (10.18) * 244 - 生物 化 学 利用 方程 (10.11) AG® = AH® - TAS® ”得 出 ac s: au _ As? (10.19) (Ri AH® 和 AS° 不 随 温 度 变 化 , 则 a(S] 了 Ea aes ee (10.20) 因此 , 由 (10.18) 和 (10.20) 得 出 ane 7 oe (10.21) AH FERKYH van't Hoff 等 容 线 , 其 积分 式 更 有 用 处 : 0 [an K. = | eet (10.22) 1 SE Fil 10.6 磷酸 化 酶 b 可 与 AMP 0244: 磷酸 化 酶 b.AMP = BK 1L b+ AMP 该 反应 平衡 常数 在 286 KHA2.75 X10 °molL!', £313 K#AS5.9 X10 *moll*. 那么 在 303 KH, KRHA AH®, AS° fe AG 各 为 多 y ? 设 AH0 不 随 温 度 变化 , 将 数据 带 入 方程 〈10.22), z 59x10) = - OH ees! 2.75 x 10 8.311313 286 得 出 AH® =21.03 kJmol 利用 此 值 , 我 们 可 以 算出 在 303 K HAF HK 3 H \s. a5 i wr = aa rT = — 2.2668 得 出 Ka 4s X 10°" me * 将 此 值 带 入 方程 式 AG = 一 天 TURN 得 出 AG 晴 示 二 25526Enal 4 再 利用 AG® = AH®- TAS? it # #& AS® A -13.8 JK~! mol}, 10.3 氢化 还 原 反 应 包含 有 氧化 过 程 与 还 原 过 程 〈 氧 化 还 原 反 应 ) 的 化 学 反应 是 代谢 的 中 心 问题 。 由 碳水 化 合 物 氧 化 得 到 的 能 量 是 与 ATP 的 合成 相 偶 联 的 , 此 偶 联 作用 通过 一 系列 的 氧化 还 原 反 应 二 线粒体 的 电子 传递 连 〈 见 第 14 章 ) 来 完成 的 。 另 外 , 地 球 上 的 大 部 分 生命 都 依赖 于 一 系列 的 氧化 还 原 反 应 来 进行 光合 作用 。 光 合作 用 可 利用 太阳 能 产生 ATP 和 0O, 并 用 CO, 合成 碳 水 化 合 物 。 基本 概念 (a) 氧化 反应 : 是 物质 丢失 电子 的 反应 。 (b) 还 原 反 应 : 是 物质 获得 电子 的 反应 。 (c) 半 电 池 反 应 : 指 氧化 还 原 反 应 中 的 氧化 过 程 或 还 原 过 程 。 Hl 10.7 下 列 和 氧化 还 原 反 应 中 的 半 电 池 反 应 是 什么 第 10 章 代谢 :基本 原理 Zn + Cu** 一 Zno2+ + Cu 氧化 半 电 池 反 应 是 Zn —~>Zn** + 2e7 还 原 半 电池 反应 是 Cu?* + 2e 一 Cu ”氧化 还 原 反应 中 的 自由 能 变化 : 下 面 的 方程 式 表 示 了 和 氧化 还 原 反 应 中 自由 能 的 变化 AG =- nFE (10.23) 其 中 n ZHVRALMROTFRBURERDARDTLABTR, E 是 指 阻 碍 电子 转移 的 电动 势 (以 伏特 为 单位 ),F 是 法 拉 第 常数 , 是 转换 因子 , 数 值 为 96.5 kJV 。 若 氧化 还 原 ”反应 的 各 组 分 均 处 于 标准 状态 , 则 方程 式 (10.23) TAM: % AG® =- nFE, (10.24) Foi 10.8 下 列 反应 的 AG9 为 -213 kJmol-1, Zn + Cu+ 一 二 Zn2+ + Cu KARA EASY? 由 方程 式 〈10.24) 得 出 os E, -sAG _ 213 -1.1V (10.25) (该 反应 中 有 两 个 电子 被 转移 )。 电化 学 电池 可 以 利用 电化 学 电池 来 研究 氧化 还 原 反 应 。 例 10.8 中 化 学 反应 的 电化 学 电池 如 图 10-2 所 示 。Cu 和 Zn 电极 被 分 别 插入 含 相 应 离子 的 溶液 中 , 而 盐 桥 (〈 含 饱 和 KCl 溶液 ) 使 得 两 份 溶液 之 间 保持 有 电子 联系 。 若 Zn 被 氧化 成 Za2+ , 同 时 在 Cu 的 半 电 池 Cu2+ 被 还 原 成 Cu, 则 电子 由 Zn 的 半 电 池 流 向 Cu 的 半 电 池 。 该 反应 的 瑟 值 可 以 通过 测量 电位 差 〈 以 伏特 为 单 位 ) 而 得 到 。 此 电位 差 可 阻止 电子 流 的 产生 。 电 功 图 10-2 ”电化 学 电池 半 电 池 电 极 电 势 半 电 极 反 应 是 无 法 被 孤立 开 进 行 研究 的 。 当 两 个 半 电 池 被 联接 在 一 起 形成 电化 学 电池 时 , 所 能 测定 的 是 电位 差 〈A 屯 )。 半 电池 的 相对 电极 电位 是 参 比 于 标准 氢 电 极 的 而 得 到 的 , . 245 - * 246° 生物 化 学 标准 氨 电 极 的 Eu 被 设 定 为 零 。 氢 的 半 电 极 反 应 为 : H* + e =F Hp (Pt) 1 个 大 气压 下 ,1lmol LW H+ 溶 液 中 , 氢 气 可 自 Pt tb. HERR OR 分 在 标准 状态 下 ) 的 Eu 值 可 通过 将 该 电极 与 氢 电 极 相连 接 形 成 的 电化 学 电池 而 测 得 。 通常 , 半 电池 的 标准 电势 可 以 还 原 电势 来 表示 (对 于 还 原 反 应 ), 数 值 越 负 则 失 电子 倾 RK, E, S5EWKR 在 溶液 中 进行 的 氧化 还 原 反 应 Agi + Bag Aum + Baw 其 自由 能 变化 -Le Lamm), (10.26) A = AG°+ RT In e "\ [Awm ]°[ Baw 1°/ [Aga ]°C Bose ]° 运用 方程 式 (10.23) AG =- nFE : 对 于 溶质 , 再 利用 [Age ]°= [Bay] =1mol L-! 等 因素 [方程 式 (10.13)], 得 出 _ RT,-{ LA 和 还原 ]LB 氧 化 ] oe cea eae 27) BH BRA RET UOTE, SUT ERA RE RO ESE, HX Fil 10.9 对 于 半 电 池 反 应 NAD* + H* +2e 一 ~NADH lmolL-! 的 NAD+ 和 NADH 溶 液 在 pH 7,298 K 时, 已 知 Ey 值 为 ~0.11IV, HE MAS 少 ? 根据 该 反应 , 能 斯 特 氧 化 还 原 方 程式 可 写成 RT NADH = = 2o~ oF | INAD‘ILH'] 将 Ey ti, [NADH], [ NAD*] #ALA, Hal 8.31 x 398 2 x 9.65 x 104 由 于 上 述 反应 的 各 组 分 均 处 于 生化 标准 状态 (10.2), HE 值 实际 上 被 定义 为 该 半 电 池 反 BW Ey (注意 符号 )。 Ey:= — 0. iin In(10*?) = -— 0.32 V 10.4 ATP 及 其 在 生物 能 学 方面 的 作用 ATP 的 特性 ATP VA 10° °~ 107? molL ! 的 浓度 存在 于 所 有 的 活 细胞 中 。ATP 分 子 由 三 部 分 组 成 腺 叶 吟 ,D -核糖 , 及 以 酯 键 相连 的 三 个 磷酸 基 团 〈 见 第 7 章 )。 与 ATP 相似 的 另外 两 个 化 合 物 是 AMP 和 ADP, 分 别 含有 一 个 与 两 个 磷酸 基 团 。 热力 学 参数 提示 ,ATP 非常 倾向 于 水 解 成 ADP 和 磷酸 ; ATP*” +H,O— ADP? + HPO,2~ + H* EEC MER AS F ( [ATP*~] = [ADP?-] = [HPO,2-] =1mol L™’, [Ht] =107" 7} mol L™', 人 下 =310 K), 该 反应 的 热力 学 参数 AG% = -30.5 kJ mol-?, AH’ = -20 kj mol7!, | 第 10 章 代谢 :基本 原理 AS*’=34J K =! mol}. 问题 : 从 热力 学 方面 看 , 为 什么 ATP 易于 水 解 ? ATP 水 解 反 应 易 产 生 烩 变 , 其 原因 有 GDATP 分 子 间 负电 和 荷 的 静电 排斥 大 于 反应 产物 的 ,@ 反 应 产物 是 共振 稳定 的 ,@ 反 应 产物 溶剂 化 产生 的 烩 远大 于 ATP。ATP 水 解 反应 又 由 于 释放 出 了 一 个 磷酸 基 团 而 产生 HAZE, HEARSE AR ATP 水 解 反应 有 很 强 的 温度 依赖 性 【见方 程 (10.7)]。 通常 ATP 被 认为 富 含 能 量 或 含 高 能 磷酸 酯 键 。 这 样 的 称谓 暗示 ATP 水 解 的 整体 过 程 有 较 大 的 AG0 和 AH?’ HALA. ATP 在 生物 能 学 方面 的 作用 : 与 很 多 其 他 的 生物 化 合 物 相 比 ,ATP 并 非 高 能 化 合 物 。ATP 的 功能 与 其 水 解 过 程 的 AG 值 极 为 相关 , 该 值 介 于 其 他 磷酸 酯 水 解 反应 的 AG (HZ. A, ATP 与 ADP 可 作为 磷酸 集团 转移 的 供 体 - 受 体 对 。 很 多 情况 下 ,ATP 水 解 自由 能 被 用 于 支持 另 一 些 在 热力 学 上 不 易 发 生 的 反应 , 通 常 是 将 这 些 反应 中 某 一 反应 物 磷酸 化 而 起 到 支持 作用 的 。 Fi 10.10 在 热力 学 上 , 由 谷 氨 酸 和 NH, RERGARRALTA EH, @ EM” +NH4 一 ~ 谷 氨 酰胺 (AG = 14,2 klmal 3!) AA, ATP 的 水 解 是 如 何 为 上 述 反 应 合成 谷 氨 酰 胺 提供 可 能 性 的 呢 ? 上 述 反应 由 于 利用 ATP 而 发 生 改 变 。 新 的 反应 在 热力 学 上 是 可 能 的 , 由 两 个 分 步 反应 组 成 , 这 两 个 分 步 反 应 通过 ATP 水 解 形成 的 共同 中 间 体 而 连接 : 谷 氨 酸 ”+ ATP “一 ~5 BRS BB? +ADP 5 RRS A?” + NH4 一 ~ 谷 所 酰胺 + 磷酸- 这 两 步 反 应 综合 为 谷 氨 酸 - + ATP4- +NH4 ->~ 谷 和 氨 栈 胺 +ADP3- + RR 该 反应 的 AG?' 为 -16.3 kJmol-:, 因 此 变 成 热力 学 可 能 。 动 物 细胞 内 的 谷 氨 酰胺 合成 酶 俊 化 此 反应 ( 见 第 15 章 )。 10.5 代谢 途径 的 控制 步骤 一 般 来 说 , 起 调控 作用 的 酶 要 符合 两 个 准则 : 以 低 酶 活 形式 存在 , 并 能 催化 那些 在 细胞 内 未 达到 平衡 的 反应 。 由 于 关键 酶 催化 代谢 途径 中 最 慢 的 步骤 〈 限 速 步骤 ), 因 而 这 两 个 准 则 都 起 作用 。 酶 是 可 能 以 低 活 力 形式 存在 的 。 如 果 是 这 样 , 那 么 酶 催化 的 反应 在 活体 内 是 不 可 能 处 于 平衡 位 点 的 , 因 为 在 底 物 与 其 它 化 合 物 反 应 之 前 没有 足够 的 酶 能 使 其 平衡 。 代谢 途径 中 限 速 步骤 的 确定 通过 体外 测定 某 一 代谢 途径 中 酶 的 活力 可 确定 限 速 步骤 , 如 利用 所 取 组 织 的 匀 浆 液 及 与 细胞 内 环境 相似 的 分 析 条 件 (pH. TBE, FREE 〈( 见 习题 10.3) 和 底 物 浓度 等 ) 来 测定 酶 活力 。 在 某 些 条 件 下 , 已 能 够 使 用 核磁 共振 (NMR) 光谱 测定 活体 内 酶 的 活力 。 非 平衡 反应 的 检测 非 平 衡 反应 可 以 通过 测定 组 织 中 代谢 物 的 浓度 来 确定 。 习 惯 上 , 将 采 得 的 组 织 样品 迅速 HEP PRA PHY EIT KNBR OR) 中 压 紧 冷冻 。 此 冷冻 过 程 可 快速 阻止 任 何 能 引起 代谢 物 浓 度 改变 的 酶 解 反应 ; 随后 , 利 用 化 学 分 析 手 段 或 酶 分 析 法 测 出 代谢 物 浓 .247 - * 248 - 生物 化 学 度 。 近 年 来 ,3LP-NMR 光谱 已 能 够 较 准 确 地 测定 出 活 细胞 或 活 组 织 中 ATP、AAPS AMP, 磷酸 、 磷 酸 肌 酸 等 代谢 物 的 浓度 。 一 旦 已 知 代谢 物 浓 度 , 就 可 计算 出 质量 作用 率 (下 )。 对 于 下 列 反 应 : petal = 0.28) T 值 与 反应 平衡 常数 的 比较 可 以 确定 活体 内 该 反应 是 否 已 接近 平衡 状态 。 Pil 10.11 FRAAGLAHDRRACAKR SERROREMKERE: 代谢 物 A AY BE/ (mmol L~') ATP 11.5 ADP 1.3 AMP 0.17 6 -磷酸 果糖 0.09 1,6 -二 磷酸 果糖 0.02 (a) 磷酸 果糖 激酶 和 (b) 腺 音 酸 激酶 是 心脏 代谢 的 关键 酶 吗 ? (a) 对 于 磷酸 果糖 激酶 反应 Mg?* 6 -磷酸 果糖 +ATP —1, 6 -— AM RH + ADP p = 11.6 == 54 R# ]LADP] [6 -磷酸 果糖 ]LATP] =.(0.02x1:3) / (0.09X11.5) =0.025 此 工 值 远 远 小 于 反应 平衡 常数 (~1200); TL, ARSHEAKR BARNS, 以 , 磷 酸 果 糖 激酶 可 能 是 关键 酶 。 (b) 对 于 腺 音 酸 激酶 反应 M 十 ATP+ AMP Me ADP Oe ues (1.3)?/ (11.50.17), =008e LT GS AAE MRR (~0.4) Mik; 因此 , 该 反应 不 可 能 是 代谢 途径 中 的 关键 反应 。 请 留意 我 们 假设 了 细胞 内 的 代谢 物 都 可 被 酶 所 利用 , 而 没有 考虑 代谢 分 区 化 可 能 产生 的 | 效应 ( 见 10.7)。 因 此 , 基 于 质量 作用 率 来 判断 是 否 为 关键 酶 时 应 加 以 慎重 。 交换 原则 本 原理 与 一 些 扰乱 代谢 途径 的 实验 相关 , 如 , 在 代谢 过 程 中 加 入 酶 的 抑制 剂 或 激活 剂 。, 若 某 一 反应 受到 干扰 , 则 其 代谢 通路 中 关键 酶 反应 前 后 的 代谢 物 浓度 将 向 反 孝 向 变化 , 国 匈 关键 酶 所 催化 的 是 代谢 途径 中 反应 速度 慢 的 限 速 步 又 。 例 如 , 若 某 一 干扰 反应 引起 酶 活力 的 降低 , 那 么 该 酶 的 底 物 浓度 将 增加 , 而 反应 产物 的 浓度 将 减少 。 此 原则 仅 对 无 旁 路 的 线性 代 谢 通路 有 效 。 10.6 调控 信号 的 放大 对 于 某 一 调控 信号 , 其 代谢 途径 的 通 量 响应 , 非 单一 的 酶 催化 反应 的 通 量 响应 (单位 时 间 内 的 质量 流量 ), 取 决 于 信号 放大 机 制 。 调 控 信 号 通常 受 底 物 浓度 或 其 他 效应 因子 的 影响 第 10 章 ”代谢 :基本 原理 而 变化 。 这 些 化 学 信号 由 底 物 循环 或 互 变 酶 循环 放大 。 ” 底 物 循 环 下 面 一 段 代谢 通路 中 B E3 底 物 循环 发 生 在 B 与 C 之 间 : 不 同 的 酶 催化 这 两 个 代谢 物 的 互 变 反 应 。E2: 的 速率 减 去 E3 的 速率 为 此 步 反 应 的 净 通 量 。 如 果 这 两 个 酶 促 反应 的 速率 是 分 别 调控 的 , 那 么 , 流 经 代谢 途径 通 量 将 随 调节 剂 浓 度 的 改变 而 变化 , 且 变化 较 单 一 酶 调控 的 反应 要 敏感 得 多 。 HF 10.12 ” 糖 酵 解 中 , 磷 酸 果糖 激酶 (PFK) f R481,6-—AaRAS (FBP) 形成 底 物 御 环 ; 磷酸 FBP ATP ADP Wit AMP 的 浓度 ,PFK 酶 活性 将 增高 , 而 FBP 酶 活性 降低 。 下 表 所 列 的 数据 是 这 两 种 酶 随 AMP 浓度 变化 的 饱和 分 数 ( 见 第 9 章 )。 “2 AMP YR 5E/ (任意 浓度 单位 ) 饱和 分 数 0 0 2,5 0 125 0.89 当 AMP 浓度 单位 由 2.5 上 升 至 12.5 时 , 计 算 流 经 代谢 途径 的 通 量 , 假 设 PFK 5 FBP 的 最 天 酶 活力 分 别 为 100 和 10 mmol L-Imin-1, 那 么 , 缺 乏 AMP 时 PFK 无 活性 , 有 AMP 存在 时 FBP 无 活性 。 PFK 活力 由 下 式 计 算 PFK 活力 = 有 最 大 酶 活力 X 与 AMP 结合 的 酶 的 百分数 同样 ,FBP 活力 由 下 式 计算 1 FBP 活力 = 最 大 酶 活力 X 未 与 AMP 结合 的 酶 的 百分数 4 AMP 浓度 为 2.5 时 , PFK 活力 =100x0.093=9.3 mmolL-lmin-l FBP 活力 =10 X (1.0-0.093) = 9.1 mmol L~!min™! 因此 , 流 经 此 步 糖 酵 解 的 相对 通 量 为 通 量 =PFK 活力 一 FBP 活力 =9.3-—9.1=0.2 mmolDr inin 1l . 249 + * 250 生物 化 学 当 AMP 浓度 为 12.5 时 , 同 理 可 以 得 出 PFK 活力 =100x0.89=89 mmol L min FBP 377 =10 X (1.0-0.89) = 1.1 mmol L”‘min™ if = =87.9 mmol L~!min7! 在 AMP 浓度 仅 增 大 5 倍 (12.5/2.5) SHR, RAP 5] AT RWB SH 440 倍 (87.9/0.2) 的 增加 。 互 变 酶 循环 有 些 调节 酶 可 以 不 同 的 形式 存在 , 这 些 形式 之 间 的 相互 转化 是 由 酶 催化 的 。 若 催化 转化 的 酶 的 活性 是 受 控 于 效应 剂 浓度 的 变化 的 , 那 么 化 学 信号 就 会 被 放大 。 Fil 10.13 ASL MADARA © Be RL A Be BS 4 (PDHC) a4 iS MM BS 1h 04 a ER 1 IF (RH 12%) 而 变化 的 。 1 1 ATP ADP 激酶 PDHCex% 磷酸 化 的 PDHC 无 活性 磷酸 酶 磷酸 那么 , 为 了 控制 丙酮 酸 进 入 三 羧 酸 循环 , 活 酶 和 磷酸 化 酶 的 活性 是 如 何 被 调节 的 ? 当 丙 酮 酸 经 PDHC 复合 体 的 作用 被 转化 成 已 酰 - CoA 后 即 可 进入 三 羧 酸 循 环 。 三 羧 酸 息 环 将 NAD+ 还 原 成 NADH,NADH 再 进入 线粒体 电子 传递 链 。 因此 , 无 论 是 已 栈 - CoA/CoA 的 比率 增 大 , 还 是 NADH/NAD 的 比率 增 大 , 都 将 使 得 PDHC 失 活 。 有 三 条 途径 可 导致 PDHC 失 活 : ONADH/NAD* 的 比率 增 大 时 激酶 被 激活 , @ UL R&K- CoA/CoA 的 比率 增 大 时 激酶 也 被 激活 ,@NADH/NAD+ 的 比率 增 大 时 磷酸 酶 活性 被 抑制 。 所 以 , 有 活性 的 PDHC 在 总 PDHC 中 所 占 的 百分比 对 细胞 的 代谢 需求 是 极其 敏感 的 。 10.7 细胞 内 的 区 室 与 代谢 原核 细胞 通常 没有 亚 细 胞 结构 , 体 积 约 为 0.03 一 500 pm3, 而 真 核 细 胞 则 包含 很 多 独立 的 亚 细 胞 器 〈 见 第 1 章 ), 细 胞 体积 也 较 大 , 约 为 0 一 15 000 pm3。 和 破碎 了 细胞 或 组 织 后 , 可 以 通过 差 速 离心 分 离 亚 细胞 器 ;不同 大 小 及 不 同 密度 的 细胞 器 会 在 不 同 的 离心 速率 下 沉 淀 , 从 而 分 离开 。 代谢 途径 的 区 室 化 作用 主要 的 代谢 途径 之 间 有 很 多 互 连 作 用 。 很 多 底 物 , 调 节 剂 分 子 及 一 些 酶 是 多 条 代谢 途径 共同 的 。 在 掌握 了 以 下 三 方面 的 知识 后 , 才 能 对 互 连 作 用 有 较 好 的 理解 ,@ 亚 细胞 的 定位 及 其 所 包含 的 酶 的 浓度 ,@ 不 同 亚 细 胞 器 中 代谢 物 的 浓度 ,@@ 亚 细胞 器 之 间 代谢 物 的 透 性 障 本 攻 质 ; 透 性 障 将 细胞 分 隔 成 多 个 区 室 。 酶 的 定位 利用 卷 速 离心 可 分 离 得 到 各 个 不 同 的 亚 细 胞 器 , 测定 其 中 酶 的 活性 便 可 确 知 酶 在 不 同 亚 | 细胞 磊 内 的 分 布 。 例 如 , 糖 酵 解 的 酶 在 细胞 质 内 , 而 与 其 相反 的 过 程 , 糖 异 生 作 用 ”人 第 10 章 代谢 :基本 原理 11 章 ) 的 酶 的 分 布 则 复杂 得 多 。 糖 异 生 途径 中 , 果 糖 二 磷酸 酶 , 与 糖 酵 解 的 酶 一 样 在 细胞 质 中, 丙酮 酸 羧 化 酶 则 在 线粒体 基质 中 , 另 外 , 同 样 是 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 激酶 , 大 鼠 的 在 | 细胞 质 内 , 铀 子 的 却 在 线粒体 中 。 代谢 物 的 定位 确定 不 同 亚 细 胞 器 或 区 室 中 代谢 物 的 浓度 是 相当 复杂 的 任务 , 因 为 , 在 分 离 亚 细 胞 器 期 间 , 代 谢 物 的 浓度 可 能 发 生 改变 , 而 且 在 分 离 亚 细胞 器 的 过 程 中 低 分 子 质量 的 代谢 物 也 有 可 能 透 过 亚 细 胞 器 的 膜 。 对 于 细胞 质 中 腺 味 哈 、 烟 酰胺 核 苷 酸 浓度 的 研究 , 以 及 线粒体 中 三 羧 酸 循环 中 间 物 浓度 的 研究 都 很 受 瞩目 , 很 多 情况 下 , 可 通过 测定 酶 催化 的 已 达到 平衡 状态 的 反应 来 估算 它们 的 浓度 。 Spi 10.14 乳酸 脱 和 所 酶 是 细胞 质 酶 , 在 很 多 细胞 中 , 当 反应 达到 平衡 时 , 它 以 相当 高 的 浓度 存在 。 乳酸 + NAD -一 二 丙酮 琶 +TNADH+H- 该 反应 的 平衡 常数 已 由 体外 研究 得 知 。 那 么 , 如 何 将 此 平衡 常数 应 用 于 计算 细胞 质 内 NADH /NAD -的 比例 呢 ? 细胞 质 内 丙酮 酸 和 乳酸 的 浓度 可 由 冷冻 夹 实验 的 结果 得 出 。 固 此, 根据 已 知 的 细胞 质 [H*] 肥 反 应 平衡 常数 (K,) x, — [ 丁 醋 酸 ] [NADH] [H* ] [乳酸 ] [NAD* ] 487+ NADH/NAD* 的 比率 约 为 1:1 000。 | (RRS 热力 学 10.1 在 一 恒 体 积 的 绝热 量 热 器 中 , 在 298 K 的 条 件 下 , 乙 酸 样品 (1 mol) 被 完全 氧化 成 CO, 和 HzO, 释 放出 的 热量 为 847 kJ。 计 算 乙 酸 氧 化 反应 的 A 互 值 。 答 : 在 恒 体 积 条 件 下 , 被 系统 吸收 的 热量 相当 于 AU。 由 于 热量 被 释 出 (由 系统 转 入 环 境 ), 因 此 AU= — Aq, = — 874 KJmol 1! 根据 下 列 方 程 ,AU 与 AH 相关 AH =AU+ PAV 已 知 乙 酸 的 氧化 反应 式 如 下 : CH3;COOH + 20, 一 ~2CO0O, +2H2O 可 以 看 出 , 反 应 前 后 没有 体积 的 变化 (298K HO, 和 CO; 都 是 气体 ), 所 以 氧化 反应 AH {84 — 874 kJmol- 1。 ‘10.2 延 胡 索 酸 (HOOC 一 CH 一 CH 一 COOH) 362414 AH® (8 - 1 336 kJmol”', 已 知 下 列 数据 : C+O,—~CO, = 人 万 "= -393 Nmol : H,+O,—~H,0 AH®= —285.5 kJmol7! RS EAA A RH HE SE (AH®). 答 a: HTBReEKABK, Al, TARMHKRPARM ABE MAHA ARHER ¥t AH?, “Zoi” 252 - 生物 化 学 TT ll AH* 4C ets 40, ? 4CO, oo | 572 kJ 2H, + O, , 2H,O i 571 kJ 10.3 10.4 4CO, + 2H,O —*C,H,O, + 30, +1 336 kJ 总 反应 式 : 4C + 2H, + 20, 一 ~C4H4O4 AH® = — 807 kJmol * 这 一 过 程 是 表示 连续 反应 热量 总 和 的 Hess 定律 的 一 一 个 实例 , 其 理论 依据 是 任何 反应 MAH 仅 与 其 起 始 状态 和 终了 状态 相关 , 该 过 程 还 不 说 明了 很 难 由 实验 测定 的 从 百 值 的 简便 的 计算 方法 。 组 织 中 , 细 胞 内 Na+ 和 天 -的 浓度 分 别 为 10 mmol L 1 和 90 mmol L -1!, 而 胞 外 浓度 分 别 为 140 mmol L -1 和 4 mmol L :。 计算 维持 该 离子 梯度 所 需 的 目 由 能 。 答 我 们 可 以 用 下 面 的 平衡 式 来 表示 离子 简 度 ; Nai Nag Ke. Ke 以 上 两 种 情况 的 AG 值 均 可 由 下 面 的 表达 式 给 出 : AG = AG°+ RT In BS [BT In. AG’’=— RT. In Fla 式 中 下 标 e 是 指 离子 的 平衡 浓度 。 平衡 时 , 细胞 内 外 的 离子 浓度 应 该 相等 。 因 而 , AG90=0, 故 维持 离子 梯度 所 需 的 自由 能 为 : AG=RT ln 将 Na+ 和 开 * 浓 度 分 别 带 入 方程 式 中 , 得 到 AGy,* = 6.8 kJmol-: AGx* = 8.0 kJmol7! 。 计算 中 我 们 做 了 一 些 假设 , 最 明显 的 是 设 溶液 为 理想 溶液 , 溶 质 分 子 间 没 有 任何 相互 影响 (吸引 或 排斥 )。 而 实际 上 , 这 种 情况 是 不 可 能 存在 的 , 特 别 是 在 中 等 浓度 的 离 上 子 溶液 中 。 那 么 , 对 于 非 理 想 状态 (溶质 分 子 间 有 相互 作用 ) 的 溶液 , 就 需要 在 热力 学 计算 中 作 修 正 , 以 溶质 的 活 度 代 替 浓 度 来 计算 。 溶 质 的 活 度 (ce) 通过 活 度 系 获 (y) 而 与 其 浓度 (C) 相关 联 。 ae [BTl, = ¥C (10.29) © 对 于 电解 质 溶液 ,y 值 可 利用 Debye-Hiickel RBitH HW. CH, BRPERAL lgy,= 一 0.5z, xz_ TU (10.30) z+ 和 xz- 分 别 是 指正 负离子 所 带 的 电荷 数 ,T 为 溶液 的 离子 强度 = mh Ces (10.31) 表示 了 溶液 中 所 有 离子 类 型 的 加 和 。 计算 0.25 molL 1 NasPO; 溶液 的 平均 活 度 系数 。 a. ao: NaPO, 在 水 溶液 中 完全 解 离 , 所 以 , 首 先 根据 方程 式 (10.31) 来 计算 溶液 的 离子 强 | BE | 10.5 10.6 第 10 章 代谢 :基本 原理 I= (Cunt za’ + Co 2Fot) =F (0.75 x1?+0.25%3?) = 1.5 mol L™ 由 于 z,=1, z_=3, KREA (10.30): Igy. =— 1.837 ¥.=0.0146 严格 地 说 , 计 算得 到 的 此 y+ 值 只 在 298K 条 件 下 有 效 , 因 为 方程 式 (10.30) 中 的 常 数 (0.5) 在 其 他 温度 时 会 略 有 变化 。 酸 HA 的 解 离 式 为 , MAS + AT 推导 出 溶液 pH BS OCREHNRHOKEA ARAM RYRE ( [A] 和 [HA]) 之 间 关系 的 表达 式 。 答 : .1 解 离 平衡 常数 为 is 6 faa ote] 2 [HA] 即 KK 三] |; +Ig( AS 由 于 pH= -lg [H*] wet 3 K, = pH-le| HS] 以 pK, Rf -l1g K, my pKho=pH— le HAT 这 便 是 lbaleb 方程 式 (UF 3%). 氧化 还 原 反 应 计算 下 列 反应 的 AG5 fA: 丙酮 酸 + NADH + H* LW + NAD* 半 电 池 反 应 是 : 丙酮 酸 + 2H7* + 2e 一 ~ 酸 E) =- 0.19 V NAD* +H* +2e 一 >~>NADH EE, = -0.32 V 答 , 由 半 电 池 反 应 可 以 算出 整个 反应 的 正 o' 为 -0.19-(- 0.32)=0.13V 。 根 据 方程 式 AG” = 一 ARFREU AG” = —2X9.65X10* X0.13 Jmol” '= 一 25.1 kJmol 1 请 注意 , 对 于 一 个 氧化 还 原 反 应 , 正 的 Eo' 值 预示 着 该 反应 在 热力 学 上 是 可 能 进行 i, AG EH fe 在 静电 场 bP (假设 为 标准 状态 ), 一 个 带电 荷 z 的 离子 的 电化 学 电位 w 由 下 列 方程 式 给 出 : w= zF~ t+ vp? + RTInX (10.32) 其 中 po 是 离子 在 标准 状态 下 的 化 学 势 (单位 摩尔 的 自由 能 ),X 为 离子 的 摩尔 分 数 , 即 尔 数 oe eee X = (高 子 摩尔 数 ) + (AIRED (10.33) “253"° a. Lea 生物 化 学 对 于 稀 溶 液 ,( 溶 剂 摩尔 数 ) 六 《离子 摩 尔 数 ), 则 _ (离子 摩尔 数 ) X = (溶剂 摩尔 数 ) (10.34) 根据 化 学 渗透 说 , 对 于 氧化 磷酸 化 作用 〈( 见 第 14 章 ), 电 子 传递 链 中 电子 流 是 与 质子 在 跨越 线粒体 内 膜 时 所 产生 的 质子 浓度 梯度 相 偶 联 的 。 推 导出 质子 在 作 跨 膜 运 动 时 的 电化 学 电位 差 。 cs : | 质子 作 跨 膜 运 动 时 的 电位 差 为 用 Ap= pa LH 再 由 方程 (10.32) 得 出 Ap = 2F(¢q — oH) + RT In ih [H* J, 即 Au = zFAy —2.3RTApH (10.35) A 是 跨 膜 时 产生 的 电位 差 ,ApH 则 是 跨 膜 时 产生 的 pH 差 值 。 这 就 是 能 斯 特 电位 方程 。 ATP 及 其 在 生物 能 学 中 的 作用 10.8 ATP 的 带 负 电荷 的 磷酸 基 团 可 有 效 地 与 二 价 阳离子 如 Mg 六 鳌 合 。 已 知 下 列 反应 的 络 © 合 平衡 常数 为 104 Lmol Ho Mg + ATP4 -一 MgATP2 若 游离 Mg2+ 的 浓度 是 2x 10-2 mol L 1, 计算 细胞 内 与 Mg2+ 络 合 的 ATP ATP 硕 量 的 百分数 。 答 ; 和 2 ron ree ] =10*L mol! [MgATP?~ ] _ 2 即 [ATP4=] =e | | TL, AMARA ZATAAL HW ATP 都 是 以 Mg 络 合 物 的 形式 存在 的 。 那 么 ,昌明 无 怪 乎 大 多 数 利用 ATP 的 酶 均 以 MgATP2 -为 底 物 , 而 非 ATP4 。 代谢 途径 中 的 关键 步骤 10.9 FRAZER A\~ As 的 酶 促 互 转 作 用 的 假设 图 El E3 E, Bs Py UP Ro FA Fr as E, As 在 调节 代谢 物 Ag 浓度 方面 , 图 中 哪个 酶 是 最 适 的 调控 酶 ? PS 如 果 酶 El 受 高 浓度 As MRE, USHA, 生成 量 的 减少 。 并 同时 产生 A。 减少 二 KHAN, A 的 生成 是 由 酶 E, HLH, WEE, 是 代谢 调 榨 酶 , 则 不 会 出 现 上 述 的 情况 , 因 为 E; 才 是 催化 A, 生成 的 第 一 个 关键 步骤 的 酶 。 调控 信号 的 放大 10.10 磷酸 果糖 激酶 -果糖 - 1,6 -二 磷酸 酶 底 物 循环 是 否 有 能 量 损失 ? 答 , BEL, FA ATP 酶 , 底 物 循环 是 有 作用 缺陷 的 。ATP 虽 被 转化 成 ADP PRR, 7 第 10 章 代谢 :基本 原理 “255 , 却 并 无 1,6 -二 磷酸 果糖 的 净 生 成 。 但 这 一 损失 又 不 足以 与 其 优越 性 相 比 , 其 优越 性 是 以 低 物 循环 形式 赋予 动物 有 效 的 调控 机 制 。 细胞 内 的 区 室 化 作用 与 代谢 10.11 琥珀 酸 脱 氢 酶 ( 见 第 12 章 和 第 14 章 ) 催化 下 列 反应 , 10. 10. 10. 10. 10. 52 14 HE SHAR + FAD 一 ~ 延 胡 索 酸 +FADH2 将 大 鼠 的 肝脏 匀 浆 , 再 经 差 速 离心 分 离 各 细胞 器 , 最 后 测定 各 细胞 器 制备 液 中 琥珀 酸 脱氧 酶 的 活力 , 结 果 如 下 表 : 细胞 器 制备 液 琥珀 酸 脱 氢 酶 活力 ( 占 总 活力 的 百分数 ) /% 核 11 线粒体 75 溶 酶 体 6 质 膜 5 细胞 质 3 如 何 利用 这 些 数 据 来 研究 细胞 内 的 区 室 化 作用 ? 答 : 上 表 的 数据 显示 , 琥 珀 酸 脱 氢 酶 主要 在 线粒体 中 , 可 作为 线粒体 的 标志 酶 。 标 志 酶 可 以 用 来 判断 某 一 亚 细 胞 组 分 被 其 他 细胞 器 污染 的 程度 , 例 如 , 上 述 情况 中 , 很 明 显 地 看 出 核 的 制备 液 受到 线粒体 的 污染 。 补充 问题 溶液 的 渗透 压 可 由 下 列 方程 式 求 出 : x = RTa (10.36) a 表示 溶质 的 活 度 。 请 绘制 NCIAKHKESBRARZANKAA. 已 知 下 列 半 电 池 电 位 , GE2HIEE2S 个 Ey) =0.82V NAD* +H* +2e° = —=NADH E,)’ = —0.32V 计算 电子 传递 链 的 AGE. 由 ADP 和 磷酸 合成 ATP 的 AG? {88 30.5kJ mol-1, 假 设 每 合成 1 摩尔 ATP 将 有 两 个 质子 被 线粒体 ATP 酶 所 传导 , 利 用 习题 10.7 的 方程 式 (10.35) 来 计算 合成 ATP 所 需 的 最 大 的 Av fH. (Fem: Av 的 单位 是 kImol |, WAKE RRR mV 的 单位 , 以 得 出 作为 质子 动 势 Ab 户 的 An 值 ?) 计算 不 同 浓 度 的 NazSO4 溶液 的 离子 强度 : (a) 0.01 molL -1!; (b) 0.05 molL -1; (c) 0.1 molL~!; (d) 1.05malL At 鸡 肝 中 的 丙酮 酸 羧 化 酶 〈 见 第 12 章 ) 是 一 个 由 四 个 相同 的 亚 基 组 成 的 低 聚 物 。 该 酶 被 冷却 至 277K 以 下 便 会 失去 活性 。 假 设 酶 活性 的 丢失 预示 四 聚 体 解 聚 成 了 亚 基 , AA, CER ABA WER AA HH, TARA TE? (a) 乙醇 脱氧 酶 催化 下 列 反应 : CH;CH,OH + NAD*==CH;CHO + NADH + H* 请 推导 出 AG® BG pH 变化 的 关系 式 。(b) 已 知 该 反应 的 AG0' 为 18.5SkJmol-1,pH= 6 (T=298 K) NH AG® H447 乙酸 的 电离 式 如 下 : ee - 256° 生物 化 学 CH;COOH ==CH3;COO~ + H* 已 知 298 K Bt AG 和 AH® 分 别 为 27.1kJmol-! 和 -0.39kJmol”*. (a) 计算 298 K 时 反应 的 AS0。(b) 佑 算 反 应 在 323 K 时 的 平衡 常数 , 可 作 任 何必 要 的 假设 。 10.19 乙酰 磷酸 水 解 乙酰 磷酸 一 二 乙酸 + HER 已 知 298 K BY AG® 为 -42.3kJmol-!。 运 用 与 例 10.10 相似 的 机 理 , 从 理论 上 解释 下 列 哪 个 磷酸 酯 的 水 解 反 应 可 以 用 于 合成 乙酰 磷酸 ? (a) 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 一 ~3 -磷酸 甘油 酸 + 磷酸 (AG0 = —57 kJmol-) (b) 磷酸 肌 酸 一 ~ 肌 酸 + HER (AG*’ = — 42.7 kJmol ') (c) ADP 一 ~AMP + 磷酸 (AG0 = -27.6 kJmol-1) 10.20 控制 强度 (C) 描述 了 由 代谢 途径 中 酶 活力 的 改变 而 引起 的 通 量 的 相对 变化 情况 。 控制 强度 被 定义 为 : 9lnz Iu... U; C; = dae = Bu, ° U, (10.37) Ug 表示 流 经 代谢 途径 的 净 通 量 ,vi 是 流 经 E; 酶 催化 的 步骤 的 净 通 量 。 若 酶 的 底 物 过 量 存在 , 则 | [E; ] IU, j C; = ae a al (10.38) (提示 : 控制 强度 亦 可 表示 成 Ci = vi(avg/a 力 )/vg(avi/a 力 ) 力 是 任意 参数 。 底 物 浓 度 很 高 时 ,w 和 [E;] 之 间 有 何 关系 ?) 10.21 论证 : 在 线 型 的 序列 反应 中 所 有 酶 的 控制 强度 的 加 和 为 1。 糖 酵 解 作用 是 使 一 分 子 葡萄 糖 转化 成 两 分 子 丙酮 酸 的 过 程 。 糖 酵 解 作用 甚至 可 以 在 最 简 单 的 细胞 中 进行 , 并 且 不 需要 氧气 , 因 此 , 它 是 最 基本 的 代谢 途径 。 细 胞 内 的 糖 酵 解 作用 有 以 下 五 大 功能 : . 将 葡萄 糖 转化 成 丙酮 酸 , 丙 酮 酸 进 入 柠檬 酸 循环 被 氧化 (OLS 12 章 )。 . 使 葡萄 糖 以 外 的 很 多 化 合 物 在 中 间 阶 段 能 够 进入 代谢 途径 。 . 在 某 些 细胞 内 此 代谢 途径 被 调整 以 便 能 够 合成 葡萄 糖 。 . 糖 酵 解 途径 包含 一 些 与 旁 路 代谢 反应 相关 的 中 间 物 。 . 每 消耗 一 分 子 的 葡萄 糖 , 则 两 分 子 ADP 经 过 底 物 水 平 磷酸 化 作用 而 被 磷酸 化 , 产 生 两 分 子 ATP。 na 上 mi 一 问题 : 糖 酵 解 作用 总 的 配 平 的 化 学 方程 式 是 什么 ? CsHi20¢ + 2ADP + 2NAD* + 2Pi —>2C;H,O; + 2ATP + 2NADH + 2H* +2HO 葡萄 糖 丙酮 酸 该 反应 式 看 似 简 单 , 而 实际 上 却 隐 含 糖 酵 解 途径 的 复杂 性 , 糖 酵 解 途径 包含 有 9 个 中 间 化 合 物 和 10 个 酶 , 酶 都 存在 于 细胞 质 中 。 Spi 11.1 糖 酵 解 作用 的 平衡 反应 式 中 , 两 分 子 的 NAD+ 被 转化 成 了 两 分 子 NADH 和 两 个 质子 。 NAD* (BRR ES H— mM) 的 结构 式 如 图 11-1 所 示 。 这 是 还 原 反 应 , 辅 酶 NAD+ 接 H +Ht 9 1, i oc 1 on — 2 Grae = > ‘i O OCH, O +H* oO Cr OH +H:H HO OH ia | NH, 全 ~ +s HCY ty 区 Ke ‘ i WN Wz CH k - | one i y NADH+H* HO OH a CA 图 11-1 NAD* 和 NADH 的 相互 转化 ——————— ee 258 , 生物 化 学 受 了 等 当量 的 H- (和 所 阴 离子 )。 底 物 被 氧化 时 , 会 失去 H:H 结 构 中 的 电子 对 ,NAD 的 作 用 就 是 接受 这 些 电 子 。NAD- 分 子 中 接受 再 的 相应 部 分 是 芳香 族 的 吡啶 环 。 还 原 过 程 完成 后 , 即 产生 了 NADH 和 H-; 就 好 像 NAD 接受 2H 被 还 原 成 NADH 和 H , 而 NADH 和 给 出 2H 被 氧化 成 NAD -。 另外 两 个 辅酶 也 能 参与 氧化 还 原 过 程 ; 它们 是 黄 素 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 (FAD) PMR rey — tat BR RGR (NADP*), 4°48 11-2 fe, FAD 由 于 接受 了 2H MRIERR FADH,, 而 NADP-* 是 接受 了 HH- 才 被 还 原 成 NADPH fe H+* 的 。 这 两 个 还 原型 辅酶 也 可 以 给 出 百 (或 还 原 当 量 ) 而 被 氧化 , 与 NADH 的 氧化 过 程 相 似 。 催 化 这 些 氧 化 还 原 反 应 的 酶 是 有 选择 性 的 , 在 某 一 氧化 状态 下 会 选择 特定 的 辅酶 (NAD 或 NADP)。 N | H ii | HOCH HOGH HOCH aa | HOCH eae | CH, CH, l NH, ren: ae | Ne O ‘ ‘ “4 i Ee o=p—0 0 Ta Teepee ame: | HC by | ae 一 2 i O n HW ’ N ON 0 一 P 一 0 一 CH, a Oo oO HO OH HO OH FAD FADH, H +H* H H 2 CONH, CONH, . 5 & GN ‘+ N a O O | =P—0O —P—OCH, 0 一 P 一 0 一 P 一 OCH, NO o ¢ em HO any, ae HO OH NH, -H:H ne N ot) rai). CH? CH? | ' O ao). DSP or HO oO Gees : | O on NADP* NADPH 图 11-2 FAD/FADH, 和 NADP+/NADPH 的 氧化 还 原 反 应 Hie BK 谢 糖 酵 解 过 程 的 步骤 如 下 : 1. a -D -葡萄 糖 被 磷酸 化 为 6 -磷酸 oe - D -和 葡萄糖。 已 糖 激酶 催化 此 反应 , 并 需要 ATP 和 Mg 的 参与 。 O Bip y | CH,OH J O Mg** O OH +P OH + ADP HO OH HO OH OH OH “-D- 葡 萄 粳 6 一 磷酸 "-p- 葡 萄 糖 果糖 。 这 是 可 逆反 应 。 CH, oto Pi D- 果 糖 4. 1,6 -二 磷酸 c - D -果糖 裂解 。i 催化 ; 此 酶 通常 简称 为 缩 醛 酶 。 O | a get Oo 2. 在 6 -磷酸 葡萄 糖 异 构 酶 的 作用 下 ,6 -磷酸 6- BERR wx-D- 葡 萄 糖 3. 6 -磷酸 a -D -果糖 被 磷酸 化 成 1,6 -二 磷酸 a -D -果糖 。 反应 由 磷酸 果糖 激酶 催化 , 并 需 要 ATP 和 Mg2+ 的 参与 。 0 CH,OH or ATP Ms. -D -葡萄 糖 被 异 构 化 , 成 为 6 -磷酸 a -D- 6- 磷 酸 w-D- 果 糖 CH,O— to gt eno Lo = + ADP a 这 是 一 个 可 逆反 应 , 由 1,6 -二 磷酸 c - D -果糖 缩 醛 酶 1 ae oe OF ii lal -一 一 satin Q- + C=O O | CHO CHOH 3- 磷酸 D- 甘 油 醛 RRA * 260 - 生物 化 学 由 1 .6- 二 磷酸 oe - D -果糖 的 开 链 式 看 出 , 第 四 步 的 反应 机 制 是 醛 醇 缩 合 反应 。 下 面 的 反 应 式 标明 了 两 产物 中 碳 原子 的 来 源 。 人 THD 一 一 9 quo 下 -CHEO 一 让 -Or 2 - | me 5 wOH . i O=C i O 全 | H' i CHOH 3- 磷 酸 D- 甘 油 醛 ”磷酸 二 羟 两 一 5. 是 异 构 化 反应 。 在 磷酸 丙 糖 异 构 酶 的 催化 下 , 磷 酸 二 羟 丙 酮 和 3 -磷酸 甘油 醛 可 以 相互 转 化 。 r r ET a jing, cease Bs a wh a os CH,OH | ate RMS 3 -磷酸 D-H Ee 由 第 四 步 和 第 五 步 综 合 起 来 看 , 一 分 子 的 1, 6 -二 磷酸 c -D -果糖 产生 了 两 分 子 的 , 3 -磷酸 甘油 醛 。 一 分 子 葡萄 糖 转化 成 两 分 子 3 -磷酸 甘油 醛 的 过 程 被 称 为 是 糖 酵 解 途径 的 第 一 阶段 , (第 一 步 和 第 三 步 ) 需要 两 分 子 ATP 供 能 。 剩 余 的 五 步 反 应 是 糖 酵 解 过 程 的 第 二 阶段 , 这 一 阶段 中 每 产生 两 个 上 述 三 碳化 合 物 将 由 ADP 生成 两 分 子 ATP。 问题 : 糖 酵 解 作用 的 总 反应 是 如 何 使 每 一 分 子 葡 萄 糖 净 生 成 两 分 子 ATP 的 ? CsH2Osc+2ADP+2NAD- + 2Pi —>2C;,H,O; + 2ATP + 2NADH + 2H* + 2H,O 在 糖 酵 解 过 程 的 第 一 阶段 中 , 一 分 子 的 葡萄 糖 生成 了 两 分 子 的 3 -磷酸 甘油 醛 。 在 第 二 阶段 中 , 每 一 分 子 的 3 -磷酸 甘油 醛 又 可 以 产生 两 分 子 ATP。 因 此 , 每 一 分 子 葡萄 糖 净 生 成 Bist ATP. 6. 3 -磷酸 甘油 醛 被 氧化 成 1, 3 -二 磷酸 甘油 酸 , 伴 有 羧 酸 的 磷酸 化 。 该 反应 由 3 -磷酸 甘油 醛 脱 所 酶 催化 。 1 T a al Veco he NAD* Pi + os iki te == HCOH.. Oj + NADH + H* CHO | r ae a O 3 -磷酸 D -甘油 醛 D-1,3- 二 磷酸 甘油 酸 7. FEDER HTH PTH HEAL T, 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 被 转变 成 3 -磷酸 甘油 酸 。 这 是 一 个 产能 反应 , 生 成 ATP。 第 11 章 糖 代 谢 | O CH,O—P—O- | | CHO eat at ae O- ADP = Ai a7 + ATP y Oi aoa COO7 apy ge D-1,3 -二 磷酸 甘油 酸 D - 3 -磷酸 甘油 酸 8. 在 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 的 催化 下 ,3 -磷酸 甘油 酸 异 构 化 为 2 -磷酸 甘油 酸 。 Caer Ge CH,OH O sade HCOH 三 三 HOO—P—O- coo" | O COO- D - 3 -磷酸 甘油 酸 D- 2 -磷酸 甘油 酸 9. 在 烯 醇化 酶 的 催化 下 ,2 -磷酸 甘油 酸 脱水 生成 磷酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 。 该 反应 需要 Mg” 的 参与 。 CH2OH O VA Mg?* | | Me 和 人 +H,0 | oe on COO ™ COO™ 要 D-2 -磷酸 甘油 酸 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 10. 是 糖 酵 解 过 程 的 最 后 一 步 。 在 丙酮 酸 激酶 的 催化 下 , 磷 酸 炳 醇 式 丙酮 酸 被 不 可 逆 地 转变 为 丙酮 酸 。 这 是 糖 酵 解 过 程 中 的 第 二 个 产能 步骤 , 生 成 ATP, 也 需要 Mg 的 参与 。 lhe ae Oe app“®> Co +ATP Oo COO- COO- Dene MG RSC TAA 丙酮 酸 问题 : 糖 酵 解 过 程 的 第 1,3,10 步 有 什么 共性 ? 这 三 个 步骤 都 是 不 可 逆 的 , 是 糖 酵 解 作 用 的 关键 步 又。 Pil 11.2 A — LAST vA dip Hil HEE ARISE PRM TS E, A A HE Hp al BR, Ao, 3 - 磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 可 受 碘 代 已 酰胺 的 抑制 。 有 砷 酸 离 子 存 在 时 ,3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 可 以 众 化 3 -磷酸 甘油 醛 转变 为 砷 酸 磷酸 甘油 , 砷 酸 磷酸 甘油 又 可 自发 水 解 生 成 3 BR HH ih ES 砷 酸 。 虽 然 砷 酸 并 不 是 酶 的 抑制 剂 , 但 却 导 致 研 酸 甘 油 酸 激酶 众 化 的 反应 无 ATP 生成 。 这 便 是 砷 酸 中 毒 的 反应 之 一 。 糖 酵 解 作用 的 能 量 学 一 分 子 葡萄 糖 转变 成 两 分 子 丙酮 酸 的 过 程 是 放 能 过 程 〈 见 第 10 章 )。 将 两 Gg - 261» Lee eee + 262 、 生物 化 学 CsHi20g HUO: AG’ = -147 kJmol-: 分 子 ADP 底 物 水 平 的 磷酸 化 过 程 与 葡萄 糖 的 降解 过 程 偶 联 起 来 看 , 葡 萄 糖 的 自由 能 仍 减 少 很 多 , 虽 然 ADP 的 磷酸 化 是 吸 能 反应 : ADP + Pi ATP + H,O AG*’ = + 30 kJmol”! 由 于 生成 两 分 子 ATP 所 需 的 自由 能 变化 是 + 60kJ, 那 么 葡萄 糖 一 ~2 个 丙酮 酸 和 2ADP 一 ~ 2ATP 的 偶 联 反应 便 是 : CiH20g + 2Pi+2ADP —>2C3H,O; +2ATP+2H2O AG” = -147+60= -87 kJmol-: ee Ne 然 是 可 以 进行 的 。 -30 放 能 = ae ¥ 0 = 2? 10 epee peo me 之 区 村 四 # 吸 能 全 Ping +30 图 11-3 糖 酵 解 反 应 的 自由 能 糖 酵 解 过 程 中 , 有 四 个 步骤 是 放 能 的 , 是 易 发 生 的 反应 (图 11-3), 既 包括 ATP 的 水 解 过 程 (步骤 1 和 3), 也 包含 ATP 的 生成 过 程 〈 步 又 7 和 10)。 虽 然 糖 酵 解 的 总 反应 过 程 倾向 于 丙酮 酸 的 生成 , 但 自由 能 的 变化 却 并 不 很 大 。 这 提示 不 需要 供给 大 量 的 能 量 即 可 使 大 轿 部 分 步骤 发 生 逆转 。 若 葡萄 糖 完全 氧化 成 CO : C6HizOg+609: —6CO, + 6H,0 标准 自由 能 的 变化 为 - 2 870 kJ mol !。 与 葡萄 糖 转化 为 丙酮 酸 的 (AG" = — 87 kJ mol *) 相 比 较 , 可 以 看 出 , 丙 酮 酸 生成 过 程 放 出 的 能 量 只 相当 于 葡萄 糖 完全 氧化 的 3%。 糖 酵 解 过 程 的 调控 步 怠 与 所 有 的 代谢 途径 一 样 , 糖 酵 解 过 程 的 速率 是 受 控制 的 。 有 三 个 控制 步骤 。 第 一 调控 步骤 糖 酵 解 过 程 的 第 工 步 便 是 其 第 一 调控 步骤 。 这 一 步 中 , 在 已 糖 激 酶 的 催化 下 , 葡 萄 糖 被 转化 为 6 -磷酸 葡萄 [ 葡萄糖 ](mmolL) 糖 。 己 糖 激 酶 存在 于 所 有 的 细胞 中 , 能 够 催化 很 多 己 糖 及 己 糖 衍生 物 的 磷 图 11-4 己 糖 激酶 与 葡萄 糖 激酶 催化 葡萄 糖 磷酸 化 酸化 反应 , 并 非 葡 萄 糖 的 特异 性 酶 。 速率 随 葡萄 糖 浓度 变化 的 曲线 。 己 糖 激酶 的 K,, 值 Piece 8 wil -磷酸 葡萄 | 远 远 小 于 葡萄 糖 激酶 的 糖 浓 度 的 调控 , 一 过 程 被 称 为 产物 | 1.0 己 糖 激 酶 K,, = 0.1 mmol/L 反应 的 相对 速率 Oo 葡萄 糖 激 酶 K,, = 10mmolI +, TW ATP. NADH, fe. K REAR RBM , ATP 的 量 少 。 这 种 情况 下 , 磷 酸 果糖 激酶 被 激 第 11 章 糖 代 谢 抑制 作用 。 在 哺乳 动物 细胞 内 , 这 样 的 调节 功能 有 两 个 目的 。 中 如 果 细 胞 内 有 足够 的 6 ie 酸 葡萄 糖 供给 能 量 需 求 , 那 么 在 这 一 细胞 内 后 续 的 葡萄 糖 磷酸 化 作用 将 被 减弱 。 包 如 大 葡萄 糖 供 给 不 断 , 则 在 其 清除 速率 〈 将 它 转 化 为 6 -磷酸 葡萄 糖 ) 降低 后 , 血 糖 浓度 会 增高 。 这 便 使 得 葡萄 糖 更 有 利于 被 另 一 个 磷酸 化 酶 , 葡 萄 糖 激 酶 所 利用 。 和 葡萄 糖 激 酶 是 葡萄 糖 的 特异 性 酶 , 仅 存在 于 肝脏 中 , 同 样 能 够 催化 葡萄 糖 成 为 6 -磷酸 葡萄 糖 。 图 11- 4 给 出 了 己 糖 激 酶 〈 存 在 于 所 有 细胞 中 ) 与 葡萄 糖 激 酶 〈 仅 存 于 肝 细胞 中 ) 的 相对 活力 。 正常 情况 下 , 所 有 细胞 都 可 以 从 血液 中 获取 和 葡萄糖。 己 糖 激酶 的 低 K,, 值 (0.1mmolL ") 提 示 即 使 血液 葡萄 糖 浓 度 较 低 , 其 也 能 快速 进入 细胞 并 被 转化 为 6 -磷酸 葡萄 糖 , 再 进入 糖 酵 解 途径 。 由 于 细胞 需要 能 量 , 因 此 6 -磷酸 葡萄 糖 浓度 会 增高 , 从 而 减弱 己 糖 激 酶 活力 。 若 血糖 浓度 大 量 升 高 (如 摄取 高 糖 饮食 后 ), 则 肝脏 葡萄 糖 激酶 活力 提高 以 维 持 葡萄 糖 流 通 。 因 为 已 糖 激 酶 已 完全 被 葡萄 糖 所 饱和 , 但 葡萄 糖 激 酶 只 有 在 葡萄 糖 浓 度 大 于 其 Ku 值 (10mmolL 一 ) 时 才能 以 接近 最 大 反应 速率 的 状态 发 挥 作用 。 此 外 , 和 葡萄 糖 激酶 不 受 6 -磷酸 葡萄 糖 的 抑制 。 这 两 个 酶 的 相互 影响 确保 了 葡萄 糖 过 剩 时 可 在 肝脏 内 被 转化 成 6 -磷酸 葡萄 糖 。 第 二 调控 步骤 糖 酵 解 途径 的 第 三 步 , 由 磷酸 果糖 激酶 催化 的 6 — 磷酸 果糖 向 1,6- 二 磷酸 果糖 的 转化 , 是 第 二 调控 步 又。 问题 : 哪个 酶 是 调控 糖 酵 解 途径 的 关键 酶 ? 磷酸 果糖 激酶 是 糖 酵 解 途径 的 关键 酶 , 是 一 个 变 构 酶 , 活 性 受 多 种 与 能 量 传导 相关 的 因素 的 调节 。 ADP 或 AMP 可 以 提高 磷酸 果糖 激酶 的 活 是 抑制 其 活性 。 当 细胞 处 于 低能 状态 时 , 与 正 常 状态 时 的 相 比 ,ADP 和 AMP 的 量 多 , 而 活 , 与 底 物 6 -磷酸 果糖 的 亲和力 较 高 (图 11-5$)。 当 细胞 处 于 高 能 状态 时 , 则 是 ATP 的 量 多 , 而 ADP 和 AMP 的 量 少 。 在 这 种 情况 o ae" FP, ATR 与 磷酸 果糖 激酶 的 调节 位 点 相 结合 , 引起 其 反应 速度 曲线 由 双 曲 线 变 成 S 形 , 酶 与 图 11-5 在 高 或 低 浓度 ATP 存在 时 , 磷 酸 果糖 底 物 的 亲和力 降低 , 反 应 速度 下 降 。 激酶 催化 6 -磷酸 果糖 磷酸 化 的 速率 图 [6- 磷酸 果糖 ]/(mmolL 问题 : FER. NADH 和 长 链 脂 肪 酸 都 能 抑制 磷酸 果糖 激酶 的 活性 。 那 么 这 些 物 质 的 量 是 通过 哪些 步骤 被 提高 的 ? 它们 作用 的 意义 何在 ? 胞 浆 内 NADH 的 生成 是 在 糖 酵 解 途径 的 第 六 步 , 高 浓度 的 此 还 原 产 物 暗示 细胞 处 于 高 能 状态 ;因而 葡 萄 糖 的 降解 速率 不 会 提高 。 大 量 的 长 链 脂肪 酸 是 由 甘油 三 酯 ( 见 第 13 章 ) 降解 产生 的 , 而 柠檬 酸 则 是 部 分 BER ( 见 第 15 章 ) 的 降解 产物 。 这 些 物 质 有 利于 三 羧 酸 循环 中 的 氧化 反应 , 所 以 , 为 了 储存 葡萄 糖 而 抑 制 磷酸 果糖 激酶 。 + 263 ° + 264+ 生物 化 学 第 三 调控 步骤 糖 酵 解 途径 的 第 十 步 , se Ee 1 SR PH OO CT IE 三 调控 步骤 。1, 6 -二 磷酸 果糖 和 磷酸 稀 醇 式 丙 酮 酸 是 丙酮 酸 激酶 的 激活 剂 ,ATP、 柠檬 酸 和 长 链 脂肪 酸 是 它 的 抑制 剂 。 这 表明 丙酮 酸 激酶 受 调节 的 方式 类 似 于 磷酸 果糖 激酶 ;在 细胞 处 于 高 能 状态 或 能 得 到 替代 葡萄 糖 的 燃料 时 , 这 两 种 酶 均 受 抑制 。 另 外 , 与 磷酸 稀 醇 式 丙 酮 酸 (丙酮 酸 激酶 的 底 物 ) 一 样 ,1, 6 -二 磷酸 果糖 (磷酸 果糖 激酶 催化 的 反应 产物 ) 也 能 激 活 丙酮 酸 激酶 。 这 都 是 类 似 于 电子 电路 系统 的 正 前 人 钙 控 制 的 实例 。 低 水 平 的 ATP 使 磷酸 采 糖 激酶 被 激活 , 产 生 丙 酮 酸 激酶 的 第 一 个 激活 剂 (1,6 -二 磷酸 果糖 ), 最 终 该 激活 剂 又 被 转 变 为 丙酮 酸 激酶 的 第 二 个 激活 剂 (磷酸 稀 醇 式 丙酮 酸 )。 这 两 种 能 加 速 糖 酵 解 的 酶 之 间 的 协 同 作用 随 着 酶 结合 底 物 能 力 的 变化 也 可 阻碍 反应 进程 。ATP 浓度 增高 时 , 这 两 种 酶 都 受 抑 制 。 磷 酸 果糖 激酶 活力 降低 则 6 -磷酸 果糖 浓度 上 升 , 又 由 于 6 -磷酸 果糖 与 6- 磷酸 葡萄 糖 可 以 相互 转化 〈 通 过 6 -磷酸 葡萄 糖 异 构 酶 的 作用 ), 引 起 6 -磷酸 葡萄 糖 的 增多 , 最 终 抑制 己 糖 激酶 (图 11-6)。 低能 状态 由 ee 高 [ADP, AMP] SS wut 一 SAR aCe came nee or ® 高 能 状态 S) ‘S) 高 [ATP] © 6-H 一 6- 磷酸 葡萄 精 一 ~ BS ORR comme = RR — ame 图 10-6 MRREHIAE. B= KFA; O= Mae 不 仅仅 是 糖 酵 解 过 程 受 己 糖 激酶 、 磷 酸 果 糖 激 酶 、 丙 酮 酸 激酶 的 调控 , 若 细胞 处 于 高 能 状态 , 或 胞 内 葡萄 糖 量 充 足 , 或 两 种 情况 兼 而 有 之 , 过 剩 的 葡萄 糖 不 被 组 织 降解 , 而 是 被 肝 内 的 葡萄 糖 激 酶 有 选择 地 捕获 , 合 成 糖 原 储存 在 肝脏 中 〈 见 11.5)。 11.2 丙酮 酸 的 去 向 所 有 细胞 内 都 会 发 生 由 一 分 子 葡萄 糖 生 成 两 分 子 丙酮 酸 的 反应 。 这 一 过 程 有 三 个 重要 的 特性 : @ 不 需要 氧 的 参与 ; @ 经 底 物 水 平 的 磷酸 化 作用 , 两 分 子 ADP 被 磷酸 化 ; OMT NAD+ 被 还 原 。 细 胞 内 丙酮 酸 的 去 向 与 以 下 三 个 条 件 相 关 。O@ 和 氧 的 可 获得 性 ; OHA FER 状况 ; @NADH 被 氧化 成 NAD 的 机 制 。 问题 : 为 什么 糖 酵 解 途径 中 产生 的 NADH 必须 被 氧化 成 NAD 才能 被 再 循环 利用 ? 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 催化 的 反应 〈 糖 酵 解 途径 的 第 六 步 ) 需要 NAD 的 参与 , 因 而 , NAD* (LER SURG, te BREA EF AEG ALE TA EAE ANN PBF AY) NADH 3% NAD* ;它们 在 机 制 上 必须 能 够 相互 转化 , 以 便 被 它们 参与 的 反应 所 利用 。 还 有 一 个 控制 丙酮 酸 去 癌 的 条 件 是 产生 丙酮 酸 的 细胞 的 类 型 , 因 为 一 些 细胞 〈 如 血红 细 胞 ) 缺乏 将 丙酮 酸 彻 底 氧 化 为 CO, 的 代谢 能 力 。 Allez 8 KR 谢 丙酮 酸 彻底 氧化 为 CO, 一 摩尔 的 葡萄 糖 完全 氧化 为 CO, 释放 出 2 870 kj 自由 能 。 而 在 一 摩尔 葡萄 糖 转化 为 两 摩尔 丙酮 酸 的 过 程 中 , 仅 能 释 出 上 述 能 量 的 3% , 仅 产生 两 摩尔 ATP。 若 可 将 丙酮 酸 彻底 氧 化 为 CO, 细胞 还 是 可 以 利用 大 部 分 其 余 能 量 的 。 丙酮 酸 完全 氧化 的 化 学 反应 为 : C,H,O,+2 50: —+3C0, +2H,0 此 反应 式 实际 上 表达 了 两 个 氧化 反应 过 程 , 第 一 个 是 丙酮 酸 在 三 羧 酸 循环 (NA 12 章 ) A 被 氧化 为 CO : C;H,O; + 3H,O0 —>3CO, + 10H 该 反应 中 , 一 分 子 丙 酮 酸 生 成 了 10 倍 量 的 H, 还 有 一 分 子 ADP 被 直接 磷酸 化 。 第 二 个 反应 是 : 10H+2 FO —>5H,0 描述 的 是 10 个 HET RE 〈 见 第 14 章 ) 中 的 氧化 过 程 , 伴 有 14 分 子 ADP 的 磷酸 化 。 这 是 由 氧化 磷酸 化 作用 而 引起 的 磷酸 化 。 结 果 , 由 于 被 彻底 氧化 为 CO*, 一 分 子 丙酮 酸 导 致 了 15 分子 ADP 的 磷酸 化 。 葡 萄 糖 被 降解 为 2 分 子 丙酮 酸 时 , 只 生成 2 分 子 ATP, 而 2 分 子 丙酮 酸 却 能 产生 30 分 子 的 ATP。 产 生 ATP 要 依赖 两 个 因素 : @ 细 胞 必须 能 够 进行 柠檬 酸 循环 和 电子 传递 ; @ 必 须 有 氧 的 供给 。 若 缺少 任何 一 个 因素 , 都 不 能 产生 30 分 子 的 ATP. 如 , 哺 乳 动物 的 细胞 中 , 血 红细胞 是 不 能 进行 柠檬 酸 循环 和 电子 传递 的 , 因 为 它 不 含 线 粒 体 。 激 烈 活 动 时 , 骨 骼 肌 完 全 氧化 丙酮 酸 的 能 力 有 限 , 也 是 因为 骨骼 肌 细 胞 内 的 线粒体 比 其 他 细胞 的 少 得 多 , 所 以 , 肌 肉 活动 产生 的 丙酮 酸 不 能 被 完全 氧化 掉 。 丙酮 酸 转化 成 乳酸 如 果 细 胞 缺乏 氧化 丙酮 酸 的 能 力 , 那 么 ,ATP 的 生成 会 使 糖 酵 解 过 程 受 到 限制 。 若 细 胞 能 获得 足够 的 葡萄 糖 , 在 有 ADP. NAD* 和 Pi 存在 时 , 丙 酮 酸 则 可 被 分 解 掉 。 所 有 细胞 内 都 有 足够 的 ATP 的 水 解 产 物 ADP 和 Pi, 但 NAD+ 的 量 却 有 限 。 糖 酵 解 过 程 中 只 有 第 六 步 是 氧化 反应 ,3 -磷酸 甘油 醛 被 氧化 成 1, 3 -二 磷酸 甘油 酸 , 同 时 NAD-* 被 还 原 成 NADH。 为 了 糖 酵 解 过 程 能 够 继续 进行 ,NADH 必须 被 再 氧化 为 NAD-* 。 在 血红 细胞 和 活化 的 肌 细 胞 自 而 弥散 出 细胞 。 该 反应 由 乳酸 脱 氢 酶 催化 : CH; ‘ia +NADH + H* == are + NAD* COO™ COO- 丙酮 酸 AR ”任何 哺乳 动物 细胞 都 含有 乳酸 脱 氢 酶 , 其 活性 随 组 织 的 不 同 而 不 同 。 因 为 此 酶 有 五 种 被 和 称 为 同 工 酶 的 类 型 , 每 一 种 都 对 丙酮 酸 有 明显 不 同 的 K。 值 。 每 一 个 乳酸 脱 氢 酶 同 工 酶 都 由 时 四 个 亚 基 组 成 , 亚 基 有 M、H 两 类 。 五 种 乳酸 脱 氢 酶 同 工 酶 分 别 是 My. M3H, MoH). MH; AH. CBM, 对 丙酮 酸 虽 有 较 大 的 玉 。 值 (亲和力 低 ), 但 转化 数 几乎 为 了 的 两 倍 。 这 表明 丙酮 酸 浓度 较 高 时 ,M4 转化 丙酮 酸 为 乳酸 的 速率 要 比 同等 量 H, 的 大 得 多 。 虽 然 同 工 iH, 对 丙酮 酸 有 较 小 的 K, A (亲和力 高 ), 但 由 于 转化 数 低 , 结 果 在 丙酮 酸 浓度 较 高 时 , 其 转化 丙酮 酸 为 乳酸 的 速率 比 同等 量 Ms 的 小 。 另 外 ,H4 的 活性 会 受 高 浓度 丙酮 酸 的 抑制 。 其 他 几 个 同 工 酶 的 受 抑制 程度 介 于 这 两 种 酶 之 间 。 很 多 细胞 含有 的 五 种 乳酸 脱 氢 酶 同 工 酶 的 量 有 所 不 同 , 如 , 骨 骼 肌 细 胞 中 以 同 工 酶 M4 为 主 , 而 心肌 细胞 中 以 同 工 酶 H, 为 主 。 实 际 中 ,NADH 的 再 氧化 是 通过 丙酮 酸 被 还 原 为 乳酸 的 反应 来 完成 的 , 乳 酸 经 特异 的 膜 转运 蛋 * 265° * 266° 生物 化 学 ATP 和 TY 乳酸 乳酸 脱氧 酶 丙酮 酸 ATP 图 11-7 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 和 乳酸 脱 氢 酶 催化 的 反应 之 间 的 互 辅 关系 图 程 和 ATP 生成 过 程 能 够 继续 进行 。 丙酮 酸 转 化 为 乙醇 上 , 心 肌 细 胞 中 同 工 酶 Hy XT 酮 酸 的 低 转化 数 和 其 受 两 酮 酸 的 抑制 作用 , 与 细胞 倾向 于 将 丙酮 酸 氧化 为 CO; 是 一 致 的 ; 与 此 所 不 同 的 是 , 在 活化 的 骨 骼 肌 细 胞 中 , 倾 向 于 将 丙酮 酸 氧化 为 乳酸 。 肝 细胞 能 将 丙酮 酸 氧化 为 CO,, 且 肝 细 胞 内 的 乳酸 脱 氢 酶 又 是 以 对 丙酮 酸 亲 和 力 低 的 同 工 酶 My 为 主 的 。 因 此 , 乳 酸 由 血液 进入 肝脏 后 , 被 迅速 转化 为 丙酮 酸 。 图 11 -7 是 被 称 为 乳酸 发 酵 的 代谢 图 。 两 个 脱 氢 酶 , 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 与 乳酸 脱 氢 酶 之 间 的 辅 反 应 物 循环 , 确 保 了 氧化 态 NAD 的 再 生成 , 以 便 糖 酵 解 过 程 、 和 乳酸 发 酵 过 丙酮 酸 还 有 另 一 个 不 太 重 要 的 去 路 , 该 过 程 不 发 生 在 哺乳 动物 组 织 中 。 一 些 有 机 体能 在 有 氧 或 无 氧 条 件 下 生存 , 被 称 为 兼 性 厌 氧 菌 , 它 们 能 够 调节 自身 的 代谢 以 适应 有 氧 或 缺 氧 环 境 。 最 重要 的 碌 性 厌 氧 菌 是 酵母 菌 。 酵 母 菌 可 将 葡萄 糖 氧 化 为 丙酮 酸 , 然 后 在 有 氧 条 件 下 , 再 把 丙酮 酸 氧化 为 CO;。 若 在 缺 氧 条 件 下 , 则 启动 NAD 的 再 生 途 径 。 酵 母 菌 中 不 含 乳酸 脱 氢 酶 , 但 包含 不 存在 于 哺乳 动物 细胞 中 的 丙酮 酸 脱羧 酶 。 此 酶 催化 丙酮 酸 向 己 醛 的 转化 反 应 ; 而 后 , 再 经 含 Zn 的 乙醇 脱 氢 酶 的 催化 , 乙 醛 被 还 原 为 乙醇 。 乙醇 发 酵 过 程 的 最 后 一 步 与 乳酸 发 酵 过 程 的 相似 。 这 两 个 反应 都 能 再 产生 NAD*, REM 低 分 子 量 的 、 水 溶 的 、 可 弥散 出 细胞 代谢 终 产 物 。 在 乙醇 发 酵 的 过 程 中 , 第 二 步 反 应 是 可 逆 的 , 对 于 厌 氧 酵母 菌 细胞 , 若 能 获得 氧 , 则 乙醇 被 氧化 为 乙 醛 。 乳 酸 发 酵 过 程 中 乳酸 可 以 被 吓 氧化 成 丙酮 酸 , 而 乙醇 发 酵 与 此 不 同 , 不 能 由 乙 醛 生成 丙酮 酸 。 但 乙 醛 却 可 以 被 转化 为 乙 酸 , 最 终 在 三 羧 酸 循环 中 被 彻底 氧化 为 CD。 乙酸 的 氧化 生成 了 8 个 H, 这 生 8 个 互 在 氧化 ie CHO +NADH+H*t=— CH,OH +NAD* CRE CH; CH; OS i Ce), ee COO- 丙酮 酸 ZR CH; 乙醇 ERB (WL 14 章 ) 过 程 中 可 产生 ATP: 总 反应 式 为 , CH;COOH + 2H,0 —~2CO, + 8H 8H + 20, —4H50 “eet * fe Ble 糖 KR 谢 . . CH3COOH + 20, —~2CO, + H2,0 11.3 BFE 问题 ; 前面 已 经 叙述 了 组 织 可 以 分 解 葡萄 糖 , 那 么 是 否 也 可 以 合成 葡萄 糖 呢 ? 是 的 , 但 只 有 部 分 组 织 有 合成 葡萄 糖 的 能 力 。 哺乳 动物 细胞 中 , 葡 萄 糖 是 最 丰富 的 碳水 化 合 物 的 能 量 源 。 葡 萄 糖 可 以 作为 糖 酵 解 的 燃 料 在 任意 细胞 内 被 代谢 , 也 可 以 作为 糖 原 聚合 物 被 储存 在 肝脏 和 肌肉 中 。 有 些 组 织 含有 的 酶 在 一 定 条 件 下 能 催化 葡萄 糖 的 合成 。 合 成 葡萄 糖 所 需 的 条 件 是 : 四 碳 骨 架 (不 同类 型 的 碳 架 结构 ) 的 可 获得 性 ; @ 反 应 需要 的 、 以 ATP 形式 储存 的 能 量 ; ORELR MH. .用 于 合成 葡萄 糖 的 碳 骨 架 并 非 直接 来 源 于 碳水 化 合 物 , 是 由 特定 的 氨基 酸 衍生 而 来 的 。 只 有 乳酸 的 碳 架 是 例外 , 和 乳酸 本 身 是 糖 代 谢 的 产物 , 也 能 被 结合 成 新 的 葡萄 糖分 子 。 由 非 糖 的 前 体 化 合 物 合成 新 的 葡萄 糖分 子 的 过 程 , 称 为 糖 异 生 作用 。 问题 : 糖 酵 解 途 径 可 以 反 向 进行 吗 ? 即 丙酮 酸 可 以 被 转化 为 葡萄 糖 吗 ? 由 于 糖 酵 解 途径 中 有 三 个 不 可 逆 步 又, 因此 无 法 直接 逆向 进行 , 但 通过 附加 一 些 反 应 , 丙 酮 酸 可 以 被 转化 为 葡萄 糖 。 