生 BARE 细胞 结构 和 功能 的 分 子 基础 Py tt (CAJAL. 伦 宁 格 SF HE PRR Bam FR A A A 容 fi 本 书 介绍 了 生物 化 学 中 重要 的 基本 知识 和 理论 。 着 重 阐述 了 细胞 内 能 量 转移 的 规律 ,各 种 主要 代谢 的 调节 机 理 , 细 胞 各 种 超 微 结构 在 生命 活动 中 的 作用 ,蛋白 质 的 生物 合成 , 蛋白 质 分 子 空间 构 型 与 生物 功能 的 关系 ,以 及 生物 特征 遗传 的 分 子 基础 等 ,并 反映 了 这 些 领 域 里 的 新 进展 。 全 书 共 分 四 篇 ,三 十 七 章 。 中 译本 分 上 下 两 册 出 版 ,下 册 包 括 WIV 两 篇 , 共 十 五 章 ( 二 十 三 一 三 十 七 章 )。 可 供 大 专 院 校生 物 系 师 生 , 生物 化 学 、 细胞 生物 学 及 医学 工作 者 参考 。 Albert L. Lehninger BIOCHEMISTRY The Molecular Basis of Cell Structure and Function Worth Publishers Inc., 2nd ed., 1975 生 物化 学 细胞 结构 和 功能 的 分 子 基 础 TF it (A) AL HTH 著 EAG FPR Ate 等 译 责任 编辑 姜 梦 兰 eae Bhai mR 北京 朝阳 门 内 大 街 137 号 AAG MH AS Ell 新 华 书 店 北京 发 行 所 发 行 ” 各 地 新 华 书店 经 售 * 1983 年 5 月 第 一 MR 开本 :787X1092 1/16 1983 年 5 月 第 一 次 印刷 印张 : 24 3/4 印 数 > 0001 一 8,300 字数 = 571,000 统一 书号 : 13031" 2236 AEBS + 3059。13 一 10 定价 : 3.80 元 A ae 第 III 篇 “生物 合成 及 磷酸 键 能 的 利用 第 二 十 三 章 ，” 糖 类 的 生物 合成 verre cee cece eeeeteeteeee cence eeeeceeennentnnenamaeaeeataneneeenes 546 糖 合成 的 主要 途 私 seen eee eeeeeeeseeeencenccecetsenseaaeeneeeesrescenensceseteseeaeuaaaaaaees ens 546 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磷 酸 的 生物 合成 途径 .ee 547 三 羧 酸 循环 中 间 产 物产 生 的 糖 原 异 生 作 用 pp 550 从 氮 基 本 产生 的 糖 原 异 生 作 用 eee eee e eer ec ee cencceenecssscascessedsesesssssseesessesccccesers 551 fn PAE ch AS A PAE AS RAE EF cor eeecee eee eeeeee ere eeneeeeeeeeeens 551 糖 原 异 生 作 用 和 糖 酵 解 作用 的 调节 pp 552 无 效 循环 eee 553 葡萄 糖 通过 Calvin 途径 的 光合 生成 554 生成 葡萄 糖 的 C; 或 Hatch-Slack 途径 cet ceeceececcveccavcceccccscenceecceces eee 557 光 呼 吸 作 用 pp 559 从 葡 糖 =6= 磷 酸 开 始 的 生物 合成 途径 : 核 苷 二 磷酸 糖 奖 . 站 pe 560 从 UDP- 葡 萄 糖 生成 单 糖 衍生 物 pe 561 半 乳 糖 代谢 : 半 乳 糖 血 症 cove ec cec cece eee ecceeeeccerceccecceccesseseceserencerserenesccecces 562 WOU Be LE REF AE I EE pe 563 糖 原 和 淀粉 的 合成 以 及 核 苷 二 磷酸 糖 类 的 作用 coccec eer ececee cee eeeeerceweensesseneeeees 564 糖 原 合 成 和 断裂 的 调节 pp 565 Pe JS ha ej STR ELH GEA +--+ ose ccc scecccsscceccsececccseccneseeceuusedensecteapaiiaasestebees 567 DA AEE AY ALAS Hay SERA «Sven cece cca seessececsccsssscnsessevessconesssenescesssecageailiies 567 植物 的 细胞 壁 ;昆虫 外 骨骼 567 动物 ve 568 粘 多 糖 过 多 症 cece cece eee cceceenseseeseescessecenceeneestecnecesessncsessenssnseesecseuseueeess 569 PH RATA REE 和 569 TP EATR Cae ae cc sccccssesacctoedbbarendvdeds cagudycedpele}]esodepoip ed caeide Uveuee@besesdaediel ss. 572 0 573 本 574 第 二 十 四 乏 司 脂 类 的 生物 合成 ee 575 记 利 晶 肪 酸 的 生物 合成 ee 575 0 gag nnn PS rrr t ot bree) om 576 PYLBE CoA BITE RE: CBE CoA BBLS «one e2e ete cece necdieee ub elk Mois csben ecb eng edaee 577 全 号 成 梅 条 的 草本 区 万 579 线粒体 和 微粒 体 审 饱 租 脂肪 酸 的 延伸， 582 BA a BRAY FE BX is ip Sibi Wi min.v MP hes nals 0100.5, p'voyp'e\n(n eiuleie Sly nisin alMisiMentn Die ivic.sycie op 0'e;e\e » aie. ¢ (alals leone einen 583 多 烯 酸 的 形成 ctr eec eer eeeeeeene cee eeee eres eeeeeteeteneeeneeeereenecerseeeesereeeneeenseeeeeeees 584 = BE FE HA EF I cere ete et ee eee eter cee ence cece ceeeeneeecee ccna teeeeeneeensenneecenaeenss 585 磷酸 甘油 酯 的 生物 合成 pe seceafedeceseecsseceseecnnnssenaesessersceouwens 586 B94 WE AS EL EY AS SS AE I AE pp 589 4S AUS HE TBE ER TREPERE BED], che ebevecct ete ceee diet eeeeced ob eseeecceeceeenesesceeesennenee 591 FEE BRAE Py EADIE IB corce cree eee eee eecee cee eecesesssceeceseeeeeesesceeceesecssecescoeserons 593 FE BBR BR -e2sncncnasenneensmnsnccrertarrcsrorsonenersonermorrens canted dine denddateadaaite 597 其 它 类 转 酵 类 的 形成 598 * 前 列 腺 素 的 生物 合成 .ee 599 na MS RS SR nonin 0 TT} Ch 4453 Se cht a 4+ ole 600 摘要 nsec ec ees eeeneeerenseteneerertnseeneececceseeeneetesenenceeecesenenssencreesnesscenenersacege 600 a | eee ve 601 习题 602 第 二 十 五 章 ， 氨基 酸 和 某 些 衍生 物 的 生物 合成 ; 的 ie 603 非 必需 扎 基 酸 的 生物 合成 cere ce eee ee eee ee teeta eect eee ee ete neeeenteceteeeseeesenseaeer eens 603 De IN 4 igs i Bs Sa Hg BIL TRE SET nnec ne ennccneeeceeeeennenneentennannnneedetean ds svacaes 608 WA A FE BB AS AE HAE IG weet teen cee se eee e eee eee ete e eee eeceneeteet cence eee enseeneeeeeneeeneeees 608 芳香 族 氨 基 酸 的 生物 合成 615 AFL BS HE IE CHI VAT cove eee cence eee eee eee eee e een eeneeeereeseeeee eee ereteeeetteneen eee eeeins 618 FA EE AAT EF ITH BE anno ne sen cen nee sccenennennaneannnnoesosienalienineaniesis side MMMMEN ay a pleats - 619 固氮 有 机 体 pe 625 氨 固 定 的 酶 促 机 制 和 ee 625 氮 循 环 中 的 其 它 步 又 nen-eesce cen ceeeeeneneeennneeeaeaseecesseeeeseadececnaveaaes Masih» » viene 627 摘要 ppp 本 628 参 芳 文献 628 习题 cere ee ees eee cseeenceeeneneeceeeeeeceteeceeeaeeeeneegaeseeeneeeeeaenseneeeaceceeeaeeeaeeeatenses 629 | Hale eye Me O87 be) pp 5 632 MEENA RE BEEF BE I AL vee c eee ce eee eeeeeeneeeeeceeeeecnneeseseceeneaeen see seeseannesenss+632 从 次 黄 昔 酸 转变 为 腺 苦 酸 和 鸟 背 酸 的 途径 Peer rrr reererrerrrrr rrr errer rer 635 吐 吟 核 背 酸 生 物 合成 的 调 区 pp 636 喀 啶 核 背 酸 的 生物 合成 …………… 9 和 637 了 喀 了 啶 核 苷 酸 生 物 合成 的 调节 pe 638 脱氧 核糖 核 苷 酸 的 生物 合成 pp 639 脱氧 胸 背 酸 的 形成 pp 640 Fb OE AEB HE Wy I ATT pp 641 吐 吟 的 降解 作用 pp 642 是 叭 的 补救 作用 ee 643 ° ii « 一 2 一 喀 喧 降解 a ie'Uiule's'sle's’ bie 'a ulule/e’s's'e'e'e’e'e'e/ele'n/s'e'elele'el'eie/e'ee eee eeu eee beeeuasee «culsasis daeduuldsincaadsleldolddaiu tian s 643 耳 险 核 苷 酸 循环 cee eeecee eee cee eee cee eee ceeneeeeeseeeeeseeeneeeeneeeeeeeescseteecnneesseaeenees 643 FR, EF HG AB RS AS AE FI ES BL weer ree eee tree ee eee een ee eee nnnaneeeeenereeeseerenteneeecnenerees 645 摘要 see tence ee eeeee noes eeneweeeeeeweewee ree ees aera wee eet eAnENeaNeNeENeESNasmenen fil Ue ais kes 645 BRIE WEPaR cece ee cee eee tee eee eee eeeeeeeeereeeenseneeeeeenannaueeaaaeenentteeeesesesesacensaegaaces 646 DP cece cee eee ce eeee cence sees eeneneeeeeeeeaeeeereeeeeeesteneenisneesanaecseseeseeeercassererares 646 第 二 十 七 章 ， 肌 肉 和 运动 系统 的 生物 化 学 PP 647 骨骼 肌 的 超 微 结 构 组 织 cov eee cee cee cee eee eeeeeeceeeeeneeeneeeeceeceagaeeeeeeneeenaneeneeeseeaes 648 ”收缩 时 肌 小 节 中 的 变化 pp “NM 650 肌 细 胞 的 蛋 自 质 成 分 aas 651 肌 球 蛋 自 cee eee ee 652 WLEREA ATP BS yG HE RIAL AI coe eee cree ee eee eee eee ee eens weeewews palwraiataiwreierereieieie 0 giule Sins dale re ghbes 654 F204 Sone od eee 655 朋 动 蛋白 cec ce ces eee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeneceeeneeeueuwnceestecgeeassecscesentessersnncrarentcs 656 PTW OE bk By wenn sweseanewerveiwebadewavernweweveroweweneeees sibbanb baa iet Jab bh tae ads gb ob 8657 肌 动 球 蛋白 复合 物 ero 658 由 Cazt 触发 粗 丝 - 细 丝 的 相互 作用 以 及 力 的 产 申 659 兴奋 -收缩 个 联 wisewaasaaaaaasaaaaaaa5ad56anbs265555d66066oaaaaaooaneasoaooeaoooo 二 有 660 PAB verre see cee eee eee eeeeeeeeeeeeseewee esses een see eeesseeaeessceeeeenaseneneseaenaaeee snares cannes 662 FUL AAC FA BED cece creer eee ee cece eects e ence eesee ene ete nee e seen reeeeeeeeeeee eens enerenenetenaes 662 特殊 化 了 的 肌肉 : 异步 肌 和 ”“ 捕 2 肌 crc cee cece ewe eee cee ee eee ee cee eee ee eeeeeeeee ses eeeees 664 4p Hea Ay UL AE AE Lh UAC GS BE wee eee eee eeeeeeweeeeveeeeeeereeeeceeerteneseeeeecdansaeeeeee ees 665 微 丝 和 细胞 松弛 素 Bo cee cece eee ee ence eeee eee cen eee scence et eceereecsneseneneenseneeteereerenees 665 微 管 和 微 管 蛋 自 cece eee eee ee eee cee eee eee cee eweeereeeneereeeetcdeseeteececceeesesensaereeees 666 真 核 细 胞 的 鞭毛 和 纤毛 weve ee cee eee eee eee cee e ee ne eee eee ee teen eeeeseeee ate eeneneennes 667 FH ERA BASE, ee ete eee eee ee eee e nee teens eee e cece en ee eee ceetnneen cece estan ees eeeeeteeeeeaeerenees 670 摘要 nsec eee e eee e cree ee eee eee eeeeee nee ee eet eee eee eee eee eee eee rrserereeeeeseneseceseeeeeereeseneeeees 671 BEE MRR reece eee cece eee ee eee eee eee nee eeeee een eee eeeeeeeaneeeeeeeerreeeeeeecneeeereeeeetenees 671 DP wee e cece eee cece ee eee eee eee ee teen eee ee eee ceee ee eee eetetetenceseeceeeneente cen eeeeeneeareeees 672 第 二 十 八 章 ， 横 过 膜 的 主动 转运 cere e erence nneny 674 主动 转运 的 能 学 pp 674 鉴定 媒介 膜 转运 的 特征 coe nee eee ete ete eee ete eens teen eeeeeet ee eeee eer te cee eeeeseteeeeeeeereeees 67.7 主动 媒介 转运 和 被 动 媒介 转运 pp 678 媒介 转运 的 模型 c ne eee ee eee eee ee ee nee eee eee eee eneneceeetee cee neereeenerectenaenreeedsangaeases 678 基 团 易 位 过 膜 pp 679 转运 系统 的 遗传 证 据 pp 680 Sy Why BEL a a ER Fo EG EE Hy « Sanne snnn cen emenmn oon fil dis app ah By HA BRD RED HS pe aPS aps Cae 680 By hy Et BR A HY TIE ZS TAGE w+ owen bene seen seceeeecenennoonnn tie POE MG tp fb alle Gi ths «fend (ae 681 动物 组 织 的 主动 转运 系统 pp 682 bi Bea icaeeE te othe: ocbwne beselenasbpenrppocrarrenccssceeretebecercrrecces crs ypceieie 688 离子 载体 pe po OB dels’ oia\ei oa sie mbiaepaaleie 692 参考 文献 .6914 第 二 十 九 章 “激素 作用 的 生物 化 学 pp 696 哺乳 动物 内 分 记 系 统 的 组 织 机 构 sanneeeenceuneesgeecccseccscceserscesertenesdaesscauencauaes 696 WF ERR FE CAMP 的 发 现 oo 699 AER EPS ALS, 蛋白 激酶 与 磷酸 二 栈 酶 “pe 700 肾上腺 素 激 发 的 糖 原 降解 中 的 放大 阶 式 级 联 pp 701 胰 高 血糖 素 pp 703 以 cAMP 为 媒介 的 其 它 内 分 记 和 调节 系统 :pp 703 胰岛 素 ; 合成 、 储 存 与 分 洲 ececee cer ecererseeeee eee cneeceeeeeeseeeseenseeseemenensaseeneee 704 恬 玉 过 对 三 下 页 的 入 十 同 706 顶 瘟 雪 受 相生 707 BS EE SEE RP ENT won eee tec cece eeeeececeeeneeeecnenenechaceeetennseseesepadens 708 贫 类 激素 709 甲状 际 激 素 与 基础 代谢 率 0 甲状 旁 腺 激素 、1，25- 二 羟 胆 钙化 当 醇 与 降 钙 素 和 711 摘要 0 712 BFE RR 207。onnoooinnonnoionooin seis dae ae ublehiath deewns dps odeqamenane 713 第 三 十 章 ”哺乳 类 代谢 中 各 器 官 之 间 的 相互 关系 pp 714 BS EPS AAI: -在 滚 . 3 714 哺乳 动物 中 主要 代谢 活动 的 器 官 分 布 pocnrecnprcrrossrcere cep epereb eit sein 4 Ee BG CB AD ed ERB a Hed EAE BE EMMA Sh, MABE RPS AE BAY Ba Sy FEE TE HR BE EE 的 酶 促 组 合 * 是 已 知 的 较 复杂 的 生物 合成 活动 之 一 。 (fs Izaki M. Matsuhashi, [518 J- L Strominger, K. 7K 7) J N- 乙 酰 胞 壁 酸 残 基 Q 9 9 0=1-KAM-D-FEAM-L-MAM-D-HAM UH CS8COS=-ATARRKR D. J. Tipper, Fed. Proc, 26; 9(196 N- 乙 酰 氨基 葡 糖 残 基 x= 图 例 : 需要 自由 能 的 细胞 过 程 可 以 归于 三 种 主要 类 型 之 一 : (1) 生 物 合 成 ,在 此 过 程 中 完成 化 学 功 ;(2) 收 缩 及 运动 ,这些 均 为 机 械 功 的 形式 ;(3 ) 主 动 转运 , 这 是 渗透 功 或 浓缩 功 的 反 喘 。 这 些 活动 所 需要 的 自由 能 主要 由 ATP 的 磷酸 键 能 , 以 及 由 NADPH MER ERR 酶 的 还 原 能 力 所 提 供 。 在 需 能 过 程 中 ， 最 复杂 的 反应 是 从 简单 的 前 身 物 来 生物 合成 细胞 的 主要 分 子 组 成 的 作用 。 这 一 主要 过 程 包括 在 消耗 细胞 周围 的 物质 来 建立 和 维持 活 细胞 的 错综复杂 的 规律 中 。 在 第 II 篇 中 ,我 们 将 讨论 糖 类 、 脂 类 、 氮 基 酸 及 核 背 酸 等 非 信 息 生 物 分子 的 生物 合 成 ,在 第 IV 篇 我 们 将 考虑 核酸 和 蛋白 质 , 即 细胞 的 信息 大 分 子 的 生物 合成 , 特别 是 有 关 保存 和 传递 遗传 信息 的 机 制 s 当 我 们 现在 从 分 解 代 谢 转 而 讨论 合成 代谢 的 生物 化 学 时 ， 需 要 重复 和 强调 生物 合成 过 程 的 某 些 组 织 原则 。 在 第 十 四 章 中 述 及 的 第 一 个 原则 是 : 一 个 生物 分 子 的 生物 合成 所 取 的 化 学 途径 ,并 不 党 与 它 降 解 中 所 取 的 途径 相同 。 这 两 个 途径 可 以 含有 一 个 或 甚至 几 个 相同 的 步 豫 , 但 通常 在 分 解 或 合成 代谢 途径 中 ,至 少 有 一 个 酶 促 步 豫 是 不 相同 的 。 因 此 细 胞 成 分 的 生物 合成 及 分 解 机 理 并 非 单纯 地 相互 可 逆 过 程 。 这 个 事实 有 重大 的 生物 学 意义 : 假如 分 解 代谢 及 合成 代谢 的 反应 是 由 同样 的 一 组 酶 可 逆 地 作用 所 催化 ， 那 就 没有 任何 复 杂 的 稳定 的 生物 学 结构 能 够 存在 了 。 因 为 ， 被 自由 地 可 逆反 应 系统 所 调节 的 前 身 物 和 产 物 之 间 的 各 种 平衡 ,就 会 通过 质量 作用 效应 , 因 前 身 物 的 浓度 变化 而 有 波动 。 构成 生物 合成 反应 的 基础 的 第 二 个 组 织 原则 涉及 这 些 过 程 的 能 力学 。 我 们 已 经 看 到 : 在 细胞 中 产生 自由 能 的 那些 化 学 过 程 ,例如 糖 酵 解 .呼吸 作用 及 光合 作用 的 光 反 应 ， 与 那 些 消耗 自由 能 的 细胞 过 程 ， 如 生物 合成 途径 之 间 ，ATP 是 作为 一 个 共同 的 中 间 产 物 而 起 作用 的 。 一 个 分 解 反 应 程序 中 放出 的 大 量 的 自由 能 以 ATP 的 形式 保存 下 来 其 所 以 是 可 能 的 ,因为 总 的 偶 联 反应 是 放 能 的 ,因此 能 朝 着 ATP 形成 的 方向 进行 。 例如 产生 ATP 的 糖 酵 解 的 总 反应 是 高 度 放 能 的 ,如 我 们 所 见 : 葡萄 糖 十 2P; + 2ADP 一 >2 乳酸 + 2ATP AG” = 一 32.4 千 卡 / 克 分 子 RAE, 需 能 的 生物 合成 过 程 必定 与 ATP 的 分 解 产 能 相 偶 联 , 因此 总 的 偶 联 反应 也 是 放 能 的 ,于 是 朝 着 生物 合成 的 方向 进行 。 例 如 ， 在 标准 的 热力 学 情况 下 ,由 葡萄 糖 和 果 糖 合成 芒 糖 的 反应 是 强 吸 能 反应 ,需要 输入 能 量 : 葡萄 糖 十 果糖 = 蔗糖 + HO AG” = 十 55 -E/BOT ei, LRA PEMA READER RAS ATP 的 分 解 相 偶 联 * 实 际 上 是 放 能 的 反应 : 荷 萄 糖 十 果糖 十 2ATP 一 > jes + 2ADP 十 2P; AGS= —85 +E) SDH 由 于 两 个 ATP 分 子 的 分 解 作 用 与 在 葡萄 糖 和 果糖 之 间 合 成 共 价 键 的 作用 相 偶 联 , 这 个 总 的 生物 学 反应 变 成 放 能 的 ,因而 朝 着 合成 蔗糖 的 方向 进行 。 ATP 的 焦 磷 酸 裂 解 作用 是 能 将 反应 “ 拉 ? 向 生物 合成 方向 进行 的 另 一 途径 。 当 一 个 生 物 合 成 反应 与 ATP 裂解 相 偶 联 时 ,释放 出 来 的 是 焦 磷酸 盐 ， 而 不 是 正 磷酸 盐 。 这 样 的 反 应 中 的 标准 自由 能 的 降低 程度 实际 上 比 从 ATP 分 裂 出 正 磷酸 盐 的 那 种 反应 的 要 大 些 。 而 。544 。 且 焦 磷酸 盐 随 后 经 焦 磷 酸 酶 水 解 成 为 正 磷酸 盐 。 因 此 ,在 涉及 焦 磷 酸 裂解 的 生物 合成 反应 ” 中 ， 两 个 高 能 磷酸 键 可 能 最 终 为 在 一 个 生物 合成 产物 中 仅 只 产生 一 个 新 共 价 键 而 被 消耗 掉 。 作为 生物 合成 反应 的 第 三 个 重要 的 原则 是 : 生物 合成 反应 的 调节 机 理 是 与 相应 的 分 解 代 谢 的 调节 机 理 无 关 的 。 这 种 独立 的 调节 之 所 以 可 能 ， 是 由 于 合成 及 分 解 的 途径 并 不 相同 。 通 常 控制 分 解 代 谢 途 径 速度 的 调节 酶 并 不 参与 合成 代谢 过 程 , 反 之 ,控制 生物 合成 | 代谢 途径 的 调节 酶 也 不 参与 分 解 代谢 途 径 。 我 们 也 已 见 到 ， 大 多 数 的 分 解 代谢 途径 似乎 是 由 细胞 的 能 荷 (energy charge) 或 者 是 磷酸 化 作用 电位 调节 的 。 AMP 或 ADP 常 作 为 控制 分 解 代谢 速度 的 调节 酶 的 激发 性 调节 剂 ; 而 ATP 则 作为 抑制 性 调节 剂 。 某 些 其 它 分 解 代谢 产物 ,例如 柠檬 酸 或 NADH 也 可 抑 制 分 解 代 谢 途 径 。 生 物 合成 途径 ,特别 是 合成 糖 原 和 脂肪 等 形式 的 燃料 贮存 物 的 途径 , 同 样 受到 ATP、ADP BR AMP 的 调节 。 然 而 ,氨基 酸 和 核 音 酸 的 生物 合成 主要 是 由 生物 合成 过 程 的 最 终 产 物 的 浓度 所 调节 的 。 这 样 ， 细 胞 所 合成 的 生物 分 子 仅仅 是 它 当 时 所 需要 的 那么 多 。 在 生物 合成 途径 中 , 受 变 构 控制 的 调节 酶 ,几乎 总 是 从 某 些 关键 的 前 身 物 ， 或 从 一 个 代谢 链 中 的 一 个 分 支点 开始 的 反应 程序 中 的 第 一 个 酶 。 这 种 安排 在 生物 学 上 是 有 利 的 , 因 为 在 生物 合成 程序 中 对 第 一 个 步骤 的 变 构 抑制 ， 可 以 避免 消耗 前 身 物 以 生成 不 需 用 的 中 闻 产 物 。 加 之 ， 在 生物 合成 程序 中 第 一 个 反应 常常 是 不 可 逆 的 。 通 常 把 这 个 第 一 反应 说 成 是 决定 性 的 步骤 ,因为 它 一 旦 发 生 , 生 物 合成 过 程 的 其 他 步骤 就 几乎 总 是 继续 进行 到 完 成 。 , 最 后 还 须 指 出 一 点 : 是 产生 ATP 的 分 解 代谢 推动 需要 ATP RA Reve? 还 是 合成 代谢 推动 分解 代谢 ? 答案 是 两 者 都 不 是 。 正 确 的 说 法 是 细胞 的 生物 合成 及 所 有 需 要 ATIP 的 其 他 活动 带动 着 产生 ATP 的 分 解 代 谢 过 程 。 通常 ATP 磷酸 键 能 的 利用 率 决 定 着 消耗 环境 中 能 量 再 从 ADP 生成 ATP 的 速率 。 这 种 关系 不 过 是 活 细 胞 的 分 子 逻 辑 中 最 大 经 济 原则 的 另 一 方面 , 即 ATP 仅 当 需要 它 时 才 生 成 。 。545 。 第 二 十 三 章 . 糖 类 的 生物 合成 从 纯 数量 的 观点 来 看 ， 从 简单 的 前 身 物 生物 合成 葡萄 糖 及 其 它 糖 类 是 生物 界 进 行 的 最 续 越 的 生物 合成 过 程 在 光合 有 机 体 的 领域 中 ,从 二 氧化 碳 及 水 生成 的 己 糖 转变 成 在 植 物 界 中 以 巨大 数量 存在 着 的 淀粉 * 纤 维 素 及 其 他 多 糖 类 。 在 异 养性 有 机 条 的 领域 中 丙酮 酸 、 乳 酸 、 氮 基 酸 及 其 他 简单 的 前 身 物 转变 为 葡萄 糖 及 糖 原 也 是 一 种 主要 的 生物 合成 途 糖 原 细胞 外 腊 am ne phat Hh py 4 ty un ~ 6- RE 3- PRG Hh RuDP A Ae A 图 23-1 己 糖 生物 合成 的 主要 途径 。 从 CO,、 慑 酸 盐 和 氨基 酸 而 来 的 进入 主要 途径 的 附属 途径 ， 如 同 从 葡 糖 -6- 磷 酸 转变 为 其 它 糖 类 的 分 支 途径 一 样 ， 均 用 细 箭 头 《 除 丙酮 酸 到 葡 糖 <- 磷酸 以 外 的 箭头 ) 表 示 。 RuDP BRA -1， 5- 二 磷酸 ， 是 在 己 糖 的 光合 生成 作用 中 的 一 个 重要 的 中 间 产 物 。 。546 。 径 。 现在 我 们 将 追踪 包括 从 简单 的 前 身 物 生物 合成 葡萄 糖 和 其 他 的 己 糖 ,由 单 糖 转变 为 双 糖 \ 以 及 各 种 贮存 物 和 结构 多 糖 的 生物 合成 中 的 酶 促 途 径 。 Ril 也 将 检查 在 这 些 过 程 中 控制 关键 性 酶 促 步 又 速 率 的 调节 机 理 。 糙 合 成 的 主要 途径 在 大 多 数 细胞 中 ,在 有 和 氧 或 无 氧 的 条 件 下 ,葡萄 糖 或 葡 糖 -6- 磷 酸 受 糖 酵 解 酶 类 催化 转变 为 丙酮 酸 是 糖分 解 代 谢 的 主要 途径 。 与 此 相当 ， 丙 酮 酸 转变 为 葡 糖 -6- 磷 酸 这 一 逆 过 程 是 许多 不 同 有 机 体 的 糖 类 生物 合成 的 主要 途径 (图 23-1). 来 自 非 糖 前 身 物 的 各 种 分 支 途 径 均 汇集 到 这 个 主要 的 生物 合成 途径 中 来 〈 图 23-1)。 一 个 这 样 的 分 支 途径 包括 将 三 凑 酸 循环 的 中 间 产 物 转变 为 葡萄 糖 的 前 身 物 的 反应 程 序 ; 某 些 氨基 酸 的 碳 链 转变 成 葡萄 糖 时 也 利用 了 此 途径 。 另 一 个 主要 分 支 途 径 包 括 光 合 细胞 中 引起 CO, 净 还 原 成 葡萄 糖 前 身 物 的 那些 反应 。 1 虽然 几乎 所 有 的 有 机 体 ， 包 括 异 养 体 类 和 自 养 体 类 , 均 可 运用 从 丙酮 酸 合成 葡 糖 -6- 磷 酸 的 主要 生 物 合 成 途径 ， 但 不 同类 型 细胞 利用 分 支 途径 的 程度 亦 不 相同 。 例 如 只 有 光合 及 化 学 合成 的 自 养 体 类 能 使 CO, 净 还 原 成 新 的 葡萄 糖 。 在 另 一 方面 ， 几 乎 所 有 的 生物 均 能 将 生 糖 氨基 酸 转 变 为 三 羧 酸 循环 中 的 某 些 中 间 产 物 , 由 此 再 变 成 葡萄 糖 。 肴 椎 动物 在 激 烈 的 肌肉 活动 后 恢复 期 中 主要 在 肝脏 中 进行 的 ， 从 血液 乳酸 盐 净 合成 葡萄 糖 ,是 一 个 特别 活跃 的 过 程 。 从 主要 的 生物 合成 途径 中 形成 的 葡 糖 -6- 磷 酸 开始 有 几 个 生物 合成 的 分 支 旁 路 (图 23-1) AFB RCE eR AEDs (2) 各 种 双 糖 ;(3) 燃 料 贮存 物 多 糖 例如 淀粉 和 糖 原 , 以 及 (4) 细 胞 壁 和 细胞 外 膜 的 成 分 , 例如 纤维 素 、 - 木 聚 糖 ` 肽 聚 糖 ,酸性 粘 多 糖 和 糖 蛋白 。 在 不 同 的 有 机 体 中 , 从 葡 糖 -6- 磷 酸 转 变 为 这 些 产 物 的 分 支 途 径 也 很 不 相同 。 例 如 ,在 多 种 植物 中 有 合成 双 糖 芒 糖 的 能 力 ,但 在 哺乳 动物 的 组 织 中 却 缺 乏 这 种 能 力 。 形 成 细胞 外 聚合 物 的 各 种 生物 合成 途径 也 具有 种 族 特异 性 。 例 如 ,植物 能 制造 大 量 纤维 素 , 而 哺乳 动物 则 不 能 反之 ,动物 能 合成 各 种 粘 多 糖 ; 但 植物 则 不 能 。 另 一 方面 ,形成 淀粉 (或 糖 原 ) 的 途径 几乎 是 普遍 存在 的 ,但 被 利用 的 程度 差别 很 大 ， 这 取决 于 代谢 的 需要 及 营养 的 供给 。 我 们 将 开始 讨论 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磷 酸 的 主要 合成 途径 。 葡 糖 -6= 磷 酸 在 糖 原 异 生 作用 《gluconeogenesis) WE PRA, KSEE MIA GPS als PLS Fe EE a ER A RB HYP 物 等 这 些 前 身 物 合成 新 "的 葡萄 糖 。 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磋 酸 的 生物 合成 途径 在 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磷 酸 的 这 一 频 党 进行 的 中 心 途径 中 ， 大 部 分 的 反应 步骤 是 由 酵 解 序列 中 的 酶 类 所 催化 的 ,所 以 是 通过 酵 解 步骤 的 逆反 应 进行 的 然而 在 正常 -下 行 的 " 酵 解 途径 中 ， 有 两 个 不 可 逆 的 步骤 不 能 被 由 丙酮 酸 转变 为 葡 糖 -6- 磷 酸 的 “上 行 的 ”途径 所 利用 。 这 些 步骤 在 朝 生 物 合成 的 方向 中 被 别 的 旁 路 反 应 所 代替 (图 23-2)， 因 为 这 些 反 应 在 热力 学 上 是 有 利 于 朝 着 合成 方向 进行 的 。 AS HE KESRSRAWA—T RMA BA PBI 成 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 。 也 许 因 为 这 个 反应 的 标准 自由 能 变化 的 正 值 大 ， 所 以 它 不 能 通过 丙酮 酸 激酶 反应 的 直接 逆 过 程 以 任何 有 效 速率 发 生 。 ”丙酮 酸 十 ATP = 一 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 十 ADP AG” = +75 千 卡 / 克 分 子 在 糖 原 异 生 作 用 时 ， 丙 酮 酸 的 磷酸 化 作用 是 由 一 条 另 外 的 途径 来 实现 的 ， 此 途径 是 通过 某 种 程度 的 迁 通 的 反应 序列 ， 并 且 这 些 反应 需要 大 白鼠 和 某 些 其 它 种 属 的 肝脏 中 的 细胞 溶质 和 线粒体 部 份 的 酶 类 协同 作用 (图 23-2) 第 一 步 是 由 线粒体 的 丙酮 酸 羧 化 酶 所 催化 。 我 们 己 知 此 酶 催化 主要 的 回 补 反应 * 通 过 此 反应 ;三 羧 酸 循 环 的 中 间 产 物 均 可 由 丙酮 酸 生 成 。 此 反应 是 完全 可 逆 we / .ATP P ADP G6P I F6P wr FDP I G3P(DHAP) ATP PA Ra 图 23-2， 葡 糖 异 生 作用 途径 的 旁 路 。 绕 过 酵 解 作用 的 相应 步骤 的 酶 促 反应 步骤 。 。 547.。 的 ,这 在 AG” 值 小 上 已 表明 了 : 丙酮 酸 十 CO, 十 ATP 草 酰 乙酸 + ADP 十 Pi Q) AGE E20 Bi FH / sa 然而 ,此 反应 是 被 严格 地 调节 着 ， 因 为 丙酮 酸 羧 化 酶 是 一 种 变 构 酶 ,此 酶 在 它 的 专 一 的 正 调节 剂 乙酰 辅酶 A 缺乏 时 则 完全 无 活性 。 此 反应 需要 Mnaz+。 在 这 种 线粒体 反应 中 形成 的 草 酰 乙酸 ,消耗 NADH, 被 线粒体 型 苹果 酸 脱 氢 酶 作用 而 还 原 为 苹 果 酸 : NADH + H* + 草 酰 乙 酸 一 > NAD+ 十 ER (2) AG’ = —6.7 F/T 由 此 而 形成 的 苹果 酸 ,通过 内 层 线粒体 膜 的 二 羧 酸 运输 系统 ,以 磷酸 盐 或 某 些 其 它 三 羧 酸 相交 换 而 离开 线粒体 。 在 细胞 溶质 中 , 苹果 酸 被 细胞 质 型 的 与 NAD 联结 的 苹果 酸 脱 氢 酶 再 氧化 ,形成 线粒体 外 的 草 酰 乙酸 : 苹果 酸 + NAD* —> 草 酰 乙酸 + NADH + H* (3) AG” = +6.7 FE/H 虽然 此 反应 如 上 面 所 列 出 的 是 强 吸 能 性 的 ， 但 因 最终 产 物 被 迅速 移 去 ， 故 此 反应 向 右 进 行 。 在 旁 路 的 最 后 步骤 中 , 草 酰 乙酸 受 磷 酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 化 激酶 (GTP) 作用 而 生成 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 和 CO, 在 此 反应 中 GTP (BQ ITP) 起 磷酸 根 供 体 的 作用 : 草 酰 乙酸 + GTP 一 > 磷酸 料 醇 丙酮 酸 十 CO, + GDP (4) AG” = +1.0 F#F/HOT 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 化 激酶 的 分 子 量 约 为 75,000。 由 于 它 与 Co; 这 一 有 活性 的 化 学 物质 亲 和 力 很 低 , 故此 酶 仅 只 在 朝 着 形成 磷酸 烯 醇 内 酮 酸 的 方向 中 具有 生物 学 活性 5 我 们 现在 可 将 形成 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 和 自由 能 量变 化 的 总 和 一 起 写成 二 个 总 反应 式 [(17) 至 (4) 式 的 总 和 ]: 丙酮 酸 + ATP 十 GTP = 一 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 + ADP + GDP +P; AGY = 十 0.5 千 卡 / 克 分 子 这 个 总 反应 由 于 其 标准 自由 能 变化 很 小 ,所 以 在 热力 学 上 来 说 是 可 逆 的 。 因 此 只 要 六 TP/ ADP 比率 高 并 有 过 量 的 丙酮 酸 存 在 时 ， 此 反应 就 倾向 于 朝 右 方 进行 。 可 以 把 此 总 反应 式 分 解 为 吸 能 及 放 能 部 分 。 其 需 能 部 分 是 丙酮 酸 十 GTP = 一 BMA AR + GDP. AG” 一 十 7.8 千 卡 / 克 分 子 乙酰 辅酶 A 产能 的 过 程 是 : ATP 十 H,O=ADP + P; AG” = +7.3 FE/HOF 一 分 子 的 丙酮 酸 最 终 消耗 两 个 高 能 磷酸 键 而 被 磷酸 化 。 高 能 磷酸 键 一 个 来 自 ATP， 一 个 A GTP, 每 个 供应 一 7.3 千 卡 / 克 分 子 能 量 。 我 们 也 将 看 到 一 些 其 他 例证 》 在 生物 合成 反应 中 ， 仅 只 形成 一 个 共 价 键 , 最 终 却 消耗 掉 ATP 的 两 个 或 两 个 以 填 的 高 能 磷酸 键 。 在 大 白鼠 肝脏 中 , 由 丙酮 酸 形成 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 旁 路 可 用 这 样 一 个 事实 作出 估价 :“ 即 在 线粒体 中 NADH/NAD* 比值 比较 高 9》 这 样 一 种 环境 使 线粒体 内 的 草 酰 乙酸 容易 还 原 成 苹果 酸 。 然 而 在 胞 质 中 NADH/NADt+ 比值 极 低 ; 这 样 就 有 利于 线粒体 外 的 苹果 酸 再 氧化 成 为 草 酰 乙酸 。 因 为 在 大 白鼠 肝脏 中 , 草 酰 乙酸 不 能 象 这 样 通过 线粒体 的 膜 , 所 以 草 酰 乙 + 548% 酸 在 线粒体 中 被 还 原 成 苹果 酸 ,苹果 酸 通 过 一 种 专 一 的 膜 转 运 系统 转运 到 细胞 溶质 中 , 以 及 在 细胞 溶质 中 苹果 酸 随即 再 氧化 成 为 草 酰 乙酸 ， 这 些 过 程 均 可 看 作 是 草 酰 乙 酸 从 线 粒 体 基 质 转运 到 细胞 溶质 中 的 一 种 间接 方法 。 大 昌 鼠 以 外 的 其 它 种 动物 ,特别 是 豚鼠 和 免 ， 在 其 线粒体 和 细胞 溶质 中 均 发 现 有 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 化 激酶 (GTP)， 显 然 此 酶 的 两 种 类 型 均 参 与 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 形成 。 在 一 些微 生物 和 植物 中 ， 丙 酮 酸 转 变 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 磷酸 化 作用 是 按 完 全 不 同 的 反应 进行 的 ,此 反应 由 丙酮 酸 正 磷酸 二 激酶 来 催化 ， 丙酮 酸 十 ATP 十 Pi = 一 > BRR AaB 十 PP; + AMP 随后 焦 磷 酸 被 酶 水 解 为 磷酸 。 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 到 果糖 -16- 二 磷酸 的 转化 通过 以 上 反应 由 丙酮 酸 生 成 的 磷酸 烯 醇 丙酮 酸 ， 现 在 很 容易 沿 着 酵 解 作用 的 逆向 反 应 转变 为 果糖 -1.6- 二 磷酸 ， 此 反应 由 烯 醇 酶 催化 作用 开始 , 而 以 果糖 二 磷酸 醛 缩 酶 催化 作用 告终 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 + HO — 2- 磷 酸 甘 油 酸 2- 磷 酸 甘油 酸 = 一 3- 磷 酸 甘油 酸 ATP 十 3- 磷 酸 甘油 酸 = ADP 十 3- 磷 酸 甘 油 酰 磷酸 3- 磷 酸 甘 油 酰 磷酸 十 NADH + H+ = 3- 磷 酸 甘 油 醛 二 NADY+ 十 Pi 3- 磷 酸 甘 油 醛 一 磷酸 二 羟 丙 酮 醛 缩 酶 3- 磷 酸 甘 油 醛 + 磷酸 二 产 丙 酮 = 果糖 -1,6- 二 磷酸 果糖 -1,6- 二 磷酸 到 果糖 -6- 磷 酸 的 转化 我 们 现在 讨论 葡 糖 异 生 作 用 中 第 二 个 关键 点 ,在 其 中 ,下 行 酵 解 程序 中 的 这 个 反应 被 一 种 酶 催化 走向 旁 路 ， 此 酶 主要 在 朝 合成 方向 进行 中 起 作用 。 下 行 酵 解 反 应 在 此 点 上 是 由 磷酸 果糖 激酶 所 催化 的 : 果糖 -6- 磷 酸 十 ATP = 果糖 -1,6- 二 磷酸 + ATP AG" — 3.45 / siete 它 在 生物 学 上 不 朝 逆 向 起 作用 ， 部 分 是 由 于 不 利 的 Ac"。 在 葡萄 糖 异 生 作 用 的 时 候 , 此 反应 由 细胞 溶质 中 己 糖 二 磷酸 酶 催化 走向 旁 路 ， 此 酶 通常 称 为 果糖 二 磷酸 酶 ， 它 能 使 1- 磷酸 基 团 发 生根 本 性 的 不 可 逆 的 水 解 性 移 除 : 果糖 -1,6- 二 磷酸 + HIO => 果糖 -6- 磷 酸 十 Pi AG” = —4.0 FR/HAT 己 糖 二 磷酸 酶 是 一 个 变 构 酶 ,能 被 阴性 调节 剂 AMP 强烈 抑制 ,而 被 3- 磷 酸 甘 油 酸 和 柠檬 酸 所 激活 。 此 酶 至 少 有 三 个 与 AMP 结合 的 部 位 ,这 些 部 位 和 与 底 物 结合 的 部 位 是 不 相同 的 。 此 酶 含有 四 个 或 四 个 以 上 的 亚 基 。 当 某 些 葡萄 糖 前 身 物 的 浓度 高 和 AMP 的 浓度 低 时 , 亦 即 当 能 荷 高 时 ,此 酶 活性 最 大 ; 因此 有 利于 葡萄 糖 的 合成 。 肝 脏 的 己 糖 二 磷酸 酶 有 与 糖 原 异 生 作 用 调节 有 关 的 其 他 特性 。 此 酶 被 溶 酶 体 蛋白 酶 作用 转变 为 一 种 最 适 pH 为 更 碱 性 的 形式 ,这 种 改变 似乎 是 内 分 这 调节 的 结果 。 。549 。 在 最 后 步骤 中 ,果糖 -6- BPR ABI RS BPA SY BS SE 9 6- 磷 酸 , He Bit CE BH ‘Ee 1 AE Ve FB BLE 果糖 -6- 磷 酸 = A -6- BERR 现在 我 们 可 将 糖 原 异 生 作用 中 ， 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磷 酸 的 反应 总 结 如 下 : 2 丙酮 酸 十 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H,O 一 > 葡 糖 -6- 磷 酸 十 4ADP 十 2GDP 十 2NAD+ 十 5P; 每 生成 一 分 子 葡 糖 -6- 磷 酸 , 需 消耗 6 个 高 能 磷酸 键 并 需要 2 DF NADH 作为 还 原 剂 s 整 个 反应 是 释 能 的 过 程 。+f 这 个 反应 式 显然 与 将 葡 糖 -6- 磷 酸 转变 为 丙酮 酸 的 下 行 反应 大 不 相同 , 后 者 生成 三 分 子 ATP: 葡 糖 -6- 磷 酸 十 3ADP + 2P; + 2NADt —> 2 丙酮 酸 十 3ATP 十 2NADH + 2H+ 十 3HO 在 一 些 动 物 组 织 中 ,特别 是 在 肝 , 肾 和 肠 上 皮 中 , 葡 糖 -6- 磷 酸 可 被 脱 去 磷酸 而 生成 游 离 葡 萄 糖 ; 肝 及 是 生成 血 葡萄 糖 的 主要 部 位 。 葡 糖 -6- 磷 酸 的 加 水 裂解 并 不 由 已 糖 激酶 的 逆反 应 所 产生 , 而 是 由 葡 糖 -6- 磷 酸 酶 所 催化 的 放 能 水 解 反 应 所 致 。 葡 糖 -6- 磷 酸 十 HO 一 > 葡萄 糖 + P; AG? ax —3:3) hula 1 LES HED YD IF ERY NR RB, 特征 地 发 现 有 这 种 依赖 于 Mg*+ ADB CAS EA 于 脂 类 和 膜 的 完整 性 。 葡 糖 -6- 磷 酸 酶 不 存在 于 肌肉 或 脑 组 织 中 , 故 这 些 组 织 不 能 将 游离 葡萄 糖 输送 到 血液 中 。 三 次 酸 循环 中 间 产 物产 生 的 糖 原 异 生 作 用 丙酮 酸 或 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 各 种 前 身 物 可 通过 上 述 从 丙酮 酸 到 葡萄 糖 的 途径 净 合 成 葡萄 糖 〈 图 23-1)。 其 中 主要 的 是 可 以 氧化 成 为 草 酰 乙酸 的 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 。 草 酰 乙 酸 然后 被 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 化 激酶 作用 而 转变 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 。 通过 此 途径 ， 各 种 三 羧 酸 循环 中 间 产 物 的 三 个 碳 原子 最 终 均 可 转变 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 三 个 碳 原 也 。 这 OH a HO 8 Hs OH a C=oO | OH wv COOH 图 23-3，” 草 酰 乙酸 ,用 黑体 表示 的 碳 图 23-4， 根 皮 昔 ,从 梨 树 的 茎 皮 制 成 的 一 种 原子 是 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 碳 原 子 的 直接 前 身 物 。 毒性 糖苷 此 物 可 使 葡萄 糖 从 尿 中 排出 。 些 碳 原 子 来 自 草 酰 乙 酸 的 “羧基 , aCRE) 及 B 碳 原子 (图 23-3)o 此 途径 已 广泛 地 由 许 © 550° 2 HEME KB) HLA Be FA AD rH a fT AY I Ee SATE Ko :已 由 各 种 实验 方法 证 实 , 在 整体 动物 中 , [RBA APH DTS Raa io 在 一 类 实验 中 ， 使 大 鼠 禁 食 24 小 时 或 更 长 时 间 ， 以 使 其 肝脏 中 糖 原 的 水 平 由 温 重 约 7 多 减 至 19% 或 更 低 。 当 以 琥珀 酸 或 其 它 三 羧 酸 循环 中 间 产 物 喂 饲 这 种 禁 食 的 动物 时 ， 主 要 由 于 肝 糖 原 增 加 ， 而 使 此 动物 体内 糖 原 的 总 量 净 增 。 这 种 由 三 羧 酸 循环 中 间 产 物 净 转 变 为 葡 葡 糖 的 情况 也 可 以 在 用 毒性 糖苷 如 根 皮 昔 《phloridzin， 图 23-4) 处 理 的 动物 中 观察 到 。 这 种 毒物 能 阻 抑 从 肾 小 管 重 吸 收 葡萄 糖 至 血 芒 中 去 ， 因 此 使 血 中 葡萄 糖 几 乎 如 数 地 从 尿 中 排出 。 以 琥珀 酸 或 其 他 的 三 羧 酸 循环 中 间 产 物 喂 饲 给 根 皮 昔 中 毒 的 动物 ， 使 排出 的 葡萄 糖 量 与 喂 饲 的 每 个 中 间 产 物 的 三 个 碳 原 子 量 几乎 相当 。 从 氢 基 酸 产生 的 糖 原 异 生 作 用 如 第 二 十 一 章 所 指出 的 ,在 关 椎 动物 中 , 某 些 氨基 酸 的 一 些 或 全 部 碳 原子 最 后 均 可 转 变 为 丙酮 酸 或 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 ， 后 者 又 是 磷酸 烽 醇 丙酮 酸 的 前 身 物 。 那 些 像 这 种 亦 可 作为 葡萄 糖 的 前 身 物 的 氨基 酸 称 为 生 糖 原 的 氨基 酸 。 谷 氨 酸 和 门 冬 氮 酸 即 为 两 个 例 Fo 它们 通过 转 氨 作 用 直接 转变 为 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 , x- 酮 成 二 酸 及 草 酰 乙酸 。 表 23-1 列 出 了 在 哺乳 动物 体内 生 糖 原 的 玫 23-1 哺乳 动物 体内 氨基 酸 的 命运 氨基 酸 。 也 指出 那些 既是 生 糖 原 的 又 是 He BR 4: Bil AO SAG , Oi] LAS PA SN AR, + ona 它们 在 降解 时 裂解 成 为 生 糖 原 的 延 胡 索 yen mnie 酸 , 以 及 酮 体 中 的 一 种 , 即 乙酰 乙酸 。 天 冬 酰 胺 丝氨酸 RARER, LENA MBE Se ibaa rh BERETS, KAR — HSB ar ices 酸 循环 中 间 产 物 。 因 为 此 氨基 酸 只 生成 Pee 互 酰 辅酶 太 ， 后 者 可 转变 为 酮 体 ， 但 不 ， 9 anaes 能 转变 为 丙酮 酸 ， 它 是 一 种 生 酮 的 氨基 Waal 生 糖 原 的 及 生 酮 的 酸 。 异 亮 氨 酸 在 植物 及 许多 微生物 中 ， 并 无 生 糖 oe 原 与 非 生 糖 原 氨基 酸 的 区 别 ， 因 为 所 有 FARR RAR HEN = BRIER CM ih 循环 的 联合 反应 最 后 提供 葡萄 糖 的 净 形 成 s 植物 各 微生物 中 从 乙酰 辅酶 'A 产生 的 糖 原 异 生 作用 从 较 小 的 前 身 物 净 合 成 葡萄 糖 ， 以 及 仅 有 一 个 同位 素 碳 原子 从 一 个 标记 的 代谢 产物 摊 人 到 葡萄 糖 中 而 无 新 葡萄 糖 的 净 合 成 ,辨别 此 两 者 是 极为 重要 的 。 例 如 , 当 以 标记 了 碳 的 乙酸 喂 饲 动物 ,如 某 些 著作 中 所 示 的 那样 ,此 同位 素 的 碳 原 子 会 捧 人 至 肝 糖 原 的 葡萄 糖 残 基 中 , 专 一 地 摊 人 第 1，2 ,5 及 6 碳 原子 。 然 而 ,从 乙酰 辅酶 A 的 乙酰 基 团 的 两 个 碳 原 子 不 能 净 合 成 新 的 葡萄 糖 。 当 乙酰 辅酶 A 及 草 酰 乙酸 的 六 碳 缩合 物 柠 檬 酸 氧 化 成 为 草 酰 «551° 乙酸 时 ,最 后 以 CO; 的 形式 失去 两 个 碳 原 子 ; 因此 ,从 柠檬 酸 并 不 能 比 从 草 酰 乙酸 合成 更 多 的 葡萄 糖 。 并 且 , 在 动物 组 织 中 ,乙酰 辅酶 A 不 能 通过 由 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 物 所 催化 的 反应 的 逆 过 程 而 直接 转变 为 丙酮 酸 ， 也 不 能 通过 哺乳 动物 体内 所 缺乏 的 乙 醛 酸 循环 转变 为 琥珀 酸 。 高 等 动物 中 并 不 存在 有 用 脂肪 酸 或 乙酰 辅酶 A 的 碳 原 子 形成 新 的 葡萄 糖 的 代 谢 途 径 。 另 一 方面 ， 植 物 及 许多 微生物 的 确 能 够 从 脂肪 酸 ， 通 过 乙酰 辅酶 A 的 途径 净 合 成 糖 类 , 乙 醛 酸 循环 反应 使 这 一 过 程 成 为 可 能 。: 按 照 下 列 总 反应 ,此 循环 可 使 乙酰 辅酶 A 净 转 化 为 琥珀 酸 2 乙酰 辅酶 A + NAD* 十 2HO- 一 > 琥珀 酸 + 2CoA + NADH + H* 此 途径 需要 两 种 特殊 的 酶 , 寞 柠檬 酸 裂 合 酶 和 苹果 酸 合成 酶 ;在 高 等 动物 中 完全 缺乏 这 两 葡萄 糖 ARR A23-5 从 丙酮 酸 到 葡萄 糖 ( 反 应 用 右边 向 上 的 细 箭 头 表示 ) 及 从 葡萄 糖 到 丙酮 酸 “〈 左 边 向 下 的 细 箭 头 ) 两 个 相反 途径 的 变 构 调节 。 阳 性 或 激动 狂 调节 剂 的 作用 点 以 右边 向 上 粗 箭头 《生物 合成 途径 ) 或 以 左边 向 下 粗 箭头 (降解 途 径 ) 箭 头 表 示 。 阴性 调节 剂 的 作用 点 以 右边 的 《生物 合成 途径 ) 或 左边 的 《降解 作用 7 的 棒 条 表示 。 4 552° 种 酶 。 从 乙 醛 酸 环 所 形成 的 琥珀 酸 产生 草 酰 乙酸， 后 者 又 是 磷酸 炳 醇 丙 酮 酸 的 前 身 物 。 通 过 此 途径 ,发 芽 的 种 子 可 以 将 贮存 的 脂肪 转变 为 葡萄 糖 。 糖 原 异 生 作用 和 糖 酵 解 作用 的 调节 图 23-5 概括 了 动物 组 织 中 在 丙酮 酸 和 和 葡萄糖 之 间 的 途径 中 的 控制 点 。 