2 糖 醇 解 途径 中 的 三 个 不 可 逆 步 又 分 别 是 由 己 糖 激酶 〈 肝 脏 中 为 葡萄 糖 banal SCE). ESR LG 7 PR LR HE |e meas / aac ii. CROMER — °aeeee 含 可 使 这 三 步 反应 逆向 进行 的 酶 。 这 mead 样 的 话 , 通 过 糖 酵 解 途径 的 其 他 步骤 mase| B | 磷酸 果糖 激 酶 a AT 的 碳 原子 的 净 通 量 是 可 逆 的 。 图 11-8 1, 6 一 二 磷酸 果糖 给 出 了 糖 异 生 作用 和 糖 酵 解 作用 的 简 要 过 程 。 丙 酮 酸 被 转化 为 葡萄 糖 时 , 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 经 糖 酵 解 途径 净 逆 转 , 将 有 三 个 非 糖 | | 7a BRERA. | Ame ACR, AMR kLHRRES 式 丙酮 酸 , 是 通过 一 个 迁 回 过 程 完成 pe 的 。 首 先 丙酮 酸 进 入 线粒体 , 因 为 糖 Wat Ge Seal is 异 生 作用 必须 在 高 能 状态 下 才能 进行 。 绕 过 了 ( 糖 酵 解 净 通 量 反 方向 的 ) AMR 在 此 条 件 下 , 线 粒 体 丙酮 酸 羧 化 酶 催化 丙酮 酸 转化 为 草 酰 乙 酸 ; ab: are 4 eat PHCOs-+ ATE = ray + ADP COO- yO bm 丙酮 酸 草 酰 乙酸 丙酮 酸 羧 化 酶 是 受 乙 酰 - CoA 调节 的 变 构 酶 , 与 Mg2+ 离子 和 辅 基 生 物 素 结合 在 一 起 。 线 粒 体 处 于 高 能 状态 时 , 乙 酰 - CoA 和 ATP 的 浓度 也 相对 较 高 , 即 酶 的 调节 剂 和 能 量 的 可 得 性 较 高 。 随 后 , 草 酰 乙 酸 在 线粒体 内 被 转化 为 苹果 酸 : 267 * 268 - 生物 化 学 li COO- CH,COO™ C—O + NADH+ H* == aa + NAD* | COO- COO- 草 酰 乙酸 苹果 酸 后 续 的 反应 是 在 细胞 液 中 进行 的 。 苹 果 酸 借助 于 二 羧 酸 载体 被 转运 入 细胞 液 中 , 并 需要 有 Pi 或 二 羧 酸 阴 离子 的 介入 。 二 羧 酸 载 体 只 对 苹果 酸 、 琥 珀 酸 和 延 胡 索 酸 有 特异 性 。 随 后 , 经 胞 浆 苹 果 酸 脱 氢 酶 的 催化 , 细 胞 液 内 的 苹果 酸 又 转变 成 草 酰 乙 酸 : CH,COO™ Se HCOH Bish ees + NADH + H* COO OO ERM 草 酰 乙 酸 由 于 没有 直接 的 机 制 , 所 以 上 述 两 个 反应 对 于 将 草 酰 乙酸 从 线粒体 内 转运 入 细胞 液 内 是 必要 的 。 随 后 , 细 胞 液 内 的 草 酰 乙酸 被 不 可 逆 地 转化 为 磷酸 烽 醇 式 丙 酮 酸 , 此 过 程 需要 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 激酶 的 催化 , 而 该 酶 只 有 在 ATP 浓度 较 高 时 才 起 作用 : Meee tee i if ah GTP > 6-0" Po | = Cee COO COG Gn 草 酰 乙酸 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 以 上 四 步 反 应 将 丙酮 酸 转 化 为 了 磷酸 烽 醇 式 丙 酮 酸 (图 11 - 8 PRA), HAST 酵 解 途径 中 由 丙酮 酸 激酶 催化 〈 第 10 步 ) 的 不 可 逆反 应 。 糖 酵 解 第 9 步 向 第 4 步 的 逆向 反应 是 需要 消耗 能 量 才 能 完成 的 , 而 第 7 步 却 能 生成 ATP。 换 句 话 说, 细胞 只 有 在 具有 相对 高 的 自由 能 的 情况 下 才能 发 生 净 糖 异 生 作 用 。 高 能 量 状态 还 提示 NADH 的 浓度 亦 较 高 ;这 确保 了 糖 酵 解 途径 的 第 6 步 即 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 催 化 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 转化 成 3 -磷酸 甘油 醛 (图 11-9) 的 逆向 进行 。 糖 异 生 {t 糖 酵 解 NADH = NADH 1, 3-— BR ADP 甘油 酸 ADP 磷酸 甘油 酸 激酶 步骤 7 ATP ATP 3- 磷 酸 甘 油 酸 图 11-9 糖 酵 解 过 程 第 6、7 步 的 逆反 应 可 在 高 能 状态 下 进行 糖 酵 解 途径 的 第 4 步 逆向 进行 的 结果 是 , 两 分 子 丙酮 酸 被 缩合 生成 一 分 子 1 6 -二 磷酸 果糖 。 此 化 合 物 是 糖 酵 解 途径 中 不 可 着 的 第 3 步 反 应 的 产物 , 能 进行 葡萄 糖 异 生 作用 的 细胞 中 包含 能 催化 该 着 反 应 ( 见 313 页 ) 的 果糖 -1 6 -二 磷酸 酶 第 11 章 糖 代 谢 1 CH,O act ois OG. CHOP 一 O Or | CHO 1 il 37 O) she sya ‘eis + PO? 1,6— 二 磷酸 果糖 6- 磷酸 果糖 果糖 -1,6 -二 磷酸 酶 被 AMP Mil, (LA RAT RRA 3 -磷酸 甘油 酸 激 活 。 因 此 , 在 高 键 能 状态 下 , 柠 檬 酸 的 增多 与 AMP 的 减少 结合 在 一 起 便 可 激活 果糖 -1,6 -二 磷酸 酶 , 抑 制 磷 酸 果糖 激酶 (图 11 - 10)。 从 而 促进 1,6 -二 磷酸 果糖 水 解 成 6 -磷酸 果糖 。 糖 异 生 | 糖 酵 解 6- 磷酸 果糖 步骤 3 AMP 日 | 果糖 1,6- 磷酸 果糖 激酶 轿 AMP, ADP 二 磷酸 酶 rem ” 田 日 ATP.NADH, 3- 磷酸 甘油 酸 到 - FRB a 长 链 脂肪 酸 图 11-10 糖 酵 解 过 程 第 3 步 的 逆反 应 可 在 高 能 状态 下 进行 昌 = 激 活 ; C= Mil 在 6 -磷酸 葡萄 糖 异 构 酶 的 催化 作用 下 ,6 -磷酸 果糖 被 转化 成 6 RR | 激酶 〈 仅 存 于 肝脏 中 ) 和 己 糖 激酶 能 催化 葡萄 糖 生成 6 -磷酸 葡萄 糖 , 但 不 能 催化 此 反应 的 逆 过 程 , 然 而 肝脏 中 有 一 种 特殊 的 酶 , 葡 萄 糖 - 6 -磷酸 酶 , 可 以 催化 6 -磷酸 葡萄 糖水 解 为 ” 葡萄糖。 随后 , 生 成 的 葡萄 糖 进入 血液 。 Tl 0 P 20° CH, OH Ruut O O O OH ak oY hae OH + Pj HO OH HO OH OH OH 6- 磷 酸 葡萄 粮 葡萄 粮 6 - 棍 酸 葡 萄 糖 的 另 一 代谢 途径 是 在 肝脏 和 肌肉 以 糖 原 的 形式 储存 起 来 〈( 糖 原 的 生成 过 程 将 在 11.5 中 讨论 )。 总 之 , 在 肝脏 和 肾脏 中 可 由 乳酸 与 非 糖 前 体 化 合 物 (由 特定 氨基 酸 衍生 出 碳 ) OR 萄 糖 。 合 成 过 程 基本 上 是 通过 糖 酵 解 途径 的 逆反 应 完成 的 , 因 为 肝 肾 细胞 内 包含 有 能 克服 三 个 不 可 逆 糖 酵 解 步骤 的 酶 。 11.4 Cori 循环 一 些 特异 酶 仅 存 在 于 某 些 细胞 中 , 这 意味 着 一 些 器 官 必 须 依赖 于 其 他 器 官 来 完全 代谢 其 * 269" 270° 生物 化 学 特有 的 底 物 。 就 糖 而 言 , 肝 脏 与 骨骼 肌 显 示 了 特殊 的 代谢 协同 作用 。 运 动 过 程 中 , 骨 骼 肌 所 获取 的 ATP 几乎 完全 来 自 糖 酵 解 作用 。 结 果 , 代 谢 的 终 产物 乳酸 , 进 入 血液 中 。 血 液 流 经 肝脏 时 , 通 过 乳酸 脱 氢 酶 同 工 酶 M4 的 作用 , 乳 酸 被 清除 掉 , 因 为 该 酶 可 迅速 地 将 乳酸 转化 为 丙酮 酸 。 由 于 肝 细 胞 通常 都 是 在 高 能 状态 下 , 所 以 大 部 分 丙酮 酸 被 糖 异 生 途 径 转 化 为 6 -磷酸 葡萄 糖 。 而 后 ,6 -磷酸 葡萄 糖 被 葡萄 糖 - 6 -磷酸 酶 水 解 为 和 葡萄糖, 进入 血液 , 再 随 血液 被 转运 到 骨骼 肌 。 在 骨骼 肌 中 葡萄 糖 又 被 己 糖 激酶 所 催化 , 转 化 成 6 -磷酸 葡萄 糖 , 从 而 进入 糖 酵 解 途径 。 整 个 过 程 (A 11-11) 被 称 为 Cori 循环 , 该 循环 的 发 现 者 ,Carl 和 Gerty Cori 于 1937 年 获 详 贝 尔 奖 。 骨骼 肌 血液 肝脏 6- 磷酸 葡萄 糖 己 糖 激酶 al 葡萄 糖 6- 磷酸 酶 图 11-11 Cori 循环 1.5 SEAR 糖 原 的 合成 在 肝脏 和 肌肉 中 , 糖 原 可 由 6 -磷酸 葡萄 糖 来 合成 , 并 以 糖 原 颗粒 储存 在 这 些 组 织 中 。 作为 葡萄 糖 聚合 物 的 糖 原 , 是 能 量 的 储存 , 能 很 快 地 被 分 解 为 6 -磷酸 葡萄 糖 , 进 入 糖 酵 解 , 途径 。 若 所 有 组 织 中 糖 原 合成 的 机 制 是 一 样 的 , 那 么 就 要 考虑 6 -磷酸 葡萄 糖 的 来 源 。 肝 脏 中 ,6 -磷酸 葡萄 糖 既 可 以 来 源 于 血糖 , 也 可 来 源 于 糖 异 生 作 用 。 而 骨骼 肌 中 ,6 -磷酸 葡萄 糖 只 能 来 源 于 血糖 。 糖 原 合成 的 第 1 步 是 1 -磷酸 葡萄 糖 的 生成 , 由 磷酸 葡萄 糖 变 位 酶 催化 ; O CHO 一 P 一 O- Oo” CH,OH O O OH ee OH | HO OH HO Oo— mae OH OH Or- 6 一 磷酸 葡萄 精 | — 磷酸 葡萄 糖 随后 ,1 -磷酸 葡萄 糖 被 激活 , 以 便 能 够 被 连接 成 糖 原 。 激活 作用 要 消耗 能 量 , 能 量 则 来 源 于 UDP -葡萄 糖 焦 磷酸 酶 催化 的 尿 苷 三 磷酸 (UTP) 的 水 解 作 用 。 第 11 章 糖 代 wt - 271° CH,OH CH,OH O O OH rf +UTP—~ K on 0 +2Pi HO O—P—O HO O—P—O—P— 尿 苷 OH ty on & A} iz 1I- 磷酸 葡萄 糖 RE 二 磷酸 葡萄 糖 ”( UDP- 葡萄 糖 ) 问题 , UDP -葡萄 糖 中 两 个 磷酸 基 团 的 出 处 是 哪里 ? 一 个 来 自 于 1 -磷酸 葡萄 糖 , 另 一 个 来 自 于 尿 苷 酸 〈UMP)。 在 焦 磷 酸 酶 的 催化 下 , 目 UTP 末端 磷酸 释 出 的 焦 磷酸 被 水 解 为 无 机 磷酸 。 这 个 水 解 过 程 是 不 可 逆 的 , 促 使 7 UDP -葡萄 糖 的 合成 。 被 修饰 了 的 葡萄 糖分 子 成 为 糖 原 合成 酶 的 底 物 : (葡萄 糖 ) ,+ UDP -葡萄 糖 一 ~ (葡萄 糖 ) ,+ + UDP 葡萄 糖 单位 是 以 特殊 的 方式 加 到 葡萄 糖 聚合 链 上 的 ; 即 : 只 有 糖 原 末端 葡萄 糖 单位 C-4 上 的 羟基 与 UDP -葡萄 糖 异 构 体 C-1 上 的 氧 之 间 形 成 酯 键 (图 11 - 12)。 所 形成 的 键 是 ax(1-~~4 ) 键 ( 见 第 2 章 )。 另 外 , 糖 原 还 有 由 w(1->6) 键 连接 而 成 的 支 链 。 淀 粉 - 1, 4-1, 6) 转 葡萄 糖 基 酶 可 以 催化 糖 原 中 6 或 7 个 葡萄 糖 残 基 的 片段 转移 到 同 糖 原 分 子 中 的 另 一 个 葡萄 糖 残 基 的 C-6 羟 基 上 (图 11-13)。 O O O 1 OH | | 4 OH k 6 p—o— we + ki OH 1 o 4 1 O 4 ; a a HO OH OF On OH UDP- 1 葡萄 精 | 糖 原 : (葡萄 精 ), / H, OH CH; OH H, OH O O O UDP + 1 4 OH k OH O 1 0 4 OH 1 O 4 HO a a a OH OH OH SER: (HEBD, 图 11-12 糖 原 分 子 上 一 个 葡萄 糖 单位 的 添加 7- 葡萄 糖 单位 OH __ 一 (-6 以 a(1 一 4) 键 连接 的 葡萄 糖 单位 被 转移 的 | 7- Hi aR BR ubike cis.” Mate 7 — ii 225 BH HT Be Sz 以 a(1 一 6) 键 与 C--6 羟 基 连 接 图 11 -13 糖 原 分 子 中 支 链 葡萄 糖 残 基 的 形成 一 = 葡萄 糖 残 基 ee - 272° 生物 化 学 糖 原 分 子 中 支 链 的 生成 使 得 聚合 物 的 结构 更 加 紧凑 , 可 溶性 也 更 好 , 还 产生 了 更 多 的 末 端 葡萄 糖 残 基 。 林 端 葡 萄 糖 残 基 的 增多 对 于 糖 原 的 降解 是 非常 重要 的 , 因 为 降解 过 程 是 从 聚 合 物 的 末端 葡萄 糖 残 基 开 始 逐 步 裂 解 的 。 糖 原 的 降解 ( 糖 原 分 解 ) 糖 原 通过 不 同 于 其 合成 的 途径 被 降解 为 6 -磷酸 葡萄 糖 。 第 1 步 是 , 在 无 机 磷酸 的 参与 下 , 糖 原 磷 酸 酶 催化 末端 c(1-~4) 糖苷 键 的 断裂 , 产 生 少 一 个 残 基 的 糖 原 和 一 分 子 1 ER 和 葡萄糖。 CH,OH CHOH CH,OH CH,OH O O Pi O OH o KOH | OH I HO HO HO O—P-—O OH OH 6 糖 原 糖 原 1- 磷酸 葡萄 粮 葡萄 糖 磅 酸 酶 不 能 切断 (1->6) 糖苷 键 , 需 要 有 另 一 个 酶 ,x (1 ~>6) 葡萄 糖 昔 酶 来 水 解 此 键 ; 并 且 w(1 ->6) 葡萄 糖苷 酶 还 可 以 使 糖 原 磷酸 酶 更 易 水 解 c(1->4 ) 糖苷 键 。 生 成 的 1 - 磷 酸 葡萄 糖 经 磷酸 葡萄 糖 变 构 酶 的 作用 转化 为 6 -磷酸 葡萄 糖 。6 -磷酸 葡萄 糖 的 去 向 取决 于 它 是 在 骨骼 肌 细 胞 内 产生 的 , 还 是 在 肝 细 胞 内 产生 的 。 若 在 骨骼 肌 细胞 中 ,6 -磷酸 葡萄 糖 将 进入 糖 酵 解 途径 , 在 肝 细胞 中 ,6 -磷酸 葡萄 糖 既 可 进入 糖 酵 解 途径 , 也 可 被 葡萄 糖 .6- 碍 酸 酶 转化 为 葡萄 糖 。 糖 原 合成 与 降解 的 调控 糖 原 的 合成 与 降解 受 很 多 因素 的 控制 。 其 中 , 糖 原 合 成 酶 和 糖 原 磷 酸 酶 是 变 构 调 控 的 , 咕 受 6 -磷酸 葡萄 糖 的 调节 ; 当 6 -磷酸 葡萄 糖 浓 度 较 高 时 , 糖 原 合 成 酶 被 激活 , 则 糖 原 的 , 合成 作用 超过 降解 作用 。 高 浓度 的 6 -磷酸 葡萄 糖 抑制 了 糖 原 磷 酸 酶 的 活性 , 因 此 糖 原 降 解 , 作用 受到 阻碍 (图 11- 14)。 糖 原 分 解 的 另 一 个 调控 步 又 是 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 介 导 的 ( 见 11.9)。 磷酸 葡萄 糖 6- 磷酸 葡 萄 糖 Be wR 1- 磷 酸 葡 萄 精 SE 要 alongs cam | UDP— 74 229 (葡萄 糖 ), 图 11-14 糖 原 的 合成 与 降解 。 四 = 激活 ; C= Mil 11.6 进入 糖 酵 解 途 径 的 其 他 碳水 化 合 物 糖 酵 解 作用 被 定义 为 是 一 分 子 葡萄 糖 转化 为 两 分 子 丙酮 酸 的 过 程 。 然 而 , 很 多 的 碳水 化 合 物 都 可 以 通过 糖 酵 解 途径 而 将 包含 在 其 结构 中 的 碳 架 和 键 能 用 于 细胞 的 代谢 。 如 此 , 这 些 碳水 化 合 物 最 终 可 被 转化 成 丙酮 酸 或 葡萄 糖 , 或 以 糖 原形 式 被 储存 。 第 11 章 ~ 糖 KR 谢 Sr Hil 11.3 糖 原 降解 为 1 -磷酸 葡萄 糖 是 多 糖 进 入 糖 酵 解 途径 的 范例 , 因 为 1 - 研 酸 葡萄 糖 可 被 转化 为 6 - 大 酸 葡萄 糖 。 另 一 个 可 将 其 碳水 化 合 物 组 成 单元 用 于 糖 酵 解 途径 的 多 糖 是 淀粉 。 淀 粉 是 植物 葡萄 糖 的 储存 形式 , 结 构 与 糖 原 相似 , 是 葡萄 糖 以 ac(1-4) BA fea(1-6) BF 聚合 的 多 聚 物 , 其 中 (1->6) 糖苷 键 比 糖 原 中 的 要 少 。 演 粉 是 两 种 葡萄 糖 聚合 物 的 混合 物 : 一 种 是 没有 支 链 的 , 称 为 直 链 淀粉 , 另 一 种 是 有 支 链 的 , 称 为 支 链 淀粉 。 消 化 时 , 泌 粉 最 终 被 水 解 为 麦芽 糖 和 葡萄 糖 。 麦 芽 糖 是 两 个 葡萄 糖 单元 以 w(1->4) 糖 苷 键 连接 而 成 的 二 糖 , 可 被 麦芽 糖 酶 切断 产生 两 个 葡萄 糖分 子 。 于 是 , 淀 粉 消化 最 终生 成 葡萄 糖 。 Pil 11.4 能 被 人 类 吸收 的 其 他 二 糖 有 蔗糖 (甘蔗 糖 ) 和 乳糖 (FMR). BRRTKRE BBD MH KH 葡萄 糖 和 果糖, 乳糖 可 被 乳糖 酶 分 解 成 葡萄 糖 和 半 乳 糖 。 所 有 单 糖 都 可 生成 糖 酵 解 途径 的 中 间 物 。 和 葡萄 糖 被 己 糖 激酶 转化 为 6- 磷酸 葡萄 糖 ( 糖 酵 解 途径 的 第 1 步 ); 果糖 也 可 以 被 已 糖 激酶 转化 为 6- 磷酸 果糖 , 同 样 , 另 一 单 糖 甘露 糖 , 也 能 被 转化 为 6 AUB, MEK 酸 甘 露 糖 异 构 酶 转化 为 6 -磷酸 果糖 (图 11-15)。 CH,OH OH ~~ CH,OH O. OH 8 ay, OH ml OH HO OH 果糖 一 ~ 6- 磷 酸 —— ORR - 甘露 精 果糖 HE | a 11-15 SRS HER MRE (Lh EAR FA 6 BRR IN 并 非 所 有 的 单 糖 都 能 很 轻易 地 或 直接 地 进入 糖 酵 解 途径 。 例 如 , 半 乳糖 被 半 乳 糖 激 酶 磷 酸化 成 1 -磷酸 半 乳 糖 ,1 -磷酸 半 乳 糖 在 半 乳 糖 - 1 -磷酸 尿 苷 酰 转 移 酶 的 作用 下 与 UTP 反 应 , 产 生 UDP - 半 乳 糖 。 再 经 UDP -葡萄 糖 - 4 - 差 向 异 构 酶 的 催化 ,UDP - 半 乳 糖 转化 为 UDP -葡萄 糖 。 而 后 ,UDP -葡萄 糖 与 糖 原 结 合 , 最 终 以 6 -磷酸 葡萄 糖 的 形式 再 现 〈 图 11-16). UDP- UDP- | a | el Fl 11-16 半 乳 糖 转化 为 糖 原 一 些 单 糖 (如 半 乳 糖 ) 是 迁 回 进入 糖 酵 解 途径 的 , 而 对 另 一 些 单 糖 , 则 可 以 利用 替换 反 应 。 除 了 在 己 糖 激酶 的 作用 下 被 直接 转化 为 6 -磷酸 果糖 以 外 , 果 糖 代 谢 中 的 一 条 替换 途径 是 , 在 果糖 激酶 的 催化 下 将 果糖 转化 为 1 -磷酸 果糖 , 随 后 , 在 1 -磷酸 果糖 羧 醛 酶 的 作用 下 ,1 -磷酸 果糖 分 解 为 磷酸 二 羟 丙 酮 和 甘油 醛 。 甘 油 醛 再 被 甘油 醛 激酶 磷酸 化 为 3 -磷酸 甘 油 醛 。 由 此 , 果 糖 被 转化 成 为 磷酸 二 羟 丙 酮 与 3 -磷酸 甘油 醛 , 糖 酵 解 途径 的 两 个 三 碳 中 间 体 (111-17). :273°: + 274° 生物 化 学 wee eel CH,O— P—O- o CH, OH CH, OH if 磷酸 二 羟 丙 酮 HO 一 一 一 HO oO wi OF CHO CHO HCOH ——» HCOOH 果糖 1- 磷酸 果糖 CH; OH 天 < PHO 一 P 一 Or 甘油 醛 Or- 3- 磷 酸 甘油 醛 图 11-17 果糖 转化 为 糖 酵 解 途径 的 中 间 物 磷酸 二 羟 丙 酮 与 3 -磷酸 甘油 醛 另 一 个 能 进入 糖 酵 解 途径 的 三 碳化 合 物 是 甘油 。 甘 油 可 被 甘油 激酶 转化 为 3 -磷酸 甘油 , 继而 在 3 -磷酸 甘油 脱氧 酶 的 催化 下 ,3 -磷酸 甘油 转化 为 磷酸 二 产 丙 酮 “图 11- 18)。 poe ap Apr NAD* NADH sda CHOH eae CHOH _\ Se C= CH,OH oO CH,O — P—O- CH2O 一 P 一 O 甘油 3- 磷酸 甘油 RRA 图 11-18 HmRLARe RAEN Fil“ WRR RAM 问题 : 甘油 是 从 何 处 代谢 而 来 的 ? 甘油 主要 是 由 甘油 三 酯 水 解 而 产生 的 〈 见 第 13 章 )。 所 有 碳水 化 合 物 在 降解 为 丙酮 酸 时 , 都 会 产生 同等 量 的 ATP, 即 每 生成 1mol 丙酮 酸 释 出 Imol ATP, 只 有 一 个 例外 , 便 是 半 乳 糖 。 半 乳糖 转化 为 1 -磷酸 葡萄 糖 时 需要 3 分 子 ATP, 再 转化 为 1,6 -二 磷酸 果糖 时 还 需要 1 分 子 ATP, 因 而 , 对 半 乳 糖 来 说 , 每 生成 1Imol 丙酮 酸 只 产生 0.SmolATP。 Pil 11.5 含 D- 葡 萄 糖 最 丰富 的 是 纤维 素 。 哺 乳 动物 中 , 纤 维 素 能 被 转化 为 糖 酵 解 途径 的 中 间 产 物 吗 ? 不 能 。 纤 维 素 是 D -葡萄 糖 以 B(1->4 ) 糖苷 键 的 形式 结合 起 来 的 多 糖 , 哺 乳 动物 细胞 由 于 不 含 纤维 素 酶 而 无 法 断 开 此 键 。 11.7 细胞 液 中 NAD- 的 再 生成 很 多 细胞 都 能 从 以 下 三 类 燃料 中 获取 能 量 : 碳水 化 合 物 、 氨 基 酸 和 脂肪 酸 。 供 能 最 多 的 便 是 可 在 线粒体 中 被 降解 为 乙酰 - CoA 的 脂肪 酸 。 从 丙酮 酸 转化 而 来 的 乙酰 - CoA, 能 进 大 行 柑 酸 循环 , 并 被 彻底 氧化 为 CD。 此 氧化 过 程 可 产生 能 在 电子 传递 系统 被 氧化 的 NADH | Hie eB KR 谢 与 FADEH 。 若 细胞 不 含 线粒体 〈 如 血红 细胞 ) 或 含 的 线粒体 很 少 〈 如 骨骼 肌 细胞 ), 就 不 可 能 利用 脂肪 酸 作为 燃料 或 利用 能 力 很 弱 。 故 , 这 些 细胞 依赖 于 糖 酵 解 作用 来 磷酸 化 ADP. 为 了 确保 能 得 到 足够 的 、 对 糖 酵 解 途径 的 第 6 步 极 其 关键 的 NAD*, 这 些 细胞 必然 有 能 将 NADH 再 生 为 NAD* 的 机 制 ; 如 此 的 机 制导 致 了 哺乳 动物 细胞 内 的 丙酮 酸 转化 为 乳酸 CFL MAM; 见 11.2)。 SF Hi 11.6 为 了 糖 酵 解 作用 的 继续 , 非 哺乳 动物 细胞 利用 什么 机 制 再 生成 NAD 7”? 酵母 菌 细胞 , 一 种 兼 性 厌 氧 菌 , 利 用 已 酵 发 酵 作用 来 再 生成 NAD+ ; 丙酮 酸 脱 羧 酶 俊 化 丙酮 酸 转化 为 已 酸 , 然 后 , 已 酵 脱 乞 酶 又 将 已 醛 转 化 为 已 醇 , 同 时 将 NADH 氧化 为 NAD -。 问题 : 若 可 获得 氧 , 含 线粒体 的 细胞 能 利用 丙酮 酸 。 这 些 细胞 如 何 处 理 NAD 的 再 生 问题 ? 细胞 内 含有 线粒体 意味 着 这 些 细胞 能 够 将 细胞 液 中 的 NADH 转化 为 NAD 。H 或 还 原 当 量 则 可 以 通过 代谢 物 的 穿梭 而 被 转运 至 线粒体 。 虽然 与 胞 浆 相 似 , 线 粒 体 中 既 有 NAD* 也 有 NADH, 但 线粒体 膜 对 细胞 液 内 的 化 合 物 来 说 是 不 可 透 膜 , 因 此 , 线 粒 体 与 细胞 液 之 间 不 能 直接 交换 内 容 物 。 而 穿梭 机 制 却 允 许 细 胞 液 NADH 的 也 被 转运 到 其 他 化 合 物 上 进入 线粒体 , 与 NAD 结合 〈 形 成 线粒体 NADH), 或 与 FAD 结合 〈 形 成 线粒体 FADH2 ) 。 哺 乳 动物 细胞 利用 的 穿梭 机 制 有 多 种 , 其 中 最 重要 的 两 种 是 苹果 酸 -天 冬 氨 酸 穿梭 与 3 -磷酸 甘油 穿梭 。 苹果 酸 -天 冬 氨 酸 穿梭 细胞 液 中 的 苹果 酸 脱 氢 酶 可 以 还 原 草 酰 乙 酸 为 苹果 酸 , 从 而 将 NADH 氧化 为 NAD+ ( 见 例 11.1)。 苹 果 酸 经 线粒体 内 膜 上 特殊 的 蛋白 质 载体 (二 羧 酸 载 体 ) 的 运载 而 进入 线 粒 体 , 并 被 线粒体 苹果 酸 脱 氢 酶 氧化 为 草 酰 乙酸 , 同 时 伴 有 线粒体 中 NAD+ 还 原 为 NADH 的 反应 (图 11 - 19)。 这 导致 细胞 液 中 的 了 进入 了 线粒体 , 同 时 细胞 液 中 的 草 酰 乙 酸 也 必须 被 置换 掉 才 能 使 整个 过 程 继续 进行 。 该 置换 过 程 由 转氨酶 催化 完成 , 包 括 草 酰 乙酸 转化 为 天 冬 氨 酸 和 谷 氨 酸 转 化 为 2 ARO ( 见 第 12 章 ) 的 两 个 反应 。 天 冬 氨 酸 与 2 - 酮 成 二 酸 经 特 殊 载体 的 运载 , 被 转运 入 细胞 液 中 , 再 由 另 一 个 转氨酶 将 它们 转变 回 草 酰 乙 酸 与 谷 氨 酸 。 NAD* 来 源 于 糖 酵 解 的 NADH 苹果 酸 草 酰 乙酸 ah a KAR 胞 浆 苹 果 酸 脱 氨 酶 图 11-19 苹果 酸 -天 冬 氢 酸 穿梭 , 细 胞 液 与 线粒体 之 间 还 原 当 量 (H) 的 转运 机 制 .275 . +276 3 -磷酸 甘油 穿梭 细胞 液 中 的 3 -磷酸 甘油 脱 氢 酶 可 以 还 原 磷 酸 二 羟 丙酮 为 3 -磷酸 甘油 , 并 伴 有 NADH 氧化 为 NAD+ 的 反应 。3 -磷酸 甘油 经 特异 转运 蛋白 的 运载 而 穿 过 线粒体 外 膜 , 被 存在 于 线 粒 体内 膜 中 的 线粒体 3 -磷酸 甘油 脱 氢 酶 再 氧化 为 磷酸 二 羟 丙 酮 (图 11 - 20)。 线 粒 体 3 - 磷 酸 甘 油 脱 氢 酶 催化 的 氧化 还 原 反 应 的 辅 反应 剂 并 非 NAD*, 而 是 FAD 〈 见 例 11.1, 11 -20), 被 还 原 为 FADH; 。 磷 酸 二 羟 丙 酮 再 扩散 回 细 胞 液 中 , 使 得 循环 能 继续 进行 。 NADt 来 源 于 糖 酵 解 的 NADH 3 ER HT a . . 胞 浆 3- 磷 酸 甘油 脱 氢 酶 Be RR — 52 细胞 浆 | 线粒体 3- 磷酸 甘油 脱氧 酶 线粒体 基质 图 11-20 3 -磷酸 甘油 穿梭 , 细 胞 液 与 线粒体 之 间 还 原 当 量 (H) 的 转运 机 制 上 述 两 种 机 制 的 结果 是 细胞 液 中 的 NADH 被 氧化 为 NAD+ 。 而 瑟 或 还 原 当 量 则 经 特异 基 穿梭 循环 被 转运 到 线粒体 中 以 形成 NADH 或 FADH 。 11.8 糖 酵 解 作用 的 调控 糖 酵 解 途径 中 有 三 个 不 可 逆 步 又, 催化 这 三 个 反应 的 酶 控制 着 整个 代谢 途径 。 关 键 的 调 控 酶 是 磷酸 果糖 激酶 〈 第 3 步 )。 它 是 变 构 酶 , 可 被 ADP 和 AMP 激活 , 被 ATP 抑制 , 因 | 此 , 细 胞 处 于 低能 状态 时 其 活性 很 高 , 细 胞 处 于 高 能 状态 时 其 活性 较 低 。 磷 酸 果 糖 激 酶 的 活 性 还 受 NADH 抑制 , 这 提示 如 果糖 酵 解 过 程 中 形成 的 NADH 蓄积 , 那 么 磷酸 果糖 激酶 将 失 F 活 , 直 至 NADH 被 氧化 为 NAD* 。 柠 檬 酸 和 长 链 脂肪 酸 对 磷酸 果糖 激酶 的 调节 提示 , 当 这 三 些 化 合 物 很 充足 时 , 不 需要 葡萄 糖 降解 , 所 以 糖 酵 解 途径 的 反应 被 抑制 。 若 磷酸 果糖 激酶 被 时 抑制 , 则 6 -磷酸 果糖 和 6 -磷酸 葡萄 糖 蓄积, 后 者 通过 抑制 己 糖 激酶 的 活性 (第 1 步 ) 而 控 , 制 糖 酵 解 作用 。 这 可 以 被 认为 是 受 磷 酸 果糖 激酶 影响 的 糖 酵 解 调控 的 第 二 方式 。 丙 酮 酸 激酶 也 受 高 浓度 的 ATP、 柠 檬 酸 与 长 链 脂 肪 酸 的 抑制 , 因 而 其 作用 方式 与 磷酸 果糖 激酶 一 致 。 另 一 个 调控 模式 是 受 3 -磷酸 甘油 醛 脱氧 酶 (第 6 步 ) 控制 的 ;此 酶 可 被 氧化 态 的 辅 反 应 剂 (NAD ) 激活 , 被 还 原 态 的 辅 反 应 剂 (NADH) 抑制 。 如 此 , 若 细胞 处 于 高 能 状态 , 所 有 的 调控 酶 共同 协作 以 降低 糖 酵 解 建 率 , 保 存 葡萄 糖 。 细胞 内 糖 酵 解 速率 会 随 其 能 量 需求 的 变化 而 不 断 变化 。 此 速率 被 定义 为 糖 酵 解 通 量 。 例 如 , 帮 细胞 需要 能 量 , 并 且 只 能 从 葡萄 糖 获 取 能 量 , 则 糖 酵 解 通 量 会 增 大 。 若 葡萄 糖 或 其 他 产能 化 合 物 的 降解 , 已 使 细胞 有 了 足够 的 、 能 满足 其 近期 需求 的 能 量 , 则 糖 酵 解 将 受到 控 制 , 糖 酵 解 通 量 会 减少 。 第 11 章 糖 代 Hw efi] 11.7 以 葡萄 糖 为 瑞 源 , 观 察 酵 母 菌 在 有 氧 和 无 氧 条 件 下 的 生长 状况 便 能 很 好 地 说 明 糖 酵 解 通 量 是 如 何 快速 变化 的 。 这 是 由 巴 斯 德 发 现 的 , 被 称 为 巴 斯 德 效应 , 以 图 11-21 表 示 。 co, 葡萄 糖 ia 乙醇 和 = ATP ATP EY i. 窒 = co, 葡萄 糖 时 间 时 间 (a) 有 氧 © 无 “ 氧 图 11-21 巴 斯 德 效应 : 在 有 氧 与 无 氧 条 件 下 酵母 菌 的 代谢 活性 在 有 和 氧 条 件 下 生长 时 , 通 过 糖 酵 解 途径 中 底 物 水 平 的 磷酸 化 作用 , 酵 母 菌 细 胞 中 1 分 子 葡萄 糖 可 产生 2 分 子 ATP。 所 生成 的 2 分 子 丙酮 酸 能 被 完全 氧化 为 CO;,, 每 一 个 丙酮 酸 产 生 15 分 子 ATP。 这 导致 葡萄 糖 浓度 的 缓慢 下 降 ,CO,;, 的 稳定 生成 , 以 及 ATP 量 的 微小 变化 。 同样 , 两 分 子 NADH 可 经 电子 传递 系统 被 氧化 为 NAD+ (该 过 程 产 生 更 多 的 ATP, 在 第 14 章 讨 论 )。 当 酵 母 菌 在 无 氧 环境 中 生长 时 , 和 葡萄 糖 的 利用 会 明显 增多 ,CO, 和 已 酵 的 生成 量 会 随 ATP 浓度 的 微量 变化 而 显著 上 升 。 此 现象 有 多 种 解释 , 最 简单 的 是 假设 酵母 菌 需要 恒定 量 的 ATP 作为 能 量 需 求 , 不 考虑 生长 条 件 。 当 酵 母 菌 不 能 获取 氧 时 , 仅 能 依靠 糖 酵 解 途径 来 产生 ATP。 另 外 , 在 缺 氧 条 件 下 , 酵 。 母 菌 细 胞 无 法 通过 电子 传递 系统 再 生成 NAD+ 。 如 果 这 种 状况 不 能 改变 , 则 ATP 含量 会 下 降 , 细 胞 将 转向 低能 状态 。 这 时 , 糖 酵 解 途径 的 调控 步骤 将 发 挥 作 用 , 糖 酵 解 通 量 增 大 。 于 县 , 启 动 已 醇 发 酵 作 用 , 以 转化 丙酮 酸 成 已 醇 尺 及 再 生成 NAD+, 以 便于 糖 酵 解 作用 的 继 续 。 由 于 每 消耗 1 分 子 葡萄 糖 只 产生 2 分 子 ATP, 因 而 糖 酵 解 速率 上 升 ; 已 酵 的 生成 与 葡 Be HH ZARA RES. CO. 的 生成 也 增多 , 尽 管 无 氧 条 件 下 每 一 分 子 葡萄 糖 生 RCO, 的 最 大 理论 产量 只 是 2 分 子 , 而 有 氧 条 件 下 是 6 分 子 。 故 , 为 了 保持 ATP 浓度 的 恒 定 , 酵 母 菌 在 有 氧 环境 中 生长 所 消耗 的 葡萄 糖 量 要 比 在 无 氧 条 件 下 的 少 。 同 样 , 在 有 氧 环境 PCO, 的 生成 量 也 比 无 氧 环 境 中 的 少 。 11.9 糖 酵 解 过 程 中 激素 的 作用 激素 并 不 直接 控制 糖 酵 解 速率 , 但 有 三 个 却 可 间接 影响 糖 酵 解 速率 。 这 三 个 激素 是 , 胰 岛 素 、 胰 高 血糖 素 和 肾上腺 素 。 胰 岛 素 主要 参与 葡萄 糖 向 各 类 细胞 ( 肝 细 胞 和 血红 细胞 除 外 ) 的 转运 过 程 , 而 胰 高 血糖 素 和 肾上腺 素 则 与 肝 糖 原 的 降解 作用 有 关 , 肾上腺 素 还 参与 肌 糖 原 的 降解 过 程 。 Fill 11.8 胰岛 素 和 胰 高 血糖 素 是 在 何 处 产生 的 ? MAH ATLA CHRD WA mie? 胰岛 素 和 胰 高 血糖 素 是 由 胰腺 合成 与 分 涛 的 多 肽 。 胰 岛 素 由 有 胰岛 细胞 合成 , 胰 高 血 -277- "278 ° 生物 化 学 糖 素 由 w 胰岛 细胞 合成 。 这 两 种 激素 的 分 涛 依赖 于 血糖 浓度 : 血糖 高 于 4.5 一 5.5 mmol/L (80~100 mg/100 ml) 时 , 分 波 胰 岛 素 , 若 低 于 4.5 mmol/L (80 mg/100 ml) Rl se Mw fo 糖 素 。 胰岛 素 与 胰 高 血糖 素 的 作用 相反 ; 胰岛 素 通 过 几 种 方式 降低 血糖 含量 , 这 些 方 式 包 括 山 增强 葡萄 糖 吸收 入 肌肉 和 脂肪 细胞 ; OMSBRS RB; OMS AM RRS A FH 酶 。 胰 岛 素 作 用 的 总 效果 是 , 血 糖 浓度 降低 , 和 葡萄糖 被 转化 为 糖 原 , 或 用 于 糖 酵 解 途径 , 或 二 者 间 而 有 之 。 胰 高 血糖 素 的 作用 则 是 提高 血糖 浓度 , 通 过 刺激 肝 糖 原 降 解 为 1 一 大 酸 葡萄 1 -ARHDARLRAMHADAREABRILA 6- AMAA, RAR MH BO - HRB , 转化 为 葡萄 糖 。 肾上腺 素 是 由 肾上腺 皮质 合成 的 , 在 应 激 反应 时 被 迅速 释放 入 血液 , 为 皮 间 肌肉 活动 传 递 信 号 。 此 激素 可 刺激 肝 糖 原 和 肌 糖 原 降解 为 6 ARHDB, LAMA BERNE XK. 胰 高 血糖 素 和 肾上腺 素 在 靶 组 织 中 对 糖 原 降解 的 刺激 作用 是 受 环 AMP 介 导 的 (LF 6 ¥), eH Fil 11.9 环 AMP, 简 写成 AMP, 是 由 腺 音 酸 环 化 酶 催化 的 ATP 分 子 内 环 化 反应 而 生成 的 。 Nk , C NZ “co NZ oN | Ih CH | ] ba HO Lyf Hes a Lae je ee O=—P— _p_6)p_o—cn, : ae Per Ath | i he O O O O—P=O ‘ OH © OH TRA OH ATP cAMP 由 于 激素 是 由 很 多 氨基 酸 ( 胰 高 血糖 素 ) 或 单一 氨基 酸 (肾上腺 素 ) EMR, AMA 能 直接 进入 它们 的 靶 细 胞 。 因 此 , 肝 细胞 外 膜 上 有 识别 胰 高 血糖 素 和 肾上腺 素 的 受 体 ,而 肌 细胞 只 有 肾上腺 素 受 体 。 受 体 结合 激素 后 即 发 生 构象 变化 , 随 后 变化 被 传递 至 膜 的 内 表面 导致 腺 苷 酸 环 化 酶 的 激活 。 此 酶 受 受 体 调节 , 当 受 体 上 未 结合 激素 时 该 酶 无 活性 , 受 体 上 结 , 合 有 激素 时 该 酶 被 激活 。 一 旦 被 激活 , 腺 苷 酸 环 化 酶 便 催化 ATP 环 化 成 cAMP (图 11- 22)。 图 11-22 胰 高 血糖 素 与 肾上腺 素 激 活 腺 苷 酸 环 化 酶 的 过 程 cAMP 被 称 为 第 二 信使 。 当 特异 性 激素 (第 一 信使 ) 与 其 受 体 相 结合 时 , 肝 细胞 或 肌 细 胞 内 则 产生 cAMP. cAMP 的 作用 是 激活 蛋白 激酶 , 它 先 结合 到 酶 的 调节 亚 基 上 ;而 后 再 从 酶 上 移 去 该 调节 亚 基 (图 11-23)。 活化 的 蛋白 激酶 利用 ATP 使 , 磷 酸化 酶 激酶 磷酸 化 , 从 而 激活 它 〈 图 11-24)。 第 11 章 糖 代 谢 cAMP ©) y (R)-cAMP 无 活性 蛋白 激酶 活性 的 催化 亚 基 调节 亚 基 的 蛋白 激酶 -cAMP BAW 11-23 cAMP 激活 蛋白 激酶 的 过 程 去 磷酸 的 磷酸 化 酶 激酶 ©) 磷酸 化 磷酸 化 酶 激酶 (无 活性 ) 《有 活性 ATP ADP 图 11-24 蛋白 激酶 激活 磷酸 化 酶 激酶 的 过 程 最 终 , 活 化 的 磷酸 化 酶 激酶 将 无 活性 的 磷酸 化 酶 5 转化 为 有 活性 的 磷酸 化 酶 a (图 本 让 磷酸 化 酶 b 磷酸 化 的 磷酸 化 酶 激酶 ”磷酸 化 酶 a (无 活性 ) (有 活性 ) ATP ADP 图 11-25 由 磷酸 化 酶 激酶 催化 的 磷酸 化 酶 b 向 磷酸 化 酶 a 的 转化 a 肾上腺 素 与 受 体 结合 > 活化 的 腺 苷 酸 环 化 酶 ATP cAMP ©@+©+@-w0 无 活性 的 活化 的 蛋白 激酶 | eR 活化 的 磷酸 化 的 , | ee NT tLe (= EIR ACR) ATP ADP 1- Re HR lc vii eas 6 FR HE AGB 仅 存在 \ ita 6 area {SRE 糖 酵 解 〈 在 肝脏 葡萄 糖 和 肌肉 中 进行 ) 葡萄 糖 (血液 ) 图 11-26 肝 细 胞 或 肌 细 胞 内 糖 原 降解 过 程 中 肾上腺 素 的 作用 . 279 , * 280 - 生物 化 学 磷酸 化 酶 a 是 糖 原 磷 酸 酶 的 活化 形式 , 可 以 催化 糖 原 转化 为 1 -磷酸 葡萄 糖 。 图 11-26 描绘 出 了 肾上腺 素 作 用 于 肝 细 胞 或 肌 细 胞 的 整个 过 程 。 问题 : 上 图 中 联 级 多 步骤 的 目的 是 什么 ? 受 何 因素 阻 断 ? 上 图 中 的 每 一 步 都 需要 酶 的 激活 , 每 一 种 酶 都 能 协助 下 一 步 反 应 的 完成 。 这 便 显 示 了 联 级 效应 每 一 步 都 放大 了 前 一 反应 。 有 很 多 方法 都 能 使 联 级 反应 速度 减缓 或 停止 。 如 , 肾 上 腺 素 脱离 开 受 体 , 使 腺 苷 酸 环 化 酶 失 活 或 转变 成 无 活性 构 型 ,cAMP 可 被 磷酸 二 酯 酶 催化 水 解 为 AMP; ATP 浓度 的 增加 〈 源 于 糖 原 降 解 和 糖 酵 解 过 程 中 由 底 物 水 平 磷酸 化 作用 而 产生 ATP), 将 变 构 抑 制 磷酸 化 酶 b 转化 为 磷酸 化 酶 ae 在 正常 条 件 下 , 糖 原 磷 酸 酶 (磷酸 化 酶 a) 的 活性 是 受 胞 内 6 -磷酸 葡萄 糖 、ATP、 AMP 的 调节 的 ; 前 两 个 调节 剂 阻 断 其 活化 , 后 一 调节 剂 促 进 其 活化 。 胰 高 血糖 素 在 肝 糖 原 代谢 方面 的 作用 机 制 与 肾上腺 素 的 相似 , 主 要 功能 是 提高 血糖 至 正 党 水平 , 而 胰岛 素 则 相反 。 肾 上 腺 素 还 有 一 个 直接 作用 , 可 使 肌 糖 原 和 肝 糖 原 迅 速 降解 , 以 便 肌 肉 能 获得 丰富 的 6 -磷酸 葡萄 糖 供给 糖 酵 解 作用 , 因 糖 酵 解 作用 与 血液 中 充足 的 葡萄 糖 来 源 相 关 的 , 而 肝脏 快速 转化 糖 原 为 葡萄 糖 的 结果 便 是 血液 中 葡萄 糖 的 可 得 性 增加 。 11.10 PRB Mie 许多 哺乳 动物 细胞 能 将 6 BSAA ERA C3. Cas Cs. Co AC, 糖 。 此 过 程 还 产生 还 原型 的 辅酶 NADPH, NADPH 在 脂肪 酸 和 类 固 醇 的 生物 合成 过 程 被 氧化 〈 见 第 13 章 )。 此 代谢 途径 对 一 些 细胞 脂肪 酸 和 类 固 醇 的 生成 过 程 是 非常 重要 的 , 如 肝脏 、 哺 乳 期 乳腺 、 肾 上 腺 皮质 、 脂 肪 组 织 。 不 需要 氧 的 参与 , 并 在 细胞 液 中 进行 的 磷酸 戊 糖 途径 还 有 另外 两 个 名 hk: 磷酸 葡萄 糖 途 径 (由 该 途径 的 第 一 个 产物 而 得 名 ) 和 磷酸 已 糖 支 路 〈 因 终 产物 能 再 进入 糖 酵 解 途径 而 得 名 )。 第 1 步 是 在 葡萄 糖 - 6 -磷酸 脱 氢 酶 的 催化 下 ,6 -磷酸 葡萄 糖 C- 1 上 的 羟基 被 氧化 , 生 RAE 〈( 亦 称 内 酯 ) : 1 1 CHO cigs CH,O ad o ! O om OH + NADP* == OH O + NADPH+H* HO OH HO OH OH 6 — BER i 2 BE 6 — BER Hi 4a BEA BB 6 -磷酸 葡萄 糖 内 酯 不 稳定 , 虽 能 自发 水 解 , 但 也 需要 内 酯 酶 的 催化 ($2): 9 23 CHO.--- P—O- i i | HOCH O | O HCOH OH OO. 1D -—- HCOH O HO | OH CHO —P—O 6 研 酸 葡 桨 糖 内 本 6- 磷 酸 葡萄 精 酸 第 11 章 糖 KR # “281 . 第 3 步 生成 了 一 个 五 碳 糖 ,5 -磷酸 -.D - 核 酮 糖 , 并 伴 有 NADP WIR. 此 步 是 由 6 -磷酸 葡萄 糖 酸 脱 氢 酶 催化 的 : ae Looe as i. + NADP* == il + CO, + NADPH + H* “ise HCOH O HCOH | | ae ey Oo A 6 -磷酸 葡萄 糖 酸 5 -磷酸 -D - 核 酮 糖 MS, 5-BR-D-KRE 5 -磷酸 核糖 异 构 酶 的 作用 下 异 构 化 , 成 为 5 -磷酸 核糖 ($44): cha pea ocag se Wal 402 rir in; HCOH HCOH T T ea CHO P—-O- O- CF 5 -磷酸 - D - 核 酮 糖 5 -磷酸 D -核糖 以 上 四 步 组 成 磷酸 成 糖 途径 的 第 一 阶段 , 消 耗 了 1 分 子 6 -磷酸 葡萄 糖 , 形 成 了 1 分 子 CH,OH i CH,OH By he CHO C is HC—OH HC—OH | | HC—OH HO—CH sa ie HC—OH A kes HC—OH 8s HC—OH HC—OH | me aie ast CH, OPO;" BS OPO3 - pa pty Atay =O 5- 磷 酸 核糖 7-RRRKRMH Tr ERE = / 7K BE Hi —08 Ag] ws oe HC—OH pis a ” ead SARIN hone a dif 核 酮 糖 Tee ears C=O HO—CH | ”CHO CHO HO 一 CH | HC 一 OH Me rs — OH HC—OH ss HC—OH “ CH,OPO?- CH, OPO; say ee CH,OPO;" 3- 磷 酸 5- BERR AK A BE 甘油 醋 6- 磷酸 果糖 甘油 醛 图 11-27 磷酸 戊 糖 途径 的 第 二 阶段 * 282 - 生物 化 学 5 -磷酸 核糖 、2 分 子 NADPH & 1 4¢-F CO}. 由 于 对 NADPH 的 需求 远 远 超 出 5 -磷酸 核糖 (5 RK EMERAKTRHEREY 需 的 ), 因 此 , 磷 酸 戊 糖 途径 的 第 二 阶段 利用 一 系列 的 可 逆反 应 将 五 碳 糖 转化 为 糖 酵 解 途径 的 中 间 产 物 6 -磷酸 果糖 与 3 -磷酸 甘油 醛 。 此 相互 转化 过 程 如 图 11 - 27 所 示 。 磷 酸 成 糖 途 径 的 第 二 阶段 不 仅 保 全 了 五 碳 糖 的 所 有 碳 原 子 , 而 且 还 产生 了 可 用 于 其 他 代谢 途径 的 4- 磷 “ PRIRBERE (Cy). 5 -磷酸 木 酮 糖 (C;) 和 7 -磷酸 景 天 庚 酮 糖 (C7 )。 Fill 11.10 磷酸 戊 糖 途径 的 总 反应 式 是 什么 ? 反应 平衡 式 为 : 3, 6 -磷酸 葡萄 糖 +6NADP 一 ~3CO; + 6NADPH + 2, 6 -RR RAB + 3 -磷酸 甘油 醛 这 表示 磷酸 戊 糖 途 径 中 有 NADPH 生成 , 并 且 除 6 -磷酸 葡萄 糖分 子 中 的 工 个 碳 原 子 以 外 其 © 余 均 可 返回 进入 糖 酵 解 途径 。 总 反应 式 未 能 体现 出 磷酸 戊 糖 途径 生成 与 利用 多 种 磷酸 糖 的 调 时 节能 力 。 问题 解答 糖 酵 解 11.1 某 一 化 合 物 是 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 的 抑制 剂 。 若 该 化 合 物 被 加 入 以 D -葡萄 糖 为 惟一 | 的 底 物 肝 细 胞 中 , 那 么 , 它 对 糖 酵 解 中 间 产 物 的 浓度 有 何 影 响 ? 答 : i | 糖 酵 解 途径 中 从 6 -磷酸 葡萄 糖 到 3 -磷酸 甘油 醛 的 中 间 产 物 将 会 著 积 , 而 从 1,3 =- 二 上 磷酸 甘油 酸 到 丙酮 酸 的 中 间 产 物 将 会 被 耗 尽 。 11.2 如 果 习 题 11.1 中 的 底 物 是 世 -乳酸 , 那 么 , 此 抑制 剂 对 糖 酵 解 途径 中 间 产 物 的 浓度 又 ' 有 何 影 响 ? =. a 除了 丙酮 酸 浓 度 可 能 会 升 高 以 外 , 对 糖 酵 解 途径 的 中 间 产 物 没有 影响 。 细 胞 将 乳酸 转 化 为 丙酮 酸 , 并 以 此 为 柠 柑 酸 循环 中 乙酰 - CoA 的 前 体 物 。 如 果 细 胞 不 能 得 到 荷 苟 糖 FT 或 其 他 适合 的 碳水 化 合 物 , 则 糖 酵 解 作用 不 能 进行 。 11.3 什么 因素 阻碍 糖 酵 解 途 径 的 中 间 产 物 脱 离 产生 它 的 细胞 ? fee a 所 有 的 糖 酵 解 途 径 的 中 间 产 物 都 是 磷酸 化 的 。 在 生理 pH 下 , 斑 酸 基 团 是 被 离子 化 | 的 , 因 而 中 间 产 物 都 带 负 电荷 。 带 电荷 的 分 子 是 不 能 穿 过 细胞 膜 的 〈 除 非 有 特异 的 运 | 载 蛋 白 ), 因 此 , 中 间 产 物 被 限定 在 细胞 液 中 。 11.4 葡萄糖 被 转化 为 丙酮 酸 的 过 程 中 , 净 氧 化 变化 有 多 少 ? Me 葡萄 糖 被 转化 为 丙酮 酸 的 过 程 中 , 氧 化 态 总 体 上 没有 变化 , 因 为 3- 磷酸 甘油 醛 脱氧 酶 氧化 3 -磷酸 甘油 醛 为 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 , 乳酸 脱氧 酶 还 原 丙 酮 酸 为 乳酸 。 这 两 个 | 反应 中 ,NAD- 被 还 原 为 NADH, NADH 又 被 氧化 成 NAD+ 。 11.5 如 果 所 有 糖 酵 解 途径 中 的 酶 ,ATP,ADP, NAD* 和 葡萄 糖 一 同 在 理想 条 件 下 培养 , 那么 , 会 产生 丙酮 酸 吗 ? AR 不 会 产生 , 因 为 缺少 磷酸 。 即使 磷酸 被 加 入 培养 的 混合 液 中 , 也 只 产生 与 NAD+ 量 相当 的 丙酮 酸 。 由 于 糖 酵 解 途径 的 第 6 步 , 3 -磷酸 甘油 醛 脱氧 酶 催化 的 反应 , 需 要 NAD* 的 参与 。 第 11 章 BR 谢 , 丙酮 酸 的 去 向 .6 11.7 11.10 ® 11.11 答 : 哺乳 动物 细胞 中 , 乳 酸 有 何 代谢 去 路 ? 答 ET 3 乳酸 仅 能 参与 一 个 反应 , 经 乳酸 脱氧 酶 氧化 为 丙酮 酸 。 Cori 循环 则 骼 肌 可 以 从 何 处 获取 碳水 化 合 物 用 于 糖 醇 解 作用 ? ae: 获取 源 之 一 是 血糖 。 葡 萄 糖 进入 肌 细 胞 并 被 迅速 转化 为 6- 磷酸 葡萄 糖 , 从 而 进入 糖 酵 解 途径 。 另 一 获取 源 便 是 可 降解 为 1- 磷酸 葡萄 糖 的 肌 糖 原 。1 -磷酸 葡萄 糖 再 被 转 化 为 6= 磷 酸 葡 萄 糖 , 继 续 推进 糖 酵 解 作用 。 进入 糖 酵 解 的 其 他 破水 化 合 物 11.8 理论 上 下 列 哪个 化 合 物 , 在 六 本 解 途径 中 通过 底 物 水 平 的 磅 酸化 作用 而 净 生 万 最 多 的 OR Ee 两 分 子 葡萄 糖 , 或 两 分 子 果 糖 。 这 几 个 化 合 物 都 可 以 产生 4 分 子 ATP。 荐 糖 被 转化 为 工分 子 葡萄 糖 和 1 分子 果糖 。 每 一 种 糖 都 需要 2 分 子 ATP 以 便 能 达到 生成 2 分 子 3 -磷酸 甘油 醛 的 步骤 。 从 这 一 步 到 丙酮 酸 , 通 过 ADP 的 底 物 水 平 的 磷酸 化 作用 , 每 一 3 -磷酸 甘 油 醛 分 子 都 可 产生 2 分 子 ATP。 故 , 每 一 分 子 葡 萄 糖 或 果糖 能 产生 2 分 子 ATP。 蔗糖 酶 和 乳酸 酶 可 以 催化 哪些 反应 ? 答 : 蔗糖 酶 可 以 催化 蔗糖 水 解 为 葡萄 糖 与 果糖 。 乳 糖 酶 可 以 催化 乳糖 水 解 为 葡萄 糖 与 半 乳 糖 。 糖 酵 解 的 调控 如 果 在 糖 酵 解 途径 中 通过 ADP 的 底 物 水 平 的 磷酸 化 作用 ,1 分 子 葡萄 糖 产 生 了 2 分 子 ATP 和 2 分 子 丙酮 酸 , 而 每 一 分 子 丙 酮 酸 在 有 氧 条 件 下 又 可 生成 15 分 子 ATP, 那么 , 酵 母 菌 在 (a) AA, (b) 无 氧 条 件 下 产生 160 分 子 ATP 分 别 需 要 多 少 葡 萄 糖分 子 ? 答 : (a) 在 有 氧 条 件 下 , 每 分 子 葡萄 糖 产 生 2+30=32 分 子 ATP。 和 那么, 要 生成 160 分 子 ATP, 需 要 160 二 32=5 分 子 葡萄 糖 。 (b) 在 无 氧 条 件 下 , 每 分 子 葡萄 糖 仅 产生 2 分 子 ATP。 那 么 , 要 生成 160 分 子 ATP, 需 要 160+2=80 AT HABE. 习题 11.10 中 , 在 (a) AA, (b) 无 氧 条 件 下 产生 160 分 子 ATP 的 过 程 中 , 有 多 少 分 子 的 CO, 释 出 ? 答 (a) 有 和 氧 条 件 : 1 葡萄 糖 一 ~6CO, 所 以 : 5 葡萄 糖 一 ~30CO, (b) 无 所 条件: 1 # 4 #—>2CO, 所 以 : 80 葡萄 糖 一 ~160CO, + 284 - Bi. bd 11 11 12 zt ee 生物 化 学 补充 问题 在 糖 酵 解 途径 中 , 由 丙 糖 磷酸 异 构 酶 催化 的 二 羟 丙 酮 磷酸 转化 为 3 -磷酸 甘油 醛 的 反 应 是 可 逆 的 。 已 知 , 反 应 在 平衡 时 倾向 于 生成 二 羟 丙 酮 磷酸 , 那 么 , 糖 酵 解 作 用 如 何 进行 ? 血红 细胞 中 ,2,3 -二 磷酸 甘油 酸 可 通过 将 血红 蛋白 稳定 于 脱氧 形式 而 降低 血红 和 蛋 AANA OLAS 章 )。 此 效应 剂 是 在 某 一 步 由 某 一 糖 酵 解 中 间 产 物 合成 的 | 并 且 在 同一 步骤 中 还 可 被 转化 为 另 一 糖 酵 解 中 间 产 物 。 那 么 , 这 两 个 糖 酵 解 途径 的 中 间 物 是 什么 ?什么 样 的 酶 催化 这 两 个 反应 ? 酵母 菌 在 无 氧 条 件 下 代谢 葡萄 糖 时 , 其 6 个 碳 原 子 的 去 路 ? 计算 2 分 子 丙酮 酸 被 转化 为 糖 原 中 的 1 个 葡萄 糖 单位 时 所 需要 的 高 能 磷酸 键 的 数量 。 若 肝 细 胞 中 抑制 己 糖 激 酶 活性 的 6 -磷酸 葡萄 糖 浓 度 较 高 时 , 那 么 , 其 有 何 去 路 ? 白蚁 几乎 完全 靠 进 食 纤 维 素 而 生存 。 和 白蚁 是 如 何 降解 纤维 素 为 糖 的 ? 哪 一 种 糖 可 帮 为 能 量 来 源 ? 酵母 菌 于 一 含有 所 有 营养 素 的 氧 饱 和 的 介质 中 培养 , 且 葡萄 糖 是 惟一 的 碳 源 , 葡 萄 糖 量 随时 间 而 减少 ,CO, 被 释 出 ,ADP 和 ATP 的 量 几 乎 保持 不 变 。 请 解释 (a) 在 缺 氧 条 件 下 , 或 (b) 在 氧 与 3 -磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 的 抑制 剂 同 时 存在 时 , 酵 母 菌 的 代谢 过 程 。 血液 中 葡萄 糖 的 浓度 是 如 何 维持 的 ,(a) 在 进食 富 含 碳水 化 合 物 饮 食 后 的 休息 过 程 中 ,(b) 在 持续 的 运动 过 程 中 。 糖尿 病 是 由 于 胰腺 不 能 分 泌 足 够 有 效 的 胰岛 素 或 产生 无 效 的 胰岛 素 而 导致 的 一 种 状 “ 态 。 此 状态 对 一 健康 人 的 糖 代谢 过 程 有 何 影 响 ? 一 系列 的 反应 中 , 细 胞 需要 NADPH 的 量 远 远 超过 5 -磷酸 核糖 的 量 。 那 么 ,(a) 细 胞 是 如 何 获得 NADPH 的 ,(b) 过 量 的 5 -磷酸 核糖 的 有 何 去 路 ? 肝 细 胞 中 以 6 -磷酸 葡萄 糖 为 底 物 的 四 个 反应 是 什么 ? 柠檬 酸 循环 是 一 系列 的 化 学 反应 , 在 这 一 系列 反应 中 含 两 个 碳 原子 的 乙酰 - CoA 最 终 被 氧化 为 CO,。 柠 檬 酸 循环 是 乙酰 - CoA 释放 能 量 的 中 心 途径 , 乙 酰 - CoA 由 糖 ( 见 第 12 章 )、 脂肪 酸 〈 见 第 13 章 ) 及 部 分 氨基 酸 ( 见 第 15 章 ) 代谢 而 产生 ; 柠檬 酸 循环 还 与 另外 两 个 过 程 , 电 子 传 递 和 氧化 磷酸 化 过 程 〈( 见 第 14 章 ) 密切 相关 。 问题 : 什么 是 乙酰 - CoA? 乙酰 - CoA 是 化 合 物 乙 酰 辅 酶 A 的 缩写 , 其 结构 式 如 图 12 - 1 所 示 。 辅 酶 A 由 三 部 分 组 成 : 带 有 3- 磷 酸 基 团 的 ADP, 谤 酸 和 8 - 琉 基 乙 胺 。 辅 酶 A 是 酰基 特别 是 乙酰 基 的 载体 , 酰 基 与 8 - 琉 基 乙 胺 的 硫 醇 基 相 连接 。 因 此 , 辅 酶 A 缩 写成 CoA, 乙 酰 辅 酶 A 缩写 成 乙酰 - CoA。 有 些 情况 下 还 特别 强调 硫 醇 基 , 将 其 编 入 缩写 中 , 即 CoASH (辅酶 A) 和 CoASCOCH3 或 CH;COSCoA (乙酰 辅酶 A)。 i c Ee HC. Li YY i tal Ki | | HS— CH, CH, NH— C—CH,CH,NHC CCCH,— O—P—oO —P—O—CH, | | HOCH, Or- O- O OH | “O—P=0O : OH B- PREZ RB 泛酸 部 分 3- 磷酸 -ADP 部 分 辅酶 人 A 二 eA i ip Sah ll ‘CH HC. “Of i 全 O ll ll CH,C—S— CH, CH, NH—C—CH,CH,NHC ae 3 0 一 P 一 0 —P—O—CH, | | HOCH, oO O- O OH | O—P=O 乙酰 基 团 乙酰 辅酶 人 Lb 图 12-1 辅酶 A 与 乙酰 辅酶 A 的 结构 图 - 286 - 生物 化 学 Hil 12.1 糖 酵 解 途径 中 糖 (HRB) 的 降解 可 以 产生 丙酮 酸 , 但 糖 代谢 中 心 酰 - CoA 是 如 何 生 成 的 ? 经 过 被 称 为 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 的 酶 的 作用 , 两 酮 酸 可 以 转化 为 已 酰 - CoA ( 见 例 12.3 和 第 5 章 )。 除 了 一 种 酶 在 线粒体 内 膜 上 以 外 , 已 栈 - CoA 及 催化 柠檬 酸 循环 各 反应 的 酶 都 存在 于 线粒体 基质 中 。 问题 : 柠檬 酸 循环 为 何 被 如 此 命名 ? 该 名 称 是 由 循环 中 的 第 1 步 , 草 酰 乙 酸 与 乙酰 - CoA 缩合 生成 柠檬 酸 而 得 来 的 。 并 且 由 于 产物 是 三 羧 酸 , 此 循环 也 称 三 羧 酸 循环 。 乙酰 - CoA 不 能 穿 过 线粒体 的 两 层 膜 , 仅 能 在 线粒体 基质 中 形成 , 主 要 有 三 个 来 源 : 1. 糖 酵 解 作用 产生 丙酮 酸 , 丙 酮 酸 经 转运 蛋白 的 运载 , 轻 易 穿 过 线粒体 膜 而 进入 基质 中 , 再 经 丙酮 酸 脱氧 酶 的 作用 被 转化 为 乙酰 - CoA。 2. 经 特异 转运 蛋白 的 运载 , 脂 肪 酸 (以 其 CoA 衍生 物 ) 由 胞 浆 进入 线粒体 基质 中 , 并 被 氧化 为 乙酰 - CoA. 3. 和 蛋 日 质 被 水 解 为 氨基 酸 , 氢 基 酸 在 线粒体 基质 中 被 转化 为 乙酰 - CoA ( 见 第 15 章 )。 12.2 柠 模 酸 循环 反应 柠檬 酸 循环 中 有 8 步 反 应 构成 。 第 1 步 在 柠檬 酸 合成 酶 的 作用 下 , 乙 酰 - CoA 与 草 酰 乙酸 缩合 成 柠檬 酸 。 CH, CH3COSCoA + O=C—COO7 =* HO-C—CO0" + CoASH ‘ig CH), COGO COO- 乙酰 - CoA 草 酰 乙酸 柠檬 酸 辅酶 A 第 2 步 ”柠檬 酸 脱 水 成 为 顺 - 乌 头 酸 , 随 后 , 顺 - 乌 头 酸 又 水 合成 为 异 疗 榜 酸 。 这 两 个 可 逆反 应 均 由 乌 头 酸 酶 催化 。 ‘oat aaa an CH CH, CH, | > 20 | a H,0 | Se kere C—COO- eee ye 下 HO—CH COO™ CGO COO 柠檬 酸 项 -~ 乌 头 酸 FT eR 反应 中 的 中 间 物 , 顺 - 乌 头 酸 , 与 乌 头 酸 酶 相连 接 , 并 不 被 作为 是 柠檬 酸 循环 的 独立 中 间 物 。 第 3 步 ” 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 将 异 柠檬 酸 氧化 脱羧 为 2 - 酮 戊 二 酸 。 ” 4 ‘ ' 第 12 章 , 柠檬 酸 循环 287 , GOG5 GOOD pe bp ie cn | NAD* CiH--€00 -| ta GEFTGOGs ote 语 Si + NADH + H* + CO, HO—-CH die eee big Vos COG 异 柠檬 酸 [ 草 酰 琥珀 酸 ] 2 - 酮 戊 二 酸 (a - 酮 戊 二 酸 ) | 此 反应 中 的 中 间 物 草 酰 琥珀 酸 , 并 不 与 酶 脱离 , 因 此 不 被 作为 柠檬 酸 循环 的 独立 中 间 体 。 第 4 步 在 2- 酮 成 二 酸 脱 氢 酶 复合 体 OK o - 酮 成 二 酸 脱 氢 酶 ) 的 催化 作用 下 , 2 - 酮 戊 二 酸 与 辅酶 A (CoASH) 生成 琥珀 酰 - CoA. | ag as. CH CH, NAD* + CH, . +CoASH== ‘te + CO, + NADH C—O COSCoA COO- 2 - 酮 戊 二 酸 辅酶 A 琥珀 酰 - CoA 5 BRTAB- CoA 合成 酶 的 催化 , 琥 珀 酰 - CoA 转化 为 琥珀 酸 。 per ‘aed CH; CH). GDP #-Fi CH) —-_.-=>_CH).... +. GTP + CoASH COSCoA COO- 琥珀 酰 - CoA ”琥珀 酸 辅酶 A | , 在 上 述 反应 中 ,GDP 的 磷酸 化 是 底 物 水 平 磷酸 化 的 实例 , 此 反应 也 是 柠檬 酸 循环 中 惟一 能 直接 产生 高 能 磷酸 键 的 反应 。 磷 酸化 过 程 所 需 的 能 量 是 由 琥珀 酰 - CoA 硫 酯 键 的 水 解 提供 , 的。 而后, 经 核 苷 二 磷酸 激酶 的 催化 ,GTP 磷酸 化 ADP, GTP + ADP =—GDP + ATP 但 此 反应 并 不 是 柠檬 酸 循环 的 基本 代谢 组 分 。 第 6 步 ” 由 焉 珀 酸 脱 氢 酶 的 催化 , 琥 珀 酸 被 氧化 为 延 胡 索 酸 。 COO™ COO 琥珀 酸 脱 氢 酶 催化 了 两 个 也 的 反 式 消除 反应 。 这 是 柠檬 酸 循环 中 惟一 的 一 个 有 FAD 参与 的 反应 , 琥 珀 酸 脱 氢 酶 也 是 循环 中 仅 有 的 膜 被 酶 。 关 于 这 方面 的 重要 性 将 在 第 14 章 中 讨论 。 第 7 步 ” 延 胡 索 酸 可 逆 地 水 合 为 苹果 酸 , 此 反应 由 延 胡 索 酸 水 合 酶 〈 也 称 延 胡 索 酸 酶 ) 催化 。 ye 生物 化 学 人 a ci H,O Tc isi > COO COO- iE HAR L -苹果 酸 第 8 步 “ 苹 果 酸 在 苹果 酸 脱 氢 酶 的 作用 下 生成 草 酰 乙酸 。 coo ?oo | ae ee NAD* + ie HOCH + CoASH ‘id COO" LER 乙酰 - CoA 苹果 酸 辅酶 A 上 述 反应 生成 了 两 个 重要 的 中 间 化 合 物 , 琥 珀 酸 与 苹果 酸 (可 被 转化 为 草 酰 乙酸 )。 柠 柑 酸 循环 中 的 两 个 脱羧 步骤 被 饶 过 而 行 , 因 此 , 不 存在 乙酰 - CoA 被 氧化 为 CO; 的 过 程 。 虽 然 利 用 了 两 分 子 的 乙酰 - CoA, 但 所 有 的 碳 原子 都 被 保留 了 下 来 。 问题 : 乙 醛 酸 循环 的 总 反应 是 什么 ? 2 ZBE- CoA + 2H,O+ NAD + ——>#239R?- + NADH+ 3H* +2CoASH 第 12 章 “柠檬 酸 循环 问题 解答 柠檬 酸 循环 反应 EP .!1 12.2 一 轮 完 整 的 柠檬 酸 循环 过 程 中 , 总 体 上 有 哪些 化 学 变化 ? AE , 总 体 化 学 反应 为 , 正 分 子 乙酰 -CoA 被 完全 氧化 产生 2 分子 CO),3 分 子 NAD -及 工分 子 FAD 被 还 原 ,1 分 子 GDP 被 磷酸 化 。 柠檬 酸 循环 的 总 反应 式 是 CH;COSCoA + 2H,0 + 3NAD* +FAD+ GDP + Pi 一 ~ 2CO, + 3NADH + 3H* + FADH, + GTP | 每 消耗 1 tC Bi- CoA 只 产生 1 个 ATP 4 (GTP) 吗 ? yan (=) REBFETIAATP 当量 , 但 在 电子 传递 和 氧化 磷酸 化 【( 见 第 14 章 ) HEF, NADH 4 FADH, 的 还 原 还 产生 了 另外 11 DF ATP. 柠檬 酸 循环 中 有 多 少 步骤 包含 (a) 氧化 -还 原作 用 ,(b) 水 合 -去 水 合作 用 , (c) 底 物 水 平 的 磷酸 化 作用 ,(d) 脱羧 作用 ? 并 列 出 相应 于 这 些 反 应 的 酶 。 答 : (a) 有 四 个 步骤 包含 氧化 -还 原作 用 。 相 应 的 酶 是 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 ,2- 酮 皮 二 酸 脱 氢 第 一 循环 第 二 循环 Coo » CH;COSCoA *COOr | HO—C—COO” an. if ‘C=O © HO 一 C 一 COOr BS *COO- lag CH, 2 em. x ~~ te “CO coo (ele) ne — *CHOH CH at “GH: = eye HC—COO™ "COO ao 一 人 di 外 \d es na ‘gal Sf ; *CH "COOr 人 eao, H, CO, OSCoA ne Sg hat COO- CO, CH CH, ~ "(hy Re | F *CH, H, | GO “COO SCoA 图 12-11 柠檬 酸 循环 中 乙酰 - CoA 碳 原子 的 分 配 * 29% * «296°: 12.4 12.6 a 生物 化 学 酶 , 琥 珀 酸 脱氧 酶 , 与 苹果 酸 脱 氨 酶 。 (b) 有 两 个 步骤 包含 水 合 -去 水 合 反 应 5 相应 的 酶 是 顺 乌 头 酸 酶 和 延 胡 索 酸 酶 。 (c) 只 有 一 个 步骤 是 底 物 水 平 的 磷酸 化 反应 , 催 化 该 反应 的 酶 是 琥珀 酰 = CoA 合成 BE, (d) 有 两 个 步骤 包括 脱羧 作用 。 催 化 反应 的 酶 为 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 和 2= 酮 成 三 酸 脱 氢 酶 。 每 一 次 ,1 分 子 乙酰 - CoA 被 氧化 , 即 产生 2 分 子 CO 。 那 么 ,乙酰 -CoA 的 碳 原 子 在 | 其 第 一 轮 循环 中 会 被 转变 为 CO; 吗 ? 答 : 不 会 。 图 12 -11 给 出 了 两 轮 循环 中 工分 子 乙 酰 -CoA 中 碳 原子 的 去 路 。 两 个 碳 原 子 可 被 示 踪 , 直 到 第 5 步 , 它 们 被 随机 形成 了 对 称 的 琥珀 酸 分 子 , 这 表明 对 称 琥珀 酸 分 子 中 的 两 个 亚 甲 基 来 源 于 乙酰 - CoA 中 甲 基 的 时 可 能 性 相当 。 第 二 轮 的 第 3、4 步 每 一 步 都 生 成 CO;, 其 50% 源 于 乙酰 - CoA HRER. 在 第 三 轮 循环 中 , 这 两 步 综 合 起 来 以 CO; 的 形式 释 出 了 其 余 50% 被 标记 的 甲 基 碳 原 子 , 向 前 进入 下 一 循环 。 (12.5 柠檬 酸 是 对 称 分 子 , cc REE HH 第 2 步 中 , 乌 头 酸 酶 催化 了 半 个 柠檬 酸 分 子 脱水 , 却 不 催化 完全 相同 的 另 一 半 脱 水 。 这 如 何 解 释 ? 答 : 柠檬 酸 循环 的 发 现 者 ,Hans Krebs, 也 考虑 过 这 一 问题 , 并 得 出 结论 , 即 柠檬 酸 不 是 循环 的 中 间 物 。1948 年 , 假设 , 建 立 了 原 手 征 性 的 概念 。 若 以 SRE MRA MRBRAT (图 12 - 12), 假 设 它 与 灸 尖酸 之 间 的 三 点 EM MERKLE A EMER, MBA 很 明显 柠檬 酸 只 能 在 一 AS LE 纳 。 因 此 , 只 可 从 对 称 分 子 的 一 半 中 脱 去 水 。 图 12-12 柠檬 酸 与 乌 头 酸 酶 的 三 点 接 附 。 图 中 显示 了 为 何 只 能 有 一 个 -CHCOO 基 团 与 酶 相连 接 者 进行 柠檬 酸 循环 的 细胞 中 包含 有 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 激酶 , 那 么 , 怎 样 的 过 程 能 使 1 分 子 2 - 酮 成 二 酸 氧 化 成 5S 分 子 CO2? 答 理论 上 的 反应 顺序 为 : 2= 酮 成 二 酸 一 ”04CO:) 半 琥 珀 酰 -CoA 一 > 延 胡 索 酸 一 ~ 苹果 酸 一 > 草 酰 乙 酸 一 ~ (CO) + 磷酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 一 ~ Aa R— (CO,) + 7Z&-CoA—200, 2 - 氟 乙 酸 是 在 部 分 南部 非洲 植物 中 被 发 现 的 一 种 动物 毒素 ; 可 被 用 做 饵 捕杀 野兔 (此 毒素 被 称 为 “1080”) 。 食 入 该 毒素 后 , 它 被 转化 为 2 - 氟 乙 酰 - CoA。2 - 氟 乙 酰 = CoA 在 柠檬 酸 循环 中 有 何 去 路 ? 其 毒性 机 制 是 什么 ? 答 : 作为 底 物 2 -所 乙酰 -CoA 与 乙酰 - CoA HSH 合成 酶 , 并 被 转化 为 Alexander Ogston 提出 了 三 点 接 附 的 ‘ 第 12 章 “ 柠檬 酸 循环 4 - 氟 柠 模 酸 。4 -和 氟 柠 檬 酸 作为 顺 鸟 头 酸 酶 的 有 效 抑 制剂 而 阻 断 柠檬 酸 循环 ,以 此 产生 毒性 。 ‘COO “CHF FCH,COQ- ——* FCH,COSCoA Ho —c—coo "CH, '‘COO™ ROR 氟 乙 酰 -CoA 4- 氟 柠檬 酸 图 12-13 由 2- 氟 乙酰 - CoA 合成 4 - 氟 柠 檬 酸 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 与 丙酮 酸 羧 化 酶 12.8 在 不 消耗 任何 柠檬 酸 循环 中 间 物 的 前 提 下 , 通 过 什么 样 的 反应 丙酮 酸 可 被 转化 为 琥珀 酸 ? AN 经 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 的 作用 , 丙 酮 酸 可 被 转化 为 乙酰 - CoA。 两 酮 酸 又 可 在 丙酮 酸 次 化 酶 的 催化 下 被 羧基 化 而 产生 草 酰 乙酸 。 由 此 ,2 分 子 的 丙酮 酸 形成 了 柠檬 酸 的 前 体 化 合 物 , 在 柠檬 酸 循环 中 被 转化 为 琥珀 酸 。 ”柠檬 酸 循环 的 两 性 特点 12.9 假设 天 冬 氨 酸 是 供给 细胞 的 惟一 碳 源 , 请 概述 线粒体 中 柠檬 酸 循环 得 以 进行 的 反应 。 =: 天 冬 氨 酸 将 会 被 转 去 氨基 ( 见 第 15 章 ) 而 产生 草 酰 乙酸 。 