在 从 丙酮 酸 到 葡萄 糖 的 上 行 途径 中 的 第 一 个 反应 是 由 一 个 调节 酶 ， 即 行使 主 要 控制 的 丙酮 酸 羧 化 酶 所 催化 的 。 此 反应 由 变 构 调 节 剂 乙酰 辅酶 A 所 促进 。 因 此 ， 只 要 线粒体 的 乙酰 辅酶 A 的 产生 超过 了 细胞 对 燃料 的 即时 需要 时 ， 便 促进 了 葡萄 糖 的 合成 作用 。 此 途径 的 第 二 伞 控 制 点 是 由 已 糖 二 磷酸 酶 所 催化 的 反应 。 此 酶 可 被 葡萄 糖 前 身 物 柠檬 酸 和 3- 磷 酸 甘 油 酸 所 激活 ， 而 被 -AMP 所 抑制 。 因 此 从 丙酮 酸 到 葡萄 糖 的 途径 是 通过 呼吸 燃料 (例如 乙酰 辅酶 A 和 柠檬 酸 ) 的 水 平和 ATP 系 统 的 能 荷 二 者 来 调节 的 。 相反 ， 从 葡萄 糖 到 丙酮 酸 的 下 行 途径 主要 是 由 变 构 酶 磷酸 果糖 激酶 所 调节 ,此 酶 可 被 AMP 和 ADP 所 激活 , 却 被 ATP、 柠 檬 酸 和 NADH 所 抑制 。 酵 解 作用 的 次 要 调节 点 是 由 己 糖 激酶 所 提供 的 ， 此 酶 被 葡 糖 -6- 磷 酸 还 可 能 被 乙酰 -CoA 及 磷酸 烯 醇 两 酮 酸 所 抑制 。 酵 解 作 用 的 另 一 调节 剂 为 丙酮 酸 激酶 ,此 酶 被 ATP.NADH 和 两 氨 酸 所 抑制 ,但 被 果糖 -16- 二 磷酸 和 葡 糖 -6- 磷 酸 所 激活 。 由 此 我 们 可 见 酵 解 作用 和 糖 原 异 生 作用 此 三 相 反 途 径 中 的 重要 调节 酶 类 都 居于 这 两 条 途径 各 不 相 同 的 那些 点 上 ,而 提供 彼此 独立 的 调节 作用 。 总 之 ， 当 细 胞 有 充裕 量 的 ATP 和 当 呼 吸 燃料 如 乙酰 CoA, 柠檬 酸 或 NADH 均 很 易 获得 时 , 酵 解 作用 被 抑制 而 糖 原 寞 生 作用 则 被 促进 。 反 之 ， 当 能 荷 低 或 呼吸 燃料 欠缺 ， 则 酵 解 作用 被 加 速 而 糖 原 异 生 作用 则 被 抑制 。 在 酵 解 作用 和 糖 原 异 生 作用 的 变 构 调节 之 上 ， 还 附加 了 对 这 些 途 径 中 某 些 关键 性 酶 类 的 生物 合成 的 调节 作用 。 给 禁 食 大 鼠 以 过 量 的 葡萄 糖 , 果 糖 或 甘油 ,可 抑制 其 肝 中 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧基 激酶 的 活性 ; 回想 起 来 ， 此 酶 催化 从 草 酰 乙酸 形成 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 的 作 用 。 此 效应 是 由 于 此 酶 的 生物 合成 受到 阻 抑 ， 可 能 是 因为 葡萄 糖 与 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 相 比 是 糖 原 更 为 直接 的 前 身 物 , 当 肝 有 足 量 的 葡萄 糖 供应 时 ,就 不 需要 此 酶 了 。 另 一 方面 ， 喂 饲 过 量 的 生 糖 原 氮 基 酸 时 可 加 速 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 基 激 酶 的 生物 合成 ， 此 酶 为 这 些 氨基 酸 转变 为 葡萄 糖 时 所 需 。 无 效 th 环 从 图 23-5 所 示 的 反应 看 来 ,在 酵 解 作用 和 糖 原 异 生 作 用 这 两 个 相反 途径 中 有 两 点 发 生 无 效 循 环 (futile cycles)。 这 种 循环 可 顾名思义 ， 在 葡萄 糖 和 葡 糖 -6- 磷 酸 之 间 两 个 相反 的 反应 ( 己 糖 激酶 和 葡 糖 -6- 磷 酸 酶 反应 ) 似 乎 是 相互 抵 销 而 结果 只 有 ATP 的 净 脱 磷酸 化 作用 : 葡萄 糖 + ATP CMES 区 糖 -6- 磷 酸 + ADP 葡 糖 -6- 磷 酸 + HO MESES game + 磷酸 总 结 : ATP + H,O —~> ADP 十 磷酸 这 样 的 循环 是 无 效 的 ,因为 此 循环 除了 消耗 性 地 水 解 ATP 而 外 ,未 起 什么 作用 。 另 一 个 可 能 的 无 效 循环 是 由 磷酸 果糖 激酶 和 己 糖 二 磷酸 酶 所 催化 的 相反 的 反应 : ATP 十 果糖 -6- 磷 酸 ees ADP + 果糖 -1;,6- 二 磷酸 果糖 -1;6- 二 磷酸 十 HO EPPS 果糖 -6- 磷 酸 十 磷酸 总 结 : ATP + HO 一 > ADP 十 磷酸 这 样 的 无 效 循环 表示 一 种 有 趣 的 代谢 之 谜 ,必须 为 它 找 出 生物 学 上 有 意义 的 答案 来 。 传统 地 认为 无 效 循环 可 能 在 完整 的 细胞 内 并 不 发 生 , 因 为 在 任何 代谢 情况 下 ,每 一 对 中 的 一 个 反应 要 相对 地 很 慢 , 而 另 一 个 则 要 快 些 , 这 决定 于 两 个 相反 的 反应 的 净 方向 ; 无 论 是 朝 着 乳酸 形成 ,或 者 朝 着 葡萄 糖 生 成 的 方向 。 然 而 ,同位 素 追 踪 实 验 已 发 现 酵 解 作用 和 糖 原 寞 生 作 用 可 同时 进行 ,有 时 其 速率 十 分 相似 ,同时 在 某 些 情况 下 ， 无 效 循环 的 确 在 正常 肝 细 胞 中 发 生 。 虽然 某 些 研 究 者 宁愿 相信 无 效 循环 是 一 种 不 完备 的 新 陈 代谢 的 生物 学 设 Ho 另 一 些 人 则 认为 此 循环 有 生物 学 意义 。 一 种 想法 是 它们 是 逆向 代谢 途径 调节 作用 的 重要 因素 ,以 水 解 过 量 ATP 的 方式 来 补充 通常 的 变 构 调 节 ,这 在 某 些 情况 下 是 需要 的 。 另 一 种 想法 是 : ;无效 循环 引起 ATP 的 水 解 可 能 是 用 来 产生 热 。 实际 上 ， 哺乳 动物 暴露 在 低温 下 时 ,参与 无 效 循环 的 某 些 酶 类 (例如 己 糖 二 磷酸 酶 ) 的 活性 增高 在 无 能 量 贮存 机 制 的 情况 下 ,ATP 的 净 水 解 作用 当然 以 放 热 的 形式 使 大 量 自由 能 下 降 。 。553。 aia wert Calvin 途径 的 光合 生成 在 光合 作用 中 , 由 CO, 形成 葡萄 糖 的 作用 也 利用 从 丙酮 酸 到 葡 糖 -6- 磷 酸 的 主要 生物 合成 途径 的 部 份 反应 。 通过 酶 促 反 应 ， 光 的 能 量 能 以 ATP 磷酸 - 键 能 的 形式 以 及 以 NADPH 的 还 原 力 的 形式 保存 下 来 ,这 些 酶 促 反应 已 在 二 十 二 章 述 及 。 从 光 反 应 中 生成 的 ATP 和 NADPH 于 是 被 隶 色 植 物 细 胞 利用 来 使 CO; 还原 以 形成 糖 类 和 其 他 的 还 原 产 物 。 植物 光合 作用 的 主要 最 终 产物 是 淀粉 ` 纤 维 素 及 其 它 多 糖 类 。 在 大 多 数 高 等 植物 组 织 中 ， 游离 的 葡萄 糖 本 身 并 不 大 量 存 在 。 我 们 将 用 "已 糖 " 这 一 普通 名 称 表示 在 光合 成 作用 中 形 成 的 所 有 游离 的 及 结合 的 六 碳 糖 残 基 。 虽然 高 等 动物 利用 前 面 述 及 的 酶 促 反应 能 将 二 氧化 碳 固定 为 草 酰 乙酸 和 其 它 化 合 物 的 羧基 础 。 但 这 种 反应 并 不 能 从 二 氧化 碳 最 后 净 合 成 新 的 己 糖 。 例如 ， 在 丙酮 酸 凑 化 酶 反应 中 丙酮 酸 ++ CO, + ATP —> 草 酰 乙酸 + ADP 十 Pi 随后 ,在 草 酰 乙酸 的 三 个 碳 原 子 变 为 磷酸 烯 醇 丙酮 酸 ， 然后 转变 为 葡萄 糖 的 反应 中 ， RB 人 至 草 酰 乙酸 中 的 CO, 最 终 仍 以 CO, HBAER, 而 且 , 在 动物 组 织 中 , 丙酮 酸 氧化 脱羧 ”为 乙酰 辅酶 A 以 及 wx- 酮 成 二 酸 氧 化 脱羧 为 琥珀 酰 辅酶 A, 这 些 反 应 都 是 不 可 逆 的 ， 因 此 不 能 从 CO, SA Raa. Hit, 在 绿色 植物 细胞 中 从 CO, 净 形 成 已 糖 的 生物 合成 途径 与 动物 组 织 中 发 生 的 羧 化 反应 有 着 本 质 的 差别 。 M. Clavin 和 他 的 共同 工作 者 关于 在 光合 有 机 体 中 从 CO, 变 成 已 糖 这 一 途径 的 性 质 的 研究 提供 了 第 一 个 重要 的 线索 。 他 们 将 绿色 营 类 在 有 放射 性 二 氧化 碳 (CoO;) 存在 的 情况 下 进行 极 短 时 间 ( 仅 只 有 几 秒 钟 ) 的 光照 ,然后 立即 将 这 些 细胞 “ 杀 死 ”, 进行 提取 ,并 借助 色 层 分 析 法 ， 寻 找 最 早 摊 人 标记 碳 的 那些 代谢 产物 。 最 早 被 标记 的 化 合 物 之 一 是 酵 解 中 的 已 知 中 间 产 物 3- 磷 酸 甘 油 酸 ,同位 素 碳 主 要 发 现在 羧基 碳 原子 上 。 相 当 于 丙酮 酸 羧基 碳 原 子 的 这 个 碳 原子 在 以 放射 性 CO; 与 动物 组 织 保温 时 , 却 未 迅速 地 被 标记 。 这 些 发 现 有 力 地 提示 标记 的 3- 磷 酸 甘油 酸 是 藻类 光合 作用 中 的 早期 中 间 产 物 , 特别 是 因为 3- 磷 酸 甘油 酸 通过 酵 解 作用 的 逆 过 程 易 转变 为 葡萄 糖 。 然 而 在 当时 并 不 知道 有 能 够 将 CO; BAF 3- 磷 酸 甘油 酸 的 羧基 团 中 去 的 酶 促 反应 。 直 到 进行 了 次 和 的 研究 后 , 发 现 有 这 样 一 种 酶 存在 于 菠菜 叶 的 提取 物 中 。 此 酶 即 核 酮 糖 二 磷酸 羧 化 酶 ， 人 1,5- 二 磷酸 的 凑 基 化 及 裂解 核 酮 糖 -1;,5- 二 磷酸 + CO, = 2 3- 磷 酸 甘 油 酸 形成 两 分 子 的 3- 磷 酸 甘 油 酸 ,其 中 一 个 带 有 以 CO, BRBAWRIRF (A 23-6). 此 酶 的 分 子 量 为 550,000， 含 有 16 个 亚 基 。 2- 凑 基 -3- 酮 基 核 糖 醇 -1:5 二 磷酸 是 此 反应 申 的 二 个 中 间 产 物 ,推测 它 是 与 酶 结合 的 。 此 反应 中 的 真正 底 物 是 COi, 而 不 是 HCOi 。 与 大 多 数 光 合 植物 对 CO, 的 亲和力 较 高 相反 ,分 离 出 来 的 酶 对 CO, 的 亲和力 很 低 。 此 酶 表现 有 变 构 性 质 , 对 CO， 显 示 一 S 形 的 活性 -浓度 曲线 并 且 据 报道 被 果糖 -1,6- 二 磷酸 所 调节 。 此 酶 可 被 分 子 氧 所 抑制 : 此 作用 的 重要 性 将 在 下 面 述 及 。 核 酮 糖 二 磷酸 羧 化 酶 在 细胞 中 含量 极为 丰富 ， 几 乎 占 叶 绿 体 中 总 蛋白 量 的 15%。 对 菠菜 叶绿体 的 电子 显微镜 观察 提 示 , 此 酶 的 各 个 分 子 直径 约 20 毫 微米 , 均 位 于 类 囊 体 膜 之 上 或 其 内 。 。554 。 由 核 酮 糖 二 磷酸 羧 化 酶 作用 而 形成 的 3- 磷 酸 甘 油 酸 ， 可 通过 上 述 酵 解 反应 的 逆 过 程 和 己 糖 二 磷酸 酶 反应 转变 为 葡 糖 -6- 磷 酸 。 虽然 此 组 反应 序列 表明 葡萄 糖 中 的 一 个 碳 原子 是 如 何 来 自 Co; 的 ,- 但 它 并 不 说 明 这 样 一 个 事实 , 即 在 光合 作用 时 ， 已 糖 的 所 有 六 个 碳 原子 最 终 都 来 自 CO Clavin 和 他 的 同 事 们 ， 为 提供 这 种 途径 提出 了 己 糖 合成 的 环 状 机 制 。 Calvin 循环 是 磷酸 葡 糖 酸 和 酵 解 序列 的 修改 和 延伸 ; RAR 在 此 环 中 ,每 当 一 分 子 CO, 被 还 原 时 ,就 有 一 分 子 的 术 HoH 1,3-= 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 再 生成 。 图 23-7 表示 此 途径 的 图 解 is ay SES HN BIS ELL KRM PARAS a _— 6 CO, + 6 PBA }-1 ,5-— Be ABBR Rt “| 12 3- 磷 酸 甘油 酸 (5) CHiOPOr -OOG 一 C 一 OH 了 : 12 3- 磷 酸 甘油 酸 十 12 ATP WR REE 0 tee 12 3-- 磷 酸 甘 油 酰 磷酸 十 12 ADP (6) Pe hay 1,5-— ER 12 3- 磷 酸 甘 油 栈 磷酸 + 12 NADPH + 12Ht CH,OPO,*~ AA H,0 ——— 12 甘油 醛 -3- 磷 酸 CH,OPO;* + 12 NADPt 十 12Pi (7) HOOK 3- BiB HER. 5 nhit-3—mime OE SEAEE | 5 — scram pines) oa 3 甘油 醛 -3- 磷 酸 + 3 二 羟 丙酮 磷酸 : ne ce HCOH 5- 磷酸 甘油 酸 3 -1,6-— eR ering 3 果糖 -6- 磷 酸 士 3Pi (10) 23-6 RIK BEE LG Ie Fels BBP ER WS So ad PD sain ERE cer yee—o—eRe (11) 结构 。 CH,OPO,*~ C 一 O 葡 糖 -6- 磷 酸 一 > lee + P “二 林业 -6- 磷 酸 十 2 甘油 本 -3- 杰 酸 SEES 2 示众 糖 -4- 磷 酸 士 2 二 羟 丙 酮 磷酸 至 2 景 天 庚 酮 糖 -1,7- 二 磷酸 己 糖 二 磷酸 栈 果糖 二 磷酸 醛 缩 酶 一 一 一 2 景 天 庚 酮 糖 -7- 磷 酸 十 2 甘油 醛 3- 磷 酸 PS 2 核 稿 -5- 碍 酸 十 2 木 酮 糖 -5- 磷 酸 (16) ; 核 精 5- 磷酸 Le ee (17) pee 4 EW HE-5- BER —— ee (18) 6 核 酮 糖 -5- 磷 酸 十 6 ATP PEARS 6 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 十 6ADP (19) (12) 2 木 酮 糖 -5- 磷 酸 十 2 DRE -4-BEM 〈13 ) 2 景 天 庚 酮 糖 -1,7- 二 磷酸 (14) 2 景 天 庚 酮 糖 -7- 磷 酸 十 2Pi (15) 反应 (5) 到 (12) 代 表 上 述 的 从 CO, 和 核 酮 糖 -1;5- 二 磷酸 形成 葡萄 糖 的 途径 ,而 反应 (13) 到 (19) 都 是 与 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 的 重新 生成 有 关 。 反 应 (12) 中 的 葡萄 糖 是 作为 最 终 产 5 图 23-7 在 蔬菜 叶 中 ,通过 Calvin 循环 ,从 CO, 光合 作用 形成 葡萄 糖 ， 输入 物质 以 带 黑 点 的 方块 表示 ， 而 产物 以 方 框 表 示 。 图 例 : 3PG = 3- 磷 酸 甘 油 酸 X5P = 木 酮 糖 -5- 磷 酸 G3P = 甘油 醛 -3- 磷 酸 SDP = 景 天 庚 酮 糖 -17 二 磷酸 DHAP = —4 RMR S7P = RAR MB-7-RE FDP = 果糖 -1>6= 二 磷酸 R5P = 核糖 -5- 磷 酸 F6P = 果糖 -6- 磷 酸 Ru5P = 核 酮 糖 -5- 磷 栈 G6P = 葡 糖 -6- 磷 酸 RuDP = 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 E4P = 赤 侮 糖 -4- 磷 酸 物 形成 的 ,以 方 框 表示 之 。 反 应 (15) 是 由 已 糖 二 磷酸 酶 催化 的 ;这 是 放 能 的 反应 因而 是 一 种 “牵引 "反应 。 反 应 (17) 和 《18) 是 由 核糖 磷酸 异 构 酶 和 核 酮 糖 确 酸 3- 差 向 异 构 酶 所 俊 化 。 这 二 种 酶 早已 在 前 面 描述 过 。 反 应 (19) 是 由 磷酸 核 柄 糖 激酶 所 催化 的 ,此 酶 在 许多 方面 与 磷酸 果糖 激酶 相似 。 中 间 产 物 七 碳 糖 即 景 天 扫 柄 糖 -1,7- 二 磷酸 (图 23-8) 在 化 学 aa BAEC LS BAO BRA 1, 6-— BEB A | Whe C=O | 将 Calvin 循环 的 一 个 轮 人 过 ,用 CO, 当量 来 表示 , 可 写成 HOCH 下 列 总 式 HCOH ses 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 十 CO; + 3ATP ee + 2NADPH + 2H+ + 2H,O 一 > GELOPO;- 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 + (CHO) + 3P; 十 3ADP 十 2NADP+ 23-8 景 天 庚 责 糖 -17- 二 磅 酸 “” 在 此 式 的 两 侧 均 写 上 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 仅 表示 此 化 合 物 。556。 是 此 循环 的 必需 成 分 ， 并 且 在 每 次 循环 的 末尾 重新 生成 , 若 在 两 侧 均 消 掉 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 , 则 为 CO, 十 3ATP 十 2NADPH +.2H* 十 -2H;O 一 >(CH:O) + 3P; + 3ADP 十 2NADPt 若 将 6 次 Calvin 循环 ( 见 图 23-7). 的 反应 总 括 起 来 可 写成 总 式 ， 将 投入 的 及 重新 生成 的 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 仍 表示 如 下 : ， 6 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 十 65Co; 十 18ATP 十 12NADPH + 12H* 十 12H,O—> 6 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 十 已 糖 十 18Pi 十 18ADP 十 12NADP+ 从 两 侧 减 去 核 酮 糖 二 磷酸 , 则 得 到 净 反 应 式 为 : 6CO, + 18ATP 十 12NADPH + 12H* 十 12H,O— 己 糖 十 18Pi + 18ADP + 12NADPt 请 注意 每 一 分 子 CO; 被 还 原 需 要 3 分 子 的 ATP。 oR By] HE AY Cy -或 Hatch- Slack 34% 在 本 世纪 60 ERI, BATE: 在 一 些 绿色 植物 中 , 3- 磷 酸 甘 油 酸 并 不 是 放 Be CO; 挫 人 的 最 早 中 间 产 物 。 H. Kortschak, HJG M. D. Hatch 和 C. R. Slack, 发 现 在 包括 甘蔗 和 玉米 这 一 类 植物 中 ,四 碳 双 凑 酸 类 〈 草 酰 乙 酸 , 苹 果 酸 和 天 冬 氮 酸 ) 似乎 是 CO; 固定 的 最 早产 物 。 现 在 称 这 类 植物 为 C4 tM. CO, 最 初 在 由 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 羧 化 酶 催化 的 反应 中 被 固定 。 | | HTB 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 十 CO; —> 草 酰 乙酸 + Pi AG” = —65 FERDFO CABS is iS ae PS BR et is (GTP) RIA). 在 C, 植物 中 如 此 形成 的 草 酰 CFS NADP- ERASER aA Be RSE RE: NADPH + H+ + 草 酰 乙酸 ==NADP+ + L-32 ER 或 通过 转 氮 作 用 转变 为 天 冬 氮 酸 : ae RE CR+FAB —KFAR +0- fi KOR Cy, 植物 对 CO, 同化 作用 的 下 一 步骤 ， 由 于 涉及 二 种 不 同 细胞 类 型 的 合作 而 引起 注 Bo C4 植 物 时 中 含有 两 种 类 型 的 光合 细胞 ,它们 有 十 分 不 同 的 生化 的 和 结构 上 的 机 构 。 维 Sale, BAER SB, t+ Aa HERE RR. WOR 维 管束 鞘 细胞 和 叶肉 细胞 的 近代 研究 证 明 : 上 面 叙 述 过 的 , ee ee 将 CO, 固定 的 作用 是 在 叶肉 细胞 中 进行 的 。 在 一 些 C4 植物 中 , 通过 草 酰 乙酸 的 还 原作 用 形成 的 苹果 酸 被 转移 至 维 管束 东 细 胞 中 ,在 那里 被 苹果 酸 酶 [苹果 酸 脱 氢 酶 《〈 了 脱羧 作用 ) (CNADP+) ] 脱 掉 羧 基 : 苹果 酸 十 NADP+ = 丙酮 酸 十 CO; + NADPH + Ht 在 其 他 的 C, 植物 中 , 由 草 酰 乙酸 通过 转 所 作用 而 形成 的 天 冬 氮 酸 也 最 终 在 维 管束 鞘 细胞 中 脱羧 基 。 在 这 两 个 反应 中 释放 出 的 CO, 于 是 与 核 酮 糖 -1,5- 二 磷酸 作用 而 产生 3- 磷 酸 甘油 酸 。 此 酸 通过 Calvin 循环 转变 为 已 糖 5 在 维 管束 东 细 胞 中 形成 的 丙酮 酸 又 转 回 至 时 肉 细胞 中 ， 在 消耗 了 两 个 高 能 磷酸 基 团 时 转变 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 。 于 是 又 开始 进行 另 一 个 循环 。 这 些 热带 植物 中 的 C, 环 被 称 为 Hatch-Slack 途径 。( 图 23-9) © 557 。 AMP + 草 酰 乙酸 磷酸 烯 醇 [ol-。 PP, NADPH 丙酮 酸 e Ne NADP+ 苹果 酸 23-9 C,H As CO, 的 Hatch-Slack 途径 ， 在 叶肉 细胞 中 Co, 最 初 被 固定 形成 草 酰 乙 酸 * 后 者 还 原 成 苹果 酸 (或 通过 氨基 移 换 作用 形成 天 冬 氨 酸 )。 随 后 苹果 酸 被 转送 到 维 管 束 鞘 细胞 中 去 。 苹 果 酸 在 此 处 被 苹果 酸 脱 氢 酶 (脱羧 作用 7 脱羧 基 ， 形 成 的 CO: 进入 Calvin 循环 转变 为 已 糖 ， 由 丙酮 酸 被 转送 至 叶肉 细胞 中 Hatch-Slack 途径 遂 得 以 完成 ， 在 叶肉 细胞 中 丙酮 酸 通过 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 而 转变 为 草 酰 乙酸 。 C, 植物 在 一 类 细胞 中 以 草 酰 乙酸 的 形式 固定 Co， 而 在 另 一 类 细胞 中 又 进行 脱羧 基 和 再 固定 ,这样 看 来 似乎 是 无 意义 的 。 然 而 已 证 实 : 在 叶肉 细胞 中 C, 途径 的 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 脱羧 酶 对 CO, 有 极 高 的 亲和力 ,而 我 们 所 见 Calvin 途径 中 的 核 酮 糖 二 磷酸 脱羧 酶 对 CO, 只 有 低 亲 和 力 。 叶 肉 细胞 是 为 高 效率 地 收集 CO, 服务 ， 接 着 即将 CO, 运送 到 维 管束 式 细 胞 中 ， 显 然 在 后 类 细胞 中 产生 极 高 的 Co; 局 部 浓度 ， 从 而 使 维 管束 鞘 细胞 的 核 酮 糖 二 磷酸 羧 化 酶 很 有 效 地 固定 CO, 值得 注意 的 是 ; 固定 每 一 分 子 CO, 需要 另 加 两 个 高 能 磷酸 基 团 。 因此 就 有 两 大 类 光合 植物 : CHD, 主要 是 温带 的 植物 ， 它 们 能 直接 将 Co; 固定 成 为 三 碳 的 3- 磷 酸 甘 油 酸 ; C4 植物 ,主要 是 热带 植物 ， 它 们 在 叶肉 细胞 中 将 最 初 把 CO， 定 在 草 酰 乙酸 中 ,随后 在 维 管束 式 细 胞 中 将 CO “再 固定 ”成 3- 磷 酸 甘油 酸 。 如 我 们 将 在 以 下 见 到 的 ，Cs 与 C4 植物 在 其 他 重要 的 方面 也 不 相同 。 C4 植物 包括 超过 100 种 。 其 中 不 仅 有 甘蔗 和 谷物 ,而 且 还 有 沙漠 植物 类 , 酸 苹 果 植 物 类 ， 百 莫大 群岛 禾 本 科 植 物 类 ， 和 高 梁 。 现在 我 们 可 对 Cs #1 C, 植物 中 的 光合 生成 己 糖 的 总 反应 式 加 以 比较 : Ca 植物; 6CO, 十 18ATP + 12NADPH 十 12H+ + 12H,0 — > (+18 Pi + 18ADP + 12NADPt C, 植物 : 6CO, 十 30ATP 十 12NADPH 十 12H+ 十 24H2O 一 -> 已 糖 十 30ADP + 30Pi + 12NADPt 因此 ,C, 植物 为 合成 一 个 已 糖 单位 , 较 之 Cs 植物 需要 的 ,ATP 要 多 许多 。 纵然 它们 需 要 额外 的 ATP， 但 如 我 们 现在 所 见 到 的 ,C+ BOR C; 植物 , 在 每 单位 叶 面积 中 所 合成 © 558。 NHORBRES AKRWRS J, ER AIEEE FH Ath eve 光 呼 吸 作 用 在 光合 植物 中 ， 与 已 糖 生物 合成 的 机 制 和 调节 紧密 相关 的 是 光 呼 吸 作用 的 现象 。 绿 色 植 物 细胞 含有 线粒体 和 叶绿体 ;这 样 的 细胞 ,在 黑暗 中 ， 消 耗 在 早先 光照 期 由 光合 作用 生成 的 底 物 而 呈现 线粒体 呼吸 作用 和 和 氧化 磷酸 化 作用 。 问 题 在 于 : 这 些 绿色 植物 细胞 在 光线 下 ， 在 活跃 的 光合 作用 时 也 在 呼吸 呢 ? 还 是 呼吸 停止 了 呢 ? 仔细 测量 在 光照 明 的 植 物 中 氧 和 二 氧化 碳 交 换 的 速率 ,特别 是 利用 同位 素 氧 来 测量 ,表明 大 多 数 植物 在 光线 下 进 行 光 合作 用 时 确实 在 进行 呼吸 。 然 而 ， 在 光线 下 发 生 的 这 一 类 型 的 呼吸 作用 不 是 线粒体 式 的 呼吸 作用 ， 因 为 它 对 该 过 程 的 有 特征 性 的 抑制 剂 并 不 敏感 。 这 种 *“ 光 中 ”的 呼吸 称 为 光 呼 吸 作用 。 它 把 光 引 起 的 还 原 力 从 葡 葡 糖 的 生物 合成 作用 转向 为 氧 的 还 原作 用 。 而 且 ， 光 呼 吸 作用 并 不 伴 有 ADP 的 氧化 磷酸 化 , 因 之 看 来 浪费 了 由 光 反 应 所 生成 的 富 于 能 量 的 还 原 力 。 光 呼吸 作用 在 温带 的 C: 植物 中 是 非常 活路 的， 然而 在 多 数 的 热带 起 源 的 C, 植 物 中 则 几乎 或 完全 不 存在 。 许多 的 观察 指出 ,在 Cs 植物 中 光 呼 吸 作用 的 主要 底 物 是 羟基 乙酸 (图 23-10)。 这 些 植 物 叶 中 不 仅 含有 羟基 乙酸 ， 而 且 还 含有 能 利用 分 子 氧 以 氧化 状 基 忆 酸 成 为 乙 醛 酸 有 很 高 活力 的 酶 , 称 为 羟基 乙酸 氧化 酶 ， [oo Rabat 此 酶 是 一 种 黄 素 氧化 酶 。 此 酶 既 不 存在 于 线粒体 中 ， 也 不 在。 。 在 于 叶绿体 中 ， 而 位 于 微 体 或 过 氧 物 酶 体 中 。 羟 基 乙 酸 的 氧 Pes MPrEnAtA, BARFETHUADE APH ALa — = 所 分 解 。 乙 醛 酸 进一步 代谢 成 为 其 他 产物 ,如 甘氨酸 ， 草 酸 ， COOH FRB CO., 决定 于 种 的 不 同 。 图 23-10 ”在 光 呼 吸 作用 时 虽然 对 上 述 的 大 部 分 早已 知道 ， 但 直到 最 近 才 证 实 羟基 羟基 乙酸 的 氧化 。 乙酸 的 来 源 。 可 回想 起 核 酮 糖 二 磷酸 羧 化 酶 被 分 子 氧 抑制 的 事实 。 这 种 抑制 作用 看 来 是 在 氧 分 压 高 而 CO, 压力 低 时 ,作为 调节 CO, 固定 作用 的 机 制 。 而 且 , 随 后 的 研究 证 明 : 在 核 酮 糖 三 磷酸 羧 化 酶 反应 中 分 子 氧 确 能 取代 CO,, 结果 不 是 使 核 酮 糖 二 磷酸 进行 羧 化 而 是 使 它 进 行 氧 合作 用 ， 并 生成 磷酸 羟基 乙酸 和 3- 磷 酸 甘油 酸 ( 图 23-11)。 随 后 所 生成 的 磷酸 羟基 乙酸 进行 酶 水 解 作用 生成 游离 的 羟基 乙酸 , 即 光 呼 吸 作 用 的 底 物 。 在 Cs 植物 中 光 呼 吸 作用 的 速率 是 相当 高 的 , 约 为 黑暗 处 呼吸 作用 速率 的 5 倍 。 由 于 它 引 起 CO, 的 还 原 产 物 的 氧化 ,而 这 种 产物 的 合成 又 已 经 消耗 了 NADPH 和 ATP, 显 然 它 是 一 个 耗费 的 过 程 。 在 Cs 植物 中 ,在 正常 的 大 气 情况 下 光合 作用 的 净 速 率 由 于 受 空气 中 CH,OPO3- CH,OPO;- | | 磷酸 羟基 乙酸 C 一 O 核 酮 糖 1;5- 二 磷酸 COO- 十 HCOH COO- | | HCOH HCOH | | 3- 磷 酸 甘 油 酸 C 了 HB;,PO3- CH,OPO}- ©, | Beaphi = mnie (Le isi 图 23-11 从 核 酮 糖 =1?5- 二 磷酸 生成 磷酸 羟基 乙酸 © 559 。 相当 高 的 氧 浓度 和 较 低 的 CO, 浓度 所 限制 ,显然 比 最 大 速率 为 低 。C4 植物 只 有 极 少 或 全 无 光 呼 吸 作 用 ， 由 于 它们 能 在 相当 低 的 CO, 浓度 和 较 高 的 氧 张力 下 通过 Hatch-Slack 途径 〈 氧 不 能 使 此 途径 转向 ) 进 行 光 合作 用 ， 故 其 效率 显然 高 些 。Cs 植物 中 光 呼 吸 作 用 的 精确 机 能 仍然 是 一 个 谜 。 现在 正 以 相当 大 的 力量 ， 通过 诚 低 光 呼 吸 作用 的 速率 ， 或 应 用 抑制 剂 ,或 用 Cs 和 C, 植物 的 杂交 育种 法 , 以 增进 Cs 作物 的 效能 。 KAO RRNA MARAE: BOE ERR 我 们 现在 已 知 动 物 和 植物 中 葡萄 糖 和 葡 糖 -6- 磷 酸 是 如 何 从 简单 的 前 身 物 形成 的 。 我 们 将 追踪 从 葡 糖 -6- 磷 酸 开始 到 下 列 各 物 的 生物 合成 途径 : 《1) 其 它 的 已 糖 和 己 糖 衍生 物 ; 光 2) 双 糖 ;〈3) 贮 存 多 糖 , 以 及 (4) 细 胞 壁 、 细 胞 外 膜 和 细胞 间 阶 的 复杂 结构 多 糖 。 在 这 些 途 径 中 ,已 糖 残 基 常 须 转变 为 已 糖 衍生 物 , 或 转移 至 其 它 的 单 糖 或 至 多 糖 链 的 末端 。 这 些 反应 表现 出 一 个 共同 的 模式 ， 在 这 种 模式 中 它们 使 用 一 种 核 苦 二 磷酸 糖 (NDP- 糖 ) 作 为 能 量化 了 的 糖 基 供 体 。NDP- 糖 的 一 个 范例 为 尿 苷 二 磷酸 葡萄 糖 。( 图 23-12) i me O O C | -o—p—O—P—0-, 07 A23-12 ， 尿 昔 二 磷酸 葡萄 糖 的 结构 和 实体 模型 。 核 昔 二 磷酸 糖 的 作用 是 由 布 宜 诺 斯 艾 利 斯 的 站 . F. Leloir 及 其 同事 首先 发 现 的 。 他 们 指出 一 个 核 昔 三 磷酸 ,例如 UTP, 与 一 个 已 糖 -1- 磷 酸 作 用 生成 一 个 核 苷 二 磷酸 糖 《 图 23-12), 此 反应 由 通常 称 为 糖 基 -1- 磷 酸 核 苷 酸 转移 酶 (或 其 老 的 \ 不 常用 的 名 称 为 焦 磷 酸 化 酶 ) 的 酶 类 所 作用 : NTP + }-1-# == NDP-# + PPi 生成 的 焦 磷酸 来 自 NTP 的 两 个 末端 磷酸 基 团 。 NDP_ 精 中 有 了 两 个 键 在 水 解 时 具有 很 大 的 负 性 和合 G"， 一 个 键 在 两 个 磷酸 基 团 之 间 , 一 个 键 在 NDP 部 分 的 末端 磷酸 和 糖 基 之 间 。 在 核 苷 酸 转 移 酶 反应 中 ， 仅 只 有 小 的 标准 自由 能 变化 。 但 是 焦 磷酸 酶 随后 对 无 机 焦 磷 酸 的 水 解 作 用 ，, 牵 拉 这 个 反应 朝向 形成 NDP- 糖 的 方向 进行 。 在 高 等 动物 中 , 尿 苷 二 磷酸 虽 经 常 作 为 特殊 的 糖 基 载 体 , 而 在 不 同 的 植物 ,微生物 和 动物 组 织 中 ,在 各 种 梅 促 糖 -转移 反 应 中 ,ADP、CDP 和 GDP 也 具有 特殊 的 糖 载体 的 功用 。 我 们 从 这 里 就 知道 核 苷 酸 提 供 的 另 一 个 重要 生化 功能 。 一 旦 NDP- 糖 已 形成 , 它 的 糖 残 基 即 可 进行 各 种 酶 促 反 应 ,包括 氧化 作用 ,还 原作 用 ， 差 向 异 构 作 用 ,以 及 转移 至 其 他 糖 类 或 糖 聚 合 物 类 。 *。，560。 从 UDP 2 45 EK BEAT 我 们 早已 知道 D- 葡 萄 糖 -6- 磷 酸 能 够 转变 为 D- 有 果糖-6- 磷 酸 , 随 后 又 转变 为 D- 甘 露 糖 -6- 磷 酸 ;这 些 反应 并 不 需要 NDP- 糖 作为 中 间 产 物 。 然 而 ;在 动物 组 织 中 D- 葡 萄 糖 转 变 为 其 他 己 糖 或 己 糖 衍生 物 的 几乎 所 有 其 它 途 径 都 是 通过 UDP- 葡 萄 糖 而 进行 的 。 UDP-D- 葡 萄 糖 是 葡 糖 醛 酸 的 前 身 物 ， 此 酸 是 一 些 多 糖 类 的 重要 建筑 原料 ， 并 且 也 是 抗坏血酸 或 维生素 C 的 前 身 物 。 UDP-D- 葡 萄 糖 被 UDP- 葡 葡 糖 脱氧 酶 作用 氧化 成 为 UDP-D-@ # BRIA 23-13): UDP-D-# #4 #§ + 2NADt + H,O == UDP-D- 葡 糖 醛 酸 + 2NADH + 2H* 在 此 反应 中 有 两 次 氧化 步骤 发 生 ， 一 UDP-p- 葡 糖 醛 酸 次 是 氧化 碳 原子 6 上 的 羟基 变 成 醛 基 ， 要 第 二 次 氧化 此 醛 基 变 成 羚 基 。 在 动物 pe a 组 织 内 UDP-D- 葡 糖 醛 酸 是 为 各 种 受 体 分 子 如 外 来 的 酚 类 和 腕 类 提供 葡 糖 na uc HOCH 醛 酸 残 基 的 供 体 ， 此 作用 是 由 肝脏 中 Hog D- HU SEER 的 UDP- 葡 糖 醛 酸 转移 酶 所 催化 的 i Ho 其 一 般 催化 反应 为 : COOH UDP-4j ER +ROH —> ore R-O- 葡 糖苷 酸 十 UDP 二 ae HAb ROWAN oA RITE lo Hola 毒 和 - (或 ) 促使 外 来 的 包括 各 种 药物 Hote HOCH AMMAR BWA. RAE—H orton ton HE 动物 体 中 是 以 酚 葡 糖苷 酸 的 形式 排出 9 HGH He 《图 :23-13) COOH CH,OH vite no 7 Sm CH,OH O:~) Laas MARAE H,0, 氧化 酶 a HOC | H ， og Hoe te? 酚 葡 糖苷 酸 | L-. 抗 坏 血 酸 | A) 23-13 UDP-D- 交 糖 醛 酸 在 形成 多 糖 类 和 noe 葡 糖 苷 酸 类 时 作为 D- 葡 糖 醛 酸 残 基 的 供 体 。 CH,OH 葡 糖 昔 酸 是 许多 外 来 的 醇 类 \ 酚 类 和 胺 类 的 排 HER. 上 面 所 示 为 一 典型 的 葡 糖 昔 酸 5 图 23-14 L- 抗 坏 血 酸 的 酶 促 合成 * 561。 从 UDP-D- 葡 糖 醛 酸 被 酶 水 解 后 生成 游离 的 D- 葡 糖 醛 酸 是 L- 抗 坏 血 酸 (维生素 C) 的 生物 合成 前 身 物 , 此 反应 在 植物 以 及 所 有 的 冰 椎 动物 ( 除 人 、\ 猴 类 、 豚 鼠 和 印第安 果 蝙 晤 以 外 ) 的 肝脏 中 进行 。D- 葡 糖 醛 酸 首 先 还 原 为 L- 古 洛 糖 酸 , 后 者 在 内 酯 酶 存在 时 内 酯 化 成 为 工 - 古 洛 糖 酸 内 酯 。 然 后 再 进一步 氧化 成 为 L- 抗 坏 血 酸 。( 图 23-14) ” 核 背 二 磷酸 糖 类 也 可 进行 还 原生 成 脱氧 糖 类 的 核 苷 二 磷酸 衍生 物 ,， 例如 工 - 岩 藻 糖 和 L- 鼠 李 糖 ,这 些 均 为 细菌 细胞 壁 的 脂 多 糖 的 重要 成 分 。 这 种 反应 之 一 为 : GDP-D- 甘 露 糖 NADPH + H+——>GDP-L-§ #8 +NADP?* + H,O 半 乳 糖 代 谢 : 半 乳 糖 血 症 动物 体 中 一 个 很 重要 的 反应 是 通过 UDP-D- 葡 萄 糖 中 葡 糖 残 基 的 第 4 个 碳 原子 上 发 生 酶 促 差 向 异 构 作 用 ,使 D- 葡 糖 残 基 可 逆转 化 为 D- 半 乳糖 残 基 而 形成 尿 苷 二 磷酸 D- 半 乳糖 (UDP- 半 乳糖 ): UDP-D-#j 4% => UDP-D- 半 乳糖 由 于 催化 此 反应 的 酶 一 一 UDP- 葡萄 糖 4- 差 向 异 构 酶 绝对 需要 有 NAD, 故 认为 此 差 向 异 构 化 作用 是 由 两 个 步骤 发 生 的 : Edd UDP-D- 葡 萄 糖 十 NAD+ == a od) UDP-4—# 3:-D-#j #3 + NADH + Ht N\A ae Re UDP-4- 酮 基 -D- 葡 葡 糖 TNADH + Ht = 二 二 UDP-D- 半 乳糖 + NAD+ 假设 的 4- 酮 基 葡 萄 糖 (图 23-15) 中 间 产 物 ， 能 在 酮 基 团 图 “1 UDP-+ EM ”处 接受 一 对 氢 形 成 任 一 差 向 异 构 体 ， 此 中 间 产 易 在 催 楷 循环 中 仍然 紧密 地 与 酶 的 活性 部 位 相 结合 。 此 反应 中 形成 的 UDP- 半 乳糖 是 乳腺 中 生物 合成 双 糖 乳糖 以 及 合成 糖 蛋白 的 含有 半 乳 糖 - 低 聚 糖 侧 链 所 需要 的 前 身 物 ( 见 下 面 )。 UDP- 半 乳糖 也 是 乳糖 和 乳 类 的 糖 在 肠 道中 被 酶 水 解 而 形成 的 游离 的 DEL 中 重要 的 中 间 产 物 。 D= 半 乳糖 在 肝 中 通过 两 个 系列 的 反应 转变 为 D- 葡 葡 糖 。 由 于 这 些 反应 受到 人 类 遗传 缺陷 影响 ,导致 不 同类 型 的 遗传 性 疾病 半 乳 糖 血 症 。 故 这 些 反应 受到 人 们 很 大 的 注意 。H. Kalckar 及 其 他 研究 者 对 半 乳 糖 的 生物 化 学 进行 了 详细 的 分 析 。 在 肝脏 中 游离 的 D- 半 乳糖 被 半 乳 糖 激酶 作用 首先 在 碳 原子 1 上 磷酸 化 生成 D- 半 乳糖 -1- 磷酸 : ATP 十 D- 半 乳糖 一 > ADP + D- 半 乳糖 -1- 磷 酸 生成 的 半 乳 糖 -1- 磷 酸 能 通过 两 个 可 能 反应 中 的 一 个 转变 为 UDP- 半 乳糖 。 次 要 的 途径 是 由 半 乳 糖 -1- 磷 酸 尿 苷 酰 转移 酶 所 催化 D- 半 乳糖 -1- 磷 酸 + UTP = UDP-D- 半 乳糖 十 PPi 如 此 形成 的 UDP- 半 乳糖 被 UDP- 葡 葡 糖 4- 差 向 异 构 酶 作用 通常 转变 为 UDP- 葡 葡 糖 。 这 些 反应 使 半 乳 糖 残 基 能 进入 葡萄 糖 代 谢 的 主要 途径 ,如 我 们 将 会 见 到 的 , 是 因为 QDP- 葡萄 糖 能 将 它 的 葡 糖 残 基 供 给 糖 原 。 这 种 尿 苷 酰 转移 酶 在 成 人 肝 中 含量 较 高 ， 而 在 婴儿 则 缺乏 。 利用 游离 半 乳 糖 的 第 二 个 途径 也 是 从 半 乳 糖 1- 磷 酸 开始 的 % ”由 己 糖 1- 磷酸 尿 苷 本 * 562。 转移 酶 催化 以 下 反应 UDP-D- 葡 葡 糖 + D- 半 乳糖 -1- 磷 酸 一、 UDP-D- 半 驰 糖 + D- 葡 葡 糖 -1- 磷 酸 这 种 特殊 的 酶 存在 于 正常 胎儿 肝脏 中 , 但 在 患 有 某 一 类 半 乳 糖 血 症 的 婴儿 中 则 缺乏 。 这 样 的 婴儿 因此 不 能 通过 任 一 途径 来 利用 半 乳 糖 。 半 乳 糖 血 症 的 婴儿 在 血 中 有 过 高 浓度 的 D- 半 弛 糖 并 且 受 到 眼 晶状体 白内障 (混浊 ) 和 精神 失调 的 损害 。 在 婴儿 和 儿童 期 的 膳食 中 不 给 吃 奶 和 其 他 有 半 弛 糖 来 源 的 食物 可 成 功 地 治疗 此 症 。 第 二 种 类 型 的 半 乳 糖 血 症 的 情况 要 轻 些 ;但 也 有 发 展 成 白内障 和 宜 症 的 特征 ,此 症 是 由 于 遗传 性 缺陷 而 丧失 半 乳 糖 激酶 生物 合成 能 力 所 致 ,此 酶 是 使 半 乳 糖 磷酸 化 所 必需 的 ， 以 便 它 能 进入 任 一 半 乳 糖 途 径 。 在 半 乳 糖 血 症 的 已 糖 -1- 磷 酸 尿 音 酰 转移 酶 缺陷 和 半 缠 “ 糖 激 酶 缺陷 的 两 种 类 型 中 ,白内障 是 由 于 二 种 糖 醇 一 半 乳 糖 醇 的 积聚 所 致 ,在 晶状体 中 此 物 是 由 醛 糖 还 原 酶 作用 于 D- 半 乳糖 而 生成 的 : D- 半 乳糖 + NADPH + H+ = D- 半 乳糖 醇 + NADPt 双 糖 及 其 它 糖苷 的 生物 合成 在 一 些 植物 , 例如 甘蔗 中 , 芒 糖 是 由 葡萄 糖 及 果糖 通过 以 下 一 系列 的 反应 形成 的 ， 此 反应 利用 UDP-D- 葡 葡 糖 作为 中 间 产 物 : 己 糖 激酶 ATP + 葡 葡 粮 #25 8 6- 磷 酸 + ADP 葡 糖 磷酸 变 位 酶 葡 糖 -6- 磷 酸 二 -一 葡 糖 -1= 磷 酸 ig el UTP + #-1-pym REPRESS UDP_ 葡 萄 精 + pp, ATP 十 果糖 Oe pees + ADP UDP-# 448 + 果 精 -6- 磷 酸 HBBESER Upp 十 蔗糖 -6 磷酸 蔗糖 -6 磷酸 十 H,0 MESES sere 十 Pi 总 括 以 上 反应 得 : 2ATP + UTP 十 葡萄 糖 + 果糖 一 > 蔗糖 十 2ADP 十 UDP + PP; 十 Pi 如 果 所 生成 的 焦 磷 酸 水 解 成 为 P, 则 总 反应 式 为 2 ATP + UTP 十 葡萄糖 + 果糖 .一 > 蔗糖 十 2ADP + UDP + 3P; » ACR RD AMAR IER AG’ 约 为 一 5.5 于 卡 / 克 分 子 ) 需 要 三 个 高 能 磷酸 键 。 所 以 从 葡萄 糖 和 果糖 合成 蔗糖 的 总 反应 是 不 大 可 逆 的 。 推 测 这 组 反应 的 强 放 能 性 质 ， 使 甘蔗 可 从 很 稀 的 单 糖 前 身 物 形成 一 种 含有 高 浓度 的 蔗糖 汁 。 在 其 它 的 植物 中 ,蔗糖 是 通过 利用 果糖 ,而 不 是 利用 果糖 -6- 磷 酸 作为 葡 糖 基 受 体 的 一 种 反应 而 形成 的 : UDP- 葡 萄 糖 十 果糖 RBSES Upp + pe 某 些 细菌 含有 蔗糖 磷酸 化 酶 可 催化 下 列 可 逆反 应 蔗糖 十 Pi = 葵 糖 -1- 磷 酸 十 果糖 在 细胞 内 条 件 下 ,此 反应 通常 催化 蔗糖 的 分 解 。 在 乳腺 中 ,乳糖 这 种 双 糖 是 由 D- 葡 萄 糖 及 UDP- 半 乳糖 通过 两 种 酶 蛋白 质 的 作用 而 。 563° 生成 的 。 这 两 种 酶 蛋白 质 共 同 组 成 乳糖 合成 酶 系统 。 第 一 种 ,蛋白 质 A, 存在 于 乳腺 中 ; 也 存在 于 肝脏 及 小 肠 中 , 催化 一 种 在 UDP- 半 乳糖 与 多 种 受 体 ,特别 是 与 N= 乙 酰 -=D= 葡 糖 胺 之 间 的 反应 ; UDP- 半 乳糖 十 N- 乙 酰 =D- 葡 糖 胺 一 > UDP 十 -乙酰 乳糖 胺 因为 蛋白 质 A 对 D-H Ky 值 很 高 ,， 当 D- 葡 萄 糖 作为 受 体 时 , 单 有 蛋白 质 友 仅 有 微 弱 的 作用 。 第 二 种 成 分 ,蛋白 质 By 长 时 间 以 来 通称 为 乳汁 的 “- 乳 清 蛋 白 ; 它 本 身 并 无 催 化 活性 。 已 发 现 这 种 蛋白 质 能 显著 地 降低 蛋白 质 A 对 D- 葡 萄 糖 的 KKw (A, Alt, 酶 将 利 用 D- 葡 萄 糖 优先 于 N-= 乙 酰 -D- 葡 糖 胺 作为 半 乳 糖 受 体 ， 使 产生 乳糖 而 不 是 N- 乙 本 有 糖 胺 : UDP- 半 乳糖 + D- 葡 萄 糖 一 > UDP + 乳糖 x- 乳 清 蛋 白 在 另 一 方面 也 值得 注意 : 即 其 氨基 酸 顺 序 与 盗 菌 酶 的 是 极为 相似 。 这 是 AHR. L. Hill 和 他 的 同 工 作 者 发 现 的 5 糖 原 和 演 粉 的 合成 以 及 核 苷 二 磷酸 糖 类 的 作用 从 葡 糖 6- 磷 酸 到 生成 贮备 于 动物 中 的 聚合 糖 原 及 高 等 植物 中 的 淀粉 ,经 历 一 个 很 繁 忙 的 生物 合成 途径 。 此 途径 开始 是 在 磷酸 葡萄 糖 变 位 酶 的 催化 下 将 葡 糖 6- 磷 酸 转变 为 葡 糖 1- 磷 酸 : 葡 糖 -6- 磷 酸 = 区 糖 =1- 磷 酸 我 们 已 知 葡 糖 -1- 磷 酸 是 糖 原 降 解 酶 即位 酸化 酶 的 作用 产物 。 曾 一 度 认 为 糖 原 磷酸 化 酶 对 糖 原 的 合成 及 降解 均 有 催化 作用 ,因为 在 体外 磷酸 化 酶 反应 是 容易 逆转 的 。 然 而 ,在 细 胞 内 的 条 件 下 , 糖 原 磷 酸化 酶 仅 能 催化 糖 原 的 分 解 o; 为 了 将 葡 糖 -1- 磷 酸 转 变 为 糖 原 , 一 种 不 同 的 酶 参与 了 作用 。 EAA UDP- 和 葡萄 糖 作为 葡 糖 基 供 体 。 在 动物 体 中 糖 原 合成 的 第 一 步 是 由 葡 糖 -1- 磷 酸 尿 苦 酰 转移 酶 催化 的 : a-D-j = 1-BEES + UTP —= UDP-D-@ 48 + PP; UDP-D- 葡 萄 糖 的 结构 如 图 23 一 12 所 示 。 HEB LY, UDP-D- 葡 萄 糖 的 葡 糖 基 被 转移 到 一 条 直 链 淀粉 链 上 的 非 还 原 性 末端 的 最 后 一 个 葡萄 糖 残 基 上 ， 在 加 上 去 的 葡 糖 基 的 第 一 个 碳 原 子 与 链 的 最 后 一 个 葡萄 糖 残 基 的 4- 羟基 之 间 形 成 一 个 od > 4) Bee. HR 应 是 由 糖 原 合 成 酶 所 催化 的 。 13 UDP-D- 葡 萄 糖 + CHB)» o> UDP at CEH oes 此 反应 步骤 的 .Acr 约 为 一 3.2 se ae 从 葡 糖 1- 磷酸 开始 ,并 假定 无 机 焦 磷 酸 被 完全 水 解 , 插 入 一 个 葡萄 糖 残 基 的 总 AGC% 约 为 一 10 千 卡 / 克 分 子 。 因 此 总 平衡 极 有 利于 糖 原 的 合成 。 糖 原 合 成 酶 需要 一 条 至 少 有 四 个 葡萄 糖 残 基 的 x(1 一 4) 多 聚 葡萄 糖 链 作为 引物 ;将 葡 糖 基 相 继 地 加 到 此 引物 上 ; 然而 当 用 长 链 的 葡萄 糖 聚合 物 ， 例 如 直 链 淀粉 作为 引物 时 ， 此 酶 最 活跃。 在 高 等 动物 体 中 UDP- 葡 葡 糖 是 最 活跃 的 葡 糖 基 供 体 ; ADP- 葡 萄 糖 只 有 其 活性 的 约 50 移 。 然 而 ,在 一 些 低 等 生物 体 中 ,ADP- 葡 萄 糖 是 糖 原 合成 酶 的 优先 作用 底 物 。 哺乳 动物 肝 胜 和 肌肉 的 糖 原 合成 酶 含有 4 个 亚 基 ,其 总 分 子 量 约 为 360,000。 此 酶 通常 与 细胞 内 的 糖 原 颗 粒 相伴 存 。 se。 564。 糖 原 合成 酶 不 能 制造 糖 原 分 支点 上 出 现 的 <(1 一 6) 键 。 然 而 ,在 许多 动物 组 织 中 有 二 种 1,4-x 葡 聚 糖分 支 酶 能 催化 一 个 具有 6 个 或 7 个 葡 糖 残 基 的 末端 低 聚 糖 碎片 ， 从 糖 原 主 链 的 未 端 至 同一 个 或 另 二 个 糖 原 链 上 的 一 个 葡 葡 糖 残 基 的 6- 羟 基 土 的 转移 。 以 这 样 的 方式 形成 一 个 <(1 > 6) 键 , 并 由 此 创造 一 个 新 的 分 支点 《图 23-16) 在 人 类 中 有 几 种 糖 原 代 谢 的 遗传 性 混乱 已 被 认识 ， 在 这 类 疾病 中 ,特别 是 在 肝脏 中 * 有 异常 大 量 的 糖 原 积 聚 。 对 用 外 科 活 组 织 检查 得 到 的 小 块 组 织 样品 进行 化 验 已 查 出 这 类 病人 具有 遗传 性 缺陷 的 酶 类 s 在 这 类 疾病 中 有 一 种 von Gierke 氏 病 ， 其 葡萄 糖 -6- 磷 酸 酶 的 活性 有 缺损 。 在 Andersen 氏 病 中 ， 分 支 酶 有 缺损 , 且 糖 原 有 异常 长 的 且 不 分 支 的 链 。 在 McArdle 氏 病 中 ， 肌 糖 原 磷 酸化 酶 有 缺损 ， 引 起 肌肉 中 有 过 量 的 糖 原 沉积 。 在 Cori 氏 病 中 ,缺少 脱 分 支 酶 在 植物 和 一 些 细菌 中 ， 淀 粉 是 由 二 种 淀粉 合成 酶 催化 的 与 糖 原 的 合成 相似 的 途径 所 合成 的 。 但 是 在 许多 植物 中 ，, BIE 跃 的 葡萄 糖 供 体 是 ADP- 葡 萄 糖 ， 而 不 是 UDP- 葡 萄 糖 。 其 作 用 顺序 为 : ATP + o-D- 葡 萄 糖 -1- 磷 酸 =~ADP- 葡 葡 糖 + PP; ADP-ATHER + CHEIRE), —> ADP + CHERUB) ” 这些 反 应 的 最 初步 骤 是 由 葡 糖 1- 磷 酸 腺 苷 酰基 转移 酶 催化 的 。 这 种 变 构 酶 是 由 CO, 光合 还 原 的 早期 产物 3- 磷 酸 甘 油 酸 及 果糖 -1;,6- 二 磷酸 所 激活 的 。 糖 原 合 成 和 断裂 的 调节 一 糖 原 合 成 酶 , 象 糖 原 磷 酸化 酶 一 样 , 是 通过 变 构 的 和 共 价 的 修饰 两 者 而 受到 调节 。 糖 原 合 成 酶 以 两 种 型 式 存在 -磷酸 化 型 本 身 是 无 活性 的 ,然而 此 型 能 被 变 构 调节 剂 葡 糖 -6- 磷 酸 的 存在 所 激活 ， 因此 称 为 D 型 或 依赖 型 此 D 型 酶 中 的 磷酸 基 团 受 磷酸 蛋白 质 磷酸 酶 的 作用 生成 脱 磷酸 型 或 活化 型 的 糖 原 合成 酶 。 此 型 并 不 需要 葡萄 -6- 磷 酸 ,因此 被 称 为 I 型 或 独 23-16 $i 1, 4-a-A 糖分 支 酶 作用 5 形成 一 个 分 支 。 立 型 。 糖 原 合 成 酶 的 脱 磷 酸化 作用 本 身 能 被 糖 原 一 一 一 种 阴性 变 构 调节 剂 所 抑制 。 I 型 糖 原 合成 蓝 可 被 蛋白 激酶 钝 化 ;此 酶 能 消耗 ATP 而 使 几 种 不 同 的 蛋白 质 磷 酸化 。 前 已 述 及 的 一 个 例子 是 使 磷酸 化 酶 激酶 的 无 活性 型 激活 。 其 他 的 例子 已 在 别处 描述 s 蛋白 激酶 依次 又 被 坏 腺 昔 酸 变 构 地 活化 。 环 腺 苷 酸 的 形成 是 由 于 某 些 激素 ， 例 如 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 , 与 在 细胞 膜 上 特殊 的 受 体 部 位 结合 的 结果 。 虽然 在 糖 原 合 成 酶 的 有 活性 型 和 无 活性 型 之 间 通 过 加 上 或 失去 磷酸 基 团 而 相互 转变 的 作用 ,与 糖 原 磷酸 化 酶 的 情况 相似 ,但 糖 原 合成 酶 调节 循环 的 净 效 果 与 糖 原 磷酸 化 酶 的 正 相 反 ， 如 图 23 一 17 所 示 。 请 回忆 磷酸 化 酶 鸣 此 酶 的 磷酸 化 型 是 很 活跃 的 ， 而 脱 磷酸 % 363。 型 , 即 磷酸 化 酶 b 则 无 活性 除非 AMP( 这 是 一 种 阳性 变 构 调节 剂 ) 存 在 时 则 例外 。 磷酸 化 酶 a 被 磷酸 化 酶 磷酸 酶 脱 磷酸 ,结果 生成 磷酸 化 酶 b, 后 者 被 磷酸 化 酶 激酶 再 磷酸 化 成 为 活性 型 。 此 酶 也 存在 有 活性 型 和 无 活性 型 ， 或 者 说 磷酸 化 型 和 脱 磷酸 型 。 无 活性 型 通过 蛋白 激 酶 的 作用 被 ATP 所 激活 。 和 蛋白 激酶 也 可 直接 磷酸 化 糖 原 合成 酶 使 其 失 活 6 肌肉 肝脏 主要 的 情况 糖 原 生成 糖 原 转变 为 血 葡 萄 糖 高 能 量 负荷 {ARE ax £2 fer 可 得 到 的 充足 燃料 所 需要 的 燃料 磷酸 和 蛋白 质 磁 酸 酶 糖 原 合成 酶 (ID) 糖 原 合成 酶 (D) Cire Wa RR BD; 7 HED : CRB (CA; LIS tHE) ATP | ADP SE ATE 6- 磷酸 2 HE RIS 有 活性 的 蛋白 激酶 | 通过 腺 昔 酸 环 化 酶 和 | | ecAwMP 受 内 分 沁 调 节 | ATP | ADP 陪 磷酸 的 硫酸 化 了 的 RCS BERG LS AS (无 活性 ) BREAK (C 有 活性 ) RR eB ok Wa (AE HE) TRL b : 磷酸 化 酶 a ( 脱 磷 酸 的 ;无 活性 ) (磷酸 化 的 ;有 活性 ) ! L snems | A23-17 在 哺乳 动物 的 肝脏 和 肌肉 中 > 糖 原 合 成 和 分 解 的 变 构 性 和 共 价 性 调节 的 总 结 。 RR 环 化 酶 cAMP、 和 蛋白 激酶 和 激素 及 激素 受 体 均 在 别处 描述 过 。 糖 原 的 合成 和 利用 的 调节 是 与 糖 酵 解 作用 和 三 羧 酸 循环 的 调节 机 制 紧 密 衔接 的 。 以 高 浓度 的 葡 糖 -6- 磷 酸 反映 出 的 葡萄 糖 过 量 或 者 以 一 种 高 能 荷 反映 出 的 其 他 燃料 供应 充 足 , 趋 向 于 打开 糖 原 合 成 酶 而 关闭 糖 原 磷 酸化 酶 ,结果 在 肝 胜 和 肌肉 中 引起 以 糖 原形 式 贮 存 葡 萄 糖 。 相 反 地 ,如 在 肌肉 工作 时 , 由 于 能 荷 低 而 需要 燃料 时 ,或 者 当 血 葡萄 糖 浓度 低 ， 糖 原 磷 酸化 酶 被 激活 和 糖 原 合成 酶 被 抑制 时 ;这 样 就 引起 肝 糖 原 分 解 产 生 血 葡萄 糖 , 和 肌 糖 原 分 解 产生 葡 糖 -6- 磷 酸 作为 酵 解 作用 的 燃料 。 在 这 些 糖 原 合 成 酶 和 糖 原 磷酸 化 酶 (这些 酶 反映 葡 糖 -6- 磷 酸 和 能 荷 的 水 平 ) 的 控制 作用 之 上 ,还 有 另 一 套 控制 作用 涉及 激素 特别 是 肾上腺 素 , 高 血糖 素 和 胰岛 素 的 调节 ， 它 ° 566° 们 的 效应 是 由 UDP + [8(1 > 4)-N-Z.B SB 延长 的 甲壳 质 链 动 物 存在 于 动物 组 织 的 细胞 间 险 和 在 动物 细胞 的 柔韧 的 外 膜 中 的 各 种 不 同类 型 的 多 糖 均 已 在 别处 描述 。 透 明 质 酸 ,这 一 最 简单 的 粘 多 糖 是 细胞 间 的 基本 物质 或 细胞 间 的 -填充 物 ” 的 主要 成 分 .透明 质 酸 是 由 D- 葡 糖 醛 酸 和 N- 乙 酰 葡 糖 胺 残 基 交 替 组 成 的 ; 它 是 通过 UDP- 葡 糖 醛 酸 及 UDP-N- 乙 酰 葡 糖 胺 在 链 的 增长 未 端 进行 连续 的 交替 反应 而 形成 的 ， 与 同 多 糖 类 生成 的 方式 相似 。 软 骨 素 ,皮肤 素 和 硫酸 角质 素 亦 均 通 过 类 似 的 方式 形成 。 然 而 ,这 些 酸性 粘 多 糖 类 通常 以 共 价 与 多 肽 链 相 联 ( 连 ) 系 成 为 糖 蛋白 或 蛋白 质 - 多 糖 类 。 虽 然 这 些 糖 蛋白 的 结构 和 生物 合成 是 极为 复杂 的 。 但 其 主要 酶 促 反 应 的 某 些 步骤 已 在 A. Dorfman, S. Roseman, R. Jeanlozi E. C. Heath 和 其 他 研究 者 的 实验 室 中 做 出 来 了 。 动物 细胞 外 膜 的 糖 蛋白 含有 许多 低 聚 糖 基 团 ， 与 它们 多 肽 链 上 的 天 冬 酰 胺 ,丝氨酸 ， 苏 氮 酸 或 羟基 赖 氨 酸 以 赤 价 相连 。 现 认为 这 些 低 聚 糖 基 团 的 一 部 份 是 在 细胞 内 ,在 高 尔 基 体 中 制造 的 ;一 部 份 是 在 细胞 膜 外 面 制造 的 。 低 聚 糖 侧 链 的 合成 是 在 高 尔 基 膜 处 开始 ,这 是 通过 D- 半 乳糖 D- 葡 葡 糖 ， 或 D- 木 糖 的 DNP 衍生 物 的 作用 将 蛋白 质 的 氨基 酸 残 基 糖 rae 基 化 作用 而 进行 的 。 不 同 的 单 糖 残 基 连 续 加 上 去 ， 以 一 种 专 dcr, 一 的 顺序 来 延伸 低 聚 糖 侧 链 。 这 顺序 是 由 糖 基 转 移 酶 的 活性 ci PO RLEOE— EER ERI ERR EER BER RE YE AHO cH, SAMICK, (AH ee Hl A CH 接 加 到 生长 着 的 低 聚 糖 的 侧 链 上 去 的 。 Leloir 及 其 同事 们 已 as 证 明 这 些 动物 组 织 的 脂 类 中 间 产 物 是 长 链 的 、 不 饱和 的 类 异 i 戊 二 烯 醇 类 (类 异 戊 二 烯 醇 ), 被 称 为 多 蓝 醇 , 它 含有 16 到 21 | 5 MARKO A hr, AA 84 个 碳 原子 长 (图 ,23 一 19)。 多 莫 醇 以 游离 的 或 磷酸 化 的 形式 (多 熙 醇 磷 酸 ) 存 在 于 肉质 网 和 高 尔 基体 的 膜 中 ,但 不 存在 于 线粒体 膜 或 原生 质 膜 中 。 在 下 列 反应 中 ， 多 莫 醇 磷酸 消耗 了 核 苷 二 磷酸 糖 而 被 糖 基 化 : 由 ZWEI MR + CDP- 甘 露 糖 一 > 多 墓 醇 磷酸 甘露 糖 十 CDP o=P-0- 然后 甘露 糖 残 基 被 转移 到 糖 蛋白 的 生长 着 的 低 聚 糖 侧 链 的 未 O- vig LK: 23-19 多 莫 醇 磷酸 多 贴 醇 磷 酸 甘 露 糖 十 低 聚 糖 一 > 多 若 醇 磷酸 十 延伸 的 低 聚 糖 ¢ 568 « 维 生 A 或 称 视 黄 醇 , 它 们 的 磷酸 盐 或 焦 磷 酸 盐 ,在 相似 的 反应 中 似乎 也 可 以 起 运 糖 的 各 类 中 间 产 物 的 作用 。 用 作 动物 细胞 外 膜 神经 节 苦 脂 及 糖 蛋白 的 低 聚 糖 链 的 末端 残 基 的 唾液 酸 或 N- 酰 基 神经 氨 酸 是 由 葡 糖 胺 衍生 而 来 的 。 下 面 的 反应 顺序 表示 N- 乙 酰 神 经 氨 酸 的 生成 : 五 基 葡 糖 氨 2-32 a UDP-N- 乙 酰 葡 糖 胺 + HO ——————_——> N-Z. RHE BK + UDP N-Z. eH RE 上 ATP OCR NZ 乙酰 甘露 糖 胶 6- 磷 酸 十 ADP N -之 酰 甘露 糖 胺 6- 磷 酸 十 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 SREBBRE RRS N- 乙 酰 神经 氨 酸 ,9- 磷 酸 十 Pi N- 艺 酰 神经 氨 酸 9- 磷 酸 十 Ho VBEBARE RRS N- 乙 酰 神经 氨 酸 十 Pi N- 乙 酰 神经 氨 酸 〈 缩 写 为 NANA) 被 制备 出 来 为 与 低 聚 糖 和 多 糖 进 行 反应 以 形成 CMP 的 衍生 物 : CTP + N-CRHAAR - CMP-N- 乙 酰 神 经 氮 酸 十 PPi 然后 此 反应 产物 (缩写 为 CMP-NANA) ,通过 唾液 酰 转 移 酶 的 作用 ,成 为 将 它 的 NANA 残 基 转 移 至 糖 蛋白 侧 链 的 末端 糖 残 基 上 的 供 体 ,并 释放 出 游离 的 CMP : 2 CMP-NANA + —X—X—X—22 3) 9 SZE@RER CMP 十 -XXX 灶 可 糖 JNANA | 唾液 酰 低 聚 糖 酰基 神经 氨 酸 胞 苷 酸 转移 酶 一 人 类 中 有 许多 遗传 性 疾病 称 为 粘 多 糖 过 多 症 类 ， 患 者 有 某 些 粘 多 糖 类 过 量 地 积聚 在 组 织 中 。 骨 质 缺 损 和 严重 的 智力 迟钝 是 主要 的 症状 。 问 题 是 : 这 些 粘 多 糖 类 的 过 量 沉 积 究竟 是 由 于 异常 的 高 速 合成 呢 ， 还 是 由 于 异常 的 低速 率 分 解 的 结果 。; 对 于 粘 多 糖 代谢 的 复杂 的 生物 合成 的 和 降解 途径 进行 了 深入 的 研究 ， 已 得 知 这 些 混 乱 可 能 是 由 于 为 各 种 不 同 的 粘 多 糖 降解 作用 亡 需 的 专 一 的 水 解 酶 类 有 遗传 性 缺乏 之 故 。 在 Hurler 病 或 称 为 脂肪 软骨 和 营养 不 恨 的 情况 ,最 明显 的 异常 是 奇异 的 面容 , 骨 缺 损 , 智 力 迟 钝 ,腹部 膨大 和 角膜 混 省 。 过 量 的 硫酸 皮肤 素 和 硫酸 乙酰 肝素 沉积 于 结缔 组 织 细胞 中 和 积聚 于 肝脏 的 高 尔 基 圳 体 和 溶 酶 体 中 。 已 发 现 ,催化 这 些 粘 多 糖 降解 作用 的 一 个 主要 步骤 的 水 解 酶 wc-L- 艾 杜 糖 醛 酸 酶 缺乏 。 Hunter 氏 病 与 Hurler 氏 病 相似 , 但 在 遗传 上 不 同 , 硫 酸 皮 肤 素 及 硫酸 乙酰 肝素 也 积 缀 ,显然 是 由 于 遗传 性 地 缺少 一 种 专 一 的 硫酸 酯 酶 。 另 一 型 缺少 硫酸 酯 酶 的 疾病 为 A 型 Sanfilippo 综合 症 。 在 此 症 中 硫酸 乙酰 肝素 积聚 。 所 有 这 三 种 疾病 中 似乎 6- 半 乳糖 昔 酶 部 较 少 或 缺 如 。 细菌 的 细胞 壁 细菌 的 细胞 壁 聚 合 物 的 生物 合成 吸引 了 许多 研究 者 ， 这 不 仅 由 于 这 些 聚 合 物 的 结构 * 569 « 复杂 ,并 且 因为 青霉素 和 其 他 抗菌 素 抑制 细菌 中 细胞 壁 的 生物 合成 。 细菌 细胞 壁 的 肽 聚 糖 或 胞 壁 质 已 在 第 十 章 以 及 前 面 描述 过 。 如 J. L. Strominger 和 其 他 研究 者 们 的 研究 所 揭示 的 那样 ,此 物 的 合成 是 通过 3 个 主要 阶段 。 些 过程 以 简略 的 图 AZ» (A 23-20) | UDP-N- Z Wena RE BB N- 乙 酰 葡 糖 氨 1- 确 酸 He pa Up fe BARE — SEU -N-Z EE UDP-N-Z, "ae {am wa UDP eile ag EOE cate + — Se R-N-ZME OEE Saas -6(4 > 1)-N-Z BAG HH 甘 氨 酰 -tRNA(5) ， NADP* (5 个 连续 步骤 ) sas) | p+ 胞 二 -N- 乙 酰 -胸壁 酰 五 肘 = | ‘ ATP 第 一 阶段 L- FAR -8(4 > 1)-N-Z Re AGH I ADP 带 有 五 廿 氨 酸 侧 链 D- 4m _|- ATP et — EAE on 异 戊 酸 i REM L- 赖 氨 酸 ~ 一 人 下 单位 而 延伸 ABE BEER | UDP-N- 乙 酰 胞 壁 酰 三 肽 s AOE RY mill 第 三 阶段 Sopra D- 丙 氨 酰 | 一 ATP D- FAA app 带 有 交 联 的 新 双 糖 UDP-N- 乙 栈 胞 壁 酰 五 肽 单位 的 肽 聚 糖 图 23-20 细菌 细胞 壁 的 肽 聚 糖 生物 合成 的 步骤 。 三 个 阶段 都 在 文 内 令 述 。 在 第 一 阶段 , N- 乙 酰 胞 壁 酰 五 肽 , 这 种 在 骨架 结构 中 反复 出 现 的 单位 ， 是 以 其 UDP 衍生 物 的 形式 (图 23-21), MERI Sy N- 乙 酰 葡 糖 胺 ， 磷 酸 烯 醇 丙酮 酸 和 五 个 氨基 琶 单位 合成 的 。 第 一 阶段 的 最 后 的 步骤 是 二 肽 D- 丙 氨 酰 丙 氨 酸 加 到 反复 出 现 的 糖 单位 的 三 肽 侧 链 上 去 。 这 个 二 肽 是 由 以 下 反应 形成 的 2D- AB 十 ATP —> D- 丙 氨 酰 -D- 内 氮 酸 + ADP 十 Pi 此 反应 值得 注意 ,因为 它 能 被 抗生素 环 丝氨酸 (图 23-22) 所 抑制 , 环 丝氨酸 是 丙 氨 酸 的 结 构 类 似 物 ,在 酶 促 反 应 中 可 能 与 丙 氨 酸 竞争 。 到 此 为 止 ,所 有 的 反应 都 是 在 细胞 内 进行 的 在 膜 中 进行 的 第 二 阶段 中 ,完整 的 N 忆 酰 胞 壁 酰 五 肽 由 酶 促 作 用 首先 从 UDP 转移 至 与 膜 结合 的 脂 类 中 间 产 物 磷酸 十 一 异 成 燃 上 去 (图 23-23)。 其 烃 链 的 非 极 性 未 端 埋 藏 在 细胞 膜 的 类 脂 部 分 之 中 ， 而 其 极 性 未 端 则 携带 单 糖 单位 。 现 在 将 另 一 由 UDP-N- 乙 酰 葡 糖 胺 供给 的 单 糖 单位 即 N- 乙 酰 葡 糖 胺 加 到 CMW BE+— FU LW N- 乙 酰 胞 壁 酰 五 肽 上去， 生成 反复 出 现 的 肽 聚 糖 骨架 的 双 ee 570 。 ie Coo (CH,), CH, as Sinan Sanaa eas cane ne Xa OH LPR D- SHB L- 赖 氨 酸 。。 D- 丙 氨 酸 。。 D- 丙 灸 酸 图 23-21 UDP-N- 乙 酰 胞 壁 酰 五 肽 ， 注意 在 D- 谷 氨 酸 残 基 中 的 了 肽 键 。 CH, ce, de cu, ou, rope dis o-c NH cH, H—C —NH, pee F H.C : cH, D- 环 丝氨酸 da O—C—OH ca H_¢_NH, li CH, da) Sat D- 丙 氨 酸 23-22”D- 环 丝氨酸 ,一 种 抑制 D- 丙 氨 酰 -D- 23-23 ”磷酸 十 一 异 成 烯 。 十 一 异 成 丙 氨 酸 形成 的 抗菌 素 在 此 抗菌 素 中 和 D- 丙 氨 酸 烯 醇 有 11 个 异 成 二 烯 单位 ,而 多 落 醇 中 相似 的 结构 以 黑体 表示 。 (图 23-18) 则 有 20 个 单位 。 糖 ， 即 N- 乙 酰 胞 壁 酰 五 肽 -6-(4 一 1)-N- 乙 酰 葡 糖 胺 , 附着 在 磷酸 十 一 异 成 烽 上 。 然后 将 短 的 交 联 肽 链 加 在 双 糖 上 。 交 联 肽 的 长 度 及 其 毛 基 酸 的 组 分 随 细 菌 的 种 不 同 而 异 ; 如 在 金黄 色 葡 萄 球菌 (Sieppylococcrxs aureus), IbHEAHAR. 完整 的 双 糖 单位 与 它 的 交 Ke, 马上 转移 至 肽 聚 糖 聚 合 物 的 生长 末端 。 于 是 十 一 异 戊 烯 以 其 焦 磷 酸 盐 的 形式 脱离 下 来 。 此 物 可 通过 酶 水 解 作 用 而 再 生成 正 磷酸 西 。 后 一 反应 可 被 环 状 肽 杆菌 肽 所 抑制 ， 这 是 一 种 来 自 地 衣 型 芽 胞 杆菌 〈Beucz11zr licheniformis) 的 抗生素 。 细胞 壁 合成 的 最 后 阶段 (第 三 )， 在 平行 的 肽 聚 糖 链 之 间 的 交 联 键 是 通过 转 肽 反应 而 建立 的 。 在 此 反应 中 ， 一 个 邻近 的 肽 聚 糖 链 中 N- 乙 酰 胞 壁 酰 五 肽 残 基 的 五 肽 侧 链 末 端 的 羧基 -末端 D- 丙 氨基 酸 被 交 联 链 的 氨基 末端 甘氨酸 残 基 所 置换 (图 23-24); 正 是 这 个 反应 能 被 青霉素 (图 23-25) 所 抑制 。 Alt, 在 细菌 细胞 已 经 为 生物 合成 投 大 很 大 力量 以 后 ,青霉素 就 这 样 于 最 后 阶段 阻 抑 了 细胞 壁 合成 作用 的 完成 。 通过 在 五 肽 侧 链 和 交 联 链 上 的 双 糖 单位 的 反复 增加 ,随后 又 通过 交 联 作用 ;整个 细 落 。 571。 残 基 i HH at BN 机 - 甘 - 甘 -- - 丙 dae dj / | RS DA 23-2 te SK HRKG) 已 知 有 许多 图 23-24 “在 细菌 的 细胞 壁 中 ;两 个 邻近 的 肽 聚 糖 链 之 ARH BK, CME R- 基 的 结构 上 不 同 。 青 间 的 交 联 键 的 完成 。 此 反应 能 被 青霉素 所 阻 抑 。 霉 素 G 是 在 医疗 上 应 用 最 广 的 。 细胞 被 单个 的 、 巨 大 的 圳 状 肽 聚 糖分 子 所 围 终 。 有 些 细 菌 通 过 这 样 的 方式 建成 几 层 肽 到 糖 。 在 一 些 革 兰 氏 阳 性 细菌 中 , 细胞 壁 的 坚硬 肽 聚 糖 构架 由 一 层 磷 壁 酸 质 履 盖 。 此 酸 的 支架 结构 是 通过 磷 壁 酸 质 合成 酶 的 作用 ,由 CDP- 核 糖 醇 或 CDP= 甘 油 前 身 物 合成 的 。 然 后 从 UDP 衍生 物 将 糖 侧 链 引 进 到 磷 壁 酸 质 链 中 去 。 在 革 兰 氏 阴 性 有 机 体 中 , 例如 大 肠 杆菌 , 这 种 肽 聚 糖 构架 是 由 一 种 复杂 的 多 聚 脂 多 糖 所 包围 。 虽 然 关 于 这 种 极 复杂 的 聚合 物 的 生物 合成 的 详细 情况 不 能 在 此 尽 述 ， 但 从 许多 实验 室 的 最 近 研 究 中 , 现 已 获知 其 主要 合成 阶段 。 摘 要 在 从 非 糖 前 身 物 生 物 合成 大 多 数 的 糖 类 中 , 其 主要 共同 途径 是 从 丙酮 酸 至 葡 糖 6- 磷 酸 的 途径 ， 酵 解 作 用 中 大 多 数 可 逆反 应 均 可 在 生物 合成 方向 中 被 利用 。 然 而 酵 解 作用 的 两 个 不 可 逆反 应 ， 则 由 能 量 上 说 来 有 利于 合成 作用 的 旁 路 反应 所 代替 。 首 先 丙酮 酸 通过 线粒体 内 的 顺序 转变 为 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 丙酮 酸 + CO, 全 > 草 酰 乙酸 一 > 苹果 酸 然后 通过 胞 质 内 顺序 : 苹果 酸 一 _> 草 酰 乙酸 一 > 磷酸 烯 醇 两 酮 酸 + CO, 第 二 个 旁 路 是 通过 已 糖 二 磷酸 酶 的 作用 ,将 果糖 1.6, 二 磷酸 水 解 成 为 果糖 -6- 磷 酸 5 在 这 个 主要 途径 中 从 丙酮 酸 生 成 葡 糖 6- 磷 酸 被 葡 精 -6- 磷 酸 酶 所 作用 脱 去 磷酸 而 生成 游离 的 葡萄 糖 。 糖 原 异 生 作 用 的 速度 主要 由 顺序 的 第 一 个 反应 〈 丙 酮 酸 凑 化 酶 ) 所 调节, 其 次 由 己 糖 二 磷酸 酶 所 调节 。 酵 解 作用 和 糖 原 异 生 作用 的 调节 都 是 独立 的 ;它们 可 同时 发 生 , 从 e372 ° ifn AT AE Ae 4 Fe BIA, RAT ATP 能 量 。 乳酸 和 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 能 净 转 变 为 葡萄 糖 ,， 生 糖 原 氨 基 酸 也 能 如 此 。 另 一 方 面 ,在 动物 组 织 中 , 乙酰 辅酶 A 和 CO, 都 不 能 净 转 变 为 葡萄 糖 。 然 而 ,在 植物 和 微生物 中 ， 乙酰 辅酶 A 通 过 乙 醛 酸 循环 作用 可 转变 为 葡萄 糖 。 在 大 多 数 温 带 植物 的 光合 作用 中 ,CO; 通过 从 核 酮 糖 1,5- 二 磷酸 生成 3- 磷 酸 甘 铀 酸 的 暗 反应 得 以 进入 葡萄 糖 的 碳 骨 架 中 去 ,这 称 为 Cs 途径 。 在 消耗 了 光 反 应 中 生成 的 ATP 和 NADPH Ja, 通过 Calvin 循环 的 作用 ,六 分 子 的 CO, 能 最 终 转 变 为 葡萄 糖 ， 此 循环 包括 磷酸 葡 糖 酸 途 径 和 酵 解 途径 。 在 一 些 热 带 植物 \C4 植物 ) 中 ,CO; 最 初 在 叶肉 细胞 中 被 固 EA C, 酸 ， 此 酸 随 后 被 转送 到 维 管束 靖 细 胞 中 并 脱 去 羧基 ，CO; 又 通过 Cs 途径 再 被 固 定 。 Cs 植物 显示 出 大 量 的 光 呼 吸 作用 , 这 是 由 氧 与 核 酮 糖 二 磷酸 , 而 不 是 由 CO, SEF 用 所 生成 的 产 基 乙酸 的 氧化 作用 。 C4 植物 的 光 呼 吸 作 用 很 不 活跃 ;在 净 光 合作 用 中 它们 BEC; 植物 的 效率 高 得 多 。 核 苦 二 磷酸 糖 类 ,特别 是 尿 若 二 磷酸 衍生 物 , 是 其 它 单 糖 如 D- 半 乳糖 , 双 糖 如 蔗糖 和 乳糖 ， 以 及 各 种 多 糖 的 前 身 物 。 通 过 糖 原 合成 酶 的 作用 合成 糖 原 时 需要 尿 苷 二 磷酸 葡萄 糖 作为 葡萄 糖 供 体 。 糖 原 合成 酶 有 磷酸 化 型 或 称 D 型 ， 此 型 不 活跃 ,但 能 被 葡 糖 6- 磷 酸 稍 - 微 激 活 , 还 有 一 种 脱 磷酸 型 或 称 式 型 ， 此 型 极 活跃 , 并且 不 依赖 葡 糖 6- 磷 酸 作 为 调节 剂 。 D-H KR RE RARE FRAT BAS 工 型 则 可 被 蛋白 激酶 再 磷酸 化 。 蛋白 激酶 的 无 活性 型 通过 环 腺 苦 酸 的 作用 可 转变 为 活性 型 。 糖 原 磷 酸化 酶 和 糖 原 合成 酶 的 活力 在 肌肉 和 肝脏 中 独立 地 被 控制 。 核 苷 二 磷酸 糖 类 也 是 细胞 外 结构 多 糖 生物 合 成 的 葡 糖 基 供 体 。 植 物 细胞 壁 中 存在 的 纤维 素 和 木 聚 糖 ， 动 物 组 织 中 的 透明 质 酸 和 糖 蛋白 中 的 低 到 糖 侧 链 和 细 苦 细胞壁 的 肽 聚 糖 都 是 细胞 外 结构 多 糖 。 细 菌 细胞 壁 生物 合成 的 某 些 步骤 能 被 专 一 的 抗生素 所 抑制 。 例 如 ,青霉素 抑制 细胞 壁 肽 聚 糖 构架 生物 合成 中 的 最 后 的 交 联 反应 。 参 + 文献 书籍 Mehlman, M. 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J., 133: 63—81 (1973). 习题 1. 写 出 以 下 过 程 的 平衡 方程 式 : (a) 大 白鼠 肝脏 中 从 柠檬 酸 到 净 形 成 D- 葡 萄 糖 ， (b) 大 白鼠 肝脏 中 从 葵 丙 氨 酸 净 形 成 D- 葡 萄 糖 ， (c) 高 等 植物 种 子 中 棕榈 酸 净 转变 成 D- 葡 萄 糖 。 (d) 高 等 植物 中 工 - 亮 氢 酸 净 转 变 为 D- 葡 萄 糖 。 2. 3-*C-L- 亮 氮 酸 中 的 同位 素 碳 原 子 将 在 肝 糖 原 中 葡萄 糖 残 基 和 肝脏 磷脂 酰 胆 碱 的 棕榈 酸 的 哪个 碳 原子 中 发 现 ? 3. 写 出 从 丙酮 酸 开 始 到 合成 糖 原 的 一 个 D- 葡 萄 糖 残 基 的 平衡 方程 式 。 需要 多 少 个 高 能 磷酸 键 ? 4. 写 出 从 丙酮 酸 生 物 合成 [_ 抗 坏 血 酸 的 平衡 方程 式 。 5. 如 果 将 绿叶 在 有 放射 活性 的 CO, 存在 下 进行 短 时 间 光 照 ,随后 提取 之 。 你 预期 在 提取 液 中 发 现 的 以 下 化 合 物 中 哪个 位 置 土 能 找到 同位 素 碳 ? (a) D- 葡 糖 -6- 磷 酸 ; (b) 景 天 庚 酮 糖 -7- 磷 酸 ;(c) 核 糖 5- 磷 酸 。 假 定 我 们 所 涉及 的 是 一 种 Cs: 植物 。 (BATE STREAK) Te ARNE Sm 脂 类 的 生物 合成 在 大 多 数 有 机 体内 是 一 个 重要 的 代谢 过 程 o 由 于 高 等 动物 储存 多 糖 的 能 力 有 限 , 因 而 摄 人 的 葡萄 糖 , 在 满足 机 体 即 时 的 能 量 需 要 和 储存 能 力 后 , 多 余 的 部 分 就 通过 糖 酵 解 变 为 丙酮 酸 ， 再 变 为 可 以 合成 脂肪 酸 的 乙酰 CoAs 脂肪 酸 合成 后 又 进一步 变 为 三 酰基 甘油 。 后 者 所 含 能 量 比 多 糖 类 高 得 多 , 并 可 以 大 量 桂 存 于 脂肪 组 织 中 。 很 多 植物 的 种 子 和 果实 也 储存 有 三 酰基 甘油 。 HAN RH HEL RS SE A 和 精 脂 类 的 形成 也 是 一 个 重要 的 生物 合成 过 程 。 在 大 多 数 细 胞 中 ,这 些 复杂 的 脂 类 经 受 着 不 断 的 代谢 更 新 。 本 章 将 要 讨论 脂肪 酸 的 生物 合成 ， 三 酰基 甘油 以 及 其 他 各 种 含有 脂肪 酸 作 为 基本 构 成 材料 的 脂 类 的 形成 ， 同 时 也 要 讨论 某 些 可 以 遗传 的 脂 类 议 积 疾病 。 胆 固 醇和 其 他 类 回 醇 以 及 前 列 腺 素 的 合成 也 在 本 章 讨 论 之 列 。 虽 然 在 大 多 数 细胞 中 ， 类 固 醇 激素 和 前 列 腺 素 的 形成 只 吉 爹 部 生物 合成 能 力 的 一 小 部 分 ， 但 由 于 它们 在 调节 很 多 不 同 的 细胞 功能 中 具有 生物 活力 ,因而 他 们 的 生物 合成 就 成 为 一 种 很 重要 的 代谢 活动 。 饱和 脂肪 酸 的 生物 合成 饱和 脂肪 酸 从 其 直接 前 身 物 忆 酰 CoA 的 生物 合成 可 以 在 所 有 机 体内 进行 ， 但 在 高 等 动物 的 肝 忆 脂肪 组 织 和 乳腺 中 特别 显著 。 脂肪 酸 合成 过 程 与 其 相反 的 脂肪 酸 氧 化 过 程 最 然 不 同 。 首先 脂肪酸 合成 的 全 部 过 程 发 生 在 细胞 盗 质 中 ,而 脂肪 酸 氧 化 过 程 则 发 生 在 线粒体 肉 ? 其 次 ,要 使 脂肪 酸 合成 达到 最 大 速度 ,柠檬 酸 的 存在 是 必 不 可 少 的 ,而 脂肪 酸 氧 化 时 却 并 不 需要 柠檬 酸 。 也 许 最 出 人 意料 的 差别 是 , 在 细胞 提取 物 中 ,CO; 是 脂肪 酸 合成 时 所 必需 的 ,虽然 同位 素 标记 的 CO; 本 身 并 不 摊 人 新 合成 的 脂肪 酸 。 这 些 观察 和 其 他 很 多 观察 都 表明 ， 由 乙酰 CoA 合成 脂肪 酸 所 利用 的 一 组 酶 类 完全 不 同 于 脂肪 酸 氧化 时 所 用 BY BB EE is 28 0 -脂肪 酸 合成 的 全 部 反应 都 是 由 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 ( 在 细胞 盗 质 中 的 一 群 蛋白 质 , 共 七 个 ) 所 催化 的 。 在 这 整个 过 程 中 ， 由 糖 类 或 氨基 酸 来 源 所 产生 的 乙酰 CoA 是 脂肪 酸 链 所 有 碳 原 子 的 直接 前 身 物 。 但 是 ,在 生物 合成 棕榈 酸 所 需 的 八 个 乙酰 基 单 位 中 ,只 有 一 个 是 由 乙酰 CoA 供给 的 , 其 他 七 个 是 以 两 二 酰 CoA 的 形式 出 现 的 ;这 种 丙 二 酰 CoA' 是 在 一 种 羧 化 作用 反应 中 由 乙酰 CoA 和 HCOS 形成 的 。 一 个 乙酰 残 基 和 七 个 两 二 酰 残 基 连 续 缩合 而 释放 出 七 个 CO, 分 子 ,形成 棕榈 酸 ; NADPH 起 着 还 原作 用 : 乙酰 CoA 十 7 内 二 酰 CoA 十 14NADPH 十 14HT+ 一 一 > CH;(CCH2 ) ,COOH + 7CO, 十 8CoA 十 14NADP+ + 6H,O CARTE) 在 这 个 过 程 中 ,需要 一 分 子 的 乙酰 CoA 作为 “引物 ”或 “起 始 物 ”; 其 乙酰 基 中 的 两 个 碳 原 于 变 为 所 形成 的 棕榈 酸 的 两 个 末端 碳 原子 (15 位 和 16 位 )。 脂 肪 酸 合成 时 碳 链 的 延长 就 ©5754 是 这 样 从 乙酰 CoA 的 羧基 团 开 始 ， 然 后 向 正在 延长 的 碳 链 羧 基 末 端 上 相继 加 进 乙 酰 残 基 。 每 一 个 相继 加 进 的 乙酰 残 基 都 是 从 丙 二 酸 残 基 的 三 个 碳 原 子 中 的 两 个 变 来 的 ; 丙 二 酸 残 基 以 两 二 酰 CoA (A 24-1) 的 形式 进入 反应 系统 。 丙 二 酸 的 第 三 个 碳 原子 ,也 就 是 没 有 了 酯 化 的 羧基 碳 原 子 , 就 以 C9; 的 形式 丢失 了 。 最 终 产 物 就 是 一 个 分 子 的 棕榈 酸 。 这 一 系列 的 反应 大 部 分 是 在 F. Lynen, S. J. Wakil 和 P. R. Vagelos 等 人 的 实验 室内 得 到 阐明 : , we (Wo | 脂肪 酸 生 物 合 成 机 制 的 一 个 明显 特点 ， 就 ”是 在 碳 链 延 长 过 程 中 的 酰基 中 间 产 物 ， 和 脂肪 酸 氧 化 过 程 中 的 不 一 样 , 不 是 CoA IRR, Ti 是 一 种 低 分 子 量 的 结合 蛋白 质 的 硫 酯 。 这 种 蛋 白质 叫做 酰基 载体 蛋白 (ACP)。 棕榈 酸 的 完全 合成 , 除 ACP 外 , 尚 需 其 它 六 种 酶 蛋白 ;&ACP 能 和 这 六 种 酶 蛋白 结合 成 一 种 或 多 种 复合 物 。 在 大 多 数 真 核 细胞 中 ， 脂 肪 酸 合成 酶 复合 物 中 所 有 七 种 蛋白 质 组 合成 一 个 多 酶 群 。 酵 母 细 胞 的 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 已 被 Lynn 及 其 同事 们 分 离 提纯 (图 24-2), 其 分 子 量 为 230 万 ,但 这 种 酶 复合 物 若 再 分 离 为 单个 酶 组 分 ， 则 会 形 失 其 活 Ho BAH, 鸽 肝 的 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 能 够 解 离 为 两 种 主要 组 分 而 并 不 形 失 活性 。 最 容 易 解 离 的 是 大 肠 杆菌 的 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 ， 它 的 七 种 酶 都 能 分 离 出 活性 型 ， 且 可 分 别 地 提 供 研 究 。 我 们 有 关 脂 肪 酸 合成 一 系列 步骤 的 知 识 大 多 数 是 来 自 Vagelos 及 其 同事 们 对 大 肠 杆 菌 的 脂肪 酸 合成 酶 的 研究 。 在 大 多 数 有 机 体 中 ， 旨 肪 酸 合成 酶 系 的 终 末 产 物 是 棕榈 酸 ， 而 棕榈 酸 又 是 其 他 更 高 级 的 饱和 脂肪 酸 和 所 有 不 饱和 各 肪 酸 的 前 身 物 。 — . waa. gee 下 面 我 们 将 要 详尽 地 分 析 脂 肪 酸 生 物 合成 0 章 米 ， 中 的 酶 促 反 应 。 COOH 图 24-2 ”酵母 的 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 。 | 电子 显微镜 照片 (上 图 ), FRR HE TT Comte a 色 显 示 的 合成 酶 复合 物 的 单个 分 子 。 每 个 分 子 C 二 S 二 CoA 含有 明显 地 有 规则 地 按 三 维 方式 排列 的 七 种 酶 | 蛋白 。 已 经 得 到 了 酵母 脂肪 屋 合 成 酶 的 结晶 (下 Q 图 ); 每 一 个 晶体 当然 含有 许多 分 子 的 复合 物 。 图 .24-1 两 二 酰 CoA YY > wu HS AA BR A ee BY 脂肪 酸 的 所 有 碳 原 子 的 最 终 来 源 是 乙酰 CoA。 乙酰 CoA 是 在 线粒体 中 由 丙酮 酸 的 氧 © 576 7 化 脱羧、. 某 些 氨基 酸 的 氧化 降解 或 长 链 脂肪 酸 的 8 氧化 所 形成 。 乙酰 CoA 本 身 不 能 离开 线粒体 而 进入 细胞 谥 质 中 去 , 但 是 > 它 的 己 酰 基 能 以 其 他 化 学 形式 转运 过 膜 。 前 面 已 经 指出 , 在 线粒体 内 由 乙酰 CoA 和 草 酰 乙酸 形成 的 柠檬 酸 可 以 通过 三 羧 酸 运送 系统 透 过 线粒体 膜 而 进入 细胞 质 。 在 细胞 溶质 中 ,柠檬 酸 被 ATP- 柠 檬 酸 裂 合 酶 分 解 而 再 产生 乙酰 CoA。 这 种 酶 也 叫 柠檬 酸 裂解 酶 , 它 催化 以 下 反应 : 柠檬 酸 十 ATP 十 CoA 一 > 乙酰 CoA + ADP 十 P; + 草 酰 乙酸 乙酰 CoA 的 乙酰 基 团 在 第 二 条 途径 中 ， 通 过 酶 促 反 应 转移 到 肉 碱 ;而 我 们 在 前 面 已 经 提 到 , 肉 碱 可 以 作为 即将 氧化 的 脂肪 酸 的 一 种 载体 进入 线粒体 。 乙酰 肉 碱 通过 线粒体 膜 由 线粒体 基质 进入 细胞 溶质 中 ; 然后 乙酰 肉 碱 的 乙酰 基 团 转移 到 细胞 溶质 CoA 上 ， 就 重新 产生 了 乙酰 CoA。 内 二 酰 CoA 的 形成 : 乙酰 CoA Ry, Be 在 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 利 用 乙酰 CoA 的 乙酰 基 团 前 , 先 要 进行 一 个 重要 的 准备 反 。 应 * 即 把 乙酰 CoA 转变 为 两 二 酰 CoA。 棕 榈 酸 共有 16 个 碳 原 子 , 而 两 二 酰 CoA 是 其 中 14 个 碳 原 子 的 直接 前 身 物 。 在 细胞 溶质 中 , 丙 二 酰 CoA 是 在 乙酰 CoA 羧 化 酶 的 作用 下 ， 由 乙酰 CoA 和 碳酸 氧 形成 的 。 乙 酰 CoA 羧 化 酶 是 一 种 复合 酶 , 它 催 化 下 列 反应 : 乙酰 CoA + HCO; 十 H+ + ATP == ABE CoA + ADP 十 P; 如 图 24-3 所 示 , 参 与 这 一 反应 的 是 HCO;, MA CO,; HCOS MRBFAHA XK CoA 末端 的 或 游离 羧基 的 碳 。 但 是 ;上 列 方 程式 和 图 24-3 仅 只 表示 了 总 体 反 应 ， 至 少 是 三 个 中 间 友 应 的 总 和 。 COOH _, 乙酰 CoA 羧 化 酶 CH， —S—CoA 乙酰 CoA + HCcoz + ATP ——-————> | AMER CoA + ADP +P, C—'S —CoA | CH, Oo=0= fe) 图 24-3 乙酰 CoA 的 羧 化 反应 GR CoA 羧 化 酶 含有 生物 素 作为 它 的 辅 基 。 生 物 素 的 羧基 与 这 个 酶 的 一 个 亚 基 中 的 一 个 专 一 赖 氨 酸 残 基 上 的 s- 氨 基 团 以 酰胺 键 相 结合 。 在 一 个 两 步 反 应 的 循环 中 ,这 种 以 共 价 键 结合 的 生物 素 起 着 CO, 分 子 的 中 间 载 体 的 作用 。 HCO," + Ht + ATP x 生物 素 - 酶 a 两 二 酰 -CoA ADP + P, $8 IEA ty K-1G 乙酰 CoA LB CBE CoA 羧 化 酶 (一 种 变 构 酶 ) 所 催化 的 反应 是 脂肪 酸 生 物 合成 中 一 个 主要 的 调节 步骤 或 限 速 步 又。 在 缺乏 阳性 调节 物 柠檬 酸 和 蜡 柠檬 酸 的 情况 下 ,乙酰 CoA RLS 实际 上 是 没有 活性 的 。 柠 榜 酸 对 这 种 酶 的 明显 的 变 构 刺 激 作用 说 明了 这 一 事实 , 即 在 细 胞 提取 物 中 ,柠檬 酸 并 非 作为 一 种 前 身 物 ,但 也 是 合成 脂肪 酸 所 必需 的 5 CM: CoA 羧 化 酶 有 两 种 形式 , 即 一 种 无 活性 的 单 体 和 一 种 有 活性 的 多 聚 体 。 在 鸟 类 的 肝 中 存在 的 无 活性 酶 单 体 的 分 子 量 为 41 万 ， 带 有 三 个 结合 部 位 ,分 别 与 HCOz、 乙酰 ° 577 和 CoA 和 柠檬 酸 相 结合 (与 HCOii 结 合 的 部 位 即 一 个 生物 素 辅 基 )。 柠 檬 酸 可 改变 无 活性 的 单 体 和 有 活性 的 多 聚 体 之 间 的 平衡 ,使 单 体 转变 为 多 聚 体 。 十 柠檬 酸 Mik 二 一 > Sik 《无 活性 ) 一 柠檬 酸 〈《 有 活性 ) 动物 组 织 的 多 聚 型 乙酰 CoA 羧 化 酶 是 由 很 多 单 体 酶 的 长 丝 构成 的 ; 每 一 个 单 体 单位 含有 一 个 分 子 结合 的 柠檬 酸 。 各 企 多 聚 体 的 长 短 不 一 ,但 平均 每 一 条 长 丝 约 含有 20 TH 体 单位 ,粒子 量 约 为 8 兆 道 尔 顿 ,长 约 400 毫 微米 。 这 样 一 些 长 丝 已 经 过 电子 显微镜 研究 (图 24-4), 并且 已 在 脂肪 细胞 的 细胞 质 中 确实 观察 到 。 乙酰 CoA 羧 化 酶 反应 实际 上 比 前 面 描述 的 要 更 为 复杂 。 事实 上 ?此 酶 的 单 体 单位 含 有 四 个 不 同 的 亚 基 。 通 过 对 单 体 四 个 亚 基 的 研究 , 已 经 推断 出 形成 丙 二 酰 CoA 的 反应 顺 序 。 生 物 素 羧 化 酶 (BC) 是 这 四 个 亚 基 中 的 一 个 ， 它 催化 整个 反应 的 第 一 步 ,也 就 是 生物 素 残 基 的 羧 化 作用 。 此 种 生物 素 残 基 是 与 第 二 个 亚 基 ， 即 生物 素 凑 基 载 体 蛋白 (ECCP) 以 共 价 键 相 结合 的 。 省 BC 亚 基 生物 素 -BCCP + HCO; + H* + ATP = 一 一 凑 基 生物 素 -BCCP + ADP 十 Pi 整个 反应 的 第 二 步 是 由 第 三 种 亚 基 , 即 羧基 转移 酶 (CT) 所 催化 。 CT 亚 基 羧基 生物 素 -BCCP 十 乙酰 CoA = = 生物 素 -=BCCP 十 两 二 酰 CoA 50 在 这 些 反 应 中 ， 羧 基 载 体 蛋白 的 生物 素 残 基 作 为 一 个 摆动 艾 ， 把 碳酸 所 离子 从 生物 素 羧 化 酶 亚 基 转 移 到 与 羧基 转移 酶 亚 基 的 活性 部 位 相 结 合 的 乙酰 CoA Lo 在 柠檬 酸 与 每 一 个 单 体 的 第 四 个 亚 基 相 结合 时 ,乙酰 CoA 羧 化 酶 就 由 无 活性 的 单 体形 式 变 为 有 活性 的 多 聚 体形 式 。 变 构 调节 剂 柠檬 酸 的 结合 极 大 地 增加 了 羧基 生物 素 的 羧基 团 转 移 到 乙酰 CoA 的 Vanax， 而 对 于 乙酰 CoA 的 结合 来 说 ， 则 Ky 只 有 很 少 或 没有 变化 。 本 了 一 一 A. Kleinschmidt 50 TAK and M. D. Lane 图 24-4 KOI HEC ME CoA 羧 化 酶 有 酶 促 活 性 的 多 聚 体形 式 的 电子 显微镜 照片 。 右 侧 是 表示 其 各 单 体 单位 关系 的 示意 图 。 ° 578° 各 肪 酸 合成 酶 系 的 一 些 反应 在 相当 复杂 的 乙酰 CoA 羧 化 酶 反应 的 作用 下 ,一旦 从 乙酰 CoA 产生 了 丙 二 酰 CoA, 紧 接 着 就 发 生 合成 脂肪 酸 的 一 些 反应 。 这 些 反 应 就 是 由 脂肪 酸 合成 酶 系 的 六 种 酶 所 催化 的 一 系列 连续 的 六 个 步骤 。 这 一 酶 系 的 第 七 种 蛋白 ,叫做 酰基 载体 蛋白 , 它 本 身 并 无 酶 促 活性 , 它 与 正在 延长 的 脂肪 酸 链 以 共 价 键 相 结合 。 酰基 载体 蛋白 酰基 载体 蛋白 (通常 以 ACP 表示 )， 是 Vagelos 及 其 同事 们 从 大 肠 杆菌 中 首次 分 离 提 纯 的 ,此 后 又 从 其 他 很 多 来 源 得 到 并 进行 了 研究 。 大 肠 杆菌 的 ACP, 是 一 种 相当 小 的 (分 子 量 为 一 万 ) 热 稳定 的 蛋白 质 , 它 含 有 七 十 七 个 氨基 酸 残 基 , 其 顺序 也 已 被 确定 还 含有 一 个 以 共 价 键 结合 的 辅 基 。 Vagelos 及 其 同事 们 利用 多 肽 合成 的 固 相 法 ， 已 经 合成 了 很 多 ACP 多 肽 的 类 似 物 。 通 过 对 这 些 类 似 物 的 研究 ,已 弄 清 楚 了 ACP 的 多 肽 链 的 哪 一 部 分 是 与 脂肪 酸 合 成 酶 系 复合 物 的 六 个 酶 分 子 相 结合 的 。 与 酰基 中 间 物 酯 化 的 ACP AYA Ste, HEH ACP 的 辅 基 提 供 的 。 此 辅 基 即 一 分 子 的 6- 酮 脂 酰基 ~ / ACP IRB QW. 7? 第 -次 还 原 8 * Acr ANS IKE wire 全 [ | , SEE 3 N Cc CP= 丙 二 AAS a % aes ® _ Tate ACP ve. (# 36 fr) 7K AC ? = HOOC O CH; CH; by No~ Noga SF 6- 酮 脂 酰基 1 ee ACP Aig HOH & ee) #2 oni 4° BEERS BE “ee! See ACP WEL 了 和 & d ree oe a a RERBHAR 作 fig a ACP ®E3t Fe Fe Ag 从 HN CH, Own SH SH ACP 的 4 磷酸 泛 栈 PEREZ MUSE | 图 24-5 酰基 载体 蛋白 (AGP7 HE 图 24-6” 脂 酸 合成 酶 复合 物 的 一 个 示意 图 。 其 中 心 的 结构 。 其 斑 基 和 脂肪 酸 蛋白 分 子 是 ACP。ACP 的 磷酸 泛 酰 青 基 如 胺 长 侧 链 | 形成 硫 酯 。 象 一 个 摆动 的 辟 将 酰基 从 一 个 酶 分 子 带 到 下 一 个 酶 分 子 * 以 完成 每 增加 一 个 二 碳 单位 所 需 的 六 个 步骤 。 e。 579 。 4 BERRI MSE CHK, “EA ACP 第 36 fir BY 22 Sas Be I HY PO HE DASE OBE HB a A OCR 24- 5)o ACP 中 的 4’ wee Tz Biot dk CJA AS A IX — A OBI], Hi HH AS ACP 在 脂 酸 合成 中 的 作用 与 CoA 在 脂肪 酸 氧化 中 的 作用 相 类 似 : “Ese Bae A) AB 化 时 的 一 个 停泊 地 。(〈 图 24-6) 现在 我 们 来 分 析 脂 肪 酸 合成 时 所 涉及 的 一 系列 反应 。 启动 反应 旨 肪 酸 合成 酶 系 的 六 种 酶 中 ,有 一 种 叫 ACP- 酰 基 转 移 酶 。 在 这 种 酶 的 作用 下 , CBE CoA 首先 与 ACP 的 开 基 发 生 反 应 ,从 而 启动 脂肪 酸 合成 酶 系 发 生 作 用 。ACP=- 酰 基 转 移 酶 所 催化 的 反应 如 下 : 乙酰 基 一 S$ 一 CoA + ACP—SH = 乙酰 基 一 S$ 一 ACP 十 CoA—SH 但 是 ,这 个 乙酰 基 并 不 留 在 ACP 上 ,而 是 转移 到 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 中 另 一 个 叫做 5- 酮 Bets ACP 合 酶 的 一 个 专 一 的 半 胱 氨 酸 残 基 上 。 在 以 下 反应 式 中 ,6- 酮 脂 酰基 ACP 合 酶 简称 为 合 酶 。 乙酰 基 一 S 一 ACP + 合 酶 一 SH =— = ACP-SH + 乙酰 基 一 'S$ 一 合 酶 通过 这 个 反应 ,脂肪 酸 合成 酶 复合 物 就 被 启动 ,并 准备 实现 在 加 长 碳 链 过 程 中 每 增加 一 个 二 夏 单 位 所 需 的 一 系列 反应 。 两 二 酰 转移 步骤 下 一 步 的 反应 是 由 ACP 丙 二 酰 转移 酶 所 催化 的 。 此 时 ,在 乙酰 CoA 羧 化 酶 反应 中 所 形成 的 丙 二 酰 一 $ 一 CoA 与 ACP 的 4 -磷酸 泛 酰 纺 基 乙 胺 臂 的 一 SH 基 发 生 反应 ， 失 去 游 离 的 CoA 而 形成 两 二 酰 一 S 一 ACP: 丙 二 酰 一 $ 一 CoA 十 ACP 一 SH == FR —B—S—ACP 十 CoA—SH 这 一 步骤 与 其 前 面 的 启动 反应 所 产生 的 结果 有 : 一 个 两 二 酰基 和 ACP 酯 化 , 以 及 一 个 乙 酰基 与 6- 酮 脂 酰基 ACP 合 酶 分 子 上 的 一 个 一 SH 基 酯 化 。 fed 缩合 反应 合 栈 -SC--D 乙酰 -S- 合 酶 o 再 下 一 步 的 反应 是 由 p- 酮 酯 酰基 ACP 合 酶 所 催化 的 ,与 这 种 酶 的 半 胱 氨 酸 残 基 酯 化 了 的 s 乙 两 二 酰 -S-ACp 酰基 又 转移 到 ACP 的 丙 二 酰 基 团 的 第 二 个 碳 原 子 上 ， 同 时 以 Co; 的 形式 释放 出 丙 二 酰 残 基 的 游 BREA. (图 24-7) 乙酰 基 一 S 一 合 酶 十 两 二 酰基 一 $ 一 ACP —> 乙酰 乙酰 基 一 SS 一 ACP + CO, + 合 酶 一 SH SO ape et da ci 这 样 释放 出 的 CO. 分 子 中 所 含 的 碳 原子 ， 就 是 在 Sa 乙酰 CoA 凑 化 酶 反应 中 所 引进 的 HCOi 中 的 同 一 个 碳 原 子 。 实 际 上 HCO; 在 脂肪 酸 合成 中 起 了 图 24 “二 脂 酸 合成 中 的 缩合 反应 一 种 催化 的 作用 ， 因 为 每 当 在 延长 的 脂肪 酸 矶 链 中 播 人 一 个 二 碳 单 位 时 , 它 就 以 Co; 的 形式 重新 生成 。 * 580。 对 反应 平衡 的 研究 发 现 了 生物 学 上 选择 两 二 酰 CoA 作为 脂肪 酸 合成 中 二 碳 残 基 前 身 物 的 可 能 根据 。 如 果 乙 酰 乙 酰 CoA 是 通过 乙酰 CoA 乙酰 基 转移 酶 的 作用 由 两 个 分 子 的 乙酰 CoA 形成 的 话 : 乙酰 一 $ 一 CoA 十 乙酰 一 S$ 一 CoA == 乙酰 乙酰 一 S$ 一 CoA 十 CoA—SH 则 这 个 反应 应 是 吸 能 的 ,其 平衡 会 向 左 移 。 反 之 ,乙酰 乙酰 一 S 一 ACP 通过 下 列 反 应 形成 CR-— S 一 合 酶 十 两 二 酰 一 5 一 ACP —> 乙酰 乙酰 一 S 一 人 ACP 十 合 酶 一 SH + CO, 则 是 强烈 地 放 能 的 。 其 平衡 大 大 向 右 移 向 合成 方向 ， 因 为 丙 二 酰 残 基 的 脱羧 作用 是 强烈 地 放 能 的 , 它 为 完成 脂肪 酸 合成 提供 了 强大 的 热力 学 推动 力 。 第 一 次 还 原 反 应 乙酰 乙酰 - S =ACP 接着 又 被 NADPH 还 原 而 生成 6- 羟 丁 酰 - $ 一 ACP。 这 一 反应 由 56- 酮 脂 酰基 -ACP 还 原 酶 所 催化 乙酰 乙酰 一 S 一 ACP + NADPH + Ht == D-s-%] ®— S —ACP + NADP* 值得 指出 的 是 , 产物 是 RROD VARY; 而 在 脂肪 酸 氧化 中 所 形成 的 异 构 体 却 AA L 构 型 。 脱水 步骤 D-8-33 7 Be- S -ACP 接着 通过 烯 酰 -ACP- 水 化 酶 的 作用 脱水 而 形成 相应 的 反 式 - a8 或 A- 不 饱和 酰基 =S-ACP， 即 丁 烯 酰 -S-ACP: H | CH,CHOHCH,CO— s —ACP == CH,C=C —CO— § —ACP + H,O | H 丁 烯 酰 -S-ACP 第 二 次 还 原 反应 丁 烯 酰 -S-ACP 然后 被 烯 酰 ACP i RA (NADPH) 还 原 为 丁 酰 -S-ACP， 在 大 肠 杆菌 和 动物 组 织 中 ,其 电子 供 体 是 NADPH; H ey ee cost S$ —ACP + NADPH + H+ = CH;CH,CH,CO— § —ACP + NADP+ 各 丁 酰 - S 一 ACP 丁 烯 酰 - S 一 ACP 此 反应 与 线粒体 内 脂肪 酸 氧 化 的 相应 反应 也 不 同 : 即 参与 此 反应 的 是 吡啶 核 苦 酸 而 不 是 RASA WH NADPH-NAD* 偶 联 与 氧化 脂肪 酸 的 黄 素 蛋 白 相 比 , 有 一 个 更 负 的 标准 电位 ,因此 NADPH 有 利于 饱和 脂肪 酸 的 还 原生 成 。 丁 酰 =S-ACP 的 生成 完成 了 棕榈 酰 -S-ACP 过 程 中 已 次 循环 中 第 一 次 循环 。 在 开始 下 一 次 循环 时 , 丁 酰 基 团 就 从 ACP 转移 到 p- 酮 脂 酰基 ACP 合 酶 分 子 的 -SH 基 团 上 , 这 样 就 ff ACP 有 可 能 从 另 一 分 子 的 两 二 酰 CoA 中 接受 一 个 丙 二 酰 基 。 下 一 步 就 是 丙 二 酰 -~S- ACP 和 丁 酰 -S-6- 酮 脂 酰 基 -ACP 合 酶 缩合 生成 8- 酮 已 烯 - 棕榈 酸 十 8CoA 十 14NADP+ 十 7ADP 十 7Pi 在 合成 棕榈 酸 的 各 个 还 原 步 又 中 , 共 需 14 个 分 子 的 NADPH， 它 们 大 部 分 是 通过 磷 酸 葡 糖 酸 途 径 从 葡 糖 -6- 磷 酸 的 依赖 NADP 的 氧化 作用 中 产生 的 。 TEASED ROI. FL 腺 和 脂肪 组 织 中 , 脂肪 酸 生 物 合成 的 速率 相当 高 并 有 一 个 很 有 活力 的 6- 磷 酸 葡 糖 酸 途 径 。 植 物 中 脂肪 酸 生 物 合成 所 需 的 NADPH 是 通过 NADP+ 的 光 还 原作 用 而 产生 的 。 棕榈 酸 生 物 合成 的 酶 促 步 骤 和 它 在 氧化 过 程 中 的 酶 促 步骤 有 以 下 几 点 不 同 : C1) 他 们 在 细胞 内 的 位 置 (2) 酰基 团 载 体 的 类 型 (3) 二 碳 单位 加 上 或 除去 的 形式 C4) 68- 酮 脂 酰 -8- 羟 酰 反应 的 吡啶 核 昔 酸 专 一 性 《5) 8- 产 酰 中 间 产 物 立 体 异 构 的 构 型 (6) 丁 烯 酰 - 丁 酰 步骤 中 的 电子 供 体 - 受 体系 统 (7) 对 柠檬 酸 和 HCOi 的 反应 这 些 不 同 就 可 说 明 为 什么 两 种 相反 的 代谢 过 程 彼此 能 够 在 细胞 中 独立 地 进行 。 线粒体 和 微粒 体 中 饱和 脂肪 酸 的 延伸 棕榈 酸 是 脂肪 酸 合成 酶 系 的 正常 终 末 产 物 , 在 大 多 数 有 机 体内 ,也 是 其 他 长 链 饱和 及 不 饱和 脂肪 酸 的 前 身 物 。 有 两 种 不 同类 型 的 酶 系 促 使 棕榈 酸 延 伸 成 为 碳 链 较 长 的 饱和 脂 肪 酸 (其 中 硬 脂 酸 最 丰富 ): 一 种 酶 系 在 线粒体 内 , 另 一 种 酶 系 在 内 质 网 内 。 在 线粒体 内 ， 棕 榈 酸 和 其 他 饱和 脂肪 酸 的 碳 链 可 以 通过 在 羧基 末端 连续 加 上 以 乙酰 CoA 形式 出 现 的 乙酰 单位 而 延伸 , 丙 二 酰 -S-ACP 不 能 替换 乙酰 CoA。 线粒体 内 碳 链 延 伸 的 酶 促 反 应 和 脂肪 酸 氧 化 时 的 酶 促 反 应 是 相似 的 。 棕榈 酰基 CoA 与 乙酰 CoA 缩合 生成 8- 酮 硬 脂 酰 CoA， 然 后 被 NADPH 还 原 成 为 8 羟 硬 脂 酰 CoA。 后 者 脱水 变 成 A -不 饱和 硬 脂 酰 -CoA， 再 消耗 NADPH 还 原生 成 硬 脂 酰 CoA。 这 个 酶 系 也 可 以 延伸 不 饱和 脂肪 © 582。 酸 。 微粒 体制 剂 中 , 能 延伸 无 论 饱和 的 或 不 饱和 的 脂 酰 -CoA 酯 ,但 在 这 种 情况 下 , 乙酰 基 团 的 来 源 是 丙 二 酰 CoA ,而 不 是 乙酰 CoA。 其 反应 顺序 和 脂肪 酸 合成 酶 系 的 相同 , 不 同 之 点 就 是 微粒 体 酶 系 利用 CoA 而 不 是 ACP 作为 酰基 载体 。 ye RR WY FD ff FETE RG J Hy SG PO AIG 88S) I 的 前 身 物 。 这 两 种 单 烯 腊 肪 酸 都 在 As 位 置 上 有 bigs 一 个 顺 式 双 键 。 虽 然 大 多 数 有 机 体 具 有 合成 棕榈 机 油 酸 和 油 酸 的 能 力 ， 但 在 需 氧 有 机 体 和 厌 氧 有 机 [se kA, 其 合成 途径 与 所 用 酶 类 则 有 所 不 同 。 在 nen AHEM (LLR ASAE UIA, 2° 双 键 是 由 二 种 专 二 的 单 氧 酶 系 所 引 玉 的 ， 此 酶 系 Ae ty 位 于 肝 和 脂肪 组 织 的 内 质 网 内 。 一 个 分 子 的 分 子 氧 6O)) 被 用 来 作为 两 对 电子 的 受 体 ,一 对 电子 来 [* 自 棕榈 酰 CoA 或 硬 脂 酰 CoA 底 物 , 另 一 对 电子 来 = MC apaaro. 自 该 反应 所 需 的 一 种 辅 还 原 剂 NADPH。 这 不 复 ET i —0, 杂 反 应 的 电子 转运 , 需 有 一 个 微粒 体 电子 转移 链 ， 将 电子 从 NADPH (或 NADH) 通过 细胞 色素 bs ey 还 原 酶 (一 种 黄 素 蛋白 ) 带 到 微粒 体内 细胞 色素 bs 上 。 在 激活 酰基 CoA 和 上 述 分 子 氧 时 ,需要 一 papel: ae AH SLR AAS (ie CSF, HEAD). 在 某 些 植物 和 某 些 低级 的 需 氧 有 机 steaks 体内 ,细胞 色素 bs 并 不 参与 反应 而 被 一 种 铁 硫 蛋 D. AAT RS. Bett CoA 所 经 历时 总 反应 式 如 下 : 黄 素 蛋白 KA RE—CoA + NADPH + H+ + O, 一 -> | 棕榈 油 酰 一 CoA + NADP* + 2H,O 铁 硫 蛋白 在 很 多 细菌 中 ,一 种 完全 不 同 的 ,不 需要 分 子 i 氧 参 与 的 机 制 在 起 作用 。 在 这 种 情况 下 , 并 不 发 生 某 种 脂肪 酰 CoA 的 氧化 去 饱和 变化 ,而 是 发 生 一 种 专 一 的 饱和 的 中 间 长 度 的 8 羟 酰 基 -ACP 的 rr 脱水 作用 。 在 大 肠 杆 菌 中 ， 棕 桐油 酸 的 生物 合成 | 是 反 被 脂肪 酸 合成 酶 系 形成 的 8 RAAB ACP F 始 的 中 8 ESSE ACP 脱水 酶 使 羟 癸 栈 ACP 脱 te aha 未 而 生成 8，7- 或 和 := 癸 酰 -ACP (大 概 是 顺 式 )。 Hi CoA Bi Coa 在 十 碳 不 饱和 酰基 -ACP 的 羧基 末端 , 加 上 以 两 “图 24-8 脂肪 酸 去 饱和 时 电子 转运 的 途径 。 第 SHE ACP 形式 攻 来 的 三 个 以 上 的 二 下 单位 总 生 下 人 和 人 人 人 和 本人 成 棕榈 油 酸 的 ACP HE, 中 和 氧 的 反应 被 氰 化 物 所 抑制 。 * 583° B Vr BRN FY 细菌 并 不 含 多 烯 酸 , 但 在 高 等 植物 和 动物 中 ,多 烯 酸 却 很 丰富 。 哺 乳 动物 含有 四 种 不 同族 的 多 烯 酸 ， 它 们 的 区 别 在 于 末端 甲 基 和 最 近 的 双 键 之 间 的 碳 原子 数目 不 同 。 这 些 不 同族 的 多 烯 酸 是 根据 其 前 身 物 脂肪 酸 ， 即 棕榈 油 酸 、 油 酸 、 亚 油 酸 和 亚麻 酸 的 名 字 来 命名 的 〈 表 24-1)e。 哺乳 动物 体内 所 存在 的 一 切 多 烯 酸 都 是 由 这 四 种 前 身 物 通过 进一步 延伸 和 (或 ) 去 饱和 反应 而 形成 的 。 这 四 种 前 身 物 脂肪 酸 中 的 两 种 , 亚 油 酸 和 亚麻 酸 , 是 哺乳 动 物 所 不 能 合成 的 ,必须 从 植物 来 源 中 获得 , 故 被 称 为 必需 脂肪 酸 。 表 24-1 多 烯 酸 的 各 族 (根据 其 母体 不 伯 和 脂肪 酸 命名 ) 图 24-9 列举 了 由 棕榈 油 酸 和 油 栈 每 一 族 都 包括 一 些 来 自 母 体 酸 的 多 烯 酸 。 KES MR 所 衍生 的 一 些 重要 的 动物 多 烯 酸 及 其 形 是 通过 在 羧基 末端 增加 二 碳 单 位 ;和 (或 ) 在 羧基 与 下 列 ay ng 母体 构造 之 间 的 位 置 上 去 饱和 而 形成 的 ， RRS | COMER TB LRA RK 所 有 成 员 都 具有 下 列 的 甲 基 末 端 链 结构 系 的 作用 ， 在 羧基 末端 使 碳 链 延 伸 KH Kk 4 碳 链 结 构 饱和 步骤 是 在 NADPH (FA BAY Hi exh name CH,—(CH,),—CH—CH— 原 剂 的 参与 下 通过 细胞 色素 bs= 加 氧 酶 KGEDFOHGCS ieee kgs ae ae 系 的 作用 而 发 生 的 。 这 种 去 饱和 步骤 和 woe 6H, 6H, cH—cH— 上 文 提 到 的 标 榈 油 酸 和 油 酸 形成 时 的 去 、 下 饱和 步骤 相同 。 cn eh 9-Cic, 亚 油 酸 族 TLR BE ihe 棕榈 油 酸 9,12-Ciazz 9,12,15-Cyg:5 [+c + 亚 油 酸 亚麻 酸 。 顺 - 异 油 酸 | | 〈 顺 -11- 十 八 烯 酸 ) 6,9,12-Cie 6,9,12,15-Cie4 BERR ree [+e fe +C, | a | 8,11,14,17-Cyo-4 9-Cyg:4 8,11,14-Coo:s £ HP - (ea |-2 | sail | Rr le 5,8,11,14,17-Cyo:5 6,9-Cia， 11-Co 花生 四 烯 酸 [+c as | 7,10,13,16,19-Cys5 8,11-Coo: 13-Co.1 |-2a |-> | 47,10,13,16,19-C 5 Te ee Homme Ht = ae 神经 酸 - DA fan x 图 24-9 EMRE KARR. Beers | O10 Blaha IDR oR e (以 及 图 24-10 所 列 的 那些 转变 过 程 ) 都 是 以 有 关 脂 肪 酸 的 we P ‘ CoA 酯 出 现 的 。 