草 酰 乙酸 经 下 列 一 系列 反 应 , 被 转化 为 乙酰 - CoA; 草 酰 乙酸 一 > 苹果 酸 一 ~ 草 酰 乙 酸 一 > 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 一 ~ 乙酰 - CoA 相应 的 酶 分 别 是 : @ 线 粒 体 苹果 酸 脱 氢 酶 ; @ 细 胞 液 苹果 酸 脱 氢 酶 ; @ 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 次 激酶 ;@ 丙 酮 酸 激酶 和 丙酮 酸 脱氧 酶 。 而 后 , 乙 酰 - CoA 与 草 酰 乙酸 (由 另 一 分 子 天 冬 氨 酸 产生 而 来 ) 缩合 , 生 成 柠檬 酸 。 所 以 , 天 冬 氢 酸 能 继续 供给 乙酰 - CoA, 以 便 柠 檬 酸 循环 能 持续 进行 。 乙 醛 酸 循环 12.10 乙 醛 酸 循环 与 柠檬 酸 循环 有 多 步 反 应 是 共同 的 , 乙 醛 酸 循环 的 两 个 特异 的 酶 是 什么 ? Ae 是 异 柠 柑 酸 裂 合 酶 与 苹果 酸 合成 酶 。 异 柠檬 酸 裂 合 酶 催化 异 柠檬 酸 断 裂 为 琥珀 酸 和 CER; 苹果 酸 合成 酶 则 催化 乙 醛 酸 与 乙酰 - CoA 缩合 成 苹果 酸 。 12.11 动物 是 不 能 由 乙酰 - CoA 净 获 得 碳水 化 合 物 的 , 而 植物 却 可 以 。 如 何 解 释 ? 答 : 动物 细胞 中 , 乙 酰 - CoA 是 丙酮 酸 在 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 的 催化 作用 下 , 经 过 不 可 逆 的 脱羧 反应 而 产生 的 。 碳 水 化 合 物 是 由 草 酰 乙酸 合成 的 , 而 草 酰 乙酸 又 是 丙酮 酸 在 丙酮 酸 次 化 酶 的 催化 下 生成 的 。 由 于 丙酮 酸 脱 氢 酶 催化 的 反应 是 不 可 逆 的 , 则 乙 酰 -CoA 不 能 被 转化 为 丙酮 酸 , 因 此 , 动 物 细胞 不 能 利用 乙酰 - CoA 获取 碳水 化 合 物 。 由 于 植物 有 乙 醛 酸 循环 ,而 动物 没有 , 因 而 植物 细胞 可 由 2 分 子 乙酰 -CoA 和 1 + 29% * * 296 。 jl I 12-13 12.14 1s be) 生物 化 学 分 子 草 酰 乙酸 合成 工分 子 琥珀 酸 与 1 分 子 苹果 酸 。 苹 果 酸 再 被 转化 为 草 酰 乙酸 后 , 可 与 另 1 分 子 乙酰 - CoA 反应 以 便 乙 醛 酸 循环 能 持续 进行 。 琥 珀 酸 亦 可 经 柠檬 酸 特 环 中 酶 的 作用 而 被 转化 为 草 酰 乙 酸 。 故 ,1 分 子 草 酰 乙酸 可 被 用 于 碳水 化 合 物 的 合 成 , 由 此 , 植 物 能 够 利用 乙酰 - CoA 来 净 合 成 碳水 化 合 物 。 补充 问题 计算 2 分 子 乙酰 - CoA 在 (a) 柠檬 酸 循环 中 , 和 (b) 乙 醛 酸 循环 中 由 ADP 底 物 水 平 磷酸 化 作用 产生 的 ATP 分 子 数 。 延 胡 索 酸 的 结构 中 有 下 (或 称 反 式 ) 双 键 。 = A eS Z (或 称 顺 式 ) 异 构 体 作为 惟一 的 碳 源 , 结 果 将 如 何 ? 缺 氧 对 红细胞 柠檬 酸 循环 速率 有 何 影响 ? 如 将 琥珀 酰 - CoA 合成 酶 的 有 效 抑制 剂 用 于 肝 细 胞 或 发 芽 的 植物 细胞 , 对 这 两 类 细 胞 碳水 化 合 物 的 合成 与 能 量 生成 有 何 影 响 ? Tis, ma it ‘- 13.1 S28 人 类 摄取 的 饮食 脂 类 主要 来 自 于 动 植物 的 三 酰 甘油 , 固 醇和 膜 磷 脂 。 脂 类 代谢 过 程 包 括 脂 类 的 储存 、 降 解 , 及 产生 各 组 织 所 需 的 结构 功能 特性 脂 质 。 例 如 , 高 级 组 织 神经 系统 的 进 化 就 依赖 于 特异 性 酶 的 自然 选择 , 这 些 酶 可 合成 及 降解 (FEHR) 脑 和 中 枢 神 经 系统 的 脂 类 。 13 .2 脂 类 的 消化 西方 人 每 日 约 摄取 100g 的 三 酰 甘 油 。 这 些 脂 类 与 摄 入 的 磷脂 一 同 依靠 胰腺 分 刻 液 与 胆 圳 分 刻 的 胆汁 而 被 消化 吸收 。 胰 腺 分 论 液 的 主要 成 分 是 酶 , 而 胆汁 的 主要 成 分 则 是 胆 盐 〈 见 +6), Bs 脂 类 的 消化 是 在 小 肠 内 完成 的 , 由 分 别 作用 于 三 酰 甘油 和 磷脂 的 水 解 酶 , 脂 酶 与 磷脂 酶 催化 进行 。 Fi 13.1 脂 酶 的 催化 作用 : 1 ? mT OC Ry H,O 和 H,C—OH ? Meal a CH O ak bas CO Ci ? + Re C aOH H,C—O—C—R; 上 人 UP RS SEP, Ri Ry Ry 是 脂肪 酸 的 碳 气 链 。 脂 肪 酸 与 甘油 之 间 的 酯 键 被 水 解 。 肠 腔 中 , 胰 脂 酶 量 对 饮食 三 酸 甘 油 的 完全 水 解 产生 下 列 化 合 物 , 7 H,C—OH O ee fe So Omar | H,C—OH O mr-C-OH 2 - 单 脂 酰 甘油 和 2 分 子 脂肪 酸 CE 例 13.2 磷脂 酶 A; 催化 下 列 反应 : * 300 - 生物 化 学 O , 9? He-0-C-K i ‘gear tt ? Bet HO 一 人 pos 9? + R,—-C-O8 下 Bate Bs Oe By 0 6 ERP, R PR, SMH RAB, RA 是 已 醇 。 脂 肪 酸 与 甘油 之 间 的 酯 键 只 有 一 个 被 水 解 , 特别 是 甘油 中 C-2 位 上 的 酯 键 易 被 水 解 。 磷脂 酶 A, 则 水 解 研 酸 甘油 酯 中 C-1 位 上 的 脂肪 酸 与 甘油 之 间 的 酯 键 。 问题 : 水 解 酶 如 何 作用 于 玻 水 的 脂 类 的 ? 这 些 脂 酶 必须 能 作用 于 水 - 脂 界面 。 消 化 脂 酶 被 分 这 入 小 肠 腔 内 , 作 用 于 大 的 脂肪 滴 上 。 经 脂 酶 与 磷脂 酶 的 作用 , 最 初 的 消化 产物 是 脂肪 酸 和 溶血 磷酸 甘油 酯 。 由 于 大 的 脂肪 滴 被 分 散 成 无 数 小 液 滴 , 加 速 了 消化 进程 。 水 解 下 来 的 脂肪 酸 和 2 - 单 脂 酰 甘油 增多 , 被 胆 盐 微粒 〈 见 第 6 章 ) 所 吸收 。 单 脂 酰 甘油 也 可 增加 胆 盐 的 去 油 能 力 , 因 而 使 三 酰 甘 油 和 脂 溶 性 维生素 更 易 乳 化 。 大 量 的 混合 微 团 迁 移 至 肠 上 皮 细 胞 表面 , 在 此 脂肪 酸 、 脂 溶性 维生素 和 2 - 单 脂 酰 甘油 从 微 困 中 释 出 〈 图 13 -1)。 图 13-1 肠 道 内 三 酰 甘 油 的 消化 脂肪 酸 的 吸收 脂肪 酸 的 碳 链 由 14 或 14 个 以 上 个 碳 原子 CER) 组 成 时 , 该 脂肪 酸 被 动 扩散 六 肠 下 皮 细 胞 内 。 可 顺 着 游离 脂肪 酸 在 混合 微 团 中 高 而 在 肠 上 皮 细 胞 内 低 的 浓度 梯度 进入 细胞 。 细 胞 膜 不 阻碍 亲 脂 脂肪 酸 的 进入 。 脂 肪 酸 可 通过 与 结合 蛋白 的 结合 而 进入 细胞 内 , 结 合 蛋白 对 长 链 脂肪 酸 的 亲和力 较 高 。 同 时 , 与 脂肪 酸 一 起 ,2 - 单 脂 酰 甘 油 也 可 被 动 扩 散 入 上 皮 细胞 , 并 被 迅速 转化 为 三 酰 甘油 。 第 13 章 ” 脂 类 代谢 问题 : 脂肪 酸 和 2 - 单 脂 酰 甘油 是 如 何 进 入 循环 的 ? 新 合成 的 三 酰 甘 油 被 组 合 进 乳 糜 微 粒 , 乳 糜 微 粒 〈 一 种 脂 蛋 日 , 见 下 一 部 分 ) 是 由 肠 上 皮 细 胞 分 这 六 乳 糜 管 和 小 肠 绒毛 内 小 淋巴 管 的 。 乳 魔 微粒 从 淋巴 管 进入 胸 导 管 , 再 由 胸 导 管 进 入 血液 , 将 脂 类 燃料 运送 给 各 组 织 。 乳 糜 微粒 的 代谢 特点 是 能 够 将 脂 类 燃料 运输 至 肝 外 组 织 。 图 13-2 血液 及 组 织 中 的 脂 蛋 白 循 环 13.3 脂 蛋 白 代谢 脂 蛋 白 的 作用 脂 蛋 和 白 的 作用 是 转运 血浆 中 蕊 水 的 脂肪 (图 13 -2)。 血 液 中 循环 利用 的 脂 蛋白 主要 有 乳 糜 微粒、VLDL ( 极 低 密度 脂 蛋 白 )、LDL ( 低 密度 脂 蛋白 ) 和 HDL (高 密度 脂 蛋 白 )。 IDL (中 密度 脂 蛋 白 ) 是 在 LDL 的 形成 过 程 中 由 VLDL EMA. REA 要 人 燃料, 以 三 酰 甘油 的 形式 被 储存 于 脂肪 组 织 中 。 用 于 贮存 脂肪 的 脂肪 酸 主要 以 乳 魔 微 粒 或 VLDL 中 三 酰 甘油 的 形式 被 转运 入 脂肪 组 织 。 乳 魔 微 粒 在 脂肪 组 织 中 被 迅速 降解 , 残 存 的 乳 糜 微 粒 再 进入 循环 中 , 被 肝脏 吸收 。VLDL 在 脂肪 组 织 中 被 降解 成 为 LDL, 而 LDL 则 作为 主要 运输 胆固醇 的 脂 蛋 白 而 循环 。HDL 是 可 被 不 断 循环 利用 的 脂 蛋白 , 它 包含 有 可 将 游离 胆固醇 转化 为 胆固醇 酯 的 磷脂 酰 胆 碱 : 胆固醇 酰基 转移 酶 (或 卵 磷 脂 : 胆固醇 酰基 转移 酶 , ECAT). “30m, *302° 生物 化 学 问题 : HDL 中 胆固醇 酷 有 何 去 路 ? 胆固醇 酯 通过 胆固醇 酯 转运 蛋白 (CETP) 而 被 转移 出 HDL。CETP 促使 胆固醇 酯 转移 给 VLDL 与 LDL, i HDL 交换 得 到 三 酰 甘 油 。 此 途径 中 ,CETP 使 得 HDL 能 够 转运 更 多 的 由 LCAT 催化 的 反应 而 产生 的 胆固醇 酯 。 一 CE 例 13.3 由 LCAT 催化 的 反应 是 ; 胆固醇 胆固醇 酯 磷脂 栈 胆 碱 (SRR NE) #5 fn BRE RRIE BE Lime, FO RRR ET DRL mA RRA, Ep iba Ae 国 醇 : CH, CH,-(CH, )~CH=CH-CH, © —CH=CH-—(CH,),-O-0 亚 油 酰 胆固醇 脂 蛋 白 中 脂肪 酸 的 释 出 脂肪 组 织 中 脂 蛋 白 脂 酶 的 作用 是 从 乳 糜 微 粒 和 VLDL 中 去 除 三 酰 甘 油 。 载 脂 蛋 白 C 可 激活 此 酶 , 使 此 酶 特异 性 地 作用 于 乳 魔 微粒 与 VLDL 的 表面 。 | 问题 : ek A BS HE 1 0] FH Jz Dy? Fac A A L,Y A BH ay 2 - 单 脂 酰 甘 油 和 两 个 脂肪 酸 。 而 后 脂肪 酸 沿 浓度 梯度 被 动 扩 散 入 细胞 中 。 H, Sa Core ree RES H,C OH 7 RCI 三 酰 甘 油 2 - 单 酰 甘 油 游离 脂肪 酸 脂肪 组 织 中 , 甘 油 三 酯 可 由 脂肪 酸 而 再 合成 , 以 大 脂肪 滴 形式 贮存 , 这 些 大 脂肪 滴 约 占 旨 肪 细胞 体积 的 96% ( 见 第 1 章 )。 一 个 体重 约 70kg 的 人 , 其 脂肪 组 织 内 贮存 的 脂肪 足够 BEATS BY TA] LGR (40 天 ) 状态 下 机 体 所 需 的 能 量 。 其 他 组 织 中 脂 蛋 白 脂 酶 也 作为 胞 外 酶 , “第 13 章 脂 类 代谢 而 由 脂 蛋 白 甘 油 三 酯 水 解 产 生 的 脂肪 酸 , 既 可 作为 胞 内 的 直接 燃料 , 也 可 以 甘油 三 酯 形式 贮 存 起 来 。 由 LDL 释 出 胆固醇 循环 中 LDL 量 充足 时 , 可 为 组 织 提供 内 源 性 的 胆固醇 。 问题 : LDL 中 的 胆固醇 是 如 何 转 入 细胞 内 的 ? LDL 可 特异 性 地 与 细胞 表面 的 脂 蛋 白 受 体 相 结 合 , 形 成 的 复合 体 在 质 膜 上 被 称 为 被 覆 陷 窝 的 区 域内 变 成 灸 团 , 随 后 发 生 胞 符 作 用 (图 13 -3)。 网 格 蛋白 包 被 从 内 吞 泡 上 脱 开 , 内 香 泡 可 使 受 体 再 循环 到 质 膜 上 或 与 溶 酶 体 融合 。 溶 酶 体 中 的 蛋白 酶 和 脂 酶 能 催化 LDL - 受 体 复 合体 的 水 解 ; 其 中 的 蛋白 质 被 完全 降解 为 氨基 酸 , 而 胆固醇 酯 则 被 水 解 为 游离 胆固醇 和 脂肪 酸 。 新 的 LDL 受 体 在 内 质 网 膜 上 被 合成 , 而 后 又 被 引导 至 质 膜 上 。 人 少量 胆固醇 被 内 质 网 膜 所 吸收 , 或 在 胞 浆 内 经 酯 化 以 胆固醇 酯 的 形式 被 贮存 ; 这 种 情况 是 在 胆固醇 供给 量 超出 其 在 膜 中 的 利用 量 时 才 可 发 生 。 正 常情 况 下 , 只 有 极 少量 的 胆固醇 酯 存在 于 细胞 内 , 游 离 胆固醇 则 主要 存在 于 质 膜 内 。 (b) 胞 吞 作用 图 13-3 胆固醇 被 吸收 入 细胞 后 LDL - 受 体 复 合体 的 去 路 " 305 » »' 804: - 生物 化 学 CE 例 13.4 已 酰 - CoA: 胆固醇 酰基 转移 酶 可 众 化 胞 浆 内 胆 国 酵 的 酯 化 : 胆固醇 胆固醇 油 酸 油 酰 -CoA | CoA LDL 受 体 LDL 受 体 蛋 白 相 对 分 子 质量 为 160 000, 是 一 种 膜 内 在 糖 蛋 白 , 由 839 个 氨基 酸 残 基 折 丢 成 五 个 结构 域 。 结 构 域 1 是 可 与 载 脂 蛋 白 B 或 载 脂 蛋 白眉 相 作 用 的 配 体 结合 域 , 富 含 半 胱 氨 酸 , 并 带 有 负电 荷 。 结 构 域 2 与 上 皮 生 长 因子 (EGF) 的 前 体 化 合 物 高 度 同 源 二 这 一 结 构 域 的 功能 尚 不 清楚 , 但 似乎 对 与 LDL 的 结合 有 积极 作用 。 结 构 域 3 有 O BRM BE, 虽 不知 其 功能 , 但 它 似乎 起 由 细胞 膜 上 将 结合 位 点 分 离开 的 “ 柄 ”的 作用 。 结 构 域 站 是 跨 膜 结构 域 , 可 将 受 体 固定 在 膜 上 。 结 构 域 $ 是 处 于 胞 浆 内 的 一 小 段 结构 , 可 定位 受 体 手 被 覆 陷 Bo 目前 已 鉴别 出 四 类 LDL 受 体 的 变异 体 。 第 一 类 变异 体 是 由 于 使 受 体 蛋 白 不 表达 而 被 鉴 定 的 , 也 可 能 表达 成 了 另 一 个 修饰 蛋白 , 但 该 蛋白 并 不 作为 LDL 受 体 和 蛋白 被 识别 。 第 二 类 变异 体 中 出 现 了 无 义 突变 (造成 蛋 白质 合成 提前 终止 , 参 见 第 17 章 ), 导 致 由 内 质 网 向 细胞 膜 运转 的 受 体 的 减少 。 这 类 变异 体 在 南非 白 种 人 群 与 黎巴嫩 人 群 中 常见 。Watanabe 遗传 性 高 脂 血 症 免 子 (WHHL) 是 带 有 第 二 类 变异 体 的 动物 模型 , 被 广泛 应 用 于 家 族 性 高 胆固醇 血 症 的 研究 。 第 三 类 变异 体 导 致 受 体 与 LDL 异常 结合 , 这 可 能 是 由 于 结构 域 1 氨基 酸 序列 的 变化 而 引起 的 。 第 四 类 变异 体 是 氨基 酸 序列 有 内 在 缺 隐 , 使 受 体 不 能 被 定位 在 被 覆 陷 窝 上 , 是 C 端 第 5 结构 域 氨基 酸 突变 的 结果 。 问题 : 防止 细胞 内 胆固醇 过 量 蓄积 的 化 学 机 理 是 什么 ? 胞 内 过 量 的 胆固醇 可 抑制 LDL 受 体 的 合成 , 从 而 阻止 细胞 表面 新 受 体 的 出 现 , 这 将 使 胆固醇 的 循 环 量 增加 。 SH 13.5 KRRARRASLAR MERHANAAP PAB KFRA, SHF LDL 受 体 的 完全 缺失 或 细胞 表面 缺陷 受 体 的 存在 而 造成 的 。 SF Fill 13.6 对 胆固醇 需要 量 大 的 组 织 , 如 肾 二 腺 皮质 , 其 细胞 表面 有 大 量 的 LDL LH, FLAP, F 胆固醇 被 用 于 合成 类 国 醇 激素 , 皮 质 醇 ( 亦 称 和 氢化 可 的 松 ) 便 是 其 中 之 一 ; 由 下 列 的 结构 式 上 可 知 皮质 醇 与 胆固醇 结构 的 相似 性 : HO 皮质 醇 B13 ARH - 305 - 13.4 贮存 脂 类 的 动员 当 葡 萄 糖 的 可 获得 性 较 低 时 , 以 甘油 三 酯 形式 储存 于 脂肪 组 织 中 的 脂肪 酸 便 是 各 组 织 能 主要 能 量 来 源 。 紧 张 、 长 时 间 运 动 及 饥 狐 都 会 动用 贮存 脂 类 。 甘 油 三 酯 可 被 激素 敏感 性 脂肪 酶 水 解 , 脂 肪 酸 释 出 进入 循环 中 。 这 些 非 酯 化 的 脂肪 酸 与 血浆 日 蛋 日 结合 , 随 血液 流 经 各 组 织 。 血 浆 白 蛋白 不 仅 使 脂肪 酸 更 易于 进入 循环 , 还 可 减低 其 在 转运 过 程 中 的 去 污 作用 。 问题 : 激素 敏感 性 脂肪 酶 对 哪些 激素 敏感 ? 可 将 甘油 三 酯 水 解 为 甘油 一 酯 和 脂肪 酸 的 激素 敏感 性 脂肪 酶 可 被 下 列 激素 激活 : 肾上腺 素 , 去 甲 肾 上 腺 素 , 肾 上 腺 类 固 醇 , 胰 高 血糖 素 , 垂 体 激素 , 催 乳 激素 ( 亦 称 促 乳 素 或 黄体 生成 素 ),B -和 a - 促 脂 解 素 , 促 生长 素 , 促 甲状 腺 素 , 及 血管 升 压 素 等 等 。 问题 : 单 脂 酯 甘油 有 何 去 路 ? 对 激素 并 不 敏感 的 第 二 个 胞 内 酯 酶 可 将 甘油 一 酯 水 解 为 甘油 与 脂肪 酸 。 SS 13.5 脂肪 酸 的 氧化 ‘£2 Oe 站 肪 酸 的 氧化 分 为 三 步 进行 , 即 , 活 化 、 转 运 入 线粒体 、 氧 化 为 乙酰 - CoA. 脂肪 酸 的 活化 一 般 情况 下 , 脂 肪 酸 在 进入 代谢 途径 之 前 要 被 转化 为 辅酶 A (CoASH) 的 衍生 物 ; 此 脂 酰基 衍生 物 称 为 烷 酰 - CoA 或 烯 酰 - CoA, 该 形式 的 脂肪 酸 被 认为 是 已 活化 的 。 i CH3—( CH) 14—COO- CH3—( CH} ) 14—COSCoA » 软 脂 酸 -- 软 脂 酰 -CoA 划 - (棕榈 酸 ) (棕榈 酰 - CoA) 二 CH;—(CH,)7CH=CH—(CH)7—COO- CH;—(CH,),;CH=CH—(CH )7—COSCo -里 硬 脂 酸 一 硬 脂 酰 - CoA ( 油 酸 ) ( 油 酰 CoA) 脂肪 酸 的 活化 使 脂肪 酸 与 CoA 之 间 生 成 了 硫 酯 键 。 该 过 程 与 ATP 水 解 为 AMP 的 反应 偶 联 。 对 于 棕榈 酸 , 反 应 式 如 下 : CH3-(CH) )4-COO- + CoASH+ ATP 一 CH3-(CH ) -COSCoA+ AMP + PPi 催化 此 反应 的 酶 是 脂 酰 - CoA 合成 酶 。 有 三 种 脂 酰 - CoA 合成 酶 能 够 激活 不 同 链 长 的 脂肪 酸 。 一 种 可 激活 乙酸 (C,). AR (Cs3) ATR (Cy); 第 二 种 酶 可 激活 中 等 链 长 的 脂肪 酸 (C4 一 Cup); 第 三 种 可 激活 长 链 或 中 等 链 长 的 脂肪 酸 。 活 化 长 链 脂 肪 酸 的 脂 酰 - CoA 合成 酶 广泛 存在 于 哺乳 动物 组 织 中 , 主 要 在 线粒体 与 内 质 网 内 。 活化 的 脂肪 酸 向 线粒体 内 的 转运 氧化 脂肪 酸 的 酶 存在 于 线粒体 基质 中 。 脂 酰 - CoA 虽 不 能 自由 地 透 过 线粒体 内 膜 , 但 经 特异 的 转运 蛋白 的 运载 , 脂 酰基 链 可 进入 线粒体 基质 。 CH Fill 13.7 肉 碱 是 脂 栈 基 团 的 载体 , 可 以 转运 脂肪 酸 进 出 线粒体 基质 (图 13 -4)。 在 线粒体 内 膜 | - 306 - 生物 化 学 上 肉 玻 酰 基 转 移 酶 的 作用 下 , 脂 酰基 团 经 酯 化 反应 与 肉 碱 的 羟基 相连 接 。 is ? | CH;—(CH,),—C—SCoA. + CH;— N GP CH; OH BE IE- CoA | 肉 碱 CH; | CH; ° Oe ( i= ) n CH; 酰基 肉 碱 内 膜 间隙 内 膜 基质 棕榈 酰 -CoA AR =— Ap 棕榈 酰 -CoA 1 载体 ul CoASH | CoASH 棕榈 酰 肉 碱 图 13-4 细胞 液 与 线粒体 基质 之 间 棕 榈 酰基 团 的 转运 过 程 。 工 与 工 都 是 肉 碱 棕榈 酰 转 移 酶 。 载 体 运载 棕榈 酰 肉 碱 跨 入 内 膜 , 游 离 肉 碱 被 转运 出 内 膜 外 。 游 离 CoA 则 不 能 被 转运 脂肪 酸 的 B -氧化 生 肪 酸 脂 酰 - CoA 衍生 物 的 B -氧化 是 , 脂 肪 酸 脂 酰基 链 上 每 次 减少 一 个 两 碳 单位 , 氧 化 过 程 中 只 生成 单一 产物 乙酰 - CoA (图 13 - 5)。 脂 酰基 链 的 切断 在 C-2 与 C-3 之 间 的 b 键 上 , 切 下 的 分 子 被 氧化 。 表 13.1 列 出 了 图 13 - 5 中 所 示 的 脂肪 酸 的 B 氧 化 反应 及 催化 酶 。 问题 : B -氧化 过 程 中 产生 的 FADH2 和 NADH 会 有 何 变化 ? 脂 酰 - CoA 脱 氢 酶 是 与 黄 素 相关 的 膜 被 酶 , 与 线粒体 呼吸 复合 体 连接 在 一 起 。FADH2 一 经 产生 , 就 会 被 呼吸 链 ( 见 第 14 章 ) 氧化 。 羟 酰 - CoA 脱 氢 酶 存在 于 线粒体 基质 中 , 由 此 酶 作用 于 羟 酰 - CoA 化 合 物 而 产生 的 NADH 将 补充 线粒体 基质 的 NADH 池 , 也 可 被 呼吸 链 ( 见 第 14 章 ) 氧化 。 * SUF igs (2) big © 其 的 © © SH Hy OHO + a < 一 HSVoD + peso -“(HO)“HO ‘Ff é 0 bp @ © Ss @ © be SAE HH WOO -Pilsd— € +H + HAWN + ee ““@HD)-“HO<— ,dvVW + a “IHD sf K O O 习 区 [二 Ht 四 “a @ © ie @ © ak fC VOD - Yay 0-*HO—HOHD -"(7HO)-“HO<— O7H + O-HO=HO -“(*HO)-"HO *Z b f vos © © vos © © | | A UH VO -于 对 “HdVa + O-HO=HO'-"(7HO)-“HO«<— AVA + O°HO—*HO -“(4HO)-HO ‘I - 2h. O oO= TY WH) ed CHRBGUSH Tel & 脂 酰 -CoA (1) FADH) 反 -A:- 烯 酰 -CoA NAD - FADH + HH- 3 一 脂 酰 _CoA 4. [一 CoA 脂 酰 -CoA (2) + 酰 -CoA 图 13-5 8B- 氧 化 的 代谢 途径 ; 脂肪 酸 中 第 一 个 两 碳 单位 的 去 除 。 若 脂 酰 - CoA (1) 是 软 脂 酰 - CoA, 则 脂 酰 - CoA (2) 为 豆蔻 酰 - CoA。 要 完成 软 脂 酰 - CoA 的 B -氧化 就 需要 重复 7 次 图 中 所 示 的 断 键 过程 , 产 生 8 分 子 乙 酰 - CoA。 箭 头 左边 的 数字 与 表 13.1 中 反应 的 编号 一 致 13.6 由 脂肪 酸 产生 的 乙酰 -CoA 的 去 路 : 生 酮 作用 乙酰 - CoA 在 柠檬 酸 循环 ( 见 第 12 章 ) PRAHA CO), PEM AMAT B -氧化 过 程 。 仅 在 肝 细 胞 线粒体 中 , 乙 酰 - CoA 可 被 转化 为 酮 体 : CH; COCH,COO™ CH; COCH; CH3;CH OHCH;COO ~ 乙酰 乙酸 丙酮 3 -羟基 丁 酸 表 13.2 和 图 13 -6 给 出 了 上 述 化 合 物 的 反应 与 生物 合成 途径 。 酮 体 可 由 肝脏 不 断 释 出 , 是 水 溶 的 脂 质 燃 料 。 组 织 中 碳水 化 合 物 充 足 , SERA 时 , 在 体内 循环 的 酮 体 量 较 少 (~O.1mmolL~*). ABR AA PA HH = BH KE RE 机 体能 量 需求 的 加 大 , 肝 脏 及 其 他 组 织 中 脂肪 酸 的 氧化 速度 也 会 加 快 。 这 便 使 肝脏 的 生 酮 作 用 加 强 , 循 环 中 酮 体 浓 度 增 加 。 例 如 运动 时 , 血 液 中 酮 体 浓 度 逐 渐 上 升 , 可 达 2 一 3 mmolL :, 甚 至 能 与 血糖 浓度 相 比 较 。 正常 情况 下 , 部 分 乙酰 乙酸 可 被 转化 为 3 -羟基 丁 酸 。 乙 酰 乙 酸 和 3 -羟基 丁 酸 是 可 被 骨 艇 肌 与 心肌 利用 的 燃料 , 估 计 可 提供 这 两 种 组 织 10% 日 需 量 的 能 量 。 | e B13 ARH - 309 + 2 乙酰 -CoA CoASH 乙酰 乙酰 -CoA 乙酰 -CoA CoASH 3- 羟 基 -3— ABER — MBB -CoA 乙酰 -CoA 乙酰 乙酸 3- 凑 丁 酸 和 丙酮 由 乙酰 乙酸 衍生 而 来 , CH;COCH,COO- 乙酰 乙酸 NADH + H* CO NAD Am 3-427 R CH,COCH; CH,;CHOHCH,COO- 图 13 -6 酮 体 的 合成 途径 : 生 酮 作用 。 表 13.2 列 出 了 本 图 所 示 的 乙酰 乙酸 与 3 - 产 基 丁 酸 生成 过 程 的 反应 式 和 催化 酶 表 13.2 生 酮 作用 反 应 iS 1. 2CH;COSCoA—CH3COCH,COSCoA 乙酰 - CoA 乙酰 转移 酶 2. CH3COCH,COSCoA + CH3COSCoA 一 CH; ~ OOCCH; we + CoASH 羟 甲 成 二 酸 单 酰 - CoA 合成 酶 OH CH; 3. ~OOCCH, CCH,COSCoA> : l HMG-CoA 有 裂 合 酶 OH -OOCCH2COCH3 + CH;COSCoA 4. CH;COCH,COO~ +NADH+ H+ 一 CH;CHOHCH,COO~ + NAD* 3 FT RA A Be + 310° 生物 化 学 乙酰 -CoA 草 酰 乙酸 问题 : 乙酰 乙酸 产生 的 能 量 是 如 何 被 用 于 肌肉 的 机 械 运 动 的 ? 乙酰 -CoA RB 肌 细 胞 线粒体 中 的 3 - 酮 酸 转移 酶 可 将 乙酰 乙酸 转化 为 乙酰 乙酰 - CoA; 但 肝 细 胞 线粒体 中 缺乏 此 酶 。 所 生成 的 乙酰 乙酰 - CoA 经 存在 于 各 琥珀 酸 Z 酸 乙酸 -CA -一 组 织 细胞 线粒体 中 的 硫 解 酶 的 催化 裂 SR 解 为 Z 栈 - COA (图 13-7) 乙酰 乙酸 ibe: 柠檬 酸 循环 图 13-7 乙酰 乙酸 的 利用 途径 13.7 ”脂肪 的 生成 饮食 碳水 化 合 物 供给 过 量 时 , 多 余 的 碳水 化 合 物 可 被 转化 为 甘油 三 酯 ;一 些 摄 入 低 脂 食 日 物 的 个 体 也 能 将 葡萄 糖 转化 为 甘油 三 酯 而 贮存 起 来 。 这 一 过 程 被 称 为 脂肪 的 生成 , 包 括 先 由 是 乙酰 - CoA 合成 脂肪 酸 , 及 脂肪 酸 酯 化 产生 甘油 三 酯 。 主 要 的 脂肪 合成 组 织 是 肠 道 、 肝 脏 与 , 脂肪 组 织 。 哺 乳 期 妇女 的 乳腺 也 因 不 断 需 求 葡 萄 糖 以 合成 乳脂 而 成 为 脂肪 合成 的 主要 组 织 。 软 脂 酸 的 合成 软 脂 酸 是 由 乙酰- CoA 于 细胞 液 中 合成 而 来 的 。 当 和 葡萄糖 充足 且 线 粒 体 基质 中 柠 榜 酸 的 量 上 ALi THAR EARL, AURA TARR NA (HBTS -8)。 脂 是 肪 酸 合成 中 乙酰 基 团 的 来 源 即 细胞 液 中 的 柠 榜 酸 , 其 代谢 过 程 包括 下 列 酶 促 反应 ; | 基质 内 膜 胞 浆 载体 | Ae | 草 果 酸 | | 人 草 酰 乙酸 草 酰 乙酸 乙酰 -CoA 乙酰 -CoA CoASH 0 载体 CoASH an 13-8 乙酰 基 团 由 线粒体 向 细胞 液 中 的 转运 (a) 柠 榜 酸 裂 合 酶 pea HOCCOO” + CoASH+ ATP* ~~ OOCCH,COCOO™ + CH;COSCoA + ADP3 - + Pe | H,CCOO- 柠檬 酸 RC 乙酰 - CoA (b) #RRAM AB (1) ~ OOCCH,COCOO™ + NADH + Ht ~~ OOCCH,HCOHCOO™ + NAD* . FTE ae a ee ED RES Po a 第 13 章 ” 脂 类 代谢 草 酰 乙 酸 苹果 酸 (c) (和 草 酰 已 酸 脱羧 ) (NADP*) 革 果 酸 脱 乞 酶 (2) -OOCCHHCOHCOO - + NADP* -+CH;COCOO~ + CO, + NADPH 苹果 酸 丙酮 酸 关于 丙酮 酸 向 草 酰 乙酸 的 转化 及 线粒体 中 柠檬 酸 的 形成 , 可 参见 第 12 章 。 脂 肪 酸 合 成 过 程 中 乙酰 - CoA 可 经 乙酰 - CoA 羧 化 酶 的 催化 而 转化 为 丙 二 酸 单 酰 - CoA。7 分 子 的 乙酰 - CoA 被 转化 为 两 二 酸 单 酰 - CoA 以 合成 工分 子 的 软 脂 酸 。 SF Hil 13.8 在 已 酰 - CoA 羧 化 酶 催化 两 二 酸 单 酰 - CoA 生成 的 过 程 中 , 作 为 辅 基 与 酶 紧密 相连 的 生 物 素 是 羧基 的 载体 , 此 羧基 将 被 转移 至 已 栈 - CoA +. O i uN CNH HC—CH O O | Is H, CH C (CH), © Le a Ss” “(cH); “NH ‘cH 多 肽 — mE ue 生物 素 酶 正常 情况 下 , 已 栈 - CoA 羧 化 酶 是 以 无 活性 的 原 聚 体 存在 于 细胞 液 中 的 ,M,=2x10:。 柠 样 酸 引 发 原 聚 体 聚 合成 有 活性 的 长 丝 状 的 多 功能 酶 ,M,= 4.8X105。 活化 的 乙酰 - CoA 羧 化 酶 又 可 激活 二 氧化 碳 , 将 羧基 转化 给 乙酰 - CoA 而 形成 两 二 栈 - CoA: HCO, + ATP + 生物 素 - 酶 一 -OOC -生物 素 - 酶 +ADP + Pi CH;COSCoA + -OOC -生物 素 - 酶 一 -OOCCHCOSCoA + 生物 素 - 酶 总 反应 式 : 乙酰 -CoA + HCO; + ATP 一 两 二 酸 单 酰 - CoA + ADP + Pi 两 二 酸 单 酰 - CoA 的 生成 标志 着 软 脂 酸 (Cico) 合成 的 开始 。 合 成 过 程 是 在 多 功能 酶 复 合体 , 脂 肪 酸 合成 酶 上 进行 的 。 哺 乳 动 物 肝 细胞 中 , 多 功能 酶 复合 体 由 两 条 相同 的 多 肽 链 组 成 , 每 一 多 肽 链 都 有 两 二 酸 单 酰基 团 与 烷 酰 基 团 的 特异 结合 位 点 , 共 有 8 种 不 同 的 活性 。 两 二 酸 单 酰 与 烷 酰基 团 在 脂肪 酸 合成 酶 上 的 结合 位 点 如 下 : (a) 磷酸 谤 酰 统 基 乙 腕 (PP) 结合 丙 二 酸 单 酰 或 乙酰 基 团 : 下 CH CHs 7 G O eae PN ee | CH, NH CH NNR CH TCD OPE Or O OH SE FR Be RZ HE ZH (b) 半 胱 氨 酸 只 结合 烷 酰 基 团 : / / NH NH CH; S CH CH, CH, S ie eee ak” 人 CH, Pe 4 ik CH CCH | >» | » O O 乙酰 半 胱 氨 酰 TBE ERB * Sia * . 312 生物 化 学 和 一 日 乙酰 基 团 或 两 二 酸 单 酰基 团结 合 到 脂肪 酸 合成 酶 上 , 便 进行 软 脂 酸 合成 中 酶 催化 反 应 的 7 个 循环 , 而 后 , 软 脂 酸 自 多 功能 酶 复合 体 上 脱离 开 。 总 反应 式 为 : 1 乙酰 - CoA + 7 丙 二 酸 单 酰 - CoA+14NADPH + 14H 一 软 脂 酸 + 8CoASH + 14NADP* + 7 HiO + 7 CO, # 13.3 列 出 了 每 一 酶 促 反应 。 表 13.3 ”脂肪 酸 合成 酶 复合 体 上 的 酶 促 反应 QR 应 酶 1. CH;COSCoA+ HS-PI—y___ CH3-CO-S-PP CoASH 乙酰 转 酰基 酶 2. CH,COS-PP + HS-Cys 一 ~ CH;COSCys + HS-PP 乙酰 转 酰基 酶 3. ~OOCCH,COSCoA + HS-PP ~~ - OOCCH,COS-PP CoASH 苹果 酰 转 酰 基 酶 4. CH3COS-Cys+ -OOCCH2COS-PP 一 HS-Cys+ CH3COCH2COS-PP+ CO, 8B- 酮 脂 酰 合 成 酶 5. CH3COCH2COS-PP 7 NX ”CHCHOHCH2COS-PP 8B- 酮 脂 酰 还 原 酶 NADPH+H* NADP* 6. CH;CHOHCH,COS-PP —\ ~~ CH;CH=CHCOS-PP f HO B -¥2 BEBE ZK BS 7. CH,CH=CHCOS-PP CH;CH,CH,COS-PP 烯 酰 还 原 酶 NADPH+H” NADP* 8. CH;CH,CH,COS-PP—CH;CH,CH,COS-Cys 酰基 转 酰基 酶 反 回 到 第 4 步 , 与 苹果 栈 -S-PP 缩 合 6 次 。 9. CH; (CH), ,COS-PP+ H,O0--CH; (CH2);4,COO~ + H+HS-Cys 棕榈 酰 硫 酯 酶 问题 : 软 脂 酸 合成 中 用 于 还 原 反应 的 NADPH 从 何 而 来 ? 乙酰 基 团 自 线粒体 转 入 细胞 液 的 过 程 中 , 当 苹果 酸 被 氧化 为 丙酮 酸 和 二 氧化 碳 时 会 产生 NADPH ( 见 图 13 -8 及 文中 的 〈e) 反应 )。 葡 萄 糖 被 氧化 并 脱羧 为 5 -磷酸 核 酮 糖 时 〈 见 第 11 章 ), 亦 可 产生 NADPH。 不 饱和 脂肪 酸 的 合成 软 脂 酸 可 经 加 长 碳 链 而 被 转化 为 硬 脂 酸 (Cao)。 硬 脂 酸 的 去 饱和 则 可 产生 油 酸 〈Cis: A9)。 哺 乳 动 物 组 织 不 能 合成 亚 油 酸 (Cig: 9,12 )。 然 而 亚 油 酸 却 是 动物 体 的 必需 脂肪 酸 , 需 从 饮食 中 获取 ;, 它 有 两 个 重要 的 代谢 功能 。 一 方面 可 保持 膜 脂 质 、 脂 蛋白 的 流动 性 , 并 贮 人 存 脂 质 。 另 一 方面 , 它 又 是 在 前 列 腺 素 ( 见 13.9) 形成 过 程 中 起 特殊 作用 的 花生 四 烯 酸 的 前 体 。 第 13 章 ” 脂 类 代谢 - 313° 问题 : 亚 油 酸 转化 为 花生 四 烯 酸 的 过 程 中 有 亚 油 酸 mr 几 个 步 又 ? Clsz A9,12 参见 图 13 - 9。 亚 油 酸 碳 链 上 的 C-6 被 0, NADPH + H* 脱 氢 去 饱和 生成 y -亚麻 酸 。Y -亚麻 酸 上 增加 一 个 二 碳 单位 , 再 在 Czo 链 的 C - 5 位 上 形成 rir 另 一 个 双 键 , 便 转化 成 了 花生 四 烯 酸 。 7Y=- 亚 麻 酸 CissA6,9,12 高 -Y -亚麻 酸 GAS 14 O, NADPH + H* H2O NADP* 4e AE WO i RR CoosA 5,8,11,14 图 13-9 亚 油 酸 合成 花生 四 烯 酸 甘油 三 酯 的 合成 甘油 三 酯 是 在 内 质 网 (EP) 中 合成 的 。 在 肝脏 与 脂肪 组 织 细胞 内 , 胞 液 中 由 饮食 或 软 脂 酸 的 重头 合成 而 获取 的 脂肪 酸 插入 内 质 网 膜 中 。 甘 油 三 酯 的 合成 反应 如 图 13 - 10 所 示 。 膜 被 的 脂 酰 - CoA 合成 酶 激活 了 两 个 脂肪 酸 , 膜 被 的 脂 酰 - CoA 转移 酶 催化 这 两 个 脂肪 酸 与 3 -磷酸 甘油 酯 化 , 生 成 棍 脂 酸 。 在 膜 中 , 磷 脂 酸 磷酸 酶 水 解 磷 脂 酸 释 出 磷酸 , 以 便 1,2 -二 酰 甘 油 与 第 三 个 脂肪 酸 分 子 发 生 酯 化 反应 。 肠 道内 , 甘 油 三 酯 的 合成 也 在 内 质 网 膜 上 进行 , 脂 肪 酸 与 2 - 单 脂 酰 甘 油 发 生 如 下 的 酯 化 反应 : 2- 单 酰 甘 油 脂 酰 -CoA 1, 2-—Rit yw 脂 栈 —CoA ~\ 1, 2, 3- 三 酰 甘 油 第 3 步 脂肪 酰 - CoA + 3 -磷酸 甘油 -至 ! 此 -磷脂 酸 -至 2 艺 。 甘油 二 丁 甘油 三 酯 生物 化 学 a a a 0O O O x is 起 UPyiry 堆 = = 区 可 | | Oseess 413-10 肝 细 胞 与 脂肪 细胞 内 质 网 中 甘油 三 酯 的 合成 甘油 三 酯 与 膜 磷脂 之 间 无 任何 极 性 作用 , 甘 油 三 酯 合成 后 既 可 以 小 脂肪 滴 被 释 入 细胞 液 中 , 也 可 被 释 入 内 质 网 腔 内 。 脂 肪 细胞 内 , 胞 液 中 的 脂肪 滴 可 聚集 , 向 一 起 迁移 , 融 合成 大 WUD. FARES BIA, P= RRA RARE A (SA VLDL MALE AL) 中 , 随 后 分 沁 进 入 循环 (A 13-11). (a) aes 图 13-11 乳 魔 微粒 与 VLDL AW: (a) AA WAKA; (b) 给 予 脂肪 饮食 15~60min BAKE 13.8 iS His NSM 磷脂 大 脂 酰 胆 碱 , 是 膜 与 脂 蛋 白 的 主要 磷脂 组 分 , 在 肝 细 胞 内 被 从 头 合成 。 合 成 过 程 在 内 质 上 | 网 上 进行 , 经 1,2 -二 酰 甘 油 而 与 三 酰 甘 油 的 合成 相连 通 。 磷 脂 酰 胆 碱 的 合成 中 , 三 个 重要 | 的 化 合 物 是 ; | ———— 513% ARR 1. 胆 碱 HOCH,CH,N* (CH3)3 2. 磷酸 胆 碱 2~ 03;POCH,CH,N* (CH3 )3 3. 胞 苷 二 磷酸 胆 碱 (CDP - 胆 碱 ) 胞 苷 - i at i (CH; )3 Yo 磷脂 酰 胆 碱 的 合成 如 图 13 - 12 所 示 。 途径 aS 胆 碱 ATP aK ADP 磷酸 胆 碱 A CTP CTP: 磷酸 胆 碱 转 胞 苷 酰 酶 PP; CDP- 胆 碱 1, 2- 二 酰 甘 油 CDP- 胆 碱 :1, 2- 二 酰 甘油 转 磷酸 胆 碱 酶 CMP 磷脂 酰 胆 碱 图 13-12 磷脂 酰 胆 碱 的 合成 SP Hill 13.9 4 ZAK RA RIS RP CDP -F2R: 1,2 -二 栈 甘 油 转移 酶 与 甘油 三 酯 合成 中 的 脂 酰 - CoA 转移 酶 拥有 共同 的 底 物 ,1,2 -三 酰 甘油 ; 两 条 合成 途径 如 图 13-13 所 示 。 1, 2- 二 酰 甘 油 CDP- 胆 碱 脂 酰 -CoA CMP CoA 磷脂 酰 胆 碱 1 2, 3- 三 酰 甘油 图 13-13 磷脂 酰 胆 碱 与 1,2,3 -三 酰 甘 油 的 合成 “315° . 316 生物 化 学 磷脂 酰 乙 醇 胺 是 被 重头 合成 的 , 合 成 方式 类 似 于 磷脂 酰 胆 碱 。 磷 脂 酰 丝氨酸 与 磷脂 酰 胆 碱 可 由 磷脂 酰 乙 醇 胺 而 生成 。 SF Hil 13.10 磷脂 酰 丝氨酸 是 由 磷脂 酰 已 醇 胺 中 的 已 酵 胺 残 基 换 成 了 丝 氨 栈 基 团 而 产生 的 。 磷 脂 栈 丝 和 氨 酸 中 丝氨酸 的 脱羧 可 再 生成 研 脂 酰 已 酵 胺 。 经 三 次 有 效 的 甲 基 化 作用 , 磷 脂 栈 已 酵 胺 可 被 SALA RAS ALR, SRA PRAMAPRRAGEA ( 见 第 15 章 ) (Al3-14). 磷酸 乙醇 胺 CDP- 乙醇 胺 磷脂 酰 乙 醇 胺 co, 丝氨酸 CH: 一 CH :一 CH,— 乙醇 胺 磷脂 酰 丝氨酸 磷脂 酰 胆 碱 图 13-14 由 磷酸 乙醇 胺 合成 磷脂 酰 丝 氨 酸 与 磷脂 酰 胆 碱 $8 fs 鞘 脂 包括 糖 脂 CPA PS AAP), RAR RAG. KHER ERY Be a 成 成 分 。 鞘 脂 的 生物 合成 与 常见 的 神经 酰胺 中 间 体 有 关 (图 13-15). BA ae ARR -CoA CoA 神经 酰胺 糖 部 分 磷脂 酰 胆 碱 1, 2- 二 酰 甘 油 58 Ae Hii EFA RL HE a 图 13-15 鞘 脂 的 合成 途径 13H ARB -317- Bee 5 $B Ae 8 Bee SAAC aE, A AN AE AS Di De A Ry YB HS PY 酶 所 降解 。 问题 : 溶 酶 体 中 (a) 磷脂 酰 胆 碱 和 (b) 蒜 磷 脂 水 解 以 怎样 的 顺序 进行 ? 下 列 反 应 可 按 任意 顺序 进行 (a) 1. 磷脂 酶 A, 水 解 去 除 1 个 脂肪 酸 。 2. 磷脂 酶 A> 水 解 去 除 1 个 脂肪 酸 。 3. 磷脂 酶 C 水 解 去 除 磷酸 胆 碱 。 4. 磷脂 酶 D 水 解 去 除 胆 碱 。 (b) 1. 鞘 磷脂 酶 水 解 去 除了 畏 磷 脂 中 的 磷酸 胆 碱 。 2. 神经 酰胺 酶 水 解 去 除了 神经 酰胺 上 的 脂肪 酸 。 HS 〈 神 经 酰胺 单 糖 ) 是 脑 及 中 枢 神 经 系统 组 织 细胞 的 重要 的 膜 成 分 , 神 经 节 苷 脂 ( 包 括 唾液 酸 在 内 的 神经 酰胺 守 糖 ) 则 作为 细胞 表面 受 体 与 多 种 配 体 和 激素 结合 从 而 在 各 组 织 中 起 到 重要 作用 。 目 前 已 知人 类 患 有 10 种 因 辅 脂 不 能 顺利 降解 而 引起 的 脂 沉 积 症 。 畏 脂 不 能 降解 即 导致 精 脂 的 蓄积 , 随 后 发 生 组 织 的 肿胀 及 功能 紊乱 ; 对 年 轻 患 者 可 致 早 逝 。 这 些 疾病 的 共同 症状 是 智力 迟钝 〈 表 13.4), 这 强调 了 神经 组 织 中 鞘 脂 的 分 解 与 再 合成 的 重要 性 。 视 网 膜 、 肝 脏 与 脾脏 都 会 受到 影响 。 这 类 疾病 是 遗传 病 , 因 遗传 缺陷 而 导致 水 解 酶 活性 的 降低 。 表 13.4 某 些 脂 沉积 证 的 临床 病症 疾病 名 称 ie Gaucher 病 脾脏 与 肝脏 肿 大 长 骨 与 骨盆 糜烂 智力 迟钝 〈 仅 见于 婴 幼 儿 期 ) Niemann-Pick 病 肝 、 脾 肿 大 智力 迟钝 约 30% 患 者 视网膜 上 有 红斑 异 染 性 脑 白质 障碍 证 智力 迟钝 成 人 期 表现 出 心理 障碍 以 甲苯 紫 染 料 染 色 可 见 黄 棕色 神经 细胞 Pil 13.11 已 发 现 人 体内 约 有 30 47 Fb a Hs , A 13-16 Ak T eBay AP AB 4 途径 , 并 标明 了 各 降解 步骤 所 需 的 酶 的 名 称 及 由 于 缺乏 特异 性 酶 而 致 的 疾病 名 称 。 318 , 生物 化 学 Gal-GalNAc-Gal-Glc-Cer[GM] | GalNAc-Gal-Gal-Gle-Cer (红细胞 糖苷 脂 ) | NeuAc 全 身 性 神 Sandhoff 病 经 节 苷 脂 (氨基 已 糖 酶 A 和 B) [™ GalNAc 沉积 症 Gal Te [GM,] Gal-Gal-Glc-Cer Tay-Sachs — Fabry 病 (ae- 半 ~ ES ghee FB TT ) Gal GalNAc Gal-Glc-Cer [GM,] Gal-Glc-Cer > 乳糖 并 -Cer NeuAc NeuAc 乳糖 苷 神经 酰胺 症 (B- 半 乳糖 苷 酶 ) Glc-Cer SO,H-Gal-Cer _ Gaucher a so:- FRA ~ 质 障碍 症 ( 芳 (8- 葡萄 精 萌 酶 ) | Gic Krabbe 脑 白质 病变 基 硫 酸 脂 酶 A) ata Ts oe ee ital iv Farber 9% Niemann- ae ASR = (RARER) ( 鞘 磷脂 酶 ) 山本 | Ris 图 13-16 Cer= 神 经 酰胺 ; Gal = 半 乳 糖 基 ; Glc= MABE; GalNAc= N -乙酰 半 乳 糖 氨 酰 基 ; NeuAc= N -乙酰 神经 氨 酰 基 ; GM,. GM, GM; 分 别 = 1 型 、2 型 、3 型 单 唾液 酰 神经 节 苷 脂 。 圆 括号 中 列 出 了 每 一 种 疾病 所 缺乏 的 特异 性 酶 13.9 ”前列 腺 素 结构 与 命名 前 列 腺 素 是 20C 的 不 饱和 羟 酸 , 带 有 一 个 取代 的 环 戊 烷 环 与 两 个 脂肪 族 侧 链 。 前 列 腺 素 的 碳 骨 架 结构 为 : COOH 前 列 腺 烷 酸 各 种 前 列 腺 素 都 可 被 缩写 ,prostaglandin 被 缩写 成 PG, 其 后 续 上 (A~I) 的 第 三 个 字母 , 以 示 环 成 烷 环 上 取代 基 的 性 质 。 下 标 数字 则 表示 脂肪 链 中 双 键 总 数 。 SF Pil 13.12 某 些 前 列 腺 素 的 结构 与 简称 如 下 PGD, B13 ABA COOH PGE, OH OH PGF, PGI, (也 称 前 列 环 素 ) ~ 4 - OH OH 前 列 腺 素 的 生物 学 作用 前 列 腺 素 虽 存在 于 所 有 组 织 中 , 但 量 甚 徽 。 其 对 于 合成 它们 的 细胞 有 多 种 生物 学 功能 ; 例如 , 对 女性 在 排卵 期 、 月 经 期 、 妊 娠 期 及 分 娩 期 时 的 生殖 系统 都 有 作用 , 并 可 刺激 子宫 收 缩 。 前 列 腺 素 的 合成 AF ie ea a BR PRG HT A ZEA DRS wR, AE) 13 - 17 BEAR. HE 生 四 烯 酸 CA 5, 8, 11, 14 BRAE HAY 30S (0A BTR RRL RL UL AHN URE A AE AE DHE C-8AIC- 11 MBERMANM MESA MA, WEEE: —_—" -一 一 COOH he or ng . 区 前 列 腺 素 Go Oi , (PGG,) Ce eres OOH + 519. * 320: 生物 化 学 环 加 氧 酶 是 存在 于 内 质 网 膜 上 的 前 列 腺 素 合成 酶 的 组 成 部 分 。 原 前 列 腺 素 PGG, 的 生物 合成 引发 了 大 量 的 化 学 相关 的 次 级 化 合 物 的 生物 合成 。 反应 ria) om A BEER A, ef 花生 四 烯 酸 m2 7K im SU HU 9) BR G, (PGG2) | 过 氧化 物 酶 前 列 腺 素 H, (PGH2) Aj 13-17 Hil 13.13 ve 图 13-18 列 出 了 前 列 腺 素 之 间 的 相互 联系 。 花生 四 烯 酸 前 列 腺 素 G, 前 列 腺 素 H, 前 列 腺 素 D, ieee 前 列 腺 素 F, 前 列 腺 素 E, 血栓 素 图 13-18 问题 : 前 列 腺 素 Hz 区 别 于 血栓 素 的 结构 特性 是 什么 ? 前 列 腺 素 H, (PGH,) 是 内 过 氧化 物 , 氧 原子 与 环 戊 烷 的 环 相连 接 : ts I a eae Qiu B13 ARKH - 321° 而 血 素 烷 结构 中 , 氧 原子 是 编 入 环 戊 烷 环 内 的 , 形 成 了 六 圆 环 : 血栓 素 是 首先 是 从 血小板 中 提取 分 离 出 来 的 , 可 引起 与 血 凝 相关 的 血小板 的 聚集 。 白 三 稀 另 一 组 与 前 列 腺 素 有 化 学 相关 性 的 化 合 物 是 白 三 烽 。 这 些 化 合 物 也 是 由 花生 四 烯 酸 衍生 而 来 的 , 是 于 白细胞 中 发 现 的 线性 的 氧化 产物 。 昌 三 烯 的 特征 是 有 共 斩 三 烯 双 键 。 图 13 - 19 列 出 了 由 花生 四 烯 酸 到 昌 三 烯 的 转化 过 程 。 反应 a 花生 四 烯 酸 0, ¢ 5- 脂 肪 氧化 间 5- 过 氧 羟基 二 十 碳 四 烯 酸 COOH 图 13-19 花生 四 烯 酸 转化 为 白 三 烯 白 三 烯 B4 是 哺乳 动物 组 织 中 与 炎症 反应 相关 的 最 有 效 的 趋 化 剂 之 一 ; 1.0nmolL HK , 度 即 可 引起 嗜 中 性 粒 细胞 向 损伤 部 位 或 感染 部 位 的 移动 。 13.10 胆固醇 的 代谢 胆固醇 的 生物 学 功能 胆固醇 与 两 类 主要 的 生物 过 程 相关 。 一 是 胆固醇 是 细胞 膜 的 结构 组 分 ; 二 是 它 是 一 些 物 质 的 母体 化 合 物 , 类 固 醇 激素 、 维 生 素 D; (ASS) 及 胆 盐 都 是 由 胆固醇 衍生 而 来 。 胆固醇 可 在 肝 细 胞 和 肠 道上 皮 细 胞 内 重头 合成 , 也 可 由 饮食 脂 衍 生 而 来 。 胆 固 醇 的 重头 合成 是 受 饮食 脂 中 胆固醇 与 甘油 三 酯 量 的 调节 的 。 肝脏 及 肠 道 上 皮 细 胞 内 胆固醇 的 生物 合成 胆固醇 的 生物 合成 是 由 乙酰 - CoA 开始 的 , 是 一 个 非常 复杂 的 过 程 , 需 要 32 种 不 同 的 » 322 。 生物 化 学 酶 催化 , 部 分 酶 存在 于 胞 液 中 , 另 一 部 分 则 在 内 质 网 膜 上 。 胆固醇 的 基本 碳 骨 架 是 异 成 二 烯 见 第 6 章 )。 图 13 -20 列 出 了 胆固醇 生物 合成 过 程 中 的 关键 中 间 物 。 CH; i ? O O ae. pee 一 ”~ CH 一 CH 一 CH 一 co OH 2 i On 3- 23k -3- PE R— HE -CoA FRA RRB a CH,—COSCoAS 乙酰 -CoA HO 胆固醇 图 13-20 胆固醇 的 生物 合成 胆固醇 生物 合成 途径 的 起 始 反应 是 , 在 肝 细胞 液 中 硫 解 酶 和 HMG-CoA 全 本 的 作用 下 由 乙酰 - CoA 生成 3 -羟基 - 3 - 甲 基 戊 二 酰 - CoA (HMG-CoA). FF 13.14 2) 5A FBG Fo HMG-CoA 合成 酶 俊 化 的 反应 如 下 (a) 硫 解 酶 2CH; COSCoA 一 CH; COCH,COSCoA + CoASH 乙酰 - CoA 乙酰 乙酰 - CoA (b) HMG-CoA 合 酶 H,O + CH3;CO CH,COSCoA + CH; COSCoA 一 一 乙酰 乙酰 - CoA 乙酰 - CoA CH; ~OOC CH, 全 + H + CoASH OH 3 -羟基 - 3 - 甲 基 戊 二 酰 - CoA 问题 : 利用 何 种 生化 方法 将 3 - 产 基 - 3 - 甲 基 戊 二 酰 - CoA RAR ROMA, FR? - 在 3 -羟基 - 3 - 甲 基 戊 二 酰 - CoA 还 原 酶 催化 的 反应 中 NADPH 是 电子 的 供 体 ; 随后 进行 两 个 有 ATP 旱 和 两 种 特异 性 激酶 参与 的 磷酸 化 反应 , 及 一 个 ATP -依赖 的 脱羧 反应 。 例 13.15 与 图 13 - 21 概述 了 反应 过 程 。 q SEP] 13.15 Fe K ie eR OY AE it 4240 A 13-21 Paw, 13H AAS 反应 is 3- 羟 基 -3- 甲 基 戊 二 烷 -CoA NAD PH + H™ #2 FER — MB -CoA AM NADP * 甲 产 戊 酸 ATP FF FS DR A a ADP ATP BE PR FF 1 a ADP EER FPS RB ATP RE BEAR FAS 1B IB I Pi+ ADP co, FF RH FE EB 图 13 -21 SPR REY E RR 反应 BS 二 甲 烯 丙 基 焦 磷酸 异 友 烯 焦 磷 酸 二 甲 丙烯 基 转 移 酶 PP, th JL ER FF Hi ER he LEER PP 法 尼 焦 磷酸 NADPH+H * 法 尼 焦 磷酸 法 尼 基 转移 酶 2PP NADP* eR 图 13-22 Se ASAE AR + 323. es 生物 化 学 经 异 构 酶 的 作用 , 部 分 异 戊 烯 焦 磷酸 可 转化 为 其 异 构 体 二 甲 基 烯 两 基 焦 磷酸 , 因 而 产生 了 混合 物 , 异 戊 烯 焦 磷 酸 二 甲 基 烯 丙 基 焦 磷 酸 。 从 这 一 步骤 开始 , 二 甲 基 烯 丙 基 焦 磷酸 的 碳 链 长 度 逐 渐 增 加 ; MARE, SRB AS 30 个 碳 原 子 , 不 包含 氧 原子 ( 见 第 6 章 )。 异 戊 烯 焦 磷酸 转化 为 蓝 烯 的 过 程 如 图 13 - 22 所 示 。 胆固醇 生物 合成 的 最 后 一 步 需要 氧 分 子 的 参与 , 效 烯 链 环 化 产生 初级 类 固 醇 羊毛 当 醇 , 随后 被 修饰 为 胆固醇 。 效 烯 的 环 化 过 程 如 图 13 - 23 Pra. 反应 BS ei 30, NADPH+ H- 32 ALS (2, 3- 环 氧化 ) NADP* BRAAKD 2,3-Abee: 羊毛 固 醇 合成 酶 羊毛 固 醇 Sit 胆固醇 图 13-23 由 小 烯 合成 胆固醇 问题 : 胆固醇 的 生物 合成 是 如 何 受 饮食 中 胆固醇 量 的 调节 的 ? 是 反馈 机 制 的 作用 , 细 胞 内 的 游离 胆固醇 可 抑制 HMG-CoA 还 原 酶 。 饮 食 中富 含 胆固醇 时 , 肝 细胞 内 胆固醇 量 增加 , 胆 固 醇 的 生物 合成 受 抑制 。 相 反 , 低 胆固醇 高 甘油 三 酯 饮食 可 刺激 胆固醇 的 生物 合 成 ° } ‘ 胆固醇 的 代谢 包括 烷 基 侧 链 的 修饰 与 非 环 上 取代 基 的 引入 。 在 催化 肝 内 胆 盐 及 肾上腺 与 生殖 腺 内 类 固 醇 激素 的 生成 过 程 中 , 一 组 酶 , 单 加 氧 酶 起 着 重要 的 作用 。 胆固醇 合成 的 调控 通过 与 LDL 受 体 的 结合 而 进入 细胞 的 胆固醇 酯 被 水 解 产 生 胆 固 醇 与 一 个 脂 酰基 链 。 随 后 , 胆 固 醇 激活 了 可 使 胆固醇 再 酯 化 的 酰基 - CoA 胆固醇 酰基 转移 酶 (ACAT)。 无 效 循环 中 , 胆 固 醇 酯 又 可 被 胆固醇 酯 水 解 酶 所 水 解 。 胆 固 醇 有 多 条 去 路 : 可 离开 细胞 与 受 体 如 高 密 度 脂 蛋 白 (HDL) 结合 , 也 可 被 转化 为 类 固 醇 激 素 , 或 由 ACAT 催化 而 再 酯 化 。 细 胞 内 胆 固 醇 浓度 降低 后 ,HMG-CoA 还 原 酶 活性 升 高 ,LDL 受 体 数目 也 增多 , 即 由 于 重头 合成 与 对 循环 中 富 含 胆 固 醇 的 脂 蛋白 的 吸收 两 方面 的 因素 , 导 致 细胞 内 胆固醇 量 的 增多 。 胞 内 胆固醇 量 的 增多 又 会 迅速 降低 HMG-CoA 还 原 酶 与 LDL 受 体 二 者 的 mRNA 水平 。 此 协同 调节 作用 是 由 于 编码 这 两 个 蛋白 的 基因 上 一 段 8 个 核 苷 酸 序列 而 引起 的 ; 这 段 序列 被 称 为 固 醇 调节 因 = gt 胆 盐 饮食 中 的 脂 类 仅 在 有 足 量 的 胆 盐 存在 时 才 可 被 消化 吸收 , 胆 盐 是 由 肝脏 合成 的 , 经 胆管 13 ABA 分 泌 入 十 二 指 肠 , 再 进入 空肠 。 胆 盐 微 团 在 回肠 中 被 再 吸 胆固醇 收 , 大 部 分 经 血液 返回 肝脏 。 肝 脏 分 记 的 胆 盐 可 经 胆管 进 入 并 贮存 在 胆囊 ; UA 〈 过 剩 的 ) 胆固醇 被 胆 盐 微 团 所 分 解 。 总 之 , 与 回肠 脂 质 吸收 相关 的 胆 盐 中 , 有 90% 经 过 肠 肝 循环 而 被 再 利用 ,10% 经 粪便 排出 。 胆 盐 丢 失 量 的 4,0 NADP* Ab Fe) Fe FAB REE Le. A, BTA ALAR el EAS 对 保持 胆 盐 的 供给 起 着 重要 作用 。 7- o- 羟 基 胆 固 醇 胆固醇 转化 为 胆 盐 的 过 程 是 , 在 胆固醇 7 - ac - 羟 化 酶 2 的 作用 下 , 羟 基 基 团 被 引入 胆固醇 菲 环 上 , 随 之 进行 侧 链 胆 酸 AR 的 修饰 。 产 生 胆 酸 与 鹅 脱 氧 胆 酸 , 如 图 13 -24 所 示 。 胆 酸 合成 的 限 速 步骤 是 胆固醇 7 - a - 羟 化 酶 催化 的 反 应 。 此 酶 活性 的 变化 是 胆固醇 7 -a - 羟 化 酶 mRNA 水 平 改 O, NADPH +H * 图 13-24 ARRAS RSA SABRE 问题 : 为 什么 单 加 氧 酶 催化 的 反应 需要 NADPH 作为 共 底 物 ? 单 加 氧 酶 仅 催化 氧 分 子 内 两 个 氧 原 子 中 的 一 个 于 底 物 中 形成 羟基 或 酮 基 。 另 一 个 氧 原子 则 与 氢 产 生 水 。 反 应 中 底 物 和 NADPH 分 别 是 质子 与 电子 的 供 体 。 单 加 氧 酶 催化 的 反应 在 内 质 网 膜 上 进行 , 有 铁 - 硫 蛋白 、 铁 氧 还 蛋白 及 细胞 色素 P4:0 的 参与 。 iD 类 固 醇 激素 C=0 PAA EBV A A BAB Ae eB AB Be 1 醇 酮 而 开始 的 。 转 化 途径 如 图 13 - 25 所 示 。 胆 固 醇 的 侧 链 经 三 次 有 效 的 单 加 氧 酶 反应 所 切断 , 并 于 切断 位 置 引 入 酮 基 。 随后 孕 烯 醇 酮 分 子 结构 的 变化 产生 了 其 他 的 类 固 醇 激 素 。 所 有 变化 都 是 单 加 氧 酶 催化 的 , 包 括 ; ¥ if 醇 菲 环 的 特异 位 置 上 以 羟基 或 酮 基 的 形式 引入 氧 原 jek 子 , 及 侧 链 的 后 去 除 (Al 13-26). 13.11 脂 类 代谢 的 调控 脂肪 组 织 中 脂肪 酸 的 释 出 受 甘 油 三 酯 水 解 速率 及 脂 酰 - CoA 与 3 -磷酸 甘油 酯 化 速率 的 影响 。 水 解 速率 受 激素 调节 , 激 素 与 细胞 表面 受 体 结合 并 刺激 腺 苷 酸 环 化 酶 (此 酶 催化 ATP 产生 cAMP) 活性 。 激 素 敏 感性 脂肪 酶 ( 见 13.4) 以 两 种 形式 存在 , 一 种 是 极 低 活 性 的 , 另 一 种 是 被 磷酸 化 的 高 活性 的 。 在 受到 腺 苷 酸 环 化 酶 的 激素 刺激 之 前 , 脂 肪 细胞 内 低 活 性 脂肪 酶 占 优势 。 腺 苷 酸 环 化 酶 浓度 增加 激活 蛋白 激酶 , 活 化 的 蛋白 激酶 引起 了 低 活性 脂肪 酶 的 磷酸 化 。 因 此 , 甘 油 三 酯 水 解 速度 加 快 , 随 即 脂肪 酸 由 脂肪 细胞 中 释 出 。 故 , 一 些 组 织 如 心 胜 、 骨 骼 肌 与 肝脏 能 很 好 地 利用 脂肪 酸 。 肝脏 内 ,8B- 氧 化 与 脂 酰 - CoA 的 再 酯 化 都 可 能 进行 。B -氧化 速度 是 由 脂 酰基 团 进 入 线 粒 体 基质 的 速率 决定 的 , 其 进入 速度 被 两 二 酸 单 酰 - CoA 所 降低 , 因 为 两 二 酸 单 酰 - CoA 可 抑 制 肉 碱 软 脂 酰 转 移 酶 (此 酶 能 够 帮助 脂 酰 基 团 进入 线粒体 基质 )。 在 脂肪 生成 的 过 程 中 , 胞 液 内 丙 二 酸 单 酰 - CoA 的 浓度 足够 抑制 转移 酶 的 活性 以 保持 脂肪 酸 的 酯 化 作用 。 饥 狐 时 , 由 * 325 « * 326 * 生物 化 学 胆固醇 O, NADPH +H* 途径 KART HO NADP” 58 am él 22- 羟 基 胆 固 醇 | . 0, NADPH + H* 7h fi OF Bl Zi 糖 皮质 激素 HO NADP* 孕 激素 20, 22- 二 羟基 胆固醇 O, NADPH +H* 盐 皮质 激素 ERR Cis H,0 NADP* HEH Cis 孕 烯 醇 酮 +4- FASE 图 13-25 孕 烯 醇 酮 的 合成 图 13-26 胆固醇 与 类 固 醇 激 素 之 间 的 相互 关系 旨 肪 组 织 中 释 出 的 脂肪 酸 增 多 , 同 时 肝 内 生 酮 作用 的 速度 也 提高 。 饥 俄 1 一 24 天 期 间 , 血 液 中 酮 体 的 浓度 可 增加 到 8mmolL 。 脑 可 利用 酮 体 作 为 燃料 ; 脑 所 需 能 量 的 70% 由 酮 体 供 应 , 其 余 的 则 由 葡萄 糖 供给 。 因 一 些 组 织 利 用 酮 体 而 使 整个 机 体 对 葡萄 糖 的 利用 减少 《图 13 -27)。 长 时 间 饥 饿 期 间 (>24 天 ),3 -羟基 丁 酸 对 脂肪 组 织 中 脂肪 酸 的 释 出 有 调节 作用 , 可 能 是 通过 增加 组 织 对 胰岛 素 的 敏感 性 而 起 到 调节 作用 的 。 ” 旨 脏 图 13 -27 饥饿 时 酮 体 的 利用 Pe, 513 ARASH 胰岛 素 是 抗 脂 解 的 激素 , 对 脂肪 组 织 的 作用 是 增进 葡萄 糖 向 脂肪 细胞 的 运送 , 刺 激 脂 生 成 , 抑 制 脂 降解 。 因 此 , 丙 酮 酸 脱 氢 酶 与 乙酰 - CoA 羧 化 酶 被 激活 , 而 激素 敏感 性 脂肪 酶 被 抑制 。 正 常情 况 下 , 饱 食 时 胰岛 素 刺 激 脂肪 的 沉积 。 胰岛 素 对 肝 内 胆固醇 的 合成 也 有 刺激 功效 。 肝 组 织 中 HMG-CoA 还 原 酶 被 激活 。HMG- CoA 还 原 酶 , 与 激素 敏感 性 脂肪 酶 相似 , 也 有 两 种 存在 形式 ; 一 种 是 磁 酸 化 的 (无 活性 ), 另 一 种 是 去 磷酸 化 的 《有 活性 )。 此 酶 的 磷酸 化 依赖 于 胞 内 CAMP 浓度 的 增加 与 蛋白 激酶 的 活化 作用 。 而 此 酶 的 去 磷酸 化 CAL) 则 是 由 磷酸 酶 所 催化 的 。 脂 肪 细胞 内 , 另 一 相似 的 棍 酸 酶 使 激素 敏感 性 脂肪 酶 去 磷酸 化 〈 失 活 )。 胰 岛 素 可 刺激 肝 细 胞 与 脂肪 细胞 内 磷酸 酶 的 活 性 。 因 此 , 活 化 的 HMG-CoA 还 原 酶 在 肝 细 胞 中 占 优 势 , 使 HMG-CoA 能 参与 胆固醇 的 合 成 , 而 脂肪 细胞 中 激素 敏感 性 脂肪 酶 无 活性 。 问题 解答 脂 类 的 消化 13.1 小 肠 内 因 细 菌 而 引起 的 胆 盐 的 异常 早期 解 离 的 后 果 是 什么 ? 答 (= 小 肠 肠 腔 内 容 物 的 PH 在 6.0 一 8.0 之 间 。 肠 腔 内 的 胆 盐 是 离子 化 的 ; 如 , 原 于 和 牛 磺 酸 与 胆 酸 盐 的 结合 , 牛 磺 胆 酸 的 pK,~1.5; 由 于 甘 氢 酸 与 胆 酸 盐 的 结合 , 甘 氢 胆 酸 的 pK.~ 3.7。 而 胆 盐 的 早期 解 离 会 释 出 游离 的 胆 酸 盐 , 其 p 玉 。=5S5$.0。 与 可 溶 的 胆 盐 相 比 , 胆 酸 盐 的 高 p 民 。 值 使 其 在 肠 腔 的 水 溶性 环境 中 的 溶解 性 降低 。 因 此 , 肠 腔 内 胆 盐 的 再 吸收 减少 , 分 淡出 胆汁 酸 。 各 肪 酸 的 氧化 13.2 由 1 mol 软 脂 酰 - CoA 的 B- 氧 化 可 获取 多 少 ATP? 答 : | 1 mol 软 脂 酰 - CoA 经 B- 氧 化 产生 8 mol GH-CoA. RRMAA: 软 脂 酰 - CoA+7FAD+7NAD+* + 7CoA + 7H,O—8 乙酰 -CoA+7FADH +7NADH+ 7H* FADH 和 NADH+ H+* 在 线粒体 的 电子 传递 集群 中 被 氧化 : 7FADH + 7NADH+ 7H* + 70,~7FAD + 7NAD* + 14H,O 电子 传递 过 程 与 ATP 的 合成 相 偶 联 , 每 摩尔 FADH, 被 氧化 生成 2 mol ATP; 因而 7 mol FADH2z 产 生 14 mol ATP。 而 每 摩尔 的 NADH 被 氧化 生成 3 molATP; 则 7 mol NADH 生成 21 mol ATP. &, #4 35 mol ATP. 13.3 亚 油 酸 完全 氧化 的 结果 是 什么 ? 答 : 18 碳 的 脂 进 行 B- 氧 化 , 缩 短 为 十 二 碳 二 燃 酸 Cy. A3,6, 会 有 3 分 子 的 乙酰 - CoA 生成 : CH; (CH, )4CH 一 CHCHCH 一 CHCCH )7COO- 一 CH3 (CH) )4CH=CHCH,CH=CHCH,COO~ + 3CH3;COSCoA 在 下 一 轮 的 B- 氧 化 进行 之 前 , 经 A3 - 顺 - A: - 反 - 烯 酰 - CoA 异 构 酶 的 作用 , 顺 式 A 双 键 被 转化 为 反 式 A? 双 键 : CH; (CH; ) ,CH 一 CH CH,CH=CHCH COO" 一 十 一 轮 的 B- 氧 化 完毕 后 , 生 成 了 4 - 顺 - 烯 酰 -CoA 中 间 体 。 此 中 间 体 可 被 烯 酰 - CoA + 327° «328 s 生物 化 学 脱 氨 酶 转化 为 2- 反 ,4- 顺 -二 烯 酰 - CoA。 后 者 再 经 一 轮 B- 氧 化 而 被 进一步 代谢 , 并 需 第 二 个 辅酶 , 在 线粒体 内 活性 较 高 的 2,4 -二 烯 酰 - CoA 还 原 酶 。 最 终 , 亚 油 酸 的 氧 化 产生 了 9 分 子 的 乙酰 -CoA。 由 脂肪 酸 产 生 的 乙酰 - CoA 的 去 路 : 生 酮 作用 13.4 13.5 何 种 因素 决定 血液 中 乙酰 乙酸 与 3 -羟基 丁 酸 的 相对 浓度 ? 答 在 NAD -依赖 的 脱 氢 酶 的 俱 化 下 , 乙 酰 乙酸 被 转化 为 3 - 产 基 丁 酸 。 此 反应 是 可 逆 的 , 反应 平衡 常数 接近 于 1。 x -—3-##TRINAD'] _, ” [乙酰 乙酸 ] [NADH] [H ] 与 乙酰 乙酸 相 比 ,3 -羟基 丁 酸 是 高 能 燃料 。 在 心肌 与 骨骼 肌 中 其 能 量 是 如 何 释放 出 的 ? 答 : a 3-KETRRAERKA3-KTHR-CoA, WEA R-ALBRET NH 3-HT R-CoA Kh — ALA LH-CoA, LH-CoaA 在 柠檬 酸 循环 中 氧化 产能 。 脂肪 的 生成 13.6 13.7 13.8 由 乙酰 - CoA 合成 1 分 子 软 脂 酸 需要 将 多 少 葡萄 糖 转化 为 5 -磷酸 核 酮 糖 ? ME: a 葡萄 糖 被 转化 为 S ARERR, REARREALADHALAERRM PSP NADPH。 进 入 途径 中 的 每 分 子 葡萄 糖 可 还 原 2 分 子 NADP+ 。 部 分 NADPH 将 被 用 于 软 脂 酸 的 合成 。 可 按 下 列 步 骤 计 算 葡 萄 糖 的 量 : 1. 要 合成 工分 子 的 软 脂 酸 , 脂 肪 酸 合成 酶 上 会 发 生 7 轮 反 应 。 2. 合成 酶 上 进行 的 每 一 轮 过 程 都 是 两 个 利用 NADPH 为 电子 供 体 的 还 原 反 应 5 A, 合成 1 分 子 软 脂 酸 需要 14 分 子 NADPH。 3. 8 个 乙酰 基 团 要 由 线粒体 内 转 至 胞 液 中 , 以 提供 合成 1 分 子 软 脂 酸 所 需 的 碳 原 子 。 在 乙酰 基 团 的 转移 过 程 中 ,8 分 子 的 苹果 酸 被 氧化 脱羧 为 8 分 子 丙 酮 酸 与 8 分 子 三 氧化 碳 , 同 时 8 分子 NADP* 被 还 原 。 因 此 , 所 需要 的 14 分 子 NADPH 中 的 8 个 在 乙酰 基 团 的 转移 过 程 中 又 将 被 利用 ; 剩余 的 6 分 子 NADPH 将 由 3 分 子 葡萄 糖 经 成 糖 磷酸 途径 供给 。 ba Escherichia coli 中 脂肪 酸 合成 酶 区 别 于 哺乳 动物 多 酶 复合 体 的 特性 是 什么 ? Ne 定位 于 哺乳 动物 脂肪 酸 合成 酶 单一 多 肽 链 上 的 每 一 个 酶 在 忆 .coli 中 都 是 独立 的 蛋白 。 E.coli 的 脂 酰 载体 蛋白 (ACP) M,=8 847, 含 4 -磷酸 泛 酰 青 基 乙 胺 。 脱 水 酶 的 相 对 分 子 质 量 为 28 000, 催 化 软 脂 酸 合成 中 凑 酸 中 间 体 的 反 2-3 或 顺 3=-4 的 脱水 反 应 。 凑 基 脂 肪 酸 链 长 为 Clo 时 , 软 脂 酸 的 合成 可 由 下 式 进 行 : CH3(CH2)sCHOHCH,;COACP— CH3(CH,);CH=CHCH,COACP 3 -#2 ES ti BH- ACP A} -% fi H- ACP 再 经 3 次 合成 酶 的 作用 即 可 加 长 A3 - 癸 烯 酰 - ACP 产生 CHi(CH ); CH=CH(CH;);COOH 软 脂 酸 (a) 何 种 酶 促 反 应 可 将 哺乳 动物 组 织 中 饱和 脂肪 酸 转 化 为 其 单 不 饱和 衍生 物 ,(b) 此 反应 在 细胞 的 什么 部 位 发 生 ? XS aw: 第 13 章 ” 脂 类 代谢 (a) 由 脂 酰 - CoA 去 饱和 酶 与 细胞 色素 bs 组 成 的 酶 复合 体 催 化 烷 稀 链 的 氧化 , 反 应 如 TP: CH 一 (CH 一 CH 一 CH 一 (CH ) » -COOH 70, NADP* H20 NADPH+H > CH3—(CH,) , -CH=CH—(CH;) , —COOH (b) 此 电子 传递 链 定位 于 内 质 网 中 。 磷脂 及 式 脂 类 的 合成 13.9 ”为 何人 类 与 实验 动物 膳食 中 胆 碱 的 缺乏 会 导致 脂肪 肝 , 即 肝 细 胞 内 有 大 量 的 脂肪 滴 ? 