用 来 表示 各 种 脂肪 酸 的 符号 中 ， MR whee 列举 了 亚 油 酸 和 亚麻 酸 所 表示 双 链 的 位 置 ， 第 一 个 下 标 数字 表示 链 中 碳 原子 的 数目 ， “衍生 的 一 些 多 烯 酸 之 间 的 关系 。 花 生 四 本 烯 酸 是 最 常见 的 多 烯 酸 。 当 以 缺乏 必需 此 肪 酸 的 饮食 饲养 幼年 大 鼠 时 ,它们 的 生长 变 缓 并 出 现 脱 属性 皮炎 和 皮肤 变 厚 s 此 时 不 仅 加 喂 亚 油 酸 或 亚麻 酸 可 以 使 这 些 症状 缓解 ,加 喂 花生 四 烯 酸 也 一 样 。 下 文 我 们 将 要 谈 到 ， 必需 脂肪 酸 和 它们 的 一 些 衍生 物 ( 图 24-10) 可 作为 前 列 腺 素 的 前 身 物 。 5584。 在 植物 中 , 亚 油 酸 和 亚麻 酸 都 是 从 油 酸 经 过 需 氧 去 饱和 反应 合成 的 ,这 些 反 应 是 由 一 ues Se NADPH 作为 辅 还 原 剂 的 专 一 的 加 氧 酶 系 所 催化 的 。 天 然 脂肪 酸 的 双 键 一 般 不 经 过 氢化 作用 而 生成 较为 饱和 的 脂肪 酸 ; 只 有 很 少 的 有 机 体 实现 这 一 过 程 。 但 是 ,不 饱和 脂肪 酸 却 可 被 脂肪 酸 氧化 酶 系 完 全 氧化 。 在 大 多 数 有 机 体 中 ， 饱 和 脂肪 酸 变 成 不 饱和 脂肪 酸 是 由 环境 低温 所 促进 的 。 这 是 为 了 保持 全 部 细胞 脂 类 的 溶 点 低 于 周围 环境 温度 的 一 种 适应 ; 不 饱和 脂肪 ' 酸 比 饱和 脂肪 酸 的 溶 点 要 低 。 在 某 些 有 机 体 中 ， 有 关 脂肪 酸 去 饱和 的 酶 类 浓度 增加 是 对 环境 低温 的 反应 ; 在 另外 一 些 机 体 中 ， 不 饱和 脂肪 酸 戏 人 脂 类 的 速率 加 快 。 三 酰基 甘油 的 生物 合成 三 酰基 甘油 起 着 库 脂 或 储 脂 的 作用 ， 在 兰 椎 动物 的 细胞 中 ,特别 是 在 肝 和 脂肪 细胞 中 ,以 及 在 高 等 植物 的 细胞 中 , 其 合成 都 很 活跃 。 细菌 一 般 只 含 相 当 少 量 的 三 酰基 甘油 。 在 高 等 动 植物 中 ， 三 酰基 甘油 的 合成 需要 两 个 主 要 的 前 身 物 ; 世 甘油 -3- 磷 酸 (sn- 甘 油 -3- 磷 酸 ) 和 脂肪 酰基 CoA 类 。L 甘油 -3- 磷 酸 有 两 种 不 同 来 源 。 HE 常 前 身 物 是 三 产 丙 酮 磷酸 ， 它 是 糖 酵 解 时 醛 缩 酶 反应 WM. KBAR RR, BUA AS NAD 相 连 的 甘油 -3- 磷 酸 脱氧 酶 的 作用 而 还 原 为 工 甘 油 -3- 磷 酸 。 —F#A ARB + NADH + Ht == L 甘油 -3- 磷 酸 + NADT+ L 甘油 -3- 磷 酸 也 可 以 通过 甘油 激酶 的 作用 由 三 酰基 甘 往 分 解 时 产生 的 游离 甘油 形成 s ATP + ih => LH h-3-BE 二 ADP 三 酰基 甘油 形成 的 第 一 步 是 甘油 磷酸 的 游离 羟基 团 被 两 分 子 脂肪 酰基 .CoA 酰 化 首先 生成 一 种 溶血 磷 脂 酸 ， 然 后 再 生成 一 种 磷脂 酸 (图 24-11)。 游 离 甘油 则 不 酰 化 。 在 这 些 反应 中 起 酰 化 作用 的 大 都 是 含有 十 六 碳 和 十 八 碳 的 饱和 及 不 饱和 酰基 CoA 类 。 在 某 些 微 生物 (如 大 肠 杆菌 ) 内 ，, 脂肪 酰 的 供 体 是 脂肪 酰 ACP 而 不 是 脂肪 酰 CoA。 和 磷脂 酸 形成 的 另 一 个 途径 是 脂肪 栈 基 团 和 二 产 丙 酮 磷酸 的 酯 化 反应 。 这 一 途径 包括 以 下 一 些 反应 : R 一 C 一 S 一 CoA i 脂肪 酰 CoA 十 3 CH,OPO;H, H—C—OH con Se 3 CH,OPO,H, H 二 C 一 OH 1 CH,OC—R, b 脂肪 栈 COA) 甘油 确 本 CoA 溶血 磷脂 酸 + NADP+ 溶血 磷脂 酸 + 脂肪 酰基 CoA 一 > 磷脂 酸 + CoA 磷脂 酸 在 细胞 内 的 含量 极 微 ， 但 却 是 三 酰基 甘油 和 磷酸 甘油 酯 生物 合成 中 的 重要 中 间 产 物 。 磷脂 酸 在 形成 三 酰基 甘油 时 ， 首 先 通过 磷脂 酸 磷酸 酶 的 水 解 作用 而 形成 一 种 二 酰基 甘油 (图 24-11): L- 磷 脂 酸 + H2O 一 > 二 酰基 甘油 +P, 二 酰基 甘油 然后 通过 二 酰基 甘油 酰基 转移 酶 图 24-117 的 作用 与 第 三 个 脂肪 酸 基 CeA 分 子 反应 而 生成 三 酰基 甘油 。 引 肪 酰基 CoA 十 二 酰基 甘油 一 > 三 酰基 甘油 + CoA 在 高 等 动物 的 肠 粘 膜 内 , 当 从 肠 中 吸收 脂肪 酸 时 ,三 酰基 甘油 的 合成 非常 活跃 ， 此 时 另 一 类 型 的 酰 化 反应 开始 起 作用 。 在 肠 道 内 消化 时 所 形成 的 单 酰基 甘油 可 以 通过 酰基 甘油 棕 榈 酰基 转移 酶 的 作用 直接 酰 化 ,因此 磷脂 酸 并 不 是 一 个 中 间 产 物 。 单 酰基 甘油 十 棕榈 酰基 CoA = 二 酰基 甘油 十 CoA 在 动 植物 组 织 的 贮存 脂肪 中 , 三 酰基 甘油 通常 都 是 混合 的 , 即 含 有 两 种 以 上 未 同 的 腊 肪 酸 ， 然 而 到 底 哪些 酶 促 机 制 使 这 些 不 同 的 脂肪 酰基 团 在 三 酰基 甘油 中 具有 特异 的 性 质 和 位 置 ,这 方面 我 们 几乎 毫 无 所 知 。 灵 酸 甘油 酯 的 生物 合成 作为 各 种 膜 和 运送 脂 蛋白 组 分 的 一 些 主 要 磷酸 甘油 酯 ,是 通过 两 种 不 同 的 途径 由 磷 脂 酸 形成 的 ;一 种 途径 主要 见于 高 等 动 植物 ,而 另 一 种 途径 见于 某 些 细菌 。 在 这 两 种 途径 中 , 胞 苷 酸 都 是 作为 载体 ,既是 为首" 的 醇 基 载体 ,也 是 磷脂 酸 的 载体 。E. P. Kennedy 及 其 同事 们 发 现 了 脂 类 生物 合成 中 胞 苦 酸 的 重要 作用 。 下 面 我 们 来 探讨 动物 组 织 中 一 些 主 要 的 磷酸 甘油 酯 的 生物 合成 过 程 。 磷脂 酰 乙醇 胺 在 动物 组 织 中 ， 磷 脂 酰 乙 醇 胺 的 生物 合成 是 在 乙醇 胺 激酶 的 作用 下 从 乙醇 胺 的 磷酸 化 开始 的 : 乙醇 胺 + ATP —> 磷脂 酰 乙 醇 胺 + ADP 下 一 步 是 磷脂 酰 乙醇 胺 和 胞 苷 三 磷酸 (CTP) 反应 而 生成 胞 苷 二 磷酸 乙醇 胺 (磷酸 乙醇 胺 的 一 种 活化 形式 )《〈 图 24-127): CTP 十 磷酸 乙醇 胺 CDP 乙醇 胺 + PP; TE ae ps Hee — RS CBB BY ES a 2 SAE OK TARR CBS BD RE FS 2) — Bede Fh _L i FZ a St LS: 磷酸 乙醇 胺 转移 酶 CDP=- 乙 醇 胺 十 二 酰基 甘油 磷脂 酰 忆 醇 胺 十 CMP 催化 这 些 反 应 的 各 种 酶 都 位 于 内 质 网 的 膜 内 ,并 与 这 些 膜 紧 密 结合 。 o 586 磷酸 乙醇 胺 胞 苷 酰基 转移 酶 磷脂 酰 胆 碱 在 动物 组 织 中 ， 磷 脂 酰 胆 碱 能 够 通过 两 种 不 同 的 途径 形成 。 一 种 途径 是 磷脂 酰 乙 醇 胺 的 氨基 在 甲 基 供 体 S- 腺 苦 甲 斑 氨 酸 ( 图 24-127 的 作 te 用 下 直接 甲 基 化 ,这 个 过 程 分 三 步 * 其 总 反应 式 是 : O=P—O—CH,CH,NH, RE 磷脂 酰 乙 醇 胺 + 3S- 腺 昔 甲 斑 氨 酸 名 乙醇 有 CTP 本 RRP ae a : ] iz zt + 3S-IR EE E D i be 在 动物 组 织 中 合成 磷脂 酰 胆 碱 的 第 三 种 途径 是 由 5 食用 胆 碱 或 从 磷脂 酰 胆 碱 的 酶 促 分 解 中 回收 的 胆 碱 开 | 始 的 。 随 后 就 是 一 系列 与 合成 磷脂 酰 乙 醇 胺 类 似 的 反 应 : ; 胆 碱 + ATP —@"®, gee naa + ADP ’ ) 磷酸 胆 碱 + CTP 磷酸 胆 碱 胞 苷 酰基 转移 酶 - CDP 胆 碱 + PP; CDP- 胆 碱 士 二 酰基 甘油 ER ie HS Bt AB Bi +CMP 24-12 ROE RZ RH I CH, —O—P —OCH,CHNH, I CH, —O—P—OCH,CH,N— CH, OH | OH H HC—OC—R, BS As HC—Ooc— 18h As BSE -N— 乙醇 及 i * EAE CB Fge Ts ane fps O 磷脂 酰 乙醇 胺 S-RE EAR 平 基 转 移 酶 , s_ peter Au 4 BESEMS 磷脂 酰 -N- 二 甲 基 乙醇 胺 磁 脂 酰 乙 醇 胺 | 一 S- 腺 苷 蛋氨酸 PRB hs poser my 半 胱 氢 酸 和 CH, CH,—O— ; —OCH,CH,N— CH, OH H, HC—OC—R, BesARZ OR halaman PBR [SSP URL " wi ne e-N& RH le i ECB ) ( 见 右上 ) 24-13 由 磷脂 酰 乙 醇 胺 变 为 磷脂 酰 胆 碱 的 过 程 e 587。 磷脂 酰 丝氨酸 在 动物 组 织 中 ,磷脂 酰 丝氨酸 是 通过 磷脂 酰 乙 醇 胺 的 “为 首 ” 醇 基 即 乙醇 胺 和 另 一 个 醇 基 即 L- 丝 氮 酸 的 醇 基 之 间 的 酶 促 交 换 而 形成 的 。 磷脂 酰 乙 醇 胺 + 丝氨酸 = 磷脂 酰 丝 氨 酸 + 乙醇 胺 在 动物 组 织 和 大 肠 杆菌 内 ,磷脂 酰 丝氨酸 可 通过 脱羧 作用 而 生成 磷脂 酰 乙醇 胺 : 磷脂 酰 丝 氢 酸 一 磷脂 酰 乙醇 及 +CO, 在 某 些 细菌 如 大 肠 杆 菌 内 ， 磷 脂 酰 丝氨酸 通过 另 一 条 不 同 的 途径 形成 ; 这 时 磷脂 酸 的 磷酸 根 通 过 与 CTP 的 反应 而 活化 ,结果 形成 胞 苷 二 磷酸 二 酰基 甘油 (图 24 一 14): L-Be ABBR 十 CTP Peis ha Re Bis CDP-— MEH ik + PP; CDP- 二 酰基 甘油 然后 与 L- 丝 氢 酸 反应 形成 磷脂 酰 丝 氢 酸 CDP- 二 酰基 甘油 十 丝氨酸 H—C—OC—R, 0 CHy—OC—R, O 上 -磷脂 酸 CTP ] 确 脂 酸 胞 得 酸 pp, | 基 转 移 本 GPx oa ft 6 ae stage 2 OH bn H—C—OCc—R, | 0 和 区 各 2 -磷脂 酰基 转移 酶 丝氨酸 ~JCDP 二 酰基 甘油 丝氨酸 CMP O H CH,—O— is 二 bu NH, H—C—OC—R, I ian i 9 更 脂 酰 丝 氮 酸 图 24-14 某 些 细菌 体内 磷脂 酰 丝氨酸 的 形 成 。 磷 脂 酰 肌 醇 形成 的 反应 与 此 相同 。 CDP- 二 酰基 甘油 十 sa- 甘油 三 磷酸 CDP 二 酰基 丝氨酸 O- 磷 脂 酰 转 移 酶 一 磷脂 酰 丝氨酸 十 CMP 在 大 肠 杆 菌 内 催化 这 一 反应 的 酶 显然 和 核 蛋 白 体 HEA. CDP- 二 酰基 甘油 的 CMP 部 分 可 看 作 是 一 个 分 子 的 磷脂 酸 的 一 种 载体 。 值 得 注意 的 是 , 当 磷酸 乙醇 胺 或 磷酸 胆 碱 以 CDP- 乙 醇 胺 或 CDP- 胆 碱 的 形式 而 被 激活 时 ， 就 同 二 酰基 甘油 的 游离 羟基 发 生 酯 化 。 另 一 方面 , 当 磷 脂 酸 以 CDP- 三 酰 基 甘 油 的 形式 被 活化 时 ， 则 同 丝 氨 酰 的 游离 凑 基 发 生 酯 化 .CDP- 二 酰基 甘油 也 是 动物 组 织 内 生物 合成 其 他 种 类 的 磷酸 甘油 酯 的 一 种 重要 中 间 产 物 , 这 一 点 下 文 即将 阐述 。 磷脂 栈 肌 醇和 磷脂 酰 甘油 在 动物 组 织 中 ， 合 成 磷脂 酰 肌 醇和 磷脂 酰 甘 油 都 是 用 CDP- 二 酰基 甘油 作为 前 身 物 。 前 者 的 合成 通过 以 下 反应 : CDP- 二 酰基 甘油 ,十 WLR 磷脂 酰 肌 醇 十 CMP 由 磷脂 酰 肌 醇 可 以 形成 磷脂 酰 肌 醇 一 磷酸 和 磷脂 酰 肌 醇 二 磷酸 。 它们 是 肌 醇 残 基 的 游离 羟基 被 ATP 连续 两 次 磷酸 化 而 形成 的 。 在 脑 中 存在 这 些 磷酸 化 形式 的 磷脂 酰 肌 醇 ;其 功能 还 不 完全 清楚 。 磷脂 酰 甘油 是 由 CDP- 二 酰基 甘油 通过 下 列 反应 而 形成 的 甘油 磷酸 磷脂 酰 转 移 酶 3-sn- 磷 脂 酰 -1 -sn 甘油 3 一 磷酸 + CMP © 588 © z § : 脂 酰 甘油 磷酸 3-so= 磷 脂 酰 -1 -sn 甘油 3 一 磷酸 + H2O Bla lal 3-sn=- 磷 脂 酰 -1 -sn=- 甘 油 十 Pi 这 样 产生 的 磷脂 酰 甘油 是 通常 称 为 心 磷脂 的 二 磷脂 酰 甘油 的 前 身 物 。 心 磷脂 通常 占线 粒 体内 膜 的 脂 类 的 20% , 占 细菌 膜 脂 类 的 很 大 一 部 分 。 在 动物 组 织 虫 ,其 合成 途径 如 图 24- 15 所 示 。 其 反应 式 为 : 磷脂 酰 甘油 十 CDP- 二 酰基 甘油 一 心 磷脂 + CMP 在 细菌 内 , 心 磷 脂 通过 以 十 反应 形成 : 2 磷脂 酰 甘油 > 心 磷脂 十 甘油 3-sn- 磷 脂 酰 -1 -sn = 甘油 -3 一 磷酸 MER |-H,O Eh A ES. P t ,OH OH | 1? 到 汪汪 at | Sail nici iia ea CDP 二 酰基 甘油 ° H 0 和 册 H 一 C 一 0C 一 Ra 3-Sn- 磷 脂 酰 - 3'CH,OPO,H, | I 1'-sn- 甘 油 2 Lh | / ea 39 pe 1CH,—OC—R, ji CH,OH : | Jinees CDP 二 酰基 廿 油 iat Bs CMP CMP OH OH OH OH OH . | tte figdar | rr.” hee | | On| Oe ine Ue : O H O O 3 | | 心 磷脂 3 CH, 3-sn- 磷 脂 酰 ~ a 3 CH, 2 : .1-sn- 甘 油 -3 一 2 2 H—C—OC—R, H—C—OC—R, H—C—OC—R, I 磅 酸 I I O O O 1 CH,—OC—R, 1 CH,—OC—R, 1 CH,;—OC—R, | | I oO O 图 24-15 动物 组 织 内 心 磷 脂 合成 的 途径 芋 磷 脂 和 其 它 鞘 脂 类 的 生物 合成 TR SENG Dike A A SS 4- 煤 氨 醇 是 冰 脂 类 的 特有 的 基本 单位 , 它 通过 下 列 顺序 的 酶 促 反应 由 棕榈 酰 -CoA 所 形成 (图 24-16): E 棕榈 酰 -CoA + 工 -丝氨酸 一 3= 脱 氨 二 氧 峭 氮 醇 十 CoA + CO, 3-fit — SA + NADPH + H*— > NADPH + -AwBae —& i} ae + FAD—> FADH, + Ae 在 鞘 脂 类 合成 的 下 一 步 中 ， 精 氮 醇 的 氨基 团 被 长 链 脂肪 酰 -CoA 所 酰 化 而 生成 NW 氮 醇 ,或 称 为 神经 酰胺 (图 24-17): ©5896 Hae + O | ele -ahae CHy(CH:)«C—S—CoA 棕榈 酰 CoA CH,(CH,),.C—S—CoA 棕榈 片 CoA,，， + FAD _ eee Ha FADH, CoA | HBR SM CH,OH _ BS be nie L-# A | CH,OH COOH ae -_ | * —C— A i | 证言 网 ¢=0 CoACO, ious yin HG Ct —H 4 t 7 es r CH, CH:OH yal 2 ‘s bu, ty eee “eens be Ct CH Gc—o 过 Ct Cr (CH2)i4 2 mew ees CH, 一 种 神经 酰胺 上 by, (4-RRED pee CN- 棕榈 栈 下 GH, 本 有 本) NADPH ~| 还 原 酶 lias GH CH 立体 特异 性 CH, CH, NADP | CH, CH, | CH,OH ! CHa saat iad his CH, . GH! H—C—NH, -AeAae CH; | | Cc Gtk ie H—C—OH ‘ea dt cu, CH;), C 和 Mus fs ct Gt CH; CH, Ee a Al24-16 HRN RK 图 24-17 ”一 种 神经 酰胺 的 形成 HARMERBE . RBS + 脂肪 酰 -CoA —————__> 神经 酰胺 + CoA 10 HS a EH — Pp ph 2 Mk AKA CDP 胆 碱 反应 而 形成 的 (图 24-18): : 神经 酰胺 胆 碱 磷酸 转移 酶 ，， 神经 酰胺 十 CDP=- 胆 碱 一 一 ~ #4 WEA + CMP PONSA, 即 神经 酰胺 的 已 糖 衍生 物 是 由 神经 酰胺 与 UDP-D- 葡 萄 糖 或 UDP-D- 半 乳糖 通过 同样 反应 而 形成 的 。 神经 酰胺 + UDP-D- 葡 萄 糖 一 葡萄 糖 脑 昔 脂 + UDP 神经 酰胺 十 UDP-D- 半 乳糖 > 491 iw + UDP 脑 苷 脂 类 也 可 以 通过 另外 一 条 途径 形成 ; 这 时 进入 鞘 氮 醇 内 基 团 的 取代 次 序 不同 。 在 这 一 途径 中 ， 首 先 形成 一 种 半 乳 糖 取代 的 东 氨 醇 ， 称 为 靖 氨 醇 半 乳 糖苷 ， 然 后 酰 化 而 形成 WF Ho 峭 氨 醇 + UDP FL => 3 EL + UDP AS a BEE FL + 脂肪 酰 -CoA = 一 脑 苷 脂 + CoA 神经 节 昔 脂 类 是 神经 原 细 胞 膜 , 特别 是 在 突 触 处 的 细胞 膜 的 重要 脂 类 。 它 由 脑 苷 脂 通过 进一步 加 上 许多 半 乳 糖 , 半 乳糖 胺 和 N- 乙 酰 神经 氨 酸 残 基 而 形成 。 这 些 残 基 分 别 以 UDP- 半 乳糖 `UDP 半 乳糖 胺 和 CMP-N- :乙酰 神经 氮 酸 的 形式 提供 。 *。 390。 神经 酰胺 FHC eK = ser = CH,OH | HO—P—0—CHCHAICH) : Hf H O i OH H CDP- 胆 碱 : 神经 酰胺 胆 碱 CMP 磷酸 转移 酶 1 HO—P—0—CH.CHAICHG HO-MLH _O i H oO : : H—-C NH H—C NH n—¢—on c=) H—¢—oH (= H—C CH, Mh CHe C 一 百 CH, C 一 H CH, CH, bn bu, (th CH, x bu, bit CH, dat eu, ey bn, a , a CH, lee Ag Roane ee: Cu, GH, Rebar Ra tl by, by, bes CH: oe dui, but des. by bab re ore cH tl CHa i 名 CH, e* re CH, CH, CH, CH, tes te CH, | bs, 图 24-18 RMR 图 24-19 一 种 葡 糖 脑 苷 脂 的 生物 合成 。 注 意 葡 糖 残 基 第 一 个 碳 原子 处 构 型 的 转化 。 复杂 脂 类 代谢 中 的 遗传 性 系 乱 在 人 类 中 已 发 现 有 十 二 种 以 上 的 复杂 脂 类 代谢 的 遗传 性 紊乱 。 这 类 紊 息 ， 是 由 于 某 些 复 杂 脂 类 在 特定 组 织 中 不 正常 的 积聚 而 形成 的 ,也 叫做 脂 类 沉积 疾病 或 脂 类 代谢 障碍 。 (# 24-2) * 591° R24-2 遗传 性 脂 类 沉积 疾病 病 名 沉积 的 脂 类 受 损 的 器 官 有 缺陷 的 酶 Tay-Sachs 病 Gm, 神经 节 霸 脂 脑 己 糖 胺 酶 A Fabry 氏 病 半 乳 糖 基 - 半 纺 糖 基 - 葡 糖 基 = 神 经 酰胺 全 身 器 官 o- 54 FL BE As Gaucher 氏 病 葡 糖 脑 苷 脂 he AF 葡 糖 脑 昔 脂 酶 Niemann-Pick 病 | 5 @R48 SD te BBS i as Tay-Sachs 病 是 引起 公众 特别 注意 的 一 种 病 , 因为 出 现在 东欧 的 犹太 人 中 ， 它 的 发 病 率 远 远 超过 其 他 受 检 种 族 ; 在 纽约 城 的 犹太 人 口中 , 据 估计 每 三 十 人 中 有 一 个 带 有 引起 此 病 的 隐 性 基因 。 此 病 的 特点 是 脑 中 一 种 称 为 Gw 的 神经 节 苷 脂 的 含量 异常 高 ,此 种 神经 节 昔 脂 具有 如 图 24-20 所 示 的 极 性 的 头 基 团 。 发 育 迟 缓 、 瘫 痪 、 阁 呆 和 失明 是 此 病 的 症状 ; 患者 常常 在 2 一 4 岁 时 死亡 。 Febry 氏 病 比较 罕见 ; 它 属于 母系 遗传 。 患 此 病 时 一 种 糖 鞘 脂 , 即 半 乳 糖 基 半 乳糖 基 Ai Rist BBA (A 24-21); 在 很 多 组 织 中 异常 地 积聚 ; 患者 常 死 于 心力 衰竭 或 肾 功能 衰竭。 Gaucher 氏 病 有 葡 糖 脑 苷 脂 类 的 异常 沉积 。 此 病 较 为 常见 。 虽 在 Ashkenazi 的 犹太 人 中 发 病 率 特 别 高 ,但 在 很 多 种 族 中 也 有 发 现 。Niemann-Pick PA MOH. 差不多 在 所 有 的 脂 类 沉积 疾病 中 ,智力 发 育 迟 缓和 神经 系统 功能 障碍 都 是 主要 症状 ;显然 , 这 是 由 于 脂 类 在 脑 和 神经 组 织 内 的 异常 沉积 ;在 其 他 组 织 中 ,也 有 严重 的 脂 类 沉积 现象 。 N- 乙 栈 半 驰 糖 胺 Bean EMEA 一 ca- 半 乳糖 一， HR 7 ae N-Z HAAR | ae 1675 8 神经 酰胺 FBR 图 24-20 ”神经 节 蔡 脂 as 的 示意 图 。 在 24-21 Fabry 氏 病 时 三 已 糖 酰 神 经 Me Tay-Sachs 病 中 由 于 己 糖 胶 酶 A 的 遗传 缺 胺 的 积聚 。 这 种 积聚 是 一 种 <- 半 乳糖 苍 陷 Gm, 积聚 。 已 糖 胺 酶 A 是 一 种 水 解 酶 ， 酶 遗传 性 缺陷 的 后 果 。 这 种 酶 正常 时 能 除 能 除 掉 N- 乙 酰 半 乳糖 胺 残 基 。 去 未 端的 半 乳 糖 残 基 。 当 这 些 疾 病 中 不 正常 脂 类 的 化 学 性 质 被 确定 以 后 ,就 产生 了 一 个 非常 重要 的 问题 : 脂 类 沉积 疾病 的 发 生 是 否 是 这 些 脂 类 合成 率 过 高 而 分 解 率 却 正常 的 结果 呢 ? 还 是 由 于 分 解 率 过 低 而 合成 率 却 基本 正常 呢 ? ”一 直到 最 近 确 定 了 这 些 脂 类 合成 和 分 解 的 酶 促 机 制 后 ， © 5926 这 个 问题 才 有 可 能 接近 解决 。 通 过 外 科 活 组 织 检查 从 病人 身上 (或 尸体 解剖 从 尸体 上 ) 取 得 小 块 组 织 标 本 ， 分 析 有 关 的 酶 活性 并 用 显微镜 检查 。 或 者 将 活 组 织 检 查 标本 的 成 纤维 细胞 在 生长 培养 基 中 进行 体外 培养 ,然后 作 分 析 。 通过 很 多 实验 室内 进行 的 这 类 研究 ,特别 是 R. O. Brady, J. S. O’Brien 及 工 . Svenner- holm 等 人 的 实验 室内 的 研究 成 果 ,， 我 们 现在 搞 请 楚 了 主要 的 脂 类 沉积 疾病 的 酶 学 基础 。 所 有 这 些 疾 病 都 是 由 于 在 脂 类 降解 过 程 中 一 个 或 一 个 以 上 的 酶 有 遗传 缺陷 ， 而 脂 类 生物 合成 途径 和 速率 却 基本 正常 。Tay-Sachs 病 是 由 于 己 糖 胺 酶 A 有 缺陷 ;此 酶 在 正常 情况 下 能 引起 'Gw 神经 节 苷 脂 的 N- 乙 酰 半 乳糖 胺 残 基 加 水 裂解 。 (图 24-20) Fabry 氏 病 是 由 于 =- 半 乳糖 苷 酶 有 缺陷 ;此 酶 在 正常 情况 下 能 引起 半 乳 糖 基 半 乳糖 Bw RAMA (图 24-21) 的 半 乳 糖 残 基 加 水 裂解 。 Gaucher jade HT ae A Eh 酶 的 活性 欠缺 ; 而 Niemann-Pick 病 则 是 由 于 鞘 磷脂 酶 有 缺陷 ; 此 酶 能 催化 蒜 磷 脂 水 解 成 为 磷 酰 胆 碱 和 神经 酰胺 。 正常 人 体内 这 些 酶 都 存在 于 谥 酶 体 中 ， 已 知 溶 酶 体 含 有 包括 核糖 核酸 酶 和 几 种 蛋白 酶 在 内 的 大 约 四 十 种 不 同 水 解 酶 。 在 脂 类 沉积 病 患 者 受 损 细胞 的 盗 酶 体 中 ， 不 仅 缺乏 此 类 降解 酶 申 的 一 种 或 多 种 ， 而 且 谥 酶 体 的 结构 也 明显 异常 。 因 此 脂 类 沉积 病 常 叫做 溶 酶 体 病 。 对 脂 类 沉积 病 的 早期 诊断 和 对 患者 父母 作 遗 传 学 的 咨询 ， 是 控制 此 病 的 唯一 建设 性 方法 e 胆固醇 生物 合成 的 途径 由 于 美国 K. Bloch、 德 国 E. Lynen, 英国 G. Popjak 和 J. Cornforth 等 人 卓有成效 的 研究 ,我 们 今天 对 酶 促 合成 胆固醇 的 大 多 数 步 又 ,已 经 了 解 得 相当 清楚 。 他 们 对 这 个 一 共 需要 大 约 25 个 反应 步骤 的 复杂 过 程 进行 了 引 人 人 胜 的 分 析 , 从 而 发 现 了 很 多 新 的 代谢 中 间 产 物 , 并 且 清 楚 地 阐明 了 其 他 很 多 复杂 的 天 然 产物 ,特别 是 丫 类 的 生物 合成 模式 。 这 些 成 就 的 取得 ,是 从 本 世纪 四 十 年 代 初 期 开始 的 。 当时 Bloch 及 其 同事 证 明 , 将 标记 了 碳 的 乙酸 喂养 大 鼠 ， 这 些 乙 酸 的 碳 原子 都 挫 人 到 大 鼠 肝 的 胆固醇 中 。 还 发 现 胆 固 醇 的 类 固 醇 核 和 六 碳 侧 链 都 被 标记 上 了 。 用 标记 了 甲 基 和 标记 了 羧基 的 乙酸 进行 实验 时 , 发现 乙 酸 的 两 个 碳 原 子 都 挨 人 到 胆固醇 去 了 ,并 且 挨 人 的 数量 大 致 相等 。 事 实 上 ,胆固醇 所 有 的 碳 藉 子 都 是 由 乙酸 来 的 。 对 用 生物 学 方法 标记 的 胆固醇 进行 系统 的 降解 ,就 弄 请 了 它 的 每 一 个 碳 原子 的 来 源 (图 24-22)。 这 种 标记 的 模式 就 成 为 前 明 从 乙酸 合成 胆固醇 的 途径 的 指 ewe » ae | ne ey et a. ‘ a a > a 乙酸 Deo FP oe 图 24-22 CMMORARF BAAS, A 24-23 2 ATARRemaTe RBI AFD AT A RA BL A a 而 成 为 胆固醇 的 前 身 物 的 形式 表示 。 式 来 自己 酸 。 虚线 表 示 异 成 二 烯 单位 。 。 593 。 针 。 R. G. Langdon 和 K. Bloch 发 现在 胆固醇 生物 合成 中 ， 盗 烯 是 一 种 中 间 产 物 。 这 是 弄 清 这 一 途径 的 本 质 的 一 个 重要 线索 。 盗 烯 是 一 种 开 链 类 异 成 二 烯 碳 所 化合物， 或 者 说 得 更 具体 些 , 一 种 二 氧 三 熙 化 合 物 (图 24-23)。 这 一 碳 氧 化 合 物 在 次 鱼 肝 中 首先 发 现 , 大 多 数 高 等 动物 的 肝 中 也 有 少量 存在 。 当 用 标记 了 碳 的 乙酸 喂养 动物 时 , RPS ee 被 普遍 标记 上 了 。 当 用 生物 学 方法 标记 了 的 这 种 鳌 烯 来 喂养 动物 或 者 和 小 片 肝 组 织 一 起 培养 时 ,大 部 分 同位 素 都 挫 人 到 胆固醇 内 。 这 种 挨 人 率 非常 高 ,以 致 可 以 肯定 ， 瘤 烯 是 胆 固 醇 的 一 个 相当 直接 的 前 身 物 。 因 此 ,这 些 观 察 强 烈 提 示 胆 固 醇 的 类 固 醇 核 ( 具 有 四 个 笛 PEATE eMC mA KA. (Al 24-23) 然而 , 当 一 种 由 乙酸 形成 的 代谢 物 , 甲 羟 成 酸 ,在 其 它 领域 工作 中 被 发 现 以 前 ,由 乙酸 形成 瘤 烯 的 异 成 二 烯 单位 的 机 制 还 是 -- 个 谜 。 某 些 细 戎 需要 乙酸 作为 一 种 生长 因素 。 仔 细 研究 这 些 细菌 的 营养 需要 时 ,发现 一 种 当时 还 没 确定 的 有 机 酸 可 代替 乙酸 作为 生长 因素 。 这 种 有 机 酸 存在 于 许多 不 同 的 自然 来 源 包 括 哺乳 动物 的 肝 。 此 种 可 代替 乙酸 的 生长 因素 很 快 就 被 分 离 出 来 ， 并 确定 为 甲 羟 成 酸 (图 24- CO 一 S 一 CoA 乙酰 CoA A 24)。 从 理论 上 说 ,这 种 六 碳酸 显然 能 够 通过 脱羧 + 作用 而 产生 五 碳 异 成 二 烯 单 位 。 当 将 同位 素 标记 的 甲状 成 酸 和 肝 组 织 切片 一 起 保温 时 ， 发 现 这 种 ia mac icon | AUBERT, RAAT Cr 酸 和 肝 组 织 切片 一 起 保温 ， 结 果 表 明 乙 酸 碳 是 四 ee 羟 成 酸 的 一 个 直接 前 身 物 。 这 些 实验 为 进一步 详 ‘oe Moe SBE IE RAS BB PSLRA FE WH 最 后 变 成 胆固醇 这 些 过 程 的 酶 促 机 制 提供 了 条 epH- 件 。 CH, Ho—G—cH, RSAC as ot eae are HES RARE = NF HUME CoA 缩 谷 生 IE 成 的 。 这 个 过 程 的 关键 中 间 产 物 是 BRE ae 基 戊 二 酰 CoAC(HMG-CoA)。 它 的 形成 途径 如 下 : — ZB CoA + ZiBEZ. RE Con BEARER SOR ect p- 羟 基 -p- 甲 基 成 二 酰 CoA + CoA + CO, cy p- 羟 基 -p- 甲 基 成 二 酰 -CoA 能 够 经 历 两 个 反应 : aah spins oe 它 可 裂解 生成 乙酰 乙酸 和 乙酰 CoA， 这 种 情况 在 es 前 面 已 经 叙述 过 ; 它 也 可 在 羟 甲 基 成 二 酰 CoA 还 ith 原 酶 的 作用 下 ， 通过 一 不 不 可 北 的 两 步 还 原 反应 24-24 工 - 甲 羟 成 酸 的 形成 而 产生 甲 羟 成 酸 。 p- 羟 基 -p=- 甲 基 成 二 酰 CoA 十 2NADPH + 2H+- 一 > 甲 羟 成 酸 + 2 NADPHT+ + CoA 这 一 复杂 反应 是 胆固醇 生物 合成 的 一 个 重要 控制 点 。 甲 羟 成 酸 的 形成 还 有 另 一 条 途径 ,在 原理 上 它 与 上 述 途径 是 相同 的 ,但 这 时 乙酰 CoA 。594， 将 它 的 一 个 羟基 还 原 为 醇 基 ， 并 伴随 着 失去 CoA 与 乙酰 乙酰 -ACP 反应 而 形成 8- 羟 基 -6- 甲 基 成 二 酰 -ACP，, RIG CHARA KB 条 途径 是 在 细胞 溶质 内 进行 的 。 PRKBEE AS th X— FFP RB MAPA TE ATP HOS IN PRET LEP, EE, PSR 酸 变 成 5- 单 磷酸 酯 ,然后 再 变 成 5- 焦 磷酸 酯 (图 24-25). EB= PRS LEBER 化 桥 用 产生 一 种 很 不 稳定 的 中 间 产 物 。 这 种 中 间 产 物 失去 磷酸 并 且 脱 羧 生成 3- 异 戊 烯 焦 磷酸 ;再 经 异 构 化 作用 而 形成 3,3 二 甲 烯 丙 基 焦 磷酸 。 这 两 种 同 分 异 构 的 异 成 二 烯 焦 磷酸 然后 通过 缩合 除去 焦 磷 酸 而 生成 单 蓝 类 衍生 物 恢 牛 儿 酰 焦 磷酸 。 然 后 另 一 个 分 子 的 异 成 烯 焦 磷酸 又 发 生 反应 ,再 次 除去 焦 磷酸 而 生成 倍 半 世 类 衍生 物 靶 呢 基 焦 磷酸 (图 24-26)。 这 种 化 合 物 的 两 个 分 子 在 一 种 微粒 体 酶 的 作用 下 缩合 生成 前 效 烯 焦 磷酸 (图 24-27); 后 者 被 NADPH 还 原 而 生成 阔 烯 和 焦 磷酸 。 1 COOH 2 CH, HOTC—CH, FSD 4 CH, a 5~ fk ae FP 8 - 羟 成 酰 ATP recy YD Fi ADP ADP | 酸 激 酶 abies: CH, he 3- 异 成 燃 7 2C Ho 一 人 -ch Patio os GH, {LOR 焦 磷酸 H,C—O—P—O—p— CH, 2 人 i OH 5 CH, 异 成 烯 焦 磷酸 DEP 异 构 酶 ATP MPR a a Gif ps Cc ‘a COOH i 353-— FR I i CH OH ap FR RR Er " H,C—O—P—oQ—p— Ho—¢—cH, SAR Tas | KR O O CH, pate 5 ie OH OH pial ae ee Main I 有 O 图 24-25 由 甲 羟 成 酸 变 成 同 分 异 构 的 成 烯 焦 磷酸 酯 的 途径 黎 烯 变 成 胆固醇 在 胆固醇 生物 合成 的 最 后 一 个 阶段 中 ， 获 烯 受到 分 子 氧 的 作用 而 生成 阔 烯 ,2, 3 环 氧 化 物 。 这 一 反应 是 由 效 烯 单 氧 酶 催化 的 2, 3 环 氧化 。 效 烯 2,3- 环 氧化 物 然后 发 生 环 化 而 生成 羊毛 固 醇 〈( 图 24-27)。 这 是 形成 的 第 一 个 固 醇 。 在 这 一 不 平常 的 反应 中 ， 一 系列 协 和 OUR ma = Pim ome S| = Pe va $F fig CH; 7 Oe OH OH OH 二 甲 丙 场 基 Te FRG EAE PP, 图 24-26 法 呢 醇 焦 磷 酸 的 形成 | 2 法 尼 基 焦 磷 酸 mln Ve Ta CH, 一 0 一 P 一 O 一 P 一 OH O CH; 六 CH; rh (oy on), cue e—ct=t—c (on —ait ar " CH, H NADPH 前 act ERS NADP*,PP, Zi Sik 2,3- 环 氧化 物 约 烯 环 氧化 物 羊毛 固 醇 环 化 酶 FEnS CH; CH; 图 24-27 获 烯 的 形成 及 其 变 为 羊毛 固 醇 的 过 程 调 一 致 的 1, 2 甲 基 团 和 氢化 物 沿 着 鲨 烯 链 移动 引起 了 四 个 环 的 闭合 ; 甲 基 的 移动 已 由 适 当 的 同位 素 实验 所 证 实 。 这 些 反应 发 生 在 微粒 体内 ， 但 需要 来 自 细胞 溶质 的 两 种 蛋 自 参 加 。 其 中 一 种 称 为 固 醇 载 体 蛋白 1 在 与 微粒 体 中 的 光 烯 单 氧 酶 相互 作用 以 前 ， 就 在 辅助 因子 磷脂 酰 丝氨酸 和 FAD WEST, AKA AMAA. 羊毛 固 醇 变 成 胆固醇 包括 : 去 掉 三 个 甲 基 ( 两 个 从 第 四 碳 原子 去 掉 , 一 个 从 第 十 四 碳 原子 去 掉 ); 侧 链 双 键 的 饱和 化 ; 以 及 也 环 中 8,9 位 置 的 双 键 移 到 5,6 fro BP 天 脱氧 胆固醇 和 24- 脱 氨 胆 固 醇 转变 成 胆固醇 的 比例 都 很 高 , 因此 很 明显 ,羊毛 固 醇 变 成 胆固醇 的 道路 有 两 条 (图 24-28)。 固 醇 载 体 蛋 白 2 用 来 结合 7- 脱 氧 胆 固 醇 。 真菌 和 植物 的 固 醇 类 ,例如 麦角 固 醇 和 豆 固 醇 , 也 按 如 上 同样 机 制 合成 。 ”596。 SS all 24- 脱 氧 胆固醇 7- 脱 气 胆固醇 图 24-28 羊毛 固 醇 变 成 胆固醇 的 过 程 。 可 能 有 两 条 途径 : 通过 7- 脱 氨 胆 固 醇 那 条 途径 是 更 为 重要 的 。 胆 固 酬 生物 合成 的 调节 肝 内 胆固醇 的 生物 合成 可 由 饮食 中 的 胆固醇 和 禁 食 所 抑制 ， 这 一 效应 是 由 于 抑制 了 肝 中 8- 羟基 -8- 甲 基 成 二 酰 CoA 还 原 酶 的 生物 合成 所 引起 的 。 但 是 看 来 胆固醇 本 身 并 不 是 抑制 剂 。 已 经 有 各 种 不 同 的 推测 ,认为 含 胆固醇 的 脂 蛋 白 \ 胆 汁 酸 或 胆汁 中 某 种 专 一 蛋 白质 可 能 是 真正 的 抑制 剂 。 禁 食 也 可 以 抑制 胆固醇 的 生物 合成 , 但 是 高 脂肪 饮食 则 加 速 合成 过 程 。 在 几乎 所 有 检查 过 的 各 种 动物 和 组 织 中 都 已 经 观察 到 在 喂食 胆固醇 时 可 抑制 胆固醇 的 生物 合成 。 但 值得 注意 的 是 ， 在 瘤 细 胞 中 却 完全 不 存在 这 类 胆固醇 生物 合成 的 反馈 抑 制 。 虽 然 这 一 事实 在 癌 细 胞 代谢 经 济 中 的 意义 还 不 清楚 ,但 值得 注意 ,这 是 恶性 细胞 内 若 干 有 缺陷 或 有 修改 的 调节 机 制 中 的 一 种 。 哺乳 动物 体内 胆固醇 的 转运 和 储存 ,受到 很 多 目前 尚 不 十 分 请 楚 的 机 制 的 调节 ;这 些 过 程 有 缺陷 ,就 会 引起 病理 上 的 异常 。 胆 固 醇 和 其 他 脂 类 经 常 沉 积 于 血管 内 壁 ,这 种 情况 称 为 动脉 粥 样 硬化 。 它 常 可 引起 心脏 血管 和 脑 血 管 的 堵塞 ， 分 别 表现 为 心脏 病 发 作 和 中 风 。 因 此 ， 目 前 很 多 研究 都 致力 于 更 好 地 了 解 胆固醇 和 其 他 血脂 类 的 生物 合成 .运输 、 降 解 和 排泄 的 调节 和 控制 。 在 遗传 性 疾病 如 家 族 性 血 胆固醇 过 高 和 黄 瘤 病 时 , 血 中 胆固醇 浓度 异常 升 高 ;在 黄 瘤 病 的 情况 ,富有 胆固醇 的 脂 类 沉积 也 会 在 皮肤 内 形成 。 胆固醇 酯 的 合成 在 高 等 有 机 体 的 组 织 中 , 大 多 数 胆固醇 在 3- 羟 基 上 与 长 链 脂肪 酸 酯 化 。 肝 脏 中 含有 一 种 梅 能 通过 以 下 反应 促进 胆固醇 酯 的 形成 。 se 597 « JERE + 脂肪 酰 CoA 胆固醇 酯 + CoA 胆固醇 酯 也 可 以 由 血浆 中 的 磷脂 酰 胆固醇 酰基 转移 酶 催化 形成 ; 此 酶 催化 一 个 脂肪 酰基 由 磷脂 酰 胆 碱 的 第 2 位 置 转 到 胆固醇 。 磷脂 酰 胆 碱 十 胆固醇 = 溶血 磷脂 酰 胆 碱 十 胆固醇 酯 上 它 类 固 酬 类 的 形成 ct 胆固醇 是 动物 体内 凑 因 醇 类 、 胆 汁 酸 和 类 因 醇 激素 的 HOw Atk RBIRE3¢R2, — SIS RE MG SL shy HE 8 类 FIRS, 后 两 者 又 是 立体 异 构 体 (图 24-29), 都 是 通过 微 生物 的 作用 在 肠 内 由 胆固醇 变 来 的 。 动物 体内 胆固醇 降解 的 主要 途径 是 变 成 胆汁 酸 ， 胆 汗 酸 的 构造 随 动物 种 类 不 同 而 各 有 特点 。 胆 着 酸 在 其 侧 链 者 有 一 个 羧基 ,此 羧基 常 通 过 酰胺 键 与 甘氨酸 或 牛 磺 酸 (乙醇 FREER) 结合 。 这 些 胆 秆 酸 都 是 在 肝 中 形成 ， 分 泌 人 小 肠 二 气 胆 固 醇 ~ - 图 24_29 PHAR. RA 中 ， 在 小 肠 中 变 成 乳 糜 粒 〈 由 小 量 蛋白 质 稳定 的 三 酰基 甘 胆固醇 的 八 碳 侧 链 。 油 微粒 ) 而 帮助 脂 类 的 吸收 。 在 脂 类 吸收 时 ， 胆 汁 酸 大 部 SREB 胆固醇 本 cH, OH CHCH,CH,COOH euch cHlekea | CH; HO” i H OH fa Bi 7- 羟 基 胆固醇 Mg OH R Sy 34,745 12a = BB he por: AMP,PP, - 谷 氮 酰 磷酸 ] 二 NEHa= 一 谷 氨 酰胺 十 Pi 谷 氮 酰胺 合成 酶 的 专 一 性 `\ 动 力学 ,和 作用 机 制 等 ，A. Meister 和 他 的 同事 们 已 作 了 极 详 细 的 研究 。 底 物 专 一 性 的 广泛 研究 已 经 使 我 们 有 可 能 画 出 酶 的 活性 部 位 图 。 现 已 证 明 , 活 性 部 位 与 谷 氮 酸 分 子 延 伸 的 构 型 在 三 个 部 位 上 结合 ， 即 在 两 个 羧基 上 和 一 个 氨基 上 。 奇 怪 的 是 酶 既 能 接受 谷 氮 — RRB limi Ft. FESR HE ae Me BE 5 TE 9 ld Se EH SYA] EIR AX, 将 在 本 章 的 后 面 讨论 。 谷 氮 陛 胺 合成 酶 也 参 人 从 游离 气 转 变 成 氨基 酸 o 氨 基 的 反应 ， 因 为 此 酶 可 以 协助 由 黄 素 酶 一 一 谷 氮 酸 合成 酶 所 催化 的 把 游离 的 氨 转 变 为 谷 氨 酸 叶 氮 基 的 反应 。 on ip A 谷 氨 酸 + ATP + NH; pa nabs SAM + ADP 十 Pi 谷 氮 酰胺 + o- 酮 戊 二 酸 + NADPH + Ht 谷 氨 酸 合成 栈 2 谷 氮 酸 十 NADP+ iA EIB 25-2 所 示 途 径 从 谷 氨 酸 合成 的 。 推 想 谷 氮 酸 的 .Y- 羧 基 是 通过 与 糖 酵 解 的 逆 过 程 中 的 3- 磷 酸 甘油 酸 还 原 成 甘油 醛 3- 磷 酸 相 类 似 的 反应 ， 首 先 在 ATP 的 作 ”用 下 磷酸 化 ,再 通过 NADH 或 NADPH 还 原 。 这 个 顺序 的 终 末 产 物 ，L- 且 氨 酸 , 是 第 一 步 反应 的 别 构 抑 制 物 。 胶原 蛋白 和 少数 的 其 他 纤维 蛋白 中 存在 的 4- 羟 睛 氮 酸 残 基 是 通过 且 氨 酸 4- 单 加 氧 酶 的 作用 从 某 些 与 蛋白 质 结合 的 且 氨 酸 形成 的 ，4- 单 加 氧 酶 仅仅 作用 于 已 结合 到 多 肽 链 中 的 且 氨 酸 残 基 。 这 个 混合 功能 加 氧 酶 利用 o- 酮 戊 二 酸 作为 辅 还 原 剂 。 fp ABR RFE 十 O, + o- 酮 戊 二 酸 十 CoA 一 一 > 4—FA AG AG RIL 十 琥珀 酰 -CoA 十 CO, + H,O 此 反应 需要 Fest 和 抗坏血酸 作为 辅助 因子 。 丙 氨 酸 \ 门 冬 氨 酸 和 门 冬 酰胺 在 大 多 数 有 机 体 中 ， 通 过 谷 氮 酸 与 丙酮 酸 及 草 酰 乙酸 的 转 氨 基 作用 形成 丙 氨 酸 和 门 BAB 十 AAR o- Mi KOR 十 RAR SAR + BR CB == o- 酮 戊 二 酸 + 门 冬 氮 酸 以 谷 氮 酸 作为 氮 基 供给 体 的 转氨酶 的 性 质 将 在 别处 叙述 。 在 某 些 植物 中 ， 可 以 通过 类 似 于 谷 氮 酸 脱 氨 酶 的 反应 与 氨 进 行 还 原 氨 化 作用 而 形成 丙 氨 酸 和 门 冬 氮 酸 。 了 门 冬 气 酸 是 门 冬 酰 胺 的 直接 前 身 物 ， 门 冬 酰胺 合成 梅 催化 的 这 个 反应 的 机 制 与 谷 所 酰胺 合成 酶 相 类 似 : NH; + [J&R 十 ATP —> 门 冬 酰 胺 十 ADP 十 P; 在 某 些 有 机 体 中 可 以 有 另外 的 途径 ,通过 门 冬 酰 胺 合成 酶 (水 解 谷 氮 酰 胺 的 ) 的 作用 ， FOR ABE RAB RSE BIR ARR PORE LMI IIR EK ATP + 谷 氮 酰 胺 + IZ ARAB + ABR + AMP + PP, 酷 氨 酸 是 由 必需 氨基 酸 葵 丙 氮 酸 通过 葵 丙 氮 酸 4- 单 加 氧 酶 所 催化 的 羟 化 反应 形成 的 。 前 面 已 知 此 酶 参加 葵 丙 氮 酸 的 降解 。 这 个 混合 功能 的 加 氧 酶 需要 NADPH 作为 辅 还 原 剂 ,二 氧 生物 蝶 叭 作为 辅助 因子 ,如 别处 所 概述 那样 。 总 反应 为 : AAR + NADPH + H+ 十 0 一 > 酷 氨 酸 十 NADP+ + H,0 共 丙 氨 酸 的 生物 合成 将 在 下 面 讨 论 。 * 605。 丝氨酸 和 甘氨酸 作为 甘氨酸 和 半 胱 氨 酸 的 前 身 物 玉 丝 氨 酸 是 通过 图 25-3 所 显示 的 途径 从 它 的 主要 来 源 3- 磷 酸 甘 油 酸 形成 的 。 糖 酵 解 的 中 间 产 物 3- 磷 酸 D- 甘 油 酸 通过 磷酸 甘油 酸 脱 氢 了 酶 的 作用 消耗 了 NAD 氧化 生成 3- 磷 酸 羟基 丙酮 酸 。 3- 磷 酸 产 基 丙酮 酸 经 谷 氨 酸 的 转 氨 基 作 用 生成 3- 磷 酸 丝氨酸 ， 后 者 在 磷酸 丝氨酸 磷酸 酶 的 作用 下 水 解 形成 游离 的 L- 丝 所 酸 。 OH HO—P—O—CH,—CH—COOH 形成 丝氨酸 的 另 一 途径 是 ,从 D- 甘 油 酸 形成 i: oa Se pone 的 羟基 丙 酸 酮 与 甘氨酸 或 两 氨 酸 进行 转 氨 作 用 分 ce | Bll 4: R22 SE AL 磷酸 甘油 酸 NADH} eal y i 2 Ws 7, RED or 羟基 丙酮 酸 + 甘氨酸 二 HO—} 20 Soe coeN 丝氨酸 + CRB 1 上 9 3 pn yz 3k TARA 丝氨酸 = 丙酮 酸 转氨酶 羟基 丙酮 酸 + A 二 一 磷酸 丝氨酸 a- 柄 成 二 酸 ] EN 22 SAS 十 丙酮 酸 OH 甘氨酸 可 由 二 氧化 碳 和 氨 在 甘氨酸 合 酶 的 作 ef 用 下 形成 ,此 酶 是 一 个 需要 磷酸 吡 哆 醛 的 酶 , 它 能 催化 可 道 反应 ; HiO | want CO; + NHs 十 N5， Na 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 十 NADH P, HO—CH,—CH—COOH NH, 丝氨酸 图 25-3 从 3- 磷酸 甘油 醛 生物 合成 工 -丝氨酸 + Ht— Hee 十 四 氨 时 酸 + NAD* 在 兰 椎 动物 的 肝脏 中 这 似乎 是 主要 途径 。I- 丝氨酸 在 丝氨酸 羟 甲 基 转 移 酶 的 作用 下 也 可 以 形 成 甘氨酸 ， 此 酶 能 催化 丝 氮 酸 的 8- 碳 原子 转移 给 PIO AUTH Fig A= GN? NFA efi SE PS L-2 Am + AMR mR + N,N PEAR TA 70 He IQ Wie ee AT SEAT, Tt Sa 4 ARR — AR PRR RE RE AE OY BR 酶 的 结构 和 各 种 功能 将 在 别处 叙述 。 半 胱 氨 酸 半 胱 氨 酸 不 是 一 个 必需 氨基 酸 ， 但 在 哺乳 动物 中 它 来 自 于 必需 氨基 酸 蛋 毛 酸 和 非 必 需 氮 基 酸 丝氨酸 。 在 这 个 途径 中 ,蛋氨酸 的 硫 原 子 取代 了 丝氨酸 羟基 中 的 氧 原 子 , 于 是 丝 氮 酸 转变 为 半 胱 氨 酸 。 这 个 过 程 常 常 称 为 转 硫 作用 。 这 个 序列 的 第 一 步 是 蛋氨酸 先 失去 了 了 硫 原子 上 的 甲 基 变 成 同型 半 胱 氨 酸 。 此 转变 可 分 为 三 个 或 更 多 个 步骤 进行 ， 第 一 步 需 要 ATP 使 蛋氨酸 在 由 G. Cantoni 和 他 的 同事 们 所 提出 的 一 个 十 分 少见 的 反应 中 转变 成 活化 形式 一 一 S- 腺 蔡 基 蛋 所 酸 ,在 此 反应 中 ATP 的 腺 背 基 转移 至 蛋氨酸 上 : IL- 蛋 氮 酸 十 ATP 一 >S- 腺 背 基 蛋 氮 酸 + PP, + P; S- 腺 背 基 蛋氨酸 是 一 个 重要 的 生物 甲 基 化 剂 。 附 着 在 有 高 能 特性 的 镜 键 上 的 甲 基 , 当 有 适当 的 酶 存在 时 ， 可 以 授予 许多 不 同 的 甲 基 受 体 中 的 任何 一 个 , 剩 下 S- 腺 苷 基 同 型 半 * 606» 胱 氨 酸 成 为 去 甲 基 产 物 。 然 后 S- 腺 苷 同型 半 胱 氨 酸 被 水 解 生成 游离 的 同型 半 胱 氨 酸 。 半 胱 氨 酸 合成 的 第 三 个 阶段 是 ,， 同 型 半 胱 氨 酸 在 胱 硫 醚 所 合 酶 的 催化 下 与 丝氨酸 反 应 生成 胱 硫 醚 : 同型 半 胱 氨 酸 十 丝氨酸 一 胱 硫酸 + HIO 最 后 一 个 阶段 是 , 胱 硫 醚 在 一 个 需要 吡 哆 醛 磷酸 的 胱 硫 醚 >- 裂 解 酶 的 催化 下 有 裂解 生 成 游离 的 半 胱 氨 酸 ,与 ofl T ARAN NH 5 cH,—S— CH,CH,CHCOOH 必 RB 其 他 产物 : ATP + H,O 蛋氨酸 腺 攻 De meee Tc 是 酸 二 NH; + jt aa BR P+ Pp, <| feb Mé DER EE BR 7-2 RAY Fl] 1 pone 抑制 物 。 合 成 半 胱 氨 酸 的 总 方程 式 为 : EN 一 人 = aie 十 ATP 十 . 甲 基 受 体 十 HO ih 十 丝氨酸 一 半 胱 氨 酸 十 甲 基 化 的 受 体 时 S- 腺 苷 蛋氨酸 十 腺 昔 + o- 酮 丁 酸 十 NHs te O. psy +PP; + P; 3 H Hf s 于 同型 半 胱 氨 酸 OH OH AB a ee 甲 基 受 体 ial H,O 甲 基 化 受 体 和 H,N—C—H cool als eres CH, cH L-Pt ree o s- 腺 昔 同型 on anes Fa tea COOH OH OH Ps we 3 | NHs H,0 Brae Les mss 半 胱 所 soil ee a el ante Tope CH, ARIE REAR Hei ais CH, COOH 25-4 ”从 蛋氨酸 合成 半 胱 氨 酸 的 途径 在 这 些 反 应 中 的 关键 性 中 间 产 物 胱 硫 醚 有 二 个 不 对 称 的 中 心 ， 于 是 就 有 四 个 立体 异 XR. L, D, L- 别 和 D- 别 ,而 仅仅 只 有 I- 形 的 有 生物 活性 。 在 哺乳 动物 中 胱 硫 醚 的 唯 一 功能 是 作为 转移 蛋氨酸 的 硫 原 子 形成 半 胱 氨 酸 的 中 间 产 物 。 在 人 的 脑 组 织 中 胱 硫 醚 的 含量 较 高 , 但 是 在 较 低级 的 脊椎 动物 中 含量 却 较 低 。 当 人 先天 性 的 缺乏 胱 硫 醚 合 酶 将 会 出 现 智力 缺陷 ;在 这 类 遗传 性 紊乱 的 病人 ,不 用 的 同型 半 胱 氨 酸 以 同型 腕 氨 酸 的 形式 在 尿 中 排出 称 为 同型 胱 氨 酸 尿 症 。 在 另外 一 种 缺乏 胱 硫 醚 >- 有 裂解 酶 的 遗传 疾病 的 病人 的 屎 *。 607 « HA IDE tie Bie HE i CIDE Tt AK IR TIE ) 0 在 某 些 微生物 中 ， 半 胱 氨 酸 是 从 丝氨酸 通过 由 一 个 需要 吡 哆 醛 磷 酸 的 酶 半 胱 氨 酸 合 酶 所 催化 的 不 同 途径 形成 的 。 EL- 丝氨酸 + HS= 工 - 半 胱 氨 酸 十 H2O 半 胱 氛 酸 和 有 蛋 气 酸 的 有 机 硫 的 来 源 半 胱 氨 酸 和 蛋氨酸 的 有 机 硫 原 子 生 物 学 上 来 源 于 各 种 不 同 的 无 机 形式 ,如 SO 8,07" HS 和 甚至 元 素 硫 ， 有 些 细 菌 能 将 硫 原 子 氧化 成 硫酸 盐 。 许多 微生物 和 植物 能 导致 硫酸 盐 和 硫 代 硫 酸 盐 的 酶 促 还 原 而 生成 HS， 然 后 HS 通过 下 列 反应 转变 成 半 胱 氨 酸 的 琉 基 。 L= 丝 氨 酸 十 乙酰 CoA 一 一 >O- 乙 酰 丝 氮 酸 十 CoA O- 乙 酰 丝氨酸 十 HS= 一 半 胱 氨 酸 十 乙酸 十 HO 这 些 反应 是 分 别 由 丝 氮 酸 乙酰 基 转 移 酶 和 半 胱 氨 酸 合 酶 所 催化 的 。 还 有 利用 HS 的 另 一 类 反应 是 由 需要 吡 哆 醛 磷酸 的 胱 硫 醚 yx- 裂解 酶 所 催化 的 ,此 酶 既 作 用 于 [或 形成 ] 胱 硫 醚 ,也 作用 于 [或 形成 ] 半 胱 氨 酸 。 丙酮 酸 + NH; 十 HS= 僵 半 胱 氨 酸 十 HO 必需 氨基 酸 的 生物 合成 人 和 大 日 鼠 营养 上 必需 的 氨基 酸 的 合成 途径 ， 主 要 是 从 细菌 的 生物 化 学 和 遗传 学 研 究 中 推论 出 来 的 。 一 般 说 来 ,在 大 多 数 种 类 的 细菌 和 高 等 植物 中 , 这 一 类 氮 基 酸 的 生物 合 成 途径 即使 不 完全 相同 ,也 是 很 相 类 似 的 。 但 是 ,有 时 在 某 些 个 别 步骤 上 ,了 地 有 种 属 差异 。 生物 合成 必需 氨基 酸 的 途径 (5 一 15 个 步骤 ) 比 合成 非 必需 氨基 酸 ( 大 多 数 少 于 5 THR) 要 长 些 ,也 更 复杂 些 。 苏 氨 酸 和 蛋氨酸 这 两 种 必需 氨基 酸 有 一 共同 点 : 它们 的 四 碳 骨 架 来 自 于 同型 丝氨酸 ， 即 丝氨酸 的 四 碳 类 似 物 。 同 型 丝氨酸 的 碳 链 ,又 是 从 门 冬 氨 酸 通过 一 系列 反应 (图 25-5) 衍生 出 来 ， 这 些 反 应 不 发 生 在 哺乳 动物 中 。 门 冬 氮 酸 的 6- 羧 基 还 原 成 醛 的 反应 途径 是 经 过 一 种 酰基 础 酸 作 为 中 间 产 物 而 发 生 , 与 3- 磷 酸 甘 油 酰 磷酸 由 甘油 醛 3- 磷 酸 脱 氢 酸 所 催化 还 原 成 甘油 RE 3- 磷 酸 相 似 。 然 后 ,通过 二 个 还 原 步 又 形成 的 同型 丝氨酸 , 在 一 个 需要 ATP 的 反应 中 〈 图 25-5) 磷酸 化 成 同型 丝氨酸 磷酸 。 同型 丝氨酸 磷酸 在 一 种 需要 吡 哆 醛 磷 酸 的 酶 即 苏 氮 酸 合 酶 (图 25-6) 的 催化 下 转变 成 苏 氮 酸 。 据 信 在 有 几 个 步 又 的 复杂 反应 中 , 底 物 的 AEA Schiff 氏 碱 的 形式 与 酶 的 吡 哆 醛 磷 酸 的 醛 基 相 结合 ,这 个 络 合 物 中 的 oA 是 很 不 稳定 的 《图 25-6)。 SEI ROE — AOS Ha HE Va TFA CM 25-5 )o 合成 苏 氨 酸 的 另 一 sesh — SA SE REZ GEA DERE IEF 7 ie CR + HAR 一 工 - 苏 氨 酸 * 608» COOH H,N—CH 门 冬 氨 酸 CH, COOH ATP 和 有 门 冬 氨 酸 激酶 | ADP | OH | COOH | NOH CHO) OH 疝 型 丝氨酸 | me (Prerhab te p- 门 冬 氨 酰 碘 酸 Gh 0 DRE — mb BE | 人 H—C—N=CH—) Wi -Bkay —O—PO,H, I i ooH O | NADPH TY 1128 | Tk ape 半 醛 脱 气 栈 on ; COOH Giga EOF | BNO on O Ch TR BEE, -一 cr 全 | CH 4 COOH | I | ro | NADH | 同型 丝氨酸 a NAD* 脱氧 酶 i 2 COOH rr 1 C=N—CH,—) « | H,N—CH : be 同型 丝氨酸 COOH ! bien oS | ATP caves scp CH ADP | 激酶， ey | COOH HC—N=CH—() 1 q 和 同型 丝氨酸 三 酸 : COOH | CH, ; | 1 CH;—O—PO,H, | CH, | H,O | Diu. HO—CH et Pt =. | ql HC—NH, ! | COOH COOH 1 Rag as a 苏 拨 酸 + a i O=CH—E) © 游离 本 CHs 图 25-7 从 门 冬 氨 酸 合成 苏 氨 酸 图 25-6 KARAM RI 同型 丝氨酸 转变 成 蛋氨酸 〈 图 25-7) 是 从 琥珀 酰 CoA 的 琥珀 酰基 转移 到 同型 丝氨酸 上 酶 促 形 成 O- 琥 珀 酰 同型 丝氨酸 开始 的 。 在 下 一 个 反应 中 , 半 胱 氨 酸 从 O- 琥 珀 酰 同型 丝氨酸 置换 了 琥珀 酸 , 而 形成 胱 硫 醚 。 后 者 在 胱 硫 醚 6- 有 裂解 酶 的 作用 下 ，, 依次 水 解 生成 同 型 半 胱 氨 酸 \ 丙 酮 酸 和 NHs。[ 回 顾 胱 硫 醚 在 胱 硫 醚 7- 有 裂解 酶 的 作用 下 ,在 硫 原子 的 另 一 侧 也 能 够 腹 解 生成 半 胱 氨 酸 ]。 因 为 同型 半 胱 氨 酸 能 够 甲 基 化 形成 蛋氨酸 ,很 明显 胱 硫 *。 609。 醚 可 作为 植物 和 细菌 中 把 半 胱 氨 酸 转变 为 蛋氨酸 以 及 在 哺乳 动物 中 把 蛋氨酸 转变 为 半 胱 氮 酸 的 中 间 产 物 。 在 大 肠 杆菌 中 ， 同 型 半 胱 氮 酸 通过 从 IY- 甲 基 四 氢 叶 酸 转移 甲 基 使 之 甲 基 楷 成 为 蛋 BARR 这 大 概 是 N- 甲 基 四 氢 叶 酸 提 供 甲 基 的 唯一 反应 。 在 某 些 特殊 的 情况 下 ， 需 要 四 基 凶 胺 素 一 一 一 种 甲 基 碳 原子 直接 与 钴 结合 的 维生素 Bu 的 形式 一 一 作为 转移 甲 基 的 中 CH, ”同型 半 胱 氨 酸 式 , 然后 脱羧 以 生成 - 赖 氨 酸 。 通 过 此 途径 生物 合成 的 赖 氨 酸 是 门 冬 氨 酸 激酶 的 一 种 同 荔 酶 的 反 馈 抑 制 物 。 请 回忆 门 科 氨 酰基 础 酸 也 是 苏 氨 酸 的 前 身 物 ， 而 且 苏 氨 酸 能 抑制 门 冬 氨 酸 激酶 的 同 功 酶 。 催 化 从 门 冬 氨 酸 半 醛 到 赖 氨 酸 的 全 套 酶 的 合 CH.OH 间 产 物 。 其 它 为 蛋氨酸 生物 合成 直接 提供 甲 基 的 oH BA ASE A — FH SE Ee (A 25-8): 9 HONEA fea aR ee ll 甜菜 碱 +] USE BE —— css 让 jae 二 甲 基 甘 氨 酸 + L—- | CoA 二 甲 基 唆 亭 -同型 半 ， 二 甲 基 哮 亭 + aK pe AE TAROM le a de, OM BSA EI TTR Ce tha H | | 丝氨酸 Bienes CH, Sw I COOH COOH | 人 om 有 了 两 条 合成 赖 氨 酸 的 主要 途径 》 一 条 通过 二 wa 氨基 庚 二 酸 , 是 细菌 和 高 等 植物 中 的 主要 途径 。 另 eee te 一 条 通过 REC I, CRASH MBE | He-Ne, Loon ae / CooH BEB A onine — AGE RXR AE A H.0 ie Fri, Ze EES AI ok Tn RRA T= enn 2, AINE RAR. ERT, Tem ss L, L-o, 6 —REROM, BHRERAWN HR CH, BY Ab Dp VAHL AS El i ARAM Hill o 、 ta 蛋氨酸 CH cH, GH,” a a es I a ee | 3 Ou, CH,--N+—CH, \gt7 | | aes CH, cH, COOH | | COOH COOH 25-7 ”同型 丝氨酸 转变 成 蛋氨酸 。 和 蛋 氢 ue u 酸 的 硫 原 子 来 自 半 氨 酸 。 而 碳 链 来 自 同型 丝 Hl ik — FEES 氨 酸 。 图 25-8 蛋氨酸 生物 合成 的 其 它 甲 基 供 给 体 氨基 已 二 酸 途 径 从 乙酰 CoA 和 o- 酮 戊 二 酸 开 始 , 在 与 从 柠檬 酸 到 性 酮 成 三 酸 的 三 羧 酸 循环 反应 相 类 似 的 反应 中 ,经 过 同型 异 柠檬 酸 到 o- 酮 基 已 二 酸 。 o- 酮 基 己 二 酸 氮 基 化 成 呈 氨 基 己 二 酸 , 最 后 变 成 L- 赖 氨 酸 。( 图 25-9) 。 610。 een ee ee ee ee a a rr te a et = ee re i ee va 二 氨基 庚 二 酸 的 途径 (细菌 ) 门 冬 氨 酸 ATP 氨基 已 二 酸 和 途径: CBE) = = TS > RM 门 冬 氢 酸 激 梅 7 43 氨基 已 二 区 ADP aR AR oii same} $A N 门 冬 酰 磷酸 。“ 乙 陀 -CoA、| jay rr ete are NADH ahs 品 NAD* COOH Na 2 1 CH, ) 大 让 1 氨基 已 二 酸 TVS HEE seg : i “ * : N P 丙 酮 酸 ~| — AE “aE [rl rts ) Semen Be cis fan ee coor ay iia ATP 时 sk 2, 3-— Ame COOH NADPH ee HOOC~ NA “COOH FRE 同型 顺 乌 头 NADP* ¢ NADPH 和 A:- 四 气 吡 啶 -2,6- 酸 水 化 酶 P,+ ADP NADP+ 二 羧 酸 脱 气 酶 Vs daa go 本 Gh CH A'— pasa 4 » 2,6-— ie ii ae oe HOOC~ ~N* “COOH ue—coon ”同型 异 柠 榜 酸 Ct ERE BREUER -CoA \ 天 曲目 CHNH, | 9 N- 5 F9RG-2- 氨基 - 6- 酮 基 -L- 庚 二 酸 COOH deck COOH Clue ] 琥珀 酰 -二 氨基 庚 谷 所 = SPER NADPH ~) ## eMart —ae 二 酸 转 氨 栈 母 氨 酸 脱 所 本 二 NAD(P)H “| Bis ? NADP+ <) (URE RH) COOH COOH bay 0 H.N—CH CH, ie zi 4 ers H,C—NH—C—C (CHa)s CH, -起 区 2,6 上 7 7 7 cH—NH-cC=6" HD He—COOH 草 酰 成 一 酸 i 人 OOH o=¢ i | ia MAAR SPM -— ARB 2 ee, -| Re BE ME GE aoa belo, COOH | | co; COOH ae, ) Lyra, e-— ?oo8 pet AER SAL BLASS ag 基 庚 二 酸 NADPH CH 酸 HC 一 NH， ro 页 皮 二 本 GERM) COOH . w- 硼 已 二 酸 EN 二 oe CH, ZF ots 过 内 消 旋 -ae- 二 氨基 庚 酸 | A i , eee COOH cH, MAR oo Sat HC—NH, eS docket CH — HC—NH, 1A COOH 25-9 赖 氨 酸 合成 的 两 条 途径 e611 GAB . 异 亮 氨 酸 和 亮 氨 酸 含有 分 支 脂肪 族 R 基 的 这 三 个 氨基 酸 是 通过 类 似 的 途径 合成 的 。 由 同一 组 酶 所 催化 的 到 达 缚 氮 酸 和 蜡 亮 氨 酸 的 途径 是 分 别 由 o 酮 酸 一 丙酮 酸 和 cx- 酮 丁 酸 开 始 的 ,对 它们 加 上 以 o- 羟 乙 基 硫 胺 素 焦 磷酸 形式 从 丙酮 酸 衍生 出 来 的 活性 乙 醛 基 。 这 些 产 物 是 相应 的 oa- 酮 -o- 产 酸 (图 25-10)。 后 者 经 受 有 甲 基 或 乙 基 同时 发 生 移 位 的 还 原作 用 ,此 作用 在 形 式 上 与 乙 酮 醇 重 新 排列 相似 。 然后 这 些 产物 脱水 生成 异 亮 氨 酸 和 统 氮 酸 的 or- 酮 类 似 物 ， 后 者 通过 转氨酶 氨基 化 。 (A 25-10) 亮 氨 酸 的 形成 (FA 25-11) Mo 酮 异 戊 酸 与 乙酰 辅酶 A 缩 合生 成 呈 异 丙 基 苹果 酸 开 始 。 随 后 的 步骤 与 三 羧 酸 循环 中 从 柠檬 酸 到 o 酮 戊 二 酸 的 步骤 相似 s 在 细菌 中 的 细 氨 酸 , 异 亮 氨 酸 和 亮 氨 酸 的 生物 合成 的 第 一 步 受 终 未 产物 的 反馈 抑制 。 FAL AT oa = aie BS 丙酮 酸 | CH,—CH,—C—COOH 再 责 本 i aM TB | ———— > MZ FLA | CO, gee } CH, | CO, <“| & & = ee | CHs 1 有 人 4 | La CH—-Cle—coon ie HE a : en le re 1 | ces | 乙酰 乳酸 mutase NAD(P)H | | DRM NAD(P)H \ . NAD(P)* | 还 原 酶 | NAD(P)* _ CH; H | nage | 一 wry ee COOH pi? | CH,CH,—C b-—coon eSB | OH OH | er I 7 8- 甲 其 成 酸 = Hh 和 | H,0 | 脱水 酶 | =e | H,O “| 脱水 酶 | ve CH | Bat tu o-tooy “- 酮 异 成 酸 | Ve cx- 酮 -8- 甲 基 | | CH,CH;—C—¢—COOH 【成 酸 | I H eS 统 氨 酸 公 | LD 谷 氨 酸 ~| ss xy 1 c- 酮 戊 二 酸 | HANS | CH, | \--cr bu CH—COOH 氨 酸 证 oe oa \—-- cH, —CH,—CH—C—COOH RHEE 2 NH, 图 25-10 ”合成 顷 氮 酸 和 蜡 亮 氨 酸 的 途径 乌 氨 酸 和 精 氨 酸 在 许多 种 生物 中 , 乌 氮 酸 是 精 氮 酸 的 前 身 物 。 虽 然 岛 氨 酸 能 在 Krebs 尿素 循环 进行 中 被 哺乳 动物 转变 为 精 氢 酸 ， 但 后 者 在 精 氮 酸 酶 的 作用 下 , 迅速 分 解 而 形成 尿素 和 鸟 氮 酸 ， *， 612 ， 故 可 用 于 合成 蛋白 质 的 鸟 氨 酸 的 量 是 不 足 的 。 因 此 , 精 氮 酸 是 哺乳 动物 中 一 个 必需 的 氨基 酸 。 在 细菌 和 植物 中 ， 鸟 氮 酸 是 通过 二 个 一 般 的 途径 从 谷 氮 酸 合成 的 ; 其 主要 途径 显示 于 图 25-12。 L- 谷 氨 酸 CHs 乙酰 -CoA - 半 醛 。 N- 乙 酰基 看 来 能 防止 谷 氨 酸 半 醛 发 生 自 发 的 环 化 。 这 个 反应 序列 组 成 N- 乙 酰 鸟 氨 酸 循环 。 在 某 些 有 机 体 中 , 鱼 氨 酸 是 通过 转 氨 基 作用 把 毛 基 从 不 同 的 氨基 酸 转 到 L- 谷 氨 酸 7- 半 醛 而 生成 的 。 谷 氨 酸 半 醛 十 门 冬 氨 酸 SEES 怨 氨 酸 十 草 酰 乙 酸 通过 这 些 途 径 形成 的 鸟 氨 酸 , 沿 尿素 循环 反应 转变 成 精 氨 酸 ， 这 在 .21 章 中 叙述 得 更 详细 : 鸟 氨 酸 + 氨 甲 酰 磷 酸 一 瓜 氨 酸 十 Pi “613 。 CH.—(P) HO fe) HO — K OH OH OH ©” N° ONN'-(5'-6R o)-ATP OH OH, NIN-(5 一 磷酸 核糖 )-AMP H,O~| RR R-AMP TRAC BE ZK BS hs CONH; Si Rs N RCOH ES ig MPM WR PH HCoH | N | err a HCOH 核糖 e—(P) 核糖 酸 CH,OPO,H; eR AK FF 3 - SA ER Poh BIE CONH, _ H,C—_—_— NH N LS de BO HF BW Pre ge ~5 Fa Sk: DRE ME A Hoe | 核 苷 酸 HCOH Bi: —® CH,OPO,H,; 谷 氨 酰胺 CONH; N 谷 氨 酰胺 | x 5 FATE WK MY -4-FB REAR REE) | BK HN | et iO) BAR 咪唑 甘油 磷酸 一 二 一 一 一 一 二 一 一 一 一 一 一 二 一 四 于 一 一 十 本 -一同 二 一 一 ep ee: 咪唑 甘油 H:O ‘DARE Ihe 7k Bis c=o N HOH L$ HCNH, CH,OPO,H, CH, L- 组 氨 醇 CH,OH NAD* ~ sf a4; NADH 过 | 脱 乞 酶 “ HCNH,; CHO H,O, NAD* NADH ARKH Le MERRIE ARM 工 组 氨 屋 25-13 组 氮 酸 的 生物 合成 @ 提 供 磷酸 基 Mame 十 门 冬 氮 酸 十 ATP — 精 氮 琥珀 酸 十 AMP + PP; 精 氮 琥珀 酸 一 精 氨 酸 十 延 胡 索 酸 因为 许多 细菌 缺乏 精 氮 酸 酶 ,所 以 这 条 途径 可 得 到 精 氮 酸 的 净 合 成 。 。614 。 组 氨 酸 组 氨 酸 生物 合成 途径 这 一 艰巨 的 生化 问题 是 通过 B. Ames 等 人 利用 鼠 伤寒 沙门 氏 莫 和 大 肠 杆 菌 的 变种 所 做 的 一 系列 出 色 的 研究 才 得 到 解决 的 。 组 氨 酸 形成 的 途径 见 图 25- 13 , 它 包括 许多 最 不 常见 的 和 复杂 的 反应 。 第 一 步 特 别 新 奇 ， 即 5 磷酸 核糖 ]- 焦 磷酸 与 ATP 发 生 这 种 方式 的 反应 》 以致 前 者 失去 了 焦 磷酸 基 团 , 而 5- 磷 酸 核糖 那 部 分 则 与 ATP ROMER ESS 1 位 氮 原 子 形 成 N- 糖 基 键 。 通 过 对 此 反应 的 追踪 ,已 经 发 现 三 夏 侧 链 和 组 氨 酸 咪 只 环 上 的 两 个 碳 原子 都 是 从 5- 磷 酸 核糖 部 分 来 的 。 咪 哗 环 的 二 N 一 C 一 结构 之 一 ， 来 自 ATP 的 腺 嘲 叭 ,而 环 中 的 其 他 氨 原 子 则 是 在 ATP 的 腺 味 吟 环 经 过 一 个 不 寻常 的 酶 促 分 解 后 从 谷 氨 酰胺 的 酰胺 氮 来 的 。 正 如 我 们 将 在 第 26 BrP BHAI, PRM HATE 余 碎 片 事实 上 保存 了 可 以 作为 厌 叭 的 前 身 物 再 利用 ;很 明显 ,在 组 氨 酸 生物 合成 中 没有 什 么 副 产 物 是 废弃 的 。 事实 上 ,组 氨 酸 和 味 叭 环 的 生物 合成 是 联系 在 一 起 的 。 另 一 个 值得 注意 之 点 是 组 氨 酸 的 羧基 显然 在 一 个 酶 的 作用 下 , 由 相应 的 -氨基 醇 即 组 氨 醇 经 过 一 种 “二 步 氧化 而 形成 ,而 几乎 所 有 其 他 氨基 酸 的 羧基 却 都 来 自 相应 ARE 生成 组 氨 酸 的 一 系列 反应 的 第 一 步 ， 是 由 一 个 别 构 酶 即 ATP 磷酸 核糖 基 转 移 酶 从 化 的 ,该 酶 受 反应 序列 的 终 未 产物 组 氨 酸 所 抑制 ,而 且 整 个 酶 系 受 协调 阻 抑 ， 即 当 培养 基 中 有 过 剩 的 组 氨 酸 存在 时 ， 组 氨 酸 形成 的 全 套 酶 类 的 生物 合成 受到 阻 抑 。 我 们 将 会 在 后 面 知道 从 对 组 氨 酸 操纵 子 《his operon), 即 为 这 组 9 个 酶 编码 的 DNA 节 自 的 遗传 学 研究 中 ,已 经 获得 了 关于 酶 系 生物 合成 调节 的 十 分 重要 的 信息 。 HER ABBR £ NS mk AARBNERR 由 纯粹 的 脂肪 族 前 身 物 形成 其 芳香 环 这 一 机 制 是 这 些 氨基 酸 的 生物 合成 的 最 值得 注 意 的 方面 。 这 些 反 应 的 途径 (图 25-4), 是 从 其 生长 需要 苯 丙 氨 酸 、 栈 氮 酸 和 色 氢 酸 的 大 肠 杆 菌 和 产 气 杆菌 的 营养 缺陷 型 突变 体 上 所 做 的 实验 推断 出 来 的 B. D. Davis 曾 做 过 重 要 的 观察 ， 发 现 某 些 高 等 植物 内 富 含 的 一 种 氢化 芳香 酸 一 荞 草酸 可 以 代替 芳香 族 氨基 酸 维持 这 些 突变 体 的 生长 。 进 一 步 研究 与 匡 草 酸 相关 的 化 合 物 以 测定 其 维持 这 些 突变 体 生 长 的 能 力 , 以 及 D. B. Sprinson 所 作 的 同位 素 实验 , 终于 揭示 了 芳香 族 氨基 酸 生物 合成 的 途径 。 在 以 莽 草 酸 作为 一 种 关键 性 中 间 产 物 的 这 条 途径 中 ,所 运用 的 结构 芳香 化 机 制 , 因 为 它 远 远 超 过 了 郑 香 族 氮 基 酸 的 形成 具有 最 广泛 的 生物 学 意义 。 例 如 正 像 许多 其 他 的 芳 和 理 族 生 物 分 子 如 泛 柄 (辅酶 Q) 和 质 体 醒 素 那样 ， 植 物 组 织 中 大 量 的 木质 素 也 是 通过 莽 草 酸 合成 的 。 木 质 素 是 一 种 多 聚 芳香 族 物 质 , 它 构 成 植物 组 织 中 木质 的 极 大 部 分 。 在 生成 闫 草酸 的 途径 中 ,一 种 磷酸 四 碳 糖 一 -D- 赤 从 糖 4- 磷 酸 一 一 与 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 起 反应 ,生成 磷酸 化 的 七 碳 酮 糖 酸 ; 它 再 环 化 成 5- 脱氧 奎 尼 酸 ,而 具有 一 个 六 碳 脂 访 族 环 。 这 个 中 间 产 物 然后 再 转化 为 莽 草 酸 , 然后 经 过 磷酸 化 的 中 间 产 物 生 成 分 支 酸 [ 和 希腊 文 _fork"]， 在 这 里 有 一 个 重要 的 代谢 分 支点 。 一 条 支 路 通 向 邻 -氨基 茶 甲 酸 , 由 此 再 到 色 氢 酸 ， 而 刀 一 条 生成 类 醒 化 合 物 预 葵 酸 ， 后 者 是 整个 反应 序列 中 的 最 后 一 个 非 芳香 族 化 合 物 。 预 苯 酸 可 通过 两 种 方式 芳 构 化 : 〈1) 脱水 同时 自动 脱羧 生成 茉 丙酮 酸 即 茶 丙 氢 酸 的 aS COOH | BA Giga RG CH, + CHO H i i Se BR —4— ETL HCOH CH,OPO;H, H,O ~ giat-2-88-3-TA pe} BRARARRE I 1COOH C 一 O CH, 3- 脱氧 “as 阿拉 伯 庚 酮 糖 酸 HOCH 7- 确 酸 HCOH HCOH 7 CH,OPO;H; BABE P, Ba HO_ COOH 5- BA BIER | O OH OH NADPH 养 草酸 脱贫 酶 NADP* COOH DFP ER HO OH OH TP i PREM ADP < COOH SPM O OH 3 - 确 酸 HO—P—OH bas O PM AM ~| 丙酮 酰 养 草酸 P 磷酸 合 酶 COOH 5- FRAP Aaa (h Ch AA 3-H O >0+C—COOH HO— ays OH O 分 支 酸 Pi, 和 | 合成 栈 COOH cH, 分 文 酸 So 分 支 本 Oo BARK 变 位 酶 谷 氨 酸 ite HIE 丙酮 酸 i ARE he HOOC_ .CH,CCOOH PAE , 甲酸 TAR " NH; COOH — | 见 图 25-15 ham © tt p23 URAL GAM a-faX— 图 25-14“ 酷 气 酸 、 茉 丙 氨 酸 和 色 氨 酸 的 生物 合成 途径 前 身 胸 ;(2) 通 过 脱 气 和 脱 糊 ， 生 成 对 羟基 茶 丙 酮 酸 即 酷 氨 酸 的 前 身 物 。 催 化 这 个 序列 的 某 些 酶 还 没有 充分 鉴定 。 图 25-15 所 示 从 邻 氨基 葵 甲 酸 形成 色 氮 酸 的 详细 过 程 。 酸 合 酶 催化 , 此 酶 已 受到 相当 重视 ,这 不 仅 是 因为 它 能 催 因为 它 那 具有 酶 活性 的 亚 基 在 分 子 遗传 学 一 条 基本 原理 的 实验 © 616。 这 序列 中 的 最 后 步骤 由 色 氮 化 一 个 重要 的 反应 ， 而且 特 别 是 证 明 中 被 用 作 重 要 因素 ， 这 个 原则 就 是 DNA 内 核 背 酸 三 联 体 的 顺序 与 其 基因 产物 氨基 酸 顺 序 呈 现 一 种 同 线性 。 色 氮 酸 合 酶 是 一 种 需要 吡 哆 醛 磷酸 的 酶 ,其 分 子 量 约 为 135,000, 已 经 分 离 成 晶 形 。 Ele 化 下 面 的 总 反应 : 隐 | 嗓 -3- 甘 油 磷酸 二 丝氨酸 一 色 氮 酸 十 甘油 醛 3- 磷 酸 此 反应 分 两 步 , 中 间 产 物 归 嗓 是 和 活性 部 位 相 结 合 : 隐 | 嗓 -3- 甘 油 磷 酸 一 [ 吗 | 嗓 ] 十 甘油 醛 3- 磷 酸 [ng|We] 十 丝氨酸 一 色 氮 酸 十 HO 大 肠 杆菌 的 酶 含有 四 条 多 肽 链 , 由 能 够 分 离 的 2 条 “ 链 和 2 条 8 链 所 构成 。 ao WHE 能 够 单独 催化 反应 《〈1)， 但 反应 速率 慢 , 而 两 条 & 链 联合 成 为 二 聚 体 户 , 能 催化 反应 (2), 其 反应 速度 也 慢 。 当 “ 链 和 8 链 混合 时 ， 两 反应 的 速度 均 将 显著 增加 。 < 链 与 8 链 以 及 它们 许多 “BIE a FRE NH; COOH PRPP ~| 95 ak 3M fe po 4 GREETS EIN ou HOOC | s HO—!—O— CH, O oO NH Mt NWS Be BCAA) H HB RURA RE COOH ot beeat dtlg NH—CH=C—CH —CH—CH,OPO,H, MiRY SX -1 0-78 RE 氨基 | - BAK RA A va Ts co, 7 Seb ellis n7 OH OH 51% -3- 甘油 磷酸 丝氨酸 BARA EAE 3 -磷酸 H 8a apa N Ni fas Sie 图 25-15 ”从 邻 氨 基 葵 甲 酸 到 色 氮 酸 的 详 HABA. PRPP 系 指 磷酸 核糖 焦 磷 酸 酯 。 (1) (2) D- 赤 葵 精 4 磷酸 a3 RR IRA IR ; 1 I WW Aldolase !sozymes - ~~ => a Ls ue 各 一 一 一 一 一 一 一 一 = / NEC?s / ri | | | / /脱氧 庚 酮 村 | ps y 7 (BE | / 1 | lg) | ee ee act ri / | | ae | deeb § | | / vs FAM | 人 | | | | | | 6 SE aE FA ; | | fe eee : | | MARS : | | | ee 1 | sa bias | 色 氮 酸 上 -地 图 25-16 芳香 族 氨 基 酸 生物 合成 调节 中 的 反馈 控制 。 第 一 步 是 三 个 氨基 酸 合成 的 共同 途径 ,由 磷酸 -2- 酮 -3- 脱 氧 庚 酸 醛 缩 酶 的 三 个 不 同 的 同 功 酶 所 催化 (图 25-142)， 此 类 酶 每 个 受 其 相应 的 专 一 终 末 产 物 抑制 。 这 样 假若 只 需要 制造 一 个 或 两 个 芳香 族 氨 基 酸 时 ， 通 过 此 步骤 的 代谢 流 可 进行 调整 , 这 些 终 示 产物 的 每 一 个 也 能 抑制 相应 的 同 功 酶 的 形成 ,在 分 支 酸 转 变 成 预 葵 酸 时 也 包含 了 两 个 调节 同 功 酶 ,每 一 个 对 这 分 支点 的 终 末 产物 是 专 一 的 。 * 617 突变 体 的 氨基 酸 顺 序 都 已 经 确定 了 。 脉 孢 菌 的 色 氮 酸 合 酶 在 某 些 方面 与 大 肠 杆 著 的 酶 不 同 。 芳香 族 氮 基 酸 生物 合成 的 别 构 调节 在 下 面 叙述 。 氢 基 酸 生 物 合成 的 调节 在 前 面 的 讨论 中 已 经 涉及 到 调节 氨基 酸 生物 合成 的 两 种 一 般 机 制 : (1) 别 构 或 反馈 抑制 ;(2) 阻 过 氨基 酸 合成 途径 中 一 个 或 数 个 酶 的 生物 合成 ， 因 而 降低 了 它们 在 细胞 中 的 浓度 。 由 终 示 产物 对 生物 合成 序列 中 的 第 一 个 反应 的 反馈 抑制 能 产生 对 生物 合成 的 精细 调节 , 因为 它 能 每 一 秒 一 秒 地 调节 氨基 酸 的 生物 合成 速率 ,达到 生物 合成 的 最 终 产 物 的 稳 态 水 平 。 在 细菌 申 氨基 酸 生物 合成 的 别 构 控 制 特别 显著 ,因为 它们 保存 氮 源 的 基本 需要 。 在 哺乳 动物 组 织 中 氨基 酸 生 物 合成 的 别 构 调节 看 来 并 不 十 分 显著 。 第 三 各 控制 币制 即 酶 合成 的 阻 过 通常 说 它 能 产生 “ 粗 ” 控 制 。 这 种 控制 是 经 过 改变 DNA 转录 速度 或 信使 RNA 的 翻译 速度 , 来 改变 酶 的 合成 速率 的 。 酶 合成 的 阻 过 与 解 阻 遏 对 变化 了 的 代谢 条 件 的 反应 来 说 要 比 调节 酶 的 反馈 抑制 慢 。 酶 合成 的 阻 过 有 另外 的 目 的 : 即 通过 阻止 不 用 的 酶 的 合成 以 使 氨基 酸 和 能 的 利用 达到 最 大 程度 的 经 济 。 因 为 在 许多 生物 合成 途径 中 整个 多 酶 系统 能 够 受到 协调 方式 的 阻 过 ， 最 后 的 结果 是 所 有 各 种 氨基 酸 的 极 大 节约 。 细菌 中 导致 气 基 酸 生成 的 大 部 分 生物 合成 途径 是 受 别 构 和 阻 遏 机 制 的 联合 来 调节 的 。 这 种 调节 机 制 常常 是 复杂 的 ， 且 随 不 同 种 类 而 异 。 当 生物 合成 途径 包含 有 形成 三 个 (或 更 多 ) 不 同 的 氨基 酸 分 支 时 ， 反 馈 和 阻 遏 机 制 变 得 更 为 复杂 。 例如 二 个 终 未 产物 可 以 显示 出 在 序列 中 第 一 个 酶 的 协同 抑制 ,因此 这 二 个 终 未 产物 分 开 时 就 没有 效应 ,但 同时 存 在 时 , 则 有 很 强 的 抑制 作用 。 在 其 他 的 情况 下 ,每 个 终 末 产物 占有 一 定 百分比 的 抑制 作用 可 以 妹 加 起 来 ,显示 出 累积 性 抑制 。 另外 一 种 类 型 的 控制 是 由 具有 多 种 形式 的 调节 酶 即 同 功 酶 产生 的 。 图 25-16 显示 在 大 肠 杆 菌 中 三 个 芳香 族 氨 基 酸 生物 合成 中 的 第 三 个 酶 ; 即 RRS, 能 使 赤 似 糖 4- 磷 酸 和 磷酸 烯 醇 丙 酮 酸 缩 合 。 此 酶 以 三 个 不 同 的 同 功 酶 形式 存在 。 每 个 酶 都 受 三 个 终 未 产物 一 一 茶 丙 氨 酸 、 栈 氨 酸 或 色 氨 酸 中 的 一 个 所 抑制 。 但 色 氮 酸 是 效 力 最 差 的 抑制 剂 。 假 若 只 需要 合成 一 种 或 二 种 芳香 族 氨 基 酸 ,就 可 以 通过 这 种 方式 调节 这 一 酶 促 步骤 的 流量 。 此 外 醛 缩 酶 的 三 个 同 功 酶 中 每 一 个 的 生物 合成 也 是 专 一 地 受 其 相应 的 终 未 产物 抑制 剂 所 阻 遇 。 催 化 分 支 酸 转变 为 预 葵 酸 的 同 功 酶 也 能 单独 地 受到 抑制 与 阻 过 。 反 馈 抑制 的 类 型 和 一 定 途 径 的 阻 过 因 不 同 种 类 而 异 。 特别 值得 注意 的 是 对 大 肠 杆 菌 的 谷 氨 酰 胺 合成 酶 活性 有 影响 的 二 组 异常 的 多 价 别 构 控制 。 谷 氨 酰 胺 是 许多 代谢 产物 的 前 身 物 或 氨基 的 供 体 (图 25-17)。 现 已 相信 ?在 天 肠 杆菌 中 , 谷 氨 酰 胺 代谢 的 8 个 产物 ,对 谷 氨 酰胺 合成 酶 的 活性 起 着 分 别 的 和 独立 的 负 反 馈 抑制 物 作用 ,这 一 合成 酶 或 许 是 目前 已 知 的 最 复杂 的 调节 酶 。E. R. Stadtman 和 其 同事 们 的 工作 表明 大 肠 杆 菌 的 谷 氨 酰 胺 合成 酶 含有 12 个 相同 的 亚 基 , 排 列 成 二 个 六 角形 层 〈 图 25-18), 每 个 亚 基 的 分 子 量 是 50000。 此 酶 包括 两 种 形式 , 即 活动 的 或 游离 的 形式 以 及 共 价 的 经 过 修饰 了 的 失 活 形式 。 活性 形式 的 酶 在 其 它 代 谢 物 中 尤其 受 AMP 和 色 氨 酸 的 别 构 反 馈 抑 制 。 12 个 亚 基 中 的 每 一 个 有 与 底 物 ATP 相 结合 的 部 位 ， 也 有 与 每 个 反馈 抑制 *。 618。 物 相 结合 的 部 位 ,通过 与 ATP 的 酶 促 反应 , 谷 氮 酰 胺 合成 酶 可 以 发 生 共 价 性 的 修饰 ,并 产 生 相 对 地 无 活性 的 腺 昔 酰 化 的 形式 。 后 者 含有 12 个 分 子 的 腺 音 酸 , 并 且 通 过 它们 的 5- 磷酸 基 团 与 12 个 亚 基 的 每 一 个 中 专 一 的 酷 氨 酸 残 基 上 的 羟基 连结 起 来 。 在 专 一 酶 的 作 用 下 , 腺 昔 酰 化 形式 的 酶 可 以 脱 腺 背 酰 化 。 动物 组 织 中 的 谷 毛 酰 胺 合成 酶 是 含 亚 基 较 少 的 比较 小 的 蛋 白 质 。 它 不 显示 大 肠 杆 靖 的 合成 酶 那样 的 复杂 的 别 构 行 为 。 大 鼠 脑 组 织 中 的 酶 很 少 有 或 没有 调节 活力 。 反之 , 肝脏 的 酶 仅 受 少数 调节 剂 的 影响 。 因 为 在 不 同类 型 的 细胞 中 , 谷 氮 酰 胺 起 着 不 同 的 代谢 作用 。 Oa 酰胺 合成 酶 的 别 构 行 为 似乎 有 各 种 不 同方 式 的 演化 。 SRE + ATP + NH; <---- # EE <---- 丙 氨 酸 ie Se Fes | 2 ee fy SCP 了 ihe re tot Pa EMR Ser errzar * bers a ; 1 | | a | SSS -e As f | ana bee I beat] Pry Re SAMAK eg i Gr be 4s} i poe gest 氨 甲 酸 } | | pep sien me | | | | ey 1 Mf CNS ABE BD Aba #8 ARE 6- 碳 酸 | | ! aed CTP AMP --~------~ ad ne amy o 25-17 谷 氨 酰胺 合成 酶 的 多 价 性 别 构 抑制 。 虽 然 甘 氨 图 25-18 大 肠 杆菌 谷 氨 酰 胶合 成 酶 分 子 的 电 酸 和 两 氨 酸 不 是 谷 氨 酰胺 代谢 的 直接 产物 ;但 它们 都 是 极 子 显微镜 照片 ;显示 出 12 个 亚 基 的 排列 。 强烈 的 抑制 物 。 这 点 提示 细胞 内 甘氨酸 和 丙 氨 酸 的 稳 态 《此 照片 由 已 故 的 Robin Valentine 摄影 , 由 水 平 同 谷 氨 酰 胺 的 合成 和 代谢 有 着 重要 关系 s E. Stadtman 提供 ) => 人 氨基 酸 的 前 身 物 功能 氨基 酸 除 了 作为 蛋白 质 的 基本 单位 以 外 , 还 是 许多 其 他 重要 生物 分 子 ,， 如 各 种 激素 、 维生素 、 畏 酶 .生物 碱 \ 中 嘛 类、 抗生素、 色素 和 神经 递 质 的 前 身 物 。 表 25-1 显示 从 某 些 氨 基 酸 来 的 生物 分 子 的 一 些 例子 。 芳 香 族 氨基 酸 作为 前 身 物 尤 其 是 多 方面 的 。 从 这 类 氨基 酸 可 生成 许多 生物 碱 , 如 吗啡 ` 可 待 因 和 器 栗 硕 ， 以 及 许多 激素 ,如 甲状 腺 的 激素 甲状 腺 * 619° 素 、 植 物 激素 吗 嗓 乙酸 和 一 种 肾上腺 的 激素 肾上腺 素 。 下 面 将 简 述 从 各 种 氨基 酸 前 身 物 转变 为 其 他 产物 的 一 些 主要 途径 s 表 25-1 一 些 氨基 酸 的 前 身 物 功能 WAM RA AR— BAR 吗 啡 甲 其 化 化 合 物 的 生物 合成 让 全 ob hate 蛋氨酸 的 甲 基 团 被 用 来 作为 形成 me 新 烟 胺 SAE 大 量 甲 基 化 生物 分 子 的 前 身 物 。 BA “人 Bass “al 酸 首先 和 ATP 作用 而 活 兹 ; 并 生成 含 au er eles 有 高 能 甲 磺 酸 基 SREREAR. 谷 胱 甘 肽 “丝氨酸 mm ATP + 工 - 和 蛋氨酸 一 > 甘氨酸 HAMA x RK Sf EF EAB 十 PP; + P; Ae oO Wal Zs us 谷 胱 甘 肽 ERE 眼 色 素 SHR TPES SPE 40 FH AN Tal HF 肌 & 去 甲 肾上腺 素 555 Rs 基 受 体 的 直接 甲 基 供 给 体 ， 其 中 一 部 磷酸 肌 酸 黑色 素 泛酸 分 见 图 25-19。 这 种 转移 由 转 甲 基 酶 四 吡咯 类 IR BR BEX pa meine 所 催化 ,生成 作为 去 甲 基 产 物 的 S- 腺 组 胺 栈 ig 苷 同型 半 胱 氮 酸 。 虽然 蛋氨酸 是 作为 许多 甲 基 受 体 的 一 般 的 甲 基 供 给 者 ， 但 仅仅 通过 极 少 的 反应 形成 蛋氨酸 的 甲 基 。 主要 的 途径 是 将 IT- 甲 基 四 氨 叶 酸 的 一 个 甲 基 转 移 给 同型 半 胱 氨 酸 (图 25-19)。 N-FROSHRHPEA 依次 是 从 少数 几 个 能 将 一 碳 功能 团 给 予 四 氧 叶酸 的 代谢 物 尤 其 是 丝氨酸 而 来 。 一 碳 基 团 的 来 源 以 及 它们 代谢 的 其 他 方 面 将 在 别处 讨论 。 肽 类 氨基 酸 是 许多 肽 类 的 生物 学 的 前 身 物 ， 其 中 许多 肽 如 激素 一 一 催产 素 ， 加 压 素 和 舒缓 激 肽 等 都 有 很 强 的 生物 学 活 tee © 动物 组 织 中 的 简单 三 肽 一 一 谷 胱 甘 肽 (图 25-20) RAVEN RABY GHIA 统 的 成 分 ， 某 些 酶 的 激活 剂 以 及 脂 类 抗 自动 氧化 的 保护 剂 等 功能 。 谷 胱 甘 肽 是 从 工 - 谷 氮 酸 ,L- 半 胱 氨 酸 和 甘氨酸 通过 二 个 步骤 合成 的 。 每 生成 一 个 肽 键 需要 一 分 子 ATP 裂解 成 ADP 和 磷酸 。 - 谷 氨 酸 十 半 胱 氨 酸 十 ATP TEASED ee we wb 氨 酸 十 ADP 十 Pi 。0620。 “Ae 全 和 NI- 甲 烯 基 四 和 氢 叶 酸 NADH [> NAD+ Ns- 甲 基 POA RE: sf ale eee FH, fel RF DER 蛋氨酸 ATP PP, + P; 5- 腺 昔 蛋氨酸 甲 基 受 体 3 - 腺 苷 同型 半 胱 氨 酸 甲 基 化 的 受 体 : mas Ses ERE 肾上腺 素 去 甲 皮 上 腺 素 环 化 脂肪 酸 去 角 固 本 维生素 Bu N- 甲 基 组 胺 ° N- 甲 基尼 克 酰 胺 胆 碱 ， 册 氨 本 aK 图 25-19 ， 甲 基 的 转移 途径 和 来 源 。 在 较 高 的 动物 中 (以 及 大 多 数 的 植物 和 细菌 ) 蛋 氨 酸 几乎 是 全 部 生物 的 甲 基 化 过 程 的 关 键 性 中 间 产 物 。 而 丝氨酸 是 甲 基 的 主要 供给 者 ?植物 和 细菌 是 利用 同型 半 胱 氨 酸 和 丝氨酸 制造 蛋 氮 酸 。 S- 腺 苷 蛋氨酸 对 许 多 甲 基 受 体 是 主要 的 甲 基 供给 者 。 在 有 些微 生物 中 知 菜 和 三 甲 基 明 亭 可 为 同型 半 胱 氮 酸 提供 甲 基 。 7Y- 谷 氨 酰 半 胱 氨 酸 十 甘氨酸 + ATP BBE HIKE Peas COOH | 谷 胱 甘 肽 + ADP + P, Rate—H ran CN- 末端 ) cH, wie FS (CRM) ee | z a c=o C=O / ~ 让 | Lt ? i | si ih i HS—CH,—CH 0 5 Lt say ! Hamas C=O SS J CH, ,O | D-¥ L-% aii (CM) LE ee nar SE, CN- 未 端 ) OH OH COOH 25-20 SMRHKC-L-GaAw- A25-21 短 杆菌 肽 S 的 结构 。 文 内 已 25-22 ide L-¥PRARHAM). 值得 注意 的 人 氢 述 了 它 的 生物 合成 途径 。 首 先 三 个 五 腺 苷 酸 的 一 般 结构 SE CARRERA BY 盖 羧 基 而 不 肽 链 形成 ?是 从 D- 葵 丙 氨 酸 开始 作为 是 通常 的 <- 羧 基 与 - 肽 键 相 联 。 C- 末 端的 ,然后 二 个 肽 链 与 肽 键 连接 。 在 细菌 中 有 20 个 肽 键 那样 长 的 甚至 更 长 的 肽 类 ,也 是 通过 酶 促 作 用 逐步 合成 的 ， 而 没有 mRNA 模板 或 核 蛋 白 体 的 参加 。 特别 值得 注意 的 是 由 Bacillus brevis AIRES 成 的 环 状 肽 有 抗菌 能 力 的 短 杆 菌 肽 S (图 25-21)。 它 有 10 个 氮 基 酸 残 基 。F. Lipmann 和 他 的 同事 已 经 完成 了 它 的 生物 合成 的 步骤 。 此 肽 含有 不 存在 于 蛋白 质 中 的 L- 乌 氮 酸 和 D- 共 内 所 酸 的 残 基 。 它 是 在 二 个 特殊 的 酶 的 可 盗 性 复合 体 一 短 杆 彰 肽 合成 酶 的 作用 下 合成 的 。 jane 分 子 量 为 28 TASKS 工 能 催化 进入 的 氨基 酸 形成 inn | BRR 一 个 与 酶 结合 的 酰基 -AMP 衍生 物 ( 图 25-22)。 bu, 氨 酰 基 然 后 被 转移 到 酶 的 SH 基 上 。 cou RCH(NH,)COOH + ATP—> bat [RCH(NH,)CO — AMP] + PP, S_ 逐 音 同 型 [RCH(NH,)CO — AMP + HS-EI—> oF BE RCH(NH,)CO — S — EI + AMP . (i 这 个 反应 中 的 SH 基 由 4B MER FEZ, i Oe, 胺 供给 , 后 者 是 与 酶 1 以 共 价 键 结合 的 辅 基 , 并 和 cH 脂肪 酸 的 生物 合成 中 起 作用 的 酰基 载体 蛋白 质 相 cooH 似 。 在 这 种 方式 中 ， 酶 I 按 正 确 顺序 在 激活 合成 bc 短 杆菌 肽 S 所 需要 的 4 个 -氨基 酸 中 起 作用 。 和 短 杆菌 肽 合成 酶 复合 物 的 酶 TL 以 类 似 的 方 i 式 激活 L- 苯 丙 氨 酸 ， 然 后 促进 o BURT HEE RR neo Sw MBE 结合 的 D- 立 体 异 构 体 。 被 酯 化 到 酶 1 HORIER H.C——C=0 8 fir FE PY] WS 的 D- 茶 丙 氨 酸 的 游 图 25-23 ”县 乙 酸 转 变 成 肌 酸 ;S- 腺 昔 蛋 氨 酸 | v Pay fe > rH. | 供给 甲 基 《〈 见 正文 )s 哺乳 动物 中 肌 酸 脱 水 形 离 扫 基 上 以 形成 一 个 二 肽 。 然后 依次 被 激活 的 成 肌 酸 本 ,后 者 以 一 降解 产物 从 尿 中 排出 。 s 621。 L- 氮 基 酸 残 基 被 转移 到 生长 着 的 酶 开 的 肽 链 上 , 直至 生成 五 肽 酰 衍 生物 : ZARA ki RB AR—D-AA AB-S-H I 为 止 。 二 个 这 样 的 五 肽 链 连结 成 一 完全 的 环 状 的 十 肽 ,如 图 25-21 所 示 。 值 得 往 意 的 是 ， 合 成 这 些 肽 的 这 个 酶 及 类 似 的 酶 复合 物 ， 有 为 每 一 个 连续 步骤 选择 适合 的 氨基 酸 的 能 力 。 这 种 性 质 似 乎 是 由 于 在 每 一 步 中 肽 基 -E- 工 内 的 诱导 的 构象 变化 所 赋予 的 ,而 这 些 构象 的 变化 又 转移 到 酶 I ,使 后 者 的 活性 中 心 改 变 , 这 样 就 可 使 它 对 加 入 进来 的 下 一 个 氨基 酸 是 专 一 的 。 因 为 有 些 肽 抗菌 素 有 颅 长 的 链 ， 合成 它们 的 酶 类 推 想 是 由 于 十 分 专 一 的 构象 变化 而 赋予 它们 有 贮存 和 传递 讯息 的 非常 惊 人 的 能 力 。 短 杆菌 肽 合成 酶 能 起 十 九 种 不 同 的 反应 。 然 而 在 动物 组 织 中 ， 肽 激素 类 的 合 成 看 来 需要 mRNA 和 核 蛋 白 体 的 参加 。 肌 酸 和 磷酸 肌 酸 正如 在 其 他 章节 中 讨论 的 那样 ， 肌 酸 和 磷酸 肌 酸 在 磷酸 键 能 的 贮存 和 运输 上 起 重要 作用 。 肌 酸 (o=- 甲 基 且 乙酸) 是 由 精 氮 酸 、 甘 氨 酸 和 蛋氨酸 通过 下 面 反应 步骤 合成 的 。 服 乙酸 (图 25-23) 是 一 个 中 间 产 物 , 而 S- 腺 背 蛋 氮 酸 是 甲 基 供 给 体 。 4 HO CH,CHCOOH <> | Rasa NH, HO por HO HO ; —BRAAE - TP ant tae apm (DOPA) : CH,—CH— COOH ? De N NH, J | HO a 18 UE Pa RR ea - 去 甲 肾 上 腺 素 N a ss CH,COOH 47 CH, ‘¢ 了 Ince HO CHCH,—NC 肾上腺 素 OH H 25-24% ”从 色 氮 酸 形成 ;- 羟 色 胺 和 呵 吹 乙酸 23-25 ” 酷 氮 酸 转变 成 去 甲 肾上腺 素 和 肾上腺 素 精 氨 酸 十 甘氨酸 甘氨酸 胀 基 转 移 酶 肛 乙 酸 十 S- 腺 苷 蛋氨酸 BCRTSROR 乌 氮 酸 十 县 乙酸 肌 酸 十 S- 腺 背 同 型 半 胱 氮 酸 *RAAR ?所 有 K 处 应 为 六 一 一 译 者 注 ° 622 5-32 ARAL SF fi hed BED DP — Beh eh AR TPS CP AE KR 素 。 它 们 是 从 色 氮 酸 通过 图 25-24 显示 的 途径 形成 的 。 肾上腺 素 和 去 甲 肯 上 腺 素 REAR LREROWDRA, 在 生理 上 起 调节 心率 和 血压 的 作用 。 BL 它 对 腺 苷 酸 环 化 酶 的 刺激 作用 是 肝 胜 和 肌肉 中 糖 原 降 解 的 激活 剂 。 从 栈 氨 酸 形成 这 类 激 素 的 反应 见 图 25-25。 组 胺 是 一 个 重要 的 血管 扩张 剂 ， 由 肺 、 肝 、 骨 粘膜 的 肥大 细胞 所 分 记 , 它 是 由 组 氨 酸 经 过 脱羧 作用 后 生成 的 。 组 氨 酸 脱羧 酶 组 氮 酸 十 H2O 组 胺 十 CO: 聚 胺 类 聚 胺 类 精 胺 和 亚 精 胺 (图 25-26) 存在 于 所 有 的 细菌 和 大 多 数 动物 细胞 中 。 ,它们 是 某 些微 生物 的 生长 因子 ， 对 细菌 的 膜 结构 以 及 对 核 蛋 白 体 、 某 些 病毒 和 许多 有 机 体 的 DNA 的 结构 起 稳定 作用 。 聚 胺 类 是 由 腐 胺 和 S- 腺 苷 基 蛋 氮 酸 形成 的 。 在 哺乳 动物 中 pied 过 乌 氨 酸 脱羧 酶 的 作用 由 鸟 氨 酸 脱羧 生成 的 。 43 3% 一 > H,NCH,CH;CH;CH,NH, + CO, 腐 胺 a EAR, 腐 胺 是 由 精 氮 酸 形成 的 。 a 7 NH fis a HEEESE OS ace 人 CH, CH, + CO, 鲜 精 胺 ou, cH, SEN -+H,O— H.N(CH,),NH; re Shen + 尿素 腐 胺 a ue 。 SRERE AR, FS A cu NH 精 胺 。 cH, cx, sate am 二 二 用 人 可 全 co, + s- i a [5'- 腺 苷 基 ]-3 PALMAE 人 HN: NH, 5-[5 汪 腺 苷 基 ]-3- 甲 基 莹 醇 丙胺 十 腐 胺 OES wi ER of 图 25-26“ 精 胺 与 亚 精 胺 是 从 精 氨 酸 和 ane + er 蛋氨酸 衍生 的 聚 胺 类 。 在 细胞 的 PH 下 ， 亚 精 胺 通过 重复 最 后 两 个 反应 转变 成 精 胺 。 它们 以 多 聚 阳 离子 出 现 。 Dh MRE 因为 叶 啉 核 在 血红 蛋白 、 细 胞 色素 类 、 以 及 叶绿素 中 的 重要 作用 , 故 以 甘氨酸 为 主要 前 身 物 的 中 啉 类 的 生物 合成 是 一 个 特别 重要 的 途径 。 四 吡咯 是 由 四 分 子 的 单 吡咯 衍生 物 胆 色 素 原 所 构成 。 其 合成 步骤 显示 于 图 25-27。 动 物 组织 中 合成 的 途径 主要 由 D. Shemin * 623。 和 他 的 同事 们 用 同位 素 示 踪 物 和 酶 学 研究 推导 出 来 。 甘 氨 酸 首先 与 琥珀 酰 辅 酶 人 反应 生 成 与 酶 结合 的 氨基-p- 酮 基 己 三 酸 ， 后 者 脱羧 生成 35- 氨基 乙酰 两 酸 。 此 反应 由 肝 细 胞 内 质 网 中 一 种 磷酸 吡 哆 醛 酶 催化 的 。 二 分 子 的 6- 氨基 乙 酰 丙 酸 在 5- 氨基 乙酰 两 酸 脱 永 酶 的 作用 下 缩合 形成 胆 色素 原 。 这 个 不 平常 而 且 复 杂 的 反应 的 机 制 涉及 一 分 子 的 OE 乙酰 两 酸 的 酮 基 与 梅 的 赖 氨 酸 残 基 上 的 se- 氨基 之 间 形 成 了 Schiff 氏 碱 基 这 一 中 间 产 物 。 合成 酶 和 脱水 酶 两 者 都 是 调节 酶 ， 它 们 能 被 这 一 生物 合成 途径 的 最 终 产 物 啉 ,血红 蛋白 和 其 它 亚 铁 原 趾 啉 蛋白 所 抑制 。 然 ”;*- 氢 基 乙酰 丙 酸 后 四 分 子 胆 色 素 原 通过 一 系列 的 复杂 反应 充当 Jaen PRR OMS DOO A 7. BIR OpaS | HOWL R OM 完全 形成 之 前 铁 均 不 摊 人 ， 铁 的 挫 人 要 有 位 于 Hoof @ CH,—CGOH AO AKAN MME WRAA MME. BI Fe — FRG, AURORE BRAG, 将 Feet, Mpa sa: 和 珠 蛋 白 连 结 起 来 形成 血红 蛋白 。 图 25-27 也 显示 出 原 叶 啉 IX 中 来 自 甘 氨 酸 和 琥珀 酰 畏 酶 A 的 专 一 碳 原子 和 氮 原 子 。 #2 FAR -ACoA CH,—N H, COOH AE CMA CoA Rahs e COOH CH, by, x- 氨 基 -p- 酮 基 - 已 三 酸 Tae | e rr | HC: —NH, COOH co. He 5- 氨 基 =O 乙酰 丙 酸 7 CH, N | H NH, 每 分 子 原味 啉 需要 四 个 分 子 1 { | CH, Get. C===Ce j 5 SS CH; 一 C 一 C 人 一 9 一 CH ria) C—-C Cc 一 一 CH 一 CH CH N | [* yo—c% \c==cH ®COOH | hg 证 si CH; 让 esCOOH L M i t= ‘ik GH (OH OH CH; CH, | \s nif \ Me CH; CH CH 一 HN | CH, x CH, \ CH, CH, ii CH, CH, COOH COOH 图 25-27 AB AAA eA fH EE A OK IX VERBRYRRTMARTURANSFARA KA TR eS ARIEN KAT - Wo ABA AA EAN OK AS — Fh Pee fi © 624° 亚 铁 原 外 胆 色素 原 BODO LX ABA 一 种 胆 色素 hehe eaea 与 吐 啉 环 相 类 似 的 维生素 Bo 的 咕 啉 环 是 从 8- 氨 基 乙 酰 丙 酸 在 一 个 与 环 状 四 吡咯 有 关 的 途径 中 合成 的 。 Hm AM HK 在 生物 界 ， 座 气 中 分 子 氮 的 固定 即 还 原 成 所 和 其 它 生 物 学 上 有 用 的 氮 的 形式 是 极端 重要 的 过 程 。 然 而 这 种 过 程 只 有 少数 有 限 的 有 机 体能 够 进行 。 大 多 数 豆 科 植物 与 250 种 以 上 的 非 豆 科 植物 也 能 固定 大 气 氮 。 豆 类 固定 氮 需 要 宿主 植物 和 存在 于 根瘤 中 的 细菌 的 各 作 这 就 称 为 共生 性 氮 的 固定 。 固 定 氮 的 代表 性 植物 包括 有 : 豆 类 中 的 欧 豆 ,菜豆 、 三 叶 BACAR MAGS; 非 豆 类 植物 中 的 档 木 、 海 鼠 李 和 蜡 桃 金 女 。 通 过 这 些 豆 类 作物 可 以 固定 大 量 的 大 气 氮 。 那些 侵 人 豆 科 植物 根部 的 微生物 , 大 多 数 是 各 种 根瘤 菌 属 的 细菌 。 感染 细菌 进入 根 部 皮层 的 薄 壁 组 织 中 ;产生 一 个 瘤 结 。 这 是 一 个 高 度 有 组 织 的 结构 ,具有 包含 细菌 群落 的 膜 状 本 训 。 此 根瘤 与 植物 的 维 管 系统 直接 相连 。 奇 怪 的 是 此 种 根瘤 含有 相当 量 的 血红 蛋 白 , 而 后 者 在 植物 界 其 他 地 方 是 不 存在 的 。 看 来 血红 蛋白 是 在 低 分 压 时 ,提高 氧 到 根瘤 的 运输 以 间接 帮助 氮 的 固定 。 游 离 的 氧 是 氮 固 定 的 一 种 抑制 剂 。 根 瘤 血 红 蛋 白 的 生物 合成 的 遗传 信息 来 自 植物 ,但 细菌 不 存在 时 却 不 能 生成 血红 蛋白 。 豆 科 植物 缺乏 此 类 细 蓝 就 不 能 固定 氮 。 然 而 从 宿主 植物 根瘤 取出 的 细菌 加 以 适当 的 强化 也 能 固定 氮 ， 而 游离 的 培养 基 中 生长 的 细菌 则 不 能 。 所 以 能 够 下 结论 即 固定 氨 的 酶 位 于 细菌 体内 ,而 植物 提供 了 细菌 缺乏 的 某 些 必需 成 分 非 共 生性 氮 的 固定 作用 发 生 在 许多 微生物 中 ;包括 蓝 菠 类 ， 需 氧 的 土壤 细菌 固氮 菌 属 , 以 及 兼 性 细菌 一 一 克 雷 自 氏 菌 属 和 无 色 菌 属 。 在 厌 氧 生物 中 ,许多 种 的 梭 状 芽孢 杆菌 其 氮 的 固定 作用 特别 活跃 。 所 有 的 光合 细菌 都 能 固定 氮 。 所 固定 的 酶 保 机 制 长 期 以 来 , 氮 固 定 的 机 制 是 一 个 引起 争论 的 生物 化 学 问题 , 因为 分 子 氮 是 极端 稳定 的 分 子 , 不 容易 被 化 学 还 原 。 很 难 想像 ,这 个 情 性 分 子 如 何 能 牢固 地 和 专 一 性 地 与 氮 固 定 酶 的 活性 部 位 结合 。 而 且 因为 较 早 期 想 获得 能 够 固定 氮 的 无 细胞 提取 液 的 努力 归于 失败 , 直 到 最 近 十 年 氮 固 定 过 程 的 生物 化 学 研究 大 部 分 局 限 在 豆 科 植物 的 完整 根瘤 上 ， 或 者 固氮 细菌 的 完整 细胞 上 。 人 然而 从 早期 研究 中 已 经 推导 出 氮 固 定 机 制 的 许多 重要 的 性 质 。 在 大 豆 根 瘤 或 蔓 藻 的 固定 过 程 中 氮 的 K, 是 十 分 低 的 ,大 约 是 0.02 大 气压 的 氮 。 很 明显 ,在 正 党 空气 中 氮 的 分 压 下 ( 约 0.8 大 气压 ) 氮 固 定 系统 就 充分 达到 饱和 。 另外 一 个 重要 的 观察 就 是 氮 固 定 作 用 能 受到 一 氧化 碳 的 竞争 性 抑制 。 后 来 的 研究 指出 , 除 所 以 外 其 他 的 三 键 化 合 物 如 乙 抉 、 握 化物 和 县 所 化 物 也 可 以 被 还 原 。 事实 上 乙 块 被 还 原 成 乙烯 [CH 一 CH:] 很 适宜 于 测量 氮 固 定 活力 ,因为 乙 烽 ( 底 物 ) 和 乙烯 (产物 ) 都 很 容易 用 气相 层 析 法 分 离 和 测定 。 其 他 的 观察 则 与 分 子 所 还原 成 氮 的 电子 或 氢 供 体 的 鉴定 有 关 。 许 多 氮 固 定 有 机 体 能 利用 分 子 氨 于 这 一 目的 。 但 是 其 他 的 还 原 剂 如 丙酮 酸 或 甲酸 也 能 够 为 氮 还 原 成 氮 提 供 氨 或 电子 。 © 625。 1960 年 L. E. Mortenson 和 他 的 同事 们 最 后 从 厌 氧 细菌 巴 斯 德 权 状 芽孢 杆菌 能 重复 地 成 功 地 获得 了 当 补 充 了 适当 的 电子 供 体 和 ATP 时 能 固定 氮 的 无 细胞 提取 液 5 这 些 提 到 液 中 的 酶 系统 称 为 固氮 酶 系统 。 固 定 反应 最 早 的 稳定 终 末 产 物 是 所 。 从 这 些 或 其 它 固氮 细菌 的 固氮 酶 系统 发 现 对 分 子 氧 是 极为 敏感 的 , 氧 能 使 此 酶 失 活 , 故 必须 在 无 氧 大 气 中 制 备 和 纯化 这 个 系统 。 1964 年 J. E. Carmahan, L. E. Mortenson 和 他 们 的 同事 们 从 巴 斯 德 检 状 营 孢 杆菌 提 取 物 中 分 离 了 一 种 蛋白 质 , 他 们 证 明 此 和 蛋白质 作为 固氮 酶 的 电子 载体 ,对 氮 固 定 作 用 是 必 需 的 。 经 过 纯化 后 的 因子 其 分 子 量 为 6000, 并 含有 七 个 铁 原子 和 七 个 酸 不 稳定 的 硫 原 子 。 但 不 含 亚 铁 原 叶 啉 。 他 们 把 这 蛋白 质 称 为 铁 氧 还 蛋白 《此 名 从 铁 和 氧化 还 原 衍生 出 来 ), 这 是 从 自然 来 源 中 分 离 出 来 的 许多 铁 - 硫 蛋白 中 的 第 一 个 。 正 如 在 别处 指出 的 那样 ， 类 似 的 蛋白 质 也 参加 线粒体 和 光合 作用 两 者 的 电子 传递 。 巴 斯 德 梭 状 芽 钨 杆 菌 的 铁 氧 还 蛋白 具有 一 个 非常 负 性 的 标准 氧化 还 原 电 位 , Bl 一 0.34 Ve。 还 原型 铁 氧 还 蛋白 在 梭 状 芽孢 杆菌 的 固氮 酶 系统 中 起 电子 供 体 的 作用 。 有 些 固氮 细菌 也 含有 黄 素 氧 还 蛋白 忆 此 NADH 蛋白 在 功能 上 类 似 铁 氧 还 蛋白 ， 它 含有 FMN 但 不 含 铁 。 固氮 酶 系统 是 二 个 蛋白 质 的 络 合 物 ， 两 种 蛋白 质 本 身 单 独 存在 时 都 没有 可 表明 的 活性 。 其 中 一 种 是 钼 - 铁 - 硫 蛋 白质 [以 Mo-Fe 蛋 白质 表示 之 ] 分 子 量 接 VI 220;000。 此 和 蛋白质 有 两 种 亚 基 已 制 成 晶体 。 它 含有 二 个 钼 原子 ，32 个 铁 原 子 ， 25 到 30 个 酸 不 稳定 的 硫 原子 。 另 一 个 成 分 是 一 种 铁 蛋 白 (Fe SAR) 分 子 量 接近 60,000。 这 些 组 分 是 按 一 份 Mo-Fe 蛋白 质 和 两 份 Fe 蛋白 质 的 比例 存在 。 在 很 低 的 温度 下 ,二 种 蛋白 质 都 显 出 铁 - 硫 原子 中 心 的 电子 自 旋 共振 信号 的 特性 。 图 25-28 显示 氮 的 固定 作用 机 制 的 一 种 假说 。 还 原型 的 铁 氧 还 蛋白 作为 中 间 电 子供 体 。 每 还 原 一 分 子 的 氮 生 成 三 分 子 的 所 需要 六 个 电子 。 每 传递 一 个 电 子 至 少 需要 一 分 子 的 ATP. BLL, RK 多 证 据 都 表明 需要 二 分 子 的 ATP。 