答 磷脂 酰 胆 碱 的 重头 合成 需要 胆 碱 的 参与 。 肝 脏 内 磷脂 酰 胆 碱 被 合成 后 , 进 入 膜 及 脂 蛋 白 中 。 磷 脂 酰 胆 碱 的 重头 合成 也 需要 1,2 -二 脂 酰 甘油 的 参与 。 若 不 能 获取 足够 的 胆 碱 , 磷 脂 酰 胆 碱 的 重头 合成 途径 即 不 能 进行 。 则 1,2 -二 脂 酰 甘油 被 转化 为 三 脂 酰 甘 油 , 因 三 脂 酰 甘油 不 能 被 肝脏 分 兴 入 脂 蛋 白 中 而 著 积 。 故 , 肝 细胞 内 充满 甘油 三 酯 。 13.10 若 已 知 乙 醇 可 刺激 磷脂 酸 磷 酸 酶 的 活性 , 那 么 长 期 饮酒 是 如 何 导致 脂肪 肝 的 发 展 的 ? 答 由 乙醇 而 激活 的 磷脂 酸 磷酸 酶 可 刺激 二 酰 甘油 的 合成 , 进 而 刺激 甘油 三 酯 的 合成 。 因此 , 肝 细胞 内 甘油 三 酰 浓 度 增加 。 13.11 阿 什 凯 纳 效 犹太 儿童 , 每 900 人 中 有 1 ABA Tay-Sachs 病 , 一 种 脂 质 存 积 疾病 , 导致 神经 节 苷 脂 神经 酰胺 -B -葡萄 糖 -B- 半 乳糖 - N -乙酰 半 乳 糖 胺 N -乙酰 神经 氢 酸 在 脑 内 蓄积 。 为 何 会 发 生 此 疾病 ? 答 , 因 脑 细胞 溶 酶 体内 缺少 由 A 和 了 3 两 个 亚 基 组 成 的 氨基 已 糖苷 酶 A。 此 酶 的 缺乏 使 神 经 节 苷 脂 上 末端 N -乙酰 半 乳 糖 胺 的 水 解 不 能 进行 , 以 致 要 在 溶 酶 体内 被 转换 的 腊 磷脂 积聚 〈 图 13- 16)。 前 列 腺 素 13.12 阿司匹林 药物 消炎 作用 的 生化 机 制 是 什么 ? 答 ei. 前 列 腺 素 如 PGE, 是 有 效 的 血管 舒张 剂 , 可 增进 血液 的 流动 。 炎 演 部 位 会 有 局 部 的 血管 舒张 。 阿 斯 匹 林 能 不 可 逆 地 抑制 环 加 氧 酶 的 活性 。 醇 结构 中 一 个 丝氨酸 残 基 被 乙酰 化 : COOH O 0 一 C 一 CH+ HO - 酶 环 加 氧 酶 OH 1 CH;-—-C—O < 酶 十 2- 羟 基 共 甲酸 - 330 - 生物 化 学 环 加 氧 酶 活性 的 抑制 阻 断 了 前 列 腺 素 的 合成 , 进 而 减缓 了 组 织 中 的 炎症 反应 。 13.13 ”与 花生 四 烯 酸 相似 , 同 源 y -亚麻 酸 也 是 前 列 腺 素 的 前 体 化 合 物 。 那 么 , 由 同 源 Y- 亚麻 酸 衍生 而 来 的 化 合 物 是 如 何 命名 的 ? CH3—( CH )4 —CH=CH—CH,—CH=CH( CH) )s COOH 高 -Y -亚麻 酸 [本 V2 RN PGG, er rhe OOH XE 高 y -亚麻 酸 碳 5 位 上 虽 没 有 双 键 , 但 碳 13 位 上 有 一 个 双 键 ,PGG 的 所 有 衍生 物 , NE y- 亚 麻 酸 系 列 的 初级 前 列 腺 素 , 都 被 命名 为 PG, 后 续 一 个 A-I 的 字母 及 表示 , 分 子 中 单一 双 键 的 数字 1。 胆固醇 及 其 相关 化 合 物 13.14 胆 钙化 醇 (维生素 D;) 是 由 胆固醇 衍生 的 。 是 在 什么 组 织 内 如 何 生生 而 成 的 ? Be 经 自然 的 太阳 光照 射 , 皮 肤 内 7- 脱 氨 胆 固 醇 即 可 转化 为 胆 钙化 醇 。 13.15 “ 胆 钙化 醇 可 代谢 产生 类 固 醇 激素 。 这 一 过 程 是 在 什么 组 织 内 如 何 进 行 的 ? 这 (= jar 胆 钙化 醇 碳 骨架 1,24 和 25 HPhMERKRBEK. PEN, PHKERAAKE 25 - 卷 基 胆 钙化 醇 。 随 后 的 产 基 化 反应 则 在 肾脏 中 进行 ,产生 了 三 个 新 的 代谢 物 , RE 分 别 是 1,25 -二 凑 基 胆 钙化 醇 ,24,25 -二 凑 基 胆 钙化 醇 , 和 1,24,25 = 三 凑 基 胆 钙化 里 Ko 脂 类 代谢 的 调控 障 。1,25 -二 产 基 -及 1,24,25 -三 产 基 胆 钙化 醇 都 是 与 肠 胜 内 钙 吸 收 相关 的 活性 激 | 13.16 ”如 何 消耗 ATP 以 保持 肝脏 HMG-CoA 还 原 酶 的 无 活性 形式 ? (提示 : 调节 体系 与 糖 由 原 磷 酸化 酶 的 相似 , 见 11.9)。 Wie , 应 都 与 HMG-CoA 还 原 酶 的 调节 相关 1. 在 HMG-CoA 还 原 酶 激酶 催化 的 反应 中 ,HMG-CoA 还 原 酶 被 磷酸 化 。 参见 图 13 -28。 在 共同 调节 酶 蛋白 的 磷酸 化 反应 中 ,ATP 是 共 底 物 。 两 个 磷酸 化 反 量 | 2. cAMP 依赖 的 蛋白 激酶 又 将 HMG-CoA 还 原 酶 激酶 磅 酸化 , 使 其 转化 为 活性 形 时 式 。 而 后 ,HMG-CoA 还 原 酶 与 HMG-CoA 还 原 酶 激酶 的 去 磷酸 化 都 将 释 出 无 机 国 磷酸 。 每 一 HMG-CoA 还 原 酶 分 子 的 磷酸 化 消耗 1 分子 ATP。 同 样 , 最 初 HMG- 遇 CoA 还 原 酶 激酶 的 磷酸 化 也 要 利用 1 分 子 ATP。 然 而 ,1 分 子 活 化 的 HMG-CoA 还 原 酶 激酶 却 可 以 催化 个 HMG-CoA 还 原 酶 分 子 的 磷酸 化 。 i Ree i. 13; 13. 13. 13. 13. 13. 13. 13. 13! 13. 13. 13. 13. ie 13. 13: We 第 13 章 ” 脂 类 代谢 - 331° 13 — 28 补充 问题 膳食 甘油 三 酯 刺激 胆固醇 合成 的 机 制 是 什么 ? 为 什么 给 予 脂肪 肝 患 者 起 甲 基 基 团 供 体 作 用 的 化 合 物 即 可 减轻 病情 ? 软 脂 酸 完 全 氧化 为 二 氧化 碳 和 水 可 产生 多 少 ATP? (a) 1 mol 乙酰 乙酸 ,(b) 1 md 3 -羟基 丁 酸 的 氧化 可 生成 多 少 ATP? 摄食 后 胆 盐 微 团 的 内 容 物 是 什么 : (a) 1,3 -二 软 脂 酰 -2 - 亚 油 酰 甘油 , (b) 1 - 硬 脂 酰 - 2 -花生 四 烯 酰 磷脂 酰 胆 碱 ? 由 乙酰 - CoA 合成 1 分 子 胆固醇 需要 利用 多 少 葡萄 糖 来 产生 NADPH? 油 酸 是 如 何 转化 为 乙酰 - CoA 的 ? 脂肪 组 织 是 如 何 获 取 3 -磷酸 甘油 以 合成 三 酰 甘油 的 ? 乙酰 - CoA 羧 化 酶 的 哪些 特性 使 其 在 脂肪 酸 合成 中 起 调节 作用 的 ? 氨基 酸 是 如 何 充当 软 脂 酸 合成 的 前 体 化 合 物 的 ? 哪些 酶 与 油 酸 被 氧化 为 乙酰 - CoA 的 过 程 相关 ? 解释 哺乳 动物 脂肪 组 织 中 脂肪 库 是 如 何 成 为 细胞 内 水 的 来 源 的 ? 骨骼 肌 中 肉 碱 软 脂 酰 转移 酶 的 缺乏 对 人 的 长 时 间 运 动能 力 有 何 影响 ? 阿 斯 匹 林 对 防止 血小板 的 聚集 作用 有 效 吗 ? 如 果 可 能 为 某 个 人 提供 不 含 胆 固 醇 与 甘油 三 酯 的 饮食 的 话 , 那 么 这 将 对 脂肪 组 织 中 三 酰 甘油 的 沉积 有 何 影响 ? 3 -羟基 - 3 - 甲 基 戊 二 酰 - CoA 是 肝脏 内 乙酰 乙酸 与 胆固醇 合成 过 程 中 的 中 间 体 。 此 化 合 物 是 如 何 有 效 利 用 于 上 述 生 物 合成 途径 的 ? 胆固醇 酯 是 如 何 合成 的 ? 长 时 间 的 饥 俄 为 何 会 使 血液 中 酮 体 浓 度 升 高 ? 虽 肪 酸 与 脂 蛋 白 结合 才 可 被 转运 的 物理 -化 学 原由 是 什么 ? 花生 四 烯 酸 是 由 哪 类 细胞 释 出 而 进入 胞 液 的 ? 局 de UICC < RRR REE EERE ERE H RHEE EEE EEE EE EEE EEE EET EE EE EEE EE EEE EEEEESES EEE EEE EEE HEHEHE EES EE EEE EE EE EEETESEEEEEEETE SESE SELES 14.1 35 生物 能 学 的 研究 包含 : OHRKLAW 〈 见 11 章 ) MAR ( 见 13 章 ) AME 原型 烟 酰 胺 与 黄 素 核 苷 酸 , 经 线粒体 电子 传递 链 最 终 被 氧化 的 过 程 ; @ 和 氧化 过 程 与 ATP 合 成 相 偶 联 的 机 制 。 此 ATP 合成 方式 被 定义 为 氧化 磷酸 化 作用 , 不 同 于 以 可 溶性 酶 催化 的 ADP HRRILKIER. RHREVURRMEDARD, AMRAAIRDK-TH RRL ( 见 第 11%), FP 14.1 a RP, ARR RR ALA 3AM MR, ADP RAMILA ATP, 被 磷酸 化 的 中 间 体 是 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 , 它 接受 氧化 作用 产生 的 能 量 的 。 O A CHO \ | eae 03H, HCOH + NAD* + Pi—> HCOH + NADH + H* | CHOPO; CHzOPO3 | 3 -磷酸 甘油 本 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 1 O | 7 . KK OP O; H, ee ; HCOH + ADP 一 ~ Weak + ATP : CH,OPO2” CH,OPO}” ; 3 -磷酸 甘油 酸 这 是 底 物 水 平 杰 酸 化 作用 的 一 个 实例 。 ] 氧化 磷酸 化 是 所 有 高 级 生命 体 代谢 的 中 心 , 因 为 由 此 而 产生 的 ATP 水 解 自由 能 被 用 于 , | 特别 是 核酸 (第 7 和 16 章 )、 蛋 白质 (第 4、9 和 17 章 ) 与 复合 脂 类 (第 6 章 ) 的 合成 , 也 被 用 于 其 他 各 种 过 程 中 , 如 肌肉 收缩 (第 5 章 ) 及 神经 冲动 传递 的 过 程 。 14.2 电子 传递 链 的 成 分 线粒体 中 电子 传递 链 , 或 称呼 吸 链 , 是 中 间 代谢 的 还 原 载 电 子 体 将 电子 携带 给 氧 和 质 巴 而 产生 水 的 手段 。 电 子 传递 链 的 主要 组 成 部 分 如 下 。 NAD /NADH NAD* /NADH 的 共 斩 氧 化 还 原 对 的 电子 传递 反应 是 , NAD* + H* +2e 一 > NADH Eo= —0.32V 第 14 章 , 氧化 磷酸 化 作用 “ 333 , 其 中 ,E0 是 标准 氧化 还 原 电 位 〈 见 第 10 章 )。 实 际 上 , 电 子 是 以 氨 阴 离子 (H ) 传递 的 , 氢 阴 离子 在 形式 上 与 (H- +2e ) 相当 。 问题 : 如 何 测 出 NAD* /NADH 的 电子 传递 ? NADH 于 340nm 波长 处 有 最 大 特征 吸收 光谱 , 而 NAD* 却 没有 。 因 此 , 可 用 分 光 光 度 计 测定 340nm 波长 处 样品 吸收 值 的 变化 , 以 监测 NAD* /NADH 中 的 电子 传递 。 mA 六 一 CE 例 14.2 NADH 在 线粒体 内 经 电子 传递 链 被 氧化 。 而 核 音 酸 不 能 透 过 线粒体 内 膜 。 那 么 , 在 胞 液 内 产生 的 NADH (如 糖 酵 解 产生 的 ) 是 如 何 参 与 电子 传递 链 中 电子 传递 的 ? 细胞 质 中 的 NADH 还 原 当 量 是 通过 穿梭 机 制 , 如 图 11-19 (333 页 ) 所 示 的 有 天 冬 氨 酸 和 蔷 果 酸 参 与 的 穿梭 机 制 , 被 转运 入 线粒体 的 。 此 穿梭 机 制 的 净 效 果 是 将 NADH 转运 入 线粒体 。 。 黄 素 核 苷 酸 FAD 和 FMN ( 黄 素 单 核 苷 酸 ) 的 电子 传递 反应 是 : FAD + 2H* + 2e 一 FADH, FMN + 2H* + 2e 一 FMNH2 电子 以 再 原子 形式 被 这 类 核 苷 酸 所 传递 [H= (H*+ e )]。 ; 这 些 载体 是 独自 将 电子 转 入 电子 传递 链 的 , 与 NAD*/NADH ##axt 7X. HRA 量 的 主要 穿梭 机 制 是 图 11-20 所 示 的 3 -磷酸 甘油 穿梭 机 制 。 rl 14.3 电子 从 琥珀 酸 、 aaagspgoibandowoegete pig emp (a) 琥珀 酸 + FAD 一 延明 索 酸 + FADH, (b) 3 -磷酸 甘油 + FAD 一 磷酸 二 羟 丙 酮 + FADH, (c) UG&-CoA + FAD > &- A? -F&- CoA + FADH2, 5 NAD*/NADH SAAR, REMBHIERBH HEH, MAEEAMAKRHHRA 酶 共 价 连接 。 这 些 酶 是 膜 被 的 , 与 线粒体 内 膜 上 的 呼吸 链 密切 相关 。 辅酶 Q 辅酶 Q 〈 亦 称 泛 配 或 CoQ) 是 苯 配 衍生 物 , 带 有 由 异 戊 二 烯 重复 单位 组 成 的 长 的 碳 氢 侧 链 。 一 般 可 根据 重复 单位 的 数目 将 辅酶 Q 分 类 。 哺 乳 动物 细胞 的 线粒体 中 辅酶 Q 包含 10 个 FROME EH, Alt, SR CoQ. O —s —_ =. ar _——e Pan) CH,0 CH, CH; | CHO (CH,—CH=C— CH,) ,—H O CoQ, 此 分 子 经 历 (2H ”+ 2e ) 还 原 反 应 成 为 CoQH, (或 称 泛 醒 醇 )。 还 原 反 应 分 两 步 进行 , 产 au 生物 化 学 生 一 个 中 间 体 , 即 半 还 原 的 自由 基 形 式 (AF BR), fe CoQH。 细胞 色素 细胞 色素 (来 自 于 希腊 语 : “细胞 颜色 ”) 是 一 组 含 血 红 素 辅 基 的 蛋 日 质 〈 见 第 5 和 15 章 )。 线 粒 体内 包含 三 类 细胞 色素 : a、b 和 c, 带 有 不 同 结构 的 血红 素 。 Spl 14.4 血红 素 环 的 环 四 吡咯 结构 通 式 如 下 : H;C ~OOC—CH,—CH, 细胞 色素 c 和 cl 中 , 血 红 素 环 通过 硫 醚 键 与 蛋白 质 共 价 连接 , 硫 栈 键 是 经 吡咯 环 A、B 上 的 已 烯 基 ( 一 CH 一 CH ) 与 蛋白 质 半 胱 氨 酸 焉 基 反 应 而 形成 的 。 细 胞 色素 日 中 无 硫 醚 键 。 细 胞 色素 a 和 ai 中 ,A 环 上 的 已 烽 基 团 被 一 个 碳 氢 链 所 取代 ,D 环 上 的 甲 基 被 四 酰基 ( 一 CHO ) 取代 。 除 了 血红 素 以 外 , 细 胞 色素 a 和 aa 还 包含 束缚 铜 离子 。 问题 : 如 何 检测 细胞 色素 介 导 的 电子 传递 ? 细胞 色素 中 的 电子 传递 是 Fe 与 细胞 色素 a 和 as 中 Cu 之 间 的 直接 电子 转移 。 金 属 离子 氧化 态 的 变化 导致 了 细胞 色素 的 可 见 吸 收 光 谱 的 变化 ; 用 分 光 光 度 法 测定 这 些 变化 即 可 定量 电流 。 pr SEA if 电子 传递 链 包 含 一 系列 的 铁 硫 蛋 白 《 亦 称 <. ee 非 血 红 素 铁 蛋 白 )。 铁 原子 通过 半 胱 氨 酸 的 “ TS ee § —S— 基 和 硫 离子 而 连接 到 蛋白 质 上 ; 每 一 | 4 - Fe 集合 如 图 14 -1 所 示 。 这 些 蛋白 质 通过 直 oe 接 的 电子 转移 方式 介 导 电子 的 传递 ; 铁 硫 蛋白 Pi ik De 中 铁 氧化 态 的 变化 可 由 电子 自 旋 共振 波谱 监测 Cn “一 一 一 一 一 (ESR). 14.3 电子 传递 链 的 构成 图 14-1 一 个 4-Fe 铁 硫 集合 子 传 递 链 是 由 列 于 表 14.1 中 的 四 个 复合 物 . 组 成 的 。 这 些 化 合 物 中 电子 转移 的 方式 如 图 14 - 2 所 示 。 第 14 章 , 氧化 磷酸 化 作用 表 14.1 电子 传递 链 的 蛋白 复合 体 复合 体 酶 的 功能 / 名 称 功能 成 分 I NADH/CoQ 氧化 还 原 酶 FMN; Fe-S 集合 II 琥珀 酸 /CoQ 氧化 还 原 酶 FAD; Fe-S 集合 (琥珀 酸 脱 氢 酶 ) III CoQ- 细 胞 色素 < 氧化 还 原 酶 细胞 色素 b, 细 胞 色素 cl; Fe-S 集合 IV 细胞 色素 < 氧 化 酶 细胞 色素 a 和 ay 图 14-2 线粒体 电子 传递 链 的 结构 图 问题 : 用 何 种 实验 手段 判定 电子 转移 方式 ? 用 了 两 种 明显 的 实验 方法 : 一 种 是 特异 抑制 剂 的 效果 实验 , 特 异 抑制 剂 能 阻 断 电子 流通 过 某 一 特定 复合 体 ; 另 一 种 是 利用 合成 的 氧化 还 原 对 运载 电子 至 特定 复合 体 上 , 当 然 这 取决 于 复合 体 与 氧化 还 原 对 的 相对 Eo 值 。 Hil 14.5 — Hh a Fl oy we eas BE ep Hl PS EA So B14 -3 所 示 。 这 些 位 置 是 应 用 交换 原理 ( 见 第 10 章 ) 而 确定 的 。 例 如 , 由 真菌 产生 的 抗生素 - 抗 零 素 A 可 引起 还 原型 细胞 色素 b 水 平 的 提高 , 及 还 原型 细胞 色素 cl 水 平 的 下 降 〔( 即 氧化 型 细胞 色素 cl 的 增多 ); 因此 , 导 致 搞 零 素 A 与 复合 体 III 相互 作用 。 巴 比 妥 酸 “Re S) © IV — ara, Cu 外 日 BED FA = FA HiBRA CN ,CO, N;,HS 图 14 -3 电子 传递 链 抑制 剂 的 作用 部 位 问题 : 电子 传递 链 组 分 的 Eo 值 是 如 何 测定 的 ? 可 利用 氧化 还 原 电 位 滴定 技术 来 测定 。 实 验 中 , 将 线粒体 在 无 氧 条 件 下 培养 , 培 养 液 中 插入 一 个 参 比 电极 [如 氢 电极 〈 见 第 10 章 )] 和 一 个 铂 电极 , 还 带 有 二 级 氧化 还 原 介 质 。 介 质 在 培养 液 中 形成 氧化 还 原 对 , 其 Eo 值 介 于 参 比 电极 与 电子 传递 链 被 测 组 分 之 间 ; 以 便 电极 与 电子 传递 链 被 测 组 分 之 间 能 快速 达到 电子 平衡 。 在 某 一 特定 的 卫 值 实验 系统 达到 了 平衡 。 此 下 值 可 通过 加 入 还 原 剂 如 还 原型 抗坏血酸 “ 345 - “336 生物 化 学 EE BY NADH) 而 改变 , 那 么 , E 值 与 氧化 及 还 原型 电子 传递 链 被 测 组 分 之 间 的 关系 即 可 测 HH. EMA HREM et ( 见 第 10 章 ) 而 计算 出 : 7 ln aes (14.1) EH, [Ace] 与 [Anu] 分 别 表 示 还 原型 和 氧化 型 电子 传递 链 组 分 A 的 浓度 ; 是 线粒体 制备 液 经 分 光 光度 法 测定 而 得 出 的 。 pe eee ee | CE 例 14.6 根据 氧化 还 原 电 位 滴定 , 线 粒 体 电子 传递 链 各 组 分 的 上 0 值 被 测 出 , 如 下 所 示 : NADH ~ FMN — #8 一, 细胞 色素 b — 细胞 色素 ol — 320mV 一 300mV +100mV +70mV +215mV t e } e FAD 细胞 色素 c— 细胞 色素 a Hlas—-O, + 50mV + 210mV +210mV + 820mV t + 385mV EFM + 30mV ) 电位 滴定 技术 还 可 指明 @ 电子 传递 链 的 某 一 组 分 是 le 载体 还 是 2e RK, BE H [A 还 挨 ] ln "4 Asal 曲线 , 根 据 曲 线 的 斜率 即 可 判定 ; @ 回 某 组 分 是 否 为 (H* + e ) HRA, # 是 则 下 ( 值 是 pH 依赖 的 。 14.4 电子 传递 与 ATP 合成 的 偶 联 电子 传递 与 ATP 合成 的 偶 联 是 因 质子 电化 学 -电位 梯度 的 作用 而 引起 的 , 这 一 理论 已 被 i 广泛 接受 , 质 子 电化 学 -电位 梯度 由 符号 Ay RA Ses 全 关 环 和 和 并 在 ATP 合成 酶 催化 ADP 与 Pi 生成 ATP 的 过 程 中 消失 。 问题 : Apa* 是 如 何 经 实验 而 确定 的 ? ApH+ 可 由 下 式 确定 , Bua’ = dy -和 ApH (14.2) 其 中 ,Ab 和 ApH 分 别 表示 电位 〈 以 伏特 为 单位 ) 与 跨 线粒体 内 膜 产生 的 pH 差 ; R、T、F 则 分 别 为 气 体 常数 、 绝 对 温度 和 法 拉 第 常数 。Ay 和 ApH 值 都 可 由 实验 测 得 。 CH Gl 14.7 对 于 一 个 可 透 过 线粒体 内 膜 的 离子 化 的 化 合 物 , 测 定 平 衡 状 态 时 其 在 线粒体 内 外 的 浓度 即 可 得 出 Ad 值 , 这 是 最 常见 的 确定 Ap OA, Ap 可 根据 能 斯 特 方程 (14.1) Hb, 于 带 + 守 个 电荷 的 又 离子 可 以 下 式 表达 , nF TX"), (14.3) 也 可 由 因 Ay ( 电 色 现 象 ) 引起 的 膜 内 组 分 光谱 特性 的 变化 而 计算 出 ; 如 200mV 的 Ay 值 与 ~3X10° Vem -的 跨 膜 电场 相对 应 , 膜 厚度 为 6nm。 14 SURI He fll 14.8 跨 线 粒 体 内 膜 产 生 的 ApH 也 可 由 电 中 性 的 膜 透 弱酸 (或 弱 碱 ) 的 平衡 分 配 比 例 来 计算 。 其 远 辑 推理 如 下 。 对 下 列 反应 p 4h Ki, REA} ¢ Hy, + Ay. HAy} —"HAg "Hy + Ag 中 性 物 (HA) 在 跨 膜 过 程 中 将 达到 平衡 , 与 Ab 无关 。 因 此 , 平 衡 时 [HA], = [HA]» (14.4) 假设 线粒体 内 外 HA BHU a RK, 相同 , 并 且 开 。 值 极 小 以 致 [HA] 们 0, 可 忽略 — 不 计 , 则 [H" Jy [A], ([H'J]_ [A Jn (14.5) q [HA] [HA] [A], _[H*]s [A-], [H* J] Alm, ApH TH [A Jy fe [A-] 内 的 测定 值 而 计算 出 。 即 (14.6) 14.5 线粒体 产生 的 质子 数 与 传递 给 氧 的 电子 数 的 比 奉 化 学 渗透 模型 需要 有 电子 流 流 经 电子 传递 链 以 使 质子 从 线粒体 中 释 出 , 由 此 产生 质子 电 化 学 -电位 梯度 。 实 验 中 , 电 子 传递 链 的 复合 物 IV 可 还 原 氧 原子 , 测 定 每 个 氧 原子 还 原 过 程 中 所 释 出 的 H* 离子 数目 的 测定 是 非常 重要 的 〈(H”*VO 比率 ), 因 为 此 比率 可 用 于 检验 质 子 传 递 的 机 械 模型 的 有 效 性 ( 见 14.6)。 Sl 14.9 在 无 氧 条 件 下 , 以 适当 的 底 物 (4° NADH ARM) SKRABA, TM H/OWF, 加 入 已 知 量 的 DO; 反应 即 开始 ,H 于 -的 释 出 可 用 pH 电极 测 得 (以 ApH 形式 )。 此 实验 的 结果 如 图 14-4 所 示 。 Ht MAO, 0 1 2 3 AY fa] /min 图 14-4 呼吸 过 程 中 质子 的 释 出 实验 后 , 数 据 的 处 理 相 当 的 复杂 。 线 粒 体 必须 允许 除 Ht 以 外 的 阳离子 透 过 。 如 果 不 是 这 样 , 那 么 ,H 于 -的 释 出 必 将 导致 Al 的 增加 , 从 而 减少 H HR PRR, HK 和 离子 载 WB BG HK on Ks Hh SP TLE Ay 值 的 上 升 。 实验 数据 分 析 的 复杂 性 还 包括 , 对 于 回流 回 线粒体 的 Ht 部 分 的 修正 的 必要 性 ; HT 能 直接 返回 线粒体 , 或 通过 线粒体 内 膜 的 Na/H- 反 向 转运 体 的 运载 , 或 HH /RRP AK 运 体 的 运载 (见习 题 14.7)。 + 587, - 338 - 生物 化 学 问题 : 纺 氨 霉 素 是 如 何 使 K"” 透 过 线粒体 膜 的 ? 统 氨 霉 素 是 一 种 抗生素 , 是 流动 的 K- 的 载体 , 其 结构 内 部 富 含 极 性 氨基 酸 残 基 (AK 提供 结 合 位 点 ), 而 外 部 则 是 朴 水 的 绩 氨 酸 残 基 。 正 是 后 者 使 内 携 K 的 统 氨 霉 素 扩散 穿 过 膜 , 因 而 和 > 可 透 过 RR. HARK 是 不 能 以 一 定 速度 扩散 入 膜 的 。 14.6 质子 传递 机 制 的 模型 环 机 制 20 世纪 60 年 代 初 ,Mitchell 提出 了 化 学 渗透 模型 , 该 模型 中 , 从 (H+ e ) 载体 (40 FMNH,) 到 一 个 电子 载体 (如 铁 硫 蛋白 ) 的 电子 转移 导致 了 质子 的 转运 , 质 子 释 出 至 , 线粒体 内 膜 外 。 此 过 程 之 后 , 电 子 转移 给 从 基质 中 吸取 质子 的 (H+ ec) 载体 。 该 模型 上 中 , 电 子 传递 链 可 组 成 三 个 环 , 如 图 14 - $ 所 示 。 基质 SH, S 2H* 2H* 120,+2H* +H,0 图 14-5 质子 转移 的 Mitchell 环 机制 。SH = 还 原 底 物 ,S = 氧化 底 物 ,FeSs = KREA, a, a3, b. c. cq, = 细胞 色素 ,UQ = BQ (2M) SF Hil 14.10 Mitchell 环 机 制 可 得 出 什么 样 的 可 经 实验 验证 的 推论 ? 此 机 制 可 得 出 两 个 实验 可 测 的 推论 ; 1. 每 一 环 中 , 每 转运 2 个 电子 必定 会 有 2 H+ 离 子 被 转移 。 2. 电子 传递 链 必须 被 组 构成 能 交替 给 出 (Ht + e-) 载体 和 纯 e- 载 体 的 形式 。 | 与 推论 1) 相关 的 实验 依据 在 本 部 分 的 后 面 讨论 , 而 与 (2) 相关 的 问题 将 在 例 14.11 Pe 述 。 质子 泵 机 制 在 这 一 机 制 中 , 通 过 电子 传递 链 各 组 分 进行 的 电子 的 传递 导致 了 链 蛋白 结构 的 变化 , 如 离子 化 的 氨基 酸 残 基 的 pK。 值 发 生 了 变化 。 例 如 , 与 基质 侧 的 膜 相 连 的 某 一 残 基 p 玉 , 值 的 增 大 将 导致 由 基质 中 吸取 质子 , 而 与 膜 间隙 侧 的 膜 相 连 的 某 一 残 基 pK, 值 的 减 小 将 会 引起 质子 的 释 出 。 这 一 过 程 的 净 效应 便 是 质子 由 膜 的 基质 侧 向 膜 间隙 侧 转移 。 然 而 , 质 子 泵 并 不 造成 较 大 的 H*/e 化 学 计量 值 。 经 复合 物 工 传导 的 质子 传递 BED 1 St} SHH NADH + H+ 向 辅酶 Q 转移 。 随后 辅酶 Q 的 还 原 与 向 量 质子 转运 相 偶 联 ; 测算 出 H*/e -化 学 计量 (HW) 为 1.0、1.5 和 2.0。 第 14 章 氧化 磷酸 化 作用 + 339 , 问题 : H/e 化 学 计量 为 2 是 与 单纯 的 化 学 渗透 假设 相 一 致 吗 ? 不 一 致 , 化 学 渗透 假设 的 H /e 值 为 1.0。 此 化 学 计量 值 可 由 质子 泵 机 制 解释 , 此 机 制 表 示 电子 转 移 是 与 复合 物 [ 中 蛋白 质 pK。 值 的 变化 相 偶 联 的 。 ASS SSH RTH | 复合 物 SP SH A Q 转移 。 此 过 程 不 与 向 量 质子 的 转运 偶 联 。 经 复合 物 TII 传导 的 质子 传递 复合 物 III 将 电子 从 还 原型 辅酶 Q 转向 细胞 色素 c; 此 过 程 与 向 量 质子 转运 相 偶 联 , H*/e 化 学 计量 为 2。 Pil 14.11 如 何 解释 上 述 的 H*/e- 化 学 计量 ? H+/e- 化 学 计量 是 生物 能 学 中 最 有 争议 的 部 分 之 一 , 与 辅酶 Q 的 作用 相关 。 最 基本 的 观点 是 , 此 辅酶 是 (2H+ +2e- ) 的 流动 载体 , 将 复合 物 TI 和 II 与 复合 物 III 连 接 起 来 的 。 而 辅酶 Q 参与 复合 物 III 中 (H* + e ) 的 转移 。1975 年 Mitchell 提出 的 质子 移动 Q 循环 (图 14-6) 便 是 表示 此 过 程 的 模型 。 此 模型 符合 例 14.10 中 的 推论 (2), 即 辅酶 Q 是 两 个 环 之 间 (H*> +e ) 的 载体 。 此 模型 中 , 还 原型 辅酶 Q (QH ) 通过 半 柄 自由 基 (QH'.) 与 氧化 型 辅酶 Q (Q) 相连 接 。 此 模型 解释 了 H+/e -化 学 计量 。 e 《来 自 于 复合 体 D 内 膜 间隙 细胞 浆 基质 图 14-6 质子 移动 Q 循环 的 示意 图 + 340 , 生物 化 学 经 复合 物 IV 传导 的 质子 传递 复合 物 IV 将 电子 由 细胞 色素 转向 OL; 该 过 程 与 质子 传递 相 偶 联 ,H- /e 化 学 计量 为 2。 为 说 明 这 些 数据 已 提出 了 两 个 模型 (图 14 -7)。 目 前 认为 复合 物 瓦 能够 起 到 质子 泵 的 作 用 。 内 膜 间 隙 基质 内 膜 间 隙 基质 细胞 色 细胞 色 素 C 还 原型 素 C 还 原型 H,O 色 细胞 色 素 。 氧 化 型 素 Mem 2e- &é 复合 体 IV Oa Pa H,O 2H+ Mitchell 模型 质子 泵 模型 14 -7 质子 传递 的 两 个 模型 图 问题 : 当 无 质子 穿越 膜 时 , 氧 化 磷酸 化 的 Mitchell 模型 如 何 得 出 数值 为 1 的 H+y/e- 化 学 计量 值 ? Mitchell 模型 可 由 下 列 方程 式 来 描述 aH" 十 26 + 二 0 H2O 因此 , 仅 由 此 化 学 反应 可 以 看 出 线粒体 内 膜 的 基质 侧 会 有 [H” ] 的 净 减 少 。 14.7 ”ATP 合 酶 ATP 合 酶 存在 于 所 有 的 能 量 传导 膜 中 , 包 括 线粒体 膜 、 叶 绿 体 膜 和 细菌 的 膜 。 在 有 氧 | 呼吸 出 现 之 前 , 酶 复合 体 最 可 能 以 原始 的 厌 氧 生命 体形 式 存 在 。 在 早期 的 有 机 体 中 , 其 作用 相反 , 是 利用 由 发 酵 反 应 生成 的 ATP 来 建立 与 离子 传递 系统 相 偶 联 的 质子 梯度 的 。 线粒体 的 电子 显 微 图 显示 线粒体 内 膜 的 基质 侧 有 球形 结构 突出 。 这 些 球形 单位 可 通过 相 “ 对 温和 的 处 理 , 如 低 离子 强度 溶液 或 尿素 的 处 理 , 而 与 膜 脱 离开 。 可 溶性 的 微粒 被 认为 是 , ATP 合 酶 的 F, 组 分 , 它 可 水 解 ATP, 但 不 能 合成 ATP, 因 而 被 称 为 ATP Be. Csi 14.12 ATP 合 酶 的 Fi 组 分 由 5 个 独立 的 多 肽 链 组 成 , 分 别 是 (M,= 56000), B (M,= 上 53 000), y (M,= 33000),8 (M,= 14000) 和 e (M,= 6000), HHFUEAA a58,7de. ATP 酶 活性 催化 部 位 在 B 链 上 , 而 8$ 和 e 链 则 使 Fi 复合 体 与 膜 相连 。 将 Fi 复合 体 反 加 到 已 用 尽 Fi 的 膜 上 可 使 ATP 合 酶 的 活性 得 以 修复 。Fi 复合 体 与 被 称 为 Fo 复合 体 的 膜 通道 相连 接 ,Fo 复合 体 也 由 多 个 亚 单位 组 成 。 构 成 Fo SOK SER 水 , 跨 膜 形 成 了 质子 传递 通道 , 并 将 质子 梯度 与 ATP 合成 相 偶 联 。 此 通道 似 可 与 亲 水 残 基 如 丝 氨 酰 基 、 苏 氨 酰 基 和 羧基 相连 接 。 连 接 Fi 与 Fo 的 “ 柄 ”由 被 称 为 寡 霉 素 - 敏 感性 -授予 A (OSCP) 的 多 肽 的 单一 拷贝 与 另 一 个 被 称 为 Fe 的 蛋白 的 单一 拷贝 组 成 。 HPP 14.13 Fo 复合 体 的 主要 亚 基 是 一 个 较 小 的 多 肽 (M,= 5400), 因 其 中 结合 有 高 比例 的 磷脂 而 和 EC 第 14 章 ”氧化 磷酸 化 作用 -341- RAAZOMR., AFPRRHESRG RT FRREBEAARYRAR, ZLEOMAAS —KAFA YH RKA RRR), 1LRRRP At TE OSCPAFOMDMAYAHES & ay Ps ee HAL AY HM, 二 环 己 基 碳 二 亚 胺 (DCCD), 通 过 与 蛋白 脂 质 通道 环 内 单个 谷 氨 酸 残 基 上 闪 基 的 反应 而 抑制 质子 经 Fu 的 传递 寒 零 素 是 能 抑制 整个 线粒体 呼吸 作用 的 抗生素 。 在 解 偶 联 的 线粒体 , 即 有 0O; 的 消耗 却 ”无 ATP 合 成 的 线粒体 内 , 呼 吸 作 用 并 不 被 抑制 。 因 此 , 与 鱼 蕨 酮 和 和 氛 化 物 等 抑制 剂 相 反 , 寡 零 素 并 不 阻碍 呼吸 载体 的 转运 。 但 却 通过 与 膜 连 Fo 亚 基 的 相互 作用 而 阻 断 质子 由 Fo 复合 体 向 Fi 的 传递 5 Fo 中 的 干 标 “0” 原 义 表示 “ 罕 零 素 - 敏 感性 ”复合 体 。 14.8 ATP 合成 的 机 制 化 学 渗透 假设 主要 认为 跨 膜 电化 学 梯度 的 作用 相当 与 于 将 能 量 传递 给 ATP 的 中 间 介 质 ; 而 能 量 则 来 源 于 呼吸 链 中 NAD+ /NADH 对 和 O,/2H,O 对 之 间 的 氧化 还 原 电 位 差 。 三 个 呼吸 复 合 物 I、II 和 IV 中 都 发 生 能 量 偶 联 , 每 一 种 情况 都 有 完全 不 同 的 供 体 和 受 体 载 体 的 终点 电位 , 驱动 质子 逆 电化 学 梯度 传递 。 因 此 ,NADH 的 氧化 导致 每 个 还 原 为 水 的 O 原子 几乎 生成 3 分 子 ATP (P/O 比例 为 3)。 另 一 方面 , 琥 珀 酸 的 氧化 产生 2 分 子 AITP,P/O 比例 为 2。 电化 学 梯度 是 反应 的 驱动 力 : ADP + Pi + Avy+==ATP + HO Rit, ATP HBF, 组 分 的 X -射线 晶体 结构 已 以 2.8 的 分 辩 率 被 测 出 。 三 个 链 和 三 个 B 链 交 替 地 排列 在 突 向 柄 区 域 的 y 亚 基 的 o -卷曲 螺旋 上 。Fi 的 亚 基 基 本 上 是 对 称 的 , 因 只 有 一 个 y 亚 基 对 着 三 个 和 三 个 B 亚 基 ; 三 个 w 和 三 个 B 链 中 的 每 一 个 在 构象 上 都 略 有 不 同 。 一 个 B 亚 基 连 接 ATP, 另 一 个 连接 ADP, 而 第 三 个 空 着 核 苷 酸 结合 位 点 。 处 于 “ 偶 联 位 点 ”的 高 能 磷酸 化 中 间 体 的 概念 是 以 早期 ADP 磷酸 化 机 制 为 特色 的 。 通 tO -标记 的 反应 组 分 的 研究 已 证 明 ,Fi 上 电化 学 梯度 不 可 能 产生 此 中 间 体 : 18O 腺 味 叭 一 核糖 一 0 一 P 一 0 一 P 一 &OH + 磷酸 一 -~ | oF iG O- 已 证 实 连 接 ATP B 和 y 磷酸 的 氧 桥 来 自 于 ADP-OH, 并 非 P-OH, 因 此 与 ADP HH 的 Fi 组 分 的 高 能 衍生 物 存在 的 可 能 性 被 排除 。 与 磷酸 本 相关 的 Fi 组 分 的 高 能 衍生 物 存 在 的 可 能 性 也 被 排除 , 是 通过 如 下 所 示 的 Pi MK ZO 的 交换 而 证 实 的 , 交 换 会 随 ADP 的 添 腺 呆 聆 一 核糖 一 0 POP OPO" 加 而 增多 , 并 不 减少 。 “? Aig 18 18 H,O+H Pane — H, 0 + _H O 一 P 一 O 18OH 18O- | ATP 合成 过 程 中 共 价 键 的 形成 受 ATP 自身 B 和 y 磷酸 连接 的 限制 。 | 电化 学 能 量 Ana+ 似乎 并 不 被 直接 利用 于 共 价 键 的 形成 , 而 是 用 于 将 ADP 和 Pi 连接 到 上 FI, 及 用 于 后 续 的 ATP 释 出 过 程 。 > 343 > 生物 化 学 Pi 14.14 根据 上 述 的 概念 , 已 提出 多 种 模型 , 图 14 -8 便 是 其 中 之 一 。 基 于 对 7Y FRLBRCZA 18O 的 ATP 水 解 的 研究 而 建立 了 此 模型 。 标 记 会 从 释 出 的 Pi 中 丢失 , 转 换 到 水 (HOH) 上 , 因 为 反应 2 和 -2 之 间 快 速 可 北 。 解 偶 联 剂 不 影响 此 丢失 , 表 示 pHf+ 与 到 应 2 或 =2 无 关 , 节 不 与 =3 或 -1 相关 。 ADP +Pi ATP 图 14-8 ADP 与 Pi 结合 释 出 ATP 的 模型 革 = -松弛 结 合 复合 体 ; T= 紧密 结合 复合 体 ADP 与 Pi 的 结合 是 需要 能 量 的 , 松 弛 (L) 结合 复合 体 将 转化 为 紧密 (T) BERS 体 。 紧 密 结合 复合 体 中 水 的 可 逆 丢 失 (ATP 合成 ) 或 获得 (ATP 水 解 ) THE py HAA, 工 -结合 ATP 复合 体 转 化 为 直 - 结 合 ATP 复合 体 的 过 程 同样 也 需要 能 量 , 而 ATP 自 工 -结合 ATP 复合 体 中 的 释 出 无 需 附 加 能 量 。 基于 上 述 的 讨论 和 ATP 酶 的 X 射 线 晶 体 结 构 , 关 于 环 构象 变化 及 亚 基 转动 的 最 可 能 的 机 理 , 由 通过 Fu 复合 体 的 质子 传递 而 得 出 〈 图 14 -9)。 三 个 B 亚 基 以 三 种 独立 的 状态 存在 ; 紧密 状态 ,T, 与 ATP 紧密 连接 , 其 中 ADP 是 磷酸 化 的 ; 松弛 状态 ,L, 可 与 ADP 及 无 机 磷酸 连接 ; 开放 状态 ,O, 释 放出 ATP。 一 旦 ADP 和 Pi 结合 到 世 状 态 上 , 由 质子 传递 引起 的 构象 变化 转换 LRA A TARA, ATP 生成 , 同 时 , 相 邻 的 工 亚 基 转 换 为 O 状态 ;使 生成 的 ATP 释 出 。 第 三 个 B 链 又 将 O 转换 为 工 状态 , 准 允 ADP 结合 上 来 , 以 便 进 行 下 一 轮 ATP 合成 。 Sha ares ae A BC “? DP+P, = aTP a ATP ATP i Kiet er: 14-9 ATP 合 酶 与 FIB 亚 基 构 象 变化 相 偶 联 而 循环 合成 ATP 的 模型 。 构 象 的 变化 由 Fu 介 导 的 质子 传递 而 引起 。ATP 的 合成 在 “紧密 连接 ”(T) 状 态 下 进行 , 但 其 仅 能 从 “开放 ”(O) 状态 下 释 出 。 asp T 状态 转换 为 O 状态 。 第 三 个 状态 ,L, 可 结合 AD im Spade = 本 Sec 8 19 ATP 合成 与 质子 传递 的 紧密 偶 联 是 依赖 于 膜 对 质子 的 不 同 透 性 的 , 以 便 Fu 通道 和 ATP 合成 为 质子 再 进入 线粒体 基质 提供 惟一 的 途径 。 膜 的 物理 损伤 , 或 能 允许 质子 分 散 或 电位 梯 “ a | | 度 扩散 的 化 学 药物 , 都 将 引起 质子 再 进入 途径 的 变更 , 并 且 将 呼吸 作用 与 ATP 合成 解 偶 联 和 ( 见 问题 14.5)。 14.9 腺 味 喻 核 苷 酸 转 入 与 转 出 线粒体 虽然 ATP 合成 机 制 尚 不 完全 清楚 , 但 ATP 的 合成 是 在 线粒体 基质 中 进行 的 , 这 一 点 是 SACRE. ARR ATP 被 转运 出 , 进 入 胞 液 。 一 个 特异 的 载体 (CLE, M.= 40000) J ATP 和 ADP 的 同时 转 出 与 转 入 线粒体 相关 联 。 传 递 过 程 受到 两 种 很 熟知 的 毒素 的 抑制 , B1l4e FRR 苍术 苷 和 米 酵 霉 酸 , 前 者 是 于 地 中 海 获 中 发 现 的 葡萄 糖苷 , 后 者 由 假 单 胞 杆菌 产生 。 CE 例 14.15 转 位 子 可 向 任 一 方向 移 位 两 个 核 音 酸 。ATP 是 以 ATP' 、ADP 则 以 ADP 的 形式 被 伟 递 。 因 此 , 交 换 的 平衡 依赖 于 跨 膜 的 电化 学 电位 差 。 当 电 位 差 是 160mV 时 , 线 粒 体 外 的 介 质 中 ATP/ ADP 比 例 为 125/1。 问题 解答 电子 传递 链 的 成 分 14.1 14.4 FIA. NADH 存在 条 件 下 培养 线粒体 悬浮 液 。 因 氧 的 引入 而 引发 氧化 磷酸 化 作用 , 并 发 现 悬 浮 液 中 ATP 浓度 增加 了 1.5x 10-4molL -1 相应 于 悬浮 液 在 340nm 波长 处 的 吸收 值 减 少 了 0.30, 用 的 是 lcm 光 镜 的 分 光 光 度 计 。 已 知 NADH 于 340nm 处 的 吸 光 系 数 为 6.2x10"Lmol :cm :, 计 算 每 一 分 子 NADH 的 氧化 可 产生 ATP 分 子 的 数 Eb 答 , 比尔 - 朗 伯 方程 式 〈 见 第 3 章 ) A: A = eCl 其 中 , 太 为 溶液 的 有 吸光度 ; e, 为 吸光 系数 ; C, 为 浓度 , 以 molL :表示 ; 1, WE RAKE, 以 cm 表示 。 将 方程 式 重 排 , 并 将 上 述 已 知 数值 代入 式 中 , 得 到 ac - 54 EL AAa40nm €340nm X 1cm iW 0.30 6.2 x 10°L mol tem?! x lcm 此 值 与 [ATP] 的 变化 值 相 比较 (1.510 4*molL 1+ 4.8410 %molL!) 得 出 每 一 分 子 NADH 的 氧化 可 产生 3.1 分 子 ATP; 非常 接近 于 理论 推算 值 3.0。 肌肉 组 织 中 有 两 种 3 -磷酸 甘油 脱 氢 酶 : 一 种 在 胞 浆 中 , 利 用 NADH, 一 种 是 黄 素 - 核 苷 酸 依赖 的 线粒体 酶 。 这 两 种 酶 有 何 代谢 意义 ? 答 : 这 两 种 酶 为 NADH 还 原 当 量 (在 细胞 液 中 由 糖 酵 解 过 程 产生 ) 传递 入 线粒体 而 提供 了 穿梭 机 制 。 细 胞 液 中 的 酶 催化 下 列 反应 : 磷酸 二 凑 丙 酮 + NADH + H*==NAD, + 3-# #434 3 -磷酸 甘油 穿 过 线粒体 膜 , 被 线粒体 内 的 酶 氧化 又 成 为 磷酸 二 凑 丙酮 : 3 -磷酸 甘油 _ + FAD 一 一 @R—-#ARM + FADH, FADH, 于 辅酶 Q 处 进入 电子 传递 链 , 同 时 二 郑 丙 酮 又 返回 细胞 液 中 。 尽 管 此 穿梭 效 能 较 低 , 每 分 子 FADH2 的 氧化 仅 产 生 '2 分 子 ATP, 而 每 分 子 NADH 的 氧化 则 产生 3 分 子 ATP, 但 此 穿梭 却 为 细胞 液 中 NAD* 的 再 生成 提供 了 途径 。 细 胞 液 内 NAD ”的 存在 是 糖 酵 解 (图 11-20) 能 够 继续 进行 的 基本 要 素 5 如 何 用 实验 方法 区 分 铁 硫 蛋白 中 的 两 种 类 型 的 硫 原子 ? 答 : 铁 硫 蛋 白 中 与 铁 相 连接 的 硫 原 子 因 是 酸 不 稳定 的 , 因 而 在 低 pH 条 件 下 可 被 除去 ; 但 来 自 于 半 胱 氢 酸 残 基 的 硫 原 子 因 与 半 胱 氨 酸 残 基 的 B- 碳 原子 共 价 相连 而 不 是 酸 不 稳 定 的 。 FTAA ME LH RH, AA FAD 比 可 被 柠檬 酸 循环 ( 见 12 章 ) 中 其 他 氧化 ALNADH] = = 4.84 x 10->molL7! - 343° *344- 生物 化 学 还 原 反应 利用 的 NAD* 是 更 为 适合 的 电子 受 体 ? 答 对 于 FAD -= 介 导 的 琥珀 酸 的 氧化 , 半 反应 为 : FAD + 2H* + 2e — FADH; Eo= 0.05V 延 胡 索 酸 + 2H+ + 2e 一 RAR Eo= +0.03V Ask, SROKA: 琥珀 酸 + FADS 4H KR + FADH2 E,= 0.02V. AG 可 由 下 式 算出 : AG® = -— nF Ey =—2 x 96.5 x 0.02 = — 3.86 kJmol ! ' 而 对 于 NAD+ 介 导 的 琥珀 酸 氧 化 反应 , 核 苷 酸 半 反应 的 下 0 值 为 二 0.32V”, 整个 反应 的 五 1 值 为 -=0.35SV。 由 此 ,NAD+ 介 导 的 琥珀 酸 氧 化 反应 的 AG? 是 +67.6 kJmol 1, 反应 不 可 能 进行 。 再 参看 AG® = —RTInK 可 见 ,FAD - 介 导 的 琥珀 酸 氧化 反应 平衡 常数 约 是 NAD+* 介 导 的 102 倍 , 因 而 在 琥珀 酸 脱 氢 酶 催化 的 反应 中 FAD 是 比 NAD- 更 适合 的 电子 受 体 。 电子 传递 与 ATP 合成 的 偶 联 14.5 14.7 解 偶 联 剂 是 一 类 阻止 线粒体 中 ATP 合成 却 能 允许 电子 传递 的 化 合 物 。 通 常 可 提高 线 粒 体内 膜 对 H” 的 通 透 性 , 因 而 驱散 H- 梯度 。 一 个 常用 的 解 偶 联 剂 是 2,4 -二 硝 基 苯酚 。 此 化 合 物 是 如 何 提高 线粒体 内 膜 对 H 的 通 透 性 的 ? 答 在 生理 pH 条 件 下 ,2,4 -二 硝 基 茉 酚 主要 以 阴离子 Cg6H4(NO2)2O 形式 存在 。 线 粒 体 上 内 膜 对 此 阴离子 或 其 质子 化 形式 ,C6H4(NO2)zOH 都 是 通 透 的 。 后 者 即 可 携带 质子 进 入 线粒体 内 膜 , 而 后 有 又 以 阴离子 形式 返 出 线粒体 , 以 便 再 运载 质子 进入 线粒体 。 因 此 ,2,4 -二 硝 基 茶 酚 可 驱散 H+ 梯 度 。 | 于 线粒体 样品 中 加 入 DCCD (二 环 已 基 碳 二 亚 胺 ) 可 减少 ATP 合成 与 电子 传递 。 仅 后 者 可 以 通过 加 入 2, 4 -二 硝 基 茉 酚 而 回复 到 正常 水 平 。 如 何 解释 这 些 现象 ? y ® DCCD 可 阻 断 质子 经 ATP 合 酶 Fp 亚 基 的 传递 。 因 此 , 有 质子 传递 的 位 置 Ap BH 时 高 , 导 致 质子 传递 在 热力 学 上 不 可 能 发 生 。 另 外 ,DCCD 也 可 使 ATP 合 酶 合成 ATP © 的 功能 丧失 。 而 解 偶 联 剂 ,2, 4 -二 硝 基 茶 酚 , 使 线粒体 内 膜 对 质子 通 透 ,Ana+* 值 下 是 降 , 恢 复 电子 传递 。 然 而 ,2,4 -二 硝 基 茶 酚 却 不 能 修复 受 DCCD 损伤 的 ATP 合 酶 的 上 活性 。 | 绝 大 部 分 线粒体 都 包含 活化 的 H*/ 磷 酸 同 向 转运 蛋白 , 此 蛋白 含有 其 转运 活性 必需 At. (a) 此 转运 蛋白 是 如 何 使 H*V/O 比率 ( 见 例 14.9) 的 测定 更 为 复杂 化 的 ? (b) 一 基 的 存在 是 如 何 用 于 消除 此 复杂 性 的 ? 2 (a) 由 线粒体 排出 的 质子 可 与 磷酸 一 同 , 经 H+/ 磷 酸 转 运 体 而 被 转运 回 线粒体 。 这 将 引起 线粒体 所 排出 的 质子 的 减少 , 故 ,H+7O 比率 降低 。 (b) 因 H+/ 磷 酸 转运 体 包含 殖 基 , 那 么 , 用 可 与 青 基 反应 的 基 团 选 择 试剂 如 区 - 乙 基 顺 丁 烯 二 酰 亚 胺 处 理 线 粒 体制 备 液 , 导 致 H+/ 磷 酸 转 运 体 的 选择 性 失 活 。 因 此 , 由 H+* /磷酸 转运 体 介 导 的 质子 再 进入 线粒体 的 过 程 则 不 能 发 生 。 实 验 中 , 经 N= 乙 基 顺 丁 烯 二 酰 亚 胺 处 理 的 线粒体 , 其 H+/O 比值 比 未 经 处 理 的 高 。 ES Sa rife 14k SRR A 14.8 在 很 多 青年 动物 背部 的 皮肤 下 发 现 有 被 称 为 棕色 脂肪 的 脂肪 组 织 。 这 一 组 织 中 , 线 粒 14.9 14.10 14. 14. 14. 14, 14. 14. 14. 14. 14. 体 由 于 NADH 氧化 而 合成 ATP 的 P/O 比值 小 于 1。 那么 , 棕 色 脂 肪 组 织 的 生理 功能 是 什么 ? TR 上 述 的 P/O 比值 已 清楚 地 表明 棕色 脂肪 线粒体 中 ATP 的 合成 是 不 与 电子 传递 相 偶 联 的 。 因 此 ; 电子 传递 过 程 中 由 线粒体 排出 的 质子 必须 再 进入 线粒体 , 并 且 不 伴随 有 ATP 的 合成 。 于 此 再 进入 的 过 程 中 , 能 量 以 热能 的 形式 散 出 , 以 利于 年 轻 动物 的 保 暖 。 小 生物 体 由 于 比 面值 高 , 可 通过 传导 与 辐射 过 程 而 快速 散 去 热量 。 某 一 实验 中 , 纯 化 的 F。 蛋白 被 混合 入 人 造 磷脂 泡 中 。 这 些 泡 被 前 负荷 KK , 而 后 在 悬浮 液 中 加 入 统 氨 霉 素 , 则 泡 可 吸取 质子 。 但 在 不 含 F。 蛋白 的 磷脂 泡 中 无 H RM 收 。 这 些 现象 的 机 理 是 什么 ? 答 : K-* 载 体 , 顷 氨 霉 素 的 加 入 , 使 K* 顺 着 其 浓度 梯度 溢出 而 产生 扩散 电位 。 故 ,Fo 有 蛋 FREE MRKH* (FRZEF SAMBA HH) 以 抵消 所 产生 的 扩散 电位 。 某 一 实验 中 , 给 予 线粒体 悬浮 液 足够 的 氧 和 丙酮 酸 , 但 不 提供 ADP, 则 氧 的 消耗 率 很 低 。 如 此 , 测 出 电子 传递 链 各 组 分 的 还 原 态 的 相对 量 : NAD, 100%; 辅酶 Q, 40%; 细胞 色素 b,38% ; 细胞 色素 c,14% ; 细胞 色素 a,0% 。 如 何 用 这 些 数据 来 确定 氧化 磷酸 化 的 位 置 ? , ae 基于 习题 14.6 中 所 讨论 的 原因 ,ADP 的 缺乏 实际 上 是 电子 传递 的 抑制 剂 。 因 此 , 通过 运用 交换 原理 ( 见 第 10 章 ), 电 子 传递 链 NAD 与 辅酶 Q, 细 胞 色素 b 和 c, 细 胞 色素 ec 和 a 之 间 , 还 原 量 有 较 大 的 差别 。 故 ,ADP 的 缺乏 必 在 这 些 位 点 抑制 电子 的 传递 ;事实 上 , 这 些 正 是 电子 传递 过 程 中 引起 ATP 合成 的 质子 排出 位 点 。 补充 问题 对 于 糖 酵 解 、 柠 檬 酸 循环 和 氧化 磷酸 化 过 程 都 正常 进行 的 细胞 匀 浆 液 , 每 分 子 (a) 丙 酮 酸 ,(b) NADH, (c) 葡萄 糖 和 (d) 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 可 产生 多 少 分 子 的 ATP? 以 NADH 为 电子 供 体 合成 ATP 时 ,2, 4 -二 硝 基 苯酚 对 P/O 比率 有 何 影响 ? 已 知 线粒体 内 pH 值 为 7.8, 假 设 线粒体 体积 与 直径 1.4x10-“m 的 球体 相当 , 计 算 线粒体 内 质子 的 数量 。 为 什么 摄 入 解 偶 联 剂 , 如 2, 4 -二 硝 基 葵 酚 , 会 引起 发 汗 , 体 温 升 高 , 若 长 期 食用 ( 数 周 ), 则 会 导致 体重 下 降 ? GE: 这 是 非常 危险 的 体重 控制 法 )。 如 何 能 够 区 分 电子 传递 链 中 不 同 的 细胞 色素 ? 铁 硫 蛋白 中 的 Fes* 有 电子 自 旋 共振 (ESR) 信和 号, 而 Fe* 则 没有 。 假 设 有 一 能 通过 NADH 的 氧化 合成 ATP 的 线粒体 制备 液 ;, 提供 鱼 芯 酮 、 抗 霉 素 和 KCN; 并 且 可 以 使 用 ESR 分 光 仪 。 如 何 确 定 电子 传递 链 中 的 哪个 复合 物 包 含 铁 硫 蛋 白 ? 计算 从 还 原型 细胞 色素 < 到 氧 的 电子 流 的 AG fA. 亚 硝 酸 是 氰 化 物 中 毒 的 有 效 解毒 剂 。 为 什么 ?” (提示 : 亚 硝酸 是 可 将 血红 素 中 的 Fe? 转化 为 Fe 的 氧化 剂 。) 将 氧 加 入 正在 无 氧 条 件 下 代谢 葡萄 糖 的 细胞 中 , 会 引起 (a) 葡萄 糖 消耗 率 的 降低 , (b) AMBRAIL, MR (b) 被 称 为 Pasteur 效应 。 解 释 为 什么 在 葡萄 糖 和 乳酸 的 代谢 中 会 发 生 如 此 的 变化 。 15.1 氨基酸 的 合成 及 食物 来 源 动物 生长 依赖 于 从 其 他 动 植物 中 获取 固 〈 即 还 原 的 ) Al; 而 植物 则 是 依赖 于 细菌 的 固氮 作用 。 人 类 需要 固 氢 , 必 须 是 来 源 于 饮食 (一 般 以 蛋白 质 的 形式 ) 的 固氮 , 主 要 用 于 和 蛋白 质 和 核酸 的 合成 , 也 用 于 诸如 中 啉 与 磷脂 等 特殊 代谢 物 的 合成 。 我 们 所 吸收 的 蛋白 质 (或 固氮 ) 的 量 决定 了 我 们 的 所 平衡 状态 。 与 其 他 动物 一 样 , 人 类 即使 摄取 不 含 蛋白 质 的 膳食 也 会 排泄 出 含 氨 化 合 物 , 因 为 并 非 所 有 的 含 氮 化 合 物 都 能 循环 利 用 。 如 此 会 造成 负 氨 平衡 。 成 人 为 保持 氮 平 衡 所 需 的 蛋白 质 的 量 不易 确 定 , 因 为 蛋白 质 中 并 不 包含 所 有 的 氨基 酸 , 尤 其 是 对 动物 代谢 也 同等 重要 的 植物 蛋白 。 Fil 15.1 对 于 人 饮食 要 求 , 为 何 植物 蛋白 不 如 动物 蛋白 有 益 ? 车 由 饮食 补充 氛 , 谷 物 有 蛋白 只 有 70% 的 效 价 。 原 因 是 其 中 缺乏 一 种 人 类 必需 和 氨基酸 ( 见 本 部 分 中 的 “和 氨基酸 合成 "), 赖 氨 酸 。 因 此 , 单 一 蛋白 质 来 源 〈 如 仅 来 源 于 玉米 ) OM 食 会 导致 营养 不 良 。 解 决 此 问题 的 方法 之 一 是 食用 富 赖 氨 酸 的 谷物 。 其 他 植物 蛋白 , 尤 其 是 来 源 于 英 果 种 子 (RZ RZ) 的 , 都 缺乏 合 硫 氨基 酸 。 合 理 的 素食 膳食 可 利用 谷物 与 英 果 种 子 求 得 气 平衡 。 对 于 一 个 70kg 的 人 , 为 保持 气 平衡 每 天 所 需 蛋 白质 的 量 为 28g, 即 3.8g HR. KAI 过 6 一 7 天 摄食 不 含 蛋 白质 的 饮食 , 测 定 N 的 排出 量 而 估 算 的 。 若 摄 入 的 有 蛋白质 来 源 于 和 谷 物 , 则 每 日 摄取 量 要 增加 到 约 40g。 因 为 谷物 蛋白 中 必需 和 氨基酸 的 量 有 所 变化 , 故 需 增 加 秋 白 摄 入 量 。 生 长 中 的 儿童 需要 的 蛋白 质量 较 大 , 推 荐 剂量 为 每 日 每 公斤 体重 0.6g。 问题 : 饮食 中 和 蛋白质 过 量 有 害 吗 ? 蛋白 质 摄 入 量 较 高 的 爱斯基摩 人 , 寿 命 虽 比 欧洲 人 短 , 但 这 与 膳食 蛋白 没有 明显 的 关连 。 他 们 摄食 的 饱和 脂肪 的 量 也 较 高 。 固 所 作用 氮 的 固定 化 是 仅 次 于 光合 作用 的 最 基本 的 生化 过 程 。 此 过 程 中 大 气 中 的 氮 被 还 原 为 氢 。 固氮 作用 是 由 蓝 绿 藻 , 部 分 酵母 菌 , 尤 其 是 细菌 来 完成 的 。 氢 的 还 原 反 应 N, + 3H 一 2NH; AG*’ = -—33.5kJmol! 是 放 能 反应 。 由 于 N: 的 化 学 不 活泼 性 , 此 过 程 在 工业 上 是 利用 有 效 的 催化 剂 , 并 且 加 温 (600T ) 加 压 〈1 000 大 气压 ) 来 完成 的 。 而 生物 学 过 程 是 在 1 大 气压 和 一 25 和 人 条件 下 进行 的 。 细 菌 内 , 反 应 是 由 固氮 酶 催化 的 。 Pi 15.2 反应 中 氢 来 源 于 何 处 ? 生物 学 系统 是 如 何 克 服 N; 的 化 学 不 活泼 性 ? 质子 是 所 的 来 源 , 并 且 推 测 是 ATP 的 水 解 协 助 了 热力 学 不 可 能 的 中 间 体 的 形成 从 而 克 Bisa ARH - 347° ARN, UF REGRH, AHERAMEZS 个 电子 的 参与 , 且 伴 有 Hz2 的 释 出 。 16(ATP+H2O) 16(ADP+Pi ) Na2+8er +8H* 2NH3 +H, 电子 可 由 多 个 供 体 供给 , 包 括 NADH、 黄 素 有 蛋白 和 NADPH. 最 终 , 所 有 的 高 等 有 机 物 都 是 依赖 于 细菌 产生 的 氢 而 进行 所 代谢 的 。 问题 : 高 等 有 机 物 如 何 获取 氨 ? 许多 植物 , 特 别 是 豆 科 植物 (如 豌豆 和 菜豆 ), 与 生存 于 其 根部 特殊 节 内 的 固氮 菌 有 着 共生 的 关系 。 目前 约 有 13 000 种 豆 科 植物 , 它 们 中 都 有 根瘤 菌 属 的 共生 菌 。 一 些 昆虫 (白蚁 和 蜂 螂 ) 的 肠 道 内 也 有 共 生 的 固氮 菌 。 氨 的 同化 作用 在 谷 氨 酸 脱 氢 酶 的 催化 下 , 氨 可 与 2 - 酮 成 二 酸 缩合 成 为 谷 氨 酸 ; 谷 氨 酸 脱 氢 酶 在 肝脏 和 肾脏 中 活性 最 高 。 由 2 - 酮 戊 二 酸 与 氨 生 成 谷 氢 酸 的 反应 如 下 : NH; + 2-8 =?" + NADPH + 了 一 一 谷 氨 酸 - + NADP* + H,O 谷 氨 酸 脱 氢 酶 也 可 将 NAD ATS ARH MBE. KRM MMR: 净 流 量 的 方向 仅 由 反应 物 的 相对 涤 度 即 可 测 出 。 故 此 反应 有 两 个 同等 重要 的 功能 : 氨 的 同化 作用 或 代谢 物 的 脱 氨基 作用 。 通过 谷 氨 酰 胺 合成 酶 与 谷 氢 酸 合成 酶 共同 催化 的 反应 , 一 些 细菌 也 能 产生 谷 氨 酸 。 谷 氢 酰胺 合成 酶 , 正 如 其 名 称 所 暗示 的 那样 , 能 够 催化 所 有 生命 体内 谷 氨 酰 胺 的 合成 。 人 类 肝脏 中 该 酶 活性 最 高 ; 谷 氨 酰 胺 从 肝脏 经 血液 被 转运 至 其 他 组 织 。 COO" CONES CH, _ CH, ATP ADP +Pj NH; + CH, ART CH, + EU HC—NH, HC—NH; COO COO SAR BARE 而 人 体内 没有 的 、 仅 存 于 细菌 内 的 谷 氨 酸 合成 酶 , 可 催化 谷 氢 酸 的 生成 : eA POs CH, CH, i CH, NADPH+H NADP* | CH, + ee: — 2 = He e allio EEC COO- COO- A 2 - 酮 戊 二 酸 SAR WC SS > WS FY BC He Soe A FAR BP A) BARRA GREATS SAG, WS Smme (15.6) HAM TS AE. ARAHHAVFH, CARYARHABZRHNARMEEAH., MxXHS KH AER NK AF SARS RR RRS EH. SEER Ny AB Ae RSE oh EO YT A TT ET AL 代谢 的 。 生物 化 学 转 氨 作 用 转 氨 作 用 是 由 以 磷酸 吡 哆 醛 为 辅 基 的 氨基 转移 酶 催化 的 , 此 过 程 中 氨 可 逆 地 转换 于 氨基 酸 与 2 - 酮 酸 之 间 。 磷 酸 吡 哆 醛 与 磷酸 吡 哆 胺 是 维生素 B6 (图 15 - 1) 的 辅酶 形式 。 CHO CH,NH, HO Eee HO or CH,OPOS H,C A HiC (a) PEMA wR (b) 磷酸 吡 哆 胺 图 15-1 磷酸 吡 哆 醛 与 磷酸 吡 哆 胺 的 结构 问题 : 转 氨 作 用 中 辅酶 有 何 功 能 ? 磷酸 吡 哆 醛 上 的 醛 基 可 接受 来 自 于 某 一 氨基 酸 的 氨基 , 形 成 希 夫 氏 碱 ( 见 第 1 章 )。 此 过 程 中 氨基 酸 被 转化 为 2 - 酮 酸 , 磷 酸 吡 哆 醛 被 转化 为 磷酸 吡 哆 胺 。 而 后 , 磷 酸 吡 哆 胺 上 的 氨基 可 转移 给 另 一 个 2 = 酮 酸 , 使 其 成 为 氨基 酸 。 在 第 二 个 反应 中 , 磷 酸 吡 哆 胺 又 被 转 回 成 磷酸 吡 哆 醛 。 氨基酸 (1) 磷酸 吡 哆 本 % 氨基 酸 CO) 2— MAR (1) = 磷酸 吡 哆 胺 2— MR O) 总 反应 是 :氨基 酸 (1) + 2 - 酮 酸 (2) 一 一 2 - 酮 酸 (1) + 氨基 酸 (2) 2 - 酮 戊 二 酸 是 氨基 的 常规 受 体 。 在 转氨酶 催化 的 反应 中 ,2 - 酮 成 二 酸 被 转移 上 氨基 而 成 为 谷 氨 酸 。 目 前 至 少 有 13 种 不 同 的 转氨酶 , 但 对 它们 的 特异 性 尚 不 十 分 清楚 。 最 重要 的 有 (a) 天 冬 氢 酸 转氨酶 , 催 化 下 列 可 逆反 应 : COO- ve ee THe Fie 2} i + i — i 长 CH, : BG Nis #2 BG) Nie COO- COO - COO- COO- 草 酰 乙酸 SAR 2-H R—M 天 冬 氨 酸 (b) 丙 氨 酸 转氨酶 , 催 化 下 列 反 应 : ima et CH nn Fie CH; oe + CHa 一 一 CHa + ies COO- ae ig COO- COO- COO- 丙酮 酸 谷 氨 酸 2 - 酮 戊 二 酸 RAR SP 15.3 组 织 损伤 或 细胞 死亡 后 , 天 冬 氨 酸 转 和 氨 酶 与 丙 氨 酸 转 氨 酶 都 会 被 释 入 血液 中 。 因 而 ) 车 心 脸 或 肝 脸 受 损 , 如 心脏 病 或 肝炎 , 可 分 别 用 这 两 种 酶 来 诊断 。 此 时 其 他 酶 也 可 被 释 入 血液 ee -二 .- —. > 第 15 章 “ 氮 代谢 中 。 例 如 , 血 奖 中 肌 酸 激酶 或 乳酸 脱 氢 酶 同 工 酶 的 出 现 是 心肌 受 损 的 特征 表现 。 转氨酶 多 样 化 的 代谢 特性 尚 不 完全 清楚 。 转氨酶 在 细胞 浆 中 活性 最 高 , 也 存在 于 线粒体 中 , 但 线粒体 中 不 含 谷 氨 酸 脱 氨 酶 。 转 氨 酶 与 谷 氨 酸 脱 氢 酶 催化 氨基 酸 代谢 的 中 心 反应 。 主 要 的 转氨酶 与 谷 氨 酸 脱 氢 酶 在 各 组 织 中 的 浓 高 于 其 他 酶 如 糖 酵 解 途径 中 的 酶 。 二 反应 的 可 逆 特 性 使 氨基 能 够 快速 交换 并 生成 2 - 酮 酸 , 如 图 15-2 所 示 。 膳食 蛋白 内 源 性 蛋白 CO, + H;O 蛋白 质 人 一 一 AER 2-H “一 一 ” 碳水 代 合 物 NS LE? : 2-H R—R 葡萄 粮 , 谷 所 酸 脱 气 酶 图 15 -2 转氨酶 与 谷 氨 酸 脱 氢 酶 在 氨 代 谢 中 的 主要 作用 问题 : 在 饥饿 状态 下 , 图 15 - 2 所 示 的 代谢 途径 如 何 运转 ? 在 极其 饥饿 的 状态 下 , 蛋 白质 与 碳水 化 合 物 二 者 都 供给 不 足 。 净 效应 则 是 内 源 性 蛋白 质 (来 源 于 肌 A) 被 水 解 , 释 出 氨基 酸 以 供 蛋 白质 合成 及 氧化 产能 。 由 转氨酶 催化 产生 的 2 - 酮 酸 或 进入 糖 异 生 途 径 ( 见 第 11 章 ) 或 被 代谢 为 CO; 与 H2O (WF 12 章 )。 谷 氨 酸 脱 氢 酶 则 再 次 催化 由 氨基 酸 降 解 下 来 的 氨基 生成 氨 的 反应 。 和 氨基酸 合成 用 于 蛋白 质 合成 〈 见 第 17 章 ) 的 20 种 氨基 酸 是 由 RNA 碱 基 密码 子 编码 的 。 生 命 体 的 生存 和 生长 依赖 于 蛋白 质 合 成 , 即 依赖 于 所 有 20 种 氨基 酸 的 供给 。 高 等 植物 能 够 合成 这 20 种 氨基 酸 , 但 一 些微 生物 与 高 等 动物 只 能 合成 其 中 一 部 分 。 人 类 自身 可 合成 20 种 氨基 酸 中 的 10 种 , 其 余 的 必须 由 饮食 供给 , 通 常 以 摄 入 植物 或 动物 蛋白 的 形式 获取 。 人 体 不 能 从 头 合成 但 却 又 是 生命 必需 的 氨基 酸 被 称 为 必需 氨基 酸 。 而 那些 人 体能 够 合成 的 则 称 为 非 必需 氮 基 酸 。 表 15.1 列 出 了 必需 氨基 酸 与 非 必 需 氨 基 酸 。 表 15.1 人 体 的 非 必需 与 必需 氨基 酸 非 必需 的 必需 的 BAR FAR 谷 氨 酰 胺 KAR ii AR AR REAR 甲 硫 氨 酸 RA GK AAR 丙 氨 酸 PAR HAR GAR 丝氨酸 RR MAR 精 氨 酸 ” 半 胱 氨 酸 组 氨 酸 * 表示 仅 对 于 婴儿 和 儿童 是 必需 的 。 . 349 + - 350 - 生物 化 学 问题 : 非 必需 氨基 酸 由 何 处 合成 而 来 ? 这 些 氨基 酸 的 合成 依赖 于 适当 的 碳 骨 架 的 可 得 性 与 氨 的 来 源 。 对 于 大 部 分 非 必需 氨基 酸 来 说 , 葡 萄 糖 是 碳 骨 架 的 最 终 来 源 。 两 个 必需 氨基 酸 , 苯 两 氨 酸 与 甲 硫 氨 酸 , 分 别 被 用 于 合成 非 必需 氨基 酸 栈 氨 酸 与 半 胱 氨 酸 。 由 于 氨 可 于 摄食 后 获得 , 因 此 , 在 人 体 不 能 合成 某 种 氨基 酸 碳 骨 架 时 , 必 须 由 膳食 中 获取 该 氨基 酸 。 和 氨基酸 合 成 中 的 2 - 酮 酸 的 合成 非 必 需 氨 基 酸 的 合成 需要 一 定 的 2 - 酮 酸 ; 如 表 15.2 所 列 。 四 个 氨基 酸 : 丙 氨 酸 、 天 冬 氨 酸 、 谷 氢 酸 和 丝氨酸 , 是 由 相应 的 酮 酸 经 转 氨 基 作用 而 生 成 的 。 其 他 的 非 必需 氨基 酸 则 由 这 四 个 氨基 酸 衍 生 。 因 其 在 代谢 方面 或 临床 上 的 重要 性 , 下 面 详 述 丝氨酸 与 酷 氨 酸 的 合成 过 程 ; 丝氨酸 的 合成 是 叶酸 代谢 的 基础 , 而 参与 合成 酷 氨 酸 的 AE RS SS BCE DY BR PRE 15.2 非 必需 氨基 酸 合成 所 需要 的 2 - 酮 酸 2 - 酮 酸 ABR 丙酮 酸 AAR 草 酰 乙酸 KRAR. FARK 2 - 酮 戊 二 酸 SAR. SAMK. FAR. HAR ABR. 3 HAR 丝氨酸 * 表示 仅 对 于 婴儿 与 儿童 是 必需 的 。 3- 磷酸 甘 油 酸 RR eae i a WAMECRELRUEPHRZAMA AREKH. PABLRARA iS BRB Fl NADH + H* ) 2 it HI DE, TRAN T(E 15-5) FR 2% AR ‘ i RE 丝氨酸 是 由 3 -磷酸 甘油 酸 产生 的 【图 15 - a ae Shae 3). ESR WR tt HY 1 22 RS FS BS AR UL BY hy 应 中 由 甘氨酸 转化 而 来 : CH,OH i A 2 OE oF pt STS ia Gra BGT are 丝氨酸 COO- Goo- 丝氨酸 甘氨酸 15-3 丝氨酸 合成 的 主要 途径 N ,N”- 亚 甲 四 氢 叶 酸 ( 亚 甲 基 - THF) 是 叶酸 的 辅酶 之 一 〈 见 15.7), KRM BS 的 , 实 际 上 , 净 通 量 通常 是 向 着 甘氨酸 合成 的 方向 。 因 此 , 甘 氨 酸 既 可 由 葡萄 糖 生成 , 也 可 由 丝氨酸 产生 。 酷 氨 酸 与 半 胱 氨 酸 的 合成 两 种 非 必需 氨基 酸 , 栈 所 酸 与 半 胱 氨 酸 , 可 由 必需 氨基 酸 衍生 而 来 , 或 被 认为 是 必需 氨 基 酸 的 降解 产物 , 因 为 它们 是 这 些 必 需 氨 基 酸 正常 降解 的 中 间 体 。 通 过 摄食 便 可 获得 足够 的 a a : ees EO Oi gga. eg, Se ee Re, 第 15 章 ARH 两 种 必需 氨基 酸 葵 丙 氨 酸 和 甲 硫 氨 酸 , 由 此 可 合成 酪 氨 酸 与 半 胱 氨 酸 。 BS HBR 酷 氨 酸 可 由 苯 丙 所 酸 合成 而 来 , 反 应 需 葵 丙 氨 酸 羟 化 酶 的 催化 , 该 酶 能 够 催化 两 个 反 应 。 反 应 中 的 还 原 力 由 NADPH 提供 , 而 氧 则 源 于 氧 分 子 。 O, NADP* WE ee ag HAR H +NADPH 二 氧 生物 蝶 叭 栈 氨 酸 H,O 总 反应 为 OH NADPH+H* NADP+ +O Ruta | 下 H,O na CH, HC NH: HC—NH; GD 8 KARR 酷 氨 酸 Sr 例 15.4 Ph (LAMBS RB) 俊 化 气 转 移 向 二 氨 生 物 蝶 哈 , 随 后 二 气 生 物 蝶 叭 被 还 原 为 四 氨 生 物 蝶 叭 。 第 二 个 酶 是 含 Fes+ HULK, BHO, 的 还 原 , 即 一 个 氧 原子 与 某 两 气 酸 结合 形成 酷 气 酸 , 另 一 个 则 生成 水 。 同 时 , 四 所 生物 蝶 叭 被 氧化 为 二 氨 生 物 蝶 哈 。 茉 ”两 氨 酸 羟 化 酶 是 混合 功能 氧化 酶 的 一 个 实例 。 