故 总 25-28， 固 氮 酶 系 作用 的 一 种 假说 的 图 解 方程 式 为 : Nz 十 6H+ 十 6e- 十 12ATP + 12H,O 一 > 2NH; 十 12ADP + 12P, 还 原型 铁 氧 还 蛋白 在 NADH- 铁 氧 还 蛋白 还 原 酶 或 丙酮 酸 脱 氢 酶 系 的 作用 下 可 以 再 生 NADH + Fd,, 一 > NAD+ 十 Fd + Ht ATP 的 确切 功能 尚 不 知道 ， 但 是 相信 Mg ATP 与 还 原型 的 Fe- 蛋 白 的 结合 能 使 它 转 *。 626° . 变 为 能 与 氧化 型 Mo-Fe 蛋白 反应 的 构 型 ， 并 且 能 将 它 的 电子 传递 至 后 者 活性 部 位 所 结 合 的 Nz 上 。 固氮 酶 系 的 生物 合成 是 受 遗传 阻 遇 所 调节 的 。 假 若 供给 细胞 以 充足 的 氮 ， 则 细胞 会 停止 制造 此 酶 。 故 只 在 需要 它 的 产物 的 时 候 , 才 发 生 氮 的 固定 作用 。 气 循 环 中 的 其 它 步 又 虽然 氨 或 氨基 酸 作 为 还 原 氮 的 形式 是 大 多 数 活 有 机 体 利用 的 形式 ， 某 些 土 壤 细 盏 却 能 使 所 氧化 形成 亚 硝酸 ， 然 后 使 亚 硝酸 变 成 硝酸 来 取得 它们 的 能 量 。 因 为 这 些 有 机 体 既 非常 丰富 ,又 非常 活跃 ,所 以 几乎 所 有 到 达 土 壤 的 氨 最 后 都 被 氧化 成 硝酸 ， 这 个 过 程 称 为 硝酸 化 作用 。 硝酸 化 作用 以 两 个 步骤 出 现 。 在 第 一 步 中 ， 氨 由 几乎 是 唯一 地 需 氧 的 化 学 无 机 型 生 物 亚 硝化 毛 杆菌 属 氧 化 成 亚 硝 酸 。 实 际 上 所 起 了 产能 燃料 的 作用 ， 这 是 由 于 亚 硝化 毛 杆 菌 (Nitrosomonas) 的 呼吸 作用 中 氮 是 主要 的 电子 供 体 。 电子 从 初级 的 所 脱氧 酶 系 沿 着 含 有 细胞 色素 的 呼吸 链 流 到 氧 ; 氧化 磷酸 化 即 和 这 条 电子 传递 相 偶 联 。 同 样 地 亚 硝 酸 也 被 硝化 杆菌 〈Nitrobacter) 氧化 成 硝酸 ， 它 也 从 亚 硝 酸 的 氧化 中 获得 几乎 是 它们 所 有 的 能 量 。 亚 硝化 毛 杆 菌 属 和 硝化 杆菌 属 从 CO 中 获得 它们 生长 所 需要 的 碳 。 硝酸 是 高 等 植物 从 土壤 中 可 以 得 到 的 氮 的 主要 形式 。 在 那些 能 利用 硝酸 作为 终 示 电 子 受 体 的 细菌 作用 下 , 某 些 硝酸 会 以 分 子 氮 的 形式 从 土壤 中 疏失 , 这 个 过 程 称 为 脱 硝 酸化 作用 。 高 等 植物 从 土壤 中 吸收 许多 硝酸 ， 在 高 等 植物 中 硝酸 盐 的 代谢 性 同化 成 氨 的 形式 经 过 二 个 主要 步 又: 〈1) 硝 酸 盐 还 原 成 亚 硝 酸 盐 ;(2) 亚 硝酸 还 原 成 氮 。 硝酸 盐 利 用 的 第 一 个 反应 是 由 硝酸 盐 还 原 酶 所 催化 的 ， 此 酶 广泛 分 布 在 植物 和 真菌 中 , A. Nason 和 他 的 同事 们 已 在 脉 孢 菌 中 极 彻底 地 研究 过 了 。 此 酶 是 一 个 既 含 有 钼 又 含 有 细胞 色素 b 的 黄 素 蛋白 ， 它 用 NADPH 作为 电子 供 体 。 电 子 流 向 硝酸 盐 的 全 部 过 程 可 以 图 解 总 结 如 下 : NO; NO; 当 硝酸 盐 还 原 时 , 钼 经 历 着 在 Mo(V) 与 Mo[VYI] 之 间 的 循环 式 价 的 变化 。 通常 在 无 气 和 部 分 无 氧 情况 下 ， 某 些微 生物 可 以 利用 硝酸 盐 代 替 氧 作为 终 末 电 子 受 体 。 因 为 它 在 生理 学 上 和 酶 学 上 与 有 氧 呼吸 链 有 相似 性 ， 这 个 过 程 通常 称 为 硝酸 盐 呼吸 NADPH —> FAD > Mo > VERA ZEXIDFT Es P10 ROT FE SF OE Ba Eh A es BE FF PE HE RHF 用 细胞 色素 b、 钼 、 非 亚 铁 原味 啉 铁 作 为 组 分 。 从 ADP 和 碱 酸 形成 ATP 是 与 硝酸 盐 呼 吸 作用 相 偶 联 的 。 由 植物 中 亚 硝 酸 盐 还 原 酶 还 原 亚 硝酸 成 所 需要 一 个 高 电 负 性 的 还 原 剂 。 在 绿色 植物 中 当 光 合作 用 进行 光 反 应 时 ， 铁 氧 还 蛋白 的 被 还 原 可 作为 下 面 反 应 链 中 亚 硝酸 盐 的 还 原 剂 : 铁 氧 还 蛋白 二 NADP —> FAD > Ga CARA RABE AA SEF. ADIGE BDF ,时 需要 四 个 电子 。 MABE /ERWS—OTN, 需要 六 个 电子 ,这 些 是 多 电子 还 原作 用 的 其 他 实例 。 在 作用 * 627 « DBA Elie S—Tik RAAF AAA, WARD REE ATTY 骤 的 亚 硫 酸 还 原 酶 都 含有 一 种 叫 :siroheme AYE IRB AE. EE — BEER DOK ECB ML 环 是 被 还 原 了 的 。 硝酸 还 原 的 最 终 产 物 游 离 氨 然 后 可 用 于 o 酮 戊 二 酸 的 所 基 化 ,从 而 为 转 氮 作用 提供 了 氮 基 。 fi 要 在 作为 蛋白 质 生 物 合成 所 需 的 基本 单位 的 20 种 氨基 酸 中 , 大 白鼠 和 人 能 够 合成 10 种 。 其 余 氨 基 酸 是 营养 上 不 可 缺少 的 ， 它 们 必须 从 其 他 来 源 获得 。 高 等 植物 和 许多 微 生 物 能 够 从 以 所 作为 氮 的 来 源 开 始 以 合成 全 部 氨基 酸 。 在 营养 上 可 以 缺少 的 非 必需 氨基 酸 中 , 谷 氨 酸 是 由 o 酮 成 二 酸 通 过 还 原 性 胺 化 作用 形成 的 ,而 且 它 是 谷 氨 酰 胺 和 且 氨 酸 的 直接 前 身 物 。 丙 氨 酸 和 门 冬 氨 酸 分 别 由 丙酮 酸 和 草 酰 乙酸 通过 转 所 作用 生成 的 。 酷 氨 酸 是 苯 丙 氨 酸 羟 化 而 形成 的 , 半 胱 氨 酸 是 从 蛋氨酸 通过 一 系列 比较 复杂 的 反应 形成 的 ;其 中 以 :S- 腺 昔 蛋 氨 酸 、S- 腺 苷 同型 半 胱 氨 酸 和 胱 硫 醚 为 最 重要 的 中 间 产 物 。 半 胱 氨 酸 的 碳 链 来 自 丝 氨 酸 ， 而 其 硫 原子 则 来 自 蛋氨酸 。 丝氨酸 是 由 3- 磷酸 匡 油 酸 合成 的 , 丝氨酸 也 是 甘氨酸 的 前 身 物 , 而 它 的 8- 碳 原子 则 转移 到 四 氧 时 酸 上 。 必需 氨基 酸 的 生物 合成 途径 大 都 是 从 研究 细菌 中 确立 的 。 和 蛋氨酸 和 苏 氨 酸 的 碳 骨 架 来 自 于 门 冬 氨 酸 , 而 蛋氨酸 的 甲 基 则 来 自 N5- 甲 基 四 氢 叶 酸 。 赖 氨 酸 可 由 两 条 途径 合成 ， 即 氨基 已 二 酸 (细菌 ) 和 氨基 庚 二 酸 (真菌 ) 途 径 。 异 亮 氨 酸 、 纺 氨 酸 和 亮 氨 酸 的 合成 则 从 o- 酮 酸 开 始 ,并 涉及 到 不 常见 的 烷 基 迁移 ,并 利用 某 些 共同 的 步骤 。 精 氨 酸 是 从 乌 氨 酸 形 成 的 ,而 鸟 氨 酸 又 是 从 谷 氨 酸 衍 变 来 的 。 芳 香 族 氨 基 酸 的 前 身 物 是 脂肪 族 化 合 物 , 后 者 经 过 环 化 形成 莽 草 酸 , 它 是 许多 芳香 族 生物 分 子 的 必要 的 前 身 物 。 莽 草 酸 经 过 预 苯 酸 生成 苯 丙 氨 酸 和 酷 氨 酸 , 经 过 邻 氨基 葵 甲 酸 生 成 色 氨 酸 。 生成 组 氨 酸 的 途径 是 最 复杂 和 少见 的 ,涉及 一 个 成 糖 的 碳 链 和 ATP 上 味 叭 环 的 破碎 。 大 多 数 氨 基 酸 的 生物 合成 途径 , 受 别 构 的 或 最 终 产 物 的 抑制 ;而 调节 酶 常 在 一 序列 之 首 。 分 支 途 径 上 的 某 些 调节 酶 以 同 功 酶 出 现 , 因 而 它们 能 对 一 种 以 上 的 调节 剂 起 反应 。 氨 基 酸 是 许多 其 他 重要 生物 分 子 的 前 身 物 : 包括 生物 学 上 的 活性 肽 例如 谷 胱 甘 肽 和 抗生素 短 杆菌 肽 \ 肌 酸 ( 从 甘氨酸 和 蛋氨酸 合成 )、 激 素 肾上腺 素 和 去 甲 肾上腺 素 ( 从 栈 氨 酸 来 )， 5- 羟 色 胺 和 呵呵 乙酸 (从 色 氨 酸 来 ) 以 及 聚 胺 类 精 胺 和 亚 精 胶 的 来 自 赖 氨 酸 和 和 蛋氨酸。 亚 铁 原 中 啉 和 叶绿素 的 中 啉 环 是 由 甘氨酸 和 琥珀 酰 辅酶 A 衍 生 的 。 在 豆 类 植物 根瘤 中 由 细菌 产生 的 氮 分 子 的 固定 作用 是 由 固氮 酶 系 催化 的 ,此 酶 由 铁 - 蛋白 和 钼 - 铁 蛋 白 组 成 。 还 原型 铁 氧 还 蛋白 为 还 原作 用 提供 电子 。 每 用 一 个 电子 还 原 氨 时 ,至 少 需要 一 个 ATP。 由 土壤 有 机 体 引起 的 氨 的 硝酸 化 作用 可 形成 硝酸 ,而 高 等 植物 则 使 硝酸 盐 经 过 脱 硝酸 化 作用 而 产生 NHi， 从 而 完成 了 氮 的 循环 。 = + X sk 书籍 Dagley, S., and D, E. 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COOH | CH==C—CH,CHNHC=O | Ne _N 一 CHs CH, E | pick ite N wate “2 《8- 丙 氨 酰 -1- 甲 基 工 -组 氨 酸 ) 7. 试 写 出 高 等 植物 的 光合 细胞 中 从 硝酸 盐 、NADPH、NAD+、ATP 和 CO, BRA 酸 的 平衡 方程 式 。 8. 试 写 出 从 x 酮 成 二 酸 合成 且 氨 酸 的 平衡 方程 式 。 假若 oA KB oF BR 子 是 标记 了 的 , 这 标记 将 在 且 氢 酸 的 什么 地 方 出 现 ? 9. 在 一 个 不 能 合成 泛酸 的 细菌 变种 中 , 当 有 对 氨基 茶 甲 酸 存 在 时 ,如 给 予 泛 解 酸 、o- 酮 泛 解 酸 或 - 酮 异 戊 酸 , 则 可 不 需要 泛酸 。 在 这 个 变种 细菌 中 ,标记 的 对 氨基 茶 甲 酸 不 产 生 标记 的 泛酸 ,而 2-*C-o- 酮 异 成 酸 则 产生 如 图 所 示 的 标记 了 的 泛酸 。 在 同 种 的 野生 型 细菌 中 , 发 现 a-MC 门 冬 氮 酸 能 生成 在 6- 丙 氨 酸 部 分 的 8- 碳 原子 上 有 标记 的 泛酸 。 试 从 *。630。 这 些 观察 中 推导 出 泛酸 合成 的 途径 。 CH, CH,—C—CH—COOH bud CH; OH 泛 解 酸 CH; CH,—¢—c—cooH on dro ea- 酮 泛 解 酸 CH, 4 | wy oi 壮 ag ggg 3 O COOH 标记 的 泛酸 10. 在 丝氨酸 和 蛋氨酸 转变 为 半 胱 氨 酸 时 ,要 用 去 多 少 高 能 磷酸 键 ? TFA: (a) 2-SC 标记 的 蛋氨酸 或 (b)2-”C 标记 的 丝氨酸 作为 其 前 身 物 ,试问 在 形成 的 半 胱 氨 酸 的 什 么 部 位 将 出 现 标记 ? [ 依 敏 庄 译 . 任 邦 哲 校 ] BIA BEML SR PARMAR RMR BRR EDS RE DaWN-TSERRE, AOR Ze DNA 和 RNA 的 直接 前 身 物 , FERAREEHRME SRW KEREDA KW 个 重要 方面 是 它们 的 碱 基 一 一 喀 啶 和 味 叭 一 一 的 形成 途径 。 除 某 些 细菌 外 ， 几 乎 所 有 的 活 有 机 体 , 似 乎 都 能 从 较 简 单 的 前 身 物 合成 这 些 碱 基 。 生物 合成 核 背 酸 的 途径 受到 严格 的 调节 。 四 种 主要 的 脱氧 核糖 核 苷 酸 和 四 种 主要 的 核糖 核 昔 酸 均 以 特定 的 克 分 子 比率 插 人 到 细胞 的 DNA 和 RNA 内 (第 三 十 一 章 )， 这 是 由 于 将 这 些 调节 机 制 调整 到 生成 适当 的 核 背 酸 的 “混合 ”, 而 这 种 “混合 ”是 适合 于 每 一 种 核 酸 和 每 一 种 细胞 的 。 核 苷 酸 及 其 含 氮 碱 基 的 使 用 是 经 济 的 ,事实 上 ,大 多 数 有 机 体 都 不 能 利用 它们 来 作为 产生 能 量 的 燃料 。 许 多 细胞 确实 具有 利用 废物 的 机 制 ， 以 回收 由 于 核 背 酸 水 解 而 产生 的 游离 嘎 哈 和 喀 啶 。 本 章 还 将 讨论 核 彰 酸 辅 酶 的 生物 合成 途径 。 Er PS AA We EF DRY Hey Te i Ee nS DETR AS TS BR AOR J. M. Buchanan 及 其 同事 的 一 些 实验 。 AeA BP RE ASIA A RS aS, FM ICRTBARIGR AEM. LES, 做 这 种 实验 是 因为 它们 主要 以 尿酸 的 形式 排泄 氮 。 尿 酸 是 一 种 味 叭 衍生 物 ， 容 易 被 分 离 为 纯净 的 形式 。 尿 酸 的 化 学 降解 揭示 出 味 叭 环 系统 中 原子 的 起 源 。 如 图 26-1 中 所 见 ，, 第 3 位 和 第 9 位 氮 原 子 来 自 谷 氨 酰 胺 的 酰胺 基 , 第 1 氮 原 子 来 自 门 冬 氮 酸 而 第 7 氮 原 子 来 自 甘 氨 酸 。 第 4 和 第 5 碳 原 子 亦 来 自 甘 氨 酸 ,表明 甘氨酸 分 子 的 骨干 直接 摊 人 到 嗓 叭 环 。 第 2 和 第 8 碳 原子 是 由 甲酸 供给 的 , 而 第 6 碳 原 子 则 是 由 CO, 供给 的 。 然 而 ,要 阐明 嗓 叭 核 音 酸 生物 合成 中 所 涉及 的 复杂 酶 促 步 骤 需 要 数 oO; 甘氨酸 年 的 研究 ; Buchanan 和 G. R. Greenberg 的 实验 室 et | 作出 了 重大 的 贡献 。 Bi ad; ay 二 5 RR AO RIE RM, MATS D- Coakel 7 "8 RMR RR AA, LTE BE ae Na, 一 种 激活 了 的 D- 核 六 5- 磷 酸 形式 ， 在 其 上 逐步 aoe HTK, 结果 直接 形成 核 苷 酸 。 生物 合 eR N RRA ENA, JER 图 26-1 味 叭 环 的 前 身 物 化 作用 激活 _o-D- 核 糖 5- 磷 酸 开始 的 ， 并 消耗 ATP 而 形成 5- 磷 酸 -xc-D- 核 糖 1- 焦 磷酸 (PRPP 图 26-2)。 这 是 一 个 不 寻常 的 反应 ， 其 中 ATP 的 焦 磷 酸 基 完 整地 被 转移 。 后 面 我 们 将 看 到 PRPP 也 是 喀 喧 核 背 酸 的 前 身 物 。 因 it, PRPP 对 调节 核 苷 酸 的 生物 合成 是 重要 的 ， 而 PRPP 的 形成 是 由 一 种 别 构 酶 所 催化 的 ,此 酶 被 ADP 和 GDP 所 抑制 。 * 032。 fake Sh GE Ay ee ihe » (LW 1 KMPA-d hNAYOKPRR ORES SV HBS CR MS ABH HD WAR 7-97 图 “See NS Fu Hie A eh-S ar) HO= a7 YS Na = 8 $4 34 FEE ch WS ch FE 2 Hd WWESEMAAE Cw doa | Piih sipi@e eS -( 48 ch Be WE 4-N)-b “EARS Fue -¢ (34 da BS Fle B4—-N)-b FEA Ay -,s @-% 4 al N’H / Sw HOOD A a eee No | oO HD cea zUA mS, 让 eee 'd + dav BR RM AB gy yi + aly @— % 4 al NTH i lat - Hi Bs HO. | “HRA BB -,< SN _£9—900H MW AMME | , ode a @- 4 J Nu Fuse > 如 Te 'd + ddv 2S HTT sy BEA wIK ay @-—%4 六 HN. O No= WEA -Wik-n I J H 'd +Wee + dav HS WBA | ayy eh RA + AABY 十 dLV YS A da-N @-i 4 g me meAwheN GPO FECA BiA-,< HL OH H BAA h "Hd Bap eee *Ha- Mf FA -oi NN $y 44 3 id + dav % eri a 6 26a 9S ASE WY f.+alVv 2 HA -J-Fiig-s way (3 + Aer Se A Eo O O ll | i ie EY HO HO Hie ay 1 §-4-a-»- Bids waa 7 IV Mua Nav Yiri-s BA-a-” * 633 。 在 下 一 步骤 中 (图 26-2), PRPP 与 谷 氨 酰 胺 反应 , 谷 氮 酰 胺 的 酰胺 部 分 的 氨基 便 置 换 TORE SS 1 位 上 的 焦 磷酸 基 而 生成 5- 磷 酸 -6-D- 核 糖 基 -1- 胺 。 谷 氨 栈 胺 的 酰胺 氮 原 子 是 呆 吟 环 上 第 一 个 被 引进 的 原子 ， 它 相当 于 完成 的 味 吟 环 上 的 第 9 AS, KOR 和 中 , 由 于 一 种 含 铁 的 酶 的 催化 作用 ，D- 核 糖 的 异 头 碳 原 子 1 从 o- 构 型 转化 为 6- 构 型 。 这 样 引 进 的 8- 构 型 保留 在 最 终 的 味 叭 核 音 酸 产物 中 。 这 一 反应 是 味 叭 生物 合成 的 第 二 控制 点 ; 受 味 叭 核 背 酸 的 抑制 。 如 下 面 所 示 , 此 步骤 也 被 抗菌 素 氮 丝氨酸 所 抑制 。 在 第 三 步 中 甘氨酸 的 羧基 与 5- 磷 酸 核糖 胺 的 氨基 起 作用 ， 在 甘氨酸 和 氨基 糖 之 间 形成 一 酰胺 键 。 需 要 ATP 作为 能 源 。 产 物 为 5 -磷酸 -8-D- 核 糖 基 -1- 甘 氢 酰 胺 以 及 ADP 和 磷酸 。 现在 围绕 着 甘 氮 酰 胺 部 分 已 建立 了 味 叭 环 , 这 一 部 分 已 含有 味 吟 环 上 的 第 4、5、2s 9 原子 (图 26-2)。 其 余 的 原子 是 逐个 地 引进 的 。 下 一 步 是 把 一 碳 甲 酰基 加 在 5 -磷酸 核糖 基 甘 所 酰胺 的 游离 w- 氮 基 上 ,生成 将 变 为 味 吟 环 上 的 碳 原 子 8( 图 26-2)e 甲 酰基 是 由 甲 酰 基 载 体 六 ,N"- 甲 川 四 所 叶酸 所 提供 的 ,而 后 者 又 是 从 闻 ,N 亚 甲 四 氧 叶 酸 衍生 而 来 的 甲 酰 碳 原 子 的 正常 生物 学 来 源 是 丝氨酸 的 p- 碳 原子 ， 但 甲 酰基 也 可 能 经 由 N" 甲 酰 四 和 氢 叶酸 的 形成 从 内 源 性 的 或 摄 人 的 叶酸 而 生成 。 嗓 叭 核 背 酸 生物 合成 的 下 一 步 是 引进 氮 原 子 3， 这 个 氮 原 子 是 从 谷 氮 酰胺 的 酰胺 基 衍生 来 的 (图 26-2), 结 果 形 成 5 -磷酸 核糖 基 -N- 甲 酰 甘 氨 胀 。 从 谷 氨 酰胺 转移 氨基 需要 从 ATP 输入 能 量 , 而 ATP 则 分 裂 为 ADP 和 磷酸 。 氮 丝氨酸 也 阻 抑 此 步骤 这 个 反应 的 产物 是 叮 叭 的 具有 五 个 原子 的 咪唑 环 部 分 。 在 下 一 反应 中 ， 咪 唑 环 除去 一 分 子 水 而 封闭 并 生成 5 -磷酸 核糖 基 -5- 氮 基 咪 唑 ,这 也 是 一 个 需 -ATP 的 反应 。 碳 原子 6, 最终 来 自 CO;( 图 26-1), 现 在 在 一 个 羧 化 反应 中 引入 。 只 有 一 个 氮 原 了 于 和 一 个 碳 原子 尚 竺 引进 。 氮 原子 首先 被 引进 到 即将 成 为 叮 叭 环 的 位 置 1 上 (图 26-1). 这 个 氮 原 子 来 自 门 冬 氮 酸 。 整个 门 冬 氮 酸 分 子 被 挫 人 而 生成 5 -磷酸 核糖 基 -4-(N- 琥 珀 酸 毛 甲 酰 )-5- 氮 基 咪 哗 。 接 着 从 这 一 化 合 物 除 去 游离 的 延 胡 索 酸 。 催 化 后 一 反应 的 酶 可 能 就 是 腺 背 基 琥珀 酸 裂 合 酶 。 在 腺 背 酸 的 生物 合成 中 它 催 化 较 后 的 一 个 反应 。 现在 通过 将 Nt- 甲 酰 四 氢 叶 酸 的 甲 酰基 转移 到 几乎 完成 的 核糖 核 背 酸 5 -磷酸 核糖 基 -4- 氮 甲 酰 -5- 甲 酰胺 基 咪 唑 的 5- 氮 基 上 而 引进 味 叭 环 第 2 位 置 上 还 空 着 的 那个 碳 原 子 。 于 是 , 味 吟 环 系统 的 喀 啶 部 分 就 此 除去 水 封闭 起 来 ,形成 核糖 核 苷 酸 次 黄 背 酸 (IMP), 它 是 这 个 生物 合成 途径 中 第 一 个 具有 完整 叮 吟 环 系统 的 产物 。 此 环 的 封闭 不 像 咪 唑 环 , 不 需要 ATP。 如 果 假 定 从 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 所 置换 出 来 的 焦 磷 酸 基 最 终 也 被 焦 磷酸 本 水 解 为 正 磷酸 的 话 ， 则 从 D- 核 糖 5- 磷 酸 形成 次 黄 苷 酸 总 共用 了 六 个 ATP 的 高 能 磷酸 基 。 从 D- 核 糖 5- 磷 酸 到 次 黄 彰 酸 的 反应 序列 中 ， 有 三 个 步骤 被 专 一 的 抗菌 剂 所 特殊 地 抑制 。 如 土 所 示 , 由 链 霉 菌 属 的 一 种 形成 的 抗菌 素 氮 丝氨酸 (图 26-3) 阻 断 谷 氮 酰 胺 的 酰 胺 基 的 两 个 酶 促 转移 步 又。 这 个 抗菌 素 在 结构 上 与 谷 氮 酰 胺 相似 ,并 与 之 竞争 (图 26-3 郑 氮 丝 氮 酸 显然 是 阻 断 催化 这 些 反 应 的 转移 酶 中 必需 的 -SH 基 。 磺胺 类 抗菌 药物 (图 26=4), 由 于 它们 抑制 许多 细菌 的 生长 ,已 广泛 地 应 用 于 医疗 对 敏感 的 微生物 它 阻 直 叶 酸 的 形成 ， 从 而 通过 间接 抑制 最 后 的 一 步 即 5 一 磷酸 核糖 基 -4- 氢 甲 酰 -5- 氮 基 咪 唑 的 甲 酰 化 , 而 阻止 嗓 叭 的 生物 合成 。 矿 胺 类 在 结构 上 与 叶酸 的 基本 单位 + 634° | ”对 氨基 葵 甲 酸 (图 26-4) 相似 。 在 叶酸 生物 合成 时 ,对 氨基 苯 伍 酰胺 和 其 他 磺胺 类 药物 通 过 竞争 性 抑制 作用 而 阻止 对 氨基 茶 甲 酸 的 挨 人 。 结 果 , 游 离 的 5 -磷酸 核糖 基 -4- 氨 四 酰 - 5- 氮 基 咪 唑 鞋 积 在 敏感 的 微生物 培养 基 中 。 un 》 O P 磺胺 类 的 一 般 结构 a ]| ea CH apr Or Sr PH rf 氮 丝 氨 酸 站 WEE GM AR i H,N—C—CH,—CH, —CH—COOH ae H,N -<_\-coon sot 对 -氨基 茶 甲 酸 图 26-3 毛 丝 氨 酸 ,与 谷 氨 酰胺 相似 的 一 26 4 对 氨基 苯 砚 酰胺 ,叶酸 生物 合成 种 抗菌 素 。 中 对 -氨基 葵 甲 酸 的 一 种 竞争 物 。 O MKB BRE A RGR ae AR een aie RAGE RIE Fitted | Ra BR CIMP) EAR YR A FF R(AMP 和 GMP) x a ABU SW. RR BRE ARR AR A 26-5) Ai 四 Saat 一 个 氨基 置换 第 6 位 置 上 的 羟基 。 然而 , 这 个 交换 是 om tee UP MBAKERN, BoIKRERSIZARE HOOC—cH,—Gii—COOH 应 生成 腺 苷 基 琥 珀 酸 ， 这 一 反应 伴随 着 GTP 分 解 为 NH ee GDPAIZADL BR. Kawa ERR A BN fF NA i FR Fil, SADR EF He Dea HWE A A in HE UR ee a LPMGRAMREEKHABED S WBE HM i i i 5 磷酸 核糖 基 -4-(N- 琥 珀 酸 氨 甲 酰 )-5- 氨 基 咪 唑 除 去 延 胡 索 酸 的 同一 个 酶 。 从 D- 核 糖 5 磷酸 到 合成 腺 cnn (BEE ” 昔 酸 总 共 需 要 七 个 高 能 磷酸 基 。 在 形成 鸟 背 酸 时 (图 26-6), 次 黄 苷 酸 在 一 个 联结 NAD 的 反应 中 首先 脱 氨 成 为 一 种 含有 碱 基 黄 味 叭 的 核 昔 酸 一 一 黄 苷 酸 。 然 后 , 黄 背 酸 胺 化 形成 鸟 昔 酸 ,在 这 一 反应 中 需要 谷 氨 酰胺 作为 氨基 供 体 以 及 ATP。 由 于 这 一 步 包 含 了 ATP 分 裂 出 焦 磷 酸 和 焦 磷 酸 的 最 后 水 解 ,所 以 由 次 黄 苷 酸 转变 为 岛 昔 酸 要 消耗 从 ATP 来 的 两 个 高 能 磷酸 基 。 因此 ，D- 核 糖 5- 磷 酸 转变 为 岛 昔 酸 一 共 需 要 八 个 高 能 磷酸 基 。 a I oe jE EEE — EE} AL 酸 的 途径 We EF AR ° 635 « KE ATP Rev REA KERNS, ERAS GRD BRIE ATP Al GTP, GMP + ATP==GDP + ADP GDP + ATP==GTP + ADP Oe i RL EXD At BX BoBNEDA RA RAIA TiS lA CA 26-7), H-TBR 合成 次 黄 苷 酸 途 径 的 调节 ， 因 此 对 所 有 嘲 吟 核 苷 酸 的 生物 全 成 提供 共同 的 调节 。 第 三 个 是 涉及 次 黄 昔 酸 转变 为 腺 车 酸 和 鸟 昔 酸 的 分 支 途径 的 调节 ， 因 此 它 起 着 调节 AMP 和 SMP 相对 数量 的 作用 。 在 转移 一 个 氨基 酸 基 到 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 的 早期 反应 步骤 上 ,调节 着 次 黄 昔 酸 的 产生 。 催 化 这 一 反应 的 酰胺 转移 酶 是 一 个 二 价 调 市 酶 , 它 被 AIP、ADP 或 AMP, 或 GTP、 GDP, GMP 所 抑制 ， 显 然 , 这 两 类 核 昔 酸 分 别 结合 于 酶 上 不 同 的 别 构 部 位 。 这 个 抑制 作用 是 可 以 累加 的 ,所 以 当 两 类 嗓 叭 核 彰 酸 均 位 于 高 水 平时 , 酶 受 抑制 的 程度 大 于 当 只 有 任何 一 种 存在 时 。 对 AMP 和 GMP 分 支 途径 的 调节 有 两 种 方法 。 其 中 的 第 一 个 是 异乎 寻常 的 。 应 注意 从 黄 昔 酸 转变 为 鸟 昔 酸 〈《GMP) 的 反应 途径 需要 ATP 作为 反应 物 ， 而 从 次 黄 痛 酸 转变 为 腺 背 栈 的 途径 则 需要 GTP。 因 此 ,过 量 的 ATP 能 加 速 鸟 彰 酸 的 合成 途径 。 相似 地 , 过 量 的 GTP, 则 会 加 速 腺 彰 酸 的 合成 。 这 种 相互 补足 的 安排 有 助 于 对 AMP 和 GMP 产生 速度 的 平衡 。 KH 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 NAD‘ + H,O = RAM ; NADH a SEE | te O 1 1 1 J i | 1 e a1 1 ( 4 HF5'- HR) 1 | | | i 1 | | : x t%—(P) J | | | : | 1 1 | | 1 .了 | Pa 1 1 i | 1 | | 1 1 1 1 1 { | Lina i 1 ee N a | | Bt (GMP) k cpp=-=—4 | 14 \ ) } | OH OH 图 26-6 VWKBTRREA SERNA Al26-7 EPREACRERH BAND * 636° fe AMP 和 GMP 水 平 之 间 的 第 二 种 调 济 是 由 两 个 反馈 性 抑制 作用 所 提供 的 。 一 个 是 由 AMP 对 次 黄 苷 酸 转变 为 腺 苷 基 琥 珀 酸 所 起 的 反馈 性 抑制 作用 , 另 一 个 是 由 GMP 对 次 黄 苷 酸 转变 为 黄 苷 酸 所 起 的 反馈 性 抑制 作用 。 调 节 AMP 对 GMP 水 平 的 第 一 个 过 程 是 一 种 加 速 过 程 ,在 这 个 过 程 中 当 AMP 水 平 高 时 ，GMP 的 合成 便 加 速 ;而 第 二 个 过 程 是 一 种 减 慢 的 过 程 ,在 这 一 过 程 中 AMP 和 GMP 延缓 其 自身 的 合成 。 喀 啶 核 昔 酸 的 生物 合成 喀 啶 核 背 酸 生物 合成 的 途径 比 味 吟 核 苷 酸 生 物 合成 的 途径 要 简单 得 多 。 喀 啶 环 从 其 开 链 前 身 物 形成 之 后 才 与 D- 核 糖 5- 磷 酸 的 (也 是 从 PRPP 衍生 而 来 的 ) 这 一 半 结 合 , 这 是 和 嗓 叭 途径 不 同 之 处 。 虽然 早期 的 同位 素 实 验 揭示 了 CO, 和 所 是 喀 啶 环 的 前 身 物 ， 但 我 们 关于 喀 啶 生物 合 成 的 知识 第 一 个 重要 的 进展 来 自 于 对 粗糙 脉 孢 菌 突变 种 的 研究 。 此 菌 缺 乏 制 造 旷 啶 的 能 力 , 因 而 除非 在 介质 中 有 胞 喀 喧 或 尿 喀 啶 存在 ,否则 就 不 能 生长 。 AM. 当 有 喀 啶 衍生 物 乳 清 酸 ( 图 26-8) 存 在 时 , 这 种 无 喀 啶 的 突变 种 就 能 够 正常 地 生长 了 。 乳 清 酸 首先 是 在 牛 乳 中 发 现 的 〈 和 希腊 文 Oros， 即 “ 乳 清 ”)。 用 同位 素 标 记 的 乳 请 酸 做 试验 ,证 明 在 脉 孢 菌 和 许多 细菌 中 乳 清 酸 是 喀 啶 的 直接 前 身 物 。 A. Kornberg 及 其 同事 用 图 表明 经 乳 请 酸 合成 旷 啶 核 背 酸 的 途径 ， 首 先 合成 尿 昔 酸 (UMP) Jas BR GRATE HER (CMP) 和 脱氧 胸 苷 酸 (dTMP)。 通过 门 冬 氢 酸 缩 合 而 形成 罚 啶 环 ， 由 门 冬 氮 酸 提供 三 个 碳 和 一 个 氮 ， 而 氮 甲 酰 磷酸 则 提供 其 余 的 碳 和 和 氮 原子 。 在 由 别 构 酶 门 冬 氮 酸 氮 甲 酰 转 移 酶 (aspartate carba- moyltransferase， 其 较 老 的 名 称 门 冬 氮 酸 转 氮 甲 酰 酶 aspartate 6 transcarbamoylase 更 为 大 家 所 熟知 ) 所 催化 的 反应 中 , 氨 甲 栈 l 磷酸 的 氨 甲 酰基 转移 至 门 冬 氨 酸 生成 N- 氨 甲 酰 门 冬 氨 酸 。 a it 这 一 反应 在 旷 啶 生物 合成 中 是 决定 性 的 一 步 。 所 需要 的 氢 甲 酰 磷酸 在 由 氮 甲 酰 磷 酸 合 酶 ( 谷 氮 酰 氮 ) 所 催化 的 反应 中 2ATP + 谷 氮 酰 胺 十 Coi + H,JO—>2ADP + Pi 图 26-8， 驰 清 酸 (6- 羧 基 尿 咏 啶 ) 十 谷 氮 酸 + 氮 甲 酰 磷酸 生成 。 在 真 核 生物 中 , 此 酶 存在 于 细胞 盗 质 中 , 这 和 和 氢 甲 酰 -磷酸 合 酶 ( 氨 ) 不 同 , 后 者 是 一 种 线粒体 卫 , 主 要 涉及 尿素 的 生成 。 氨 甲 酰 -磷酸 合 酶 ( 谷 氮 酰胺 ) 的 作用 则 主要 是 为 啶 的 生物 合成 制造 氨 甲 酰 磷酸 。 在 喀 啶 生物 合成 的 第 二 步 中 , 通过 二 氧 乳 清 酸 酶 的 作用 从 N- 氨 甲 酰 门 冬 氨 酸 中 除去 水 使 环 封闭 而 产生 LIAR. 此 化 合 物 然后 由 黄 素 蛋 白 乳 请 酸 还原 酶 氧化 而 生成 乳 清 酸 , 这 是 一 个 很 异乎 寻常 的 反应 , 它 利 用 NAD+ 作为 电子 的 最 终 受 体 。 这 个 非常 复杂 的 脱氧 酶 包含 FAD #1 FMN 两 者 以 及 铁 - 硫 中 心 。 此 时 ， 由 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 提供 的 D- 核 糖 5- 磷 酸 侧 链 通过 乳 清 酸 磷酸 核糖 基 转 移 酶 的 作用 连 在 乳 清 酸 上 而 生成 乳 清 酸 核 苷 5 磷酸 或 乳 清音 酸 。 乳 清 昔 酸 然后 脱羧 生 BRERA 26-9)。 在 某 些 有 机 体 中 最 后 两 步 认为 是 由 同一 种 酶 蛋白 所 催化 的 。 FRR CUMP) 是 胞 喀 啶 核 背 酸 的 前 身 物 。 这 一 转变 要 求 尿 背 酸 通过 下 列 连 续 反应 。637。 5c PERL RA RE = RR (UTP), RJ UTP Zee 4 位 置 上 被 氨 ( 细 菌 ) RE ihe (oo) 胺 化 ， 生 成 胞 背 5 -三 磷酸 或 CTP (图 26-10)。 在 此 反应 中 ATP 分 裂 为 NH,—C Nr SFP Bi oe PaaS > : | 碳酸 Bt — O UMP + ATP UDP + ADP is BoE AS HOOC—CH,—CH—COOH ry ga UDP + ATP UTP + ADP NH, 乳 清 酸 尿 症 是 人 类 喀 喧 生物 合成 的 一 种 遗传 疾 sueees He LB LH ELBE MRE, EVA 4 5 Abe WS AY JL BE AE RR TE, SLI BE TE STE Bo HO. | PERRI A eR BRB HN ~oH, N- ie o=C_ yc—coon =‘'!14 — f N Mie AK EE BR Ae Ay E> BN Vel ao -aaa 喀 啶 核 苷 酸 合成 速率 的 调节 是 许多 深 大 研究 的 ? 主题 ,特别 是 由 A. B. Pardee 及 其 同事 所 创始 的 那些 oe cece DESMO. HATH TL MHF BRT 1 a O=¢_ y¢—coon 酰 酶 催化 反应 序列 中 的 第 一 个 反应 《 氨 甲 酰 磷 酸 和 | 门 冬 氨 酸 缩合 生成 氨 甲 酰 门 冬 氨 酸 ); 能 被 这 一 反应 NAD* | oy sep 序列 的 终 产物 CTP 所 抑制 (图 26-11)。ATP 可 防止 po 这 种 抑制 (图 26-12). AWA ROIS ARS 酰 酶 可 能 是 研究 得 最 彻底 的 一 种 别 构 酶 ; 对 其 动力 Ris 学 和 分 子 结构 已 了 解 甚 详 。 | 天 对 门 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 行为 的 比较 研究 揭示 了 D， 在 不 同 有 机 体 中 其 调节 特性 变异 很 大 。 上 述 调节 模 nmr ate 2 式 发 生 在 大 肠 杆 菌 和 产 气 气 杆菌 中 ,在 此 模式 中 ; 抑 PP 才 伟 区 制 性 调节 剂 是 CTP。 然 而 在 曹 光 假 单 胞 菌 中 ,主要 9? 的 抑制 性 调节 剂 是 UTP; 而 在 一 些 高 等 植物 中 则 为 Hy Ga 1 i ar roe ATP ADP+P, ane | I + NH, | I O=C2z : sCH CTP O=C_ _CH " 合成 酶 核 糖 -PPP 核 糖 -PPP RAF = GHEE (UTP) fats = wie (CTP) 图 26-9 ” 尿 苷 酸 的 26-10 UTP 被 细菌 的 CTP 合 生物 合成 成 酶 胺 化 为 CTP UMP。 此 外 ,在 有 些微 生物 例如 枯草 杆菌 中 , 门 冬 氮 酸 转 氮 甲 酰 酶 不 被 这 些 化 合 物 中 的 任 何 一 种 所 抑制 ,大 概 因为 它 缺 乏 调节 亚 基 。 再 强调 一 下 ，5- 磷 酸 -xc-D- 核 糖 1- 焦 磷酸 是 嗓 叭 核 背 酸 和 喀 啶 核 苷 酸 两 者 的 共同 前 * 638 身 物 , 而 催化 其 生成 的 酶 核糖 磷酸 焦 磷酸 激酶 (图 26-2) 32 —“nl i, TBE Va“ al 是 ADP 和 GDP。 此 外 ,此 酶 的 合成 受 旷 啶 核 苷 酸 的 抑制 。 a PRR 十 一 Rea. Ving 0.2 mM CTP + ed ; 0.8 mM ATP f ; N- 氨 甲 酰 门 冬 氨 酸 | 正常 曲线 | | = (no CTP) a 1 | F | i | UMP 1 | | | | 40 20 30 | UTP ( 门 冬 氨 酸 ),mM 1 | Al 26-12 CTP 和 ATP 对 门 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 反 < CTP 应 的 效应 。 注 意 : 总 途径 的 终 产物 CTP KES 图 26-1I1 “通过 终 产物 抑制 门 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 以 调节 加 时 ， 使 产生 半 - 最 大 速度 的 底 物 浓度 从 约 10 mM 生物 合成 CTP 的 途径 。ATP 可 阻止 CTP 的 抑制 效应 。 增加 到 约 23mM。 此 效应 被 ATP 所 逆转 。 脱氧 核糖 核 苦 酸 的 生物 合成 由 于 脱氧 核糖 核 苷 酸 不 同 于 核糖 核 苷 酸 仅 在 于 前 者 含有 2- 脱 氧 核糖 作为 成 糖 单 位 而 不 是 核糖 ,所 以 曾 假定 脱氧 核糖 核 苷 酸 是 通过 上 述 核糖 核 苷 酸 的 途径 形成 的 , 磷酸 化 的 核糖 前 身 物 被 一 个 类 似 的 2- 脱 氧 核糖 衍生 物 所 替代 。 因 此 ,大 量 早期 研究 集中 在 2- 脱 氧 - D- 核 糖 的 生物 合成 机 制 上 。 虽然 从 较 简 单 的 前 身 物 形成 游离 的 2- 脱 氧 核糖 5- 磷 酸 的 酶 促 途 径 事 实 上 在 有 些 细胞 中 是 存在 的 ， 但 现 已 知道 脱氧 核糖 核 苷 酸 正常 不 是 从 以 脱氧 核 糖 作为 基本 构成 单位 开始 合成 的 ,而 是 通过 相应 的 核糖 核 苷 酸 的 2'- 碳 原子 直接 还 原 所 形 成 的 。 指 出 这 一 结论 的 一 个 重要 实验 是 由 I. A. Rose 和 By S. Schweigert 用 胞 昔 所 进行 的 > 他 们 用 MC 标记 了 胞 昔 的 喀 啶 环 和 核糖 。 当 将 上 述 胞 苷 给 予 动物 或 细菌 细胞 时 ,此 化 合 物 便 被 挫 人 到 RNA 的 胞 苦 酸 残 基 和 DNA 的 脱氧 胞 苷 酸 残 基 中 。 在 胞 昔 酸 和 脱氧 胞 苷 酸 残 基 中 , 酷 吓 和 核糖 (或 脱氧 核糖 ) 部 分 同位 素 的 比率 相同 。 这 一 发 现 表 明 在 DNA 中 标 记 了 的 脱氧 胞 昔 酸 残 基 形 成 之 前 ,核糖 部 分 没有 从 标记 的 胞 苷 的 胞 喀 啶 环 上 脱 下 来 如 果 核糖 首先 脱 下 来 , 它 会 在 脱氧 核糖 核 苷 酸 形成 之 前 ,被 非 同位 素 的 核糖 或 脱氧 核糖 所 稀释 ， 在 喀 啶 和 戊 糖 残 基 中 MC 的 比率 就 有 相应 的 改变 。 在 无 细胞 的 细菌 提取 液 上 所 做 的 直接 同位 素 试验 随后 即 证 实 了 标记 的 核糖 核 苷 酸 实际 上 直接 转化 为 相应 的 脱氧 核糖 核 苷 酸 。 随 着 种 类 的 不 同 ,似乎 有 两 个 直接 还 原核 糖 核 苷 酸 的 途径 。 P. Reichard 及 其 同事 曾 证 明 ， 大 肠 杆菌 中 所 有 四 种 核糖 核 昔 二 磷酸 (ADP. GDP. UDP 和 CDP) 均 被 一 多 酶 体 系 各 自 直接 还 原 为 相应 的 脱氧 类 似 物 4ADP. dGDP. dUDP. ,和 dCDP。 在 全 过 程 中 , 核糖 部 分 还 原 为 2- 脱 氧 核 糖 所 需要 的 一 对 氢 原 子 最 后 是 由 NADPH 和 Ht 所 供给 的 。 然 而 ， “639。 直接 的 电子 供 体 不 是 NADPH, 而 是 一 种 还 原型 的 耐 热 的 小 蛋白 质 〈108 个 氨基 酸 残 基 ) 称 为 硫 氧 还 蛋白 , 它 有 两 个 游离 的 FSH 基 , 是 由 两 个 半 胱 氨 酸 残 基 所 提供 的 。 硫 氧 还 蛋白 能 可 逆 地 氧化 与 还 原 。 其 氧化 型 或 二 硫化 物 型 含有 一 个 胱 氨 酸 残 基 ， 在 由 硫 氧 还 蛋白 还 原 酶 所 催化 的 反应 中 被 NADPH + Ht 还 原 为 二 硫 醇 型 : 硫 氧 还 蛋白 硫 氧 还 蛋白 (—SH), + NADP*: 硫 氧 还 蛋白 (—S—S—) + NADPH + Ht 硫 氧 还 蛋白 还 原 酶 是 一 种 分 子 量 为 68,000 的 黄 素 蛋白 , 含有 两 分 子 的 结合 FAD。 然后 ， 所 形成 的 还 原型 硫 氧 还 蛋白 的 还 原 当量 被 核糖 核 背 二 磷酸 还 原 酶 转移 到 核糖 核 苷 5 三 磷酸 受 体 (NDP) 上 去 : 硫 氧 还 星 白 人 -SHED, + NDP -> 硫 氧 还 蛋白 (—S—S—) + dNDP + HO 这 一 反应 其 为 复杂 并 需要 两 个 蛋白 质 或 亚 基 以 及 Mg:。 这 一 完整 体系 可 以 使 四 种 核糖 核 音 5 -二 磷酸 中 的 任何 一 种 还 厌 并 生成 相应 的 2- 脱 氧 -D- 核 糖 类 似 物 。 然而 ,在 各 种 其 他 微生物 包括 某 些 种 类 的 乳酸 杆菌 、 根 瘤 菌 属 、 眼 虫 属 和 梭 状 芽 胞 杆 菌 属 中 , 则 有 不 同 的 途径 ,在 许多 情况 下 需要 核糖 核 并 5 -三 磷酸 而 不 是 核糖 核 背 二 磷酸 。 此 外 ;还 需要 辅酶 B; 并 能 用 硫 氧 还 蛋白 或 二 氢 硫 辛酸 作为 还 原 剂 。 由 于 辅酶 Bu 在 以 一 个 碳 原子 上 的 所 原子 与 一 个 邻近 碳 原子 的 一 个 取代 基 交 换 时 能 够 作为 中 间 载 体 起 作用 ， 所 以 在 乳酸 杆菌 中 核糖 部 分 还 原 为 2- 脱氧 核糖 的 机 制 可 能 不 仅 涉及 碳 原 子 2， 而 且 也 涉 及 一 个 邻近 的 碳 原子 。 脱氧 脑 昔 酸 的 形成 DNA 含有 胸腺 喀 啶 (5- 甲 基 尿 喀 啶 ) 而 不 是 存在 于 RNA 中 的 尿 喀 啶 。 在 一 个 需要 叶 a ee HN Ny = CH oN 二 气 叶 酸 BSA KS SEP (正常 底 物 ) bs 2 RF Nzs,Ni- APO (dUMP) rH Fs Nis : Glu Katte She N H | 二 气 叶酸 NS RS 9 ee N 和 4 4 ow . 2) ‘Age Bue O=C. CH Ki te CH, Glu . (4IMP) ‘OG cH \—¢ Sr Cet Ge tee oe eae an to b 右 。 这 些 药物 通过 它们 对 二 氢 叶 酸 还 原 酶 的 作用 而 抑制 胸 蔡 酸 的 形成 。Glu 表示 谷 氨 酸 残 基 。 26-13 dUMP FEE RA AW S aR wens * 640 。 —_ es Hag a Rig N°, N"—WV FA PO SiH BRC 26-13 VEX SEE ASS AY Bz eH HE Be i EE At RRR EBB EB OS AY A ek, if A CAUMP) 形成 了 脱氧 胸 苦 酸 (dTMP)。 il 苷 酸 的 合成 亦 即 DNA 的 合成 能 被 药物 氨 蝶 哈 和 毛 甲 蝶 叭 所 大 大 延缓 (图 26-13)e 这 些 药物 称 为 抗 叶酸 药 ， 可 以 使 某 种 癌症 特别 是 白血病 的 生长 减 慢 。 因 为 它们 在 结构 土 与 二 氨 叶 酸 相似 ， 故 它们 通过 二 所 叶酸 还 原 酶 的 作用 竞争 性 地 抑制 了 二 所 叶酸 转 化 为 四 毛 叶 Be, NADPH + Ht + 二 氨 叶 酸 一 > NADP+ + 四 氢 叶 酸 胸 背 酸 的 形成 对 四 氢 叶 本 水平 的 降低 特别 敏感 。 迅速 分 裂 的 恶性 白细胞 中 的 DNA 合成 就 这 样 受到 了 抑制 。 WAAR 在 大 肠 杆菌 中 , 一 套 调节 脱氧 核糖 核 苷 酸 生 物 合成 的 别 构 帆 制 (图 26-14) BRB 原型 硫 氧 还 蛋白 和 NDPs( 各 类 三 磷酸 核 苷 ) 之 间 的 反应 ， 这 个 反应 是 由 上 述 核糖 核 苷 二 磷酸 还 原 酶 系 所 催化 的 。 此 酶 还 原 CDP 为 dCDP 和 UDP 为 dUDP 的 作用 极 大 地 被 ATP 所 加 速 , 而 ADP 还 原 为 d4ADP 和 GDP 还 原 为 dGDP 的 作用 则 被 dGTP 和 qdTTP 所 刺激 。 另 一 方面 ,对 所 有 核糖 核 苷 5 -二 磷酸 的 还 原作 用 ,dATP 都 起 着 反馈 抑制 剂 的 作用 。 ATP IS ADP GDP UDP CDP | jacTP<、 L JJ | y 2 Sry dATP | | I be | Ce I | | ADP | 1 dGDP | dUDP dCDP 1 7 —~=dATP. _ \_>>- dcTp | dUMP dCTP | 1 1 | ! dTMP | vid | | dTDP 1 1 \ ; | EL a ee eB ee 26-14 fie ABER 5'-= BAMA AAS BIS PLA, ~ATP, dGTP 和 ATTP 是 重要 的 刺激 性 调节 剂 而 dATP 则 是 一 种 普遍 的 抑制 剂 。 由 于 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 是 核糖 核 背 酸 和 脱氧 核糖 核 昔 酸 两 者 的 成 糖 单位 的 最 终 来 源 , 别 构 抑制 剂 ADP 和 GDP 对 核糖 磷酸 焦 磷酸 激酶 的 调节 作用 在 脱氧 核糖 核 昔 酸 的 生物 合成 中 也 是 重要 的 。 。0641 。 ip PS Hy Be AEE J 高 等 动物 中 ;由 于 核酸 酶 的 作用 从 核酸 降解 所 产生 的 核 背 酸 通常 经 过 酶 促 水 解 作 用 最 后 生成 游离 的 味 叭 碱 和 喀 喧 碱 。 如 果 不 去 挽回 而 重新 使 用 ， 则 游离 碱 基 将 进一步 降解 TRAP HEM TERMS A HED IE RA. Dalmatian $7, © 26 AEM, RR BMEECRRNRATh, MEKEMADMMRLAURAADORH, WRB 终 产物 。 EEK, RERNEOREMARA, LPSKERAEDD, WEEE ASR EBS RAPS, BAK, CRE Dee BEM HHHBA. A 26- 15 中 所 示 的 反应 是 味 叭 降解 中 主要 步骤 的 梗概 。 AMP H2O OH Ge leis AMP BAB 腺 但 RRR) N7 “e eo NH, | H,0 REA, Dalmatian HOC. By ig [nse ey Sit NON +0, + H,O Me RST co, <} RE Rt PP, aE BE H,O OH 核糖 基 转移 酶 水 解 本 REX AOR uy eA PRPP — Hea 4 | 1 £0 OH HEHE N~H N | H H ANON NH; _H,0 H,O RHE | i pH .全 ”人 ponssng REEB SN 一 nw ” RRB, BH NE Nis & i = OOH c= HO, 0 些 鱼 类 排泄 ”0 一 C i oy Wee eee He, 0 - | Rae Re ? H OH H2:O | RRM OFF oe Ee Ruy 尿素 ,由 大 多 数 备 “2HN 一 C 一 NHs SN 人 N 类 和 两 栖 类 排 汽 H + H,0, O, . ">| mc 9ooH at ZK CH RR Re i ( 见 上 ;, 右 ) 26-15 合 黄 素 蛋 白 黄 味 叭 氧化 酶 氧化 为 尿酸 : 黄 叮 叭 十 HzO 十 9: 一 > 尿酸 十 O7 HAY 此 超 氧 物 根 受 超 氧 物 歧化 酶 的 作用 转化 为 过 氧化 氧 。 在 排泄 尿酸 的 兰 椎 动物 身上 所 进行 8 642° 味 吟 降解 为 含 须 排泄 产物 因为 这 一 途径 的 遗传 失常 是 大 家 所 知道 的 ， 故 味 叭 在 人 体 中 降解 为 终 产 物 尿 酸 已 作 过 充分 的 研究 。 主 要 的 味 叭 腺 味 哈 和 鸟 味 叭 首先 转化 为 黄 味 吟 (图 26-15)， 然 后 再 被 复 的 同位 素 研 究 表明 尿酸 是 由 外 源 性 和 内 源 性 核酸 两 者 都 可 衍生 出 来 的 。 虽 然 每 天 形成 的 HREM IK 5 克 , 但 正常 人 每 天 只 排泄 约 0.5 克 的 尿酸 ; 显然 大 部 分 的 游离 嗓 叭 通过 下 述 途径 被 补救 或 再 循环 。 存 在 于 血 外 中 的 尿酸 大 都 是 尿酸 一 钠 , 然 而 ,游离 尿酸 和 尿酸 盐 两 者 均 颇 不 溶 于 水 ,因而 在 某 些 个 体 中 尿酸 在 尿 中 沉淀 并 结晶 ,形成 肾 结石 而 引起 这 个 器 官 的 损害 。 在 软骨 组 织 中 也 可 形成 尿酸 况 积 而 产生 痛风 病 。 此 病 显 然 是 由 于 尿酸 产生 过 多 所 引起 。 用 药物 别 味 吟 醇 〈 图 26-16) 治 疗 可 使 此 病 减轻 。 别 嗓 吟 醇 是 次 黄 味 叭 的 一 种 类 似 物 。 它 抑制 黄 味 叭 氧化 酶 , 因而 减少 尿酸 的 形成 。 in Pe BY bX TE Fl 养 椎 动物 中 从 核 苷 酸 形成 的 游离 味 叭 (图 26-15 ) 被 补救 再 用 于 核 昔 酸 和 核酸 的 生物 合成 。 主 要 机 制 是 通过 腺 味 叭 磷酸 核糖 基 转 移 酶 和 鸟 味 叭 (或 次 黄 味 叭 ) 磷 酸 核糖 基 转 移 酶 的 作用 : ARE 十 5- 磷 酸 核糖 1- 焦 磷酸 一 AMP 十 PPi SM 十 5- 磷酸 核糖 1- 焦 磷酸 一 >~GMP 十 PPi 这 些 重要 酶 类 将 游离 叮 吟 转化 为 相应 的 味 叭 核 背 5 一 磷酸 而 再 利用 。 另 一 补救 途径 是 由 嘲 吟 核 苷 磷酸 化 酶 和 核 彰 激酶 例如 腺 OH 昔 激 酶 的 连续 作用 所 促进 的 : NA 一 从 Rey 十 核糖 1- 磷 酸 一 ~ 味 叭 核 昔 十 Pi EN Re 腺 苷 + ATP —> AMP + ADP wie ee 由 于 人 所 形成 的 游离 味 叭 的 90% 都 被 补救 并 再 循环 ,这 图 26-16 Sime, seomeeS SA Aa SOI 二 A AHMED ARM HABGRE, HHELRB—-TRE, EAD eee iy tenet bes 方面 是 非常 重要 的 。 缺 乏 这 些 补救 途 径 的 一 种 是 引起 Lesch- ARTS LORATE Nyhan 综合 症 。 这 是 一 种 少见 的 遗传 疾病 , ARS 位 置 上 是 颐 倒 的 s 叭 (次 黄 嘎 叭 ) 磷 酸 核糖 基 转移 酶 。 这 种 酶 催化 核糖 磷酸 基 从 PRPP 转移 到 鸟 嘎 叭 或 次 黄 re PRN + 5- BRR BORE 1- 焦 磷酸 一 > 次 黄 苷 酸 十 PPi 当 此 酶 缺乏 时 , 岛 味 叭 和 次 黄 叮 叭 均 不 能 被 补救 ,因此 都 进一步 降解 为 尿酸 。Lesch-Nyhan 综合 症 的 病人 表现 精神 症状 包括 非常 爱 挑 峡 的 行为 和 自我 毁伤 的 奇怪 倾向 以 及 尿酸 大 量 沉积 在 肾脏 中 而 引起 肾 衰 。 a a 4E VE & PHAR AH Pag Boe Be ARO DR SA Bo TE BON RS EG BA, 因此 也 在 辅酶 A 的 生物 合成 中 ， 它 们 可 以 被 利用 来 作为 前 身 物 。 图 26-17 表示 胞 喀 喧 和 尿 喀 啶 的 主要 降解 途径 。 从 胸腺 喀 喧 形成 6- 氮 基 异 本 酸 的 途径 与 图 26-17 所 示 者 相似 。 oh aE BLED EPR ER CAMP) 生物 合成 中 所 涉及 的 两 个 反应 似乎 参与 J. Lowenstein 所 描述 的 肌 。643。 AZAR IS RS SEE ARAB, KNBR HEAREVIER. BM RE 酸 循环 这 个 途径 由 下 列 连 续 反 应 所 组 成 : hie 2 EE RRS pM IMP + 门 冬 氨 酸 + cTe 22 pe pap ses +GDP + Pi mee 腺 苷 酸 琥珀 酸 -至 2 人 > IMP + NH; AMP + 延 胡 索 酸 加 起 来 : la + GTP 十 .H2O 一 > 延 胡 索 酸 + NH; + GDP + Pi ZEA SLB PAS ek i ee IS ER, PRS At See AS, Tm bchee se AE th A PAK. ENA PRB 环 起 了 制造 延 胡 索 酸 的 作用 ,因此 对 产生 其 他 三 羧 酸 循环 中 间 产 物 也 起 作用 ,肌肉 中 并 不 含有 能 够 催化 回 补 反 应 的 其 他 酶 。 OH ”CH，OH CH—C—NH—CH,—CH,—COOH zm cle CH, ATP OH | | ADP HO 一 P 一 0 O CH, \OH* O He ee ORG 0 4 磷酸 泛酸 bapa CH, NH, 4] Be Wise te ig FRB BE | anes me tt OH = P, +. CDP -| AMA ARES oe nay. Bit | NAD+ Oo i si ? O i POF SUT er Ca ER 4'— RG TS MEE DER OR came . O=C_ CH 4 HC—CH,—SH H COOH H,0 ita OH CO, 4 氨 酸 脱羧 酶 H,N—G-—NH—CH,CH,COOH HO—P=0 fe) 6-RE AR GE OH O H,0 | 4, —¢—CH—G—NH—CH,—CH,—C=0 4 -ARMARRBCK 8- 腺 基 丙 酸 本 | NH CH bi N—CH,CH,COOH 6- 丙 氨 酸 - en ATP acmREC RR yy ct PP, <7 BRR BM | NH, SH DelI 脱 磷酸 -CoA 十 CO; on fie PRBE- CoA ADP itis 图 26-17 RU RCD BE A 辅 栈 图 26-18 ”辅酶 A 的 生物 合成 。644。 GF RHR HER WN) He 黄 素 腺 味 叭 二 核 昔 酸 、 吡 啶 核 昔 酸 和 辅酶 A 都 是 腺 苷 酸 的 衍生 物 。 黄 素 单 核 童 酸 (FMN) 不 是 一 个 真正 的 核 苷 酸 , 称 之 为 核 黄 素 磷酸 更 为 正确 , 是 通过 核 黄 素 激酶 的 作用 从 游离 核 黄 素 (维生素 B:) 和 ATP 在 下 列 反应 中 合成 的 。 核 黄 素 十 ATP —> 核 黄 素 5 一 磷酸 + ADP 然后 ,通过 FMN 腺 萌 基 转移 酶 的 作用 从 FMN 形成 FAD: 核 黄 素 5 一 磷酸 + ATP 一 > 黄 素 腺 味 叭 二 核 彰 酸 十 PPi 在 细菌 中 , NAD 是 在 下 述 一 系列 反应 中 从 游离 烟 酸 合成 的 : 烟 酸 十 5- 磷 酸 w-D- 核 糖 1- 焦 磷酸 = 一 烦 酸 单 核 苷 酸 . 十 PPi JARS BAR + ATP = 一 脱 酰胺 -NAD+ 十 PP; 脱 酰胺 一 NAD+ 十 谷 氨 酰 胺 + ATP + HO==NADt + 4AM + ADP + Pi 在 细 苦 中 ,NAD 的 酰胺 基 是 在 构成 NAD 的 烟 酸 类 似 物 脱 酰胺 -NAD 之 后 结合 进去 的 。 然 而 ,在 哺乳 动物 ,游离 的 烟 酰 胺 可 以 经 由 烟 酰 胺 单 核 苷 酸 而 被 直接 利用 ， 而 不 是 经 由 游离 烟 屋 和 烟 酸 单 核 背 酸 。 通 过 下 列 反 应 可 从 NAD* 形成 NADP*。 NAD+ + ATP == NADP* + ADP 辅酶 A 是 从 泛酸 这 一 游离 维生素 开始 按 图 26-18 所 示 反 应 序列 装配 成 的 。 在 最 后 的 反应 中 , 把 一 个 磷酸 基 引 人 脱 磷酸 -辅酶 A 的 腺 音 部 分 的 3- 羟基 上 ,生成 完整 的 辅酶 A 分 Fo 摘 要 腺 背 酸 和 鸟 音 酸 等 呀 叭 核糖 核 背 酸 的 生物 合成 是 从 引入 一 个 氨基 开始 的 。 氮 基 引 入 到 5- 磷 酸 -D- 核 糖 1- 焦 磷酸 的 1 位 碳 原 子 上 ,并 失去 焦 磷酸 。 然 后 ,甘氨酸 连接 于 氨基 上 形成 甘 氢 酰 胺 衍生 物 。 将 一 个 甲 酰基 和 一 个 氨基 相继 加 入 到 甘 氨 酰 胺 部 分 后 ， 接 着 就 封 闭 咪 哗 环 。 在 随后 的 反应 中 ,装配 并 封闭 味 叭 核 的 第 二 个 环 , 生成 第 一 个 含 嘎 叭 的 产物 次 黄 苷 酸 这 个 核 苷 酸 。 次 黄 苷 酸 经 由 腺 苷 酸 琥珀 酸 成 为 腺 背 酸 的 前 身 物 ， 经 由 黄 苷 酸 成 为 鸟 背 酸 的 前 身 物 。AMP 和 GMP 的 生物 合成 ， 在 序列 中 的 第 一 步 就 被 腺 味 叭 核 背 酸 和 鸟 味 叭 核 背 酸 通过 别 构 作用 而 受到 抑制 。 喀 啶 核 背 酸 是 以 稍 有 不 同 的 型 式 形成 的 。 在 与 核糖 5- 磷 酸 结合 之 前 ,以 乳 清 酸 的 形 式 合 成 喀 啶 环 。 然 后 形成 尿 背 酸 并 磷酸 化 为 UTP。 UTP 是 CTP 的 直接 前 身 物 。 喀 啶 生 物 合成 中 的 第 一 步 ， 由 别 构 酶 门 冬 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 催化 ,在 某 些 有 机 体 中 受 CTP 抑制 。 核糖 核 背 5 -二 磷酸 类 都 可 被 直接 还 原 为 相应 的 2- 脱 氧 核糖 核 背 5 -二 磷酸 。 在 大 肠 杆菌 中 ,电子 从 NADPH + Ht 转移 到 氧化 型 的 硫 氧 还 蛋白 ( 它 含 有 胱 氨 酸 残 基 ) 使 之 转 变 成 其 二 硫 醇 即 还 原型 硫 氧 还 蛋白 。 它 是 各 种 三 磷酸 核 苷 (NDPs) 转化 为 各 种 相应 的 脱 氧 二 磷酸 核 痛 的 直接 还 原 剂 。 在 某 些 物 种 中 ,各 种 5 -三 磷酸 核糖 核 音 或 二 磷酸 核糖 核 昔 在 一 个 需要 辅酶 BL 的 反应 中 还 原 为 各 种 相应 的 脱氧 化 合 物 。 脱氧 胸 背 酸 是 由 脱氧 尿 苷 酸 的 甲 基 化 而 形成 的 。 。645 。 AG Ba DE APE PT FZ SCY US ES A he YY Bk eb FA KT BR ARRAY & a HE Th 7" AE ES A ZS PT BE HH © A SSRIS te BE SR PD HR BT HE EL ft HE oh HU 终 降 解 为 尿 囊 素 和 其 他 终 产物 。 若 人 产生 尿酸 过 多 并 在 软骨 中 沉积 的 话 ， 则 会 引起 痛风 症 。 鸟 味 哈 和 次 黄 味 叭 补救 作用 的 遗传 缺陷 产生 Lesch-Nyhan 综合 症 。 核 彰 酸 辅酶 类 FAD, NAD, NADP 和 辅酶 A 的 生物 合成 , 除 其 相应 的 前 身 物 之 外 , 还 需要 ATP 的 参与 。 i ae ae 书籍 Dagley, S., and D. E. Nicholson: An Introduction to Metabolic Pathways, Wiley, New York. 1970. Greenberg, D. M. (ed.): Metabolic Pathways, vol. IV. Academic, New York, 1970. Henderson, J. F.: Regulation of Purine Biosynthesis, 4m. Chem. Soc. Monog. 170, Washington, D. C., 1972. Henderson, J. F., and A. R. P. Paterson: Nucleotide Metabolism, Academic, New York, 1972. Reichard, P.: Biosynthesis of Deoxyribose, Wiley, New York, 1967. Stanbury, J. B., J. B. Wyngaarden, and D. S. Fredrickson: The Metabolic Basis of Inherited Disease, 3d ed., MeGraw-Hill, New York, 1972. Genetic disorders of purine and pyrimidine metabolism are described in detail. 论文 Buchanan, J. M.: ‘‘The Amidotransferases,’’ Adv. Enzymol., 39: 91—183 (1973). These enzymes par- ticipate in purine and pyrimidine biosynthesis. Friedkin, M.: ‘‘Thymidylate Synthetase,’’ Adv. Enzymol., 38: 235—292 (1973). An important review of this important enzyme and its relationship to tetrahydrofolate coenzymes and cancer chemo- therapy. Larsson, A., and P. 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Fi tig BEAN SATE BX NADP 的 平衡 方程 式 。 6. 4E Bw fire Epic SAUER ERS Re ET PRU ZEA, BE A AGS Se PE BE 标记 的 终 产 物 ?”〈a) RURF 3,(b) 碳 原子 5 和 (c) 6- 氮 基 上 的 氮 原 子 。 [ 唐 恢 玲 译 EAR] 。646。 第 二 十 七 章 ” 肌 肉 和 运动 系统 的 生物 化 学 在 第 三 篇 的 前 数 章 中 我 们 已 经 看 到 如 何 通 过 偶 联 酶 促 反应 来 利用 ATP 的 化 学 能 进 行 细胞 主要 成 分 的 生物 合成 .我 们 现在 转 到 由 分 解 反应 所 产生 的 能 量 的 另 一 种 形式 的 利 用 , 即 ATP 的 化 学 能 转变 为 收缩 的 机 械 能 和 运动 ,这 是 动物 能 量 利用 的 一 种 主要 途径 。 例 如 ， 一 个 成 年 人 的 肌肉 系统 在 静 息 状态 下 约 利用 由 于 呼吸 作用 所 产生 的 总 ATP 能 量 的 30% 在 很 激烈 的 肌肉 活动 时 ,如 短 距 离 赛跑 , 肌肉 消耗 所 产生 的 ATP 总 量 的 85% 或 85% 以 上 。 完成 机 械 功 决 不 限于 少数 象 肌肉 这 样 特殊 化 了 的 组 织 。 RPL, 几乎 一 切 真 核 细胞 都 含有 具有 收缩 性 的 丝 和 微 管 ,它们 参与 几 种 重要 的 细胞 功能 : CL) 细胞 内 容 物 的 组 织 ; 2) 纺锤 体 的 形成 和 细胞 分 裂 ;(3) 纤 毛 和 办 毛 的 活动 ;47) 细 胞 内 物质 的 转运 ,以 及 细胞 的 其 它 活 动 ,包括 机 械 的 紧张 ,扭转 或 移 位 。 变 ATP 的 化 学 能 为 引起 收缩 \ 位 移 和 推进 所 需要 的 机 械 能 是 生物 化 学 中 最 棘手 的 问 题 之 一 。 一 个 理由 是 对 于 这 种 类 型 的 能 量 转化 ,我 们 缺乏 简单 的 概念 性 的 模型 。 实 际 上 ， 没有 能 将 化 学 能 直接 转变 为 机 械 能 的 普通 的 人 造 机 械 。 另 一 理由 是 收缩 活动 的 机 制 不 仅仅 是 一 个 生物 化 学 问题 。 我 们 所 知道 的 大 多 数 新 进 展 都 是 由 生物 化 学 的 、 生 物 物理 学 的 和 电镜 探讨 的 相互 关系 得 来 的 。 因 此 ,我 们 将 从 这 一 较 广 泛 的 观点 来 研究 肌肉 收缩 和 其 他 机 械 化 学 活动 。 确 实 ， 肌 肉 应 该 被 看 成 是 高 效能 和 高 度 多 能 的 能 量 转换 器 械 , 若 与 人 造 机 械 相 比 , 它 在 工程 学 和 机 械 性 能 上 具有 惊人 的 特征 《图 27-1)。 此 外 ,它们 能 够 产生 巨大 的 张力 ,每 平方 厘米 横断 面 约 3.5 公斤 。 实际 上 , A 体 全 部 肌肉 所 能 达到 的 总 张力 约 30 吨 。 本 所 有 的 模型 都 提供 了 "燃料 电池 ?类 型 的 能 量 转换 的 经 济 性 ， 并 且 用 一 种 在 广泛 范围 可 以 得 到 的 普 通 燃料 就 能 启动 。 低 的 可 依靠 的 功率 * 但 却 在 毫秒 以 内 就 能 切断 或 接 通 多 至 1 千瓦 机 械 功 /公斤 (最 高 点 ? 干 重 )。 模 式 的 结构 * 以 及 有 大 范围 可 资 利 用 的 亚 单位 ;使 其 他 方法 难以 对 付 乓 机械 问 题 得 以 贴切 地 解决 。 两 种 控制 系统 的 选择 : CL) 外 部 的 触发 方式 。 通 用 的 ， 一 般 性 目的 的 单位 。 由 微微 焦耳 脉冲 数字 控制 。 尽 管 是 低 的 能 量 输入 水 平 ? 却 有 很 高 的 信号 -对 -噪音 比 。 能 量 放大 接近 10'。 机 械 特征 : CLK RRO) 极 大 速率 ;在 0.1 和 100 毫米 / 秒 之 闻 可 任意 选择 。 产 生 的 应 力 ;2 至 5X10 牛顿 米 一 。 (2) 自主 的 具有 积分 振荡 器 的 方式 。 尤 其 适合 于 泵 送 的 应 用 。 可 用 的 模 数 具有 的 频率 和 机 械 阻抗 ,适合 于 : (a) 固体 和 浆 状 物 (0.01 一 1.0 HR). (b) 液体 (0.5 一 5 eR): 寿命 2.6 勾 10" 次 (典型 的 )3.6X 10( 极 大 值 ) 一 一 和 频率 无 关 。 (c) 气体 (50 一 1;,000 HR). 有 许多 可 任意 选择 的 额外 东西 ,例如 : 当 需 要 精细 控制 的 地 方 * 就 有 典 人 的 伺服 系统 CREM 速度 )。 直 接 输送 氧气 。 产 生 热量 。 等 等 。 很 好 吃 。 | 图 27-1 D. R. Wilkie 教授 在 伦敦 电机 工程 师 协会 所 作 的 一 次 讲座 的 通知 骨骼 肌 的 超 微 结 构 组 织 骨骼 肌 的 具有 收缩 性 的 细胞 极 长 并 多 核 。 其 原生 质 膜 称 为 肌 纤 膜 。- 册 细胞 体积 的 大 部 分 由 其 收缩 成 分 一 一 肌 原 纤维 所 占据 。 它 们 按 收缩 轴 排 列 成 平行 束 ; 每 一 肌 原 纤维 包 含 许多 肌 微 丝 ( 图 27-2)。 肌 原 纤维 又 由 肌 浆 包围 和 浸 浴 。 肌 浆 即 肌肉 的 细胞 内 流 , 它 包 含 糖 原 EB A IAI, ATP, ADP, AMP, 18H ilk, Whe PR LPB Hie 无 机 电解 收缩 轴 Teo Woe co ah Ge a eee rA tf Fy 肌 人 小 节 -一 一 -一 一 -一 - 半山 在 收缩 状态 下 的 纵 切 面 。 在 两 平行 肌 原 纤维 中 显示 特殊 的 楼 六。 1.0 微米 绿 头 苍蝇 飞翔 肌 的 原 纤维 横 切面 ， 显 示 出 肌 丝 的 六 边 形 排列 。 图 27-2 骨骼 肌 的 电子 显微镜 照片 。648 。 ” 质 以 及 一 些 氨基 酸 和 肽 类 。 在 连续 活动 的 需 氧 肌肉 如 鸟 和 昆虫 的 飞翔 肌 中 ， 线 粒 体征 富 并 沿 肌 原 纤维 有 规律 的 排列 着 ,其 位 置 比较 固定 。 这 种 肌肉 常 称 为 红 肌 ,因为 它们 的 肌 红 蛋白 和 细胞 色素 含量 都 高 。 在 白色 骨骼 肌 如 用 得 很 少 的 鸡 和 火 鸡 的 胸肌 中 ， 线 粒 体 稀少 且 间 隔 不 规则 。 肌 细胞 还 含有 高 度 分 化 的 内 质 网 ， 称 为 肌 浆 网 ， 其 结构 和 功能 将 介绍 于 后 。 肌 原 纤维 是 一 些 细 长 的 肌 丝 束 , 沿 其 长 度 显示 出 一 种 结构 模式 ,每 2.5 微米 左右 重复 一 次 (图 27-2 和 图 27-3)。 这 些 重复 的 单位 称 为 肌 小 节 ， 是 肌 原 纤维 的 收缩 单位 。 在 骨 人 骼 肌 或 横 纹 肌 中 ,许多 平行 肌 原 纤维 的 肌 节 都 呈 横 向 对 齐 排列 ,产生 横 过 肌 细 胞 的 特殊 的 横 纹 ;这 些 横 纹 是 明和 暗 横 带 交替 的 结果 。 明 带 称 为 各 向 同性 带 或 工 带 ; 瞳 带 为 各 向 异性 带 或 玉带 。 各 向 同性 结构 是 不 管 从 什么 方向 测量 都 具有 一 致 的 物理 性 质 的 那些 结构 ， 而 在 各 商 异 性 结构 中 , 则 物理 性 质 决 定 于 测量 的 方向 。 肌 肉 的 A 带 是 光学 上 各 向 异性 的 , 即 它们 的 折射 率 在 各 个 方向 是 不 一 致 的 ,因而 赋 与 它们 双 折 光 性 或 双 折射 。 通 党 , 双 折 射 是 收缩 轴 横 切 面 的 部 位 图 27-3 肌 原 纤维 结构 略图 。( 重 新 绘 自 SC。Keene and D. W. Fawcett，TIextbook of Histology, 1968) 。649 。 由 分 子 成 分 不 对 称 而 在 一 个 方向 定位 的 固体 表现 出 来 的 。 在 静 息 肌肉 中 , 暗 A 带 沿 收缩 轴 延 伸 ; 长 约 1.6 微米 ; 工 带 长 约 1.0 微米 。 横 纹 正 被 一 厚 约 80 毫 微米 的 致密 横 线 即 乙 线 分 为 两 等 分 。A 带 的 中 央 部 分 (0.5 微米 ) 即 互 区 没有 此 带 的 其 他 部 分 那样 致密 ; 也 被 一 致密 横 线 即 M 线 分 为 两 等 分 。 肌 小 节 这 个 纵 的 完整 的 重 复 单 位 从 一 条 乙 线 延伸 到 另 一 条 Z 线 。 (图 27-2 和 27-3) 用 电子 显微镜 更 详细 地 检查 ,特别 是 五 . E. Huxley 和 J. Hanson 的 检查 , 已 经 发 现 有 粗 的 和 细 的 两 类 肌 丝 (图 27-3)。 在 横 的 工 带 中 , 只 有 细 的 丝 存在 ; 它们 的 直径 约 为 6 毫 微米 。 横 的 和 A 带 的 致密 部 分 不 仅 含 有 在 工 带 中 发 现 的 那 种 细 丝 ,而且 还 有 排列 整齐 的 粗 丝 ( 直 径 15 一 17 毫 微米 ,这 些 粗 丝 赋予 A 带 其 特有 的 双 折 射 。 在 不 同 点 所 做 的 肌肉 横 场 面 已 表明 粗 丝 相隔 约 45 SK, 呈 六 边 形 排列 。 每 一 粗 丝 由 六 条 细 丝 包围 ;也 呈 六 边 形 排列 (图 27-4)。 粗 丝 从 A 带 的 一 端 连续 地 延伸 到 另 一 端 。 另 一 方面 ,， 细 丝 并 非 连续 贯穿 整个 A 带 的 : 它们 开始 于 Z 线 ,连续 地 经 过 工 带 并 延伸 人 A 带 。 然 而 ,它们 终止 于 A 带 中 心 H 区 的 边缘 。 由 于 细 丝 也 呈 纵 向 对 齐 排 列 , 所 以 五 区 的 边缘 划 界 清晰 。 一 条 粗 丝 上 横 桥 的 6:2 螺旋 状 排列 横 切 面 表示 粗 、 细 丝 的 超 格子 和 横 桥 的 排列 27-4 蛙 终 匠 肌 粗 丝 上 的 横 桥 排列 。 此 图 是 从 低 角 度 和 射线 图 解 演 译 而 来 。 [ 引 自 H. E. Huxley and W. Brown, J. Mol. Biol. 30: 383 (1967)] 用 高 分 辨 力 电子 显微镜 检查 ,观察 到 在 A 带 的 致密 部 分 内 , 突起 从 粗 丝 延 伸 到 邻近 的 细 丝 有 规则 地 排列 着 ;这 些 突起 形成 横 桥 。 在 约 43 毫 微米 的 一 段 骨骼 肌 中 有 六 个 这 种 突 起 。 它 们 排列 成 对 ,每 对 从 前 一 对 处 旋转 约 120°C 27-4)。 这 些 横 桥 乃 粗 、 细 丝 之 闻 的 唯一 结构 联系 。 收缩 时 肌 修 节 中 的 变化 肌 小 节 是 肌 原 纤维 的 收缩 单位 ,在 其 最 大 收缩 时 ,各 部 分 缩短 约 20-50% 当 肌肉 被 动 地 拉 长 时 , 肌 小 节 可 伸 长 达 其 静止 时 长 度 的 120% 左右 。 完 整 肌 肉 在 松弛 ,收缩 和 拉 长 状态 时 ,从 A 带 和 工 带 长 度 的 精细 显 微 测 定 , 已 证 明 A 带 因而 也 就 是 与 肌肉 的 各 向 异性 有 *。650。 | 关 的 粗 丝 总 是 保持 其 长 度 不 变 。 细 丝 长 度 同样 也 不 改变 。 因 此 得 出 结论 ， 认 为 肌肉 长 度 的 改变 必然 是 由 于 粗细 丝 彼此 相沿 地 滑动 ， 以 至 于 细 丝 择 人 粗 丝 区 的 程度 有 所 变化 《图 27-5)。 当 肌肉 发 生 最 大 缩短 时 ， 细 丝 甚至 可 以 请 动 至 相互 重 倒 ,在 互 区 内 形成 一 新 的 更 致密 的 中 心 带 。 这 些 观察 提示 ,在 这 些 丝 彼 此 相沿 滑动 时 , A 带 的 致密 部 分 内 , 粗 、 细 丝 之 闻 的 横 桥 迅速 地 形成 和 破坏 。 Z Zz Z Se cr 0 SC Z Z Z Sa aes OSE A 收缩 = PF was 一 一 Z vA Zz oS i ——— SS LE eS ithe ed A A 27-5 收缩 时 滑动 丝 的 图 解 肌 细胞 的 蛋白 质 成 分 骨骼 肌 细 胞 的 细胞 内 蛋白 质 是 由 肌 浆 中 构成 肌肉 蛋白 质 总 量 20-25 多 左右 的 水 溶性 蛋白 质 和 肌 原 纤维 的 不 溶 于 水 的 丝 状 蛋白 质 组 成 的 。 可 溶性 肌 浆 蛋白 质 用 冷水 易 从 肌肉 提出 ;这 一 部 分 常 称 为 肌 浆 蛋白 。 肌 浆 蛋白 部 分 语 于 糖 酵 解 酶 类 ,从 这 部 分 可 以 分 离 出 大 AN PUMA: 如 醛 缩 酶 .甘油 醛 磷酸 脱氧 酶 .甘油 磷酸 脱 氨 酶 和 磷酸 化 酶 等 。 业已 证 明 肌 丝 的 不 溶 于 水 的 蛋白 质 更 难于 分 离 和 获得 纯净 的 形式 。 对 肌肉 收缩 成 分 的 现代 生物 化 学 研究 是 从 廿 世纪 枚 年 代 早 期 J. T. Edsall 和 A. von Muralt 对 肌肉 蛋白 质 一 一 肌 球 蛋白 的 经 典 研究 开始 的 。 用 冷水 提取 首先 除去 免 骨骼 肌肉 糜 中 可 溶性 肌 浆 蛋白 部 分 之 后 ,他 们 发 现 剩 下 的 不 溶 解 的 肌肉 残 复 中 的 大 量 蛋白 质 可 用 冷 的 0.6M KCl 溶液 在 长 时 间 提 取 中 以 可 溶 的 形式 除去 之 。 这 样 提 出 的 蛋白 质 通 过 稀释 或 透析 提出 物 以 降低 KCl 浓度 能 使 它 沉 淀 ;沉淀 的 蛋白 质 可 再 溶解 , 即 在 0.6 MKCI 中 盐 溶 。 这 部 分 不 溶 于 水 但 溶解 于 0.6 MKC 的 蛋白 质 称 为 肌 球 蛋白 ; 现 已 知道 这 一 部 分 含有 颇 多 的 肌 动 蛋白 , 这 点 以 后 将 会 提 及 。 两 方面 的 证 据 提 示 , 称 为 肌 球 蛋白 的 部 分 是 骨骼 肌 各 向 异性 带 的 主要 成 分 。 首 先 Edsall 和 von Muralt 证 明 肌 球 蛋 白 溶 液 具 有 流动 双 折光 性 (double refraction of flow) 或 流动 双 折射 (flow birefringence) 的 性 质 。 这 一 现象 可 由 细 长 的 高 度 不 对 称 分 子 的 溶液 表现 出 来 。 当 这 种 溶 流 未 被 搅动 时 ,溶质 分 子 方向 率 乱 ;因而 ,所 有 方向 的 折射 率 相 同 。 然 而 , 当 人 迫使 这 种 溶 流 流 经 狭小 的 毛细 管 时 , 长 的 盗 质 分 子 本 身 按 流动 的 方向 定向 ,使 盗 液 变 为 光学 上 的 各 向 异性 。 以 后 ,在 用 0.6 MKC] 提出 肌 球 蛋白 的 前 后 ， 从 显微镜 检查 完整 肌肉 纤维 的 外 观 得 到 了 第 二 方面 的 证 据 , 认 为 肌 球 蛋白 是 A 带 的 主要 成 分 。 在 提出 肌 球 蛋白 之 后 , A 融 变 得 不 太 致 密 并 失去 其 大 部 分 各 向 异性 的 特点 。 * 651° 1939 年 V. A. Engelhardt 及 其 妻 M.N. Lyubimova 在 莫斯科 发 现 , 用 Edsall 的 方法 制 备 的 肌 球 蛋白 具有 酶 活性 ;在 有 Ca*+ 存在 时 ,， 肌 球 蛋 白 催化 ATP 的 末端 磷酸 基 的 水 解 而 生成 ADP 和 无 机 磷酸 。 :此 后 不 久 , 他 们 证 明 如 果 将 溶解 在 0.6 MKC] HAD ALERE A 经 一 细小 的 皮下 注射 针头 喷 人 冷 蒸馏 水 中 , 则 肌 球 蛋白 便 呈 易 碎 的 线 状 沉淀 出 来 。 当 将 ATP 和 Ca* 加 入 刘 浴 这 种 人 造 肌 球 蛋白 纤维 的 介质 中 时 , 其 长 度 和 伸展 性 发 生 显著 变 化 ; 同时 ATP 发 生 水 解 。 这 些 观察 有 力 地 支持 下 述 观 点 ,， 即 肌 球 蛋白 是 A 带 的 主要 成 分 并 参与 需 能 收缩 过 程 。 第 二 次 世界 大 战 时 期 ，A:- Szent-Gyorgyi 及 其 同事 在 匈牙利 对 肌 原 纤维 的 分 子 成 分 方 面 有 许多 新 发 现 , 大 大 地 阐明 了 肌 球 蛋白 与 收缩 过 程 的 关系 。 特别 是 他 们 发 现 骨骼 肌 含 有 另 一 主要 蛋白 质 成 分 ,他 们 称 它 为 肌 动 蛋白 。 现 已 认识 骨骼 肌 不 溶 于 水 的 丝 状 成 分 中 有 两 种 主要 蛋白 质 成 分 一 一 肌 球 蛋白 与 肌 动 蛋白 。 它 们 构成 收缩 装置 的 蛋白 质 的 80% 左右 ( 表 27-1)。 此 外 ， 至 少 还 有 六 种 其 它 蛋 白质 成 分 即 原 肌 球 蛋 白 、 肌 钙 蛋 白 、C- 和 蛋白 质 `.M- 线 蛋白 质 以 及 wo- 和 p- 肌 动 宁 蛋白 。 除 去 肌 浆 蛋白 部 分 之 后 ,存在 于 肌 丝 中 的 两 种 主要 蛋白 质 可 以 有 选择 地 从 肌肉 中 抽 提 出 来 。 用 冷 碱 性 0.6 M KCI 溶液 可 以 从 没有 肌 浆 蛋白 的 肌肉 残 赣 中 抽 提 出 肌 球 蛋白 。 然后 用 丙 酮 干燥 肌肉 残 复 ,并 用 冷 的 微 碱 性 水 抽 提 出 肌 动 蛋白 ;获得 的 肌 动 蛋白 呈 球 状 , 称 CHD 蛋白 。 在 较 高 温度 下 进一步 提取 残 温 得 表 27-1 免 骨 骼 肌 丝 的 蛋白 质 成 分 i a bt I Rl tT SO Lak Bt Elo 部 位 亚 基 分 FB 粗 丝 肌 球 蛋白 两 条 重 链 ?四 条 轻 链 | 460,000 AL 球 cs 日 C- 和 蛋白 质 140,000 M- 线 蛋白 质 155,000 粗 肌 丝 的 主要 成 分 肌 球 蛋白 可 以 通 i liad 过 在 0.6MKCI 中 溶解 ， 又 用 稀释 或 透析 细 丝 5 - : “ FE- 肌 动 蛋 白 ee 肌 动 蛋白 (46,000), {8 ZILLE » 为 此 循环 而 达到 提纯 。 许多 原 肌 球 蛋 白 ”| 两 条 链 70,000 研究 者 对 肌 球 蛋白 作 了 充分 的 物理 化 学 三 个 亚 基 ah 的 研究 ,但 是 很 长 时 间 以 来 ,对 于 其 分 子 a-Wls 00, \ pe 70,000 AYA. WERE RR AS ATER BTS a ee Ro ES NE Bd Je EI” ee oe 高 度 不 对 称 的 性 质 所 引起 ， 这 种 性 质 使 肌 球 蛋白 在 诸如 沉降 和 扩散 等 流体 动力 学 测量 方 面 与 理想 行为 有 本 质 的 差异 。 加 之 肌 球 蛋白 分 子 倾向 于 相互 地 并 与 其 它 肌 丝 蛋 白质 紧密 结合 。 这 一 性 质 可 能 产生 均一 性 的 错觉 。 对 高 度 纯 净 的 肌 球 蛋白 的 最 新 研究 , 明确 地 表明 肌 球 蛋白 分 子 量 约 为 460,000。 如 图 27-6 所 示 肌 球 蛋白 分 子 为 一 含有 一 个 球状 头 的 长 (~160 毫 微米 ) 不 对 称 分 子 。 它 含有 两 条 相同 的 约 200,000 道 尔 顿 的 长 多 肽 链 , 称 为 重 链 , FR RR RR BR TR IS CS ERE BT 使 它们 分 开 。 它 们 是 生物 中 存在 的 已 知 最 长 的 单条 多 肽 链 , 每 一 条 约 有 1,800 氨基 酸 残 基 。 它们 的 完整 的 氨基 酸 顺 序 尚未 确定 ,其 测定 仍 是 一 项 巨大 的 工作 。 骨 骼 肌 肌 球 蛋 白 含有 三 种 不 寻常 的 氨基 酸 , 即 3- 甲 基 组 氮 酸 \,e-N- 一 甲 基 赖 氨 酸 和 se-N- 三 甲 基 赖 氨 酸 (图 27-7), 它们 均 位 于 肌 球 蛋白 分 子 的 头 部 。 肌 球 蛋白 的 170 个 赖 氮 酸 残 基 中 只 有 4 个 和 35 个 组 氮 酸 残 基 中 只 有 一 个 是 甲 基 化 了 的 ; 大 概 它们 在 肌 球 蛋白 头 部 的 功能 上 起 着 某 些 特殊 的 652， ”作用 。 贯穿 肌 球 蛋白 分 子 大 部 分 长 度 的 ,每 一 重 链 呈 w- 螺 旋 构 型 ,两 条 链 互相 缠绕 (图 27-6)。 两 条 重 多 肽 链 均 盘 折 成 球状 结构 形成 头 部 。 此 外 , 头 部 含有 四 条 较 小 的 或 轻 多 肽 链 。 两 条 轻 链 是 相同 的 ,分子量 约 18,0003 它们 可 能 含有 磷酸 化 的 丝氨酸 残 基 , 这 取决 于 它们 是 如 何 被 提取 出 来 的 。 另 两 条 轻 链 分 子 量 为 16,000 和 21,000。 因 此 , 肌 球 蛋白 个 有 6 条 多 肽 链 ,两 条 重 的 四 条 轻 的 。 高 度 纯 化 了 的 肌 球 蛋白 制剂 能 够 水 解 ATP 的 末端 磷酸 根 ; 它们 也 作用 于 GTP、ITP 和 CTP。 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 有 以 下 几 方 面 的 特 Ri: C1) 它 可 由 Ca 激发 ;(2) 可 由 Mg?* 抑制 ;(3) 受 CI 浓度 的 影响 极 大 和 (4) 有 两 个 最 适 pH， 一 个 在 pH 6.0 而 另 一 个 在 pH9.5。 此 外 , 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 特异 地 决定 于 两 类 不 同 组 的 -SH 基 ， 它 们 在 对 烃 化 作用 或 硫 醇 盐 形成 时 的 敏感 性 上 不 同 ， 虽然 它们 在 肌 球 蛋白 分 子 中 在 位 置 上 是 颇 为 接近 图 27-6， 肌 球 蛋 白 分 子 略图 ,显示 其 图 27-7 ”存在 于 肌 球 蛋 球状 头 部 和 长 尾 以 及 酶 促 断 裂 点 。 白 中 的 异常 的 氨基酸 的 。 当 较 敏感 的 -SH 基 被 封闭 时 ， 肌 球 蛋 白 分子 的 ATP 酶 活性 增加 ， 意 味 着 正常 时 这 类 -SH 基 对 酶 有 抑制 性 。 而 在 AROS: Ly 封闭 第 二 类 -SH JE, ATP 酶 活 bi 性 受到 完全 破坏 表示 这 些 -SH mi ve 基 是 水 解 过 程 所 必需 的 。 关于 肌 球 蛋白 的 结构 及 其 numact ATP 本 活性 的 许多 重要 知识 来 dod 自 对 肌 球 蛋白 碎片 的 研究 。 当 肌 seit REGRETS AR cu, 糜 蛋 白 酶 时 ， 则 在 接近 尾部 中 心 CH WHR, PERF ij 重 的 .一 个 轻 的 碎片 ,分 别称 为 重 iG 酶 解 肌 球 蛋白 和 轻 酶 解 肌 球 蛋白 《图 27-6)。 这 些 碎片 已 分 离 成 纯 NERA. ALIRASS 它们 也 分 别称 为 F, + Fh aE 和 Fi。 另 一 方面 , 当 用 木瓜 蛋白 E35 酶 处 理 肌 球 蛋白 时 ， 则 产生 不 同 类 型 的 断裂 。 从 头 部 产生 两 个 碎 bi 片 称 为 SF, BE RI 4S RE ci, (F; + FHM FEARS 如 果 HCN cH, 用 胰 蛋 白 酶 进一步 处 理 重 酶 解 肌 :Ne EAC 十 FDR 部 分 可 以 两 个 SF, 雁 片 的 形式 回收 到 ， 与 用 木瓜 蛋 折 酶 处 理 所 获 得 的 那些 * 653° 碎片 相同 。 所 有 这 些 碎片 都 已 回收 到 并 已 纯化 ;它们 的 特性 扼要 列 于 表 27-2 中 。 特 别 有 趣 的 是 发 现 经 过 这 些 断 裂 处 理 后 ， 肌 球 蛋白 在 SF; 碎片 上 仍 保持 着 ATP 酶 活性 5 因此 得 出 结论 , 肌 球 蛋白 分 子 的 ATP 酶 活性 完全 存在 于 其 头 部 ,而 且 有 两 个 催化 部 位 ;两 个 SF， 雁 片 中 每 一 个 碎片 各 有 一 个 。 每 一 个 SF, 碎片 含有 一 个 抑制 的 和 一 个 催化 的 -SH So WL 球 蛋白 头 部 中 的 轻 链 关 系 到 与 ATP 的 结合 以 及 ATP 酶 的 活性 。 从 肌 球 蛋白 分 子 的 头 端 可 分 离 出 一 个 能 与 ATP 结合 的 八 肽 。 认 为 这 个 八 肽 相当 于 ATP 酶 活性 部 位 的 一 部 分 s 此 姑 的 氮 基 酸 顺 序 已 经 推断 出 来 ; 它 含 有 半 胱 氨 酸 残 基 , 这 个 半 胱 氨 酸 残 基 相 信和 是 表现 ATP 酶 活性 所 需要 的 。 图 27-8 表示 ATP 与 O 人 这 个 肽 结合 的 假想 模型 ,在 AITP 分 子 和 CH, — ‘ } ts Say 八 肽 之 间 表 现 出 许多 附着 部 位 ae . Pea 本 表 27-2 肌 球 蛋白 酶 促 分 裂 所 产生 的 碎片 / REED Py eule O. ( 见 图 27-6) ty N N--- Mg? “O65 ig < LAI G AT ACER | 长 度 毫 微米 Dx 全 ee oe SO Le 本 | Ho 肌 球 蛋白 460,000 150 一 160 ii X < 7 a | A Fp F, 350,000 75 : A F, + F; 210,000 135 ¥ pitag F, 61,000 46 eS, 4 F, 150,000 86 a 和 " SF, 115,000 150 谷 SS 酰胺 从 肌 球 蛋白 碎片 的 研究 已 得 出 第 二 示 出 这 个 肽 是 如 何 与 MgATP*- 相 结合 的 。[ 重 绘 自 G. ”个 重要 结论 。 纯 化 完整 的 肌 球 蛋白 在 两 Barany and R. B. Merrifield, Cold Spring Harbor 个 专 一 位 置 上 与 肌 动 蛋白 结合 形成 肌 动 27-8 从 肌 球 蛋白 分 离 出 来 的 ATP 结合 肽 的 结构 表 Symp. Quant. Biol., 37: 122(1972)] 球 蛋 白 ,我 们 以 后 将 会 知道 , 这 一 现象 在 收缩 机 制 中 是 非常 关键 性 的 步骤 。 当 肌 动 蛋白 结合 到 肌 球 蛋白 上 时 ,ATP 酶 活性 发 生 有 趣 而 又 重要 的 变化 。 纯 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 需要 Ca” 而 却 被 Mg + 所 抑制 ， 但 肌 动 球 蛋 白 的 ATP 酶 活性 则 被 Mg**+ 所 激动 。 此 外 , 业已 发 现 肌 球 蛋 白 与 肌 动 蛋白 结合 的 全 部 活性 就 位 于 具有 ATP 酶 活性 的 SF, 碎片 中 。 从 这 样 的 实验 得 出 结论 ， 肌 球 蛋白 分 子 头 部 上 的 两 个 ATP 酶 催化 部 位 就 位 于 与 肌 动 蛋白 结合 的 部 位 或 其 附近 。 肌 球 蛋白 ATP 酶 活性 的 机 制 由 于 肌 球 蛋白 水 解 ATP 与 力 的 产生 有 关 这 一 明显 的 可 能 性 , 所 以 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 已 得 到 充分 的 研究 。 特 别 有 兴 趣 的 是 在 肌 球 蛋白 起 ATP 酶 活力 时 所 形成 的 酶 - 底 物 复 合 物 的 性 质 。 虽然 常 提出 肌 球 蛋白 分 子 由 于 与 ATP 相互 作用 而 在 某 专 一 氨基 酸 残 基 上 磷酸 化 了 ;但 是 对 形成 了 一 种 共 价 的 磷酸 酶 中 间 产 物 还 没有 结论 性 的 证 据 。 然 而 , 动 力学 资料 提示 在 肌 球 蛋白 起 ATP 酶 作用 时 可 能 形成 三 种 不 同 的 非 共 价 性 质 的 酶 底 物 复 合 物 。 基 本 观察 是 当 等 克 分 子 量 的 ATP 和 肌 球 蛋白 混合 时 , 游离 的 H+ 在 介质 中 很 快 出 现 ,而 游离 磷酸 和 ADP 的 出 现 则 慢 得 多 。 在 pH 接近 7.0 时 , Ht 作为 ATP 的 水 解 产 物 之 一 而 产生 : 。654 。 PO TEE SN ATP* + H,O 一 > ADP* + HPOj7 + Ht 由 于 在 早期 突然 发 作 的 H+ 形成 过 程 中 ,介质 中 未 出 现 游离 的 ADP 和 磷酸 ， 因 此 得 出 结 论 在 此 时 期 它们 仍 与 酶 相 结 合 , 大 概 成 为 肌 球 蛋 白 与 其 产物 ADP 和 磷酸 的 复合 物 ， 与 所 有 酶 作用 时 所 形成 的 EP (P 为 产物 ) 复 合 物 相似 。 此 复合 物 的 降解 大 概 是 肌 球 蛋白 水 解 ATP 过 程 中 的 限 速 步骤 。 Ain, 业已 发 现 简单 地 把 肌 球 蛋白 、ADP 和 磷酸 混合 起 来 不 可 能 形成 这 样 一 个 缓慢 分 解 的 复合 物 , 提示 至 少 形 成 了 两 个 酶 产物 复合 物 ,它们 不 能 迅速 地 相互 转化 。 这 个 以 及 其 他 证 据 导致 出 一 个 假说 , 即 这 两 个 酶 产物 复合 物 的 构象 不 同 。 对 肌 球 蛋白 ATP 酶 活性 的 机 制 已 提出 各 种 假说 。 下 列 方程 式 (M 为 肌 球 蛋白 , M* 是 肌 球 蛋白 分 子 赋 予 了 能 的 构象 ) 给 予 了 简单 的 说 明 : M + ATP = 一 M.ATP (1) M-ATP + H,O==M*-ADP:P + Ht (2) M*- ADP: P —> M-ADP:P (3) M:ADP-P==M + ADP + P (4) 反应 (2) 就 是 引起 H+ 早期 迅速 突然 发 作 的 反应 。 假定 复合 物 M*-ADP-P 为 一 高 能 量 复 合 物 , 其 中 ATP 水 解 的 自由 能 以 肌 球 蛋白 分 子 能 量化 的 构象 形式 被 保留 。 反应 (3) 是 组 慢 、 限 速 反应 ,在 此 反应 中 能 量化 的 复合 物 发 生 分 解 , 释放 出 保存 在 M*- ADP-P 构象 中 的 能 量 , 产 生 低能 复合 物 M'ADP'P。 后 者 再 迅速 分 解 产生 在 其 基底 状态 的 构象 下 的 游离 肌 球 蛋 白 。 我 们 将 在 下 面 知 道 , 能 量 释 放 反 应 《3) 与 收缩 时 收缩 力 的 发 生 有 关 , 收 缩 时 利用 肌 球 蛋白 头 部 的 构象 变化 使 细 肌 动 蛋 白 丝 沿 着 粗 肌 球 蛋白 丝 滑动 。 粗 肌 丝 的 分 子 结构 根据 详细 的 电子 显微镜 研究 ,特别 是 由 H. E. Huxley 及 其 同事 所 进行 的 电子 显微镜 研究 ,以 及 根据 肌 球 蛋白 及 其 自身 结合 的 物理 化 学 研究 ,现在 我 们 对 免 骨骼 肌 A 带 的 粗 丝 的 分 子 机 构 有 了 一 张 详细 图 解 。 每 一 粗 丝 约 1,500 毫 微米 长 ,10 SROKA. 它 是 由 纵 的 肌 球 蛋白 分 子 束 所 构成 。 每 一 肌 球 蛋白 分 子 长 160 毫 微米 。 肌 球 蛋 白 分 子 的 定向 是 以 其 头 离开 粗 丝 的 中 点 。 头 部 以 有 规则 的 螺旋 形式 向 侧面 突出 到 束 外 , 所 以 每 43.0 毫 微米 就 有 6 个 横 桥 , 代 表 一 个 轮 迎 或 一 个 重复 单位 (图 27-4)。 在 任何 一 点 上 粗 丝 的 横 切面 有 18 个 肌 球 蛋白 分 子 有 规则 地 排列 在 一 起 (图 27-9)。 每 一 完整 的 粗 丝 一 共 约 有 400 MRE 白 分 子 。 肌 球 蛋 白 的 头 部 ,与 臣 刺 相似 , 它们 根据 松弛 或 收缩 的 状态 以 不 同 的 距离 从 粗 丝 突出 ;在 松弛 的 肌肉 中 它们 和 邻近 细 肌 丝 是 分 离 的 ,因而 突出 的 距离 最 短 。 27-10 是 表示 粗 丝 中 肌 球 蛋白 分 子 排列 的 图 解 ; 特别 有 意义 的 是 每 一 肌 球 蛋白 的 头 部 都 位 于 分 开 邻 近 肌 球 蛋 白 分子 F 和 F; 碎片 的 铵 链 样 胰 蛋 白 酶 = 敏感 点 的 紧邻 。 新 近 的 研究 揭示 粗 丝 除 肌 球 蛋白 之 外 还 包含 两 种 其 他 的 蛋白 质 。 一 种 是 通过 精细 的 分 级 分 离 从 肌 球 蛋白 制剂 分 离 出 来 的 C- 蛋 白质 ( 表 27-1)。 C- 蛋 白质 (分 子 量 140,000) 约 构 成 粗 丝 总 蛋白 质 的 3.5 多 。 它 是 一 个 高 度 拉 长 了 的 分 子 , 与 肌 球 蛋白 尾部 结合 很 牢 。 免 疫 化 学 和 显微镜 研究 揭示 C- 蛋 白质 分 子 长 约 35 毫 微米 ,以 有 规则 的 间隔 缠绕 在 粗 丝 的 周 围 。 C- 和 蛋白 质 的 机 能 不 明 , 一 种 意见 认为 它 像 一 个 夹子 起 着 将 肌 球 蛋白 分 子 束 组 合 在 一 让 的 作用 。 在 粗 丝 中 发 现 的 另 一 蛋白 质 为 M- 线 蛋白 质 , 它 也 可 能 起 着 将 肌 球 蛋白 分 子 束 。655 。 在 M- 线 (图 27-3) 上 组 合 在 一 起 的 作用 。 图 27-9 骨 履 肌 粗 丝 中 心 部 分 的 一 堆 肌 球 蛋 白 分 子 分 解 图 。 这 些 肌 球 蛋白 分 子 排 列 呈 交 错 的 形式 ? 头 部 突出 沿 丝 的 长 度 〔〈 见 图 27-4) 有 规律 地 排列 在 丝 的 周围 。 肌 球 蛋 白 分 子 头 部 定向 是 离开 粗 丝 的 中 心 点 o[ 改 绘 自 P.Pepe， Cold Spring Harbor Symp. Quant.Biol. 37: 106(1972)1] 易 弯曲 的 关节 OY TE RS i MREA) F, 轻 酶 解 WHEE F, A27-10 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋 白 丝 之 间 横 桥 的 形 成 。 假 定 肌 球 蛋白 分 子 在 易于 受 蛋白 酶 分 解 的 部 位 有 易 弯曲 的 关 市 。 Wl 动 & 8 这 种 蛋白 质 以 两 种 形式 存在 ， 即 G- 肌 动 蛋白 《球形 肌 动 蛋白 ) 和 G- 肌 动 蛋白 的 聚合 *。656。 体 FE- 肌 动 蛋白 (纤维 状 肌 动 蛋白 )。 BAK G- 肌 动 蛋白 在 蒸馏 水 中 是 稳定 的 ， 但 在 某 些 情况 下 它 聚 合成 FE- 肌 动 蛋白 。 免 肌 G- 肌 动 蛋 白 已 被 高 度 提 纯 。 其 分 子 量 为 46,000， BERR, 由 一 条 多 肽 链 组 成 , 已 鉴定 出 其 氨基 酸 顺 序 的 大 部 分 。 G- 肌 动 蛋白 含有 一 个 异 常 的 氨基 酸 残 基 一 一 3- 甲 基 组 氢 酸 , 它 也 存在 于 肌 球 蛋白 中 (图 27-7); G- 肌 动 蛋白 还 含 ARS Ali ERB RE 每 一 分 子 的 G- 肌 动 蛋白 与 一 个 Ca* 结合 得 非常 牢固 。 它 也 以 高 度 的 亲和力 与 一 分 子 ATP 或 ADP 4&4. 通常 G- 肌 动 蛋白 与 ATP 结合 后 , 随即 就 聚合 成 F- 肌 动 蛋白 。 每 加 一 分 子 G- 肌 动 蛋白 到 F- 肌 动 蛋 白 链 上 ,就 有 一 分 子 ATP 分 裂 为 ADP 和 磷酸 。 这 样 形 成 的 ADP 仍然 与 FE- 肌 动 蛋白 链 的 G- 肌 动 蛋白 亚 基 相 结合 。 聚合 作用 以 方程 式 表示 如 F: 站 mn(G- 肌 动 蛋白 -ATP) 一 >(〈(G- 肌 动 蛋 白 -=ADP)。 十 ”P; F- 肌 动 蛋白 细 丝 的 分 子 结构 两 股 F- 肌 动 蛋白 ,每 一 股 都 是 由 G- 肌 动 蛋白 单 体 所 组 成 ,在 细 丝 中 相互 缠绕 (图 27- 11)。 这 样 的 两 股 状 的 螺旋 平均 直径 为 6 毫 微米 ,这 和 电子 显 微 照片 中 所 观察 的 肌肉 的 细 |i 丝 的 直径 是 一 致 的 。 细 丝 也 含有 两 种 主要 辅助 蛋白 质 ， 它 们 在 控制 粗细 肌 丝 之 间 横 桥 的 通 断 以 及 机 和 宏 力 的 发 生 上 起 着 调节 作用 。 第 一 个 是 原 肌 球 蛋白 ,构成 肌肉 收缩 蛋白 质 总 量 的 10--11% FA; 它 是 在 甘 世 纪 四 十 年 代 首 先 由 玉 . Bailey 分 离 成 结晶 形 的 。 免 肌 的 原 肌 球 蛋白 分 子 量 约 70,000, 含 有 两 种 不 同 的 ath he Sik, 分 子 量 各 为 33;000 和 37,000, 它们 形成 一 条 长 约 40 毫 微米 的 两 链 缠绕 的 螺旋 。 原 肌 球 蛋白 链 的 大 多 数 氨 基 酸 顺序 已 研究 出 来 了 。 业已 发 现 原 肌 球 蛋白 分 子 在 结晶 时 头 尾 连接 并 形成 方 网 晶 格 。 的 细 长 的 原 肌 球 蛋白 分 子 头 尾 连 接 的 排列 在 螺旋 形 的 EF= 肌 动 蛋白 丝 的 浅 沟 中 ， 通 过 这 一 方式 每 一 原 肌 球 蛋白 分 er ry A 子 只 和 两 条 E- 肌 动 蛋白 丝 中 的 一 条 相 接触 (图 27-12). 8 一 原 朋 球 蛋白 分 子 沿 着 七 个 G- 肌 动 蛋 白 单 体 延 促 。 如 我 们 将 要 看 到 的 ， 原 肌 球 蛋白 分 子 位 置 并 不 固定 而 且 显 然 能 够 沿 着 两 股 F- 肌 动 蛋白 之 间 的 沟 移动 。 存在 于 细 丝 中 的 第 二 个 主要 调节 蛋白 质 为 肌 钙 蛋白 ， 这 是 在 1965 年 由 日 本 生物 化 学 家 S. Ebashi 及 其 同事 所 发 现 的 三 种 大 的 球 蛋 白 。 肌 钙 蛋白 含有 三 个 多 肽 亚 基 , 每 二 和- 亚 基 有 其 特殊 功能 , 兽 给 以 不 同 的 符号 和 名 称 。 肌 钙 蛋白 的 Cott 结合 亚 基 用 符号 TN-GI 表 示 ， 但 亦 称 肌 钙 蛋白 As ey sn ieaey FAB. 分 子 量 为 18,000。 每 一 分 子 TN-C 与 两 个 Cai+ 紧密 结合 ; sh G- 肌 动 息 白 单 体 组 成 ,两 与 此 同时 TN-C 分 子 发 生 构象 变化 。 肌 钙 蛋 白 的 抑制 亚 基 Re aa 用 符号 TN-I 表 示 , 分 子 量 为 23;000。 它 有 一 个 与 肌 动 蛋白 结合 的 专 一 部 位 ; 但 不 与 Cax+ ee, 其 作用 是 抑制 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 头 部 横 桥 的 相互 作用 。 特别 有 兴趣 的 是 TN-I 亚 基 可 被 磷酸 化 酶 激酶 酸 化 ， 此 激酶 在 正常 情况 下 激活 磷酸 化 酶 由 使 成 为 具有 活性 的 + 657 。 磷酸 化 酶 as 肌 钙 蛋白 的 第 三 个 成 分 TN-T 是 原 肌 球 蛋 白 - 结 合 亚 基 。 完整 的 肌 征 蛋白 分 子 呈 球形 ,含有 TIN-C、TN= 和 了 TN=TIT 等 亚 基 各 一 个 。 钙 蛋 白 , 含 有 与 Ca 六 结合 的 部 位 原 肌 球 蛋 所 从 一 端 看 (松弛 状态 ) 图 27-12， 细 丝 中 原 肌 球 蛋白 和 肌 钙 蛋白 分 子 的 排列 及 其 与 肌 球 蛋 白头 部 的 关系 。 从 一 端 来 看 ( 左 )， 显 示 出 细 丝 的 横断 面 ， 有 两 股 肌 动 蛋白 和 附着 于 其 上 的 原 肌 球 蛋 白 股 。 同 时 也 显示 出 邻接 细 丝 的 粗 丝 上 两 个 肌 球 蛋 白 分 子 的 头 部 [ 引 自 H. E. Huxley, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 37:361~376 〈19727]。 从 侧面 来 看 ( 右 ) 显 示 出 一 条 细 丝 ,每 七 个 或 将 近 每 七 个 G- 肌 动 蛋白 单 体 就 有 一 个 肌 钙 蛋白 分 子 。 当 肌 钙 蛋 白 与 Ca+ HAN, COREE 肌 球 蛋白 的 构象 变化 激活 七 个 肌 动 蛋白 单 体 的 一 段 所 以 ATP 成 功 地 与 肌 动 蛋白 单 体 竞争 肌 球 蛋 白头 部 上 的 结合 点 。 每 一 肌 铬 蛋白 分 子 通过 两 个 结合 点 附着 在 细 丝 土 , 一 个 是 专门 为 肌 动 蛋白 股 的 * 一 则 是 为 原 肌 球 蛋白 股 的 。 与 原 肌 球 蛋 白 的 结合 显然 是 在 固定 的 位 置 上 ， 而 与 肌 动 蛋白 丝 的 结合 则 取决 于 与 Ca 的 结合 而 发 生 时 通 时 断 。 沿 着 细 丝 每 40 毫 微米 就 有 一 个 肌 钙 蛋 白 分 子 ; 这 种 周期 性 与 沟 中 原 肌 球 蛋白 分 子 的 重 现 大 约 相同 。 Ak, 每 7 个 G= 肌 动 蛋 自 单 体 就 有 一 分 子 原 肌 球 蛋白 和 一 个 肌 合 蛋白 。( 图 27-12) 肌 动 球 蛋白 复合 物 当 纯 净 的 肌 球 蛋白 和 肌 动 蛋白 混合 时 ， 就 形成 肌 动 球 蛋白 复合 物 。 它们 的 形成 伴 有 粘度 和 流动 双 折射 的 巨大 增加 。 肌 球 蛋 白 与 肌 动 蛋白 的 比率 以 及 这 种 肌 动 球 蛋白 复合 物 的 粒子 量 取 决 于 实验 的 条 件 , 如 pH. KCl 和 MgCl 的 浓度 以 及 蛋白 质 的 浓度 。 MaKe 白 复 合 物 也 可 从 肌肉 通过 长 时 间 暴 露 于 0.6 MKC] 而 提取 之 。 在 肌 动 球 蛋白 复合 物 中 ， G- 肌 动 蛋白 单 体 与 肌 球 蛋白 的 克 分 子 比 率 可 以 高 达 1.7。 由 于 一 条 了 =- 肌 动 蛋白 链 包含 许多 个 G- 肌 动 蛋白 单 体 ,所 以 每 一 F- 肌 动 蛋白 丝 可 以 与 许多 肌 球 蛋白 分 子 结合 。 电子 显 微 镜 检 查 不 仅 证 实 这 一 化 学 计算 法 ， 而 且 还 揭示 只 是 肌 球 蛋白 分 子 的 头 部 与 肌 动 蛋白 丝 结 合 , 所 生成 的 结构 类 似 于 芒 刺 。(〈 图 27-13) * 658 « 区 肌 动 球 蛋白 复合 物 的 一 个 重要 特性 是 在 ATP 和 Me* 存在 下 发 生 解 离 ， 这 一 解 离 伴 有 肌 动 球 蛋白 溶液 粘度 大 而 迅速 的 下 降 。 继 肌 动 球 蛋 白 解 离 后 ，ATP 发 生 水 解 〈 图 27- 14)。 当 ATP 完全 水 解 为 ADP 时 ,， 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋 白 就 再 聚合 。 我 们 将 看 到 ， 肌 原 纤 维 粗 细 丝 之 间 横 桥 的 断 离 和 接 通 是 由 于 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 的 解 离 和 再 结合 。 ATP ATP 2 te | R gm ; — | | 5 10 时 间 ( 分 ) 附着 有 肌 球 蛋白 分 子 芒 刺 样 头 部 27-14 在 有 Me" 存在 时 肌 动 球 蛋白 的 肌 动 蛋白 丝 s[ 引 自 J. A. Spudich, H. E. 由 ATP 所 解 离 ， 伴 随 着 解 离 肌 动 球 蛋白 Huxley, and J.T.Finch, J. Mol. Bzol., TRAD KA EH RE (RR 4 ATP 脱 磷酸 时 ， 72: plate X(c)(1972)] 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 再 结合 粘度 增加 。 “由 Caz+ 触发 粗 丝 - 细 丝 的 相互 作用 以 及 力 的 产生 现在 我 们 将 上 面 所 得 到 的 知识 集中 起 来 ， 并 检查 一 下 粗细 丝 之 间 横 桥 的 周期 性 接 通 与 断 离 的 分 子 机 制 、 援 动 ，(power stroke)， 以 及 肌 桨 中 Cat 浓度 调节 收缩 的 近代 观点 。 骨骼 肌 处 于 松弛 状态 时 , 肌 浆 中 MgATP?- 浓度 高 ,而 Cat 浓度 则 低 于 引起 收缩 所 需 要 的 阔 值 。 在 粗细 丝 之 间 证 明 无 横 桥 ; 肌 球 蛋白 的 头 部 处 于 回 缩 的 位 置 。 在 这 种 状态 中 每 一 肌 球 蛋白 头 部 含有 两 分 子 紧 密 结合 的 ATP。 然而 , 如 前 面 指出 的 , ATP 可 能 不 是 以 这 种 形式 存在 ,而 是 以 ADP 和 磷酸 的 形式 并 紧密 地 与 肌 球 蛋白 头 部 获得 了 能 量 的 构象 相 结合 。 肌 肉 的 肌 球 蛋白 头 部 在 这 种 状态 下 不 能 与 细 丝 的 肌 动 蛋白 起 反应 ,因为 在 缺乏 Cot 的 情况 下 , 原 肌 球 蛋白 分 子 掩蔽 了 G- 肌 动 蛋白 单 体 上 与 肌 球 蛋白 结合 的 位 点 ， 或 通过 肌 钙 蛋 白 的 TN-I 亚 基 的 作用 使 G- 肌 动 蛋白 单 体 保 持 于 一 种 无 反应 的 构象 。 一 个 原 肌 球 蛋 白 分 子 能 抑制 七 个 G- 肌 动 蛋白 单 体 与 肌 球 蛋白 结合 的 活性 。 由 于 传人 的 神经 信号 使 游离 Cat 释放 人 肌 浆 时 , Ca2+ 立即 结合 于 肌 钙 蛋白 的 Cax+ 结合 点 上 。 通 过 肌 钙 蛋白 分 子 的 构象 改变 ，G- 肌 动 蛋白 单 体 上 的 肌 球 蛋白 结合 点 现在 暴 露出 来 ， 并 与 获得 了 能 量 的 结合 有 ADP 和 磷酸 的 肌 球 蛋白 头 部 相 结合 , 形成 力量 发 生 复 合体 ,在 这 个 复合 体 中 肌 球 蛋白 头 部 附着 于 G- 肌 动 蛋白 单 体 上 。 现 认为 肌 球 蛋白 头 部 发 生 了 一 个 产生 能 量 的 构象 变化 ， 所 以 横 桥 改 变 其 与 粗 丝 轴 的 角度 关系 ,引起 细 丝 沿 着 粗 丝 运动 ,这 就 是 担 动 (图 27=15)。 同 时， 肌 球 蛋白 头 部 从 其 获 得 了 能 量 的 构象 回复 到 去 能 的 构象 ， 而 结合 的 ADP 和 磷酸 离开 它 在 肌 球 蛋 白 上 的 结合 * 659。 图 27-15 PREAH. KS TERHMREALMEARSASH ADP 和 Pi (第 1 步 ) ANSE H Cat 激活 时 即 与 一 个 肌 动 蛋白 单 体 接触 《第 2 步 )。 继 此 之 后 发 生 构象 变化 以 致 肌 球 蛋白 头 部 与 尾部 假设 呈 15° 角 ( 第 3 步 )。 释放 出 结合 的 ADP 和 Pi 而 代 之 以 ATIP (第 4 步 )。ATP 分 解 生成 结合 的 ADP 和 Pi, 引起 头 部 回复 到 90。 的 构 形 , 准备 着 与 另 一 肌 动 蛋白 单 体 相互 作用 。[ 取 自 也 . G. Mannherz, J. B. Leigh, K. C. Holmes, and G. Rosenbaun, Nature New Biol., 241: 226(1973)] 点 。 最 终 每 一 横 桥 有 两 个 AITP 分 子 水 解 。 对 援 动 的 机 制 提 出 了 另 一 假说 。 注 意 (图 27-10) 每 一 肌 球 蛋白 头 部 是 与 其 邻近 的 肌 RE ADF RGR IRA | 假定 ATP 被 肌 球 蛋白 头 部 所 水 解 ， 这 在 pH7 时 将 HH 的 形成 ， 导 致 匀 链 周围 局 部 酸化 而 使 之 发 生 构象 变化 , 这 可 能 是 一 个 依赖 于 pH 的 从 -螺旋 结构 到 无 规则 构象 的 转换 。 就 这 样 ATP 水 解 的 能 量 设想 传递 到 匀 链 , 因此 产 生 援 动 。 关 于 利用 ATP 能 量 以 产生 力 的 问题 的 其 他 方面 知道 得 很 少 。 不 管 什么 机 制 , 在 粗 、 细 丝 的 各 种 蛋白 质 成 分 之 间 , 似 乎 有 许多 复杂 的 协同 的 相互 作用 存在 。 肌 内 的 松弛 是 由 于 将 离子 Ca 从 肌 浆 重新 隔离 人 肌 浆 网 而 引起 的 。 兴奋 -收编 偶 联 收缩 是 如 何 由 传人 的 神经 冲动 所 触发 或 发 动 的 ?收缩 的 肌肉 如 何 再 松弛 ? 肌肉 收缩 的 刺激 是 从 运动 神经 到 达 运 动 终 板 或 神经 肌肉 接头 的 一 种 电 冲 动 。 这 种 冲动 迅速 传 志 肌 纤 膜 。 肌 肉 在 静 息 状态 下 , 肌 纤 膜 两 仙 有 电位 差 * 膜 外 比 膜 内 约 正 60 mV。 当 兴奋 冲动 在 肌 纤 膜 上 传播 时 ,这 种 电位 差 消失 , 这 一 现象 称 为 去 极 化 。 有 人 认为 去 极 化 是 由 于 对 天 * 660 + Nat 和 Ca 的 通 透 性 突然 增加 ,这 些 离子 向 引起 跨 膜 电 位 的 放电 的 方向 流动 。