遗 传 性 菜 琴 和气 酸 羟 化 酶 的 缺失 使 得 茶 两 和 氨 酸 不 能 被 转化 为 酷 氢 酸 而 慎 积 , 但 能 够 以 茉 丙酮 酸 的 形式 排出 。 这 种 情况 会 影响 幼小 的 贾 儿 , 和 被 称 为 茉 丙酮 酸 尿 症 , 与 严重 的 智力 迟钝 相关 。 生物 蝶 叭 , 如 同 叶 酸 (9115.7, 15-19), SAeeweswyH (图 15-4)。 H | NS 二 | N~ a CHOHCHOH HN CHOHCHOH ee i (a2) —SAApme (6) 四 氧 生物 蝶 叭 图 1$-4 生物 蝶 叭 衍生 物 的 结构 15.2 蛋白质 的 消化 膳食 蛋白 是 高 等 动物 固氮 的 主要 来 源 。 在 消化 过 程 中 , 蛋 白质 经 胃 及 小 肠 内 一 系列 水 解 酶 的 作用 而 水 解 为 乓 和 氨基 酸 , 被 胃 肠 腔 所 吸收 。 这 些 酶 总 称 为 蛋白 水 解 酶 , 或 蛋白 酶 , 属 于 水 解 酶 类 ( 见 第 8 章 )。 + 35i-* #352 ° 生物 化 学 酶 原 蛋白 水 解 酶 被 分 泌 入 胃液 , 或 由 胰腺 分 泌 出 被 称 为 酶 原 的 无 活性 的 前 体 物 。 如 胰 蛋 日 酶 , 其 酶 原 为 胰 蛋 白 酶 原 , 是 在 胰 细 胞 的 内 质 网 上 合成 的 , 由 酶 原 粒 分 滋 入 导管 , 再 进入 十 二 指 肠 。 酶 原 粒 于 高 尔 基体 内 产生 , 由 脂 蛋 白 膜 包 于 的 胰 和 蛋白酶 原 分 子 组 成 。 胰 细胞 也 可 产 生 胰 蛋白 酶 抑制 剂 , 以 确保 机 体 不 进行 自身 消化 。 SH 15.5 ZRIRAH, BRAABRRARHLESRLILA, ORRPLHESKMBTEK, 可 消化 胰 细 胞 。 蛋白 质 进 入 骨 后 , 能 够 刺激 激素 胃 泌 素 的 释 出 , 胃 沁 素 又 可 引起 膜 壁 细胞 分 泌 盐 酸 及 主 细胞 分 沁 骨 和 蛋白酶 原 (图 15 - 5)。 胃 蛋白酶 原 是 另 一 种 酶 原 (所 有 了 酶 原名 称 均 以 pro -为 字 头 或 以 - ogen 为 字 尾 ), 可 于 胃液 内 被 转化 为 有 活性 的 胃 蛋 日 酶 。 图 1$S-5 胃 腺 示意 图 问题 : 盐酸 在 消化 过 程 中 起 何 作 用 ? 盐酸 可 使 胃 内 容 物 的 pH 值 降 至 约 pH 2, 能 杀 死 大 部 分 微生物 , 并 将 蛋白 质变 性 , 以 使 肽 键 更 利于 酶 的 水 解 。 胃 内 容 物 通过 小 肠 时 , 低 pH 会 引起 小 肠 细 胞 分 泌 激 素 胰 沁 素 。 胰 记 素 又 促使 胰腺 分 比 碳酸 氢 钠 , 以 中 和 盐酸 , 并 使 水 解 酶 , 胰 和 蛋白酶 、 糜 蛋白酶 、 弹 性 蛋白 酶 及 羧 肽 酶 在 最 适 pH 7 一 8 的 条 件 下 发 挥 功 效 。 第 15 章 AH + 353 , CE 例 15.6 有 多 种 肽 类 激素 作用 于 消化 道内 : Bee Aube Pa HRA Dw; MILK fo Hp EE HK Hp Hl wb KA FA, 肠 肽 酶 Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys 缩 胆 瘟 素 与 抑 生 长 激素 能 够 抑制 ARMORY, WAT FA Re A Howse, HA HEA + AH 48m, | Ph te Be 十 二 指 肠 内 , 胰 酶 原 , 胰 和 蛋 白 酶 原 、 糜 蛋白酶 原 、 弹 性 蛋白 seal ha 弹性 蛋白 酶 , 酶 原 及 羧 肽 酶 原 经 过 肠 肽 酶 与 胰 蛋白 酶 的 作用 而 被 转化 为 有 活性 Be EB PK Be ik 的 酶 , 如 图 15=6 所 示 。 这 些 酶 原 的 活化 过 程 包括 肽 键 的 断裂 和 肽 RKB 的 脱 去 , 使 得 构象 发 生变 化 , 从 下 而 产生 功能 活性 位 点 。 问题 : 酶 原 活 化 过 程 中 实际 化 学 变化 的 结果 是 什么 ? 胰 蛋 白 酶 原 、 麻 蛋白 酶 原 、 弹 性 蛋白 酶 原 及 羧 肽 酶 原 都 是 以 M, 425 000~30 000 的 单一 多 肽 链 形式 被 合成 的 。 活 化 过 程 的 最 初步 骤 是 胰 和 蛋白酶 原 N 端 一 段 六 肽 的 水 解 。 水 解 产 生 了 胰 和 蛋白酶 , 是 由 肠 肽 酶 催化 的 , 而 肠 肽 酶 则 是 一 类 存在 于 小 肠 刷 状 缘 细 胞 膜 上 的 糖 蛋白 酶 。 问题 : 除 胰 蛋 白 酶 原 以 外 , 其 他 酶 原 是 如 何 被 活化 的 ? 活化 过 程 已 被 研究 得 比较 透彻 ; 图 15 -7 所 示 的 是 廉 蛋 白 酶 原 的 活化 过 程 。 COO- *H,N a- 麻 蛋白 酶 图 15-7 廉 蛋 和 白 酶 原 的 活化 过 程 生物 化 学 糜 蛋 白 酶 原 , 是 一 个 由 245 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 单 多 肽 链 , 可 被 转化 为 - 糜 蛋 白 酶 ,n - 糜 蛋 白 酶 由 三 条 多 肽 链 构成 , 此 三 条 多 肽 链 是 由 魔 蛋 白 酶 原 一 级 结构 中 5 个 二 硫 键 中 的 两 个 连接 而 成 的 。x -和 8 - 糜 蛋 白 酶 也 有 水 解 活 性 。 与 此 相 比 较 , 羧 肽 酶 原 转化 为 羧 肽 酶 的 过 程 中 只 有 一 个 氨基 酸 被 水 解脱 去 。 蛋白 酶 的 特异 性 理论 上 , 多 肽 链 中 某 一 氨基 酸 残 基 可 通过 20 x 20 种 不 同 的 结合 方式 与 另 一 氨基 酸 残 基 相 邻 。 如 果 每 一 种 可 能 的 结合 都 需要 一 个 特异 的 蛋白 酶 , 那 么 , 将 需要 400 种 不 同 的 蛋白 水 解 酶 。 然 而 , 蛋 白水 解 酶 的 特异 性 并 不 严格 , 主 要 由 带 相似 特征 侧 链 〈 如 碱 性 或 非 极 性 ) 的 氨基 酸 基 团 决定 , 因 此 , 只 有 少量 不 同类 型 的 蛋 日 酶 存在 。 问题 : 什么 因素 决定 蛋白 水 解 酶 底 物 专 一 性 ? 所 有 的 蛋白 水 解 酶 都 可 催化 肽 键 的 水 解 : R—CO—NH—R’ + H,O 一 一 R 一 000- + NH}—R’ 专 一 性 是 由 肽 链 中 构成 被 水 解 的 肽 键 的 两 个 氨基 酸 所 带 侧 链 确 定 的 。 对 于 内 肽 酶 , AeA HE A HH 基 酸 的 侧 链 决定 了 底 物 是 否 可 与 酶 结合 。 而 , 麻 蛋白 酶 则 水 解 由 芳香 族 氨 基 酸 提供 羧基 的 肽 键 , 这 类 和 氢 EBAAAAR, BAB. AAR. K15.3 列 出 了 酶 的 专 一 性 。 15.3 蛋白 水 解 酶 的 专 一 性 酶 的 名 称 二 性 胃 蛋 白 酶 Phe, Tyr, Trp; 也 可 是 Leu、Glu、Gln Bee A Lys, Arg 糜 蛋 白 酶 Phe、Tyr、Trp RAK BS A 带 大 体积 、 非 极 性 羧基 末端 的 氨基 酸 残 基 弹性 蛋白 酶 Ala, Gly, Ser 氨 肽 酶 任意 带 氨基 末端 的 氨基 酸 残 基 问题 : 胰 蛋 白 酶 在 催化 机 制 上 有 相似 性 吗 ? 四 个 胰 蛋 白 酶 中 的 三 个 〈 胰 和 蛋白酶 , 麻 蛋白 酶 和 弹性 蛋白 酶 ) 都 被 称 为 丝氨酸 蛋白 酶 , 因 为 它们 的 活性 都 是 由 处 于 活性 位 点 的 丝氨酸 残 基 侧 链 决定 的 。 此 丝氨酸 残 基 攻 击 肽 键 的 羧基 并 切断 肽 键 , 生 成 脂 酰 - 酶 中 间 体 ( 见 第 8 章 )。 该 中 间 体 中 的 酯 键 将 在 第 二 步骤 中 被 水 解 , RCONHR + 酶 -CH2OH ==RCOOCH,-i§ + R’NH, RCOOCH;-& + H,O 一 RCOOH + 酶 -CHOH Pil 15.7 & 7K AAP) GS — BFS oo Rae (图 15 -8)。 酶 表面 的 党 可 容 2h) ko P Fy tn Dl BEG RH WG AR BK EMH, te, AF RAEGMEPHLAMKREARE Ww Ww ey 糜 蛋 白 酶 AeA 弹性 蛋白 酶 图 1$-8 底 物 专 一 的 袋 第 15 章 RR SRR PRAARMAEMBAR, FL, PORT HAM HMAMAREBERA HRM FEAEREMASCHREGBEP, RZGBPHAPHARKRAAPEE GBP MRMK REFABKK, RAMPHRARAMRRAMDBRRMWSRHAS, AMHREZ SMA 水 解 附 有 小 的 、 不 带电 荷 的 侧 链 的 肽 键 。 胃 蛋 白 酶 和 胰 蛋 白 酶 能 够 催化 食物 蛋白 转化 为 肽 与 氨基 酸 。 肠 黏膜 中 的 氨 肽 酶 及 二 肽 酶 几乎 将 肽 完全 水 解 为 氨基 酸 , 部 分 肽 , 尤 其 是 含有 谷 氨 酸 的 peay DP 破 性 氧 基本 肽 , 可 以 游离 氨基 酸 的 形式 进入 肠 黏 膜 细胞 。 氨 肽 NH; 酶 能 够 自 肽 的 N 端 水 解 去 除 氨基 酸 。 eeum—- P 芳香 族 所 基本 图 15 -9 总 结 了 消化 过 程 中 蛋白 质 的 水 解 。 氨基酸 的 转运 弹性 蛋白 酶 一 > uae 氨基 酸 、 二 肽 及 部 分 三 肽 可 通过 肠 黏 膜 细 胞 刷 COO- 状 乡 膜 而 由 肠 腔 被 转运 入 细胞 质 中 , 随 后 肽 被 进 一 步 水 解 为 氨基 酸 。 肽 和 氨基 酸 的 转运 是 很 活跃 的 , 图 15 -9 消化 过 程 中 蛋白 质 分 解 为 氨基 酸 与 葡萄 糖 的 转运 类 似 ; MES Na+ 一 同 , 经 特异 的 Na+ 同 向 转运 蛋白 的 运载 才能 穿越 肠 细胞 膜 。 在 肠 腔 和 黏膜 细胞 的 胞 浆 之 间 , 存 在 Na+ 浓度 梯度 , 此 浓度 梯度 是 由 与 毛细 血管 相 邻 的 细胞 的 基质 中 的 Na+ /K+-ATP 酶 维持 的 ; Nat/ K*-ATP 酶 将 Na+ 泵 出 细胞 , 进 入 血液 。 因 而 细胞 内 的 Nat+ 浓度 低 于 肠 腔 内 的 , 以 确保 氨 基 酸 与 肽 能 够 随 Na+ 的 进入 而 被 转运 进来 。 至 少 有 7 种 不 同 的 转运 蛋白 参与 氨基 酸 的 吸收 过 程 。 CPi 15.8 7 种 转运 蛋白 是 如 何 运 载 20 种 不 同 的 氨基 酸 的 ? 转运 蛋白 具有 重 释 特异 性 。 如 , 一 种 转运 蛋白 (被 称 为 工 系 统 ) 可 转运 亮 氨 酸 及 带 有 支 链 或 芳香 侧 链 的 中 性 和 氨基酸 , 另 一 种 (Ly AR) 则 可 转运 碱 性 和 氨基 酸 , 还 有 一 种 会 活性 的 载体 〔 二 羧 酸 系 统 ) 可 转运 二 羧 氨 基 酸 。 一 部 分 氨基 酸 通过 选择 性 转运 蛋白 而 进行 易 化 扩散 , 进 入 血 流 , 随 血液 流 经 肝脏 与 其 他 器 官 并 被 它们 吸收 。 其 余 的 , 尤 其 是 谷 氨 酸 、 谷 所 酰胺 、 天 冬 氨 酸 及 天 冬 酰 腕 , 会 被 消化 首 细胞 代谢 而 产能 。 15.3 氨基 酸 代谢 动力 学 除了 食物 蛋白 的 水 解 可 产生 或 合成 氨基 酸 以 外 , 氢 基 酸 亦 可 来 自 于 组 织 蛋白 的 水 解 , 如 肠 黏膜 蛋白 或 饥 儿 状态 时 肌肉 蛋白 的 水 解 。 和 氨基 酸 可 被 用 于 蛋白 质 的 合成 ; 也 可 进入 糖 异 生 或 脂肪 生成 途径 ; 还 可 被 降解 而 提供 能 量 ; 也 可 用 于 合成 一 些 化 合 物 , 如 味 哈 、 喀 啶 、 路 啉 、 肾 上 腺 素 和 肌 酸 。 上 述 这 些 代谢 活动 是 通过 氨基 酸 与 蛋白 质 的 转换 而 进行 的 , 此 转换 过 程 如 同 脂 类 与 碳水 化 合 物 的 转换 一 样 快速 。 一 个 成 年 男性 , 每 天 约 有 400g 的 机 体 蛋 白 被 更 换 。 其 中 ,S0g 用 于 更 换 消 化 酶 ( 见 13.2),6g 用 于 更 换血 红 蛋 白 ( 见 15.8)。 血 浆 中 游离 氨基 酸 的 浓度 虽 较 1K 〈 共 约 3.2mmolL :, 其 中 25% 为 谷 氨 酰 胺 ), 但 每 日 400g 蛋白 质 的 转换 却 与 吸收 自 血 液 并 又 释 回 血液 的 蛋白 质量 是 相当 的 , 即 4.6mol 的 w -氨基 - N, 因 此 , 血 浆 中 氨基 酸 的 平均 寿命 约 为 Smin。 血 浆 游 离 氨基 酸 被 转换 的 速度 与 血浆 葡萄 糖 或 血浆 游离 脂肪 酸 的 相同 。 如 同 血糖 一 样 , 血 浆 氨 基 酸 的 浓度 是 相当 恒定 的 , 但 目前 尚 不 清楚 此 恒定 状态 是 如 何 维持 的 。 "3388 。 .356 - 生物 化 学 15.4 氨基 酸 的 分 解 代谢 氨基 酸 的 分 解 代 谢 相 当 复 杂 ; 对 于 任何 实用 概论 , 各 种 氨基 酸 之 间 存 在 很 大 的 差别 。 除 亮 氨 酸 以 外 , 其 余 氨 基 酸 的 碳 骨 架 都 可 被 用 于 糖 异 生 途 径 。 图 15-10 Ba SAR iA RANE 葡萄 糖 PARE RED 、 天 冬 氨 酸 oo Ee hoes ERM 3 异 亮 氨 酸 BIR -CoA =. 2- BWR—- 甲 硫 氨 酸 苏 氨 酸 图 15-10 氨基 酸 碳 骨 架 的 去 向 所 有 的 、 最 终 因 生成 丙酮 酸 而 进入 糖 异 生 途 径 的 氨基 酸 被 成 为 生 糖 氨基 酸 。 惟 有 亮 氢 酸 , 不 能 产生 糖 异 生 途 径 的 任何 中 间 代 谢 物 〈( 即 是 生 酮 氨基 酸 ), 被 降解 为 乙酰 乙酸 和 乙酰 - CoA。 一 些 氨基 酸 , 葵 丙 氢 酸 、 酷 氨 酸 、 色 氨 酸 及 异 亮 氢 酸 , 既 是 生 糖 也 是 生 酮 氨基 酸 。 因 此 , 大 部 分 氨基 酸 都 是 生 糖 氨基 酸 。 单 一 氨基 酸 代 谢 过 程 从 一 步 反 应 到 多 步 反 应 的 都 有 , 如 天 冬 氨 酸 、 谷 氨 酸 和 丙 氨 酸 利用 适当 的 转氨酶 只 进行 一 步 反 应 , 而 芳香 族 氨 基 酸 和 和 赖 氨 酸 则 进行 多 步 代 谢 反 应 , 酷 氨 酸 需要 经 过 四 步 方 可 降解 为 乙酰 乙酸 与 延 胡 索 酸 。 FF 15.9 AAA RA RRS MH RR A, mA A aay AO ig 04 HE ILA 3, 4-= BRARMR (FC) 与 相应 的 多 巴 柄 。 栈 所 酸 酶 存在 于 黑色 素 细胞 中 , 是 一 种 混合 功能 氧化 a. THLE AA BE. OH O OH O REAR + 0, 一 一 ~ + [0] = 一 + HO i rs HC— NH? HC— NH} COO- COO- ZB eau. ZSORATLRMA PRELALP LRA FLARE (BA 15-11). SN WA 第 15 章 , 氮 代谢 OH OH CHCH,NH, CHCH;NH, CH, HO HO OH OH (2) 去 甲 肾上腺 素 (b) 肾上腺 素 图 15-11 去 甲 肾上腺 素 与 和 胡 上 腺 素 的 结构 饥饿 状态 下 , 氨 基 酸 的 分 解 代 谢 是 非常 重要 的 , 因 主要 组 织 中 氨基 酸 的 分 解 代谢 可 以 反 上 映 这 些 组 织 的 功能 状态 。 由 于 肌肉 的 量 较 多 , 因 此 , 饥 饿 时 肌肉 中 氨基 酸 的 分 解 代 谢 极为 重 要 , 可 为 肝脏 提供 糖 异 生 作 用 的 前 体 化 合 物 。 饥 狐 时 由 蛋白 质 水 解 而 产生 的 氨基 酸 可 在 肌肉 组 织 中 互 换 , 脱 离 肌肉 组 织 的 氨基 酸 中 60% 是 谷 氨 酰 胺 或 丙 氨 酸 。 支 链 氨基 酸 , 纺 氢 酸 、 亮 氨 酸 及 异 亮 氨 酸 均 为 必需 氨基 酸 , 在 肌肉 组 织 中 经 特异 的 转氨酶 的 作用 而 脱 去 氨基 , 并 且 产生 的 2 - 酮 酸 被 转运 至 肝脏 通过 支 链 2 - 酮 酸 脱 氢 酶 (BCOADH) 的 作用 而 被 进一步 代谢 。 肝脏 内 转氨酶 是 无 活性 的 , 以 便 肝 脏 能 够 向 周围 组 织 提 供 统 氨 酸 、 亮 氨 酸 与 异 亮 氨 酸 。 多 数 情况 下 ,BCOADH 的 活性 是 受 磷酸 化 作用 (磷酸 化 导致 此 酶 失 活 ) 调节 的 , 相 应 于 机 体 对 支 链 氨基 酸 的 需求 , 活 化 的 BCOADH 可 使 三 种 支 链 氨基 酸 氧 化 脱羧 , 其 氧化 脱羧 反应 与 丙 酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 催 化 的 丙酮 酸 转化 为 CoA 衍生 物 的 过 程 相 似 。 饥 饿 状态 下 , 当 机 体 需 要 蛋白 水 解 产 生 的 氨基 酸 (HERR ) 肌肉 ARM NH, 把 谷 氨 酰胺 一 >, 瓜 氨 酸 图 15 -12 氨基 酸 的 氢 组 分 由 组 织 转 至 肝脏 合成 尿素 * 358: 生物 化 学 葡萄 糖 以 求生 存 时 , 该 磷酸 化 调节 作用 便 压 倒 一 切 , 成 为 最 首要 的 机 制 。 饥饿 状态 下 , 肾 脏 以 能 够 衍生 出 谷 氨 酸 的 谷 氨 酰胺 作为 氨 的 来 源 , 氨 可 中 和 分 淡出 的 本 体 。 部 分 氨 进 入 肝脏 参与 尿素 的 生成 。 而 碳 骨 架 ,2 - 酮 戊 二 酸 则 用 于 糖 异 生 途 径 。 无 论 是 在 正常 情况 下 还 是 在 饥饿 状态 下 , 肠 道 都 会 优先 代谢 谷 氨 酰 胺 、 谷 氨 酸 、 天 冬 氢 酸 及 天 冬 酰 胺 。 由 于 肠 细胞 的 脱落 , 肠 道 细 胞 的 分 裂 较 快 , 谷 氨 酰 胺 作为 氮 源 用 于 合成 味 哈 。 部 分 谷 所 酰胺 可 被 用 于 合成 瓜 氨 酸 ( 瓜 氨 酸 于 肾脏 内 可 被 转化 为 精 氨 酸 , 进 而 肝脏 利用 精 氨 酸 合成 尿 素 ), 剩 余 的 谷 氨 酰 胺 则 被 转化 为 丙 氨 酸 而 进入 门静脉 。 图 15 - 12 总 括 了 上 述 组 织 中 氨基 酸 的 代谢 , 及 肝 内 尿素 合成 的 氮 源 。 15.5 ”多余 氮 的 处 理 问题 : 氮 为 何 被 排出 ? 与 脂 质 和 糖 原 相 比 较 , 机 体内 无 氨 的 贮存 ; 即 任何 超出 生长 需求 的 氮 都 将 被 排出 体外 。 阁 摄 入 的 氮 少 于 正常 生长 及 组 织 修复 所 需要 的 氮 , 机 体 则 会 调动 肌肉 蛋白 中 的 氮 。 ”超出 代谢 需求 的 氨基 酸 将 被 降解 为 其 相应 的 碳 骨 架 , 已 于 前 一 部 分 讨论 过 , 从 而 进入 能 量 代谢 或 被 转化 为 其 他 化 合 物 与 氨 ; 所 被 排出 或 被 转化 为 尿素 后 再 排出 。 上 述 代谢 情况 适合 于 人 类 , 但 对 其 他 物种 则 有 不 同 的 途径 排 去 多 余 的 氢 。 对 于 水 生动 物 , 可 通过 皮肤 将 多 余 的 氨 散 出 体外 , 而 陆 生 动物 则 以 尿素 或 尿酸 的 形式 排 出 余 氨 。 人 类 在 进食 了 富 含 肉 类 的 饮食 后 , 氮 会 被 排出 以 保存 下 Na+ 和 K+ 。 由 磷 蛋 白 与 含 S 氨基 酸 产 生 的 过 量 的 PO; ASO; ”以 匀 盐 的 形式 被 排出 ; Na+ 和 K+ 则 在 肾脏 内 被 交换 为 NH4 。 尿 素 的 排出 过 程 需要 大 量 的 水 , 因 其 通常 以 溶液 的 形式 排出 , 而 尿酸 则 是 不 溶 的 , 鸟 类 与 疏 行 动物 以 固体 形式 排出 尿酸 。 故 对 于 要 保持 体重 , 或 水 储存 很 重要 的 动物 , 是 以 尿 酸 形式 排出 余 氮 的 。 尿素 ,NHCONH:, 水 溶性 很 好 (10molL 1), 无 毒 , 富 含 氨 (47% )。 若 摄食 西餐 , 正常 人 每 日 会 排出 约 30g 的 尿素 , 若 摄 入 高 蛋白 饮食 , 则 会 增加 至 100g。 人 类 及 其 他 灵 长 目 动物 , 可 排出 少量 的 作为 味 叭 代谢 终 产物 的 尿酸 。 因 此 , 我 们 能 够 以 氨 、 尿 素 与 尿酸 的 形 式 排 出 多 余 的 所 。 也 可 以 另外 几 种 含 氮 代 谢 物 , 如 胆 色素 的 形式 将 氮 排 出 体外 。 这 些 含 氨 化 合 物 是 血红 蛋白 及 其 他 含 叶 啉 分 子 的 降解 产物 。 氨 的 形成 肝 、 脑 、 肌 肉 及 肾脏 内 参与 氨 形 成 的 主要 的 酶 是 谷 氨 酸 脱 氢 酶 , 可 催化 氨 与 2 - 酮 戊 二 酸 缩合 生成 谷 氨 酸 的 反应 〈( 见 15.1)。 少 量 的 氢 可 来 自 于 重要 的 胺 代谢 物 , 如 肾上腺 素 、 去 甲 肾上腺 素 与 组 胺 经 胺 氧化 酶 催化 产生 氨 。 也 可 来 自 于 味 叭 与 喀 院 的 降解 〈( 见 15.6), 在 小 肠 内 则 可 来 自 于 谷 氨 酸 的 水 解 。 氨 的 浓度 被 限制 在 很 窄 的 范围 内 , 人 体 血 液 中 正常 的 上 限 值 约 为 70xmolL 1!。 在 极 低 浓 度 情况 下 对 多 数 细胞 有 害 ; 因而 氨 的 去 除 需 要 特异 的 化 学 机 制 。 目前 , 对 于 氨 产 生 毒 性 的 机 制 尚 不 清楚 。 肝 脏 内 的 尿素 循环 使 外 周 血 中 氨 的 浓度 保持 在 约 20xmolL 1。 组 织 中 , 氢 与 铵 离子 是 平衡 的 NH; + H*=NH; 在 7.2 的 生理 PHA E, 9%HRUBFRREE, GRAD SHRA THREE 时 , 非 离子 化 的 氨 便 会 扩散 穿 入 细胞 膜 。 可 以 看 出 , 肝 外 组 织 代谢 而 来 的 氟 中 有 相当 部 分 在 肝 内 被 转化 为 尿素 , 只 有 很 少 的 部 分 第 15 章 ARH . 359 - 以 氨 的 形式 残留 在 组 织 内 。 尤 其 是 小 肠 吸 收 细胞 , 将 氨 释 入 门静脉 ; 在 门静脉 处 氨 的 浓度 可 高 达 0.26mmolL -1, 因 30% 的 尿素 是 在 肝脏 内 合成 的 。 图 15 - 12 是 含 氮 化 合 物流 向 尿素 合 成 场所 肝脏 的 示意 图 。 尿素 合成 尿素 是 在 肝脏 内 通过 一 系列 被 称 为 尿素 循环 (图 15 - 13) 的 反应 而 合成 的 。 其 中 一 个 氮 由 氨 衍 生 , 另 一 个 来 源 于 天 冬 氨 酸 ; 而 碳 则 是 由 CO; 生生 而 来 的 。 尿 素 的 合成 包括 氨 甲 酰 磷酸 的 生成 与 尿素 循环 中 的 四 个 酶 促 反 应 。 一 部 分 反应 在 线粒体 内 进行 , 一 部 分 则 在 细胞 质 中 进行 。 下 面 将 讨论 参与 尿素 合成 的 酶 。 HCO; +NH;j 2ATP 2ADP + Pi NH,COOPO3- Pi SAR 瓜 所 线粒体 细胞 液 SAR 瓜 氨 酸 ATP 尿素 AMP + PPi H,O bt 精 氨 琥 珀 酸 天 冬 氨 酸 延 胡 索 酸 图 1$-13 尿素 循环 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 工 氨 甲 酰 磷 酸 (NH,COOPO, ) 的 形成 是 在 线粒体 基质 中 进行 的 ; NH; + HCO, + 2ATP 一 NH,COOPO; + 2ADP + Pi KY, RAFURETHCABKRABELHAARMARM, RREFORPHRH RS 子 ,HCO;, 则 来 自 于 呼吸 过 程 。 乌 氛 酸 氢 甲 栈 转 移 酶 尿素 循环 的 第 一 个 反应 发 生 在 线粒体 基质 中 , 由 乌 氨 酸 所 甲 酰 转 移 酶 催化 。 (CH )3NH3 rig engi uae pA leo emma | male + Pi COO- COO- L - 鸟 氨 酸 AF BBR MAR 乌 氨 酸 是 赖 氨 酸 的 同系 物 , 乌 氨 酸 与 瓜 氨 酸 都 是 L -氨基 酸 , 二 者 都 不 含 遗 传 密码 子 , + 360 - 生物 化 学 仅见 于 某 些 蛋 白 如 角 蛋 白 中 精 氨 酸 残 基 的 翻译 后 修饰 。 压 氨 酸 脱离 线粒体 的 途径 与 鸟 氢 酸 自 细胞 质 进 入 线粒体 的 转运 系统 相同 。 Pi 15.10 KAMAF 1930 FFKRRFSMEMMP HBS. AFLRLEA HMA 解 产物 。 发 现 尿 素 循环 的 Krebs 证 实 瓜 氨 酸 是 介 于 鸟 氨 酸 与 精 氨 酸 之 间 的 中 间 化 合 物 。 原 素 循环 是 被 发 现 的 第 一 个 代谢 循环 。Krebs 将 其 描述 成 “揭示 了 代谢 过 程 的 结构 新 模式 ”。 精 氨 基 琥 珀 酸 合成 酶 精 氨基 琥珀 酸 合成 酶 (尿素 循环 中 的 第 二 个 酶 ) 与 参与 循环 的 另外 两 个 酶 存在 于 细胞 质 中 。 精 氨基 琥珀 酸 合成 酶 催化 瓜 氨 酸 与 天 冬 氨 酸 缩合 形成 精 氨基 琥珀 酸 。 反 应 需要 !1 分 子 ATP 的 参与 ,ATP 被 水 解 为 AMP 和 PPi。 焦 磷酸 是 该 反应 的 强 抑制 剂 (Ki= 6.2X 10-smolL-1); 但 通常 因 焦 磷酸 酶 将 其 水 解 而 并 不 起 抑制 作用 。 am + 天 冬 氨 酸 + ATP MS 精 氨基 防 珀 酸 + AMP + PPi Petr TT 精 氨基 琥珀 酸 裂解 酶 (参与 尿素 循环 的 第 三 个 酶 ) 可 逆 地 催化 精 氨基 琥珀 酸 有 裂解 为 精 氨 酸 与 延 胡 索 酸 的 反应 。 NH; COO- NH, = a ae fH is Reo 一 一 ia 二 HY (oad 全 COO” ee HC—NH; ee dg 精 氨基 琥珀 酸 i AR AAR 此 反应 可 为 蛋白 质 的 合成 提供 精 氨 酸 。 循 环 中 脱 去 的 精 氨 酸 必须 得 到 补充 , 可 通过 由 谷 氢 酸 合成 乌 氨 酸 来 补充 。 另 一 个 反应 产物 延 胡 索 酸 的 去 向 则 依赖 于 糖 异 生 途 径 对 其 的 需求 状 况 。 兰 机 体 需 要 葡萄 糖 , 那 么 , 延 胡 索 酸 经 细胞 质 中 延 胡 索 酸 酶 和 苹果 酸 脱 氢 酶 的 作用 而 被 转化 为 草 酰 乙酸 , 进 而 再 被 转化 为 磷酸 稀 醇 式 丙酮 酸 与 葡萄 糖 。 者 糖 异 生 途 径 不 需要 延 胡 索 酸 , 它 将 被 转化 为 草 酰 乙酸 , 并 经 天 冬 氨 酸 氨基 转移 酶 的 转 氨 基 作用 而 脱 去 氨基 为 下 二 轮 尿 素 循环 提供 天 冬 氨 酸 。 th BBR 精 氨 酸 酶 , 是 尿素 循环 中 的 第 四 个 酶 , 催 化 精 氢 酸 水 解 为 尿素 和 乌 氨 酸 。 精 氨 酸 + HzO 一 尿素 + SAR 尿素 经 转运 蛋白 的 运载 而 进入 血液 , 随 血液 流 至 肾脏 , 再 经 肾 小 球 滤 过 被 排 入 尿 中 。 尿素 循环 的 各 反应 如 图 15-13 所 示 。 尿素 循环 的 总 反应 式 为 ; 3ATP + NH, + CO + 2H,O0 + 天 冬 氨 酸 — 2ADP + 4Pi + AMP + 延 胡 索 酸 + 尿素 由 于 自 AMP 再 生成 ATP, 需 要 1 分 子 ATP 转化 为 AMP 和 ADP (此 反应 由 腺 苷 酸 激酶 催 化 ), 因 而 每 分 子 尿 素 的 合成 中 有 4 分 子 ATP 被 水 解 。 Sa i i ee i ee eae > %..2f oes eee —~_ _—/_y pil CP! 第 15 章 ” 氮 代谢 问题 : 尿素 循环 为 何 是 分 室 进行 的 ? 主要 原因 可 能 是 为 了 保持 系统 内 的 低 延 胡 索 酸 浓度 , 因 为 延 胡 索 酸 (SHAR) 可 抑制 精 氨基 琥珀 酸 裂 解 酶 的 活性 。 而 此 酶 存在 于 细胞 质 中 ; 因而 不 会 被 柠檬 酸 循环 中 高 浓度 的 延 胡 索 酸 所 抑制 , 因 该 延 胡 索 酸 在 线粒体 内 。 15.6 喀 啶 与 味 哗 代谢 核 苷 酸 的 合成 极为 重要 , 不 仅仅 因为 核酸 在 蛋白 质 合成 及 遗传 信息 的 储存 方面 有 至 关 重 要 的 作用 , 还 因为 核 苷 酸 如 FAD、NAD(P)H\CoASH、cAMP 与 UDP -葡萄 糖 在 代谢 中 也 有 作用 。 喀 啶 核 苷 酸 的 生物 合成 Ws Boe Sh ee EH Sa. FH BE AR A KR AR 生 而 来 的 , 如 图 15-14 Pra. A 15-15 ™ 》 天 冬 氨 酸 示意 了 喀 啶 核 苷 酸 的 从 头 合成 途径 。 形 成 第 一 个 完整 喀 啶 环 的 化 合 物 是 二 氢 乳 清 酸 。 其 被 氧化 为 乳 清 酸 后 才 可 连接 上 核 糖 , 产 生 乳 清 核 苷 酸 。 化 合 物 5 -磷酸 核 3. 糖 - 1 - 焦 磷 酸 (P-Rib-PP) 提供 了 磷酸 核 Be EA AAA PRRRS KB II 与 CTP 合成 酶 催化 的 反应 1 和 9 中 ,L - 谷 0, POCH, 氨 酰 胺 作为 提供 氮 原 子 的 底 物 ; ATA O 基 酸 ,L -天 冬 氢 酸 是 由 天 冬 氢 酸 氨 甲 酰 转移 酶 催化 的 反应 2 的 底 物 。P-Rib-PP 是 HO OH 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 II 的 激活 剂 , 也 是 由 乳 清 酸 磷酸 核糖 转移 酶 催化 的 反应 5 的 底 BS ee ae 物 。 喀 喧 合成 途径 能 够 中 的 终 产 物 UTP 是 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 I 的 有 效 抑 制剂 , 而 其 底 物 和 ATP 则 可 激活 此 酶 。 相 对 于 合成 途径 (图 15 - 15) 中 催化 后 续 反 应 的 酶 , 氨 甲 酰 磷 酸 合 成 酶 II 的 活性 较 低 , 在 正常 条 件 下 , 从 头 合成 途径 中 的 通 量 受 胞 内 P-Rib-PP、UTP 和 ATP 水 平 的 调节 ; 即 氨 甲 酰 磷 酸 合成 酶 II 催化 合成 途径 中 的 通 量 控制 步骤 ( 见 10.5)。 喀 喧 核 苷 酸 的 从 头 生物 合成 途径 中 有 两 个 多 功能 蛋白 。 一 个 是 称 为 二 氢 乳 清 酸 合成 酶 (CAD, 三 个 酶 促 反应 的 第 一 个 字母 的 组 合 ) 的 三 功能 蛋白 , 能 够 催化 合成 途径 中 的 反应 1、 2 #13 (HCO, 一 CAP 一 CA-asp 一 DHO; 见 图 1$-15)。 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 、 天 冬 氢 酸 氢 甲 酰 转 移 酶 与 二 氢 乳 清 酸 酶 的 活性 包含 于 分 子 量 为 243KDa 的 多 肽 单 链 的 独立 的 球形 结构 域 中 , 此 结构 域 可 与 易 被 蛋白 酶 如 胰 蛋 白 酶 水 解 消 化 的 多 肽 链 片段 共 价 结 合 。 另 一 个 是 双 功 能 酶 ,UMP 合成 酶 , 可 催化 喀 啶 合成 途径 中 的 反应 5 和 6 ( 乳 清 酸 一 OMP 一 UMP; 见 图 15 - 15$)。 两 个 酶 , 乳 清 酸 磷酸 核糖 转移 酶 和 OMP 脱羧 酶 , 包 含 于 分 子 质 量 为 S1.5kDa 的 二 聚 AEA. 二 氧 乳 清 酸 脱 氢 酶 , 是 催化 二 氢 乳 清 酸 脱 氢 为 乳 清 酸 (合成 途径 中 的 反应 4; WA 15- 15) 的 酶 , 存 在 于 线粒体 内 膜 的 外 侧 。 此 酶 以 FAD 为 辅 基 , 并 在 哺乳 动物 的 电子 传递 中 被 转移 给 泛 柄 。 喀 啶 从 头 合成 途径 是 分 室 进 行 的 ; 由 三 功能 的 DHO 合成 酶 于 细胞 质 中 合成 的 二 氢 乳 清 酸 必须 穿 入 线粒体 外 膜 , 被 氧化 为 乳 清 酸 , 再 穿 回 细胞 质 中 , 成 为 双 功 能 UMP 合 成 酶 的 底 物 。 哺 乳 动 物 细 胞 包含 两 种 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 : 为 CAD 一 部 分 的 谷 氨 酰 胺 依赖 的 酶 〈(CPSaseII), 及 存在 于 线粒体 基质 中 的 被 用 于 合成 尿素 与 精 氨 酸 的 氨 依 赖 的 酶 (CPSa- ee - 361" “ 362° 生物 .化 学 O 2ADP+ Pi Pi 0 oO HN 2ATP Hat oN is (De pile 四 a Oo HCO} 1 - © O P R CAP Asp H Gin Glu CA 二 本 3 NH> HzO ATP ——ADP+Pi O HN UTP | 9 ey in ADP O N 可 gin Glu | O N P-P-P-Rib _ H ATP ane DHO oOo UDP CoQ ADP 4 7 CoQH> ATP fe) CO, PPi P-Rib-PP SD ee oe 证 O we oO O N O N O N | H P-Rib oO UMP OMP OH OH 图 15-15 MMO MLEMA MIRE. CAP, A PRBM; CA-asp,N - 氨 甲 酰 - 工 -天 冬 氨 酸 ; DHO,L -二 氢 乳 清 酸 ; Oro, AHR; OMP,5“- 磷 酸 乳 清 酸 核 苷 ; 催化 反应 的 酶 为 : 1. ARR RAMI; 2. 天 冬 氨 酸 氨 甲 酰 转 移 酶 ; 3. 二 氢 乳 清 酸 酶 ; 4. 二 氢 乳 清 酸 脱 氢 酶 ; 5. ARH 酸 核糖 转移 酶 ; 6.OMP 脱羧 酶 ; 7. 核 苷 一 磷酸 激酶 ; 8. 核 苷 二 磷酸 激酶 ; 9.CTP ARM seI) 。 在 适当 的 条 件 下 〈 如 高 氨 血 症 ), 由 CPSase I HN FRAABERA A aS 酸 可 进入 胞 质 中 参与 喀 啶 的 生物 合成 。 Pi 15.11 ta BIE. coli 中 , 喀 啶 从头 生物 合成 途径 (LA 15-15) 的 前 六 个 反应 是 由 六 个 不 同 的 酶 俊 化 的 , 但 在 高 等 动物 中 , 反 应 1、2 和 3 却 是 由 一 个 三 功能 酶 所 催化 的 , 反 应 5 和 6 是 由 一 个 双 功 能 酶 俊 化 的 。 那 么 , 如 此 将 不 同 的 活性 位 点 联合 于 同一 酶 中 有 何 优越 性 ? REL GP MRP RAR (CAP) 对 二 和 氢 乳 清 酸 合成 酶 极 不 稳定 , 并 迅速 被 比 氨 四 栈 研 酸 合 成 酶 活性 高 $S0 倍 (对 于 每 一 活性 位 点 ) 的 天 冬 氨 酸 氨 甲 栈 转 移 酶 所 转化 。 高 水 平 的 氨 第 15 章 Art 甲 酰 天 入 和 氨 酸 (CA-asp) 有 毒性 , 但 此 中 间 体 可 被 高 活性 的 二 和 氢 乳 清 酸 酶 所 消耗 。 因 前 三 个 反应 是 由 单一 的 多 功能 蛋白 催化 的 , 在 生长 条 件 下 , 这 三 个 酶 的 活性 位 以 恒定 的 比率 表达 , 以 保持 低 水 平 的 CAP 和 CA-asp。 对 于 UMP 合成 酶 , 其 中 的 OMP 脱羧 酶 的 活性 (每 一 活性 位 点 ) i ZF ILARAR BEBE BS, RAIA OMP 中 间 体 的 水 平 较 低 , (高 等 动物 细 胞 内 的 ) OMP 亦 可 进行 其 他 的 酶 解 反应 。 Gin Re. P-O NHy stages npr vd fern ae ATP AMP meen ADP+P, | OH OH Rib-5-P P-Rib-PP 10-CHO-THF 3 THF ARR sis inde Rib-P < 14 ATP oO Gin ATP 5 H,0 DP+P O NH * LY» sAMP | = ay | S XMP HN I! Rib-P a P Rib-P HCO, 6 GDP+*Pi 77 13 NADH oO MN H2N IMP i Rib-P Rib-P ATP Asp 7 ADP+Pi Ll ite Ama. N op 10- ee THF HeN \ 9 N Rib-P | FAICAR AICAR SAICAR “Rib-P 图 1$S-16 嗓 叭 的 从 头 生 物 合成 途径 。Rib-5-P, 5 -磷酸 核糖 ; P-Rib-PP, 5 -磷酸 核糖 1 - 焦 磷 酸 ; PRA, 5 -磷酸 核糖 胺 ;10-CHO-FH4, N'°- A RED A+R; GAR, 甘 氢 酰胺 核 苷 酸 ;FGAR, N - 甲 酰 甘 氨 BRK HB; FGAM, N -FRH AGH; AIR, 5 -氨基 咪唑 核 苷 酸 ;CAIR, 4 -羧基 - 5 -氨基 咪唑 核 苷 酸 ;SAICAR, N -琥珀 酸 - 5 -氨基 咪唑 - 4 - 甲 酰 胺 核 苷 酸 ;AICAR, 5 -A AK - 4 - 甲 酰胺 核 苷 酸 ; FAICAR, 5 - 甲 酰 胺 -4 - 氨 甲 酰 咪 唑 核 苷 酸 ;sAMP, N -琥珀 酸 - AMP。 酶 :1. 酰 氨 磷 酸 核糖 转移 酶 ; 2.GAR 合成 酶 ;3.GAR 转 甲 酰 酶 ;4.FGAM 合成 酶 ;5.AIR 合成 酶 ;6.AIR 羧 化 酶 ;7.SAICAR 合成 酶 ;8. 腺 苷 酸 琥珀 酸 酶 ;9.AICAR 转 甲 酰 酶 ;10.IMP 环 水 解 酶 ;11.sAMP 合成 酶 ;12. 腺 苷 酸 琥珀 酸 酶 ;13.IMP 脱氧 酶 ;14.GMP 合成 酶 . 364 , 生物 化 学 嘲 叭 核 苷 酸 的 生物 合成 味 叭 环 的 合成 要 比 喀 啶 环 的 合成 复杂 。 自 PRib-PP 起 , 肌 苷 酸 (IMP) 的 形成 需 经 过 10 个 步骤 (图 15 -16)。 总 反应 为 : P-Rib-PP + 2Gln + 2Gly + 2, 10- 甲 酰 -THF + HCO, + Asp + 4ATP —IMP + 2Glu + 2THF + 延 胡 索 酸 + 4ADP + PPi 味 叭 核 苷 酸 从 头 生物 合成 途径 的 详细 过 程 如 图 15 - 16 所 示 。 分 别 由 酰 氢 基础 酸 核 糖 转 移 酶 、FGAM 合成 酶 与 GMP 合成 酶 催化 的 反应 1、4 及 14 的 底 物 是 工 - 谷 氨 酰 腕 ,L - 谷 氢 酰胺 为 上 述 反应 提供 了 氮 原 子 。 甘 氢 酸 是 反应 2 的 底 物 ,L -天 冬 氢 酸 是 反应 7 与 11 的 底 物 。P-Rib-PP 是 酰 氨基 础 酸 核糖 转移 酶 的 底 物 和 活化 剂 , 此 酶 可 被 AMP. IMP, GMP 及 二 氢 叶 酸 的 聚 谷 氨 酰 胺 衍生 物 所 抑制 。 酰 氨基 础 酸 核糖 转移 酶 (P-Rib-PP 一 PRA) 的 活性 较 低 , 其 在 体内 味 叭 核 背 酸 从 头 合成 途径 中 的 量 受 反应 终 产物 AMP、IMP 及 GMP 的 调控 。 反 应 1 被 二 氢 叶 酸 聚 谷 氨 酰 胺 抑制 后 即 相 当 于 发 出 了 缺乏 N1l0- 甲 酰 四 氢 叶 酸 的 信号 , 而 N1- 甲 酰 四 氢 叶 酸 是 合成 途径 中 反应 3 和 9 的 底 物 。 味 叭 合成 途径 在 分 支点 IMP 处 受到 进一步 调节 ; XMP 是 IMP 环 水 解 酶 (FAICAR>IMP) 的 有 效 抑制 剂 ,AMP 可 抑制 腺 苷 酸 琥珀 酸 合成 酶 (IMP 一 SAMP),GMP 抑制 IMP 脱 氢 酶 (IMP 一 XMP)。 合成 途径 中 有 四 种 多 功能 酶 : 一 个 是 包含 GAR 合成 酶 、GAR 转 甲 酰 酶 和 AIR 合成 酶 的 三 功能 酶 , 此 三 种 酶 分 别 催化 反应 2、3 和 5 (PRA~@GAR—FGAR, FGAM—AIR; 见 图 15-16)。 以 糜 蛋 白 酶 消化 处 理 此 三 功能 酶 即 可 将 GAR 合成 酶 与 GAR 转 甲 酰 酶 的 结构 域 分 开 。 另 一 个 是 包含 AIR 羧 化 酶 和 SAICAR 合成 酶 的 双 功 能 酶 , 该 两 种 酶 分 别 催化 味 叭 合成 途径 的 反应 6 和 7 (AIR 一 CAIR 一 SAICAR; 见 图 15 -16)。 第 二 个 多 功能 酶 是 IMP 合成 酶 , 其 中 包含 分 别 催化 反应 9 和 10 的 AICAR 转 甲 酰 酶 和 IMP 环 水 解 酶 (AICAR 一 FAICAR 一 IMP; 见 图 15$-16)。 人 类 的 IMP 合成 酶 含有 一 个 分 子 质量 为 62.1kDa 的 亚 基 , 两 个 亚 基 聚 合 为 二 聚 体 。 另 一 个 三 功能 酶 ,Ci-THF ARM, AAN*, N?- 亚 甲 四 氢 叶 酸 (5$, 10 -CH2- 昌 THF) 脱 氢 酶 、N5, NI- 甲 川 四 氢 叶 酸 ($, 10 -CH-THF) 环 水 解 酶 和 NI- 甲 酰 四 氢 叶 酸 (10-CHO-THF) 合成 酶 , 此 三 种 酶 分 别 催化 反应 5, 10 -CH-THF 一 5, 10-CHTHF 一 10- — CHO-THF, 和 THF 一 10-CHO-THF。 产 生 的 NI- 甲 酰 四 氢 叶 酸 是 催化 反应 3 和 9 的 GAR 与 AICAR 转 甲 酰 酶 的 底 物 (图 15 - 16)。 高 等 真 核 生 物 中 , 脱 氢 酶 与 环 水 解 酶 活性 位 点 位 于 蛋 白 的 同一 结构 域内 , 此 结构 域 融 合 于 一 个 大 的 合成 酶 的 结构 域 中 , 形 成 三 功能 酶 。 \ 第 五 个 双 功 能 酶 , 腺 苷 酸 琥珀 酸 裂解 酶 催化 味 吟 合成 途径 中 的 反应 8 和 12 (B15- 16), 它 只 有 一 个 活性 位 点 , 却 有 双重 特异 性 , 能 够 催化 两 个 反应 (SAICAR 一 AICAR, sSAMP 一 AMP; 见 图 15-16)。 图 15 -16 所 示 的 所 有 14 种 酶 都 存在 于 细胞 质 中 , 并 有 证 据 显示 体内 有 这 些 酶 的 亚 型 缔 合 体 。 有 人 提出 , 对 于 完整 细胞 内 进行 的 味 叭 的 从 头 生 物 合成 , 存在 “途径 颗粒 ”或 “代谢 区 室 ” 现 象 。 Pi 15.12 AREF LR, MTA 14 BA rE Ae RIE (图 15-16), 及 另 4 种 酶 参 与 的 NI- 甲酸 四 所 叶酸 的 合成 , 有 “代谢 区 室 ” 存 在 。 进化 过 程 中 酶 催化 位 引 合 的 优越 性 可 能 有 :, (a) 不 稳定 中 间 化 合 物 通路 , 如 在 扩散 出 代谢 区 室 之 前 合成 途径 中 相 邻 酶 之 间 的 磷酸 核 糖 胺 (PRA); (b) 结合 在 单一 调节 位 的 效应 剂 可 引起 代谢 区 室内 多 种 酶 的 协同 调节 ; (c) 表达 于 单一 蛋白 内 的 多 个 酶 活 的 同步 表达 , 在 任何 生长 条 件 下 各 个 酶 的 催化 活性 都 保持 恒定 的 比率 (to = A FL HRS AB) Rise A 脱氧 核糖 核 苷 酸 的 合成 DNA 的 合成 依赖 于 脱氧 核糖 核 苷 酸 的 供给 。 反 应 底 物 为 二 磷酸 核糖 核 背 ADP. GDP. CDP 和 UDP; 将 这 些 底 物 还 原 为 相应 脱氧 衍生 物 的 酶 是 以 硫 氧 还 蛋白 为 共 底 物 的 核糖 核 间 酸 还 原 酶 。 — SHI 15.13 RAEZEGADTARMEA 12000DaAV FOR, Tithe FRAMALAKMEMM *7ReAREFT; 氧化 形 的 破 氧 还 蛋白 可 被 NADPH ER: *0,PO Ke 硫 氧 还 蛋白 NADP” SH SH —, *0;PO Adi, 硫 氧 还 蛋白 NADPH+H* SS \ H Sito, SABLA (dADP) 的 合成 总 反应 式 为 ADP + NADPH + H*-— dADP + NADP* + HO = FBR BL FAKE TT 4K ATP PT BRL. Spi 15.14 AAR FE Ey LAP LAE AEE FPR AAPM RGR 4017 BNI 447 核糖 核 苷 酸 还 原 酶 包含 两 个 众 化 位 点 、 两 个 调节 位 点 和 两 个 专 一 性 位 点 。 催 化 位 点 结合 底 物 , 破 氧 还 蛋白 (被 NADPH + HER) SRFA-~RR, ATP 作为 激活 剂 与 作为 抑制 剂 的 dCTP 竞争 与 变 构 调节 位 点 的 结合 。 专 一 性 位 点 可 结合 dGTP, dTTP 和 dATP, 不 能 结合 dCTP, 此 位 点 能 够 调节 核糖 核 音 酸 还 原 酶 对 四 种 NDP 底 物 的 选择 性 活性 以 使 四 种 dNTP 池 保持 平衡 。 合成 DNA 的 细胞 也 必须 能 够 合成 三 磷酸 脱氧 胸腺 喀 啶 (dTTP)。dTTP 合成 的 关键 是 在 胸 苷 酸 合成 酶 的 作用 下 dUMP 转化 为 dTMP 的 过 程 。 此 反应 需要 N*,NI- 亚 甲 四 氧 叶酸 ( 见 15.7, 图 15 - 19) 提供 甲 基 。 四 氢 叶 酸 被 氧化 为 二 所 叶酸 。 二 氢 叶 酸 须 在 二 氢 叶 酸 还 原 酶 的 作用 下 被 还 原 为 四 氨 叶 酸 , 才 能 使 丝氨酸 羟 甲 基 转 移 酶 催化 的 反应 不 断 由 丝氨酸 产生 N°, NI0- 亚 甲 四 氧 叶 酸 。dTMP 生成 过 程 中 的 三 个 基本 反应 如 下 所 示 。 ~a 4 胸 苷 酸 合成 酶 DR 5,10-CH,-THF DHF NADPH+H* =H PRE Jin THF NADP* + 366° 生物 化 学 核 苷 酸 结 抗 物 作为 抗 癌 药 物 为 了 生长 与 分 裂 , 瘤 细胞 必须 能 够 复制 由 $ -磷酸 脱氧 核 苷 特异 聚合 而 组 成 的 染色 体 。 癌 细 胞 与 体内 正常 细胞 的 不 同 之 处 在 于 其 生长 迅速 和 (或 ) 连续 不 断 地 循环 与 分 裂 。 核 苷 酸 合成 的 抑制 剂 对 癌 细 胞 有 选择 性 毒性 , 因 其 可 引起 胞 内 DNA 合成 所 需 的 dNTP 缺失 或 失 i, TORE AY DNA 的 合成 比 正 常 细胞 更 显著 。 以 药物 (如 5 - 氟 尿 喀 啶 ) 处 理 瘤 细 胞 引起 的 四 种 dNTP 中 某 一 种 (如 dTTP) 的 选择 性 缺失 可 抑制 癌 细 胞 内 DNA 的 合成 , 随 之 细胞 死亡 。 若 并 不 缺乏 dTTP, 而 是 dTTP 的 量 减 少 , 那 么 , 胞 内 dNTP 池 的 失衡 则 会 导致 遗传 密码 编码 错误 , 继 而 产生 致命 突变 体 。 O SH ‘a F N an | Bee bcos i P 》 ae ll AN oO N N 和 站 5- 氟 尿 喀 这 BR 6- REM 图 15-17 可 抑制 核 苷 酸 生 物 合成 的 四 种 抗 癌 药 物 的 化 学 结构 四 种 常用 抗 癌 药 物 的 化 学 结构 如 图 15 - 17 所 示 。 氨 甲 蝶 叭 是 于 1949 年 合成 的 第 一 个 “真正 ”的 抗 瘤 药物 , 自 20 世纪 50 年 代 早 期 就 已 用 于 临床 治疗 各 种 癌症 。 氨 甲 蝶 叭 是 二 氢 叶酸 还 原 酶 的 有 效 抑制 剂 , 其 与 酶 反应 的 抑制 常数 为 10 ?molL。 胞 内 二 氧 叶酸 还 原 酶 被 抑 制 后 , 导 致 二 氢 叶 酸 大 量 蕾 积 , 可 达 2.5umoML, 四 和 氢 叶 酸 量 则 减少 。 由 于 经 氨 甲 蝶 叭 处 理 的 细胞 释 出 了 一 定量 的 四 和 氧 叶酸 , 因 而 上 述 抑 制 后 ,THF 量 的 减少 并 不 显著 。 高 水 平 的 DHF 对 细胞 有 毒性 , 阻 断 胸 苷 酸 合成 酶 催化 的 反应 , dUMP + 5,10-CH -THF 一 dTMP + DHF SRA PRTase 催化 的 味 叭 从 头 生物 合成 的 第 一 个 反应 P-Rib-PP + L - 谷 氨 酰 胺 一 PRA + L-@AMR + PPi 以 氨 甲 蝶 叭 处 理 的 白血病 细胞 中 ,dTTP KOE RK, tha RES A ABER PRTase 的 受 抑 制 而 引起 的 dATP 与 dGTP 水 平 的 明显 下 降 。 继 而 , 核 苷 酸 池 的 失衡 导致 遗传 密码 错 编 , 细 胞 死亡 。 Pi 15.15 RP ES RAL A MSF” ZEHREMHRAEAM, MEER, Mea 7 eit BAYH Ht RP HES FA, (a) 编码 靶 酶 , 二 和 所 叶酸 还 原 酶 的 基因 扩 增 。 (b) 转运 氨 甲 蝶 叭 进 入 细胞 的 叶酸 载体 突变 。 (c) 二 乞 叶 酸 还 原 酶 突变 , 使 此 酶 与 底 物 二 和 氢 叶 酸 结合 , 而 与 氨 甲 蝶 叭 的 结合 较 弱 。 (d) 叶 酰 聚 谷 氨 酰 合 成 酶 失 活 ; 此 酶 可 在 氨 甲 蝶 叭 结构 上 添加 一 个 聚 谷 氨 栈 基 之 尾 , 以 使 其 能 够 保留 在 癌 细 胞 内 。 Hise ARH 在 被 给 予 单 一 药物 治疗 (APH) HREZAAATRARAP HREM, CAM 药性 冶 连 复发 后 症状 会 逐渐 消失 。 5 - 氟 尿 喀 喧 也 是 一 种 非常 有 效 的 抗 癌 药 物 , 其 被 细胞 吸收 与 代谢 的 过 程 如 下 : FU 一 FUMP 一 -FUDP 一 FUTP FdUDP 一 FdUTP | FdUMP FU 作用 的 基本 机 制 是 通过 $ - 氟 脱 氧 UMP (FdUMP) 抑制 胸 苷 酸 合成 酶 (d UMP dTMP) 的 活性 。FdUMP 结合 到 带 有 另 一 底 物 $, 10 -CEH2-THF 的 腺 苷 酸 合成 酶 上 , 生 成 紧 密 的 三 元 络 合 物 。 处 于 酶 活性 位 点 的 半 胱 氨 酸 残 基 攻 击 其 自然 底 物 ,dUMP, 形 成 过 度 共 价 键 。 但 此 键 因 FdUMP 喀 啶 环 (图 15-17) 上 5 - 氟 基 团 的 存在 而 不 能 断裂 。 故 , 胸 苷 酸 合 成 酶 因此 致命 抑制 剂 而 永久 失 活 , 随 之 胞 内 dTMP、dTTP 耗 尽 。5 - 氟 尿 喀 喧 也 可 通过 另外 两 种 机 制 杀 灭 癌 细 胞 。 胞 内 蓄积 的 FUTP 能 够 整合 到 RNA 上 , 导 致 遗 传 密码 错 编 , 或 FdUTP 整合 到 DNA 上 ; 亦 可 引起 致命 突变 。 羟基 脲 是 可 抑制 核糖 核 苷 酸 还 原 酶 活性 的 一 类 简单 化 合 物 (图 15 - 17)。 此 酶 可 接纳 四 种 底 物 NDPs, 即 UDP. CDP, ADP 和 GDP, 并 将 它们 还 原 为 相应 的 dNDP。 催 化 过 程 包括 非 正 常 的 酷 氨 酰 阳离子 自由 基 的 形成 与 随后 引发 的 NDP 底 物 自由 基 的 形成 。 羟 基 脲 镁 灭 了 酷 氨 酰 阳离子 自由 基 , 导 致 作为 DNA 合成 底 物 的 四 种 dNTP 耗 尽 。 6 izes (图 15$ -17) 是 诺 贝 尔 奖 获得 者 Gertrude Elion 和 George Hitchings 发 现 的 多 种 药物 中 的 一 种 。 五 十 年 代 早 期 就 已 被 合成 , 并 作为 有 效 的 抗 癌 药 物 。 与 5 - 氟 屎 喀 喧 相 似 ,6 -一 基 顺 叭 也 有 多 种 依赖 于 细胞 类 型 不 同 而 不 同 的 毒性 机 制 。6 SRE REY EA 内 , 其 代谢 途径 如 下 : MP 一 MPMP 一 MP-DP 一 MP-TP | MXMP | MGMP 一 MGDP MdGDP -* MdGTP 此 途径 中 生成 的 6 SLAG 5’- BEM (MP-MP) BA PRTase 的 有 效 抑制 剂 , 因 和 而 , 味 叭 的 从 头 生 物 合成 (图 15 - 16) 被 阻 断 。6 HSS wa RA A DNA, 引 起 遗传 密码 错 编 。 核 苷 酸 的 补救 合成 喀 院 与 味 吟 , 尤 其 是 味 叭 的 从 头 合成 , 是 相当 耗 能 的 , 因 此 , 由 核酸 的 降解 , 特 别 是 RNA 的 降解 而 产生 的 味 哈 和 喀 啶 的 大 部 分 (80% ) 将 被 再 利用 。 人 体 细 胞 包含 三 种 磷酸 核 糖 转移 酶 (PRTsae), 分 别 为 腺 味 叭 -、 次 黄 味 叭 - 鸟 味 哈 -和 乳 清 酸 - ( 尿 喀 啶 ) PRTase; 此 三 种 酶 可 将 予 成 的 核 碱 基 转 化 为 等 量 的 $ -磷酸 核 苷 酸 (NMP): 核 碱 基 + P-Rib-PP 一 NMP + PPi P-Rib-PP 是 5 -磷酸 核糖 (Rib-5-P) 的 活化 形式 。 此 反应 的 平衡 虽 倾 向 于 核 碱 基 + P- Rib-PP 的 方向 , 但 所 生成 的 焦 磷 酸 可 被 焦 磷 酸 酶 水 解 为 磷酸 , 因 而 NMP 能 够 由 相应 的 核 碱 基 而 产生 。 当 PRTase 在 利用 胞 内 核 碱 基 时 , 血 液 中 的 核 苷 如 腺 苷 和 尿 苷 的 浓度 却 比 其 相应 的 核 碱 基 腺 叶 哈 和 尿 喀 啶 的 高 得 多 (一 lumolL 1)。 事 实 上 , 脑 可 通过 补救 合成 由 肝脏 产生 并 释 入 * 368 - 生物 化 学 循环 的 尿 苷 而 合成 喀 啶 核 苷 酸 (UTP 和 CTP)。 人 体 细胞 至 少 包含 三 种 类 型 非特 异 的 核 背 转 运 体 , 核 苷 的 内 在 化 比 核 碱 基 要 快 得 多 。 在 胞 内 , 一 旦 核 苷 被 转化 为 相应 的 NMP, 腺 苷 由 腺 苷 激酶 催化 , 尿 苷 则 由 尿 苷 激酶 催化 : 核 苷 + ATP 一 NMP + ADP 那么 , 无 论 是 由 PRTase 还 是 激酶 催化 的 反应 而 补救 的 NMP 将 被 转化 为 5 -三 磷酸 核 苷 (NTP): NMP 一 NDP 一 NTP Hi 15.16 RELRAH, AAAFAM EME, FHKRARMRE KR, RH-LFROCEEARZK oe 2, vB ob BER AK HE 4S GE (HG-PRTase)。 先 天 性 此 疾患 的 儿童 智力 迟钝 并 有 自 或 倾 向 。 病 儿 体 内 因 产 生 过 量 嗓 叭 而 引起 P-Rib-PP 的 积聚 ,P-Rib-PP 又 可 刺激 合成 途径 中 第 一 个 酶 , 酰 氨 PRTase 的 活性 (图 15-16)。 过 剩 的 嗓 叭 经 下 列 反应 而 降解 Wak 一 WA 一 次 黄 嗓 叭 一 REFS 一 尿酸 菜 施 - 尼 罕 综合 症 患 者 也 可 能 患 有 痛风 , 固体 内 尿酸 的 著 积 而 引起 尿酸 钠 昌 体 于 肾脏 和 关节 部 位 沉积 。 然 而 , 痛 风 一 般 是 因 肾 腑 不 分 涛 尿酸 而 造成 的 , 或 者 是 由 其 他 因素 并 非 PRTase 缺乏 引起 的 P-Rib-PP 的 著 积 而 造成 的 。 核酸 降解 核酸 的 降解 过 程 与 蛋白 质 的 降解 过 程 有 很 多 相似 之 处 。 辜 食 和 内 源 性 核酸 的 水 解 都 可 产 生 核 苷 酸 。 内 源 性 (HA) 的 多 核 苷 酸 可 被 溶 酶 体 所 分 解 。 正 常情 况 下 ,DNA 不 能 被 快速 转换 , 除 非 是 细胞 死亡 或 在 DNA 修复 过 程 中 。RNA 则 能 够 以 与 蛋白 质 相似 的 途径 被 转换 5 核酸 酶 有 两 种 , 脱 氧 核糖 核酸 酶 和 核糖 核酸 酶 , 可 分 别 水 解 DNA 与 RNA ee 2 KPH SRHR (15-18), RAB RES ee. 大 部 分 能 够 水 解 膳食 DNA 和 RNA 的 酶 于 消化 道内 被 分 记 出 。 因此 , 小 肠 肠 腔 内 有 核 糖 核酸 酶 存在 , 而 磷酸 二 酯 酶 与 核 苷 酸 酶 则 出 现 于 粘膜 细胞 内 。 DNA RNA 脱氧 核糖 核酸 酶 8 ”核糖 核酸 酶 多 核 苷 酸 磷酸 二 酯 酶 3' 或 5- 核 苷 酸 核 苷 磷酸 化 酶 _ BE wg an 1- 磷酸 核糖 15-18 DNA fll RNA 7K fy end © ee Oo} ose or Hy Be AF 超出 胞 内 需求 的 味 叭 和 喀 啶 可 被 降解 。 降 解 程度 因 物 种 的 不 同 而 有 所 区 别 。 人 类 因 缺 少 尿酸 酶 而 不 能 将 味 叭 降解 为 尿酸 , 尿 酸 酶 可 打开 味 吟 环 生成 尿 囊 素 。 经 特异 脱 氨 酶 的 作用 , a a ee ee Hise ARH - 369 - 人 体内 过 量 的 AMP 可 脱 去 氨基 成 为 IMP。IMP RR SRE RK PEL. LSS 味 叭 氧化 为 尿酸 的 过 程 如 下 : wit ——~ veep ——_~ hing —_- orp rein Bete uM BURN PEDAL BE 氧化 酶 氧化 酶 岛 味 叭 脱 氨 本 岛 味 叭 因此 , 因 缺乏 尿酸 酶 , 我 们 每 日 仅 能 分 沁 很 少量 的 尿酸 。 肝 脏 每 天 约 合成 0.8g 的 尿酸 , 但 只 有 20% 二 50% 进 入 消化 道 于 胃液 和 胆汁 中 , 并 被 微生物 所 降解 。 对 于 某 些 动物 〈 排 尿酸 动物 , 如 鸟 类 ), 尿 酸 是 其 排出 多 余 氮 的 形式 。 除 非 像 人 类 一 样 缺乏 尿酸 酶 以 外 , 非 排尿 酸 生物 体 可 将 味 叭 降解 为 尿素 、 氢 和 二 氧化 碳 。 喀 啶 也 可 被 降解 为 尿素 与 氨 。 15.7 ”一 碳化 合 物 的 代谢 叶酸 的 衍生 物 以 上 所 描述 的 很 多 过 程 都 利用 到 了 四 氢 叶 酸 的 一 碳 衍 生物 (815-19). Pm, eH 的 合成 就 需要 NI- 甲 酰 四 氢 叶 酸 的 参与 。 胸 苷 酸 合成 酶 , 喀 啶 合成 中 的 关键 酶 , 将 N>, Ni0- 亚 甲 四 氧 叶酸 既 当 作 底 物 , 又 当 作 还 原 剂 。 此 化 合 物 ,C 代谢 中 最 重要 的 化 合 物 , 还 与 丝氨酸 、 甘 氨 酸 的 相互 转化 相关 。 所 有 Ci 化 合 物 都 是 5,6,7,8 -四 氧 叶酸 的 本 生物 , 5$,6,7,8 -四 氧 叶酸 是 维生素 叶酸 的 还 原形 式 。 O “(he N 5 6 10 H < ase N Se CH COO” SS NARA PR RSs ae, 蝶 酸 谷 氨 酸 图 15$-19 四 氢 叶 酸 四 氧 叶 酸 的 蝶 酸 部 分 由 还 原形 蝶 啶 环 与 pp -氨基 共 甲酸 组 成 。 腾 食 中 的 叶酸 被 肠 粘 膜 吸 收 , 并 经 两 个 酶 促 反应 而 被 还 原 为 四 氧 叶酸 , 四 和 氢 叶酸 是 辅酶 的 活性 形式 。 哺 乳 动 物 不 能 合 成 叶酸 , 但 其 肠 道 微生物 能 够 轻易 合成 叶酸 。 叶酸 还 原 为 四 氧 叶酸 的 两 个 步骤 是 由 二 氢 叶 酸 还 原 酶 催化 的 。 这 两 个 反应 都 需要 NADPH 提供 电子 。 H N N fi 六 SS he al N . n~ N H ae A 叶酸 四 气 叶 酸 为 了 搞 清 楚 与 四 氢 叶 酸 相 关 的 反应 的 复杂 性 , 首 先 要 了 解 , 在 生物 体系 中 , 一 碳化 合 物 能 够 以 五 种 不 同 的 氧化 态 形式 存在 。 最 高 还 原 态 为 甲烷 CH, Rm Ak COL. MPRA + .39 。 生物 化 学 间 的 为 甲醇 《CH3OH)、 甲 醛 (CHO) 和 甲酸 (HCOO ). 问题 : 所 有 上 述 的 一 碳化 合 物 都 参与 “C1 代谢 ” 吗 ? 甲烷 和 二 氧化 碳 不 参与 。 甲 烷 是 许多 微生物 的 无 氧 代谢 终 产物 , 二 氧化 碳 〈 用 于 羧 化 反应 ) WAS 生物 素 的 酶 所 调控 。 # 15.4 列 出 了 四 氢 叶 酸 衍生 物 所 带 的 各 种 一 碳 基 团 。 这 些 一 碳 基 团 可 在 5 或 10 位 置 (图 15- 19) 与 N 原子 连接 , 或 于 二 者 之 间 搭 桥 。 哺 乳 动物 体内 ,Ns - 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 可 由 亚 甲 基 - THF 还 原 酶 催化 的 不 可 逆反 应 而 形成 ; 其 他 的 _THF 衍生 物 则 可 通过 一 系列 的 氧化 -还 原 反 应 和 水 合 -去 水 合 反应 而 相互 转化 : 表 15.4 四 氢 叶 酸 (THF) 衍生 物 所 带 基 团 THF 衍生 物 —CH; N° - 甲 基 - THF 一 CHOH N5,NI0- 亚 甲 基 -THF —CHO N - 甲 酰 -THF 一 CH 一 2) o NS NASI a N° - 甲 基 -THF <— N°, NIl- 亚 甲 基 -THF N°, N “8 JI|- THF 一 N?!°-—ABE- THF © 问题 : 补充 THF FC, 单位 的 主要 反应 是 什么 ? 除了 N° - 甲 基 - THF 以 外 ,THF 衍生 物 都 是 由 一 个 适当 氧化 态 的 Ci 单位 与 THF 直接 合成 的 。 主 要 的 添补 反应 是 由 丝氨酸 羟 甲 基 转 移 酶 催化 的 反应 ( 见 15.1)。 生物 甲 基 化 作用 甲 基 转 移 是 常见 的 生化 反应 , 某 一 分 子 中 甲 基 的 引入 是 修饰 其 生物 活性 的 重要 途径 , 如 肾上腺 素 与 去 甲 肾上腺 素 。 甲 基 来 源 于 N” - 甲 基 四 氢 叶 酸 , 虽 然 此 化 合 物 仅 直接 与 一 个 甲 基 化 反应 相关 。 该 反应 的 最 简单 形式 是 在 植物 体内 进行 的 , 由 高 半 胱 氢 酸 转 甲 基 酶 催化 ; 入 SCH; Fa) P ria N° 甲 基 —THF THF BENE: eee AY NH, COO- COOr- EAR 甲 硫 氨 酸 哺乳 动物 甲 硫 氨 酸 的 合成 更 加 复杂 , 并 需要 钴 胺 素 的 参与 , 钴 胺 素 是 维生素 Biz 的 辅酶 形式 。 要 注意 到 甲 硫 氨 酸 是 必需 氨基 酸 , 必 须 由 食物 供给 ; 被 用 于 甲 基 化 作用 (图 15 -20) 的 甲 硫 氨 酸 降解 为 高 半 胱 氨 酸 , 高 半 胱 氨 酸 被 重新 甲 基 化 则 又 可 生成 甲 硫 氨 酸 。 这 些 反应 仅 仅 是 甲 硫 氨 酸 的 循环 , 并 不 是 甲 硫 氨 酸 的 净 合 成 。 第 15 章 Aw PPi + Pi XH S— Het Fit AR 甲 基 转 移 酶 AIP 甲 硫 氨 酸 腺 苷 转移 酶 X-CH, 甲 硫 氨 酸 S- 腺 苷 高 半 胱 氨 酸 EA: By» THF mE RAR Ni- 甲 基 -THF 图 15-20 甲 硫 氨 酸 代谢 HF Gill 15.17 植物 中 不 存在 维生素 Ba, 严 糙 的 素食 者 会 缺乏 维生素 Ba。 因 此 , 我 们 必须 依赖 于 动物 或 细菌 源 而 获取 所 需 的 维生素 By. 钴 膀 素 是 含 Co 原子 的 复合 物 。 哺 乳 动物 合成 甲 硫 氢 酸 的 过 程 中 , 钴 胺 素 作 为 辅酶 接受 来 自 N5 - 甲 基 四 所 叶酸 的 甲 基 , 并 转移 给 高 半 胱 氨 酸 。 反 应 由 钻 胺 素 - N°-PR-THF: 高 半 胱 氨 酸 转 甲 基 酶 催化 。 总 反应 为 THF CH; — 钻 胺 素 高 半 胱 氨 酸 N 一 甲 基 -THF 销 胺 素 甲 硫 氨 酸 HG 15.18 维生素 Bi 缺乏 的 一 方面 便 是 引起 NO-PR-THE HBA, AG MP N°-Ff R- THF 的 合成 是 由 一 个 不 可 逆反 应 (如 前 所 述 ) 完成 的 ; 若 因 维生素 Bi 的 缺乏 而 不 能 使 其 被 利用 , 则 必 将 著 积 。 如 此 , 会 引起 其 他 形式 的 THF 耗 尽 , 从 而 导致 THF 的 不 足 。 巨 成 红细胞 贫血 (恶性 贫血 ) 即 是 与 钻 胺 素 和 THR 缺乏 相关 的 疾病 。 甲 硫 氨 酸 被 转化 为 S - 腺 苷 甲 硫 氨 酸 时 , 其 结构 上 的 甲 基 被 活化 。 在 生物 甲 基 化 过 程 中 , 正 是 此 S - 腺 苷 甲 硫 氢 酸 为 甲 基 的 直接 供 体 。 以 S - 腺 苷 甲 硫 氨 酸 作为 甲 基 供 体 的 重要 反应 包括 肌 酸 、 肾 上 腺 素 和 磷脂 酰 胆 碱 的 合成 。 C 例 15.19 MRAHMRCHR 〔( 自 甘氨酸 与 精 氨 酸 合成 ) 合成 的 。 NH, ~ OOC—CH,;,—NH—C=NH,_ + S - 腺 苷 甲 硫 氨 酸 一 ~ WE Zw CH; NH, er") " OOC—CH;,—-N-—C=NH} + S “RF APE LER . 371 , . 372° 生物 化 学 高 半 胱 氨 酸 的 碳 骨 架 被 补救 合成 甲 硫 氨 酸 (图 153 - 20)。 高 半 胱 氨 酸 也 可 被 用 于 合成 胱 AR. 图 15 - 20 F#ROGHHREEETR TRG ERAR, RATSMEARH FRA 酸 与 半 胱 氨 酸 将 自 循环 中 消耗 高 半 胱 氨 酸 , 故 , 至 少 甲 硫 氨 酸 必须 由 饮食 中 补充 。 15.8 路 啉 代谢 血红 素 的 前 体 化 合 物 叶 啉 的 合成 与 转换 极为 重要 , 因 血红 素 蛋 白 , 血 红 和 蛋白 和 细胞 色素 在 代谢 中 有 着 至 关 重 要 的 作用 。 可 以 认为 , 血 红 和 蛋白 的 合成 是 人 体 氮 经 济 的 主要 部 分 。 路 啉 的 合成 中 啉 合成 的 第 一 步 是 琥珀 酰 - CoA 与 甘氨酸 缩合 为 8$ -氨基 酮 成 酸 。 因 琥珀 酰 - CoA 存在 于 线粒体 内 , 故 , 反 应 在 线粒体 中 进行 。 此 反应 可 逆 , 并 需要 磷酸 吡 哆 醛 和 Mg 的 参与 。 反应 过 程 由 -氨基 酮 友 酸 合成 酶 催化 。 CHCHCOGO- HPA + SERIBE-CoA ME> CO + CO, + CoASH CHNH3 5 -氨基 酮 戊 酸 随后 的 反应 在 细胞 质 中 进行 , 并 且 不 可 逆 。 经 胆 色 素 原 合成 酶 的 催化 ,2 分 子 $ - AMX 酸 缩合 形成 3 个 吡咯 取代 的 胆 色 素 原 。 再 经 尿 中 啉 原 合成 酶 与 尿 中 啉 原 辅 合 成 酶 这 两 种 酶 的 作用 ,4 分 子 胆 色素 原 缩合 为 叶 啉 尿 中 啉 原 III。 -OOCH2C CH,CH, COO -OO0CH2C = “OOCCH, CH,CH, COO a 4 | | a “HINCH,N be H 4NH; OOCCH, CH, CHCH COO™ “OOCCH,CH; CH, COO” AH fe 尿 叶 啉 原 II 要 注意 到 , 尿 中 啉 原 III 并 非 对 称 分 子 。 其 合成 过 程 中 , 其 中 一 个 吡咯 环 是 反 向 的 , 使 得 中 啉 环 上 的 乙酸 根 与 两 酸根 侧 链 的 排列 不 对 称 。 细 胞 色素 和 血红 蛋白 的 合成 过 程 中 , 关 键 的 中 啉 中 间 体 是 原 叶 啉 IX (图 1$ -21)。 DODO IX 的 合成 包括 尿 中 啉 原 III 侧 链 上 的 两 个 变化 ; 乙酸 根 脱羧 为 甲 基 ,A RAB 环 上 的 丙 酸 根 脱羧 成 为 乙烯 基 ( 一 CH 一 CH,)。 第 一 步 脱 羧 反应 是 在 细胞 质 中 进行 的 , 而 乙烯 基 的 形成 和 亚 甲 基 桥 ( 一 CH 一 ) 向 不 饱和 亚 甲 基 〈 —CH— ) 的 转化 过 程 则 是 在 线粒体 内 进行 的 。 这 些 反 应 的 终 产物 为 芳香 族 平面 的 原 中 啉 IX 分 子 。 在 线粒体 内 进行 的 最 后 一 步 反 应 是 原 叶 啉 IX 与 Fez+ 整合 生成 血红 素 , 此 反应 为 自发 反应 , 亚 铁 整 合 酶 可 提高 反 应 速度 。 血红 素 是 血红 蛋白 、 肌 红 和 蛋白、 细胞 色素 、 过 氧化 氢 酶 和 过 氧化 物 酶 的 功能 基 团 。 上 述 这 些 物质 有 着 完全 不 同 的 功能 ;血红 蛋白 可 携带 氧 , 肌 红 蛋 白 则 储存 氧 ; 细胞 色素 传递 电 + ae Pe - RASH RAH ~OOCH, CH,C CH SSE -0O0CH CH; C CH; Al 15-21 原 叶 啉 IX 的 结构 子 ; 过 氧化 氢 酶 和 过 氧化 物 酶 能 够 催化 过 氧化 氢 的 分 解 , 过 氧化 物 酶 还 可 以 催化 一 些 氧化 过 程 。 Gil 15.20 不 同 蛋 和 白 中 血红 素 基 团 的 功能 是 由 什么 决定 的 ? 虽然 血红 素 与 各 种 有 蛋白质 的 结合 方式 各 不 相同 , 但 主要 还 是 蛋白 的 氨基 酸 序列 决定 了 分 子 内 中 啉 的 功能 。 网 织 红细胞 内 血红 素 合 成 的 调控 血红 素 的 合成 主要 由 8 -氨基 酮 成 酸 合成 酶 (ALA 合成 酶 ) 控制 。 有 两 种 控制 机 制 存 在 , 每 一 个 都 与 影响 酶 浓度 的 过 程 相 关 。 首 先 , 大 鼠 肝 脏 实 验 显 示 ALA 合成 酶 的 半衰期 非 WH 〈60 一 70min)。 与 很 多 线粒体 蛋白 一 样 ,ALA 合成 酶 也 是 由 核 基 因 编 码 , 于 细胞 质 核 糖 体 上 合成 , 而 后 被 转运 入 线粒体 的 。 其 次 , 主 要 的 调节 因素 是 ALA 合成 酶 可 受 氯 高 铁血 红 素 的 抑制 。 毛 高铁 血红 素 与 血红 素 所 不 同 的 是 其 分 子 中 的 Fe 为 氧化 态 的 Feo, BARE 白 与 之 形成 血红 蛋白 时 , 血 红 素 即 自发 被 氧化 为 氯 高 铁血 红 素 。 在 网 织 红细胞 内 血红 和 量 白 合 成 的 调节 方面 氯 高 铁血 红 素 还 发 挥 着 第 二 个 功能 , 即 控制 球 蛋 白 的 合成 。 高 浓度 的 氯 高 铁血 红 素 可 抑制 ALA 合成 酶 转运 入 线粒体 , 而 线粒体 内 其 底 物 之 一 焉 珀 酰 - CoA 已 经 生成 。 因 而 , 直 至 产生 了 足够 的 球 量 白 与 已 有 的 血红 素 结 合 , 血 红 素 合成 才 解 抑制 。 氯 高铁 血红 素 的 缺乏 或 低 浓 度 , 相 当 于 发 出 了 不 需要 球 和 蛋白 的 信号 ; Kh, MARA (A, REA) 合成 受 抑制 。 氯 高铁 血红 素 缺 乏 时 , 和 蛋白 激酶 被 激活 ; 进而 磷酸 化 了 ( 真 核 生物 ) 蛋白 质 合 成 的 一 个 起 始 因子 IF -2, 它 可 阻 断 多 肽 链 合成 的 启动 ( 见 第 17 章 ), 从 而 最 终 抑制 了 球 蛋 白 的 合成 。 血红 蛋白 的 降解 人 体 红 细胞 的 寿命 约 为 120 天 , 每 日 有 占 总 量 0.8$% 的 红细胞 在 脾脏 、 肝 脏 与 骨 艇 的 网 状 内 皮 细 胞 内 分 解 。 在 网 状 内 皮 细 胞 的 消化 吉 内 红细胞 溶解 , 血 红 和 蛋白 被 降解 。 随 后 球 蛋 白水 解 为 氨基 酸 , 血 红 素 则 按 下 述 方式 代谢 。 在 A 环 和 B 环 之 间 叶 啉 环 被 氧化 切断 , 产 生 线性 的 四 吡咯 胆 绿 素 (绿色 )。 完 全 氧化 反应 需要 氧 与 NADPH 的 参与 , 终 产物 为 胆 红 素 (F220), Fe?* 则 被 运 铁 和 蛋白 补 救 储 存 于 脱 铁 铁 和 蛋白 内 , 连 接 A 环 和 B 环 的 亚 甲 基 桥 以 CO 形式 脱 去 。 .373 , “374 M VM P P MM V M VM PP IP MM V ake 7 =a er a NADPH = ae 380 + 382 - 生物 化 学 O O O O O O SOS SSS 二 CE 一生 三 RAT | 图 16-5 复制 子 在 真 核 生 物 DNA 中 的 串联 排列 产生 了 一 系列 复制 泡 。O 代表 复制 起 点 16.4 DNA 复制 的 调控 DNA 复制 的 速率 与 细胞 分 裂 的 速率 相等 。 因 此 , 与 生长 在 贫 交 培 养 基 中 相 比 , 一 个 细 菌 生长 在 丰富 培养 基 中 的 培养 物 代 时 较 短 , 并 且 染 色 体 的 复制 完成 较 快 。 在 贫 交 培 养 基 中 的 代 时 可 能 是 丰富 培养 基 中 的 三 到 四 倍 。 问题 : 细菌 DNA 复制 的 速率 是 根据 什么 机 制 变化 的 ? 在 全 营养 条 件 和 固定 的 温度 下 , 复 制 又 移动 的 速率 保持 相当 的 一 致 。DNA 复制 的 总 体 速 率 由 DNA 在 oriC 的 起 始 频率 决定 。 为 了 加 快 复制 , 子 起 点 的 复制 起 始 发 生 于 复制 周期 完成 之 前 。 这 导致 形成 多 又 染色 体 , 如 图 16 -6 所 示 。 注 意 多 叉 染 色 体 含有 至 少 四 个 拷贝 的 oriC。 oriC oriC 图 16-6 通过 在 oriC 复制 的 再 起 始 而 产生 的 多 又 染 色 体 真 核 生 物 中 DNA 复制 的 调控 比 在 细菌 中 复杂 得 多 。 一 旦 一 个 细胞 进入 S 期 , 整 个 基因 壬 组 中 多 数 的 独立 的 复制 子 可 能 以 固定 的 顺序 进行 复制 。 在 某 些 情况 下 ,S 期 的 持续 时 间 可 能 变化 非常 大 。 Bil 16.5 — 4 RS PARAS ATG he HAIL DSLAM RI, Ast, SMHK RIE 常 短 。 在 这 种 情况 下 , 相 邻 复制 子 的 起 点 间 的 距离 比 正常 间距 的 7 一 8kb MBS, EPR 因 组 复制 很 快 因为 每 一 个 复制 又 在 与 邻近 的 复制 又 融合 前 仅 跨 越 几 个 kb。 第 16 章 ”遗传 物质 的 保持 和 复制 a: > Te 问题 : 真 核 生 物 中 独立 的 复制 子 能 是 否 能 像 细菌 那样 可 以 重新 复制 从 而 产生 多 又 结构 ? 不 能 , 但 在 一 些 含有 特异 性 基因 扩 增 的 特殊 细胞 内 存在 非常 类 似 的 情况 。 例 如 , 许 多 动物 发 育 中 的 卵 至 少 包 含 1000 个 rRNA 基因 的 拷贝 (第 7 和 17 章 )。 在 果 蝇 中 , 编码 卵 壳 ( 卵 ) 蛋 白 的 DNA 序列 在 它们 需要 之 前 大 约 扩 增 30 倍 。 为 了 完成 扩 增 ,跨越 特定 基因 的 一 小 段 DNA 在 一 个 细胞 代 产 生 之 前 被 复制 了 许多 次 ,正如 图 16 -7 所 示 。 注 意 扩 增 的 DNA 附着 于 染色 体 DNA 上 (图 16-7)。 当 扩 增 DNA 游离 于 染 色 体 时 , 染 色 体 外 DNA 所 指 即 为 游离 形式 的 DNA。 这 样 的 DNA 通过 含有 能 产生 环 状 切除 序列 的 扩 增 片 段 的 非 同 源 重组 而 产生 。 这 种 环 状 DNA 中 的 序列 就 能 够 通过 滚 环 机 制 进一步 扩 增 , 以 产生 在 一 个 长 的 线性 DNA 分 子 中 串联 排列 的 多 拷贝 。 扩 增 的 rRNA 基因 即 以 这 种 形式 存在 。 复制 事件 复制 事件 复制 事件 特殊 的 复制 起 点 特殊 的 复制 终点 16-7 通过 复制 的 DNA 片段 的 扩 增 人 例 16.6 DNA 复制 的 滚 环 机 制 如 图 16-8 所 示 。 将 将 两 条 链 中 的 一 条 造成 切口 , 脱 去 切口 链 一 端的 圆 环 能 够 产生 同等 的 两 条 单 链 , 使 它 DO | ©) antes (0 多 联 体 图 16-8 DNA 滚 环 复制 机 制 - 384 - 生物 化 学 们 作为 从 复制 又 开始 DNA 合成 的 模板 。 当 环 继 续 滚动 , 就 能 够 产生 一 条 线性 双 螺 旅 分 子 , 这 个 分 子 是 含有 多 个 描 贝 的 序列 。 滚 环 机 制 也 是 一 些 病毒 DNA 分 子 复 制 的 一 个 阶段 。 16.5 细菌 DNA 复制 的 酶 学 正 像 已 经 讨论 过 的 , 一 个 复制 子 的 复制 可 分 为 三 个 阶段 : 起 始 、 延 伸 和 终止 。 在 延伸 期 ,DNA 链 的 生长 发 生 于 复制 又 。 延伸 期 是 检验 参与 复制 的 一 些 重要 的 酶 和 其 他 蛋白 质 的 一 个 良好 阶段 。 我 们 已 较为 清楚 得 了 解 了 发 生 在 细菌 E. coli 中 的 这 个 过 程 , 它 可 作为 其 他 系统 的 原型 。 这 个 过 程 将 涉及 几 种 酶 和 蛋白 质 。 问题 : 哪 一 个 酶 负责 在 复制 又 上 新 DNA 链 的 合成 ? 是 一 个 以 解 旋 的 、 单 链 DNA 为 模板 的 DNA RAH. EE. coli 中 有 三 种 不 同 的 DNA RAE: DNA 聚合 酶 I、II 和 III。DNA 聚合 酶 [ 含量 最 丰富 ,DNA 聚合 酶 III 含量 最 少 。 这 两 个 酶 在 DNA 复制 的 整个 过 程 中 有 重要 作用 。DNA RABE I 的 作用 到 目前 为 止 还 不 清楚 。 DNA #865 I E. coli NS DRIAARSHBICRFAR. ERA OHPRAKH=RR (dNTP) 和 Mg 催化 由 模板 指导 的 核 苷 酸 的 聚合 化 作用 (图 16 - 9)。 在 这 个 反应 中 , 一 个 新 的 dTTP (FRR PRIS (A) 的 对 面 (通过 碱 基 配 对 ), 通 过 生成 链 的 3 羟基 对 新 加 入 的 三 磷酸 No -磷酸 的 亲 核 性 攻击 形成 磷酸 二 酯 键 , 焦 磷酸 (PPi) 释放 。 第 二 个 核 苷 酸 接着 将 链 进 一 步 延 伸 , 就 一 直 这 样 进行 下 去 。 生 长 只 延 $ 一 3 方向 进行 。 另 一 个 重要 特征 是 酶 只 能 加 入 到 先前 存在 的 链 中 (引物 ), 它 并 不 能 开始 一 个 新 链 的 合成 。 细 胞 中 释放 后 的 PPi 被 焦 磷 酸 酶 快速 水 解 后 推动 反应 向 DNA 链 生 长 的 方向 进行 。 被 聚合 酶 I 催化 的 整个 反应 为 : M 十 (dNMP), + dNTP Me (dNMP), +; + PPi ae ce A Ai ‘= = ay eee ) P4P~ P 模板 引物 图 16-9 模板 指导 的 由 DNA 聚 合 酶 工 催化 的 一 个 核 苷 酸 单 位 添加 到 一 条 生长 的 DNA 链 。 粗 体 字 母 代表 新 合成 的 DNA。 点 划 线 代表 和 氢 键 rr eS ae eee eae Cl 第 16 章 ”遗传 物质 的 保持 和 复制 然而 , 这 只 是 被 DNA 聚合 酶 I 催化 的 三 种 反应 中 的 一 种 。 其 他 两 种 催化 活性 主要 与 棍 酸 二 酯 键 的 水 解 有 关 , 一 种 是 作用 于 双 链 DNA 的 $ 一 3 外 切 核 酸 酶 , 另 一 种 是 作用 于 双 链 DNA 翻 口 或 错 配 末端 的 3 一 5 外 切 核 酸 酶 。 因 此 DNA 聚合 酶 I 是 一 个 多 功能 酶 。 它 由 一 条 Bike (M,=109000) AK. 它 经 蛋白 酶 水 解 断 裂 产 生 一 个 含有 聚合 酶 和 3’ 一 $ 外 切 核 酸 酶 活性 的 大 片段 (Klenow HE, M,=76 000) 和 一 个 只 有 $ 一 3 外 切 核 酸 酶 活性 的 小 片段 (M.=35 000). DNA 聚合 酶 II DNA 聚合 酶 III 同样 也 是 一 个 多 功能 酶 。 它 与 DNA 聚合 酶 工 的 催化 活性 相似 。 但 是 , 在 DNA 合成 的 模板 引物 类 型 以 及 两 种 外 切 核酸 酶 活性 作用 的 底 物 方面 有 细微 的 差异 。DNA REM III 含有 许多 多 肽 亚 基 (QA A WYO OMB), SAMALE (M,~ 900 000) 的 复合 物 称 为 DNA 聚合 酶 III 全 酶 , 而 表现 聚合 酶 活性 却 只 含有 au、s 和 6 亚 基 的 复合 物 为 核心 酶 。 在 体内 全 酶 完成 了 大 部 分 在 复制 叉 上 DNA 的 合成 。 回想 起 双 链 DNA 的 两 条 链 具 有 相反 的 极 性 (第 7 章 ), 一 条 为 $ 一 3 方向 而 另 一 条 为 3? 一 方向。 但 DNA 聚合 酶 只 能 以 $ 一 3 方向 延伸 DNA, 因 此 在 复制 又 上 仅 有 一 条 新 链 可 按 5 一 3 方向 复制 并 按照 复制 叉 的 方向 移动 。 在 图 16 - 10 中 , 这 种 情况 发 生 在 上 臂 。 复制 叉 移动 图 16-10 DNA 的 一 个 臂 中 的 合成 与 复制 叉 移 动 方向 相同 冈 崎 片段 问题 : 图 16- 10 显示 的 下 臂 合 成 的 新 链 如 为 3 一 5 方向 则 与 复制 又 移动 方向 相同 , 请 问 下 臂 是 怎样 完成 复制 的 ? TRAE (US 一 3 片段 为 模板 ) 的 DNA 合成 是 以 长 度 为 100 一 1 000 个 核 苷 酸 的 片段 , 以 与 复制 又 移动 相反 的 方向 进行 。 这 些 新 合成 的 短片 段 称 为 囚 崎 或 新 生 片 段 。 图 16 - 11 为 两 臂 合成 的 示意 图 。 复制 又 移动 图 16-11 复制 叉 上 一 个 臂 的 DNA 以 新 生 或 囚 崎 片段 合成 那些 冈 崎 片段 最 终 连 接 在 一 起 。 在 复制 又 上 新 链 装 配 的 全 部 途径 被 称 作 不 连续 DNA 复制 。 与 复制 又 移动 方向 相同 的 连续 合成 的 链 为 前 导 链 , 另 一 条 称 为 后 随 链 。 问题 : 冈 崎 片段 是 怎样 开始 的 ? - 885 « + 386 - 生物 化 学 DNA 聚合 酶 不 能 起 始 一 条 新 链 的 合成 , 它 们 只 能 延伸 一 条 链 。 被 称 作 引 发 酶 的 一 种 特殊 类 型 的 RNA 聚 合 酶 , 它 可 以 与 复制 又 移动 的 相反 方向 生成 短 的 RNA 引物 , 引 物 可 以 在 许多 区 域 以 5$ 一 3 方向 的 DNA 为 模板 进行 合成 , 而 这 些 模板 通过 螺旋 的 解 旋 不 断 地 显露 。 每 一 个 引物 复制 完成 后 引发 酶 就 释 放 , 随 后 在 DNA ESM III 全 酶 的 作用 下 ,DNA 链 以 与 复制 又 移 动 相反 的 方向 合成 。(RNA 聚合 酶 与 DNA 聚合 酶 的 显著 差异 是 它 能 够 重新 开始 新 链 。) DNA 聚合 酶 III 作用 的 链 的 延伸 将 继续 直到 新 合成 的 DNA 片段 与 相 邻 片段 的 RNA 引物 的 5 末端 相遇 , 如 图 16 - 12 所 示 。 DNA 聚 合 酶 ! 所 作用 的 延伸 口 a RNA 引 物 ——_ 后 随 链 的 DNA 模 板 复制 叉 移 动 图 16-12 冈 崎 片段 的 起 始 和 生长 切口 代表 在 多 核 苷 酸 链 之 间 没 有 形成 磷 酸 二 酯 键 , 这 种 情况 下 表现 为 RNA 引物 和 新 合成 的 DNA 片段 之 间 有 切口 问题 RNA 引物 延 ->3' 模 板 形成 的 起 始 位 点 由 什么 决定 ? 。 以 DNA 为 模板 形成 的 RNA 是 从 DNA 的 启动 子 位 点 开始 的 《第 17 章 )。 为 在 移动 的 复制 又 上 形成 引物 , 细 胞 提供 了 一 个 沿 5 一 3“ 模 板 移动 的 可 动 启动 子 , 这 个 启动 子 每 隔 一 定 的 间距 能 够 促进 引发 酶 催 化 RNA 引物 合成 的 起 始 。 已 .coii 染色 体 中 移动 启动 子 《有 时 也 指引 发 体 ) 的 作用 是 通过 Dnab 蛋白 / 酶 而 完成 。DnaB 每 隔 一 定 的 间距 促进 引发 酶 (DnaG) 的 作用 , 据 推测 , 引 发 酶 与 DnaB 松散 的 结合 在 一 起 。(DnaB 在 DNA 的 解 旋 中 也 具有 重要 作用 , 见 下 。) RNA 引物 必须 除去 并 以 DNA 代替 。 这 个 过 程 是 这 样 完成 的 : 4 DNA RAH Ill 全 酶 与 RNA 引物 的 $ 端 相遇 后 就 停止 作用 (并 没有 与 DNA 分 离 ), 而 DNA 聚合 酶 I 开 始 作 用 。 与 其 他 DNA 聚合 酶 相 比 ,DNA 聚合 酶 I 的 一 个 特征 就 是 具有 在 切口 完成 复制 的 能 力 , 无 论 切口 前 面 的 多 核 苷 酸 是 DNA 还 是 RNA。 正 如 图 16 - 12 所 示 ,DNA 聚合 酶 I 结 合 在 箭头 左 边 的 实 线 上 并 继续 延伸 DNA 链 。 同 时 , 它 通过 $ 一 3 “外 切 核酸 酶 活性 切除 RNA 引物 。 整 个 反应 就 是 以 DNA 取代 RNA, 一 直到 持续 到 缺口 越过 RNA 部 分 。 这 是 切口 平移 的 一 个 例子 。 一 旦 DNA 越过 切口 , 切 口 就 可 以 连接 。 问题 : 一 条 DNA 链 的 切口 是 怎样 连接 的 ? 是 通过 DNA 连接 酶 的 作用 , 它 催化 双 链 DNA 上 相 邻 的 $ -磷酸 和 3'- 羟 基 之 间 形 成 磷酸 二 酯 键 。 下 DNA 连 下 as ea a +NAD* +NMN + AMP + H* 图 16-13 E. coli PH DNA 连接 酶 催化 的 反应 。(NMN= 烟 酰胺 单 核 苷 酸 。) AGA 物 连 接 酶 以 ATP 代替 NAD+ 作为 共 反 应 物 E. coli 来 源 的 DNA 连接 酶 需要 NAD+ 作为 共 反 应 物 , 其 反应 机 制 主要 与 NAD+ 的 腺 味 叭 基 与 酶 形 成 共 价 结合 的 中 间 体 有 关 。 缺 口 的 $- 磷 酸 末 端 通过 腺 味 吟 基 转移 形成 一 个 DNA- 腺 苷 酸 而 活化 , 接 着 通过 3 -羟基 攻击 活化 的 $ -磷酸 而 形成 磷酸 二 酯 键 。 反 应 结果 请 见 图 16 - 13。 i a i | 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 DNA 螺旋 的 解 旋 DNA 的 两 条 链 相互 绰 绕 形成 螺旋 , 记 今 还 未 见 有 关 这 些 链 必须 解 旋 以 使 复制 模板 显露 的 详细 讨论 。 解 旋 DNA 的 主要 形成 途径 是 通过 解 旋 酶 作用 而 实现 , 解 旋 酶 使 解 旋 的 双 螺 旋 DNA 与 水 解 的 ATP HH244. E. coli 有 几 种 不 中 的 解 旋 酶 , 其 中 一 种 DnaB RSI, ER 色 体 的 复制 期 间 主 要 是 它 将 DNA 解 旋 。DnaB 在 复制 复合 物 的 前 沿 延 $ 一 3 模板 链 移动 。 解 旋 也 可 能 以 其 他 方式 进行 : 通过 在 复制 又 前 的 单 链 DNA 结合 蛋白 (SSB) 与 DNA 的 结合 以 及 通过 回旋 酶 将 负 超 螺旋 (第 7 章 ) 引入 这 个 区 域 。 问题 : SSB 与 DNA 相互 作用 的 性 质 是 什么 ? SSB, 也 称 为 解 螺 旋 蛋 白 , 它 与 单 链 DNA 紧密 并 协同 地 结合 , 即 当 一 分 子 SSB 蛋白 与 DNA 结合 时 , 它 促 进 了 DNA 分 子 与 更 多 分 子 SSB 相 结合 。DNA 不 是 静电 结构 , 而 是 瞬间 和 局 部 的 链 不 断 分 离 的 结 Ho 因此 , 通 过 与 瞬间 的 单 链 区 域 的 协同 结合 ,SSB 确实 能 够 降低 DNA 的 解 链 温 度 。 换 句 话说 ,SSB 帮 助 DNA 分 离 为 其 成 分 链 。 除 解 旋 外 ,SSB 还 有 其 他 功能 。 与 SSB 蛋白 相 结合 的 单 链 是 DNA 聚合 酶 作用 的 更 快 加 工 的 模板 , 这 对 更 有 效 地 促进 DNA 链 的 生长 是 一 个 重要 因素 。 问题 : DNA 回旋 酶 的 作用 机 制 是 什么 ? DNA 回旋 酶 属于 拓扑 异 构 酶 的 一 种 。 通 过 催化 DNA 链 的 断裂 和 闭合 , 拓 扑 异 构 酶 将 一 种 拓扑 形式 (拓扑 异 构 体 , 第 7 章 ) 转变 为 另 一 种 形式 。 拓 扑 异 构 酶 有 两 种 类 型 , 只 切断 双 链 DNA 中 的 一 条 链 的 拓 扑 异 构 酶 IT 和 切断 DNA 两 条 链 的 拓扑 异 构 酶 II。DNA 回旋 酶 是 拓扑 异 构 酶 II 中 的 一 例 。 拓扑 异 构 酶 工 催化 负 超 螺旋 DNA 的 松弛 , 不 需要 共 反 应 物 。 拓 扑 异 构 酶 II 催化 DNA 形成 负 超 螺 旋 , 以 ATP 为 共 反应 物 , 它 也 可 以 松弛 正 超 螺旋 (第 7 章 )。 DNA 的 拓扑 异 构 形 式 对 DNA 的 复制 很 重要 , 其 作用 主要 是 将 负 螺 旋 引 入 DNA, XE 有 助 于 又 的 解 旋 。 同 样 在 像 细 菌 染 色 体 那样 的 闭合 分 子 中 , 复 制 叉 的 解 旋 导致 正 超 螺旋 位 于 DNA 复制 又 之 前 , 这 就 阻止 了 DNA 的 进一步 解 旋 。DNA 回旋 酶 除 能 松弛 正 超 螺旋 外 , 还 具有 诱导 形成 负 超 螺旋 的 能 力 。 CE 例 16.7 图 16-14 是 一 个 模型 , 它 总 结 了 前 述 有 关 有 蛋白 质 和 酶 参与 的 大 多 数 事 件 。 前 导 链 通过 DNA 聚合 酶 III 全 酶 以 一 个 连续 方式 合成 ,SSB 与 通过 非 复制 双 螺 旋 的 解 族 而 得 到 的 单 链 模 板 的 结合 能 够 促进 DNA 聚合 酶 III 全 酶 的 作用 。 非 复制 双 螺 旋 的 解 族 是 由 与 5 一 3 “模板 结 合 的 解 旋 酶 DnaB 而 完成 。 后 随 链 以 短片 段 (不 连续 ) 进行 合成 。 当 DnaB 沿 着 $ 一 3“ 模 板 ~~ = RNA SID) TM ‘S) @ = DNA 聚 合 酶 1 @ = NARA BEI 2 @® =ssp&A 5 @) = 引发 酶 (DnaG) @ ©) =DnaB @Q~-4 ©) = DNA 连 接 酶 fee ee @) = pNA 回 旋 酶 前 导 链 0) ( 后 随 链 © 图 16-14 -DNA 链 在 复制 又 生长 的 有 关 事 件 . 5e7.* > 388 - 生物 化 学 移动 时 , 它 促进 了 引发 酶 以 一 定 的 间距 制造 短 的 RNA 的 作用 。 后 随 链 以 与 复制 又 移动 的 相 反方 向 通过 DNA 聚合 酶 IL 全 酶 延伸 。 当 DNA 聚合 酶 III 到 达 邻 近 片 段 的 起 始 引物 时 , DNA 聚合 酶 [就 代替 DNA 聚合 酶 III, 通 过 缺口 平移 的 过 程 , 将 RNA 除去 并 代 之 义 DNA。 保留 的 缺口 被 DNA 连接 酶 连接 。 最 后 , 可 能 是 DNA 回旋 酶 在 DNA 的 复制 又 前 引入 负 超 紧 旋 或 解除 正 超 螺旋 的 作用 促进 了 整个 过 程 的 进行 。 Fil 16.8 DNA 复制 必须 是 一 个 正确 的 过 程 。 如 果 一 个 错误 碱 基 通 过 DNA RCBHEAAMR HH 链 中 将 会 发 生 什 么 情况 ? 碱 基 掺 入 的 错误 有 可 能 发 生 , 这 大 半 是 碱 基 拓扑 异 构 体 皮 间 存在 的 结果 (第 17 章 )。 如 果 在 通过 DNA 聚合 酶 桂 入 一 个 新 的 核 童 酸 的 瞬间 , 模 板 上 的 焉 基 变 为 它 的 很 罕见 的 拓扑 异 构 形 式 , 这 种 形式 的 碱 基 配对 专 一 性 发 生 改 变 , 那 么 一 个 错误 的 核 苷 酸 就 失 入 了 链 中 5。 Bl 如 , 一 条 链 中 的 鸟 嗓 叭 被 与 烯 酵 式 胸 腺 喀 啶 配 相 对 的 腺 嗓 叭 代替 。 DNA 聚合 酶 IT 的 3' 一 5 外 切 核酸 酶 活性 至 少 具有 校正 这 些 错误 的 功能 。 在 错误 碱 基 拓 入 后 ,DNA 聚合 酶 I 将 不 与 模板 上 的 拓扑 异 构 碱 基 以 氨 键 结合 , 一 旦 拓扑 异 构 碱 基 出 现 将 立即 转变 为 更 稳定 的 形式 。3“ 一 外 切 酶 活性 表明 DNA 聚合 酶 I 对 翻 口 末 冯 或 非 氨 键 结合 末端 的 高 度 选 择 以 及 在 链 进 一 步 延伸 之 前 将 错误 返 入 的 核 音 酸 切 除 的 能 力 。DNA 聚合 酶 III 全 酶 也 具有 与 其 相同 机 制 的 校正 潜力 。 | 16.6 细菌 中 复制 起 始 的 分 子 事件 迄今 , 已 发 现在 细菌 DNA 复制 的 延伸 期 内 有 许多 酶 和 蛋白 质 的 参与 , 其 中 一 些 为 具有 多 种 功能 的 复合 物 , 例 如 DNA 聚合 酶 III 全 酶 。 复 制 起 始 也 利用 了 几 种 蛋白 质 , 这 些 蛋 白 质 的 基因 突变 对 鉴别 这 些 蛋 白质 非常 有 帮助 。 Fill 16.9 HIURBRAREED, SHYMAAE SMH FSESGAIHIER AM. LPH 有 蛋白质 已 论述 过 。 温 度 教 感 突变 型 在 某 一 温度 下 产生 影响 , 如 ,42 一 47 亿 , 而 在 30T 或 30 以 下 没有 有 影响。 影响 复制 的 突变 型 称 为 dna 突变 型 。 已 经 在 正 . coli 中 确定 的 许多 突 变 是 为 在 复制 又 上 与 生长 的 DNA 链 结合 的 各 种 蛋白 质 编码 。 人 例如, 基因 dnaG 编码 我 们 已 讨论 过 的 引发 酶 (DnaG 有 蛋白 )。 但 是 , 另 一 些 基 因 如 dnaA, BC 编码 的 蛋白 质 参 与 或 只 参与 复制 周期 在 oriC 的 起 始 。 问题 : 由 于 相关 和 蛋白质 的 作用 而 导致 复制 在 oriC 序列 中 开始 , 我 们 应 该 怎样 理解 已 ,cozx 中 的 oriC 序列 ? oriC 所 在 位 点 由 一 个 独特 的 含有 许多 元 件 的 245 个 bp 的 序列 组 成 , 如 图 16 - 15 所 示 。 这 些 元 件 包 括 四 个 含有 9bp 的 片段 , 称 作 DnaA 框 , 它 们 能 使 oriC 序列 识别 和 结合 于 DnaA。 三 个 位 于 oriC 的 一 问 的 富 含 AT 的 13bp 的 片段 , 它 们 使 DNA 在 复制 起 始 过 程 中 “展开 ”, 并 为 DnaB 和 DnaC 提供 了 进入 点 。 oriC 区 及 其 邻近 区 域 也 含有 大 量 的 能 被 甲 基 化 的 GATC 位 点 。 为 简单 起 见 , 并 未 在 图 16- 15 中 显示 它 们 。 它 们 在 细胞 周期 的 恰当 时 间 之 前 阻止 复制 在 oriC 的 再 起 始 。 —— <— WW UMM UVa VA YY 有 [ 静 eC —_—_—_—_—_——_ eo” @@ AT AH 13bp 9 bp 的 DnaA 框 片段 图 16-15 245bp 的 oriC 序列 的 特征 。 箭 头 代 表 了 每 种 情况 片段 的 定向 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 问题 : 参与 在 oriC 的 复制 起 始 过 程 的 蛋白 质 和 其 他 因素 是 什么 ? 与 延伸 过 程 中 冈 崎 片段 的 起 始 不 同 , 在 oriC 的 起 始 需要 RNA 聚合 酶 (与 引发 酶 相反 , 它 对 利 福 平 敏感 , 见 第 17 章 ) 和 DnaA、DnaB、DnaC 以 及 似 组 蛋白 蛋白 质 HU。RNA 聚合 酶 的 作用 被 认为 是 产生 oriC 的 转录 活性 。 据 推测 , 它 促使 多 分 子 步骤 进入 成 功 的 复制 起 始 过 程 。 CHP 16.10 可 能 是 DnaA 引起 细胞 在 细胞 周期 的 适当 阶段 开始 起 始 过 程 。DnaA 5 ATP #4, 10~ 20 个 DnaA-ATP 单 体 与 HU 共同 接合 于 DnaA 框 , 导 致 oriC DNA 将 DnaA-ATP 多 聚 体 包 衷 起 来 , 这 就 会 引起 跨越 三 个 富 含 AT 的 13bp 的 片段 的 解 链 。 接 着 DnaA 就 引导 与 DnaC 组 成 复合 物 的 DnaB 进入 解 链 区 域 , 并 且 ATP 水 解 为 ADP。 在 SSB fe DNA 回旋 酶 存在 的 情况 下 ,DnaB 解 旅 酶 将 DNA 双向 解 族 , 这 为 DNA 聚 合 酶 JII 全 酶 和 DNA 回 旋 酶 进入 开始 生长 的 DNA 链 提供 了 机 会 , 从 而 产生 两 个 (双向 的 ) 复制 又 。 16.7 细菌 染色 体 复 制 的 终止 “在 oriC 产生 的 两 个 复制 又 必定 最 终 相 遇 并 且 融 合 , 从 而 产生 两 条 完整 的 新 染色 体 。 复 制 又 在 终止 区 域 相 遇 , 有 一 个 特殊 的 机 制 保证 它们 不 在 这 个 区 域外 相遇 。 问题 : 复制 又 相 遇 和 融合 限制 在 终止 区 域 所 依赖 的 是 什么 机 制 ? E. coli 染色 体 的 终止 区 域 大 约 为 其 总 长 度 的 25% , 在 这 个 区 域 分 布 着 六 个 DNA 终止 子 序列 (Ter- A-F), 每 个 为 23 个 bp。 它 们 分 为 相对 的 两 组 , 每 组 含 三 个 , 如 图 16 - 16 所 示 。 终 止 区 与 称 作 Tus (用 作 终 止 的 物质 ) 的 终止 蛋白 具有 高 亲 和 性 。 当 一 个 复制 叉 从 一 端 靠近 终止 区 域 而 另 一 个 不 动 时 ,Tus-Ter 复合 物 便 能 阻止 复制 叉 的 移动 。 与 TerB、C 和 下 结合 的 复合 物 能 抑制 顺 时 针 方向 移动 的 复制 叉 的 运动 , 但 TerA、D 和 瑟 的 复合 物 却 不 能 , 它 们 只 能 抑制 复制 又 的 逆 时 针 方向 移动 。 因 此 , 六 个 终止 子 组 成 了 一 个 复制 又 陷阱 , 它 只 允许 一 个 复制 又 进入 终止 区 域 却 不 允许 其 离开 。 oriC D BC - 图 16-16 E. coli 染色 体 上 复制 终止 子 的 定位 14389, + 390 - 生物 化 学 问题 : 为 什么 有 六 个 复制 终止 子 是 必要 的 ? 许多 时 候 , 复 制 又 在 TerC 附近 的 区 域 相遇 和 融合 。TerC 是 最 经 常 利用 的 终止 子 , 可 能 是 因为 在 逆 时 针 复 制 又 到 达 TerA 之 前 , 顺 时 针 复 制 叉 就 已 到 达 TerC。 当 TerA 或 TerC 终止 失败 后 , 最 靠近 旁 侧 的 终止 子 就 作为 后 盾 发 挥 作用 。 问题 : 将 复制 又 限制 在 终止 区 域 融合 的 优越 性 是 什么 ? 这 个 问题 目前 还 不 清楚 。 但 已 知 在 复制 完成 之 前 , 两 条 子 染色 体 还 以 共 价 二 聚 体形 式 或 通过 终止 区 域 相 互 绰 绕 而 连接 在 一 起 。 染 色 体 的 分 开 需 要 特殊 的 酶 (重组 酶 和 一 个 端 粒 酶 ) 参与 , 而 这 些 酶 也 依赖 于 两 条 染色 体 的 分 离 运 动 。 如 果 复 制 又 在 限制 性 终止 区 域 相 遇 和 融合 时 , 染 色 体 的 分 离 可 能 更 有 效 。 16.8 真 核 生 物 DNA 复制 的 起 始 、 延 伸 和 终止 在 细菌 中 , 在 复制 起 点 参与 起 始 和 在 复制 又 参与 DNA 链 生长 的 许多 蛋白 质 和 酶 与 它们 的 副本 (counterpart) 有 同样 的 生化 活动 。 但 是 , 对 终止 子 和 终止 蛋白 的 情况 还 不 太 清 楚 , 而 且 它们 是 否 存在 任何 程度 对 独立 的 复制 子 或 聚集 的 复制 子 的 描述 (delineate) 也 不 知道 。 但 是 在 真 核 生物 的 染色 体 中 , 存 在 一 个 被 称 作 端 粒 的 特殊 机 制 来 复制 它们 的 末端 。 问题 : 真 核 生 物 染色 体 复制 起 点 的 结构 特征 是 什么 ? 起 始 是 怎样 完成 的 ? 许多 有 关 这 方面 的 研究 进展 是 在 研究 酵母 菌 酿酒 酵母 的 染色 体 中 获得 的 。 现 已 确定 酿酒 酵母 染色 体 的 序列 在 插入 质粒 时 仍 能 起 始 复 制 , 这 些 序列 被 称 作 自 主 复制 序列 (ARS)。 它 们 可 能 至 少 代 表 了 真实 的 复制 起 点 。 据 推测 , 在 这 些 起 点 的 起 始 机 制 与 细菌 中 已 阐明 的 相似 。 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ” AACCCC 端 粒 酶 | 结合 3' TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG—=> AACCCC ACCCCAAC 5! pe 端 粒 酶 RNA | DNA Si {if 端 粒 酶 移动 TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ? AACCCC ACCCCAAC ,, 后 随 链 完成 | ~ mag TIGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ” AACCCC CCCAACCCCAACCC 5 7, ae DNA 3 4 图 16 -17 一 条 真 核 生 物 染 色 体 通 过 端 粒 酶 进行 的 末端 复制 第 16 章 ”遗传 物质 的 保持 和 复制 AM: 对 于 真 核 生 物 中 在 复制 又 上 DNA 链 生长 过 程 的 有 什么 了 解 ? 在 本 质 上 , 真 核 生 物 中 复制 叉 的 结构 与 细菌 中 的 相同 。 链 的 生长 在 前 导 链 中 为 连续 而 在 后 随 链 中 不 连续 , 并 且 有 相同 的 聚合 酶 、 解 旋 酶 、 引 发 酶 和 SSB 等 , 但 也 有 一 些 明显 的 区 别 。 例 如 , 真 核 生 物 有 两 种 与 细菌 不 同 的 DNA 聚合 酶 ,DNA 聚合 酶 》 和 DNA 聚合 酶 , 它 们 分 别 作用 于 前 导 链 和 后 随 链 。 另 外 , 在 线粒体 中 有 它 自己 的 DNA 桶 合 酶 。 问题 : 真 核 生 物 染 色 体 的 末端 有 什么 特殊 ? 它们 是 怎样 复制 的 ? 真 核 生物 染色 体 的 末端 ( 端 粒 ) 具有 一 个 特殊 和 独特 的 结构 。 因 为 在 复制 叉 后 随 链 的 不 连续 复制 涉 及 RNA3 引 物 的 形成 和 去 除 , 因 此 对 一 个 复制 又 而 言 , 不 可 能 正确 复制 线性 双 链 DNA 的 末端 。 但 由 于 未 端 有 一 个 重复 的 (上 百 个 ) BS GC 的 六 聚 体 序列 以 及 一 个 末端 复制 的 专 有 机 制 而 解决 了 上 述 问题 。 一 种 特殊 的 酶 一 一 端 粒 酶 , 含 有 一 个 RNA 分 子 , 此 RNA 分 子 能 为 富 含 G 的 $ 3“ 链 的 延伸 提供 模板 , 如 图 16-17 所 示 。 据 推测 , 当 3 端 延伸 完成 时 , 后 随 链 也 被 DNA 聚合 酶 复制 完成 , 这 个 DNA 聚合 酶 含 有 引发 酶 作为 其 亚 基 。 因 为 端 粒 酶 由 很 多 串联 重复 单位 组 成 , 因 此 如 果 从 一 条 染色 体 到 另 一 条 染色 体 的 端 粒 酶 变化 数目 精确 , 那 么 端 粒 酶 就 没有 什么 重要 性 可 言 。 Sil 16.11 真 核 生 物 中 的 DNA 在 核 小 体 单 位 中 与 组 蛋白 紧密 结合 (第 7 章 )。 很 显然 , 新 的 核 小 体 必 须 由 复制 的 DNA 装配 。 组 蛋白 的 合成 在 S 期 , 而 新 DNA 装配 为 核 小 体 紧 接 在 复制 之 后 。 一 些 证 据 表 明 亲 本 组 蛋白 八 聚 物 能 迅速 从 一 个 前 进 的 复制 又 前 转移 到 新 复制 的 DNA 上 。 从 前 认为 亲本 八 聚 物 只 转移 到 一 条 新 的 子 代 双 链 DNA 上 , 但 现在 这 还 是 一 个 有 争论 的 问题 。 a ng ene aE I Cts TE. GI Tn 16.9 DNA 复制 的 抑制 剂 DNA 复制 的 抑制 剂 在 治疗 各 种 疾病 时 很 有 价值 , 它 们 分 为 几 种 类 型 , 核 苷 酸 生物 合成 的 抑制 剂 例如 氨 甲 蝶 哈 和 氟 脱 氧 尿 苷 酸 为 核 苷 酸 生物 合成 的 抑制 剂 , 它 们 干扰 了 dTTP 的 产生 , 这 已 在 第 15 章 讨论 过 。 与 DNA 模板 相互 作用 的 抑制 剂 放 线 菌 丝 素 D 是 常用 的 一 种 DNA 和 RNA 合成 的 抑制 剂 。 它 的 平面 结构 能 够 在 双 链 DNA 堆积 的 碱 基 对 之 间 与 它们 非 共 价 结 合 , 这 即 是 揪 层 反应 。 在 这 种 情况 下 ,DNA 就 成 为 劣质 模板 。 相 似 作 用 的 化 合 物 还 有 叫 喧 和 乙 锭 , 它 们 影响 了 DNA 复制 的 忠实 性 。 核 苷 酸 类 似 物 抑制 剂 许多 核 苷 酸 类 似 化 合 物 在 复制 叉 阻 止 了 DNA 链 的 进一步 生长 。2“ ,3 — 双 脱 氧 核 苷 酸 能 转变 为 核 苷 酸 三 磷酸 (ddNTP)。 在 细菌 中 , 它 们 将 与 生长 的 DNA 链 的 3- 羟基 末端 结合 , 因为 新 的 末端 缺乏 3 羟基 , 所 以 链 就 不 可 能 进一步 延伸 。 在 Sanger 双 脱 氧 方 法 中 , 利 用 它 们 以 及 DNA RA BBS I WWE DNA 的 序列 。 Pl 16.12 决定 DNA 序列 的 Sanger 双 脱 和 氧 方 法 是 通过 一 种 DNA 聚合 酶 (DNA 聚合 酶 工 已 在 前 面 RA) 复制 DNA 的 一 条 单 链 而 产生 新 链 (为 了 识别 的 目的 而 进行 放射 性 标记 ), 通 过 一 个 双 脱 氧 核 童 酸 结合 在 3“ 端 使 新 链 的 合成 在 某 一 位 点 终止 。 与 单 链 模 板 一 个 末端 序列 互补 的 短 的 引物 往往 从 一 个 国定 位 点 开始 合成 。 “3 +392 - 生物 化 学 将 要 测序 的 DNA 3 CCGATGCATCCGTAAGTC GGCTA 引物 rl | DNA RABE 5' 3' CCGATGCATCCGTAAGTC 5' GGCTACGTA* + 3. CCGATGCATCCGTAAGTC 了 GGCTACGTAGGCA* + 3 CCGATGCATCCGTAAGTC 5' GGCTACGTAGGCATTCA* he 新 DNA 链 的 分 离 和 电泳 图 16-18 在 变化 位 点 的 终止 对 应 于 与 哪 一 种 核 苷 酸 结合 , 而 这 个 核 苷 酸 由 含有 的 ddNTP 决定 。 现 已 建立 四 种 完全 反应 ( 底 物 加 酶 ), 每 一 种 只 含有 一 种 核 苷 酸 。 因 此 , 对 于 一 个 使 用 ddATP 的 反应 , 其 合成 将 按 图 16 - 18 进行 。 新 链 的 长 度 变化 可 通过 凝 胶 电泳 进行 分 析 (第 4 章 )。 根 据 所 收集 的 由 使 用 每 一 种 ddNTP 而 产生 的 不 同 链 的 长 度 , 就 可 确定 核 昔 酸 序列 。 与 复制 蛋白 质 结合 的 抑制 剂 Fi Ee ~~ REA (下 .coli 为 革 兰 氏 阴 性 细菌 ) KU DNA RAB III 的 有 效 抑制 剂 。 这 些 化 合 物 主 要 与 聚合 酶 和 DNA 模板 形成 三 元 化 合 物 。 阿 非 迪 霉 素 是 一 种 四 环 双 莫 类 化 合 物 , 它 是 哺乳 动物 核 DNA 聚合 酶 的 有 效 抑制 剂 但 它 对 线粒体 DNA 聚合 酶 没有 影响 。 由 于 蔡 啶 酮 酸 和 新 生 霉 素 分 别 与 E. coli 回旋 酶 的 A、B 亚 基 结合 , 因 而 它 抑制 回旋 酶 的 作用 及 DNA 复制 。 HF Hil 16.13 叫 喧 类 药物 已 用 于 治疗 严重 的 寄生 虫 病 。 叫 啶 的 结构 为 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 “393 , 茶 啶 酮 酸 是 临床 上 使 用 的 抗菌 剂 , 而 草 唑 酸 与 之 作用 方式 相同 但 效果 比 前 者 高 十 倍 。 这 两 种 抗生素 的 结构 为 : CH, CH; Fe lhe MIR 阿 非 迪 零 素 曾 用 于 眼睛 疱疹 病毒 感染 的 治疗 。 它 的 结构 为 : OH | CH,0H ys H HOH, C 阿 非 迪 霉 素 16.10 _DNA 损伤 的 修复 大 量 的 因素 可 导致 DNA 的 损伤 , 包 括 此 外线、 电离 辐射 和 各 种 化 学 试剂 。 损 伤 的 分 子 能 对 机 体 造 成 伤害 甚至 致死 , 但 存在 很 多 机 制 能 够 消除 这 样 的 损伤 。 目 前 了 解 最 清楚 的 为 紫 外 线 导 致 损伤 的 切除 修复 。 Pil 16.14 在 此 外 线 作用 之 下 ,DNA 269 4a RR RMR AFR REL RK, RAR KF RE ABA ER, LHR RMR RLOKA (BA 16 - 19)。 胸 腺 喀 啶 二 聚 体 导致 DNA 链 的 担 曲 变形 并 表现 出 对 DNA 复制 和 转录 的 物理 阻碍 。 图 16-19 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 结构 。 二 聚 体 在 脱 氧 核糖 的 两 个 位 点 上 连接 , 请 注意 其 环 丁 烷 结构 生物 化 学 胸腺 喀 啶 二 聚 体 5' 3 问题 : 损伤 的 DNA 是 怎样 修复 的 ? 在 切除 修复 中 , 损 伤 的 部 分 被 切 去 并 代 以 新 的 DNA。 我 们 对 E. coli 中 的 切除 修复 过 程 了 解 得 很 清楚 , 其 过 程 总 结 于 图 16-20. E. coli HY 除 修复 一 共有 四 个 步骤 。 首 先 , 三 个 蛋白 质 的 复合 物 UvrABC 识别 损伤 区 域 并 在 单 链 损伤 部 位 的 两 侧 分 别 被 切 口 , 将 12~ 13 个 核 苷 酸 从 切割 的 单 链 上 分 离 。 损 伤 片段 由 于 解 旋 酶 的 作 用 而 被 除去 。 缺 口 将 通过 DNA 聚合 酶 I 的 作用 填充 并 在 连接 酶 的 作用 下 将 切口 连接 。 UvrABC Smo er? co a = poem 1S) 3! ie DNA 2 图 16-20 uv 诱导 的 DNA 损伤 的 切除 修复 过 程 5' 5' 5 二 Pill 16.15 ALAwP HME RRHS E. coli 中 的 相似 。 eA at I HH 性 干 皮 病 , 这 种 病 的 病人 对 日 光 非 常 教 感 , 并 最 终 导 致 皮肤 癌 。 问题 ,切除 修复 是 校正 uv 诱导 的 DNA 损伤 的 惟一 方法 吗 ? 不 是 , 二 聚 体 也 可 以 直接 通过 酶 的 光复 活 作用 而 修复 。 光 复活 酶 与 DNA HORAK REAR 个 吸收 可 见 光 并 催化 二 聚 体 间 共 价 键 断裂 的 复合 物 。 光 复活 作用 在 细菌 细胞 和 哺乳 动物 细胞 内 均 存 在 。 16.11 DNA 重组 和 基因 分 离 随 着 DNA 重组 技术 的 发 展 , 分 离 特 定 片段 的 DNA (有 时 包含 一 个 基因 或 一 个 基因 的 一 部 分 )、 详 细 地 分 析 它 们 的 结构 以 及 其 他 性 质 就 成 为 可 能 。 这 对 于 在 精细 的 分 子 水 平 上 了 解 基因 材料 的 复制 和 表达 方面 有 非常 重要 的 进展 。 重组 DNA 是 一 种 含有 不 同 生 物体 DNA 片段 的 人 造 分 子 。 如 果 其 中 的 一 个 片段 携带 复 制 起 点 , 重 组 或 接合 分 子 就 具有 在 识别 这 个 起 点 的 生物 体内 复制 的 潜力 。 在 这 样 一 种 情况 下 , 携 带 起 点 的 、 能 够 复制 的 片段 即 指 载体 。 Pl 16.16 重组 DNA 分 子 可 通过 几 种 方法 得 到 。 其 中 最 常用 的 一 种 是 利用 像 EcoRI 那样 的 II 型 限 制 性 内 切 核 酸 酶 作用 产生 的 DNA HABER, KBP HARSHER SRE (第 7 章 )。 在 合适 的 温度 和 离子 强度 下 , 这 些 短 的 单 链 末端 自动 地 通过 碱 基 互 补 配 对 原则 与 另 一 些 片 段 连接 , 这 个 过 程 成 为 退火 (图 16 -21)。 重 组 连接 的 分 子 依靠 四 个 碱 基 对 而 结 合 , 但 每 一 条 链 上 都 有 一 个 切口 , 它 们 可 被 连接 酶 连接 。 第 16 章 ”遗传 物质 的 保持 和 复制 一 一 一 一 AT 一 一 一 一 > CT TAAG 一 个 EcoRI 5 G pea: 3 3 CTTAA G 5 \ 退火 图 16-21 通过 由 EcoRI MEH BBR aH WEA SEMA DNA 退火 问题 : DNA 片段 是 怎样 连接 到 适合 的 载体 上 的 ? 最 常 使 用 的 载体 为 细菌 质粒 。 它 们 是 3 一 100kb 的 小 的 环 状 DNA 分 子 。 环 状 对 它们 的 复制 非常 重 要 。 如 果 一 个 质粒 只 有 一 个 EcoRI 的 酶 切 位 点 , 获 得 的 线性 分 子 就 可 与 通过 EcoRI 酶 切 的 其 他 DNA 片 有 段 退 火 , 这 样 就 产生 了 一 个 由 DNA 连接 酶 连接 的 环 状 接合 分 子 (图 16 - 22)。 环 状 接合 分 子 可 通过 转化 而 引入 合适 的 宿主 例如 E. coli 中 , 这 个 过 程 涉及 在 低温 下 用 CaCl (允许 DNA 的 吸收 ) 处 理 细菌 细 胞 、 以 及 随后 在 合适 条 件 下 温 育 DNA。 在 载体 控制 下 , 外 源 DNA 就 可 复制 。 如 果 外 源 DNA 携带 了 一 个 完整 的 基因 , 这 个 基因 就 可 能 在 细菌 中 表达 。 人 类 胰岛 素 在 细菌 细胞 中 的 大 量 生产 就 是 通过 这 种 方法 实 现 的 。 有 时 , 上 述 全 部 技术 即 指 基 因 克 隆 。 质粒 被 克隆 的 织 体 DNA orm Je ee --" SSK ee, ww ”= 一 一 一 一 - - 一 一 一 一 一 一 EcoRI DNA 连 接 酶 作用 的 退火 和 连接 GAA ern? I Al 16-22 一 个 接合 或 重组 DNA 分 子 的 形成 步骤 * S95: ° * 396 - 生物 化 学 16.12 聚合 酶 链 反 应 问题 : 怎样 能 获得 足够 的 特定 DNA 的 样品 以 测定 其 性 质 ? 可 以 通过 使 用 聚合 酶 链 反 应 (PCR) 而 完成 。 PCR 提供 了 一 种 大 量 产 生 特异 DNA 序列 的 双 链 拷贝 的 途径 。 获 得 的 拷贝 典型 的 长 度 为 1kb, 但 经 过 特异 性 修饰 , 能 得 到 更 长 的 反应 产物 。 聚合 酶 链 反 应 要 用 到 : @ 一 种 耐 热 的 DNA 聚合 酶 , 例 如 耐 热 的 栖 热 水 生 菌 来 源 的 Taq RAB; @ 将 要 扩 增 的 DNA 模板 ; @ 两 个 引物 , 每 个 大 约 20 个 核 苷 酸 并 且 能 与 靶 互 补 链 的 不 同 部 位 退火 , 以 及 作为 DNA 聚合 酶 作用 的 开始 位 点 ; 田 一 种 包含 四 种 脱氧 核 背 三 磷酸 dATP, dCTP, dGTP 和 dTTP, Mg**. #270 pH 缓冲 液 的 溶液 。 PCR 利用 聚合 酶 产生 与 你 感 兴趣 的 DNA 区 域 相应 的 DNA 互补 拷贝 。 为 了 指导 酶 进行 正确 的 序列 反应 ,PCR RMF S| MSHA DNA 互补 序列 的 退火 。DNA 聚合 酶 不 能 重新 开始 DNA 的 合成 , 只 能 从 退火 引物 开始 延伸 DNA 链 。 反 应 混合 物 中 过 剩 的 引物 为 扩 增 产 物 的 产生 提供 了 充足 的 原材料 。 PCR 反应 包括 高 温 下 循环 利用 聚合 酶 , 高 温 将 导致 不 耐 热 酶 的 变性 , 因 此 , 经 常 并 典 型 使 用 的 为 一 种 耐 热 的 DNA 聚合 酶 , 即 Taq BABS. PCR 仅 有 三 个 步 又,@ 双 链 DNA HAH; @DNA 退火 和 @DNA 延伸 。 在 设计 好 的 机 制 即 热 循 环 周期 中 , 每 一 个 步骤 通常 在 不 同 温度 下 进行 。 链 式 反 应 中 的 一 个 典型 步骤 仅 需 几 分 钟 , 所 有 三 个 步 又 为 一 个 循环 周期 。 每 个 循环 周期 将 产生 大 约 两 倍 的 靶 DNA 分 子 , 如 下 所 示 。 典 型 的 PCR 反应 将 进行 超过 30 个 循环 。 如 果 每 一 个 周期 假定 产生 双 倍 的 靶 序 列 拷贝 , 那 么 经 过 30 个 周期 将 产生 上 亿 个 〈>10?) 特定 序 列 的 双 链 DNA 拷贝 。 在 变性 步骤 中 , 将 双 链 靶 DNA 加 热 到 OSC HESS BS, FE HEM EERE DNA. 在 退火 过 程 中 , 将 反应 混合 物 冷 却 使 引物 与 每 条 链 的 特定 位 点 退火 〈 结 合 )。 引 物 需要 实验 者 (以 及 自动 化 DNA 合成 仪 ) 仔细 选择 以 使 它们 与 靶 序 列 互补 , 退 火 温度 依赖 于 序列 中 碱 基 的 组 成 。 通 常温 度 选择 在 SOC 左右 。 两 个 引物 与 相对 的 链 退 火 , 与 扩 增 的 序列 相 接 , 通常 〈 并 不 总 是 ) 扩 增 序列 不 超过 几 个 kb。 正 是 这 些 引物 决定 了 PCR 的 特异 性 。 如 果 选 择 不 同 的 序列 作为 引物 , 那 么 就 会 得 到 扩 增 的 其 他 靶 序 列 。 延伸 过 程 往往 在 72 HEFT. Tag 聚合 酶 以 模板 依赖 方式 延伸 每 一 个 引物 的 3 羟基 末端 。 RANT AME DNA 产物 , 其 中 一 条 链 为 模板 , 另 一 条 链 为 新 合成 链 。 如 果 反 应 少 于 几 分 钟 , 那 么 合成 的 DNA 往往 少 于 几 个 kb。 这 表明 引物 位 点 分 离 的 选择 , 因 为 如 果 指 数 扩 增 连续 进行 , 那 么 任何 扩 增 材 料 必 须 包 含 一 个 允许 与 第 二 个 引物 退火 的 位 点 。 FP 16.17 | 图 16-23 说 明 一 个 样品 DNA F545 Ee, iB K fore It He, 53H HRM, 2) Aye 点 中 间 的 序列 以 一 系列 破 折 号 代表 。 一 个 双 链 DNA 分 子 (图 16 - 23 的 上 部 ) 事实 上 是 由 任意 序列 组 成 , 其 序列 长 度 可 变 (以 破 折 号 表示 ), 并 且 PCR 能 产生 这 个 DNA 分 子 的 许多 拷贝 。DNA 通过 提高 温度 而 变性 , 接着 引物 与 将 要 扩 增 的 区 域 的 相 邻 序列 退火 。 退 火 温度 与 朝 核 苷 酸 序列 有 关 , 如 果 两 个 引物 的 G+C 含量 大 致 相同 , 那 么 退火 发 生 于 相同 的 温度 。 每 一 个 引物 有 一 个 暴露 的 3 端 , 这 个 末端 通过 Tag DNA 聚合 酶 而 延伸 , 并 完成 每 一 条 单 链 模板 的 互补 链 的 合成 。 这 个 过 程 ( 称 作 周期 ) 就 会 重复 很 多 次 。 重 复 循环 导致 产生 精确 长 度 的 双 链 DNA 的 扩 增 产物 , 其 长 度 为 两 个 引物 的 $“ 末 端的 距离 。 Shi 16.18 图 16-24 表明 参与 两 个 周期 的 PCR RH DNA 产物 的 产生 步骤 。 每 一 条 DNA 链 和 引 物 用 实 线 表示 。 通 过 重复 三 个 步骤 的 循环 过 程 (变性 、 有 退火 和 延伸 ),PCR 产物 以 指数 形式 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 . 397 - ae PCR 方法 经 常用 于 小 量 原始 靶 序 列 的 检测 或 分 析 。 因 此 ,PCR 对 于 快速 鉴别 传染 介质 如 病毒 和 细菌 非常 有 用 , 在 法 医 工 作 中 , 证 据 样 品 可 能 非常 有 限 , 在 研究 中 , 特 异性 PCR 产物 可 于 测序 并 可 用 于 某 些 特殊 目的 。RNA 也 可 通过 提供 一 种 反 转 录 步 骤 (将 RNA 复制 为 DNA) 产生 互补 的 DNA 而 应 用 PCR 进行 检验 。 5 TGACGATACGAGCCAGTGCC------ GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG” » ACTGCTATGCTCGGTCACGG------ CCGACACCAGGTTCACAACC, ,, | > TGACGATACGAGCCAGTGCC- ----- GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG* 4 ACTGCTATGCTCGGTCACGG- - ---- CCGACACCAGGTTCACAACC,, |= 5 MGACGATACGAGCCAGTGCC 3 4 ACTGCTATGCTCGGTCACGG- - ---- CCGACACCAGGTTCACAACC,, 5 PGACGATACGAGCCAGTGCC ------ GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG” g CCGACACCAGGTTCACAACC , |= 5 TGACGATACGAGCCAGTGCC------ GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG” » ACTGCTATGCTCGGTCACGG------ CCGACACCAGGTTCACAACC,, 5 TGACGATACGAGCCAGTGCC------ GGCTGTGGTCCAAGTGTTGG? » ACTGCTATGCTCGGTCACGG------ CCGACACCAGGTTCACAACC,, 图 16-23 PCR 中 的 变性 、 退 火 和 延伸 过 程 问题 : 如 果 引 物 不 能 结合 到 靶 DNAPL, MA PCR 扩 增 还 能 进行 吗 ? 引物 的 退火 非常 重要 , 因 为 这 个 过 程 决 定 了 PCR 反应 的 特异 性 并 确定 了 将 要 扩 增 的 DNA 序列 。 如 果 两 个 引物 均 没 有 与 靶 序 列 结合 ,DNA 聚合 酶 就 不 能 延伸 DNA, 因 此 DNA 也 不 能 合成 。 如 果 仅 有 一 个 引物 与 靶 序 列 结合 , 那 么 扩 增 也 不 会 以 指数 形式 进行 。 如 果 PCR 成 功 , 必 须 两 个 引物 均 与 靶 序 列 结合 。 问题 : 为 什么 PCR 中 要 使 用 耐 热 的 DNA 聚合 酶 ? 通过 一 定 范围 的 高 温 循环 操作 , 许 多 常用 的 实验 室 酶 就 会 变性 。 当 在 最 高 温度 (95C) 下 分 离 两 条 DNA 链 时 更 是 这 种 情况 。 如 果 一 种 DNA 聚合 酶 不 是 耐 热 的 , 这 个 酶 就 会 变性 。 耐 热 性 DNA 聚合 酶 能 够 从 在 高 温 下 生长 的 生物 体 如 细菌 - 栖 热 水 生 菌 中 分 离 到 。 - 398 - 生物 化 学 | he ee 16-24 PCR 反应 问题 解答 DNA 的 半 保 留 复 制 16.1 16.3 当 应 用 于 DNA 复制 时 , 模 板 的 定义 是 什么 ? 答 : 模板 是 与 各 种 复制 酶 直接 结合 的 DNA 链 , 同 时 也 是 决定 新 合成 DNA 链 序 列 的 DNA 链 。 DNA 双 链 自身 不 能 进行 复制 。DNA 必须 解 旋 为 它 的 组 成 单 链 , 在 这 些 单 链 中 核 苷 酸 序列 通过 碱 基 配 对 而 复制 。 一 个 线性 双 链 DNA 分 子 经 过 连续 5 代 复 制 后 , 原 始 DNA 占 总 DNA 的 比例 是 多 少 ? pine 每 一 代 DNA 的 量 都 加 倍 。 因 此 , 连 续 5 代 后 DNA 量 将 是 原始 DNA 的 32 倍 (25)。 因此 , 原 始 DNA & & DNA AY 3.125%, 对 于 问题 16.2 中 的 情况 , 原 始 DNA 分 子 怎 样 在 后 代 分 子 中 分 配 ? Ike 后 代 由 32 个 分 子 组 成 。 原 始 〈 或 亲 代 ) DNA 分 子 的 两 条 单 链 仍 保 持 完整 。 每 一 条 分 别 为 两 个 后 代 双 链 DNA 分 子 中 的 一 条 单 链 。 ~ a eel =~: cs er CET 第 16 章 ”遗传 物质 的 保持 和 复制 DNA 复制 的 拓扑 学 16.4 ”一 种 复制 的 细菌 染色 体 以 称 作 q 的 结构 ( 因 其 在 电子 显 微 照相 中 的 形状 和 图 解 ) 存 在 , 其 上 部 闭合 部 分 代表 复制 部 分 , 或 复制 泡 。 为 什么 现在 复制 的 起 点 位 于 泡 的 每 个 臂 的 中 间 ? 答 : 细菌 染色 体 的 复制 在 某 一 独特 的 位 点 开始 , 即 起 点 。 复 制 又 以 几乎 相等 的 速率 从 这 个 位 点 分 开 。 最 终 , 起 点 完全 复制 并 且 每 一 个 子 代 的 起 点 仍 保留 在 复制 泡 的 中 部 。 这 与 单 向 复制 相反 , 后 者 仅 有 部 分 起 点 被 复制 , 并 且 当 复制 又 移动 离开 时 , 起 点 位 于 静止 的 复制 又 上 。 16.5 环 状 细菌 染色 体 和 线性 真 核 生物 染 色 体 在 复制 拓扑 学 上 有 何不 同 ? 答 : 主要 区 别 在 于 细菌 染色 体 复制 只 有 一 个 起 点 , 而 真 核 生 物 染 色 体 有 多 个 起 点 。 这 导致 前 者 产生 单个 复制 泡 , 而 真 核 生 物 染 色 体 产生 串联 排列 而 聚集 的 泡 。 在 细菌 中 , 从 一 个 起 点 开始 的 两 个 复制 又 在 终止 区 域 相遇 , 而 在 真 核 生 物 中 相遇 的 两 个 复制 又 是 从 相 邻 的 起 点 开始 。 DNA 复制 的 调控 16.6 细菌 在 什么 条 件 下 产生 多 又 染色 体 ? 答 , 多 又 细菌 染色 体 是 含有 超过 两 个 复制 又 的 染色 体 , 它 是 在 复制 泡 中 子 染 色 体 起 点 重新 开始 复制 的 结果 。 在 这 种 情况 下 , 复 制 周 期 可 在 更 短 的 时 间 内 完成 , 且 代 时 将 更 短 。 这 种 情况 通常 发 生 在 由 营养 富 集 培养 基 诱 导 的 快速 生长 条 件 下 。 16.7 在 什么 条 件 下 , 真 核 生物 的 部 分 染色 体 以 多 又 结构 存在 ? 答 : 与 细菌 中 的 情况 不 同 , 真 核 生物 染色 体 中 的 多 又 结构 并 非 因 提高 DNA 复制 速率 而 形 成 。 但 是 , 多 又 DNA 仅 在 真 核 染色 体 中 的 限制 性 区 域 出 现 , 它 导致 DNA (或 基因 ) 的 扩 增 , 且 仅 发 生 于 特殊 情况 下 。 16.8 细菌 中 染色 体 的 复制 可 分 为 三 个 阶段 , 其 中 哪 一 个 阶段 对 控制 整个 过 程 非 常 重要 ? 答 : 细菌 中 DNA 复制 的 三 个 阶段 为 起 始 、 延 伸 和 终止 。 复 制 的 控制 受 起 始 水 平 的 影响 , 因此 , 起 始 频率 决定 了 复制 周期 的 完成 频率 。 即 使 复制 的 整个 速率 变化 , 复 制 又 移动 (延伸 ) 的 速率 仍 保持 相当 的 恒定 。 目 前 没有 证 据 表明 终止 对 复制 速率 有 控制 。 DNA 复制 的 酶 学 16.9 辨别 DNA 聚合 酶 的 底 物 和 模板 。 答 : 底 物 经 过 化 学 修饰 , 包 括 四 种 脱氧 核 昔 三 磷酸 。 模 板 并 没有 经 历 变化 , 人 和 但 为 核 苷 酸 装 配 成 链 提供 了 序列 指导 。DNA 合成 的 模板 是 亲 代 单 链 DNA。 16.10 DNA 聚合 酶 IT 和 III 是 以 不 同 的 机 制 延伸 DNA 链 吗 ? 答 ; 不 是 。 所 有 的 DNA 聚合 酶 都 以 脱氧 核 苷 $ -三 磷酸 为 添加 新 核 苷 酸 单 位 , 每 次 一 个 , 添 加 在 生长 链 的 3“- 产 基 末 端 。DNA 聚合 酶 I 和 III 的 主要 区 别 在 于 它们 是 作用 于 复制 还 是 DNA 的 修复 合成 。 16.11 E. coli 的 DNA 聚 合 酶 I 为 一 个 多 功能 酶 , 这 人 句 话 意味 着 什么 ? * 400 - 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16 16.17 16.18 生物 化 学 答 : 由 一 条 多 肽 链 组 成 的 聚合 酶 [包含 三 个 不 同 的 活性 位 点 , 分 别 为 聚合 酶 、5 一 3 外 切 核酸 酶 和 3'->5' 外 切 核 酸 酶 。 每 一 种 活性 都 具有 一 个 重要 的 生物 学 作用 。S 一 3 外 切 核 酸 酶 活性 可 通过 酶 的 蛋白 水 解 断裂 作用 与 其 他 两 个 位 点 分 离 。 构成 DNA 聚合 酶 III 核心 酶 的 是 什么 ? 答 DNA 聚合 酶 III 在 细胞 内 为 10 条 多 肽 链 组 成 的 功能 性 复合 物 , 即 全 酶 。 其 亚 复 合 物 含有 其 中 的 三 条 多 肽 链 (ae、s 和 6), 它 们 能 迅速 分 离 并 展现 聚合 酶 的 活性 局 它们 被 称 作为 DNA 聚合 酶 III 的 核心 酶 。 我 们 能 从 不 连续 的 DNA 复制 领会 到 什么 ? 答 , y DNA 链 的 生长 发 生 在 复制 又 的 两 条 子 辟 上。 在 一 条 臂 上 , 链 的 生长 为 连续 的 〈5 一 3'), 与 复制 又 移动 方向 相同 。 在 另 一 条 臂 上 , 链 的 生长 以 分 离 的 短片 段 (5 一 3 ) 进行 , 并 与 复制 又 移动 的 方向 相反 。 短 片段 (新 生 或 冈 崎 片段 ) 最 终 连 接 。 后 一 种 复制 即 为 不 连续 的 DNA 复制 。 DNA 复制 中 的 术语 前 导 链 和 后 随 链 的 含义 是 什么 ? 答 : 前 导 链 是 连续 合成 并 与 复制 又 移动 方向 相同 的 链 。 后 随 链 为 不 连续 侣 成 即 以 短片 段 合成 最 终 相连 接 并 与 复制 又 移动 方向 相反 的 链 。 E. coli 的 DNA 聚合 酶 [的 3 一 5 外 切 核酸 酶 的 作用 是 什么 ? 答 . a 它 具 有 校正 作用 。 不 正确 的 碱 基 (以 核 苷 酸 的 形式 ) 能 以 任意 的 低频 率 播 六 生长 的 DNA 链 中 。 这 是 四 个 碱 基 稀 有 的 拓扑 异 构 形 式 存在 的 结果 , 如 果 当 一 个 新 来 的 核 昔 酸 插入 链 的 瞬间 , 模 板 中 的 碱 基 变 为 其 拓扑 异 构 形式 , 就 将 导致 碱 基 配 对 的 错误 。 当 模 板 核 苷 酸 又 转变 为 它 的 主要 形式 , 就 产生 碱 基 对 错 配 的 结果 。3“ 一 $ 外 切 核 酸 酶 能 够 识别 错 配 碱 基 对 并 在 链 延 伸 之 前 催化 错误 核 苷 酸 从 链 的 末端 水 解除 去 。 DNA 聚合 酶 的 一 个 特殊 的 特征 是 没有 起 始 一 条 多 核 苷 酸 链 合成 的 能 力 , 它 们 仅 能 延 伸 一 个 已 存在 的 链 。 不 连续 合成 的 DNA 链 的 新 生 片 段 是 怎样 起 始 的 ? 答 : be 5 DNA 聚合 酶 不 同 ,RNA 聚合 酶 能 以 DNA ABR (417%) 起 始 合成 三 条 新 的 RNA 链 。DNA 聚合 酶 能 够 从 一 个 RNA 引物 延伸 DNA。 在 不 连续 DNA 链 的 生长 中 , 在 复制 又 开始 前 进 的 过 程 中 螺旋 解 旋 的 同时 , 已 . coli WAP TE S| AY 特殊 类 型 的 RNA 聚合 酶 以 相当 规则 的 碱 基 间距 放置 短 的 RNA 引 物 。 这 些 引 物 参 与 J DNA 聚合 酶 催化 的 新 生 DNA 链 合成 的 起 始 。 AEE. coli 中 的 整个 复制 过 程 中 ,DNA 聚合 酶 I 的 $ 一 3 外 切 核酸 酶 活性 的 功能 是 什么 ? 答 后 随 链 在 复制 又 以 不 连续 DNA 合成 方式 而 装配 新 DNA 链 的 过 程 中 ,DNA 聚合 酶 T 起 到 重要 作用 。DNA 聚合 酶 III 负责 每 一 个 新 生 DNA 片段 的 大 量 合成 。 通 过 DNA 聚合 酶 III 而 生长 的 链 中 , 当 SRNA 引物 与 邻近 的 DNA 片 段 相 遇 时 , 聚 合 酶 工 就 接 替 DNA 聚合 酶 III 发 挥 作用 , 它 可 通过 RNA 引物 区 域 继 续 DNA 链 的 延伸 8 这 种 情 况 下 , 通 过 DNA 聚合 酶 工 的 $ 一 3 外 切 核 酸 酶 活性 将 RNA 片段 切除 。 DNA 连接 酶 催化 的 反应 是 什么 ? EE DNA 复制 中 的 作用 是 什么 ? 答 DNA 连接 酶 催化 两 个 DNA 片段 的 共 价 结合 。 双 链 DNA 在 相 邻 的 S -磷酸 基 团 和 3“- 16.19 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 卷 基 之 间 形 成 磷酸 二 酯 键 。 换 名 话说 ,DNA 连接 酶 能 够 缝合 缺口 。 DNA 连接 酶 在 与 DNA 有 关 的 几 种 反应 中 均 有 重要 作用 。 在 复制 中 , 它 将 后 随 链 的 新 生 DNA 片段 相连 接 , 这 个 过 程 伴随 着 由 DNA ROS I fF WA DNA 代替 RNA 引物 的 过 程 。 什么 是 拓扑 异 构 酶 ? 它们 乍 样 参与 了 DNA 的 复制 过 程 ? Kee, 拓扑 异 构 酶 催化 DNA 的 一 种 拓扑 形式 向 另 一 种 拓扑 形式 转变 。 它 有 工 和 II 两 种 一 般 类 型 。 前 者 仅 切 断 双 链 DNA 中 的 一 条 链 , 而 后 者 两 条 链 均 可 切断 。 细 菌 来 源 的 DNA 回旋 酶 即 为 II 型 拓扑 异 构 酶 , 并 且 它 参与 了 DNA 的 复制 过 程 。 它 能 够 诱导 DNA 形成 负 超 螺旋 同样 也 可 以 松弛 正 超 螺旋 。 在 细菌 中 , 复制 周期 的 起 始 需 要 DNA 解 旋 酶 , 它 可 能 将 负 超 螺旋 引入 起 点 , 因 此 就 能 与 参与 起 始 的 酶 和 其 他 因子 相 结合 。 它 也 能 通过 在 复制 又 前 引入 负 超 螺旋 或 松弛 这 个 区 域 的 正 超 螺旋 而 促进 双 螺 旋 在 复制 又 的 解 旋 。 细菌 DNA 复制 的 起 始 16.20 16.21 细菌 中 , 通 过 术语 复制 周期 的 起 始 我 们 了 解 了 什么 ? 答 , A 细菌 中 DNA 的 复制 是 一 个 循环 过 程 , 其 含义 是 指 在 染色 体 起 点 (oriC) 上 , 复 制 的 起 始 以 一 定 的 时 间 间 距 循环 完成 , 而 时 间 间 距 依赖 于 生长 培养 基 的 丰富 程度 。 大 量 特殊 蛋白 质 和 酶 直接 参与 复制 的 起 始 , 但 并 不 参与 DNA 链 的 生长 。 一 旦 起 始 开 始 , 即 使 起 始 蛋白 质 或 酶 缺乏 , 复 制 循 环 将 也 进行 下 去 直到 复制 完成 。 但 在 这 些 酶 和 因子 的 缺乏 情况 下 , 将 没有 新 的 循环 开始 。 在 细菌 中 RNA 聚合 酶 和 引发 酶 在 DNA 复制 过 程 中 的 作用 的 区 别 是 什么 ? ® 这 两 个 酶 均 合 成 RNA。RNA 聚合 酶 受 药物 利 福 平 的 抑制 , 而 引发 酶 不 受 。 从 oriC 起 始 的 复制 周期 可 被 利 福 平 阻 断 , 因 此 起 始 需要 了 RNA 聚合 酶 。 而 另 一 方面 引发 酶 在 后 来 的 延伸 或 链 生 长 阶段 参与 了 后 随 链 新 生 片 段 的 起 始 。 这 个 阶段 不 受 利 福 平 的 影响 。 因 此 , 这 两 个 酶 , 尽 管 都 是 催化 RNA 的 合成 , 但 在 DNA 复制 过 程 中 的 作用 却 不 相同 。 细菌 DNA 复制 的 终止 16.22 术语 复制 又 陷阱 的 含义 是 什么 ? ee EAKMBREAR CRNA, BhAAXLEALKRHAREK, ENFEX 止 区 域 以 外 的 区 域 相 和 遇 非 常 重要 。 伸 展 的 终止 区 域 有 六 个 能 与 终止 蛋白 结合 并 捕获 复制 又 的 终止 子 (DNA 序 列 )。 这 些 终止 子 分 为 相对 的 两 组 , 每 组 三 个 , 复 制 又 只 能 进入 终止 区 域 但 却 不 能 离开 。 这 种 在 终止 区 域 的 终止 子 的 结构 即 规定 为 复制 又 陷 阱 。 真 核 生 物 中 DNA 复制 的 起 始 、 延 伸 和 终止 16.23 为 什么 哺乳 动物 细胞 内 的 DNA 聚合 酶 的 种 类 比 细菌 细胞 中 的 多 ? 答 : 在 细菌 细胞 中 , 有 两 种 不 同 的 DNA 聚合 酶 (8 和 a)j 参与 核 DNA 的 复制 。 然 而 在 哺 乳 动物 细胞 中 , 一 种 不 同 的 DNA RGB (8) 参与 核 DNA 的 复制 , 线 粒 体 的 DNA 复制 有 其 自己 的 聚合 酶 。 “401 , . 402+ 16.24 生物 化 学 为 什么 真 核 生物 含 有 端 粒 酶 , 而 已 .coli 中 却 没有 ? 答 : 端 粒 酶 对 复制 和 维持 真 核 生物 线 性 染色 体 未 端 完 整 性 有 特殊 作用 。 而 在 瓦 .coli 的 DNA 中 没有 这 样 的 末端 。 DNA 复制 的 抑制 剂 16.25 16.26 HUA 2’, 3’-ddCTP 能 抑制 DNA 聚合 酶 I 的 作用 ? 答 : DNA 聚合 酶 IT 催化 2,3“- ddCTP 的 单 磷酸 添加 到 生长 链 的 3'-- 卷 基 末 端 , 并 与 模 板 DNA 链 的 鸟 味 吟 相对 。 生 长 链 因 此 缺乏 3“ 拳 基 末 端 , 阻 止 核 苷 酸 单位 的 进一步 添加 。 2’, 3’—ddCTP 将 会 阻止 DNA 聚合 酶 I 催 化 的 d (AT), 的 复制 吗 ? 答 : d (AT), 是 在 双 螺 旋 结 构 的 每 一 条 单 链 含有 交替 的 A 和 T 的 多 聚 脱氧 核 苷 酸 。 2’, 3’-ddCTP 对 DNA 聚合 酶 工 催化 的 这 样 的 链 没 有 影响 , 因为 模板 链 上 没有 GK 基 与 之 相对 , 所 以 这 个 链 末端 抑制 剂 无 法 与 G 配对 。 DNA 损伤 的 修复 16.27 16.28 DNA 复制 和 DNA 修复 合成 的 区 别 是 什么 ? 答 : 复制 指 通过 完整 染色 体 的 模板 DNA 链 进行 复制 而 繁殖 的 过 程 。 在 这 种 情况 下 , DNA 合成 为 广泛 的 复制 。DNA 的 修复 合成 指 校正 分 离 的 DNA 的 损伤 (由 物理 或 化 学 处 理 而 引起 )。 在 这 种 情况 下 ,DNA 的 合成 限制 在 损伤 的 邻近 区 域 , 并 且 范 围 非 常 小 。 在 细菌 中 , 在 uv 诱导 的 损伤 的 切除 修复 过 程 中 , 什 么 酶 参与 了 去 除 损伤 DNA 的 部 分 ? 答 : 有 四 个 酶 直接 参与 , 它 们 是 UvrABC 内 切 核 酸 酶 、 解 旋 酶 、DNA RA I DNA 连接 酶 。 第 一 个 酶 切断 DNA 链 中 胸腺 喀 喧 二 聚 体 的 两 端 。 第 二 个 酶 将 含有 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 单 链 核 苷 酸 片段 除去 。DNA 聚合 酶 工 合成 新 DNA UMRAO, 而 DNA 连接 酶 将 切口 连接 。 DNA 的 重组 和 基因 的 分 离 16.29 16.30 重组 质粒 DNA 分 子 的 什么 特征 对 其 在 宿主 细胞 中 复制 有 重要 作用 ? 答 , (=) 首先 , 重 组 质粒 DNA 必须 携带 能 在 特定 宿主 中 发 挥 作 用 的 复制 起 点 。 其 次 , = 质粒 DNA 分 子 必 须 为 环 状 或 具有 环 化 的 能 力 。 人 类 DNA 携带 为 特定 蛋白 编码 的 基因 的 片段 已 被 克隆 到 细菌 细胞 中 , 人 类 基因 会 在 细菌 细胞 中 表达 码 ? 答 人 类 基因 随 着 重组 DNA 载体 而 复制 , 但 它 不 一 定 会 表达 。 只 有 当 重 组 分 子 像 mRNA 那样 转录 并 接着 翻译 成 蛋白 质 时 才 会 表达 。 对 于 转录 , 基 因 必 须 位 于 细菌 启动 子 的 附近 。 而 成 功 的 翻译 , 基 因 必 须 没 有 内 含 子 (第 17 章 ), 且 其 转录 物 必 须 在 合适 的 位 置 含有 一 个 细菌 核糖 体 结合 位 点 (第 17 章 )。 第 16 章 遗传 物质 的 保持 和 复制 “403 , 聚合 酶 链 反 应 16.31 16.32 16.33 16.34 16.35 16.36 16.37 16.38 16.39 16.40 16.41 16.42 16.43 16.44 16.45 为 什么 在 一 个 PCR 反应 混合 物 中 的 两 个 引物 最 好 具有 相似 的 G+C 含 量 ? As 。 PCR H&E RRMA MR DNA 链 互 补 序列 的 精确 识别 。 提 高 退火 温度 是 调整 这 种 专 一 性 的 一 个 途径 , 这 样 只 有 高 互补 性 的 区 域 能 够 结合 。 如 果 引 物 的 G+C 含 量 不 同 , 以 两 种 引物 合成 的 DNA 将 有 不 同 的 解 链 温 度 , 因 此 解 链 需 在 不 同 的 严格 要 求 下 进行 。 PCR 怎样 被 用 于 在 一 段 DNA 序列 中 引入 突变 ? Mee , 在 PCR 的 延伸 期 可 引入 错误 , 因 为 热 稳定 性 DNA 聚合 酶 具有 特殊 的 复制 忠实 性 , 但 在 体外 没有 “校正 ”活性 。 除 这 种 情况 之 外 , 通 过 将 错误 碱 基 掺 入 一 个 或 两 个 引 物 中 ,PCR 产物 中 也 会 引入 突变 。 在 PCR 的 第 一 个 循环 中 , 错 配 发 生 将 很 轻微 , 但 作为 半 保 留 DNA 合成 的 简单 结果 , 接 下 去 的 产物 将 掺 入 变化 的 序列 。 人 们 在 学 习 PCR 时 常 犯 的 错误 是 什么 ? ® AN 451 WEA. PCREEANIM, HHAAESATHMHMAB, ALE 们 的 序列 不 同 。 在 溶液 中 要 有 大 量 的 引物 (HE), URAB-TRMRELG NGI 物 。 每 一 个 PCR 产物 在 其 $ 末端 均 有 一 个 提供 的 引物 。 补充 问题 (a) DNA 单 向 复制 的 含义 是 什么 ? (b) 以 滚 环 机 制 进行 的 复制 是 单 向 还 是 双向 ? 细胞 周期 的 DNA 合成 (S) 期 在 某 些 真 核 生物 的 细胞 中 非常 短 (<20min)。 什 么 样 的 过 程 允 许 所 有 染色 体 DNA 可 以 这 样 快 速 合 成 ? (提示 : 与 复制 子 的 大 小 有 关 。) E. coli 的 DNA 聚合 酶 I 的 三 种 酶 活性 在 整个 复制 过 程 中 均 用 到 。 请 描述 其 各 种 活 性 在 DNA 复制 过 程 中 的 作用 。 在 细菌 染色 体 中 ,DNA 链 生长 的 引发 发 生 在 超过 1 个 固定 的 位 置 , 这 个 位 置 是 什 么 ? DNA 回旋 酶 通过 何 种 方式 帮助 在 复制 又 上 的 DNA 进行 解 旋 ? DNA 解 旋 酶 是 一 个 拓扑 异 构 酶 吗 ? DNA 链 切 口 末端 的 什么 特征 对 DNA 连接 酶 的 连接 很 必要 ? DNA 聚合 酶 的 校正 功能 的 含义 是 什么 ? 为 在 双 螺 旋 DNA 的 复制 起 点 复制 泡 的 产生 设计 一 个 蛋白 质 (BR) 介 导 的 可 能 序列 。 dna 突变 的 含义 是 什么 ? 氟 脱 氧 尿 苷 酸 能 够 阻止 DNA 链 的 起 始 吗 ? 其 结构 为 O a ee H D 脱氧 核糖 ”5 -磷酸 在 细菌 中 , 一 个 RNA 聚合 酶 的 抑制 剂 能 抑制 DNA 的 复制 吗 ? 生物 化 学 16.46 eo 聚 体 的 形成 , 这 个 能 够 给 双 螺 旋 DNA 的 互 - 补 链 带 来 交 合 吗 ? | 16.47 ees coli #, DNA 复制 和 DNA 损伤 的 切除 修复 过 程 中 共同 作用 的 酶 是 什么 ?” 16.48 切除 修复 是 从 DNA 上 除去 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 惟一 方法 吗 ? :# 16.49 环 状 双 螺 旋 DNA 的 什么 特征 对 其 作为 DNA 克隆 载体 很 重要 ? +% 33 16.50 在 PCR 过 程 中 , cabana inecetaliptalimpye Rae A a ay GR AY me % a “wr Pee etek Hes 7 SS R'E i OST AST Rees Wows e+ — eee eS) Yes eR 2) SRK PACKS RS 号 轩 区 1 ea. Set pe Shee rd SER id) Se MSH GlaicOS>) BRST AS NR Re CARMA Oi 75h) Te Se and ae Sm Sy aecee w t ERE PREP: RE ee PR a) ae mand | ga WRAENT SoM GAR T i VSS Se 1S eae A 冲 y PMY RAV Ml SS ERRA AAG f SOUPS $7 GET SU BP SES Pa tS AMG PIES a a “SSE BeBe i OF SCRAP aS) Gh) RoE - Hes eee aaa aves | Shay Th ie heh Ue 35 O29 AYO 7) WS oh ae Fe OCR EEE E EEE EEE EEE EE EEE EEE EEE E TE EE EEE EEEE EEE EEE EE EEEHEEEE EE EEE EEE EEE EEEHEEH EE EH EEE EEEEEEEEEEHEE HEHE 多 数 基 因 最 终 可 表达 为 蛋白 质 (第 16 章 ), 这 一 完整 的 过 程 被 称 为 基因 表达 。 在 这 个 过 程 中 ,DNA 中 的 一 段 脱 氧 核 苷 酸 序列 ( 即 基因 ) 首先 被 转录 为 RNA (信使 RNA 或 mRNA) 中 一 段 核糖 核 苷 酸 序 列 , 进 而 , 它 又 被 翻译 为 一 个 限定 长 度 多 肽 中 的 氨基 酸 序 列 。 后 者 的 氢 基 酸 序列 决定 着 该 分 子 成 为 有 生物 学 活性 蛋白 质 的 自我 折 县 方式 。 在 细菌 细胞 中 , 没 有 膜 包 庄 着 DNA 拟 核 ,DNA 的 转录 和 RNA 的 翻译 是 在 同一 细胞 空 间 进 行 的 。 在 真 核 细胞 中 , 核 有 膜 包 庄 (第 1 章 ), 转 录 发 生 在 细胞 核 内 , 而 mRNA 必须 被 转 至 细胞 质 中 才能 被 翻译 。 通 常 , 翻 译 的 最 初 多肽 产物 后 来 会 被 修饰 , 有 时 为 了 使 其 能 够 被 转运 到 细胞 外 , 这 种 修饰 也 可 发 生 在 其 转运 的 过 程 中 。 单 链 mRNA 中 核 苷 酸 序列 的 装配 依赖 于 与 含有 基因 的 双 链 DNA 中 的 一 条 链 的 碱 基 互 补 配对 原则 。 双 链 DNA 中 与 其 mRNA 具有 相同 序列 (RT TRE UWS) 的 一 条 单 链 称 为 编码 链 或 有 义 链 。 双 链 DNA 中 另外 一 条 作为 转录 模板 的 链 称 为 模板 链 或 反 义 链 。 有 些 教科 书 中 没有 如 此 定义 “有 义 链 ”和 “ 反 义 链 ”, 因 此 , 当 涉及 某 一 特定 的 链 时 , 使 用 “编码 链 ” 和 “模板 链 ” 也 许 更 为 合适 。 遗传 密码 是 把 mRNA 中 的 核 苷 酸 序列 转换 为 多 肽 中 氨基 酸 序列 的 基础 。 遗 传 密码 描述 了 可 被 读 解 为 个 别 的 氨基 酸 (有 20 种 氨基酸 ) 的 各 种 核 苷 酸 组 合 (DNA 或 RNA 中 只 有 四 PAAR). £19 世纪 60 和 年代, 遗传 密码 的 性 质 被 前 明 。 17.2 遗传 密码 因为 只 有 四 种 核 苷 酸 和 20 种 氨基 酸 , 要 定义 每 一 个 氨基 酸 至 少 要 有 3 TRE RAM 个 组 合 。 基 于 2 个 核 苷 酸 构成 的 密码 只 可 提供 4 或 16 个 组 合 , 这 是 不 够 的 。 关 于 每 一 个 氢 基 酸 的 密码 子 是 由 3 个 核 苷 酸 构成 的 证 据 来 自 于 通过 对 某 一 基因 删除 或 添加 核 苷 酸 后 对 其 多 肽 产物 影响 的 遗传 学 研究 。 问题 : 三 核 苷 酸 密码 可 提供 4 或 64 个 密码 子 。 额 外 的 密码 子 被 使 用 吗 ? 是 的 , 它 们 全 被 使 用 。 多 数 情况 下 , 某 一 氨基 酸 有 两 个 以 上 的 密码 子 。 因 此 遗传 密码 是 简 并 的 。 Pl 17.1 分 析 表 17.1 中 密码 子 的 功能 分 配 , 密 码 的 简 并 性 非常 明显 。 例 如 : 对 于 亮 氨 酸 有 六 个 密码 子 。 要 注意 每 一 个 三 联 体 核 音 酸 成 分 被 写成 mRNA F 4 KFRM (BF A, U, C, G; 见 第 7 章 )。 第 一 位 置 表示 三 联 体 5 MH RGM, FADRMIRAH, SRR 事实 , 即 : 在 核 音 酸 链 的 这 个 末端 , 最 后 一 个 核 音 酸 在 其 核糖 的 5 位 碳 原 子 上 没有 磷酸 二 酯 键 。3 表示 这 样 的 事实 , 即 : 在 核 音 酸 链 的 这 个 末端 , 最 后 一 个 核 音 酸 在 其 核糖 的 3 位 碳 原 子 上 没有 磷酸 二 酯 键 。 在 多 核 普 酸 链 的 内 部 , 相 邻 核 童 酸 的 S 端 和 3 端 相 互 被 研 酸 二 酯 键 aa * 406 - 生物 化 学 连 在 一 起 表 17.1 遗传 密码 的 密码 子 - 氨 基 酸 分 配 第 一 个 位 置 机 U res A G U 人 A G U ts A G U one A G x* CT= 链 终止 。 + CI= 链 起 始 。 问题 : 什么 是 蛋氨酸 的 密码 子 ? 办 lai lle dae aera 汪 4 有 一 个 密码 子 的 氨基 酸 当中 的 一 个 。 AG: 表 17.1 中 CI 的 含义 是 什么 ? 它 表示 链 的 起 始 , 并 表示 蛋氨酸 的 密码 子 (AUG) 定义 着 一 个 mRNA 上 的 翻译 部 分 的 开始 , 即 蛋 氨 酸 是 第 一 个 被 组 入 多 肽 链 的 氨基 酸 。GUG 通常 是 统 氢 酸 的 密码 子 , 在 少数 情况 下 它 可 取代 作为 链 起 始 的 密码 子 并 可 组 入 蛋氨酸 的 AUG ( 见 表 17.1)。 需 要 注意 的 是 : 一 个 新 生 多 肽 链 的 第 一 个 氨基 酸 总 是 蛋氨酸 (或 顷 氨 酸 ), 然 而 , 蛋 氢 酸 和 纺 氢 酸 也 可 出 现在 多 肽 链 当 中 。 问题 : 在 一 个 生长 的 多 肽 链 的 哪个 末端 , 即 N 端 或 C 端 , 可 发 现 起 始 氨基 酸 ? 它 总 是 被 组 入 N 端 , 因 为 链 的 装配 方向 是 N->C。 问题 : 在 形成 多 肽 链 的 mRNA 上 有 没有 相似 的 定义 终端 位 点 的 密码 子 ? 实际 上 有 三 个 有 此 功能 的 密码 子 。 它 们 是 UAA,UGA 和 UAG; 它们 表示 链 终止 (CT) [SRR ( 表 17.1), 终 止 密码 子 , 或 无 义 密码 子 。 SH 17.2 写 出 定义 一 个 氨基 酸 序列 为 Met-Leu-Arg-Asn-Ala-Val-Glu-Ser-Ile-Phe-Thr #4 42 4k #9 4& 糖 RK AF BR FF) 一 个 可 能 的 序列 如 下 5 AUG UUA CGU AAU GCU GUC GAA UCU AUU UGC UUU ACA UAA 3’ 注意 在 此 序列 的 开始 和 末尾 分 别 存在 起 始 和 终端 密 码 子 。 在 把 这 个 序列 〔 它 存在 于 一 个 较 长 的 mRNA 分 子 中 ) 翻译 为 氨基 酸 序 列 的 过 程 中 , 已 假定 密码 子 并 不 重 琶 。 这 已 被 实验 所 证 实 。 因 此 , 三 联 体 遗 传 密码 是 非 重 登 的 。 第 17 章 ”基因 表达 和 和 蛋白 质 合 成 问题 : 在 例 17.2 所 示 的 核糖 核 苷 酸 序列 中 , 从 第 11 位 A 开 始 , 通 过 合并 相 邻 的 两 个 三 联 体 可 形成 一 个 AUG 三 联 体 。 由 此 作为 一 个 可 选择 的 起 始 密码 子 而 起 作用 是 可 能 的 吗 ? 由 此 全 部 的 阅读 框 将 会 不 同 , 也 就 是 一 个 可 选择 的 三 联 体 的 序列 将 从 这 个 位 置 的 右边 开始 阅读 。 正 如 在 下 边 可 看 到 的 那样 , 在 mRNA 的 序列 中 位 于 上 游 的 洪 在 的 起 始 位 点 (如 : AUG) 决定 着 阅读 的 杠 Ro 问题 : 在 表 17.1 所 示 的 氨基 酸 密码 子 的 含义 在 所 有 生物 体 中 是 相同 的 吗 ? 遗传 密码 表 最 初 是 由 对 大 肠 杆菌 的 研究 所 证 实 的 , 现 在 , 已 经 知道 它 在 所 有 生物 中 均 是 相同 的 , 即 ; 它 是 通用 的 。 仅 有 的 例外 存在 于 一 些 物种 线粒体 中 的 少数 几 个 密码 子 。 17.3 细菌 中 的 DNA 转录 如 遗传 密码 和 关于 DNA 复制 分 子 机 制 的 资料 的 揭示 (第 16 章 ) 那样 , 现 在 的 关于 DNA 转录 产生 RNA 的 机 制 的 细节 知识 主要 也 是 依赖 于 对 细菌 , 特 别 是 大 肠 杆菌 的 研究 。 主 要 是 由 于 在 细菌 中 探讨 转录 现象 较为 方便 。 大 部 分 DNA 的 序列 可 被 转录 为 mRNA, 而 最 终 被 翻译 为 蛋白 质 。 然 而 ,RNA 数量 最 多 的 种 类 是 核糖 体 RNA (rRNA) 和 转移 RNA (tRNA), 它 们 不 编码 蛋白 质 而 在 翻译 的 过 程 中 起 作用 。 它 们 由 为 数 较 少 的 基因 (A rRNA 和 tRNA 基因 ) 大 量 的 转录 而 形成 。 在 细 菌 中 , 所 有 的 基因 转录 都 是 由 RNA 聚合 酶 参与 而 发 生 的 。 问题 : 由 RNA 聚 合 酶 催化 的 化 学 反应 的 特点 是 什么 ? 整个 反应 是 : nNTP E> (NMP),, + n PPi 它 使 用 四 个 核糖 核 苷 三 磷酸 (ATP, GTP, UTP 和 CTP) 聚合 成 一 个 RNA 链 , 其 序列 由 DNA 的 模 板 链 所 决定 。 核 苷 酸 的 添加 是 连续 的 , 磷 酸 二 酯 键 的 形成 机 制 与 有 关 DNA 聚合 酶 的 描述 相同 〈 见 第 16 章 , 图 16- 9)。RNA 链 生 成 的 方向 是 $ 3。RNA 聚合 酶 和 RNA 聚合 酶 之 间 的 一 个 重要 的 差别 是 前 者 在 合成 新 链 时 并 不 一 定 必须 要 有 引物 。 被 组 入 RNA 链 的 第 一 个 核 苷 酸 含 有 腺 味 叭 或 鸟 味 哈 , 并 保留 其 5 -三 磷酸 。 问题 : 在 染色 体 中 , 一 个 DNA 分 子 含有 许多 基因 , 因 此 当 一 个 特定 的 基因 被 转录 时 ,RNA 聚合 酶 就 必 须 “ 知 道 ”在 哪里 开始 。 这 是 如 何 实现 的 ? 为 了 转录 一 个 特定 的 序列 片段 ,RNA 聚合 酶 结合 在 DNA 中 由 模板 链 或 编码 链 所 定义 的 位 于 转录 起 始 位 点 上 游 〈( 即 在 $ 端 一 侧 ) 的 一 个 启动 子 上 。 许多 细菌 启动 子 的 序列 已 被 测定 , 且 发 现 : RNA 起 点 虽然 该 区 域 的 序列 在 所 有 例子 中 并 不 相同 , 然 | 而 , 有 两 个 位 于 起 始 位 点 第 10 和 35 KRM 8 5 CGTATGTTGTGTGGA 3 附近 的 片段 在 所 有 例子 的 比较 中 只 有 少许 不 同 , GCIATGGTTATTTCA 因而 分 别 可 以 界定 一 个 共有 序列 。 图 17 - 1 显示 baa on rece a 一 些 局 动 子 区 域 , 它 延至 第 一 个 或 =1I0 区 域 GTTTTCATGCCTCCA (下 划 线 者 )。 AO 区 域 也 被 称 为 Pribnow 框 TTATAATGGTTACAA ( 因 发 现 者 而 命名 ) 。 -10 0 另外 的 保守 区 域 是 中 心 位 于 起 始 位 点 上 游 第 35 碱 基 对 (bp) 的 位 置 ( 即 : -35bp)。 该 共有 图 17-1 ain Pribnow 框 序列 。 序列 是 TTGACA; 以 更 详细 形式 表示 该 序列 是 : 下 划 线 为 同 源 性 区 域 “407 , * +408 > 生物 化 学 工 82, Ts4, Gy, Ags; Csq, Ags (下 标 表 示 该 碱 基 出 现 的 百分数 )。- 10 和 -35 位 点 之 间 的 实际 序列 并 不 重要 , 而 二 位 点 间 的 距离 是 重要 的 ; 一 般 认 为 该 距离 对 于 RNA 聚合 酶 的 定位 是 至 关 重 要 的 。 问题 : RNA 聚合 酶 如 何 识别 启动 子 ? 细菌 的 RNA 聚合 酶 是 一 个 分 子 质量 为 480 000 的 多 亚 单 位 的 酶 。 四 个 亚 单位 ,B,B ,au 和 = (M, 分 别 为 130 000,160 000,36 500 和 86 000) HH BIA 1:1:2:1, METRA WH DEH 4 FE RNA R 合 酶 全 酶 。c 亚 单位 直接 参与 启动 子 的 识别 。 缺 乏 c 亚 单位 的 复合 物 称 为 RNA 聚合 酶 核心 酶 。 在 转录 开 始 时 ,c 亚 单位 引导 全 酶 到 启动 子 位 点 形成 二 元 复合 物 , 在 此 复合 物 中 存在 由 局 部 解 旋 的 DNA 双 链 形成 的 开放 启动 子 复合 物 。 这 是 整个 转录 循环 的 第 一 步 , 称 为 模板 结合 。 SH 17.3 转录 循环 如 图 17-2 所 示 。 (1) 模板 结合 F P 0 0 e 十 ahi 全 酶 a T be | (2) 链 起 始 Pj od P pppApN PppA e . NTP, 终止 因子 pppA CrP (4) RNA 链 终止 和 (NTP), 酶 释放 apis pppA + 下 (3) RNA 链 延长 图 17-2 细菌 中 的 转录 循环 。 对 于 一 个 单独 的 RNA 转录 物 ,P 和 工分 别 表 示 启 动 子 和 终止 位 点 。pppA 表示 三 磷酸 的 ATP 如 前 所 述 , 模板 结合 步骤 涉及 全 酶 通过 其 c 亚 单位 与 启动 子 相互 作用 形成 开放 启动 子 复 合 物 。RNA 链 的 起 始 可 通过 在 ATP (或 GTP) 和 下 一 个 核 并 酸 (由 模板 限定 ) 之 间 形 成 第 RR ARRUA, HP E-DAo MTOR, ppp, + pppN 一 pppgpN + PPi 接 下 来 ,a 亚 单位 被 释放 ; 如 有 关 DNA 聚合 酶 的 描述 (第 16%), Mit wKtmseee 续 地 添加 到 已 组 入 的 前 一 个 核 苷 酸 的 3- OH 上 ,RNA 链 被 延长 。 当 核心 酶 到 达 终 止 序列 时 , 转 录 被 终止 。 大 肠 杆 菌 中 有 两 类 终止 序列 已 被 确认 : 一 类 需要 一 个 称 为 p 的 额外 蛋白 质 来 影响 终止 ; 而 另外 一 类 并 不 需要 。 终 止 序列 相当 长 (长 至 50 核 音 酸 ) 并 通过 形成 单 链 RNA 转录 物 上 发 卡 结构 而 起 作用 。 发 卡 结构 说 明 存 在 反 转 重复 序列 , 该 反 转 重复 序列 可 使 RNA 链 自身 折 司 并 通过 互补 碱 基 配 对 形成 稳定 结构 。 随 着 RNA 转录 物 的 释放 , 核 心 酶 也 被 释放 , 它 与 6 亚 单 位 相互 作用 后 , 可 重新 被 利用 于 下 一 步 转录 循环 。 在 终止 位 点 释放 的 第 17 章 ”基因 表达 和 和 蛋白 质 合 成 RNA 称 为 初级 转录 物 , 因 为 在 某 些 情况 下 , 在 其 后 的 使 用 之 前 , 它 需要 修饰 。 问题 : 细菌 中 一 个 单独 的 RNA 转录 物 能 携带 一 个 以 上 的 基因 信息 吗 ? 是 的 。 许 多 相 邻 的 基因 可 由 一 个 单独 的 启动 子 转录 形成 一 个 携带 这 些 基因 全 部 信息 的 RNA 分 子 。 如 果 该 信息 像 通 常 那样 是 要 被 表达 成 蛋白 质 的 , 则 该 单独 的 RNA 分 子 被 称 为 多 顺 反 子 mRNA (一 个 顺 反 子 是 相对 于 一 个 基因 的 遗传 单位 )。rRNA 和 tRNA 基因 组 合 通常 作为 一 个 单独 单位 被 转录 。 在 这 些 情 况 中 , 初 级 转录 物 被 修饰 并 最 终 被 核酸 酶 剪 切 生成 个 别 的 rRNA 和 tRNA 分 子 。 这 是 一 个 初级 转录 物 加 工 的 例子 , 与 原核 生物 相 比 , 该 加 工 过 程 在 真 核 生 物 中 更 为 常见 。 17.4 真 核 生 物 中 的 DNA 转录 真 核 生物 中 的 转录 的 基本 过 程 与 原核 生物 中 的 相似 , 但 是 , 存 在 着 重要 的 差异 。 问题 : 与 真 核 生 物 转录 有 关 的 RNA 聚合 酶 只 有 一 种 类 型 吗 ? 不 是 。 真 核 生 物 RNA 聚合 酶 已 从 许多 组 织 分 离 出 来 , 并 且 在 所 有 情况 下 , 在 细胞 核 中 发 现 了 三 种 不 同 的 酶 。 它 们 都 含有 许多 多 肽 亚 单位 和 复杂 的 结构 。 已 知 了 NA 聚合 酶 [ 特异 地 与 FRNA 基因 的 转录 有 关 。RNA 聚合 酶 II 可 生成 转录 物 , 该 转录 物 最 终 被 加 工 成 mRNA。RNA 聚合 酶 III 负责 tRNA 基因 的 转录 和 一 种 小 的 核糖 体 RNA 基因 (ER SS RNA) 转录 。 这 三 种 聚合 酶 可 根据 他 们 对 药物 v BAAR (和 鬼 笔 忽 总 蘑菇 毒素 ) 的 不 同 的 敏感 性 来 相互 区 别 (该 药物 对 细菌 RNA RGM), RNAS II 对 - 鹅 膏 草 碱 非常 敏感 , 而 RNA 聚合 酶 I 可 完全 抵抗 该 药物 的 作用 。RNA 聚合 酶 III 对 该 抑制 物 中 度 敏感 。 线 粒 体 含 有 其 他 类 型 的 RNA 聚合 酶 , 该 类 酶 不 受 oe - 鹅 膏 草 碱 的 影响 , 而 对 抑制 细菌 RNA 聚合 酶 的 药物 敏感 。 真 核 生 物 RNA 聚合 酶 不 同 亚 单位 的 作用 还 不 清楚 , 但 推测 其 中 可 能 有 与 细菌 识别 启动 子 位 点 的 ec 因 子 类 似 的 亚 单 位 。 如 同 细菌 启动 子 那样 , 转 录 起 始 位 点 上 游 的 同 源 性 已 被 确 认 。 三 种 类 型 的 RNA 聚合 酶 的 每 一 种 识别 不 同类 型 的 启动 子 。RNA 聚合 酶 I 识 别 的 启动 子 是 由 两 部 分 构成 的 , 即 : 它 是 由 被 隔 开 约 70bp 的 两 个 保守 区 域 构成 。RNA 聚合 酶 III 的 启 动 子 位 于 转录 区 域 + SS$bp 附近 。RNA 聚合 酶 II 的 启动 子 非常 复杂 并 且 种 类 繁多 。 通 过 RNA RAH II 转录 的 基因 是 那些 产生 蛋白质 的 基因 , 而 且 这 些 蛋 白质 多 数 是 一 个 特定 的 细 - 胞 类 型 所 特有 的 。 也 许 大 多 数 〈 并 不 是 所 有 的 ) 高 保守 区 域 位 于 - 25Sbp。 该 共有 序列 表示 为 TATA 或 Hogness 框 。 在 此 上 游 ( 沿 编码 链 向 $ 方 向) 通常 有 许多 较 少 保守 的 区 域 , 它 决定 着 基因 将 在 何 时 , 何 地 及 以 何 样 的 频 度 被 转录 。 真 核 细胞 中 , 远 离 转 录 起 点 60kb 的 DNA 的 区 域 可 影响 基因 转录 的 水 平 。 这 些 区 域 被 称 为 增强 子 。 它 们 可 在 任意 方位 上 起 作用 , 并 且 位 于 基因 的 5 端 或 3" 端 。 17.5 转录 因子 RNA 聚合 酶 需要 辅助 因子 (RAR) 激活 转录 ; 它们 被 称 为 转录 因子 。 酶 与 这 些 因子 共同 构成 基本 的 转录 装置 。 对 于 一 个 被 RNA RA BB II 转录 并 在 所 有 类 型 细胞 中 表达 的 基因 , 一 些 基本 的 因子 的 某 些 细节 已 被 阐明。 这 些 因 子 被 表示 为 TFIIX, 此 处 的 X 意 为 特定 的 因子 , 如 : TFIIA, TFI- IB, “47 (117-3). RNA 3 GB IT 的 启动 子 被 识别 的 效率 和 特异 性 依赖 于 位 于 TATA 框 $ 方向 上 更 远 的 短 * 409 - * 410 > 生物 化 学 TFIB Eee 妆 PolII ea — > TFIIE Loo 图 17-3 基本 的 转录 复合 物 的 装配 序列 , 该 短 序列 通过 更 特 化 的 转录 因子 被 识别 。 这 些 位 点 的 结合 和 位 置 依 启 动 子 不 同 而 不 同 。 大 多 数 RNA 聚合 酶 II 启动 子 包含 六 个 以 上 这 样 的 位 点 , 并 且 它 们 位 于 转录 起 点 附近 。 这 些 当中 有 些 相 当 普遍 , 并 且 它 们 与 所 有 类 型 细胞 中 存在 的 转录 因子 结合 ( 表 17.2)。 这 些 因 子 以 某 种 方式 改变 RNA 聚合 酶 II 转录 基因 复合 物 的 能 力 。 #17.2 某 些 常见 的 转录 因子 增强 子 的 序列 分 析 发 现 : 它们 含有 许多 与 启 动 子 存在 的 和 结合 转录 因子 的 序列 同样 的 保守 下 列 (TATA 框 除外 )。 TATAA CTF/NF-1| | CCAATC 普遍 转录 因子 必须 识别 和 结合 在 启动 子 和 增强 子 SP1 GGGCGG 普遍 上 的 特异 靶 DNA 序列 上 。 它 们 亦 一 定 活化 转 Octl ATTTGCAT 普遍 录 。 与 这 些 不 同 功能 有 关 的 蛋白 质 的 部 分 通常 存 Oct2 ATTTGCAT 普遍 在 完全 独立 的 结构 域 。 有 许多 类 型 的 DNA 结合 NFKB_ | GGGACTTTC 淋巴 细胞 的 结构 域 。 也 许 了 解 得 最 清楚 的 是 锌 指 , 在 锌 指 中 一 些 保 守 的 氨基 酸 与 锌 离子 结合 。 对 该 活化 的 结构 域 了 解 较 少 。 一 般 认 为 , 它 们 与 其 他 的 转录 因子 和 (或 ) RNA 聚合 酶 的 重 昌 质 /蛋白 质 相 互 作用 有 关 。 AGATAG 问题 : 基因 存在 于 所 有 细胞 的 细胞 核 中 , 如 何 产生 只 限于 某 一 组 织 的 组 织 特异 的 蛋白 质 ? 大 多 数组 织 特异 基因 表达 的 调控 发 生 在 转录 水 平 ; 这 是 通过 组 织 特异 转录 因子 实现 的 。 例 如 : 那些 在 红细胞 中 被 表达 的 所 有 基因 (如 : 珠 蛋 白 - 血 影 蛋白 - 促 红 细胞 生成 素 受 体 ) 在 它们 的 启动 子 中 有 -AGATA- 位 点 。 该 位 点 与 转录 因子 (A GATA-1) 结合 , 该 转录 因子 只 存在 于 红细胞 中 , 并 且 只 有 在 该 因子 存在 的 情况 下 局 动 子 才 起 作用 。 关于 启动 子 序列 需求 的 主要 信息 来 源 是 突变 。 启 动 子 中 的 突变 在 不 改变 基因 产物 的 情况 下 影响 其 所 控制 的 基因 表达 的 水 平 。 第 17 章 , 基 因 表 达 和 有 蛋 白质 合 成 问题 人 类 启动 子 有 突变 体 吗 ? 是 的 。 有 许多 人 类 疾病 起 因 于 重要 基因 启动 子 区 域 的 点 突变 。 例 如 : 地 中 海 贫血 是 一 种 遗传 性 疾 病 , 其 B- 珠 蛋白 基因 的 启动 子 的 突变 引起 该 蛋白 质 合 成 减少 并 终 而 导致 贫血 。 该 突变 常 与 其 局 动 子 对 正 向 转录 因子 的 亲和力 减少 有 关 。 问题 : 增强 子 如 何 对 距 其 较 远 的 启动 子 起 作用 ? 一 般 认 为 , 增 强 子 依 其 装配 与 蛋白 质 及 启动 子 相互 作用 的 转录 因子 复合 物 以 其 间 DNA 环 出 的 方式 而 起 作用 。 问题 : 组 蛋白 是 如 何 与 DNA 相互 作用 (形成 核 小 体 ) 影响 转录 的 ? 一 般 认 为 , 为 了 转录 的 进行 , 核 小 体 的 结构 必须 离 解 。 在 从 限定 的 区 域 进行 转录 情况 下 , 这 种 组 蛋 白 的 离 解 或 移 开 必须 是 特异 的 。 组 蛋白 通过 其 碱 性 氨基 酸 上 的 正 电荷 扎 DNA 相互 作用 。 已 建立 方法 用 于 除去 组 蛋白 , 其 原理 是 通过 化 学 修饰 减少 电荷 。 例 如 : 精 氨 酸 的 乙酰 化 可 除去 正 电 荷 , 而 磷酸 化 和 聚 腺 苷 二 磷酸 的 核糖 基 化 可 添加 负电 荷 。 在 最 后 的 过 程 中 , 聚 (ADP- 核糖 ) 合成 酶 催化 NAD 的 ADP- 核糖 部 分 向 组 蛋白 〈 也 向 染色 体 蛋 白质 中 非 组 蛋白 ) 的 转移 。 在 对 诸如 激素 刺激 那样 的 应 答 中 , 这 样 的 修饰 其 确切 的 影响 作用 还 不 清楚 。 问题 : 真 核 生物 中 的 转录 产生 多 顺 反 子 mRNA 吗 ? 不 。 而 且 与 细菌 中 的 情况 比较 , 这 是 个 标志 。 真 核 生 物 中 ,mRNA 是 单 顺 反 子 , 为 了 进行 翻译 它 必 须 被 转运 出 细胞 核 。 内 含 子 5 3' 有 - 珠 蛋 白 转 录 物 本 ss 了 修饰 与 剪接 os aoe eae 二 图 17-4 8B- 珠 蛋白 基因 中 内 含 子 与 外 显 子 的 排 布 17.6 RNA 转录 物 的 加 工 在 细菌 和 大 多 数 原 核 生 物 中 , 初 级 转录 物 提 供 了 可 进行 翻译 的 功能 性 mRNA. 7ERK 生物 中 , 绝 大 多 数 的 初级 转录 物 要 被 化 学 修饰 , 并 且 , 在 其 成 熟 为 功能 性 mRNA 之 前 , 其 中 的 某 些 序列 要 被 移 去 。 这 是 因为 : 将 被 表达 为 蛋白 质 的 真 核 生物 基 因 含有 不 被 翻译 的 插入 序列 〈 或 称 为 内 含 子 )。 在 初级 转录 物 的 水 平 , 这 些 要 被 切除 , 或 剪接 , 在 mRNA 中 留 下 与 可 翻译 片段 相应 的 部 分 。B 珠 蛋 白 基 因 的 图 示 如 图 17 - 4。 首先 生成 与 基因 全 长 相应 的 初级 转录 物 , 然 后 , 进 行 化 学 修饰 , 以 及 内 含 子 (B- 珠 蛋 AN BIS PERT) 通过 剪接 被 除去 。 初 级 转录 物 的 混合 物 存 在 于 细胞 核 中 , 一 般 称 其 为 核 内 不 均一 RNA (hnRNA)。 ,411 , 412° 生物 化 学 ” 问题 ; 在 初级 mRNA 转录 物 中 发 生 了 什么 修饰 作用 ? 1. 在 其 起 始 后 不 久 , 在 转录 物 的 $" 端 发 生 了 所 谓 的 “ 带 帽 ” 作 用 。 带 帽 作 用 的 第 一 个 步骤 , GTP 总 是 通过 一 个 三 磷酸 桥 加 在 鸟 味 吟 核 苷 酸 上 ;这 是 由 鸟 音 酸 转移 酶 催化 的 。 在 后 续 的 反应 中 ,已 加 上 的 鸟 嗓 叭 和 初级 转录 物 上 头 两 个 核 苷 酸 均 被 甲 基 化 。5“ 端 的 帽 在 结构 上 是 相当 复杂 的 , 它 在 后 续 的 翻译 过 程 的 起 始 方面 具有 重要 作用 。 2. 聚 腺 苷 化 在 转录 物 的 3' 端 添加 了 一 个 40 一 200 个 残 基 的 多 聚 (A) 尾巴 。 负 责 该 添加 作用 的 酶 是 多 聚 (A) 聚合 酶 。 多 聚 (A) 尾巴 的 功能 尚 不 清楚 。 如 果 要 形成 功能 信息 , 内 含 子 的 删除 必须 是 一 个 非常 精确 的 反应 。 在 基因 中 内 含 子 -外 显 子 的 连接 点 具有 共有 序列 。 有 迹象 显示 : 限制 在 细胞 核 内 的 小 RNA (snRNA), 其 中 至 少 有 一 些 在 拼接 的 连接 点 含有 与 共有 序列 互补 的 一 段 序列 , 由 此 , 跨 过 两 个 拼接 的 连接 点 形成 二 级 结构 使 相 邻 外 显 子 的 末端 并 列 , 进 而 为 加 工 酶 的 前 切 和 封 合 提供 了 一 个 框架 。MRNA 前 体 的 前 接 由 剪接 体 实施 , 该 前 接 体 是 由 一 组 核 内 小 核糖 核 蛋白 (snRNP) 构成 的 复合 物 。 (在 来 自 嗜 热 四 膜 虫 的 rRNA 例子 中 , 只 有 在 GTP 和 某 些 阳离子 存在 的 情况 下 , 一 个 单独 的 “ 内 含 子 被 剪接 。) Pil 17.4 从 一 个 典型 的 真 核 生 物 基 因 生 成 一 个 功能 性 的 mRNA 的 相关 步骤 如 图 17-S 所 示 5 在 此 图 示 中 , 我 们 假设 该 基因 有 六 个 内 含 子 , 以 A~F 表 示 ; 外 显 子 以 1 一 7 表示 。 对 于 具体 内 含 子 删除 的 一 个 限定 的 顺序 图 中 未 显示 。 L 1 lc DNA 3’ 初级 RNA 转 录 物 BONE AS FERS fp ee Ei ct RNA ERY 剪接 帆 i stata (A), mRNA 图 17-5 一 个 真 核 生物 RNA 转录 物 的 转录 和 加 工 成 为 mRNA 的 步骤 问题 : 大 多 数 真 核 生 物 基因 中 存在 内 含 子 的 原因 是 什么 ? 内 含 子 确切 的 功能 还 不 清楚 。 然 而 , 一 些 证 据 显示 : 外 显 子 或 编码 序列 在 最 后 的 蛋白 质 产 物 中 形成 结构 域 。 因 此 , 人 们 认为 : 断裂 基因 , 如 和 人们 所 称 , 可 反映 一 个 进化 的 过 程 , 在 此 过 程 中 , 多 种 外 显 子 的 结合 可 通过 不 同 的 蛋 日 结构 域 的 连接 产生 新 的 蛋白 质 。 第 17 章 , 基因 表达 和 和 蛋白质 合 成 - 413° 17.7 ”基因 组 的 组 构 基于 序列 的 整体 特性 , 真 核 生 物 DNA 可 被 分 为 三 种 类 型 : 高 度 重 复 序 列 , 中 度 重 复 序 列 和 非 重 复 序列 。 高 度 重 复 DNA 约 占 基 因 组 的 30%, 它 由 一 个 频繁 重复 的 简单 序列 构成 , 如 : …GATC- GATCGATC…。 它 出 现在 端 粒 和 着 丝 粒 , 并 且 不 被 转录 。 中 度 重复 DNA 约 占 基 因 组 的 30% 。 在 此 , 基 因 组 中 该 DNA 序列 本 身 就 比较 复杂 , 并 且 , 其 重复 的 频 度 较 小 , 大 概 是 100 次 。 核 蛋白 体 基 因 和 组 蛋白 基因 属于 此 类 。 非 重 复 DNA 约 占 基 因 组 的 40% 。 其 大 部 分 的 功能 是 未 知 的, 而 且 , 只 有 约 $S% 是 由 编 码 蛋 白质 的 基因 构成 的 。 问题 : 如 果 我 们 假定 基因 的 长 度 平 均 为 10 000bp, 那 么 哺乳 动物 基因 组 (3x 10?bp) 中 的 基因 数量 将 是 300 000。 但 是 , 所 有 的 证 据 显示 : 只 存在 10 000~30 000 个 基因 。 其 余 所 有 的 DNA 有 什么 作用 ? 我 们 的 确 不 清楚 。 一 般 认 为 , 这 些 额 外 的 DNA 也 许 是 基因 家 族 进 化 的 产物 。 许 多 结构 相似 并 成 复 存在 的 基因 可 能 源 自 突变 后 的 成 倍 复制 。 由 此 引起 一 组 在 序列 上 有 人 少许 差异 的 基因 并 列 存在 。 基 因 家 族 的 某 些 成 员 也 许 已 发 生 突变 , 且 不 再 具有 功能 。 它 们 被 成 为 拟 基因 (图 17-6)。 E Yo tH yBl 5 B 8 族 【 染 色 体 11) é ywél wal a2 al as eS es fs aw 族 (染色 体 16) (a) 人 类 珠 蛋 白 基 因 族 IPT 祖先 基因 Ao tas Tat aS Lai ot 两 个 相同 基因 | 核 昔 酸 序列 逐渐 变化 = a 两 个 相关 基因 (b) 多 基因 家 族 进化 的 可 能 模式 图 17-6 以 珠 蛋 白 基 因 例 示 基 因 簇 的 进化 CE 例 17.5 在 大 肠 杆 菌 中 , 在 任 一 时 间 点 ,mRNA 只 占 细 胞 总 RNA 的 3% 一 4%。 基 因 组 DNA 中 仅 有 0.2% 用 于 编码 20+tRNA, 并 且 有 0.5% 编码 TRNA。 因 此 ,99% 以 上 的 基因 组 作为 mRNA 合成 的 模板 。 17.8 转录 的 抑制 剂 许多 抗生素 通过 抑制 转录 而 起 作用 。 放 线 菌 素 D ( 见 第 16 章 ) 是 一 个 通过 与 DNA 模板 结合 实施 影响 的 例子 ; 它 也 能 阻 断 DNA 的 复制 。 414 - 生物 化 学 四 问题 ; 在 细菌 和 真 核 生 物 中 的 转录 都 能 被 放 线 菌 素 D 抑制 吗 ? 是 的 。 因 为 在 与 模板 结合 方面 , 它 能 识别 的 结构 特点 是 DNA 双 螺 旋 , 所 以 , 它 不 能 辨别 两 类 生物 体 。 问题 : 存在 可 区 分 细菌 和 真 核 生 物 转录 的 抑制 剂 吗 ? 是 的 。 例 如 利 福 平 和 利 迪 链 菌 素 只 与 细菌 RNA 聚合 酶 结合 并 阻 断 其 作用 ; u- 鹅 膏 草 碱 只 与 真 核 生 物 RNA 聚 合 酶 I 结 合 , 并 且 , 也 可 在 很 小 的 程度 上 与 RNA 聚合 酶 III 结合 阻 断 它们 的 作用 。 问题 : 细菌 RNA 聚合 酶 是 多 亚 单位 的 酶 。 其 中 , 有 与 利 福 平和 利 迪 链 菌 素 特异 结合 的 亚 单位 吗 ? 是 的 。 二 者 只 与 B 亚 单位 结合 。 但 是 , 利 福 平 只 阻 断 RNA 合成 的 起 始 , 而 利 迪 链 菌 素 选 择 性 的 阻 断 延 伸 过 程 。 这 说 明 : B 亚 单位 与 RNA 链 的 起 始 和 延伸 有 关 。 17.9 mRNA 翻译 的 装置 通过 翻译 装置 mRNA 的 核 苷 酸 序列 被 转换 成 构成 多 肽 的 氨基 酸 序列 。 该 装置 包括 tRNA 和 核糖 体 〈 含 有 rRNA 和 一 组 特有 的 和 蛋白质)。tRNA 是 作为 核 苷 酸 序列 〈 定 义 密 码 子 的 顺 FR) 和 氨基 酸 序列 之 间 的 接合 者 来 行使 装配 多 肽 的 功能 。 问题 : tRNA 分 子 是 如 何 作为 密码 子 和 氨基 酸 间 的 接合 者 在 起 作用 的 ? 许多 生物 的 许多 tRNA 的 核 苷 酸 序列 已 被 确定 。 它 们 都 含有 约 80 个 核 苷 酸 , 而 其 中 大 部 分 具有 特殊 的 结构 ( 见 第 7 章 )。 对 于 每 一 个 氨基 酸 至 少 有 一 个 tRNA 与 其 对 应 ; 每 个 tRNA 中 的 序列 有 所 不 同 , 但 它们 都 形成 一 个 共同 类 型 的 二 级 结构 (三叶草 结构 ); 在 此 结构 中 ,RNA 自身 折 午 给 出 最 大 数量 的 碱 基 配对 。 该 结构 的 某 一 部 分 与 氨基 酸 的 结合 有 关 , 而 另外 的 部 分 售 有 与 该 氨基 酸 的 一 个 (或 多 个 ) 密码 子 互补 的 三 个 核 苷 酸 的 序列 。 在 翻译 过 程 中 , 这 个 三 核 苷 酸 序列 与 mRNA 中 的 密码 子 相互 作用 。 还 有 其 他 与 tRNA 功能 相关 的 结构 特点 。 图 17-7 图 示 了 tRNA 折 码 成 典型 的 三 叶 草 结构 , 它 含有 几 个 枝 干 〈 碱 基 配 对 ) MH, 不 同 的 tRNA 有 不 同 的 序列 , 但 也 有 一 些 区 域 保持 恒定 。 其 中 大 多 数 存 在 环 中 (在 此 集中 了 一 些 稀有 碱 基 ), 以 及 存在 于 受 体 干部 分 的 分 子 3 端 。 这 个 末端 的 序列 总 是 CCA, 并 且 , 相 图 17-7 tRNA 折 释 的 三 叶 草 结构 图 示 OS ei a lea 第 17 章 ”基因 表达 和 和 蛋白质 合成 .应 的 氨基 酸 通 过 其 羧基 结合 在 3`"OH 上 。 与 氨基 酸 密码 子 互补 的 三 核 苷 酸 组 成 反 密 码 子 (A 17-7 的 阴影 部 分 )。tRNA 的 三 维 结构 已 清楚 。 在 此 结构 中 , 有 一 些 额 外 的 H 键 在 更 长 的 L 形 结 构 中 稳定 着 三 叶 草 结构 , 使 受 体 序列 在 一 端 而 反 密 码 子 环 在 另 一 端 。 对 于 每 一 个 氨基 酸 至 少 有 一 个 tRNA, 而 没有 任何 一 个 氨基 酸 可 以 识别 所 有 密码 子 。 问题 : 一 个 具体 的 tRNA 分 子 如 何 能 适应 一 个 以 上 类 型 的 密码 子 ? 这 可 用 摆动 学 说 来 解释 , 该 学 说 认为 : 当 mRNA 上 的 一 个 密码 子 与 反 密 码 子 相 互 作 用 时 , 在 密码 子 第 三 位 (三联 体 的 3 端 ) 碱 基 和 反 密 码 子 第 一 位 的 碱 基 之 间 可 发 生 自由 的 配对 。 黎 有 的 次 黄 嗓 叭 核 苷 经 常 出 现在 未 尾 的 位 置 , 它 可 与 A、U 或 C 配 对 。 在 该 位 置 上 一 个 以 上 类 型 的 配对 的 可 能 性 源 自 这 样 的 事 Zc; 当 对 于 一 个 具体 的 氨基 酸 有 一 个 以 上 的 密码 子 的 时 候 ( 称 为 同 义 密码 子 , 见 表 17.1), 其 差别 通常 只 在 第 三 位 置 。 一 个 氨基 酸 结合 到 其 相应 的 tRNA 上 是 通过 氨基 酰 - tRNA 合成 酶 催化 和 ATP 的 水 解 而 实现 的 。 对 于 每 一 个 氨基 酸 都 有 一 个 特异 的 酶 , 它 可 识别 该 氨基 酸 所 有 的 tRNA。 反 应 分 两 步 进 行 并 且 需 要 Mg ” (图 17 -8)。 第 一 步 , 氨 基 酸 活化 , 产 生 氨 基 酰 - AMP - B+ lA 体 。 在 第 二 步 中 , 氢 基 栈 基 团 被 转移 到 其 相应 (A) tRNA 上 , 和 氨基酸 通过 一 个 酯 键 与 tRNA 相连 。 这 说 明 : ZEA RAB tRNA 之 间 的 识别 是 通过 这 两 个 分 子 间 非 常 精 确 的 接触 而 实现 的 , 即 : 通过 一 个 点 的 接触 就 可 从 其 他 tRNA 中 辨认 出 其 相应 ( 同 源 的 ) tRNA。 第 一 个 反应 通 和 NH, O i ARR 活化 ATP + RCH 一 COOH + Enz* = saa, ener See 核糖 一 A| 一 Enz + PPi o HO ARLE NH, O O NH, O BAAR ial | 上 ES tRNA RCH Wh Mae ea —Enz*'+ tRNA” == RCH 一 C 一 0 一 tRNAR + AMP +Enz* O 图 17-8 氨基酸 与 其 同 源 tRNA 结合 的 反应 。R“ 表 示 氨 基 酸 ,Enz 表示 相应 的 合成 酶 , tRNA 表示 同 源 tRNA 过 水 解 PPi 而 向 右 进行 , 因 此 , 在 一 个 氨基 酸 整 个 的 活化 和 结合 过 程 中 , 有 两 个 高 能 磷 酸 键 被 消耗 。 mRNA 和 和 氨基 酸化 的 tRNA (负荷 ”的 tRNA) 在 核糖 体 上 相互 作用 。 最 初 的 相互 作用 以 这 样 的 方式 进行 : 使 第 一 个 氨基 酸 (EAR) 的 密码 子 与 其 相应 的 “负荷 ”tRNA 相互 作 用 并 开始 多 肽 的 合成 。 Pil 17.6 核糖 体 由 小 亚 单 位 和 大 亚 单位 构成 , 通 过 它们 在 离心 管 中 不 同 的 沉降 速率 可 以 彼此 区 分 (第 4 章 )。 小 亚 单位 在 多 肽 合成 的 起 始 阶段 具有 重要 的 作用 。 在 细菌 中 , 小 亚 单位 和 大 亚 单 位 各 自 的 沉降 系数 分 别 是 30S 和 $0S。 它 们 相互 作用 形成 70S 的 核糖 体 。 在 多 肽 合成 的 过 程 中 , 该 相互 作用 发 生 在 整个 过 程 中 的 最 初 阶段 。 在 真 核 生 物 中 , 亚 单位 的 构成 与 细菌 中 相 似 , 只 是 有 一 个 亚 单位 较 大 。 小 亚 单 位 (40S) 和 大 亚 单位 (60S) 形成 一 个 80S 的 核糖 体 。 核糖 体 两 种 类 型 的 亚 单 位 具有 相同 的 功能 , 这 是 由 RNA 的 类 型 和 存在 它们 中 的 蛋白 质 类 型 所 决定 的 。 近 些 在 表 17.3 中 列 出 。 415+ +416: 生物 化 学 表 17.3 ” 真 核 与 细菌 核糖 体 的 组 成 细胞 真 核 生 物 70S 核糖 体 80S 核糖 体 30S 亚 单位 40S 亚 单位 =16S RNA+21 蛋白 质 =18S RNA+ 一 30 蛋白 质 50S 亚 单位 60S 亚 单位 =23S RNA+5S RNA+34 蛋白 质 =28S RNA+5. 8S RNA+5S RNA+ 二 50 蛋白 质 在 细菌 核糖 体 的 小 亚 单位 和 大 亚 单位 的 精确 结构 (界定 许多 蛋白质 的 表面 位 置 ) FH DH 位 相互 作用 的 方式 方面 , 有 大 量 的 有 用 信息 。 其 中 的 一 些 图 示 与 图 17=9 中 ; 该 图 的 进一步 的 解释 可 参见 后 续 的 课文 。 图 17-9 大 肠 杆 菌 核糖 体 上 的 一 些 位 点 图 示 。 与 f{Met - tRNA 相应 的 肽 酰 (P) 位 点 参与 多 肽 链 的 起 始 。 与 氨基 酰 - tRNA 相应 的 A 位 点 。 蛋 白质 Tu (T 为 转移 ,u 表示 遇 热 不 稳定 ) 释放 氨基 酰 - tRNA EAA. EF-GRREKATG 17.10 细菌 中 的 RNA 翻译 因为 对 于 细菌 中 核糖 体 与 mRNA 的 相互 作用 以 及 多 肽 的 装配 , 我 们 较为 清楚 , 所 以 首 先 要 详细 地 了 解 这 些 。 真 核 生物 中 的 这 些 过 程 与 此 相似 , 并 且 真 核 生 物 独 有 的 特征 将 在 下 一 节 讨论 。 RNA 信息 翻译 成 多 肽 的 过 程 有 三 个 阶段 : 起 始 , 延 伸 和 终止 。 亦 如 前 述 , 细 菌 中 的 起 始 阶段 涉及 30S 核糖 体 亚 单位 与 mRNA 相应 的 位 置 的 相互 作用 。 问题 : mRNA 有 什么 结构 特征 使 其 能 与 30S 亚 单位 相互 作用 ? 在 mRNA 的 5 端 , 在 起 始 密码 子 AUG 之 前 有 一 个 20 个 左右 核 苷 酸 的 区 域 。 该 前 导 区 域 有 一 段 序列 参与 mRNA 与 30S 的 相互 租用 。 它 被 称 为 Shine-Dalgarno (S-D) 序列 , 它 可 与 16S rRNA 的 3 端的 互补 序列 结合 , 并 为 起 始 过 程 确定 30S 亚 单位 的 合适 位 置 。 在 前 导 区 域 的 其 他 序列 可 能 与 翻译 的 整个 起 始 过 程 有 关 , 它 也 与 相应 负荷 的 蛋 氨 酰 - tRNA 和 相应 的 AUG 密码 子 的 结合 有 关 。 问题 : 除了 存在 与 AUG 相对 应 的 反 密 码 子 以 外 , 蛋 氨 酰 - tRNA 有 特殊 的 性 质 可 满足 翻译 的 起 始 阶段 的 需求 吗 ? 第 17 章 ”基因 表达 和 蛋白质 合成 是 的 。 蛋 氨 酸 有 两 个 康 NA, 这 两 类 tRNA 可 依据 当 它们 负荷 蛋氨酸 时 被 转 甲 酰 酶 甲 酰 化 的 能 力 加 以 区 别 。 这 两 类 被 称 为 : tRNA 和 tRNA 。 前 者 可 被 甲 酰 化 生成 N- 甲 酰基 Met-tRNA (或 缩写 为 fMet tRNA) 并 且 特 异地 与 多 肽 链 的 起 始 有 关 。 可 以 推测 , 此 种 情况 中 ,RNA 结构 的 独特 性 质 是 起 始 过 程 所 mRNA, fMet-tRNA 和 核糖 体 亚 单位 , 三 个 起 始 因子 和 GTP 均 与 多 肽 合成 的 起 始 阶段 有 关 。 例 17.7 介绍 了 这 个 过 程 。 CE 例 17.7 RNA 翻译 的 第 一 步 开 始 于 多 肽 合成 的 起 始 阶段 (图 17-10)。GTP 与 30S 起 始 复合 物 结合 , 随 后 被 水 解 和 释放 , 并 与 S0S 亚 单位 结合 。{fMet -tRNA 占据 核糖 体 的 肽 栈 (P) 位 点 (图 17-9); 另 一 位 点 (A) (可 容纳 和 氨基酸 -tRNA) 在 此 阶段 是 空 的 。 它 与 mRNA 上 的 下 一 个 密码 子 (图 17-10 中 以 xxx 表示 ) HF. 问题 : 以 相应 的 氨基 栈 - tRNA 填充 A 位 点 有 特殊 的 机 制 吗 ? 是 的 。 相 应 的 负荷 tRNA 向 A 位 点 转移 需要 一 个 蛋白 质 - GTP 复合 物 的 协助 。 该 蛋白 质 称 为 Tu (之 所 以 如 此 命名 是 由 于 它 是 一 个 转移 因子 , 并 且 遇 热 不 稳定 ), 它 是 一 个 延伸 因子 。 在 向 A 位 点 释放 和 氢 基 酰 -tRNA 的 同时 Tu-GTP 被 水 解 成 Tu-GDP + Pi。 而 后 ,Tu-GTP 可 通过 涉及 另外 的 蛋白 质 Ts (一 个 热 稳定 转移 因子 ) 的 反应 , 以 及 Tu-GDP 和 GTP 而 生成 。 如 此 在 氨基 酰 -tRNA 与 A 位 点 结合 的 过 程 中 有 两 个 高 能 磷酸 键 被 消耗 。 对 于 肽 键 的 形成 延伸) 现在 已 一 切 就 绪 。 30S 亚 单位 起 始 因子 30S 起 始 复合 物 70S 起 始 复合 物 图 17-10 肽 链 合成 的 起 始 阶段 多 肽 合成 的 延伸 阶段 和 其 终止 阶段 在 例 17.8 PIA. A 位 点 被 AA;-tRNA 填充 , 此 处 的 密码 子 是 xxx, Hil 17.8 RNA 翻译 的 第 二 步骤 涉及 肽 链 的 延伸 (A 17-11) 50S 亚 单位 蛋白 成 分 之 一 为 肽 栈 转 移 酶 。 如 其 名 所 示 , 它 把 fMet (及 后 续 的 反应 中 的 肤 类 ) 从 了 位 点 向 A 位 点 转移 。 为 此 , fMet 与 其 tRNA 连接 的 酯 键 发 生 断 裂 , 氢 基 栈 基 被 转运 至 相 邻 氨基 栈 一 tRNA (图 17-11 中 的 AA?-tRNA) 的 氨基 上 形成 第 一 个 肽 键 。 在 下 一 步 , 一 个 称 为 延伸 因子 G (EFG, 5 GTP 的 水 解 有 关 ) 的 移 位 酶 移动 (ABIL) 核糖 体 一 个 密码 子 距 离 到 了 位 点 上 的 二 肽 酰 一 tRNA 的 位 置 , 留 下 可 用 于 结合 另 一 个 氨基 栈 一 tRNA 的 A 位 点 。 该 氨基 酰 -tRNA 结合 的 过 程 , 肽 键 形成 和 移 位 , 持 续 到 终止 密码 子 的 出 现 。 终 止 密码 子 ( 排 在 空 的 A 位 置 ) 的 出 现 说 明 肽 链 合成 完成 。 . 417 > . 418 , 生物 化 学 图 17-11 多 肽 合成 的 延伸 阶段 问题 : 长 的 多 肽 链 是 如 何 从 其 酯 键 释放 并 转 至 P 位 点 上 的 tRNA 的 ? 在 细菌 中 , 有 三 个 释放 因子 : RF1,RF2 和 RF3。 为 了 对 终止 密码 子 作 出 反应 , 它 们 可 能 与 A 位 点 结合 (一 多 种 方式 ), 然 后 引起 酯 键 水 解释 放出 多 肽 链 ; 由 此 , 它 们 在 多 肽 链 形成 了 自由 的 羧基 末端 。 问题 : 在 翻译 过 程 中 , 核 糖 体 沿 mRNA 移动 , 空 出 前 导 区 域 (含有 核糖 体 结合 位 点 )。 在 前 一 个 肽 链 完 成 之 前 , 可 开始 另 一 个 新 肽 链 的 起 始 阶段 吗 ? 是 的 。 对 于 任何 一 个 mRNA 都 可 被 许多 核糖 体 同时 进行 翻译 。 它 们 形成 了 一 种 结构 , 称 为 多 聚 核糖 体 。 17.11 真 核 生 物 中 RN 的 翻译 真 核 生物 中 翻译 的 分 子 机 制 与 原核 生物 的 非常 相似 。 和 氨基酸 的 活化 以 及 与 RNA, 多 肽 链 的 起 始 、 延 伸 和 终止 的 各 个 阶段 基本 上 与 原核 生物 相同 。 真 核 生 物 和 细菌 的 核糖 体 大 小 亚 单位 在 链 的 起 始 和 延伸 方面 的 作用 是 相同 的 。 在 细菌 和 真 核 生 物 的 翻译 机 制 方面 有 两 点 与 翻译 起 始 有 关 的 显著 差别 。 第 一 点 , 真 核 生 A PPE RAY tRNA, 其 中 之 一 用 于 起 始 阶 段 , 而 两 者 的 负荷 形式 均 不 被 甲 酰 化 ; 真 核 生 物 中 不 存在 转 甲 酰 酶 。 更 为 显著 的 第 二 点 不 同 是 : 在 翻译 的 起 始 阶段 涉及 到 mRNA 5’ 端 甲 基 化 的 帽子 。 如 果 该 帽子 缺失 , 翻 译 不 能 进行 。 现 已 明确 ,40S 核糖 体 亚 单位 与 mRNA 的 前 导 区 域 结合 需要 额外 的 称 为 帽 结 合 蛋白 质 的 因子 。 有 证 据 提 示 : 帽子 是 40S 亚 单位 结合 所 必需 的 主要 特征 结构 。 17.12 蛋白 质 的 翻译 后 修饰 在 核糖 体 上 合成 的 大 多 数 多 肽 , 其 后 均 被 化 学 修饰 。 细 菌 中 多 肽 N 末端 蛋氨酸 的 甲 酰 基 被 脱 甲 酰 酶 除去 。 在 细菌 和 真 核 生 物 中 ,N 未 端的 蛋氨酸 (有 时 与 少数 稀有 氨基 酸 一 起 ) 均 可 被 氨 肽 酶 除去 。 问题 在 表 17.1 的 遗传 密码 表 中 没有 羟 化 且 氨 酸 和 羟 化 赖 氨 酸 。 这 些 氨基 酸 是 如 何 出 现在 某 些 蛋 白质 中 的 ? 羟 化 且 氨 酸 和 羟 化 赖 氨 酸 主要 存在 于 胶原 蛋白 中 。 这 些 羟 化 形式 是 在 胶原 蛋白 链 合成 后 由 特定 的 酶 对 且 氨 酸 和 赖 氨 酸 残 基 进行 修饰 而 形成 的 。 另 人 感 兴趣 的 是 : LY ES Oe ET Red + ee nd = ea ay ST 第 17 章 ”基因 表达 和 和 蛋白质 合 成 人 区 应 物 。 经 常 出 现 的 其 他 类 型 的 化 学 修饰 是 : 天 冬 酰胺 、 丝 氨 酸 和 苏 氨 酸 残 基 与 糖 结合 〈 糖 基 化 作用 ), 以 及 丝氨酸 磷酸 化 。 化 学 修饰 也 与 细胞 内 合成 的 蛋白 质 向 细胞 外 转运 有 关 。 问题 蛋白 质 是 如 何 通过 朴 水 的 细胞 膜 向 细胞 外 转运 的 ? 细胞 (细菌 和 真 核 生 物 ) 的 分 泌 型 蛋白 质 通常 以 前 体 的 形式 被 合成 。 该 形式 在 N 端 含有 一 段 由 15~ 30 个 朴 水 的 氨基 酸 残 基 构 成 的 信号 序列 。 如 同 其 在 核糖 体 上 形成 的 那样 , 该 序列 以 某 种 方式 附着 在 膜 上 , 继 而 , 穿 过 细胞 膜 。 在 多 肽 链 延 伸 的 同时 , 它 通过 膜 并 来 到 膜 的 另 一 边 。 同 时 信和 号 序列 被 信号 肽 酶 除去 。 在 细菌 中 , 这 样 的 过 程 可 把 蛋白 质 转运 至 周 质 间隙 (在 细胞 膜 的 内 膜 和 外 膜 之 间 ) 或 全 部 转运 出 细胞 。 在 真 核 生 物 中 , 信 号 肽 可 把 蛋白 质 转移 到 内 质 网 腔 中 , 在 此 , 以 其 他 的 机 制 转运 出 细胞 。 胰 岛 素 是 一 个 很 好 的 分 泌 蛋 白 质 转 运 出 真 核 细胞 的 例子 。 i 17.9 胰岛 素 是 在 胰腺 的 特殊 细胞 (REZ PY Bo) 中 形成 的 。mRNA 的 直接 产物 是 一 条 称 为 前 胰岛 素 原 的 多 肽 。 与 前 胰岛 素 原 向 胰岛 素 转变 的 修饰 过 程 示 于 图 17 - 12。 猪 的 前 胰岛 素 原 是 一 条 107 氨基 酸 残 基 的 多 肽 。 信 号 肽 在 核糖 体 上 合成 后 , 它 识别 内 质 网 上 的 受 体 并 与 其 结合 (核糖 体 通过 肽 链 与 内 质 网 结合 构成 粗 面 内 质 网 , 第 工 章 )。 该 多 肤 链 通过 膜 后 进入 内 质 网 腔 , 在 此 ,23 个 残 基 的 信号 肽 被 除去 并 产生 一 条 BAPKAH BE; 后 者 自身 折 王 连接 半 胱 氨 酸 残 基 形 成 分 子 内 二 硫 键 。 该 折 和 登 的 分 子 称 为 胰岛 素 原 。 NH, 信和 号 序列 前 胰岛 素 原 胰岛 素 原 图 17-12 前 胰岛 素 原 向 胰岛 素 的 转化 胰岛 素 原 由 膜 间 包 衷 被 转运 到 高 尔 基体 , 在 此 , 开 始 向 胰岛 素 的 转化 。 这 包括 裂解 未 交 联 的 链 〈C), 如 此 移 去 “连接 ” 肽 。 通 过 分 小 颗粒 该 分 子 从 高 尔 基 体 向 细胞 质 膜 转 运 , 该 颗粒 与 膜 融合 并 释放 成 熟 的 胰岛 素 (由 两 条 二 硫 键 联结 的 多 肽 链 构成 ) 到 血液 , 至 此 转化 过 AYER. 17.13 翻译 的 抑制 剂 因为 mRNA 翻译 成 蛋白 质 涉 及 许多 步骤 , 所 以 , 抑 制剂 有 大 量 可 利用 的 机 会 去 阻 断 这 个 过 程 。 细 菌 中 许多 抑制 剂 的 作用 就 基于 对 翻译 过 程 的 阻 断 。 . 419 - 生物 化 学 问题 : 哪个 抑制 剂 可 阻 断 细菌 和 真 核 生 物 中 的 翻译 过 程 ? 这 方面 例子 是 : RABRAESEA. MAMA AM tRNA 与 核糖 体 A 位 点 的 结合 。 味 叭 霉 素 的 作 用 基于 其 与 氢 酰 - tRNA 结构 的 相似 性 〈 见 下 )。 ee x NH; NZ N N= N PPL) L N N ” HOCK: R’ OCH; Aes O OH ont—cn—en( oon =o iy NH i Be 氨 酰 -名 AN 味 叭 霉 素 作为 肽 基 转 移 反应 中 的 接受 者 , 与 氨 酰 - tRNA 竞争 ; 增长 的 肽 链 转 移 到 味 叭 霉 素 的 NH, 基 团 上 致使 肽 链 过 早 地 终止。 问题 : 存在 作用 在 细菌 和 真 核 生 物 中 功能 相似 靶 点 的 不 同 的 抑制 剂 吗 ? 是 的 。 氧 霉 素 抑制 细菌 50S 核糖 体 亚 单位 的 肽 基 转 移 酶 , 而 放 线 菌 酮 抑制 真 核 生 物 核糖 体 60S 亚 单 位 的 功能 相似 的 酶 。 它 们 的 结构 如 下 所 示 。 O O CH, te ag — CHCl, , oO \- 人 O HN ie OH CH, OH | O CH; OH ABR 放 线 菌 酮 有 趣 的 是 氯 霉 素 可 阻 断 线粒体 中 的 翻译 过 程 , 这 进一步 表明 : 细菌 与 线粒体 基因 表达 的 机 制 具 有 相似 ° 有 许多 细菌 和 真 核 细 胞 特异 的 抑制 剂 。 白 喉 毒素 就 是 其 中 之 一 , 它 只 影响 真 核 生 物 。 CF Hill 17.10 白喉 杆菌 产生 的 白喉 毒素 是 一 条 含有 两 个 链 内 二 硫 键 的 多 肽 (M,=63 000). SF H— 部 分 ,A 片 段 (M,=21 000), 它 必需 进入 到 细胞 质 中 才 行 使 它 的 毒性 作用 。 通 过 一 个 巧妙 的 复合 机 制 , 在 细胞 膜 上 较 大 的 分 子 被 裂解 为 二 产生 A 和 了 片段 。 后 者 帮助 A 片段 进入 细 胞 质 , 在 此 人 片段 特异 地 催化 移 位 酶 (EF2) 的 化 学 修饰 (ADP - 核糖 基 化 作用 ) 并 抑制 该 酶 的 活性 使 多 肽 链 的 生长 被 阻 断 。 第 17 章 , 基 因 表 达 和 和 蛋白 质 合成 17.14 基因 表达 的 调控 基因 表达 的 终 产物 是 蛋白 质 , 主 要 是 酶 类 , 其 表达 的 水 平 被 严格 地 控制 是 致 关 重 要 的 。 在 细菌 和 真 核 生 物 中 有 许多 洪 在 的 调控 位 点 。 真 核 生物 中 的 DNA 或 基因 扩 增 (第 16 章 ) 是 应 答 产 生 更 多 蛋白 质 指令 的 一 个 方式 ; 如 果 该 基因 有 许多 拷贝 , 那 么 转录 能 以 更 快 的 速率 进行 。 调 控 更 经 常 地 发 生 在 转录 水 平 或 翻译 水 平 , 对 于 细菌 和 真 核 生 物 , 前 者 可 能 更 为 重 要 。 转 录 水 平 的 调控 在 细菌 中 特别 有 效 , 这 是 因为 在 这 样 的 细胞 中 mRNA 的 半衰期 非常 短 ( 几 分 钟 ); 而 真 核 生 物 中 mRNA 的 半衰期 较 长 。 转 录 调 控 的 模型 是 大 肠 杆菌 的 乳糖 操纵 子 。 Pl 17.11 乳糖 操纵 子 是 大 肠 杆 菌 染 色 体 的 一 个 一 5.3kb 的 区 域 , 它 含有 编码 负责 乳糖 代谢 的 酶 类 的 基因 。B=- 半 乳 糖苷 酶 , 半 乳糖 音 通 透 酶 , 硫 代 半 乳糖 将 转 忆 栈 酶 , 过 三 个 酶 的 基因 相互 相连 排列 在 DNA 的 这 个 片段 中 。 它 们 被 转录 为 一 个 RNA 单位 ; 该 转录 被 DNA 的 5 方向 上 5.3kb 片段 的 序列 (调控 单元 ) 所 调控 。 该 调控 单元 由 一 个 启动 子 (RNA 聚合 酶 结合 位 置 ) 和 一 个 相 邻 的 操纵 基因 ( 阻 抑 有 蛋白 可 与 此 结合 并 阻 断 由 RNA 聚合 酶 众 化 的 转录 过 程 ) 构 成 。 阻 抑 物 是 由 位 于 启动 子 $ 侧 的 一 个 基因 生成 的 。 这 被 图 示 于 图 17-13 中 。 因 为 全 部 三 个 基因 ,z,y 和 a, 作 为 一 个 单元 被 转录 (多 顺 反 子 mRNA), 所 以 , 它 们 被 称 为 协同 表 达 。 当 转录 被 阻 抑 物 阻 断 , 所 有 基因 均 不 表达 。 图 17-13 大 肠 杆菌 乳糖 操纵 子 。 缩 写 : 大 = 阻 抑 基因 ; p= eat; o = 操纵 基因 ; z =B- 半 乳糖 苷 酶 ;>y= 通 透 酶 基因 ; a = 转 乙 酰 酶 基因 。; 基因 产物 是 阻 抑 物 问题 : 细胞 是 如 何 克 服 抑制 进行 乳糖 操纵 子 基因 的 ? 当 乳 糖 加 到 培养 的 细胞 中 , 有 人 少量 的 乳糖 进入 细胞 并 且 被 转变 为 异 乳糖 。 该 代谢 物 与 阻 抑 物 结合 , 改变 阻 抑 物 构象 使 其 从 操纵 基因 上 释放 。 然 后 ,RNA 聚合 酶 便 可 转录 这 三 个 基因 。 可 以 说 , 异 乳糖 是 作 为 一 个 诱导 物 在 起 作用 。 这 种 由 诱导 物 解除 抑制 的 现象 是 表达 负 调 控 的 一 个 例子 。 在 乳糖 操纵 子 中 也 存在 正 调控 的 现象 。 分 解 代谢 物 激活 蛋白 (CAP) ( 带 有 cAMP) 在 RNA 聚合 酶 与 其 启动 子 结合 过 程 中 是 必需 的 , 即 : 在 转录 上 它 有 直接 的 正 向 影响 。 然 而 , 在 葡萄 糖 存在 的 情况 下 , 抑制 的 解除 ( 即 诱导 作用 ) 将 不 发 生 , 这 是 由 于 葡萄 糖 可 降低 cAMP 的 水 平 , 导 致 CAP 不 能 行使 其 影 响 。 这 反映 了 细胞 优先 使 用 葡萄 糖 而 不 是 乳糖 作为 其 碳 源 的 原因 。 由 此 可 以 看 出 , 细 胞 严格 地 调控 着 乳 糖 基因 的 表达 ; 只 有 在 存在 需要 代谢 的 乳糖 时 , 它 们 才 被 表达 。 问题 : 在 真 核 生 物 中 有 转录 调控 的 好 的 例子 吗 ? 已 证 实 许多 类 固 醇 激素 (第 13 章 ) 是 通过 刺激 转录 过 程 而 发 挥 作 用 的 。 通 过 一 系列 复杂 的 步骤 , 涉及 与 细胞 质 受 体 的 相互 作用 , 激 素 进 入 细胞 核 , 在 此 , 或 是 依靠 自身 或 是 靠 其 受 体 或 其 他 蛋白 质 的 协 助 , 它 结合 在 DNA 上 一 个 特定 的 位 点 。 它 是 如 何 确切 地 诱导 转录 的 还 不 清楚 , 但 是 , 似 乎 正 调控 机 制 和 负 调 控 机 制 均 被 涉及 到 。 一 个 研究 得 较为 清楚 的 例子 是 : 鸡 输卵管 中 峻 激素 中 介 的 卵 清 蛋 白 mRNA 合 成 的 诱导 作用 。 5 . 422 + 生物 化 学 对 于 基因 表达 的 调控 , 真 核 生物 要 比 细菌 具有 更 多 的 潜在 机 会 。 例 如 : 细胞 在 初级 转录 物 加 工 水 平 的 调控 方面 具有 便利 条 件 。 众 所 周知 , 只 有 所 有 的 内 含 子 被 切除 ,RNA 才能 被 转运 跨 过 核 膜 。 一 个 更 精细 的 调控 可 能 涉及 剪 切 特定 转录 物 选 择 程序 。 现 已 知 有 一 些 例 子 以 此 种 方式 产生 不 同 的 mRNA 分 子 。 或 许 , 在 真 核 生 物 中 了 解 最 清楚 的 另 一 个 水 平 调控 例子 是 珠 蛋 白 合 成 的 翻译 水 平 的 调控 。 HH 17.12 珠 有 蛋白 在 网 织 红 细胞 中 合成 ( 见 第 1 章 , 问 题 1.1), 而 网 织 红细胞 没有 细胞 核 , 所 以 它 不 能 利用 调控 转录 程序 和 其 他 潜在 的 程序 。 从 富 含 珠 蛋 和 白 mRNA 池 合 成 珠 有 蛋白 的 调控 与 高 铁 原 中 啉 [Fe (III) —RehHK] 的 浓度 密切 相关 ; 高 铁 原 中 啉 对 有 蛋白质 合 成 的 一 个 转录 抑制 剂 有 抑制 作用 。 该 抑制 剂 是 一 个 蛋白 激酶 , 它 通过 磷酸 化 的 方式 抑制 一 个 与 翻译 起 始 有 关 的 起 始 因子 。 当 高 铁 原 中 啉 的 浓度 生 高 , 高 铁 原 中 啉 与 该 激酶 的 调节 亚 单 位 , 致 使 珠 有 蛋白 合成 能 够 进行 。 然而 , 真 核 生 物 基 因 表 达 调 控 的 最 重要 的 形式 是 在 转录 水 平 发 生 的 。 人 类 基因 组 比 大 肠 杆菌 基因 组 要 大 1000 倍 , 但 基因 的 数量 只 大 50 倍 。 蛋 白质 , 平 均 比 较 来 看 并 不 大 。 那 么 所 有 额外 的 DNA 有 何 作 用 ? 可 能 真 核 生 物 基 因 组 的 绝 大 部 分 与 基因 调节 有 关 , 如 : RELA 转录 。 增 强 子 单元 (很 清楚 , 它 在 此 过 程 中 起 作用 ; 见 17.4 节 ) 常 位 于 距 许多 基因 的 编码 序列 较 远 的 位 置 , 在 某 些 情况 下 可 远 至 20kb。 一 些 单元 称 为 基因 座 控制 区 (LCR), HS 数 是 作为 增强 子 在 起 作用 ,LCR 单元 在 染色 质 较 大 区 域 保 持 “ 开 放 ” 结 构 。 “FR” RAR 与 常 染色 质 相 对 应 被 列 为 异 染 色 质 。 异 染色 质 常 由 重复 序列 DNA 构成 并 且 没 有 转录 活性 ( 见 第 7 章 )。 这 些 LCR 似乎 有 组 织 特异 性 , 即 : 它们 只 在 某 一 类 型 的 细胞 中 起 作用 , 在 这 些 细 胞 中 与 其 临近 的 基因 是 活路 的。 在 特殊 类 型 细胞 中 在 染色 质 的 特定 区 域 保 持 “开放 ” 构 象 也 许 是 真 核 生物 中 基因 表达 调节 的 主要 手段 。 问题 解答 遗传 密码 17.1 假设 前 三 个 核 苷 酸 定义 第 一 个 密码 子 , 这 个 被 (a) UAAUAGUGAUAA, 和 (b) UUAUUGCUUCUCCUACUG 编 码 的 肽 的 序列 是 什么 ? IKE. (a) 没有 。 这 四 个 密码 子 不 被 翻译 , 它 们 是 链 终止 的 信和 号 。 (b) (Leu)6。 这 个 例子 显示 亮 氨 酸 遗传 密码 的 简 并 度 ; 有 六 个 亮 氨 酸 的 密码 子 , 在 所 有 氨基 酸 中 这 是 最 多 的 。 17.2 在 序列 AAUUAUGUUUCCAUGUCCACCU 辨认 两 个 可 能 的 翻译 起 始 的 位 点 , 并 写 出 前 三 个 氨基 酸 的 序列 。 答 AUG 是 最 常见 的 起 始 密码 。 由 该 序列 中 遇 到 的 第 一 个 AUG 开始 的 九 个 核 苷 酸 的 序 列 为 : AUGUUUCCA。 它 是 Met-Phe-Pro 的 编码 。 由 此 再 往 下 的 序列 是 : AUGUC- CACC, 这 是 Met-Ser-Thr 的 编码 。 17.3 在 一 个 基因 的 DNA 编码 链 中 , 蜜 码 子 序列 ATA 被 突变 为 ATG。 伴 随 DNA 的 复制 , 在 多 肽 产物 中 会 引起 什么 变化 ? ie 除了 DNA 中 的 工 被 换 成 U 以 外 ,DNA 编码 链 在 mRNA 中 给 出 与 此 相应 的 序列 。 因 此 , 密 码 子 将 由 AUA 变 成 AUG。 这 使 异 亮 氨 酸 被 蛋氨酸 所 取代 。 17.4 一 个 mRNA 含有 如 下 翻译 序列 , 已 限定 三 个 一 组 的 可 读 框 : AUG, CUBR, ACU, UGCA, GGG, AGA=AGC 17.3 17.6 17.7 817% ”基因 表达 和 和 蛋白质 合成 . 423 , (a) 从 该 序列 产生 什么 氨基 酸 ? (b) 如 果 遇 到 的 第 一 个 C (含有 胞 喀 喧 的 核 苷 酸 ) 从 该 序列 中 删除 , 产 生 的 新 氨基 酸 序 列 是 什么 ? 答 : (a) 原来 序列 可 给 出 的 氨基 酸 序列 : ~Met-Leu-Thr-Ser-Gly-Arg-Ser. (b) 新 序列 为 : AUG, UCA, CUU, CAG, GGA, GAA, GC; 它 给 出 的 氨基 酸 序列 为 : Met-Ser-Leu-Gln-Gly-Glu. 在 病毒 @X174 的 DNA 中 , 与 其 基因 编码 的 产物 〈( 九 个 不 同 的 蛋白 质 ) ANE 酸 残 基 显 得 数量 不 足 。 这 是 如 何 发 生 的 ? 答 : 在 此 情况 中 , 通 过 使 用 一 个 以 上 的 可 读 框 , 相 同 的 核 苷 酸 序列 可 编码 一 个 以 上 的 蛋白 质 。 就 是 说 : 编码 一 个 蛋白 质 的 密码 子 序列 可 与 另 一 个 基因 序列 的 相位 有 重 琶 。 见 下 图 。 基因 下 产物 Met Val Arg y y y y 2S SS GUBGAUDGGUACG Ls =>S ee ee ee #A DP % Val ¥ Pye RGR She DNA 复制 的 正确 性 依靠 “校对 ”功能 来 保证 , 在 互补 序列 中 任何 位 置 出 现 的 错误 将 被 删除 和 修复 (第 16 章 )。 为 什么 在 蛋白 质 合成 的 过 程 中 没有 相似 的 机 制 ? 答 : 蛋白 质 合成 过 程 中 错误 的 影响 并 不 严重 。 一 般 来 讲 , 一 个 有 缺点 的 蛋白 质 分 子 将 不 引 起 有 害 的 影响 ; 这 样 的 蛋白 质 也 许 没 有 完整 的 功能 或 不 稳定 , 且 对 于 细胞 来 讲 也 许 是 能 量 的 消耗 ; 然而 , 这 样 的 错误 在 未 来 的 子 代 中 不 会 成 为 永久 性 的 。 一 个 DNA 双 螺 旋 片 段 的 模板 链 含 有 这 样 的 序列 : $ -GCTACGGTAGCGCAA -3“。 (a) 从 该 链 转录 的 mRNA 的 序列 是 什 吗 ? (b) 假设 整个 转录 物 被 翻译 , 它 编码 的 氨基 酸 序列 是 什 吗 ? 答 , (a) 被 转录 的 mRNA 将 与 上 述 链 互补 , 且 以 RET: 3’- CGAUGCCAUCGCGUUS’ 5 成 5 3/7: 5’- UUGCGCUACCGUAGC - 3’ (b) AS’ 一 3 方向 翻译 , 产 生 如 下 序列 : -Leu-Arg-Tyr-Arg-Ser-o 细菌 中 DNA 的 转录 17.8 17.9 一 条 具体 的 DNA 链 能 同时 作为 编码 链 和 与 转录 相关 的 模板 链 吗 ? 答 是 的 。 为 此 ,RNA 聚合 酶 催化 的 转录 是 在 双 链 DNA 片段 上 以 相反 的 方向 从 不 同 的 局 动 子 开始 进行 的 。 双 链 DNA 的 每 一 条 链 均 可 作为 编码 链 和 模板 链 , 但 是 , 产 生 的 是 不 同 的 RNA 转录 物 。 下 列 的 哪 一 个 不 可 能 表示 一 个 RNA 转录 物 的 5 端 ? (a) pppApGpCpU:::::: (b) pppUpCpGpA::::-: (c) pppCpApGpA:::::: 答 , a RA (a) 是 适合 的 , 因 为 在 转录 的 起 始 过 程 中 ,RNA 聚合 酶 总 是 在 第 一 个 位 置 编 入 + 424 , 17.10 7 i712 17.453 17.14 生物 化 学 一 个 pppA 或 一 个 pppG。 Pribnow 框 与 细菌 启动 子 等 同 吗 ? 答 : 不 。Pribnow 框 只 是 启动 子 序 列 的 一 部 分 。 它 与 一 7 核 苷 酸 的 - 10bp 区 域 相 符合 。 另外 的 以 -35Sbp 位 点 为 中 心 的 区 域 是 局 动 子 的 重要 部 分 。 对 于 转录 的 起 始 , 细 菌 RNA 聚合 酶 的 哪个 亚 单位 是 启动 子 需要 的 ? 答 : 首先 ,c 亚 单位 对 于 与 启动 子 结合 及 开放 启动 子 复 合 物 的 形成 是 需要 的 。 其 次 ,B 亚 单位 〈 它 可 与 抑制 剂 利 福 老 素 结合 ) 对 于 第 一 个 磷酸 二 酯 键 的 形成 是 必需 的 。 转录 终止 序列 被 编 入 RNA 转录 物 中 吗 ? 答 : % 是 的 。RNA 聚合 酶 转录 这 翻转 重复 序列 后 , 该 区 域 有 能 力 在 单 链 转录 物 中 形成 发 卡 结构 , 至 少 在 某 种 程度 上 上, 该 发 卡 结 构 与 链 的 终止 有 关 。 有 多 少 转录 终止 序列 存在 于 多 顺 反 子 mRNA 中 ? 答 : 作为 细菌 中 形成 的 初级 转录 产物 , 多 顺 反 子 mRNA 是 一 个 从 一 个 启动 子 转录 的 一 个 连续 长 段 的 RNA。 因 此 , 它 将 只 保留 一 个 常规 的 终止 序列 (NABER BOTA 的 可 能 存在 的 弱化 子 序列 )。 在 细菌 中 存在 RNA 转录 物 的 加 工 过 程 吗 ? 答 . (=) wLEGM RNARGCHOCKNMRERWHE HH. EMEP, MIAERRFS A rRNA 和 tRNA 的 转录 物 。 在 此 种 情况 中 , 大 的 转录 物 被 化 学 修饰 , 然 后 , 被 核 酸 酶 降解 成 小 的 rRNA 和 tRNA 的 成 熟 形 式 。 真 核 生物 中 DNA 的 转录 T7.1s 17.16 L717 17.18 17.19 你 认为 在 真 核 生 物 中 有 多 少 类 型 的 RNA 聚合 酶 ? 答 四 种 。 在 细胞 核 中 , 有 RNA 聚合 酶 I、II 和 III。 在 线粒体 中 , 有 另外 的 RNA 聚合 酶 , 它 与 细菌 的 RNA 聚合 酶 相似 。 在 RNA 链 增长 的 一 般 机 制 方面 , 真 核 细胞 中 各 种 类 型 的 RNA 聚合 酶 有 何 差别 ? 答 , 没有 。 所 有 RNA 聚合 酶 都 使 用 双 链 DNA 作为 摸 板 并 且 只 拷贝 一 条 链 ; 它们 合成 RNA 的 方向 是 $->3', 并 使 用 核糖 核 苷 三 磷酸 作为 底 物 。 a- 向 总 草 碱 能 影响 一 个 真 核 细胞 主要 的 转录 活性 吗 ? 答 不 能 。 细 胞 中 数量 最 多 的 RNA 成 分 是 rRNA (第 7 章 )。rRNA 基因 是 由 了 RNA 聚合 M1 RH, RNAKGM I Wii oh FER, ox FE FA BY 3 tI MJ BY Fl FOR SH SL SE HK RNA 聚合 酶 的 抑制 作用 中? 答 不 能 。 所 有 的 RNA 聚合 酶 使 用 相同 的 底 物 ,a- 鹅 膏 曹 碱 可 抑制 一 些 RNA ROM, 但 并 不 是 全 部 。 KU, ABAD AMRF mRNA 能 说 明 其 为 一 个 初级 RNA 转录 物 吗 ? Le 不 能 。 在 绝 大 多 数 情况 中 , 真 核 生 物 中 的 mRNA 总 是 单 顺 反 子 , 它 是 通过 对 初级 转 第 17 章 BARANSARAR 录 物 的 加 工 〈 修 饰 和 剪 切 ) 而 生成 的 。 转录 的 抑制 剂 17.20 WAH D 能 阻 断 rRNA、tRNA 基因 和 那些 编码 蛋白 质 产 物 的 基因 的 转录 吗 ? | 答 : 是 的 。 放 线 菌 素 了 能 阻 断 与 DNA 模板 结合 的 转录 过 程 。 为 此 , 它 识别 全 部 双 链 DNA 的 普通 的 结构 特征 , 通 过 内 入 二 在 一 起 的 碱 基 之 间 (第 16 章 ) 与 DNA 结合 。 细菌 RNA 聚合 酶 的 抑制 剂 利 福 霉 素 和 利 迪 链 菌 素 均 结合 在 酶 的 相同 亚 单位 , 但 它 们 对 该 酶 活性 所 有 的 影响 却 是 不 同 的 。 这 是 为 什么 ? 答 , 这 些 抑制 剂 的 每 一 个 都 特异 地 与 RNA 聚合 酶 的 B 亚 单位 结合 。 该 亚 单位 与 RNA 链 的 起 始 和 延伸 有 关 。 利 福 老 素 与 该 亚 单位 结合 只 影响 起 始 步骤 ; 它 对 延伸 没有 影响 。 而 利 迪 链 菌 素 结合 后 将 阻 断 这 两 个 步骤 的 活性 。 mRNA 翻译 的 装置 下 722 下 /523 17.24 5 细胞 中 有 多 少 种 类 的 rRNA 和 tRNA 在 翻译 过 程 中 起 作用 ? 答 : 最 多 有 3 一 4 种 的 rRNA, 这 依赖 于 它们 是 细菌 还 是 真 核 生 物 。 另 一 方面 , 在 任何 细 胞 中 , 至 少 有 20 种 tRNA (对 于 每 一 个 氨基 酸 至 少 有 一 个 )。 对 于 所 有 的 tRNA, 为 什么 它们 必需 具有 相似 的 空间 大 小 ? 2 所 有 的 tRNA 必需 具有 相似 的 空间 大 小 , 这 是 因为 : 在 翻译 过 程 中 , 所 有 负荷 的 tRNA 与 核糖 体 上 的 相同 的 位 点 单独 地 严格 地 相互 作用 。 存 在 于 tRNA 一 端的 反 密 码 子 允许 它 与 结合 的 mRNA 相互 作用 , 并 且 参 照 结 合 的 肽 基 转 移 酶 的 位 置 , 氢 基 酸 严格 地 定位 在 核糖 体 的 表面 。 一 个 具体 的 tRNA 能 适应 所 有 的 亮 氨 酸 密码 子 吗 ? pe 亮 氨 酸 有 六 个 密码 子 , 在 所 有 的 氢 基 酸 中 是 最 多 的 。 依 据 摆动 学 说 , 一 个 具体 的 tRNA 可 适应 一 个 以 上 的 密码 子 。 摆 动 学 说 允许 多 至 三 个 不 同 的 核 苷 酸 (但 只 在 密 码 子 的 第 三 个 位 点 ) 同 反 密码 子 的 一 个 核 苷 酸 相互 作用 。 亮 氨 酸 有 六 个 密码 子 的 事 实意 味 着 它们 必须 在 除了 第 三 个 碱 基 以 外 的 位 置 上 存在 不 同 , 因 此 , 一 个 特定 的 tRNA 分 子 的 一 个 具体 的 反 密 码 子 不 能 与 它们 相 适 应 。 氨基 酰 - tRNA 合成 酶 在 两 个 步骤 中 起 作用 致使 氨基 酸 与 其 同 源 tRNA 结合 。 在 这 些 步骤 的 每 一 个 步骤 中 , 氨 基 酰 - tRNA 合成 酶 对 于 氨基 酸 或 其 tRNA 具有 特异 性 吗 ? 答 : 在 第 一 个 步骤 〈 氢 基 酸 活化 ) 中 , 该 酶 识别 其 相应 的 氨基 酸 。 在 第 二 步 , 该 氨基 栈 必须 与 其 正确 的 tRNA 结合 , 因 此, 后 者 被 该 酶 识别 是 致 关 重要 的 。( 有 时 , 也 会 低 频率 地 发 生 这 样 的 情况 , 一 个 相似 但 非 正 确 的 氨基 酸 在 第 一 个 步骤 被 编 入 ; SHB 识别 其 相应 的 tRNA 时 , 该 非 正 确 的 氨基 酸 被 释放 出 来 。) 细菌 中 RNA 的 翻译 17.26 什么 是 细菌 mRNA 的 “前 导 ” 区 域 ? iRSS 该 前 导 是 位 于 起 始 密码 子 和 RNA 5 “端的 区 域 。 它 含有 与 核糖 体 结 合 有 关 的 不 被 翻译 的 序列 ;与 核糖 体 结 合 是 把 信息 翻译 进 多 肽 的 一 个 重要 的 步骤 。 . 425 + * 426 > 17.27 17.28 ELs29 17.30 | ie | by Se 生物 化 学 为 什么 tRNA 不 能 依 相 应 的 AUG 密码 子 在 多 肽 合成 的 起 始 阶段 起 作用 ? KS | 在 翻译 的 起 始 阶段 , 特 异地 使 用 蛋 氨 酰 -tRNA 系列 的 tRNA 。 与 小 核糖 体 亚 单 位 , mRNA 的 前 导 区 域 , 起 始 因子 和 GTP 构成 的 第 一 个 起 始 复合 物 相 互 的 起 始 作 用 可 能 需要 该 系列 特有 的 核 苷 酸 序 列 。 如 同 真 核 生 物 中 不 存在 这 种 情况 一 样 ,对 于 起 始 阶段 , 甲 酰 化 (这 只 能 与 tRNA ER) 可 能 未 必 是 必需 的 。 因 此 , 由 于 在 RNA 中 并 没有 对 特殊 结构 的 要 求 ,tRNA 与 起 始 无 关 。 一 个 氨基 酸 组 入 多 肽 的 过 程 中 消耗 了 多 少 ATP 的 等 价 物 ? 答 , 一 个 ATP 用 于 tRNA 的 负荷 , 另 外 , 在 所 酰 -tRNA 与 核糖 体 的 A 位 点 结合 和 移 位 的 每 一 步骤 消耗 一 个 GTP。 因 此 , 忽 略 起 始 阶段 , 每 一 个 氨基 酸 的 组 六 使 用 三 个 ATP 等 价 物 。 但 是 要 注意 , 在 氨基 酸 活化 的 过 程 中 , 产 物 是 ANP 和 了 PPi5 CAKE 为 Pi 致使 反应 完成 。 因 此 , 对 于 每 一 个 氨基 酸 的 组 入 要 使 用 四 个 高 能 磷酸 键 的 等 价 物 。 在 移 位 的 过 程 中 , 肽 酰 - tRNA 从 核糖 体 上 的 A 位 点 转移 到 了 位 点 。 在 肽 酰 - tRNA 反 密 码 子 -密码 子 相 互 作 用 的 过 程 中 发 生 了 什么 ? 答 : 这 必须 保持 顺畅 , 能 说 得 清楚 一 些 的 是 : 整个 核糖 体 移 动 了 与 肽 酰 = 谍 NA-mRNA 复合 物 相 关 的 一 个 密码 子 位置 。 什么 主要 结构 对 于 真 核 mRNA 翻译 的 起 始 阶段 是 必需 的 而 该 结构 不 存在 于 细菌 mRNA E? 答 : 在 真 核 生 物 为 形成 mRNA 的 初级 转录 物 加工 过 程 中 , 一 个 甲 基 化 岛 味 叭 的 “帽子 ” 结合 在 $ 端 。 这 对 于 成 熟 真 核 mRNA 翻译 有 效 的 起 始 是 必需 的 , 然 而 , 这 个 过 程 在 原核 生物 中 是 不 存在 的 。 有 什么 明显 的 原因 使 真 核 生 物 不 形成 多 聚 核糖 体 ? 答 : 多 聚 核糖 体 是 在 mRNA S 端 负荷 一 系列 核糖 体形 成 的 ; 在 任 一 时 间 点 , 有 许多 核糖 体 沿 着 一 条 mRNA 在 行进 。 显 然 , 多 聚 核糖 体 可 在 真 核 生物 中 形成 。 一 旦 第 一 个 核 糖 体 从 该 核糖 体 结 合 位 点 移动 了 一 段 明 显 的 距离 , 就 没有 理由 使 后 续 的 核糖 体 不 以 竞赛 的 正常 顺序 载 于 其 上 。 原核 生物 中 的 转录 -翻译 偶 联 表示 在 其 从 DNA 模板 转录 完成 之 前 一 个 RNA 分 子 的 翻译 就 已 经 开始 了 。 这 种 情况 能 发 生 在 真 核 生 物 中 吗 ? Bes 不 能 。 真 核 生 物 的 转录 必须 在 细胞 核 中 完成 。 最 终 产生 的 mRNA 被 转运 到 细胞 质 中 后 才能 被 翻译 成 多 肽 。 蛋白 质 的 翻译 后 修饰 17.33 17.34 当 和 蛋白 质 在 高 温 下 被 酸 水 解 , 它 被 降解 成 其 组 成 单位 氨基 酸 。 通 常 , 其 中 会 有 胱 氨 酸 。 但 是 , 密 码 子 表 中 没有 胱 氨 酸 。 这 是 为 什 吗 ? 答 : 胱 气 酸 是 由 两 分 子 的 半 胱 氢 酸 通过 它们 的 一 SH 基 团 氧化 形成 三 硫 键 构成 的 。 如 此 的 氧化 过 程 就 是 蛋白 质 的 翻译 后 修饰 , 这 对 某 些 蛋 白质 折 释 结构 的 稳定 性 是 重要 的 。 因此 , 在 翻译 过 程 中 绝 没 有 胱 氨 酸 被 组 入 多 肽 中 , 并 且 , 也 没有 与 其 相应 的 密码 子 。 从 细胞 输出 的 蛋白 质 的 信号 序列 从 不 位 于 该 多 肽 链 的 C 端 。 为 什么 ? 9 第 17 章 , 基 因 表 达 和 蛋白质 合成 . 427 , 答 : 这 是 因为 : 如 其 被 设计 的 那样 , 多 肽 链 通过 膜 时 需要 该 信号 序列 。C 端 部 分 总 是 被 最 后 合成 , 如 果 信 号 序列 位 于 这 个 末端 将 不 能 使 生长 的 多 肽 链 ““ 成 线 状 ”通过 膜 。 翻译 抑制 剂 17. its a5 36 Att & ten BK ED PRS REY BE AEM rl FH AIEEE? 答 , (=) hE 5 ASH tRNA 3 NA Al eA AAR tRNA), EMEA EPELERSHES, ERAEWP, ARR tRNA Wy 3’ Sm ye ye 7H AY. 毛 霉 素 在 作为 抗生素 治疗 动物 的 细菌 感染 时 有 副作用 。 其 原因 何在 ? Bs (=) 氯 霉 素 通过 抑制 核糖 体 大 亚 单位 肽 基 转移 酶 可 阻 断 细菌 的 翻译 过 程 。 它 不 妨碍 真 核 生物 核糖 体 大 亚 单 位 的 肽 基 转移 酶 。 然 而 , 动 物 细 胞 线粒体 中 的 核糖 体 与 细菌 核糖 体 相 似 , 氯 霉 素 可 阻 断 该 细胞 器 的 蛋白 质 合 成 。 这 是 该 药物 用 于 动物 治疗 时 副作用 产生 的 原因 。 基因 表达 调控 17.37 为 什么 说 大 肠 杆 菌 乳 糖 操纵 子 表达 调控 是 负 调 控 的 例子 ? 17. a i 17. 39 答 : 这 是 因为 : 该 表达 调控 是 通过 弱化 负 作用 剂 〈 即 阻 抑 物 ) 的 效应 而 起 作用 的 。 换 名 话说 , 乳 糖 操纵 子 表 达 是 通过 消除 阻 抑 物 的 影响 而 实现 的 。 另 一 方面 , 在 正 调控 系 统 中 , 表 达 是 通过 某 一 物质 的 直接 作用 正 向 诱导 或 增加 表达 而 实现 的 。 在 染色 体 不 相 邻 排列 的 一 些 基因 表达 的 协同 调控 (在 转录 水 平 ) 需要 什么 ? 答 : 每 一 个 基因 需要 一 个 共同 的 与 其 相关 的 调节 单元 (启动 子 , 或 操纵 基因 , 或 二 者 共 同 )。 以 此 方式 , 诸 如 阻 抑 物 或 焉 向 作用 物质 的 单一 调控 因子 可 同时 影响 所 有 基因 。 网 织 红细胞 珠 蛋 白 合成 的 转录 调控 是 不 可 能 的 , 因 为 在 这 类 细胞 中 不 存在 转录 过 程 。 这 是 否 意味 着 珠 蛋 白 合成 的 整个 调控 过 程 完 全 缺乏 转录 调控 ? 答 : 不 。 在 红细胞 生成 的 过 程 中 , 网 织 红 细胞 从 其 前 体形 成 之 前 〈 第 1 章 ), 必 须 有 一 个 预先 的 珠 蛋 白 基 因 的 转录 过 程 产生 富 含 珠 蛋 白 mRNA 的 网 织 红 细胞 。 补充 问题 把 下 列 RNA 序列 译 成 相应 的 氨基 酸 序 列 : CAU AUU ACU CAU GAA CGU GAA 下 列 为 一 个 真 核 mRNA 编码 序列 的 开始 部 分 , 它 编码 的 氨基 酸 序列 是 什么 ? GUG UUU UUU GUG UUU 下 列 双 链 DNA 片段 包含 一 个 蛋白 质 起 始 密码 子 的 区 域 , 请 辨认 摸 板 链 : BGATOCTCTOEEF-3: a CTACAGAGGA — 5" 细胞 中 数量 最 多 的 RNA 类 型 是 什么 ? DNA 聚合 酶 需要 一 个 引物 (在 其 上 结合 新 的 核 苷 酸 单元 使 其 链 延 伸 )。 引 物 对 RNA 聚合 酶 的 作用 是 必需 的 吗 ? 对 于 RNA 合成 或 多 肽 合成 的 起 始 过 程 , 那 一 个 需要 启动 子 ? Pribnow 框 存 在 于 起 始 密码 子 上 游 3Sbp 附近 。(a) Xt; (b) 错 。 + 428 + i Ie ee 17. fT. a. 17. Yi. 17. i; eae MTS a7) ee br ig iA 17. i? Ly fs $75 17. ids iY 生物 化 学 只 有 转录 起 始 过 程 需 要 RNA 聚合 酶 的 c 亚 单位 。(a) 对 ; (b) 错 。 转录 的 终止 序列 是 在 转录 物 的 $ 端 还 是 3 端 ? 单 顺 反 子 mRNA 能 表示 细菌 细胞 的 初级 转录 产物 吗 ? 增强 子 序列 存在 于 细菌 中 还 是 真 核 生物 中 ? 组 蛋白 的 磷酸 化 能 减少 还 是 增加 该 分 子 的 净 正 电荷 ? 真 核 生 物 基因 一 般 由 内 含 子 和 外 显 子 构成 。 这 些 序列 都 被 转录 和 翻译 吗 ? BY Wt EK DNA, RNA 或 多 肽 中 吗 ? RNA 带 帽 过 程 发 生 在 前 切 过 程 之 前 还 是 之 后 ? 一 个 外 显 子 能 含有 起 始 密码 子 吗 ? 利 福 霉 素 抑制 组 蛋白 基因 的 转录 吗 ? 在 什么 种 类 的 RNA 中 存在 密码 子 和 反 密 码 子 ? 密码 子 只 有 三 个 核 苷 酸 残 基 的 长 度 , 为 什么 tRNA 分 子 却 如 此 之 大 ? tRNA 是 单 链 分 子 , 但 其 分 子 结构 的 大 部 分 是 双 螺 旋 结 构 。 这 是 如 何 形成 的 ? tRNA 分 子 的 受 体 干 含 有 的 是 3` 端 还 是 5 端 ? 在 一 个 细胞 中 , 有 许多 种 类 的 氨基 本 -tRNA 合成 酶 或 tRNA 吗 ? 核糖 体 的 哪个 亚 单位 识别 mRNA 上 不 翻译 的 前 导 序列 ? 细菌 中 70S 起 始 复合 物 形成 后 , 在 翻译 的 哪 一 步 能 量 是 以 高 能 磅 酸 刍 的 形式 消耗 的 ? 终止 密码 子 与 转录 的 终止 有 关 还 是 与 翻译 的 终止 有 关 ? 在 真 核 mRNA 上 , 甲 基 化 的 帽子 与 RNA 结合 过 程 发 生 在 细胞 核 内 还 是 在 细胞 质 内 ? 胰岛 素 基 因 的 第 一 个 转录 产物 是 什么 ? 信号 肽 酶 裂解 mRNA 非 翻译 前 导 序列 吗 ? 细菌 的 阻 抑 物 结合 在 启动 子 上 还 是 结合 在 DNA 靠近 基因 的 操纵 基因 位 点 上 ? 阻 抑 物 和 与 转录 有 关 的 辅 阻 抑 物 之 间 有 什么 差别 ? 第 1 章 1.85 | .20 | 一 第 2 章 1 Be 2,13 补充 问题 答案 所 有 活 细胞 的 细胞 膜 对 离子 和 其 他 化 学 物质 具有 选择 性 通 透 。 在 多 数 情况 下 , 这 种 选 择 性 与 ATP 的 供给 相 联系 (第 10 章 ); 并 且 细 胞 死亡 的 原因 之 一 是 ATP 水 平 的 下 降 , 在 这 种 状态 下 , 细 胞 不 再 排出 外 来 化 合 物 , 如 甲苯 胺 染料 。 戊 二 醛 在 相 邻 蛋白 质 分 子 的 侧 链 氢 基 之 间 形 成 希 夫 碱 并 使 它们 交 联 (第 3 章 , 第 4 章 )。 芳 基 硫 酸 酯 酶 底 物 对 硝 基 莱 硫 与 硝酸 铅 以 类 似 的 方式 共同 用 于 Gomori 反应 (fil 1,5), 是 的 , 在 解释 放射 自 显影 图 谱 时 会 出 现 困难 , 因 为 CH) 葡萄 糖 不 仅 只 组 入 糖 原 中 也 可 通过 糖 酵 解 (第 11 章 ) 被 代谢 产生 氨基 酸 和 脂肪 酸 ; 这 些 能 出 现在 所 有 的 细胞 器 。 内 质 网 的 碎片 与 其 附着 的 核糖 体 从 脂 质 双 层 片 被 转换 成 圆 形 圳 泡 。 这 发 生 在 制备 样品 的 匀 浆 过 程 , 并 且 由 于 脂 质 双 层 (图 1-4) 具有 自然 再 封闭 的 倾向 。 它 能 分 别 控制 尿素 和 喀 啶 的 合成 (第 15 章 )。 把 网 织 红 细胞 和 [2?H] BARBERA, CH) 亮 氨 酸 将 被 组 入 蛋白 质 。 制 备 电子 显 微 镜 放射 自 显 影 图 谱 , 并 计算 每 个 细胞 的 银 颗 粒 和 多 聚 核 糖 体 的 数量 。 后 者 在 这 些 细 胞 中 呈现 由 五 个 核糖 体 组 成 的 玫瑰 花瓣 状 。 在 多 聚 核糖 体 的 数量 和 在 孵育 期 间 〈 与 银 颗粒 的 数量 成 比例 ) 合成 的 蛋白 质 总 量 之 间 的 统计 学 比较 可 显示 是 否 有 非 活性 的 多 聚 核糖 体 。 事 实 上, 多 数 多 聚 核糖 体 是 不 活跃 的 , 即 : 它们 被 “关闭 ”( 见 第 17 章 , 蛋 白质 合成 的 调控 )。 (a) BR. (b) 如 果 一 个 线粒体 基因 存在 缺陷, 来自 该 女性 的 所 有 后 代 将 携带 该 缺 陷 。 许 多 明确 的 源 自 这 样 缺 陷 的 疾病 已 被 描述 。 事实 上 , 细 菌 没 有 线粒体 , 但 是 , 某 些 类 型 的 细菌 具有 膜 向 细胞 质 止 陷 构 成 的 间 体 。 这 些 在 功能 上 类 似 于 线粒体 内 膜 (第 14 章 )。 在 较 高 级 的 细胞 中 , 线 粒 体 从 其 他 膜 结 构 区 别 开 来 的 原因 可 能 是 源 于 作为 细胞 内 共生 生物 的 进化 起 源 , 以 及 源 于 这 样 的 事 实 : 功能 的 空间 分 隔 导 致 对 多 种 代谢 过 程 调控 更 为 便利 〈 依 据 自然 选择 )。 (a) 特别 的 肽 酶 释放 导致 组 织 蛋 白质 水 解 和 降解 。(b) 用 抗 炎 的 类 固 醇 药 物 治疗 以 减 轻 炎 症 , 它 也 可 用 于 稳定 溶 酶 体 膜 。 21 号 染色 体 (通常 为 短 臂 ) 的 片段 被 移 位 至 其 他 的 染色 体 ; 因此 , 在 任何 细胞 中 有 三 个 短 臂 片段 的 拷贝 。 这 是 相当 罕见 的 事情 。 (a) 成 糖 ,D - 木 糖 ,B; (b) 戊 糖 ,D -核糖 ,8B; (c) 氨基 己 糖 ,N -乙酰 基 -D - 葡 萄 糖 胺 ,8B; (d) 已 糖 ,D -葡萄 糖 ,8B。 (a), (c), (d), (Ce), (7 (的 + 430° 生物 化 学 2.14 CHOH CH,OH CHOH CH,OH OH pi HO OH O OH HO O HO O OH HO HO H OH OH OH oe i. OH OH 端 基 异 构 体 〈 异 头 体 ) 对 差 向 异 构 体 2.15 CH,OH 和 CH,OH OH H OH H OH OH CH,OH CH,OH 2.16 a (28%); B (72%). . 2.17 0.167g cm~*. 2: 18 果糖 是 ( ae pa 2.19 CHO CH,OH | Th OH Re HO OH OH H, OH NH, HO CH,OH OH 2:20 Fs 2.21 8B-L- 吡 喃 葡萄 糖 的 取代 全 是 在 那些 B-D - 吡 喃 葡萄 糖 Haworth 结构 的 对 位 土 〈 即 : 它们 所 在 位 置 是 8- D - 吡 喃 葡萄 糖 中 的 H 所 占据 的 位 置 )。 因 此 , 依 据 例 2.13, 可 以 BA: 在 1C 椅 构 象 体 中 , 所 有 8B-L - 吡 喃 葡萄 糖 的 取代 均 是 平 伏 向 的 。 H H HOH,C H~O OH HO OH OH H H Bene CH est 2.23 DRePPRREXT EN, FFA eer es 补充 问题 答案 -431° CH,OH OH H OH CH,OH 2.25 (a) COOH (b) CHO OH OH H H OH H OH OH | CH,OH COOH 2.26 C5H#tk. 2.27 和 BO COO - CHO CHO OH OH NHCOCH; CO H H H H OH - 0,5 tes H OH OH | OH H CH,OPO3- CH,OH CH,OH CH,OPO2- 果糖 - 1,6 -二 磷酸 6 EMME «= DESL 4-H NN -Z.BEK PLE 4 -硫酸 2.28 A; L-SReA L-RERBERACE. 2.29 Fak. 第 3 章 3.18 (a) 丝氨酸 , 苏 氨 酸 (一 OH); 天 冬 酰 腕 , 谷 氨 酰 胺 (—NH,); HAR (—SH); Mam (一 OH); KZ AR, FARM (—COOH); MAR, AAR, FAR (—WNH). (b) 丝氨酸 , 苏 氨 酸 (一 OH); KARR, FARR (—NO—); 半 胱 氨 酸 (一 S 一 ); MAR (—O—); 天 冬 氨 酸 , 谷 氨 酸 (一 COO-); MAR, HAR, HAR (通常 为 4E AF ILFE SK). 3.19 ZAAAR, BAR, ZAR. 3.20 HAR. 3.21 i Nt C oO HN” saat (a) HO—CH—CH,—SH: (b) | (c) - 432° 生物 化 学 3.22 pI=10.75 3.23 pI=7.6 3.24 pH=2.35 3.25 (a) 1.61; (b) 1.0; (c) —0.15 3.26 (a) 0.98; (b) 0.06; (c) -0.94 第 4 章 4.21 (a) 肌 动 蛋白 , 肌 球 蛋白 , 原 肌 球 蛋白 , 肌 钙 蛋 白 , 肌 红 和 蛋白 ; (b) 胶原 蛋白 ; (c) AeA. 4.22 17000. 4.23 (a) Pt (b) pH3.0 阴极 ; pH9.0 阳极 。 (c) pH4.5 BAI; pH9.5 fae; pH11.0 FAR. (d) pH3.5, 7.0, 9.5, PAt. 4.24 Mahe (@—+), MAABA, MAEA, Pp AREA, BRERE. 4.25 这 些 定义 见 4.4 部 分 。 4.26 (a) RM: AAR, BAR, GARE, GAR; 这 些 是 极 性 的 或 带 有 电荷 的 。 (b+) 内 部 : BAR, BAAR, MAM, 这 些 是 非 极 性 的 。 另 外 , 谷 氨 酰 腕 和 不 带电 荷 的 组 氨 酸 若 形成 氢 键 的 话 也 可 存在 于 内 部 。 4.27 (a) 表面 的 非 极 性 基 团 可 构成 与 其 他 分 子 结合 的 位 点 。 (b) 内 部 的 带电 荷 基 团 在 某 些 酶 的 催化 机 制 方面 是 重要 的 。 4.28 结构 域 是 蛋白 质 的 一 个 独立 的 折 骆 区 域 , 例 如 : 甘油 醛 - 3-H a BY NAD * 44 位 点 。 4.29 这 样 的 构象 可 导致 原子 之 间 的 冲突 。 4.30 (a) 高 浓度 的 尿素 (6~8mol/L) 可 削弱 氢 键 和 朴 水 相互 作用 。 (b) 尿 中 的 尿素 非常 稀 (25 0.2mol/L). 4.31 (a) 氢 键 , 巩 水 相互 作用 ,van del Waals 相互 作用 , 电荷 -电荷 相互 作用 。 (b) 它们 相互 协调 作用 。 4.32 (a) » = 0.54nm, d = 0.15nm, (b) 153X0.15nm = 22.95nm. (c) 153X0.35nm = 53.55nm. (d) 153 X0.36nm = 55.08nm. 3 4.33 (a) a -螺旋 (b) aie (55) (c) 紊乱 〈 电 荷 相 斥 ) (d) a -螺旋 (55) (e) a- 螺 旋 (f) AREAL 4.34 Age, Gi7KAH EVER, Ha tey-Ha ep AH ALE AN, van der Waals 相互 作用 。 4.35 HRARAKARES A 3 位 的 残 基 充分 接近 。 4.36 甘氨酸 较 小 , 可 与 第 3 位 残 基 充分 接近 。 4.37 (a) 胰岛 素 有 两 条 链 , 来 自 一 个 单 链 前 体 裂解 ; 通过 二 硫 键 保持 其 稳定 。 (b) 血红 蛋白 有 四 条 链 , 两 条 c 和 两 条 B; 通过 非 共 价 相 互 作 用 聚合 在 一 起 。 (c) 胶原 蛋 晶 有 三 条 链 , 形 成 三 重 螺旋 ; 通过 氢 键 和 额外 的 化 学 交 联 使 其 稳定 。 4.38 最 大 限度 的 氢 键 形成 ; 所 有 键 长 和 角 均 为 正常 ; 在 骨架 原子 之 间 没 有 相 斥 作用 CB: o -螺旋 做 图 位 于 拉 氏 图 的 有 利 区 域 )。 4.39 (a) 不 同 : -螺旋 中 的 氢 键 在 同一 链 的 肽 键 之 间 形 成 ; ER TRH EAW HT, AR 在 不 同 链 的 肽 键 之 间 形 成 。 氢 键 平 行 于 -螺旋 的 轴 , 而 在 B- 折 硬 片 层 结构 中 氢 键 垂 直 于 链 的 方向 。 补充 问题 答案 gi. (b) 相似 : oie PTAA RAWAL, BS, HARA, tk 图 位 于 拉 氏 图 的 有 利 区 域 。 第 5 章 5.19 (a) 10 *mol/L; (b) 1mol/L; (c) 10°*mol/L. 5.20 (a) 24%; (b) 98.4%. 注意 : 由 于 平衡 常数 升 高 , 二 聚 体 百分数 增加 。 5.21 (a) 0.65 (b) 0.025 (c) 0.04 (d) 0.74 (e) 0.48 5.22 由 于 氯 离 子 强化 盐 键 , 血 红 和 蛋白 的 氧 亲 和 力 降低 。 因 此 , 在 氯 离子 的 存在 的 情况 下 , 更 多 的 氧 被 释放 。 Hb (O;)4+ Cli=—Hb (Gl) + 40, 5.23 ARMAMD (p50 是 70 托 , 动 脉 血 只 有 70% 被 饱和 ) 5.24 多 肽 (b) 和 (c) 将 形成 三 重 螺旋 ,(b) 更 为 稳定 。 5.25 由 于 胶原 蛋白 多 肽 链 几 乎 完全 伸展 , 它 们 再 被 拉 伸 将 使 共 价 键 断 裂 。a 螺旋 通过 裂解 若 弱 的 非 共 价 氢 键 可 使 其 延长 一 倍 。 S326 056 (b) 4。 5.27 羟基 础 灰 石 结合 在 胶原 蛋白 分 子 的 沟 槽 中 , 这 与 电镜 中 用 重金 属 染 色 的 方式 相同 。 5.28 蛋白酶 裂解 最 靠近 透明 质 酸 的 区 域 中 的 核心 蛋白 质 和 键 , 至 此 糖 胺 聚 糖 的 保护 最 小 。 5.29 9 400. 5.30 中 等 纤维 是 细胞 特异 性 的 , 当 细胞 被 转化 时 它 也 不 发 生变 化 。 因 此 , 通 过 鉴别 存在 于 肿瘤 中 的 中 等 纤维 类 型 , 一 个 微小 的 转移 特征 和 起 源 可 以 被 确定 。 5.31 动力 蛋白 以 非 活 性 形式 开始 于 轴 突 的 正 端 , 通 过 驱动 蛋白 将 圳 泡 在 微 管 上 运输 。 一 旦 在 轴 突 末端 , 动 力 蛋白 转换 为 活性 形式 , 就 可 将 囊 泡 运送 回 细胞 体 。 “434 CN .19 20 Cn nN WN Nw NY NY wo NHN = Nn WN we Ww nn 上 MD NY WwW on OA Ww W 二 © DnNNDNNDANDANHD HD HD BW Ww iS) nN \o WwW WwW Ht ii 6 a 生物 化 学 (a) 含有 碳水 化 合 物 的 脂 类 ; (b) 6-=a-D- 吡 喃 半 乳 糖 -8B-D - 吡 喃 半 乳 糖 甘油 二 酯 〈 糖 甘油 脂 ) 和 半 乳 糖 神经 酰 A 〈 蒜 糖 脂 )。 因为 它们 是 二 碳化 合 物 乙 酸 的 多 聚 体 。 (a)CH3(CH2 )1> COOH 64 (如 果 这 三 个 脂肪 酸 总 是 不 同 ,24) CH,0:OC( CH) 14 CH; (a)CH3(CH2) 14 CO:O Cli | CH,0: OC( CH) 14 CH; CH,0:OC(CH;)7 CH —=ChuChs). CH; | (b)CH3(CH)) 14 CO:iO'CrH | CH,0-OC(CH; )7 CH =CH(CH;)7 CH3 Xt FAR : PG. DPG.PS; fil 4) : PE} HO Be Hs BR 2.86 X 10°. di 计算 的 一 个 红细胞 表面 积 乘 以 4.74Xx10?” 得 到 一 个 总 面积 , 该 总 面 只 约 为 观察 到 的 面 积 的 一 半 。 因 此 , 由 于 是 双 层 , 实 际 的 脂 类 含量 应 是 由 单 层 计算 得 到 的 数据 的 一 倍 。 PE 有 一 个 比 PC 极 性 小 的 头 部 , 并 被 完整 的 包 庄 进 凹 陷 的 内 表面 。 (a) 降低 ; (b) Frits (c) 升 高 转换 温度 。(a) 增加 ; (b) MD; (c) 减少 磷脂 的 流 动 性 。 1.04gcm : 120。 1 -两 醇 〈 最 快 ),1,3 3 HE, ABR, AR, AAR. 答案 应 基于 例 6.9 和 图 6 - 10 提供 的 材料 , 在 例 6.12 PATA. 3 300cpmymin。 35.5kJ/mol。 (a) 没有 影响 ; (b) 运输 被 抑制 。 Ca 的 释放 被 抑制 。 结构 (a) 是 喀 啶 ,(c) 是 味 叭 。 补充 问题 答案 7.36 (a) RNA: 腺 味 哈 、 鸟 味 哈 、 尿 喀 啶 和 胞 喀 啶 。 (b) DNA: ARGS, Sere, 胸腺 喀 啶 和 胞 喀 啶 。 7.37 (a) (b) KSB DNA 含有 5 - 甲 基 胞 喀 啶 的 量 非常 少 。 7.38 an ae =C CH ug 加 H 7.39 O O | | Hw De Speas HN~ ‘ GO | Cr, Ly age O=C_ MH (a) yah a | (b) HOCH, ~ | te | Ci in CH WE HC i Ne Un bu H ou bi 脱氧 核糖 胸 苷 核糖 胸 苷 7.40 ARE. 7.41 BRRSARRBEH; 核 苷 不 含有 。 7.42 7.43 (b) 脱氧 乌 昔 一 磷酸 7.44 ”因为 它 含 有 尿 喀 啶 , 正 常情 况 下 不 存在 于 DNA 中 。 7.45 抵抗 较 小 。 . 436° sw 请 + ~ 小 se nan = © 生物 化 学 序列 互补 性 是 一 条 DNA 序列 与 另 一 个 配对 , 即 : 两 条 链 形成 互补 碱 基 对 的 能 力 。 B 型 是 右手 螺旋 ;,Z 型 是 左手 螺旋 。 在 B 型 中 重复 单位 是 单 核 童 酸 , 而 民 型 中 的 重复 单位 是 二 核 昔 酸 。Z 型 的 糖 磷酸 骨架 是 锯齿 状 的 , 而 B 型 是 较 平滑 的 。 在 高 离子 强度 下 , 正 电荷 离子 减少 DNA 上 的 负电 荷 , 这 降低 了 结构 中 静电 斥 力 , 使 其 结构 更 为 稳定 。 因为 细菌 基因 组 比 真 核 基因 组 要 小 , 所 以 , 前 者 DNA 中 存在 较 高 的 非 重 复 序列 。 复 性 是 二 分 子 反 应 , 当 反应 物 以 高 浓度 存在 时 , 复 性 将 进行 的 更 快 。 序列 的 复杂 性 指 基因 组 中 存在 的 序列 的 多 样 性 。 染色 体 是 指 一 种 结构 单位 , 在 该 结构 单位 中 细胞 的 遗传 物质 (DNA) 被 聚集 。 基 因 组 是 指 细胞 的 全 部 的 遗传 物质 , 它 由 一 个 以 上 的 染色 体 构成 。 核心 组 蛋白 在 真 核 细胞 中 包 绕 着 DNA, 形 成 可 抵抗 核酸 酶 的 颗粒 。 连 接 组 蛋白 与 DNA 结合 并 连接 着 上 述 的 颗粒 , 该 区 域 对 核酸 酶 敏感 。 它们 含有 高 比例 的 正 电荷 氨基 酸 残 基 , 这 些 残 基 与 带 负 电荷 的 DNA 形成 静电 相互 作 用 。 (a) DNA 螺旋 过 度 盘 曲 形成 正 超 螺 旋 ; 螺旋 的 不 充分 盘 曲 形成 负 超 螺旋 。 (b) 松弛 是 指 超 螺旋 的 去 除 。(c) 它 通过 在 DNA 单 链 或 双 链 形成 切口 而 实现 。 DNA 含有 脱氧 核糖 作为 糖 的 部 分 , 以 胸腺 喀 啶 作为 四 个 碱 基 之 一 。RNA 含有 核糖 作 为 糖 的 部 分 , 以 尿 喀 啶 作为 四 个 碱 基 之 一 。. (c) 精 氮 酸 NH, 因为 它 是 从 比 其 他 类 型 RNA 大 得 多 的 基因 组 部 分 被 转录 (形成 ) 的 。 (c) GTAATC 序列 将 最 不 容易 被 切断 , 这 是 由 于 它 没有 两 倍 的 旋转 对 称 。 (a) 葡萄 糖 CHO (b) 丙酮 酸 CH HCOH C=O HOCH COO- 乳酸 脱 氢 酶 是 氧化 还 原 酶 ,EC1.1.1.27。 HCOH HCOH CH,0H 葡萄 糖 6 -磷酸 酶 是 水 解 酶 , EC 329, “NH, NH CH,), HC— NH; COO 精 氨 琥 珀 酸 酶 是 裂解 酶 ,EC4.3.2.1。 补充 问题 答案 延 胡 索 酸 酶 是 水 合 酶 ,EC4.2.1.2。 8.15 (a) 乙醇 > 甲醇 > 丙 醇 > 丁 醇 > 环 己 醇 > 栈 (b) 乙醇 是 “最 好 ”的 底 物 ; 甲醇 太 小 , 而 其 余 的 太 大 或 朴 水 性 太 强 , 致 使 它们 不 能 很 好 地 进入 活性 部 位 。 8.16 (a) 硫 代 半 缩 醛 。 H H OH Ys SA (b) C 一 O + HS 一 酶 一 一 "1 ors a taal so Eh | es H iy H Oo” 8.17 (a) 变 位 酶 是 EC 类 5 的 成 员 , 即 : FAB. BS 的 酶 催化 一 个 分 子 内 的 几何 结构 变 化 。 当 蜡 构 作用 涉及 一 个 基 团 的 分 子 内 转移 , 该 酶 称 为 变 位 酶 。 例 如 : 磷酸 葡萄 糖 变 位 酶 和 分 支 酸 变 位 酶 。 (b) 这 三 个 类 型 的 酶 均 是 EC 类 !1 的 成 员 ; 氧化 还 原 酶 。 这 类 酶 氧化 /还 原 反 应 , 系 统 名 称 为 氢 供 体 : 受 体 氧化 还 原 酶 。 推 荐 的 名 字 是 脱 氢 酶 , 或 还 原 酶 。 氧 化 酶 只 用 于 氧 分 子 作 为 受 体 的 情况 。 脱 氢 酶 的 一 个 例子 是 乳酸 脱 氢 酶 , 该 酶 催化 由 乳酸 和 NAD -形成 NADH 和 丙酮 酸 。 氧 化 酶 的 一 个 例子 是 胆 碱 氧化 酶 (EC 1.1.3.4), 它 催 化 由 氧 和 胆 碱 形成 甜菜 碱 和 HzO:。 8.18 在 人 类 , 红 细胞 流 过 肺泡 毛细 血管 所 需 的 时 间 约 为 0.3 秒 。 在 该 时 间 内 , 血 浆 中 的 HCO -必须 重新 进入 红细胞 , 并 脱水 形成 CO2, 然 后 CO, 扩散 通过 红细胞 和 毛细 血管 膜 进 入 肺泡 (并 排 入 大 气 )。 这 种 自发 的 脱水 反应 简单 , 但 较 慢 。 8.19 酶 作用 于 底 物 类 似 物 , 该 类 似 物 修饰 活性 部 位 , 并 永久 地 对 它 进行 抑制 。 8.20 不 。 游 离 底 物 和 产物 的 比例 将 是 相同 的 , 但 底 物 和 与 酶 结合 的 产物 必须 计算 在 内 。 8.21 对 这 个 问题 没有 惟一 的 简单 的 答案 。 可 能 的 原因 是 : (1) 为 结合 和 催化 提供 “正确 ” 的 化 学 环境 , 如 : 降低 基 团 的 pK.,(2) 吸收 水 扩散 (AN) 运动 产生 的 能 量 , 并 将 它 输 进 活性 部 位 用 以 增加 催化 速度 ,(3) 通过 效应 物 结合 在 酶 的 其 他 位 点 所 诱导 的 构 象 变化 来 控制 催化 ,(4) 使 得 酶 在 膜 中 的 固定 , 或 组 构成 大 的 复合 物 ,(5) 防止 它们 通过 膜 过 滤 而 丢失 , 如 : 肾脏 中 。 8.22 DNAX AB (第 16 章 ), 糖 原 磷 酸化 酶 (第 11 章 )。 第 9 章 9.24 a VS 2 vo( Km 本 [S]o) = VinaxL SJo vo( Km + [S]o) ms V max Slo [Slo ~ [S]o * 438 - 生物 化 学 Ly OT is max [Slo 9.25 由 (voi/ [Sloi, voi) 构成 的 成 对 数据 做 图 , 给 出 斜率 为 - K, 和 纵 坐标 截 距 为 Vsw 的 一 条 直线 。 0 Vo/[S]o 图 A-1 Eadie-Hofstee 9.26 用 [S]o 乘 以 Linepreaver-Burk 方程 式 等 号 的 两 侧 。 9.27 由 ( [Sloss [Slo,/vo,:) 构成 的 成 对 数据 做 图 , 给 出 斜率 为 1/ Vssx 和 横 坐标 截 距 为 省 全 村。 的 一 条 直线 。 0 [Slo 图 A-2 Hanes-Woolf 图 9.28 (a) iW: 使 用 倒数 。 (b) A» 9.29 (a) PRE, KA, ABZ: 全 — [Slo a [Si Si K,,In({S]o/LS],) (b) 为 了 简单 的 做 图 步 又, 方程 式 被 重新 排列 为 ; Jin([S]w[S]) =- 4{ = 3 | + t m 左 侧 对 [Sjo- [S],/¢ KA, BAH-1/K,, WWBIEA Viwx/Km RRRBH So 9.30 (a) 分 解 变量 , 注 意 , [1] = [P] = [slo- (Sls MERA. Vit = (1+ 55) (¢s}, ~ [$]) + Kaln([Slo/LS]) (b) 对 于 一 个 固定 的 [S]。 值 和 一 个 [1] 值 范围 , 使 用 上 述 9.29 给 出 的 做 图 分 析 , 补充 问题 答案 可 获得 一 系列 斜率 相同 而 纵 截 距 和 横 截 距 不 同 的 线 。 横 截 距 的 倒数 对 [I] 做 的 二 次 图 斜率 为 1/KI。 考虑 a[S] =~ Varies 4 a (i+ Ts 二 因果 下 > m K; 如 果 K,;=Knyn, ABZ : d[s] _ Vn) S| ae [K, + [Sl TS * LS m Kn SEHK, 约 分 后 , 由 此 可 直接 求 和 得 到 结果 。 使 用 任何 做 图 步骤 。Ku。=0.8umoV/L; Vinex = 3pumol/L/min; 并 从 表达 式 : | VE a LE 10:4, = 300/s. (a) ono a (b) 使 用 King-Altman 程序 推导 速度 表达 式 。 关 系 遵循 例 9.6 中 使 用 的 那些 根据 。 .34 这 是 一 个 重要 的 问题 , 已 被 许多 酶 动力 学 家 谈论 了 多 年 。 为 了 正确 应 用 Briggs-Hal- dane 稳 态 分 析 , 在 闭合 系统 中 ,[S] DME> [E]o, 此 处 的 六 记 号 表示 一 个 至 少 是 1 000 的 因子 。Chaplin 1981 年 注意 到 : 表达 式 wo= Vix [Slo/ (Kn t+ [Slo + [E]o), #£ [Sjo=10x [E]o [S]o=0.1K,, 时 估计 ve 的 过 程 中 , 只 有 1% 的 错误 。 该 表达 式 可 在 比 简单 的 Michaelis-Menten 方程 式 更 宽松 的 条 件 下 应 用 。 在 开放 系统 中 ,[S]u 可 接近 [E]o, 并 且 可 适合 酶 - 底 物 复合 物 的 稳 态 ;两 类 系统 的 计算 机 模拟 是 获得 稳 态 复合 物 所 需 条 件 的 最 好 的 方法 。 meee «(ay 179K.; Cb) 1/3K,,; (ce) Rd OK 9.36 微分 方程 式 (9.36). 9.37 (a) (bj —10; (c) 81. 9.38 ff. MRO1 时 ,(81)7" >81。 9.39 KiI[X]+KIK2[X] 5 第 10 章 10.12 使 用 题 10.3 中 的 关于 活性 的 方程 式 和 活性 系数 。 见 图 A-3。 10.13 AG® =219.9kJ/mol. 10.14 在 生物 化 学 标准 态 条 件 下 ,ATP 合成 的 自由 能 可 由 下 列表 达 式 给 出 : AG® =- nFAp 此 处 的 ”为 每 个 合成 的 ATP 分 子 被 移 位 的 质子 数量 ; Ap 是 质子 驱动 力 。 代 入 AG" 值 和 ” 值 , 给 出 : Ap =-— 0.158 V Ap 由 表达 式 给 出 : - 440 + 10.15 10.16 10.17 10.18 10.19 10.20 10.21 生物 化 学 800 200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 [NaCl]/(mol L"') 图 A-3 Ap = Ag - = ae Ap H 这 是 方程 式 (10.35), 在 该 方程 式 中 两 侧 以 FRR. Ap=Ap:F 所 以 , Ap= —15.25kJ/mol (a) 0 503¢ Ab) @. 153 Ec) G73; cap ae 使 用 方程 式 (10.10). (a) AG = ,=AG*+RTIn (10 二) (b) 使 用 这 个 方程 式 计算 AG' na-7 的 AG 值 , 我 们 得 到 AG%n-s= 23. 2kJ/mol。 (a) AS°= 92.2 Jk !mol7!, (b) 如 果 假 设 : SO 范围 不 依赖 温度 , 那 么 , 在 323K 的 平衡 常数 是 1.756Xx10-5。 (a) 和 (b)。 在 高 [S],pi=R&et [Ei]。 考虑 酶 E, 到 下 , FA Vinx Km 的 各 种 值 。 假 设 该 系统 是 在 稳 态 中 并 有 稳定 的 ve 流通 过 它 。 在 假 设 的 实验 中 , 如 果 以 同样 小 的 因子 w ( 即 : A [EJ] / [E] =a) 增加 所 有 的 酶 浓度 (假设 酶 活性 与 其 浓度 成 比例 ),vg 中 的 分 数 变化 将 是 确切 的 a: 2= Av,/v, 所 提供 的 "非常 小 ,Ave/ us 是 所 有 的 每 个 独立 酶 改变 引起 的 个 体 变 化 的 总 和 。 对 于 第 i 个 酶 , 控 制 系数 定义 为 C; ( 见 题 10. eat 所 以 , ALE; ] C; a a to =e fi Ugi; ac = Avg Ug i 补充 问题 答案 该 方程 式 的 和 为 : 但 是 , 从 以 上 的 第 1 个 方程 式 = Av,/vgs 因此 : > Ci = 1。 第 11 章 11.12 在 糖 酵 解 过 程 中 ,3 -磷酸 甘油 醛 被 转换 为 1, 3 -二 磷酸 甘油 酸 , 腺 苷 酸 激酶 反应 的 平衡 倾向 于 3 -磷酸 甘油 酸 , 所 以 , 该 代谢 产物 被 “贯穿 ”该 反应 途径 。 11.13 2,3- 二 磷酸 甘油 酸 通过 2,3 -二 磷酸 甘油 酸 合成 酶 催化 的 反应 由 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 合成 。2, 3 -二 磷酸 甘油 酸 磷 酸 酶 催化 2,3 -二 磷酸 甘油 酸 水 解 形成 3 -磷酸 甘油 酸 。 11.14 其 中 两 个 碳 原子 被 转化 为 二 氧化 碳 , 其 他 四 个 碳 原子 形成 两 分 子 的 乙醇 。 11.15 四 11.16 利用 磷酸 成 糖 途径 它 可 被 组 入 糖 原 , 或 被 水 解 为 葡萄 糖 。 11.17 白蚁 肠 微 生物 合成 并 分 沁 纤 维 素 酶 , 该 酶 水 解 纤维 素 。 11.18 (a) 乙醇 发 酵 : 葡萄 糖 被 转化 为 丙酮 酸 , 它 可 形成 二 氧化 碳 和 乙醇 , 而 NAD’ Re 新 生成 。(b) 抑制 物 将 阻 断 糖 酵 解 , 且 酵母 将 死亡 。 11.19 (a) 胰岛 素 促进 葡萄 糖 从 血液 到 细胞 的 吸收 。 过 量 的 葡萄 糖 在 肝脏 中 被 转化 为 葡萄 糖 6 -磷酸 (通过 葡萄 糖 激酶 ), 然 后 以 糖 原 的 形式 储存 。 (b) 胰 高 血糖 素 促进 肝脏 中 的 糖 原 降 解 , 生成 葡萄 糖 以 保持 血液 中 适当 的 浓度 。 11.20 血液 中 的 葡萄 糖 浓度 在 餐 后 较 高 , 大 多 数 葡萄 糖 将 被 排 到 尿 中 。 葡 萄 糖 代谢 将 启动 , 因此 , 在 一 个 比 正常 较 低 的 水 平 。 11.21 磷酸 戊 糖 途径 可 生成 必须 的 NADPH; 5 -磷酸 核糖 将 被 转换 为 糖 酵 解 中 间 产 物 6 - 磷 酸 果 糖 和 3 -磷酸 甘油 醛 。 11.22 糖 酵 解 , 磷 酸 戊 糖 途径 , 糖 原生 成 , 葡 萄 糖 形成 〈6 -磷酸 葡萄 糖 ) 。 第 12 章 12.12 (a) 柠檬 酸 循环 : 2; (b) 乙 醛 酸 循环 : 0。 12.13 延 胡 索 酸 是 延 胡 索 酸 酶 的 底 物 , 而 顺 丁 烯 二 酸 不 是 。 细 胞 不 能 利用 顺 丁 烯 二 酸 作为 碳 源 。 12.14 没有 。 红 细胞 没有 线粒体 , 因 此 没有 运作 柠檬 酸 循环 的 酶 。 12.15 抑制 物 可 阻止 柠檬 酸 循环 运作 , 但 发 芽 的 植物 细胞 中 的 乙 醛 酸 循环 将 不 受 影响 。 因 此 , 在 这 两 类 细胞 中 能 量 的 生成 将 会 减少 , 但 它们 合成 葡萄 糖 的 能 力 可 不 受 影 响 。 第 13 章 13.17 胆固醇 是 胆汁 盐 的 前 体 , 它 在 食 入 食物 后 以 及 消化 和 吸收 甘油 三 酯 过 程 中 被 刺激 分 沁 进 肠 道 。 13.18 在 磁 脂 酰 胆 碱 的 再 合成 过 程 中 甲 基 被 利用 , 对 于 三 酰 甘油 的 合成 , 该 过 程 减少 1,2- 二 酰 甘油 的 利用 。 13.19 1 克 分 子 的 软 脂 酸 通过 B -氧化 和 柠檬 酸 循环 彻底 氧化 为 二 氧化 碳 和 水 生成 NADH 和 FADH: 。 在 这 些 过 程 中 形成 的 NADH 和 FADH, 的 氧化 与 ATP 的 合成 偶 联 在 一 起 (第 14 章 )。 每 克 分 子 的 软 脂 酰 - CoA 被 氧化 , 合 成 131 克 分 子 的 ATP。 人 得, 有 两 个 ATP 的 高 能 键 被 用 于 软 脂 酰 - CoA 的 生成 , 所 以 , 净 生成 129 个 ATP. 13.20 (a) 乙酰 乙酸 通过 2 克 分 子 乙酰 CoA 进入 柠檬 酸 循环 被 彻底 氧化 ; 从 该 循环 形成 的 NADH 和 FADH:, 每 克 分 子 乙 酰 乙 酸 可 合成 22 克 分 子 的 ATP。 人 额外 的 2 克 分 子 “441 - + 442° 生物 化 学 ATP 来 自 也 在 该 循环 过 程 中 形成 的 2 克 分 子 的 GTP。 因 此 , 总 数 为 24 个 。 (b) 3 - 羟 丁 酸 被 B- 氧 化 氧化 为 乙酰 CoA, 乙 酰 CoA 进入 柠檬 酸 循环 ; 从 该 循环 形 成 的 NADH 和 FADH, 每 克 分 子 3 - 羟 丁 酸 可 合成 25 克 分 子 的 ATP。 额 外 的 2 交 分 子 ATP 来 自 也 在 该 循环 过 程 中 形成 的 2 克 分 子 的 GTP。 因 此 , 总 数 为 27 个 。 13.21 (a) 软 脂 酸 和 亚 油 酰 甘油 ; (b) 花生 四 炳 酸 。 13.22 葡萄糖 在 磷酸 戊 糖 途 径 中 被 氧化 (第 11 章 ), 生 成 的 NADPH 可 参加 胆固醇 的 合成 。 每 分 子 羊 毛 固 醇 的 合成 需要 一 分 子 的 葡萄 糖 (将 羊毛 固 醇 转化 为 胆固醇 的 反应 是 第 13 章 范围 之 外 的 内 容 。)。 13.23 通过 外 氧化 。 13.24 葡萄 糖 在 糖 酵 解 中 被 转化 为 二 羟 丙 酮 磷酸 (6108), Ra BAM RRK NADH — 依赖 的 3 -磷酸 甘油 脱 氢 酶 还 原 为 3 -磷酸 甘油 。 13.25 ”乙酰 CoA 羧 化 酶 在 胞 质 中 有 两 种 形式 , 一 个 是 单 体 而 另 一 个 是 多 聚 体 。 柠 檬 酸 可 将 非 活性 形式 ( 单 体 ) 转化 为 活性 形式 (SRA), KEN CE CoA 是 一 个 反馈 抑制 物 , 它 可 将 活性 形式 转化 为 非 活 性 形式 。 13.26 , 转 氨基 反应 形成 的 丙酮 酸 , 生 酮 氨基 酸 碳 骨架 降解 之 前 的 脱 氨基 作用 形成 乙酰 CoA (LS 15 章 )。 13.27 ”乙酰 CoA 脱 氢 酶 , 烯 酰 CoA 水 合 酶 ,3 - 羟 乙 酰 CoA LAM, GLARE, A?’ -II- A? - SREB CoA FF BE. : 13.28 ”脂肪 库 提 供 脂肪 酸 作为 细胞 燃料 。 脂 肪 酸 氧化 形成 NADH 和 FADH, 它 们 被 氧 氧 化 〈 通 过 线粒体 内 膜 中 的 呼吸 装置 , 第 14 章 ) 并 伴 有 水 的 生成 。 13.29 由 于 酰基 不 能 被 运输 进 线粒体 基质 , 脂 肪 酸 氧化 将 被 抑制 。 这 将 限制 长 时 间 的 肌肉 13.30 是 , 血 小 板 聚 集 依赖 于 血管 内 皮 细 胞 释放 的 凝血 喇 烷 。 乙 酰 水 杨 酸 抑制 环 加 氧 酶 , 因此 , 前 列 腺 素 和 凝血 哑 烷 的 合成 被 抑制 。 13.31 从 食物 中 碳水 化 合 物 和 和 蛋白质 可 合成 甘油 三 酯 。 13.32 ”为 胆固醇 的 合成 , 胞 质 的 3 -羟基 -3 甲 基 戊 二 酰 - CoA 合成 酶 生成 3 -羟基 - 3 甲 基 成 二 酰 - CoA, 线 粒 体 HMG-CoA 合成 酶 生成 HMG - CoA, 它 可 被 转化 为 乙酰 乙酸 。 13.33 ”胆固醇 酯 源 自 酰基 CoA 的 活化 : 胆固醇 酰基 转移 酶 催化 由 酰基 CoA 形成 酯 ;胆固醇 酯 也 源 自 卵 磷 脂 的 活化 ; 胆固醇 酰基 转移 酶 催化 由 磷脂 酰 胆 碱 形成 酯 。 13.34 脂 库 脂肪 被 利用 , 肝 脏 中 脂肪 酸 B -氧化 增加 。 这 可 为 酮 体 的 合成 提供 乙酰 CoA. 13.35 长 链 脂 肪 酸 在 极 性 介质 中 较 难 溶解 , 但 它们 可 形成 盐 , 某 些 可 作为 去 污 剂 来 使 用 , 并 在 脂 和 蛋白 中 可 与 芯 水 的 脂 类 聚合 。 13.36 合成 前 列 腺 素 , 凝 血 哑 烷 和 白细胞 三 烯 。 第 14 章 14 AT" "(ay 153%b) 33° Ce) '36;' Cd) 16. 14.12 P/O 比例 将 下 降 。 14.13 #4414, 14.14 复习 题 14.8, 并 思考 NADH 和 FADH, 的 代谢 来 源 。 解 偶 联 剂 , 如 :2,4 -二 硝 基 茶 酚 , 可 使 线粒体 内 膜 对 在 电子 传递 过 程 中 形成 的 质子 通 透 。 这 些 质子 释放 的 能 量 返 回 线粒体 基质 导致 体温 增加 ; 这 可 通过 出 汗 得 以 减轻 。 因 为 在 这 种 情况 下 ,ATP 的 合成 不 再 完全 与 电子 传递 偶 联 , 所 以 ,NADH 和 FADH, 氧化 必须 增加 以 保持 对 细 胞 的 ATP 供应 。 由 于 这 些 化 合 物 是 在 碳水 化 合 物 , 脂 类 和 蛋白质 的 分 解 代 谢 过 程 中 形成 的 , 所 以 存在 一 个 这 些 身 体 成 分 的 反 转 增加 , 使 得 体重 丢失 。 14.15 基于 它们 的 可 见 吸收 光谱 。 许 多 教材 给 出 这 些 光 谱 的 例子 。 补充 问题 答案 14.16 应 用 交换 定律 , 并 参考 例 14.5 中 的 数据 。 在 复合 物 I、II 和 III ( 铁 原子 在 Fe* 和 Fe? 的 状态 ) 中 铁 硫 蛋白 的 比例 可 以 通过 线粒体 制备 物 的 电子 自 旋 共振 信和 号 来 估 价 。 在 鱼 芯 酮 存在 的 情况 下 线粒体 氧化 NADH, 应 用 交换 定律 看 到 : 复合 物 I 中 的 铁 硫 蛋白 中 的 铁 原子 将 更 多 地 被 还 原 , 而 复合 物 III 中 的 那些 将 被 氧化 , 并 比较 在 鱼 芯 酮 不 存在 时 的 情况 。 用 KCN 处 理 线 粒 体 , 以 上 两 组 铁 硫 蛋 白 将 更 多 地 被 还 原 。 用 抗 霉 素 处 理 线粒体 , 复 合 物 I 铁 硫 蛋 白 将 更 多 地 被 还 原 , 而 在 复合 物 II 中 也 许 如 此 , 也 许 不 如 此 , 这 基于 抗 霉 素 在 该 复合 物 中 作用 的 位 点 。 14.17 114kJ/mol. 14.18 亚 硝 酸 可 将 某 些 亚 铁血 红 和 蛋白 转 化 为 高 铁血 红 蛋 白 。 后 者 可 与 氰 化 物 结合 , 通 过 与 其 高 铁血 红 素 环 结 合 , 阻 止 它 灭 活 细胞 色素 a 和 aa。 14.19 (a) 氧化 磷酸 化 比 底 物 水 平 磷酸 化 有 效 。 (b) 乳酸 形成 所 需 的 NADH 在 氧化 磷酸 化 过 程 中 将 被 氧化 为 NAD 。 第 15 章 15.18 基于 此 种 膳食 的 人 将 处 于 负 所 平衡, 不 能 维持 正常 的 代谢 。 15.19 是, 因为 奶酪 含 有 动物 和 蛋白质。 15.20 (a) 胰 凝 乳 和 蛋白 酶 和 弹性 蛋白 酶 ; (b) 弹性 和 蛋白酶, 胰 和 蛋白 酶 和 胰 凝 乳 蛋白 酶 ; (c) BoA, ReEFSAHRBARSAB. 15.21 FARK, KXARAZKER, TCAMMS, TRRABH, RRA NADP * 依赖 的 苹果 酸 酶 。 15.22 ”肝脏 中 游离 精 所 酸 的 浓度 , 由 于 它 释 放 入 血 , 对 于 维持 儿童 的 生长 是 不 够 的 , 所 以 食物 来 源 的 精 氨 酸 是 必需 的 。 第 16 章 16.34 (a) 在 方向 不 同 的 复制 中 , 在 起 点 形成 的 单个 的 复制 又 沿 DNA 以 惟一 的 方向 移动 。 (b) 滚 环 机 制 是 不 同方 向 复制 的 例子 。 16.35 在 胚胎 细胞 中 , 复 制 起 始 的 位 点 在 DNA 上 的 间隔 比 最 终 分 化 的 细胞 更 加 靠近 , 因 此 , 在 整个 范围 内 每 个 复制 又 移动 并 复制 互补 DNA 的 距离 非常 短 , 整 个 过 程 的 速 度 较 快 。 16.36 在 后 随 链 上 5 > 3 外 切 核酸 酶 和 聚合 酶 的 活性 分 别 被 用 来 去 除 RNA 引物 以 及 用 DNA 将 它们 置换 。3 一 5 外 切 核酸 酶 活性 被 用 于 这 个 过 程 的 校正 。 16.37 在 复制 的 起 点 。 16.38 它 可 以 两 种 方式 之 一 协助 解 旋 ; 通过 负 超 螺旋 的 引入 , 或 在 复制 又 的 前 面 去 除 正 超 螺旋 。 16.39 A, 16.40 必须 存在 有 3 端的 羟基 和 5 端的 磷酸 , 在 被 连 在 一 起 的 链 的 每 个 未 端 有 一 个 。 16.41 这 与 该 酶 的 3 一 5 外 切 核酸 酶 有 关 。 它 可 去 除 由 聚合 酶 偶尔 错 配 的 核 苷 酸 。 16.42 复制 起 点 ae a 在 起 点 稳定 的 解 旋 的 DNA pare eae ag, ee ee 先导 链 从 引物 伸展 , 远 离 另 一 模板 的 起 点 [eee ot, A ae + 443 , 17.40 17.41 17.42 17.43 17.44 17.45 17.46 17.47 17.48 17.49 17.50 17.51 17.52 17.53 17.54 17.55 17.56 17.57 17.58 17.59 17.60 17.61 17.62 17.63 17.64 大 | 科 院 will il 000 生物 化 学 后 随 链 的 引发 和 人 合成。 复制 泡 形 成 。 dna RAH. 改变 一 个 直接 与 复制 过 程 有 关 的 基因 产物 。 是 , 复 制 的 程度 依赖 于 dTTP 的 利用 度 。 它 将 阻止 复制 在 起 点 的 起 始 。 不 。 DNA 聚合 酶 I (与 其 相关 的 $' 一 3 外 切 核酸 酶 活性 ) 和 DNA 连接 酶 。 不 。 它 必 须 有 一 个 在 宿主 细胞 中 有 功能 的 复制 起 点 。 引物 。 这 些 限定 与 被 扩 增 序列 的 末端 。 His-Ile-Thr-His-Glu-Arg-Glu. [使 用 氨基 酸 的 单字 母 符 号 ( 表 3.1), 该 序列 读 为 : HI THERE! ] Met-Phe-Phe-Val-Phe。 较 低 的 链 , 核糖 体 RNA (rRNA). 不 。RNA 聚合 酶 可 重新 起 始 链 。 RNA 合成 。 (b)。 (a)o 靠近 3 Sit. FE. (KiB lac 阻 抑 物 基 因 将 形成 单 顺 反 子 mRNA). 真 核 生 物 。 磷酸 化 将 减少 净 的 正 电 荷 。 不 。 内 含 子 和 外 显 子 均 被 转录 , 但 只 有 外 显 子 被 翻译 。 RNA。 拼接 之 前 。 是 。mRNA 的 第 一 个 外 显 子 (最 靠近 Stn) 必须 含有 起 始 密码 子 。 不 。 组 蛋白 存在 于 真 核 生 物 中 , 利 福 霉 素 只 在 细菌 中 阻 断 转录 。 密码 子 存在 于 mRNA 中 , 而 反 密 码 子 存 在 于 tRNA 中 。 tRNA 分 子 不 仅 识别 密码 子 , 也 识别 核糖 体 的 特异 区 域 , 延 伸 因 子 和 适当 的 氨基 栈 -tRNA 合成 酶 , 这 些 均 涉 及 通过 非 共 价 键 的 协同 相互 作用 。 单个 RNA 链 可 通过 自身 反 向 折 麦 及 链 内 碱 基 互 补 形成 几 个 双 螺 旋 片段 。 含有 二 者 。 有 更 多 种 类 的 tRNA。 小 核糖 体 亚 单位 。 两 步 : 每 个 负载 的 tRNA 的 结合 , 以 及 每 个 肽 形成 后 的 移 位 。 移 位 的 末端 。 RNA 盖帽 发 生 在 拼接 之 前 , 并 且 一 定 发 生 在 核 内 。 BUR hh FAR. 不 。 与 启动 子 位 点 结合 。 阻 抑 物 分 子 可 与 启动 子 结合 , 并 阻 断 转录 ; 辅 阻 抑 物 可 与 一 个 蛋白 质 结合 使 其 成 为 阻 抑 物 , 然 后 该 阻 抑 物 可 与 启动 子 结合 。 8 avid 541 3 cae 58.173954 27858 435 (Q—1094.0103) 责任 编辑 : WRI SCHAUM'S Spwe outlines 超越 :6 66 a 33 全 美 经典 学 可 指导 系列 =| 三 | 是 您 的 最 佳 a 学 习 伴 介 ! 40 年 来 最 畅销 的 教 辅 系列 全 美 著名 高 校 资 深 教授 倾 力 之 作 国内 重点 高 校 任课 教师 全 力 推荐 并 担当 翻 主 省 时 高 效 的 学 习 辅 导 , 全 面 详细 的 习题 解答 迄今 为 止 国内 最 全 面 的 教 辅 系 列 覆盖 大 学 理工 科 专 业 人 全美 经 典 学 习 指 导 系 列 概率 与 统计 2000 工 程 热力 学 习题 精 解 ”电气 工程 基础 统计 学 工程 力学 工程 电磁 场 基础 离散 数学 3000 物 理 习 题 精 解 数字 信号 处 理 Mathernatica 使 用 指南 流体 动力 学 数字 系统 导论 数理 金融 引 论 物理 学 基础 数字 原理 机 械 振动 材料 力学 电机 与 机 电学 微分 方程 2000 离 散 数学 习题 精 解 基本 电路 分 析 统计 学 原理 (+L) 工程 热力 学 信号 与 系统 统计 学 原理 (下 ) 数值 分 析 微生物 学 微 积分 量子 力学 生物 化 学 静 力 学 与 材料 力学 有 机 化 学 习题 精 解 生 艾 学 有 限 元 分 析 3000 化 学 习题 精 解 分 子 和 细胞 生物 学 传 热 学 大 学 化 学 习题 精 解 人 体 解 剖 与 生理 学 近代 物理 学 电路 http://www.sciencep.com http://www.mheducation.com ISBN 7-03-009719-X 9""787030'097194'> om ISBN 7—03-009719-X 定 fit: 40.00 元 8703