: 在 肌 纤 膜 上 迅速 传 描 冲 动 的 忆 制 立即 传达 到 上 遥 细 所 的 内 部 , 约 50xM 深 ; 因 而 肌纤维 的 所 有 肌 丝 同时 发 生 收 缩 , 这 一 机 制 是 肌肉 生理 学 中 经 典 问 题 之 一 。 由 于 扩散 作用 太 慢 不 足以 说 明 兴 奋 过 程 的 高 速率 ,因此 化 学 试剂 或 信息 从 肌 纤 膜 简单 的 扩散 到 内 部 有 丝 似 乎 不 可 能 作为 传递 的 手段 。 用 电子 显微镜 所 做 的 研究 终于 得 出 了 这 个 问题 的 答案 。 肛 肉 超 微 结构 的 精密 检查 揭示 了 肌 纤 膜 或 肌 细 胞 膜 有 许多 重复 的 小 管状 蔬 陷 。 在 某 些 肌 肉 中 这 些小 管状 结构 在 靠近 肌 原 纤维 的 .Z 线 处 横 过 肌 细 胞 ， 而 在 男 一 些 肌 肉 中 则 在 靠近 ANT 接合 处 横 过 肌 细 胞 。 这 一 复杂 的 横向 的 小 管 系统 称 为 工 系统 (图 27-16)o 当 肌 纤 膜 由 传 人 的 冲动 所 兴奋 而 发 生 去 极 化 时 ,了 系统 几乎 同时 地 将 电 冲 动 传 到 肌纤维 的 所 有 肌 小 节 。 MRA BRS 图 27-16 MRAAWAMALRR. (HAL. D. Peachey, J. Cell. Biol., 25 (3, I): 222 (1965)] 通过 相关 的 电子 显微镜 和 生物 化 学 研究 ， 揭 示 了 T 系统 去 极 化 作用 触发 收缩 的 分 子 变化 机 制 。 围 绕 肌 原 纤 维 中 每 一 组 邻近 肌 小 节 , 有 一 扁平 多 孔 的 双 层 膜 质 囊 , 象 镶 了 花边 的 袖口 或 袖子 。 在 蛙 和 哺乳 动物 的 肌肉 中 , 每 一 囊 从 一 个 肌 小 节 的 A-I 接 合 点 延伸 到 下 一 个 肌 小 节 的 A-I 接合 点 (图 27-16)。 圳 的 整个 袖 状 系统 称 为 肌 浆 网 ， 它 是 一 种 特 化 的 内 质 网 。 每 一 衷 的 内 隔 室 或 内 池 通 过 横向 连接 管道 和 所 有 其 他 隔 室 或 池 在 同一 横 纹 水 平 “651。 上 连接 起 来 , 这 种 横向 管道 称 为 终 池 。 成 对 的 平行 终 池 横 过 肌 原 纤维 和 工 系 统 的 横向 小 管 密切 接触 (图 27=16)。 当 肌 纤 膜 兴 奋 时 * 工 系统 便 去 极 化 ,这 个 变化 传 到 紧密 附着 的 肌 浆 网 的 膜 上 ,引起 其 通 透 性 增加 。 结 果 静 息 肌 肉 里 在 正常 情况 下 被 隔离 在 池内 的 Caz+ 将 从 肌 浆 网 池内 逸 出 。 如 上 所 述 ，Cas+ 极 迅 速 地 从 肌 浆 网 释放 人 肌 浆 触发 了 粗细 肌 丝 之 间 的 相互 作用 ,引起 ATP 的 水 解 。 在 静 息 肌 细胞 中 ,由 于 Mg+ 的 抑制 性 浓度 ,由 肌 球 蛋白 水 解 ATP 的 作用 只 能 很 慢 地 发 生 。 在 有 激活 性 浓度 的 Ca+ ( 约 10uM) 存在 时 ， 横 桥 作 用 于 肌 动 蛋白 ,解除 了 上 述 抑制 。 松 弛 骨骼 肌 肌 浆 中 的 Ca?* 浓度 被 认为 少 于 0.2uM, RE 运动 神经 冲动 继续 到 达 肌 纤 膜 ，Ca2+ 便 保留 在 肌 浆 内 并 且 保持 肌肉 于 收缩 状态 。 松 at 当 运 动 神经 冲动 停止 时 ， 肌 纤 膜 恢复 其 原来 的 通 透 性 型 式 并 恢复 其 原来 的 极 化 状 态 , 此 时 细胞 膜 外 较 膜 内 正 约 60 mV。 同 样 , 肌 桨 网 的 膜 亦 恢复 到 其 原来 的 状态 。 然 后 存 在 于 肌 浆 中 的 Ca? 在 一 个 需 能 过 程 中 被 输送 过 膜 进入 肌 浆 网 池 ， 致 使 肌 浆 中 Ca?* 浓度 达到 其 静 息 时 的 低 浓 度 。 用 生物 化 学 方法 直接 研究 了 Ca’? 从 肌 浆 进入 肌 浆 网 的 需 能 主动 转运 过 程 。 当 将 骨骼 肌 做 成 匀 浆 时 , 肌 浆 网 断裂 为 封闭 的 小 襄 。 用 差 示 离 心 法 可 以 容易 地 把 这 些小 囊 分 离 为 微粒 体 部 分 o 已 发 现在 有 过 剩 的 ATP 和 一 种 配对 的 阴离子 如 磷酸 盐 存 . 在 时 , 通过 膜 内 依赖 于 -ATP 的 Ca” FR BREF IG ARSENY PEA, PPE ANE SIR AK 地 鞋 聚 加 入 的 ca。 这 个 系统 消耗 ATP 水 解 的 自由 能 逆 Ca” 浓度 梯度 地 将 Ca” 从 介质 IAB Po 每 分 子 ATP 水 解 为 ADP 和 磷酸 时 ， 就 有 2 个 Ca” 离子 和 磷酸 基 一 起 蕾 聚 在 囊 内 。 这 种 襄 的 制剂 可 以 从 周围 介质 中 除去 Ca? 使 其 浓度 降低 到 小 于 0.1 wM。 受 Ca”… 激活 的 转运 ATP 酶 已 从 肌 浆 网 中 提取 出 并 获得 了 纯净 的 可 溶性 形式 。 其 分 子 量 约 100,000， 构 成 膜 总 蛋白 的 大 部 分 。 ATP BD FE ATP 的 Ca? 激活 水 解 过 程 中 被 磷酸 化 。 除了 Ca’* FR ATP 酶 以 外 , 肌 浆 网 的 膜 还 含有 两 个 或 两 个 以 上 的 Cr 结合 蛋白 质 ,其 中 之 一 称 为 隐 和 钙 素 (calsequestrin), 已 被 提纯 ,分 子 量 为 44,000。 有 些 被 肌 桨 网 隔离 的 Ca” 显然 是 与 这 些 膜 蛋白 质 结合 的 , 当 膜 去 极 化 时 ,再 释放 出 来 新 近 的 研究 提示 某 些 富 于 线粒体 的 肪 肉 如 心肌 和 某 些 鸟 类 的 飞翔 肌 里 ,在 松弛 过 程 th, Ca”? 的 隔离 在 线粒体 内 也 能 发 生 。 它们 能 够 消耗 由 电子 转移 或 ATP 水 解 所 产生 的 AE BALA BFE Ca’, 在 这 种 肌肉 中 , 肌 浆 网 和 线粒体 在 Ca?” 的 隔离 作用 中 可 能 协同 作用 。 根据 以 上 考虑 推断 肌肉 收缩 和 松弛 都 需要 ATP 的 能 量 。 我 们 已 经 看 到 收缩 时 每 激活 一 个 横 桥 至 少 要 有 两 个 或 多 至 四 个 ATP 分 子 结合 上 去 并 被 水 解 。 此 外 ,许多 证 据 提 示 到 为 了 激活 每 一 个 横 桥 ,从 肌 桨 网 所 释放 的 两 个 Ca 必须 与 细 丝 的 肌 钙 蛋白 相 结合 。 由 于 要 将 两 个 Ca’? 隔离 在 肌 桨 网 池内 以 使 肌肉 松弛 时 需要 一 今 子 ATP， 这 个 数据 提示 单个 收缩 -松弛 周期 用 去 的 ATP 中 ,收缩 时 至 少 需要 三 分 之 二 ,而 松弛 时 可 达 三 分 之 一 。 肌肉 收缩 的 能 源 脊 椎 动物 离 体 肌肉 可 以 用 电 刺 激 使 之 重复 收缩 。 且 立即 形成 大 量 乳酸 ， 肌 肉 中 糖 原 “ ~ 662 ° SED KHOA RARE ALAR. Ri, 在 三 十 世纪 三 十 年 代 BE Lundsgaard 的 经 典 实验 揭示 ,如 果 首 先 用 糖 酵 解 的 某 些 抑制 剂 如 碘 乙 酸 处 理 肌肉 ,由 于 它 抑制 甘油 醛 磷 酸 - 脱 氢 酶 , 故 当 刺激 时 肌肉 仍然 收缩 ,但 无 乳酸 形成 ,表示 糖 酵 解 本 身 对 收缩 不 是 必需 的 。 同 样 ,也 可 以 用 氰 化 物 抑制 肌肉 的 呼吸 使 肌肉 中 毒 但 并 不 阻碍 当 其 受 刺激 时 收缩 的 能 力 。 从 这 样 一些 实 验 得 出 结论 : 肌肉 含有 富 -能 物质 ;在 没有 产能 的 糖 酝 解 或 呼吸 作用 的 情况 下 ,它们 至 少 可 以 在 一 个 短 时 期 供给 收缩 所 需要 的 能 量 。 首先 假定 糖 酵 解 受 抑制 时 , 早 几 年 在 肌肉 提取 物 中 发 现 的 ATP 可 提供 肌肉 收缩 的 能 量 。 然 而 ,由 于 两 个 理由 这 个 解释 显然 不 够 充分 : C1) 肌肉 在 糖 酵 解 被 碘 酷 酸 抑制 之 后 ， 仍 可 进行 收缩 ,但 肌肉 中 发 现 的 ATP 量 只 能 供给 收缩 所 需 能 的 <;〈2) 在 单个 收缩 的 前 后 ,仔细 分 析 肌 肉 的 ATP 含量 ,表明 ATP 含量 基本 上 不 减少 , APP 含量 亦 未 增加 。 因 此 ， 这 些 实验 提示 ATP 可 能 不 是 收缩 的 直接 能 源 。 然 而 ,从 考虑 高 能 化 合 物 磷酸 肌 酸 的 功用 后 终于 得 出 了 这 个 难题 的 答案 。 磷 酸 肌 酸 是 在 1927 年 由 CC, Fiske 和 Y. Subbarow KHL 的 , 它 在 肌肉 中 的 浓度 约 为 ATP 浓度 的 五 倍 。 通 过 存在 于 肌 浆 中 的 肌 酸 激酶 的 作用 ， 其 高 能 磷酸 基 很 迅速 地 转移 到 ADP. 在 肌 浆 的 pH 约 为 6.0 的 情况 下 ， 肌 酸 激酶 的 平衡 大 大 向 右 , 即 磷酸 肌 酸 + ADP = 一 肌 酸 + ATP 消耗 磷酸 肌 酸 以 促进 ATP 的 形成 。 因此 》 这 一 事实 说 明 为 什么 当 单个 收缩 时 肌肉 中 的 ATP 浓度 不 下 降 : 收缩 过 程 中 从 ATP. 失去 的 末端 磷酸 基 立 即 由 消耗 磷酸 肌 酸 而 得 到 补 Fo 如 果 在 没有 糖 酵 解 或 呼吸 作用 时 ， 充 分 长 时 间 地 刺激 肌肉 ， 则 磷酸 肌 酸 供应 终 将 枯 ho ;只 有 在 此 时 ATP 请 度 才 会 下 降 。 然 而 ,多 年 来 一 直 未 能 直接 证 明 ATP 是 完整 肌肉 的 直接 能 源 而 不 是 磷酸 肌 酸 。 最 后 由 R. E. Davies 提供 了 这 个 直接 证 据 , 他 证 明 用 Sancer 试剂 ， 即 2, 4- 三 硝 基 氟 茉 处 理 肌 肉 ,完整 肌肉 的 肌 酸 激酶 活性 可 以 完全 被 抑制 。 大 概 是 由 于 酶 的 一 个 必需 功能 基 团 被 2,4- 三 硝 基 葵 基 所 置换 而 使 酶 失 活 。 在 以 这 种 方式 使 之 中 毒 的 肌肉 中 ，Davies 发 现 假若 ATP 是 直接 能 产 而 且 肌 酸 激酶 受 抑制 , 则 正如 所 料 肌 肉 在 受 刺激 时 ATP 迅速 下 降 而 磷酸 肌 酸 保持 不 变 。 ADP 的 再 磷酸 化 以 及 因而 磷酸 肌 酸 的 再 磷酸 化 所 需 的 代谢 能 的 最 终 来 源 , 并 非 所 有 肌肉 都 一 样 。 虽然 , 疹 椎 动物 的 所 有 肌肉 都 共有 糖 酵 解 和 呼吸 作用 活力 ， 但 对 于 从 ADP 再 生成 ATP 所 作 的 相对 贡献 来 说， 它们 都 有 很 大 差别 。 有 两 类 主要 的 骨骼 肌纤维 ， 即 红 或 慢 肌 纤维 以 及 白 或 快 肌纤维 。 在 红 肌 中 ， 其 颜色 全 人 靠 它 们 的 肌 红 和 蛋白 和 细胞 色素 含 量 高 ， 呼 吸 作用 成 为 ADP 经 氧化 磷酸 化 作用 而 再 磷酸 化 的 主要 能 产 。 这 种 肌肉 有 丰 语 的 线粒体 ,包括 心 甩 和 鸟 类 敏捷 的 飞翔 肌 。 红 朋 收 缩 较 白 肌 为 慢 , 且 正 常 地 在 有 规则 的 局 期 性 循环 中 起 作用 。 男 一 方面 , 白 肌 含有 少量 线粒体 而 没有 多 少 肌 红 蛋 白 ;在 这 种 肌肉 中 糖 酵 解 是 ADP 再 磷酸 化 的 主要 能 源 。 蛙 的 跳跃 肌 是 快速 收缩 白 肌 的 一 个 例子 。 有 些 肌 肉 既 含有 红 股 纤维 又 含有 白 肌 纤维 。 一 般 ; 红 肌 使 用 脂肪 酸 作为 其 主要 燃料 ,它们 通过 脂 肪 酸 氧化 循环 将 脂肪 酸 氧 化 为 乙酰 辅酶 A; 后 者 经 三 羧 酸 循环 氧化 为 .COxo 另 一 方面 : 白 肌 则 以 葡萄 糖 为 主要 燃料 。 糖 酵 解 和 呼吸 作用 的 速率 ,以 及 因此 ATP 的 生产 率 , 是 根据 肌肉 中 ATP 的 消耗 率 通 过 一 系列 的 反馈 控制 来 调节 的 。 在 静 息 肌肉 中 [ATP]/ [ADP] [Pi 的 比率 高 ;在 这 些 情 * 663+ HR AEA = TAIRA EE A ATP ROBT. RL (i > SEPA E RM) [ATP]/[ADP][P;] 比率 开始 时 大 大 下 降 , 结果 燃料 和 氧 的 消耗 这 RAS, 从 静 息 转变 为 最 头 活动 时 ,哺乳 动物 骨骼 肌 的 氧 摄取 量 可 增加 廿 倍 或 更 多 倍 ; 家 蝇 在 超 飞 时 氧 的 消耗 可 以 增加 二 百倍 上 当 肌 肉 收缩 时 ， 呼 吸 作用 的 突然 增加 是 由 于 | ATP 突然 分 解 为 ADP 和 Py 的 结果 ,这 种 状态 刺激 了 糖 酵 解 和 三 羧 酸 循环 而 ADPI 对 糖 栈 解 和 三 筷 酸 循环 两 者 都 是 阳 竹 调节 和 收编 时 所 形成 的 某 此 ADP iL get ost sae th Th OA Pe Syke A GS A? ADP = ATP + AMP HT Xi BLE (nat of 这 样 形成 的 AMP 也 刺激 糖 醚 解 ， ert ae ae ema 在 最 大 的 肌肉 活动 2S a 3 Bl YB ION a LE ie JH SL BB) , 动 ty RUM IE BH BRA RET, HFC AUR. EDIT RES aU ere fA ZEKE SH TE RAS 33 Ol OH LA 在 血液 中 所 基 素 的 一 些 过 简 乳 酸 通 过 第 二 十 三 = 章 中 介绍 的 一 些 途 径 可 以 在 多 内 堵 变 为 精 EB, BBS FR BE BAL | : LA DESL Stas ge eS it made 2 OH. sk te Nem T OLA: er be : nee ree a epee eee ero iy siaegehlllaginleaiiaMiptiteaten aici ”“ 些 不 同 ， 但 这 三 种 肌肉 都 使 用 予 同 一 套 基本 的 分 二 子 相 互 作用 ,这 已 在 本 章 的 前 面 述 及 。: 然 而 ?在 无 兰 椎 动物 中 有 两 类 高 度 分 化 了 的 肌肉 ， 由 于 它们 -在 生物 化 学 上 突出 的 分 化 而 值得 特别 评 壕 。 -大 多 数 肌肉 每 接受 一 个 神经 冲动 产生 一 次 单 收缩 革 它 们 称 为 同步 肌 。 然 而 ,在 那些 高 频率 鼓 翅 的 昆 晶 ， 例如 家 晶 、 黄 峰 和 蚊子 中 ,其 飞翔 肌 是 异步 的 国 为 单个 神经 冲动 引起 一 阵 或 一 连 串 的 收缩 已 昱 的 收 缩 频 率 可 超过 每 秒 1;000 次 5 :虽然 这 些 昆虫 的 异 ， 步 肌 确 实 含有 一 个 袜 系统 ,但 它们 只 有 很 少 或 温 | AWD, ACRES AR BS EC CaP TT ES SHED SALE ARDY BB ER Ca? BRIE A WE A LSS a ae HE A TE HK Al, 这 些 昆 囊 的 飞翔 肌 包 含 两 组 对 抗 的 纤维 ， 交 替 收 缩 ， 一 组 用 来 向 下 鼓 翅 , 一 组 用 来 向 二 鼓 起 ! poy bails: sen | 近年 来 的 研究 提示 一 组 纤维 的 收缩 牵动 另 一 组 ， PA2717 hk (Polistes) 异步 飞 郑 肌 的 包 切 “因而 使 它 受 到 刺激 而 收缩 。 蜡 步 肌 一 旦 由 单 古 神 面 * 显 示 线 粒 体 沿 员 小 节 整 齐 的 排列 。 经 冲动 所 发 动 ， 其 活动 将 是 自身 - 持 棕 的 嘱 KK ya. 昆虫 的 异步 飞翔 肌 的 呼吸 活动 强 也 是 很 突出 的 ， 它 们 或 许 是 已 知 的 呼吸 最 强烈 的 真 MA, 在 这 些 肌肉 中 ,线粒体 都 很 丰富 必 并 沿 着 肌 原 纤维 整齐 地 排列 着 ,所 以 随 着 种 类 。 664° -的 不 同 ， 每 一 肌 小 节 都 有 一 或 三 个 线粒体 图 27-17), KERMA RATER 的 表面 积 。 软体 动物 像 蛤 是 或 扇贝 的 捕 ” 肌 或 闲 壳 肌 也 是 特别 有 趣 的 ， 因为 它们 在 刺激 终了 之 后 能 够 长 时 间 地 保持 关闭 于 收 纵 状 态 而 并 不 比 松 弛 状态 消耗 更 多 的 依 谢 能 量 。 捕 肌 含 有 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 排列 成 细 和 粗 丝 的 形式 ,虽然 后 者 通常 较 脊 椎 动物 骨骼 肌 的 相 些 。 捕 肌 的 粗 丝 特殊 地 含有 20 一 50 锡 的 不 溶 于 水 的 丝 状 蛋白 质 副 肌 球 蛋 和 白 ( 分 备 量 117;000) 它 形成 粗 丝 的 核心 ， 肌 球 蛋 白 分 子 层 绕 在 其 周围 。 然 而 现在 还 不 知道 捕 肌 中 横 桥 如 何 固定 在 位 置 上 ， 现 有 证 握 提 示 在 捕捉 锦 制 的 调节 电 寂 及 到 Ca? ALS BA bade i sa REALE DL AN a iE NOTICE DUA OMe S UAE SRA Hs RRL TK 些 细胞 中 ,其 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 参与 细胞 质 中 的 局 部 收缩 变化 、 运 动 活动 和 细胞 聚合 现 Ro. 二 个 特别 有 址 的 例子 是 变形 虫 的 运动 机 制 。 E. D. Korn 及 其 同事 从 Acanthamoeba curteljami 中 已 经 分 离 出 一 种 肌 动 蛋白 样 蛋白 质 。 这 种 蛋白 质 与 骨骼 肌 的 肌 动 蛋白 非常 相 VU. AAMAS 3- 甲 基 组 氨 酸 残 基 。 变 形 虫 肌 动 蛋白 形成 双 螺 旋 状 丝 体 , 类 似 于 哺乳 动物 骨骼 肌 的 FE- 肌 动 蛋白 或 缅 丝 。 此 外 , 它 也 能 与 兔 肌 的 肌 球 蛋白 结合 形成 杂种 的 肌 动 球 蛋 白 复合 物 。 从 进化 的 观点 来 看 , 也 许 最 突出 的 发 现 是 从 Acanthamoeba 中 分 离 出 来 的 肌 动 蛋白 的 氨基 酸 组 成 和 免 及 的 肌 动 蛋白 的 非常 相似 ， 这 表明 这 些 差 异 很 大 的 物种 的 肌 动 蛋 白 有 一 个 共同 的 祖先 ,而且 在 它们 的 氨基 酸 的 组 成 上 发 生 的 进化 变化 很 少 ,甚至 比 不 同 物 种 的 细胞 色素 < © 所 发 生 的 变化 还 更 不 明显 些 。 这 种 突出 的 发 现 提示 由 动 蛋白 可 能 存在 于 所 有 的 真 核 动物 细胞 中 。 Acanthamoeba foe PER ORE GA ATP 酶 活性 以 及 与 肌 动 蛋 白 结合 的 活性 。 然 而 , 它 的 分 子 量 较 小 , 约 200 ,000， 不 能 联合 形成 粗 丝 。 显 然 肌 动 蛋白 是 在 细胞 运动 和 伪 足 形成 上 起 作用 。.4; castellaxi -的 肌 动 蛋白 丝 的 一 端 附着 于 细胞 膜 的 内 表面 上 ,而 与 肌 动 蛋白 结合 的 ATP 酶 则 延伸 人 细胞 质 中 去 。 大 概 襄 们 的 相互 作用 产生 王 种 切 变 力 * 引 起 细胞 质 的 流动 ;因此 而 产生 变形 运动 。 é AGH (Physarum polycephalum) 也 含有 肌 动 蛋白 ， 与 骨骼 肌 中 的 肌 动 重 白 非 党 相似 ， 以 及 一 种 可 溶性 具有 ATP 酶 活性 的 肌 球 蛋白 样 的 蛋白 质 , 它 与 粘 菌 肌 动 蛋白 或 肌肉 的 肌 动 蛋白 都 可 以 结合 。 另 一 突出 的 例子 是 由 血小板 得 到 的 。 血 小 板 是 一 种 很 小 的 细胞 ;在 血液 ” 兰 固 时 聚集 成 有 收缩 性 的 小 往 。 血 小 板 也 发 生 形状 变化 和 形成 伪 足 ,这 些 变化 都 与 血 凝 块 回 缩 有 关 。 这 些 活动 已 追 索 到 肌 动 蛋 和 白 和 肌 球 蛋白 的 存在 HEP PLIES aa 和 肌 球 蛋白 在 分 村 量 \ 聚 合作 用 性 质 及 ATB 酶 活性 方面 均 非 常 相似 。 从 哺乳 动物 脑 中 也 已 经 分 离 出 一 些 肌 动 球 蛋 白 样 的 蛋白 质 复 合 物 ， 在 脑 内 它们 似乎 是 与 突 触 小 泡 有 关 。 在 突 触 传 递 神经 冲动 时 从 突 触 小 泡 分 六 神 经 传递 物质 可 丛 结 和 细胞 松弛 素 B 某 些 细胞 过 程 取决 于 与 册 动 重 白 有 关 但 其 分 子 的 精确 性 质 尚 不 清 想 的 做 丝 。 这 些 细 . 665 . Hel Be RU BE AH RA SB CAN 27-18) 所 抑制 或 产生 其 他 影响 。 细胞 松弛 素 B 是 He- Iminthasporium demataiderum 霉 的 代谢 物 。 对 此 物 敏 感 的 过 程 有 ， AER Aree 《外 面 的 固体 和 液体 物质 分 别 由 细胞 膜 吞 食 六 胞 质 分 裂 (围绕 正在 分 裂 的 细胞 形成 二 收缩 环 妨 胞 吐 作 用 (从 细胞 的 出 物质 六 与 膜 性 质变 化 有 关 的 各 种 类 型 的 细胞 和 细胞 器 的 运动 ， 以 及 某 些 膜 转运 过 程 。 因 为 已 发 现 相当 高 浓度 的 细胞 松弛 素 B 能 与 从 肌肉 得 来 的 肌 动 蛋 白 相 结合 ， 故 有 一 种 观点 认为 凡是 被 细胞 松弛 素 B 抑制 的 细胞 过 程 都 是 通过 肌 动 蛋白 微 丝 或 一 种 肌 动 蛋白 样 蛋 自 质 的 微 丝 所 传递 的 ， 这 种 微 丝 可 能 位 于 细胞 质 或 在 细胞 膜 中 。 因 此 细胞 中 许多 类 型 的 运动 、 收 缩 和 膜 现 象 看 来 都 是 基 本 上 相似 的 分 子 相 互 作 用 的 结果 ， 它 们 对 单一 的 专 一 抑制 剂 细胞 松弛 素 了 都 敏感 。 ' Ji GH, 以 O CH, Cc 给 DDNo NH CH, 有 15 cu) 图 27-19 ”参考 动物 细 脂 的 形状 而 提出 的 给 管 的 ‘Wee a | 作用 。 它 们 常 从 中 心 粒 放射 出 去 s[ 引 自 ,JsRreed 和 图 27-18 细胞 松弛 素 了 的 结构 M. M. Lebowitz, J. Cell. Biol., 45: 344 (1970)] Al Aa Y, 微 管 和 微 管 蛋白 用 电子 显微镜 检查 许多 动 植物 细胞 ,发 现 其 中 有 直径 不 同 的 中 空 管状 丝 体 ;虽然 它们 在 许多 不 同 的 细胞 排列 中 存在 并 以 不 同 的 方式 相 联结 } 但 总 的 称 它们 为 微 管 。 微 管 存在 于 有 些 分 歼 纺 钴 体 中 ,或 作为 支持 成 分 赋予 某 些 细胞 以 形状 (图 27-19)， 在 神经 纤维 的 坦 突 中 ,在 真 核 细 胞 的 纤毛 和 入 毛 中 ,在 精子 的 尾部 和 在 成 纤维 细胞 中 都 发 现 有 微 管 。 成 纤 维 细胞 是 一 种 结 缮 组 织 细胞 ， 通 过 微 管 的 机 械 作用 逐 出 胶原 蛋白 。 微 管 是 由 重复 出 现 的 微 管 蛋 白 分 子 所 移 成 ;》 微 管 蛋白 是 一 种 含有 两 个 亚 基 的 球状 蛋白 。 微 管 蛋 白 分 子 呈 螺旋 型 排列 而 形成 管 壁 , 管 的 直径 决定 于 其 周围 微 管 蛋白 分 子 的 数目 。 (27-20) 二 细胞 内 微 管 的 形成 独特 地 被 某 些 药物 所 抑制 ,这些 药 物 BI Ay TRA ZK HN RL De 物 长 春花 碱 和 长 春 新 碱 ( 图 27-21), 长 时 间 以 来 就 被 认为 是 真 核 细 胞 细胞 分 裂 的 抑制 剂 。 因为 这 些 药物 干巴 有丝分裂 纺锤 体 的 形成 ,因此 阻止 细胞 分 裂 , 有 时 它们 被 用 来 治疗 迅速 生长 的 癌 。 它 们 也 是 研究 微 管 结 梅 \ 形 成 和 功能 的 重要 工具 。 微 管 蛋白 是 微 管 的 亚 基 蛋 白质 ， 已 从 许多 类 型 的 细胞 特别 是 从 脑 细 胞 以 非 聚合 形式 分 离 出 来 ;在 脑 肉 微 管 经 常 地 形成 和 分 解 ; 微 管 蛋 白 也 可 以 从 预先 形成 的 微 管 获得 。 微 管 。000。 | BAWDFHH 120,000, AMAA) 48 Sift CAA AMIS S AK EAT A BL PRA) @ A BK 链 。 有 重要 意义 的 是 微 管 蛋 白 含 有 紧密 结合 的 GDP; 这 一 事实 提示 与 肌肉 的 肌 动 蛋白 有 有 一 相似 处 ,后 者 含有 紧密 结合 的 ADP。 原 体 35 X 4.0 SRK eS Al 27-20 @SHRD, 如 图 所 示 小 管 是 由 & 和 有 B 微 管 长 春 新 碱 。( 在 有 关 的 化 合 物 长 春花 碱 中 ,长 蛋白 亚 基 相 交替 的 螺旋 所 构成 。 周围 管 壁 上 亚 基 的 数目 春 新 碱 的 息 酰 基 被 外 基 所 置换 ) 通常 为 13， 但 由 于 机 体 不 同 可 变异 于 10 至 14 之 间 。[ 引 27-21， 微 管 形成 的 专 一 抑制 剂 J. Bryan, Fed. Proc., 33: 156 (1974)] 微 管 的 组 合 从 激活 ”的 微 管 蛋 白 分 子 开始 ， 激 活 的 微 管 蛋 白 分 子 含 有 2 个 紧密 结合 的 GTP 分 子 , 每 个 亚 基 上 一 个 。 通过 微 管 蛋白 分 子 侧面 的 和 纵 辐 的 联结 而 组 合成 为 微 管 。 每 当 加 上 一 个 微 管 蛋白 亚 基 时 ,就 有 一 分 子 的 GTP 发 生 水 解 形成 紧密 结合 的 GDP 和 游离 磷酸 。 长 春 新 碱 通过 引起 微 管 蛋白 沉淀 成 三 维 聚 合 排列 〈 这 与 正常 微 管 结构 十 分 不 同 ) 国 而 妨碍 这 一 组 合 过程 。 秋 水 仙 碱 以 不 同 的 方式 干扰 微 管 形成 ; 宅 与 微 管 蛋白 结合 置换 出 结合 在 微 管 蛋白 上 的 岛 味 叭 核 昔 酸 , 因 此 阻止 了 聚合 作用 。 AIP 在 肌 动 蛋白 到 合作 用 中 以 及 "GTP 在 微 管 蛋白 聚合 作用 中 显然 相似 的 作用 证 明 在 细 肌 丝 和 微 管 的 生物 组 合 土 只 有 一 种 基本 的 分 子 远 辑 类 型 。 FEY FH HL FRE FF 动物 和 植物 世界 的 某 些 细胞 都 有 鞭毛 和 纤毛 。 其 长 度 范围 从 2 微米 左右 《在 某 些 原 生动 物 中 ) 到 数 毫米 ( 某 些 物种 的 精子 妨 其 直径 约 0.2 微米 (图 27-22)。 鞭毛 通常 很 长 ,每 一 细胞 通 稼 只 有 一 或 两 条 ,其 功能 是 推进 细胞 。 精 细胞 尾 是 鞭毛 的 例子 。 纤 毛 较 短 ,每 一 细胞 的 纤毛 很 多 ,通常 起 着 沿 细胞 表面 推动 细胞 外 物质 的 作用 。 虽 和 然 秆 毛 要 长 些 , 但 由 于 。 667 两 种 附属 器 在 结构 和 分 子 机 构 上 惊 大 地 相似 ,所 以 上 述 这 些 差 异 只 是 一 个 定义 的 问题 。 真 核 细 胞 的 鞭毛 和 纤毛 含有 一 束 成 对 的 微 管 , 称 为 纵 毛 轴 丝 (Axoneme), EH IHER 质 中 ， 被 一 层 膜 一 一 纤毛 膜 或 凌 毛 膜 一 一 所 包围 ， 它 们 和 细胞 膜 是 连续 的 《图 27-22 或 27-23)。 微 管 独 特地 排列 为 9 十 2 的 模式 ; 九 对 小 管 排列 成 一 个 外 环 ， 包 围 着 两 条 分 开 的 中 央 小 管 。 在 纤毛 和 鞭毛 的 基部 和 细胞 质 内 部 有 一 圆柱 形 的 结构 ， 称 为 基部 小 体 或 动 tk KY 0.5 微米 ， 直 径 约 0.15 微米 。 动 体 的 壁 是 由 九 组 每 组 三 条 有 横 桥 的 纤维 所 构成 。 动 体 用 来 把 ATP 以 及 可 能 的 其 它 物质 转送 至 纤毛 或 MEAL RSF EB. ‘Sac Lae ie a ee 205 ROK | 0.5 微米 x Ps tl Som). | | 横 切面 AR ACRD 图 27-22 HaHeria 的 纤毛 横断 面 的 电子 显微镜 相片 ， sw 1 AR FRR SAE METH + 2 结构 (图 : ce 两 条 中 央 小 管 被 包围 在 中 央 梢 内 ， 横 切 面 呈 圆 形 , 直径 约 24 毫 微米 ; 其 壁 厚 约 ,45 BACK. 外 部 的 九 对 小 管 的 每 一 对 都 含有 一 条 完整 的 小 管 , 另 一 条 稍微 小 一 点 的 小 管 融合 于 其 上 。 从 较 小 的 小 管 有 短 臂 状 物 突出 。 在 某 些 颖 毛 中 ， 外 部 的 微 管 和 中 心 的 微 管 由 轮 辐 样 横 桥 连结 起 来 。 每 一 微 管 的 壁 由 11 条 或 11 条 以 上 平行 的 直径 约 为 4.5 至 5.0 毫 微米 的 原 微 丝 所 组 成 ;它们 沿 长 轴 排 列 ; 原 微 丝 由 一 串 直径 为 4.5 毫 微米 的 球状 亚 基 所 组 成 鞭毛 和 纤毛 可 以 从 原生 动物 和 其 它 单 细胞 真 核 生 物 脱落 ;然后 用 差 示 离 心 法 分 离 出 来 5 向 分 离 出 来 的 鞭毛 和 纤毛 混 悬 液 中 加 入 ATP 与 Mgx+, 则 引起 它们 发 生 局 部 的 波状 摆 动 ,与 完整 细胞 中 鞭毛 的 摆动 相 似 ;同时 ,ATP 水 解 为 ADP 与 磷酸 。 这 些 实验 证 明 真 核 细胞 * 668 » ‘ FEMMES SARREAA, MAANED DKS (A 27-24), Bee 有 。 外 纤维 ideale 下 图 示 成 对 微 管 的 结构 。 一 个 圆周 通常 有 " 13 个 亚 基 ， 而 另 一 个 有 M12 个 亚 基 。 次 级 中 心 纤维 纤维 横 切面 图 27-23 ” 真 核 有 机 体 的 纤毛 和 鞭毛 的 结构 ,显示 纤维 的 9 十 2 排列 。[ 引 自 I. R. Gibbons and A. V. Grimstone, J. Biophys. Biochem, Cytol., 7: 697 (1960)] 图 27-24 gE RE ch Sabellaria 的 鳃 内 纤毛 搞 动 的 六 个 时 期 ?这 些 纤毛 长 约 30uM, 这 些 特殊 的 运动 显然 是 由 管状 微 丝 互相 之 间 的 依赖 于 ATP 的 滑动 所 赋 与 。[ 引 自 M. A. Sleigh, Endearvour, 39: 12 (1971)] 构成 四 膜 虫 和 某 些 其 它 具 有 纤毛 的 有 机 体 的 纤毛 外 层 小 管 的 蛋白 质 已 被 提取 出 呈 可 溶 状态 ;并 加 以 化 学 分 离 。 已 经 鉴定 了 三 个 主要 部 分 两 个 含有 相当 大 的 蛋白 质 ， 在 有 Me** 存在 的 情况 下 具有 ATP 酶 活性 ,它们 称 为 动力 蛋白 (dyneins)。 它们 以 不 同 的 速率 沉 Me, RRA 14S 动力 蛋白 (分 子 量 一 600;000) 和 308 动力 蛋白 。 第 三 种 成 分 要 小 得 多 (4S) 并 丰富 得 多 ,没有 ATP 酶 活性 ; 它 显然 与 微 管 蛋白 相同 。 14S 和 30S 动 力 蛋白 已 获得 高 度 纯 净 的 形式 。 当 30S 动 力 蛋 白 溶 液 和 去 掉 壁 状 物 的 外 层 小 管 的 混 悬 混 合 时 , 它 便 结合 到 小 管 上 再 构成 劈 状 物 。 从 这 些 实验 得 出 结论 , 即 臂 状 物 具 有 ATP BEE ATP 水 解 使 纤毛 或 颖 毛 产 生 波 样 起 伏 的 机 制 是 当代 最 有 兴趣 的 问题。 高 分 辩 力 电子 显微镜 技术 表明 在 入 毛 的 正弦 曲线 波动 时 ， 成 对 的 小 管 不 发 生长 度 的 变化 而 是 彼此 相互 滑动 ; 它们 在 基部 彼此 附着 。 这 里 我 们 又 为 力 化 学 能 转化 的 请 动 丝 模型 找到 了 一 个 证 据 s * 669 « oe WN HE = 某 些 细菌 只 有 一 lutik t AE HRA—-RRE, LAER RED HEE TR Ho AMMWMERERE 10 到 35 毫 微米 之 间 , 长 度 有 时 可 超过 10 一 15 微 米 ,或 者 为 细 胞 直径 的 许多 倍 。 大 多数 细 菌 的 鞭毛 表现 出 一 个 有 规则 的 均一 的 匡 曲 《图 ,27-25)。 波长 约 为 25 微米 了 了 na < 2 1.0 微米 - 10 微米 奇异 变形 杆菌 细胞 有 很 多 鞭毛 注意 有 规律 的 县 曲 > 绿 脓 杆 菌 的 两 个 细胞 ,每 个 细胞 有 一 条 极 鞠 毛 。 匡 曲 的 波长 可 以 通过 突变 而 改变 [ 引 自 J F. M。 (阴性 反差 ) Hoeniger, J. Gen. microbiol., 49: 29 (1965)] 图 27-25 BRE Ay RH FE a PENNE, 5 LEE WO FERRER A, CEES, 没有 膜 包围 着 , 没有 内 在 的 为 化 学 活性 。 由 于 在 凌 毛 奉 着 的 基部 颗粒 中 ATP 的 化 学 能 转化 为 机 械 能 ,在 细胞 内 罗 毛 的 基部 赋予 鞭毛 以 螺旋 状 或 旋转 式 的 运动 。 蒜 毛 运 动 可 能 超过 每 秒 40 周 ? 可 使 细菌 推 进 的 速度 达到 每 秒 50 微米 。 许 多 细菌 细胞 朝向 营养 物质 的 来 源 “ 游 泳 ”， Bide ig “TANCE” 9 RH Ga) Bi API BRU AA eR 细菌 的 鞭毛 在 性 质 上 是 蛋白 质 , 将 它 酸 化 到 pH 3 时 ， aids ws Reta OS 鞭毛 蛋白 〈flagellin)， 大 多 数 种 类 细菌 的 鞭毛 蛋白 分 子 量 为 40,000。 普通 变形 杆菌 的 鞭 毛 蛋 白 已 获得 结晶 。 X 射线 证 据 表明 细菌 鞭毛 由 三 股 相互 缠绕 起 来 的 肉 毛 蛋白 单 体 所 组 成 。 WA 从 鼠 伤寒 阔 门 氏 菌 和 其 他 细菌 来 的 鞭毛 蛋白 含有 许多 c-N-HRMARRE, RMA 基 酸 也 存在 于 肌肉 的 肌 动 蛋白 中 。 惊人 的 是 在 pH 和 盐 浓度 适宜 的 情况 下 ,鞭毛 蛋白 单 体 会 自动 再 集合 起 来 ,所 形成 的 结构 看 来 和 完整 的 鞭毛 一 样 ,具备 周期 性 的 奢 曲 ， 其 波长 种 * 670° —— —— :天然 肉 毛 相同 。 搞 要 骨骼 肌 细胞 的 肌 原 纤维 包含 许多 功能 节 段 一 一 肌 相 节 。 每 二 肌 小 节 由 两 类 互相 窜 错 的 平行 丝 所 组 成 。 肌 小 节 的 各 向 异性 带 或 A 带 含有 一 组 平行 粗 丝 ， 而 各 向 同性 带 或 工 带 含有 一 组 细 丝 。 收 缩 和 松弛 时 , 细 丝 沿 着 粗 丝 滑动 ,两 者 的 长 度 都 不 变 5 肌肉 收缩 时 粗细 丝 之 间 的 横 桥 迅速 接 通 和 断裂 。 粗 丝 由 长 杆 状 有 突出 的 头 部 肌 球 蛋白 分 子 的 平行 来 所 组 成 。 肌 球 重 白 含有 两 条 重 多 , 胸 链 和 四 条 轻 链 。 肌 球 蛋 白 有 受 Cot 激活 的 ATP 酶 活性 ， 通 过 Mg ATP 与 其 硫 氢 基 相 互 作用 则 使 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 保持 于 抑制 状态 help FRB ea BG 7 (WL Re 3) Be AE: RR I 4 LER A BL BRE Ao 后 者 包括 肌 球 蛋白 分 子 的 头 部 5 ATP 酶 活性 即位 于 其 中 。 肌 球 蛋白 也 能 与 细 丝 的 主要 熏 自 质 成 分 肌 动 蛋 白 结 侣 。 与 抽动 重 白 的 结 从 小 用 到 与 ATP 酶 活性 有 关 的 头 部 的 同一 ~-SH 基 。' 直 肌 球 蛋白 水 解 结合 着 的 ATP FS EVRA ICA HS MSR ; 这 种 肌 球 蛋白 合 .有 紧密 结合 的 ADP 和 磷酸 。 Woh ieee ch SAE ERB MRR WLS) SENG Bee PML Gh RAR GA 动 蛋白 单 休 的 聚合 物 。 ATP 促进 CUA RAMA, AIM ATP 脱 磷酸 成 为 ADP。 肌 动 蛋白 也 结合 ;Cazt;y 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 形成 一 个 复合 物 肌 动 球 蛋 白 , 在 有 ATP 存在 的 情 _ 况 下 它 发 生 离 解 ;这 一 现象 可 能 是 路 时 解除 肌 动 蛋白 与 肌 球 蛋白 丝 之 间 的 横 桥 的 基础 。 细 丝 也 含有 原 肌 球 蛋白 ,后 者 由 两 条 螺旋 形 多 肽 链 所 组 成 , 原 肌 球 蛋 白 位 于 成 对 的 FHL 动 蛋 白 股 索 的 沟 中 。 每 七 个 G= 肌 动 蛋白 单 体 有 一 分 子 肌 向 蛋白 ,后 者 有 三 个 亚 基 ， 一 个 亚 基 与 Co* 结合 ,一 个 瑟 原 肌 球 蛋 白 结合 ， 第 三 个 与 肌 动 蛋白 结合 。 肌 铬 蛋白 是 一 个 具 “有 调节 作用 的 分 子 ; 当 其 与 Ca 结合 时 ， 获 得 了 能 量 的 肌 球 蛋白 头 部 便 从 与 肌 动 蛋白 的 结合 中 释放 出 来 而 发 生 援 动 。 if boa a “MMOS ROMA > is SER MSR RUM REL Cot? ENLARGED MUR U Cat 并 通过 一 个 依赖 于 ATP BE Co 隔离 在 肌 浆 网 中 ,， 肌 肉 便 产 生 松 弛 。 糖 酵 解 或 呼吸 所 产生 的 ATP 是 收缩 和 松弛 的 即时 的 能 源 ; 磷酸 肌 酸 起 着 一 种 使 ADP 再 磷 酸化 的 高 能 磷酸 基 储 库 作 用 。 软 体 动物 的 捕 肌 含有 副 肌 球 蛋 白 。 在 许多 种 细胞 中 都 发 现 有 肌 动 蛋白 样 和 肌 球 蛋白 样 丝 ,这些 丝 参与 运动 、 伪 足 形成 、 Ame fe FA Mek Ve FA He Ve AS HAS BME As EW SMe 白 结合 。 微 管 由 微 管 蛋白 亚 基 所 组 成 ,它们 通过 与 GTP 的 相互 作用 而 聚合 。' 秋 水 仙 碱 、 长 春花 碱 和 长 春 新 碱 干 挠 微 管 形成 或 功能 。 真 核 细 胞 的 纤毛 和 睦 毛 由 九 对 小 管 和 中 央 管 道 系统 所 组 成 。 它 们 含有 水 解 ATP 的 蛋白 质 称 为 动力 蛋白 ,动力 蛋白 引起 一 种 滑动 丝 类 型 的 相互 作用 。 细 菌 的 鞭毛 由 重复 出 现 的 芥 玫 蛋白 单 体 所 组 成 。 参 与 运动 和 趋 化 学 性 。 es sx OU HB The Mechanism of Muscle Contraction, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., yol. 37. 1972. An impor- tant and comprehensive collection of over 70 papers on many different aspects of muscle, pre- 671 sented at an international symposium. The concluding article by H. E. Huxley summarizes the symposium. Needham, D. 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HBR 15-4 HORSE SAE 21 25°C 和 pH.7.0 Eee 常数 。 8. SHE RR URS (a) 丰富 的 和 和 1) 减少 的 情况 下 ， ake RMR SPORE RE Lo TERE EF A SE PERS DLRE CADP 2) SATP A 肌 酸 ? (a) 26:7 02072 ,ot3 了 83 1333 ( aE AB (b) 0.507 3 得 外 CHAI ZA 39.5 : oe ESA ERT ee YASS te ee Re 第 二 十 八 章 ， 横 过 膜 的 主动 转运 我 们 现在 来 讨论 细胞 的 第 三 个 主要 的 需 能 活动 一 一 主动 转运 ,我 们 目前 把 主动 转运 定义 为 代谢 产物 或 一 种 无 机 离子 逆 着 浓度 梯度 横 过 膜 的 需 能 运动 。 由 于 在 某 些 特 化 的 动 物 组 织 , 例 如 肾脏 ,高 至 70 多 PORT OARS I He OH Fee re eels ee aN ae 细胞 的 最 小 的 主要 需 能 活动 。 由 于 生物 膜 有 一 个 由 磷脂 双 层 所 组 成 的 连续 的 非 极 性 碳 氢 核心 所 以 从 本 质 上 来 看 它们 对 大 多 数 极 性 分 子 都 是 不 通 透 的 。 这 一 特性 在 生物 学 上 是 有 益 的 浓 由 于 它 防 目 细 胞 内 的 代谢 产物 (大 多 数 都 是 离子 化 的 ) 从 细胞 扩散 出 来 。 但 是 ， 活 细胞 必须 从 环境 获得 某 些 极 性 营养 物 如 葡萄 糖 和 氨基 酸 ,而 这 些 物质 在 环境 中 浓度 可 能 很 低 ; 活 细胞 也 必须 排出 或 分 弯 各 种 离子 或 极 性 分 子 。 为 此 它们 必须 有 完备 的 专 一 性 膜 转运 系统 ;! 这 些 系 统 不 仅 把 极 性 营养 分 子 运 载 过 膜 ， 而 且 可 以 逆 浓 度 梯 度 进 行 。 由 主动 转运 系统 所 产生 的 浓 魔 梯 度 可 能 是 很 高 的 。 除了 从 周围 介质 转运 燃料 和 必需 的 营养 物质 之 外 ， 主动 转运 系统 还 有 许多 重要 功能 4 纵然 外 环境 的 成 分 波动 很 大 ， 主 动 转运 系统 通过 其 维持 有 机 营养 物质 和 代谢 产物 细胞 内 浓度 相对 恒定 的 能 力 参 与 代谢 恒 态 的 维持 。 主 动 转运 系统 也 使 无 机 电解 质 (特别 是 K+ 和 Ca?*) 的 细胞 内 浓度 维持 在 恒定 的 和 最 适 的 水 平 土 ,这些 电 解 质 对 许多 重要 的 细胞 内 活动 的 调节 都 是 必 不 可 少 的 。 此 外 ,它们 也 有 助 于 维持 细胞 与 周围 介质 之 间 的 移 透 关系 ,从 而 有 助 于 维持 细胞 的 体积 。 神 经 系统 传递 信息 以 及 肌肉 组 织 的 兴奋 与 松弛 周期 也 涉及 到 主 动 转运 系统 ; 它们 在 肠 上 皮 的 吸收 活动 和 肾脏 的 分 让 功能 中 也 起 作用 。 主 动 转运 的 另 一 极为 重要 的 作用 可 设想 为 : 在 氧化 磷酸 化 和 光合 磷酸 化 过 程 中 将 电子 转运 的 能 量 转变 为 ATP 的 化 学 能 ， 因 为 在 这 些 过 程 中 将 Ht 和 泵 过 线粒体 膜 和 叶绿体 膜 可 能 是 必 不 可 少 的 中 间 步 又 。 直到 近年 来 ， 关 于 主动 转运 的 分 子 基 础 ， 生 物化 学 方面 的 报道 很 少 。 大 多 数 的 研究 局 限于 完整 细胞 和 组 织 中 主动 转运 过 程 的 速率 和 专 一 性 。 但 由 于 有 了 新 的 重要 的 实验 方 法 ,许多 参与 主动 转运 的 膜 蛋白 已 经 被 分 离 出 来 ,这 一 进展 把 这 个 重要 的 需 能 细胞 功能 提 供给 生物 化 学 直接 研究 。 今 天 ， 膜 转运 的 分 子 基 础 是 生物 化 学 研究 的 一 个 大 而 迅速 发 展 的 领域 。 主动 转运 的 能 学 当 加 水 使 溶液 稀释 时 ,其 自由 能 减少 而 业 增 加 ;溶质 分 子 现在 相距 更 远 ， 因 此 其 排列 更 为 不 规则 。 相 反 当 稀 溶 液 浓 缩 时 ,其 自由 能 增加 。 因 此 ,把 一 定 浓度 的 溶质 转运 到 浓度 较 高 的 隔 室 需 要 输入 自由 能 ;相反 ， 当 一 种 溶质 进入 浓度 较 低 的 隔 室 时 ， 自 由 能 减少 (图 28-1)。 因此 用 热力 学 的 术语 严格 规定 : 在 转运 过 程 中 凡是 系统 获得 自由 能 的 为 主动 转 运 , 而 在 转运 过 程 中 系统 失去 自由 能 的 为 被 动 转运 。 .6 其。 如 图 28-1, 当 1.0 克 分 子 的 不 带电 荷 的 溶质 从 一 个 其 溶质 浓度 为 C: SB BIA 一 个 其 溶质 浓度 为 C; 的 隔 室 时 ,所 发 生 的 自由 能 变化 AG 可 用 下 列 方程 式 表 示 : 顺 浓度 梯度 的 被 动 转运 送 浓度 梯度 的 主动 转运 在 被 动 转运 中 系统 在 主动 转运 中 系 ; 的 自由 能 降低 的 自由 能 增加 图 28-1 主动 转运 和 被 动 转运 的 图 解 AG’ = RTI, (1) 1 式 中 R 和 T 系 通常 规定 的 含义 。 这 个 方程 式 假定 被 转运 的 溶质 不 带 净 电荷 , 且 在 两 隔 室 中 分 子 种 类 不 变 。 当 1.0 克 分 子 的 溶质 例如 葡萄 糖 从 其 浓度 为 0.01 M 的 陋室 被 转运 到 浓 度 高 10 fe (BN 0.1M) 的 隔 室 时 ， 根 据 此 方程 式 即 可 算出 转运 过 程 中 在 20° 时 发 生 的 自 由 能 变化 。 AG’ = a Gon = 1.98 X 293 X 2.303 X logl10 = 1.340- = 1.34 FE 由 于 计算 得 的 自由 能 变化 的 符号 是 正 的 ,可 见 逆 10: 1 的 浓度 梯度 转运 葡萄 糖 不 会 目 动 地 发 生 。 但 如 果 它 和 自由 能 继续 降低 的 某 些 其 他 过 程 例 如 ATP 的 水 解 偶 联 起 来 的 话 ， 葡萄 糖 的 上 述 转运 是 可 以 发 生 的 。 因 为 水 解 ATP 的 标准 自由 能 为 一 7:3 千 卡 / 克 分 子 , 理 论 上 水 解 1 克 分 子 ATP 产生 的 能 量 远 超 过 足够 使 1 克 分 子 葡 萄 糖 (或 任何 其 它 不 带电 和 荷 的 溶质 ) 逆 10; 倍 的 浓度 梯度 从 一 个 隔 室 转运 到 另 一 个 隔 室 所 需 的 能 量 。 但 除非 有 一 种 机 制 把 ATP 水 解 和 葡萄 糖 转运 过 程 偶 联 起 来 ;否则 ATP 的 能 量 是 不 能 用 于 主动 转运 的 。 如 有 果 我 们 所 考虑 的 溶质 是 带电 荷 的 ， 则 主动 转运 过 程 的 自由 能 变化 的 方程 式 就 更 为 复杂 ,因为 有 两 个 梯度 存在 : C1) 质量 梯度 以 及 (2) 电 荷 或 电位 的 梯度 。 这 两 个 梯度 加 起 来 称 为 电化 学 梯度 。 带 电荷 的 离子 在 转运 过 程 中 的 自由 能 变化 可 由 方程 式 (1) 的 修正 式 得 出 , 它 含 有 质量 梯度 与 电荷 梯度 的 各 项 : * 675 ¢ AG’ = RTI, = + LF AU (2) ZF AY 项 代表 由 于 转运 电荷 所 产生 的 自由 能 。2Z ZAB—-KBADSLORAR, F 为 法 拉 第 (96,493 库伦 / 克 当 量 )， 而 .人 A 亚 为 两 隔 室 间 电 位 差 的 伏特 数 。 生 物 膜 两 侧 的 电梯 度 ， 即 膜 电位 ,在 茶 些 情况 下 可 以 直接 测量 ， 如 在 大 神经 或 肌 细 胞 中 。 在 另 一 些 情况 下 , 膜 电 位 只 能 由 间接 的 方法 得 到 近似 值 。 由 于 其 他 离子 的 代 偿 运 动 ， 测 得 的 膜 电位 通常 是 非常 小 的 。 在 神经 和 肌肉 细胞 的 功能 上 ， 膜 电 位 起 着 主要 的 作用 ,在 线粒体 膜 和 叶绿体 膜 上 上 亦 可 能 如 此 。 细胞 膜 内 的 大 多 数 主 动 转 运 系统 能 够 逆 着 相当 高 的 浓度 梯度 身 动 转运 。 糖 类 和 所 基 酸 可 以 逆 超 过 100: 1 的 浓度 梯度 被 运 和 细菌 细胞 。 在 哺乳 动物 从 血浆 (pH = 7.4) Dw Ht ARR (pH 约 为 1) 时 所 发 生 的 主动 转运 梯度 是 已 知 的 给 人 印象 最 深刻 的 一 种 。 这 > Ht 的 梯度 就 超过 10-V10 = 10 或 1,000,000:1o。 假定 血浆 与 胃液 两 者 都 是 电 中 性 ， 则 利用 方程 式 (1), 当 1.0 克 当量 的 Hr+ 从 血浆 分 这 入 胃液 时 所 发 生 的 自由 能 变化 应 为 : Ae} RTI, 1 = 8.040 — = 8.04 ++ 图 28-2 说 明 人 的 某 些 体液 的 大 致 成 分 ,表示 某 些 溶质 梯度 的 大 小 。 利 四 方程 式 (1) 或 (2) ,我们 可 以 计算 出 从 血浆 产生 某 一 容积 的 体液 例如 屎 所 需要 做 的 最 小 量 的 功 ; 这 个 数值 是 在 血 波 和 尿 之 间 转 运 每 一 种 溶质 时 出 现 的 自由 能 变化 的 代数 和 。 毫克 当量 200 180 160 80 60 40 i (oo | | . HPO? 20 ere rie SO- ”| Mg2+ FAR us AME car -到 白质 ee 7 人 血浆 Sahel PS He Ak 《肌肉 ) 28-2 人 类 血浆 、 细 胞 内 液 和 胃液 的 离子 成 分 。 注 意 : 血浆 和 细胞 内 液 之 间 Nat 和 天 + 浓度 的 差别 特别 大 * 而 在 血浆 (PH7.4) MAR (pH 人 1.0) 之 间 Ht 浓度 差别 极 大 。 这 种 计算 没有 考虑 到 细胞 是 开放 系统 并 且 不 呈 热 力 平衡 这 一 事实 。 细 胞 膜 两 侧 任 一 as。 676° 溶质 的 浓度 梯度 是 恒 态 的 一 种 反映 ， 而 恒 态 则 是 主动 转运 溶质 人 (或 出 ) 细 胞 和 被 动 eset fe $5 2 HL ER BY A Fe — TR BE Be BEA ths BEAT A BES WR 到 梯度 的 大 小 , i A B27 ie FI [Bl es AI EE 0 鉴定 媒介 膜 转 运 的 特征 通过 非 媒 介 过 程 或 媒介 过 程 , 溶 质 可 以 穿 过 膜 发 生 净 运动 或 流动 ;媒介 过 程 也 称 为 易 化 过 程 。 通 过 转运 速率 的 测定 以 及 某 些 条 件 是 如 何 影响 转运 速率 的 ,可 以 区 别 这 些 过 程 。 非 媒 介 转 运 过 程 的 速率 总 是 直接 随 盗 质 的 谈 度 而 变化 ， 其 温度 系数 通常 就 是 物理 扩散 的 温度 系数 ， 即 温度 每 升 高 10%C 约 14, 一 种 溶质 的 非 媒介 转运 完全 只 是 溶质 随 其 浓度 或 电化 学 梯度 而 发 生 的 简单 物理 扩散 的 结果 。 在 非 媒 介 流 动 过 程 中 , 溶质 分 子 在 其 穿 过 膜 时 既 不 在 化 学 上 被 修饰 ,也 不 与 其 他 种 类 分 子 相 结合 。 另 一 方面 ,媒介 简 转 运 过 程 或 易 化 膜 转运 过 程 可 以 是 被 动 的 ,也 可 以 是 主动 的 ， 表 现 出 不 同 的 且 较 为 复杂 的 行为 。 鉴定 媒介 转运 的 第 一 个 特征 是 它 表 现 出 饱和 动力 学 ; 即 转运 系统 可 以 被 其 转运 的 物质 所 饱和 ， 正 如 酶 可 以 被 其 底 物 所 饱和 一 桩 5; 用 媒介 转运 过 程 的 初速 度 对 底 物 浓 度 作 图 ， 通 常 显示 出 双 曲 线 ， 在 就 底 物 而 言 〈《 图 28-3) 反应 速率 为 零 级 时 接近 最 大 值 ， 这 与 酶 动 以 载体 为 媒介 的 转运 变 为 饱和 力学 的 Michaelis-Menten 关系 相似 s。 这 种 行为 提示 膜 转 运 系统 含有 一 个 专 一 位 点 ,为 了 运 过 膜 , 底 物 “ 必须 可 逆 地 结合 于 这 一 位 点 上 。 同 时 也 提示 正如 酶 底 物 复合 物 的 形成 (或 分 解 ) 速 率 可 以 限制 一 个 酶 促 反 应 的 速率 一 样 ， 在 膜 的 一 侧 和 底 物 结合 的 速率 \ 底 物 的 转运 过 膜 、 或 其 在 膜 的 另 一 侧 的 释放 等 也 可 以 给 转运 速率 规定 一 个 上 限 。 媒介 转运 的 第 二 个 准则 是 对 被 转运 物质 的 专 一 性 s 例如 某 些 兰 椎 动物 的 红细胞 有 一 个 膜 转运 系统 , 它 促 进 D- 葡 萄 糖 和 一 些 结构 上 近似 的 单 糖 进 人 速度 一 一 > FERS} Fe 与 浓度 成 正比 浓度 一 28-3 膜 转 运 过 程 的 饱和 动力 学 ， 媒介 转 运 有 一 最 大 速度 Vwax， 在 此 速度 时 载体 被 饱 和 ， 而 通过 简单 物理 扩散 的 非 媒介 转运 通常 是 与 溶质 的 浓度 变 成 正比 ， 且 不 出 现 饱 和 现 象 。 脂 溶性 小 分 子 , 例 如 不 离 解 的 乙酸 或 6- 羟 丁 酸 , 易 于 通过 生物 膜 在 pH 为 .0 时 ， 足 够 浓度 的 这 些 弱 酸 允 许 非 媒介 转运 迅速 进行 。 进入 红细胞 ,但 对 .D- 果 糖 或 双 糖 (例如 乳糖 ) 则 只 有 很 少 或 没有 活性 。 媒 介 转 运 也 可 以 表 现 立 体 专 一 性 ; 因此 动物 细胞 膜 的 氮 基 酸 转运 系统 对 基 氨 基 酸 的 转运 比 对 D- 异 构 体 要 活跃 得 多 。 根 据 这 些 发 现 可 以 假定 膜 内 的 媒介 转运 系统 含有 一 个 与 被 转运 物质 互补 的 结 合 位 点 ,其 专 一 性 类 似 于 酶 分 子 的 活性 位 点 。 媒介 转运 的 第 三 个 准则 是 它 常 可 十 分 专 一 地 被 抑制 。 千 构 上 与 底 物 近似 的 物质 与 底 物 竞 争 专 一 性 的 结合 位 点 ,从 而 使 某 些 生 物 学 转运 系统 受到 竞争 性 抑制 。 N- 乙 基 顺 丁 烯 二 酰 亚 胺 是 一 种 琉 基 阻 断 剂 , 2，4- 二 硝 基 氟 苯 能 阻 断 游离 氨基 。 这 些 能 够 阻 断 或 改变 蛋 白质 的 专 一 功能 基 团 的 试剂 均 可 非 竞争 性 地 抑制 其 它 转运 系统 。 媒介 转运 的 这 些 特性 有 力 地 提示 生物 膜 含 有 一 些 能 够 与 专 一 性 底 物 可 逆 地 结合 并 将 底 物 运送 过 膜 的 蛋白 质 分 子 。 这 些 蛋 白质 或 蛋白 质 系 统 有 不 同 的 名 称 ; 如 转运 系统 、\ 载 体 、 。 677。 搬运 者 或 移 位 酶 。 载 体 分 子 可 通过 扩散 将 其 配 体 运载 过 膜 , 也 可 以 在 膜 内 旋转 ,或 者 发 生 构象 变化 在 膜 内 产生 一 个 孔 " 以 转运 专 一 性 底 物 。 所 有 的 转运 过 程 ( 不 论 是 否 是 媒介 的 ) 最 后 都 是 扩散 的 结果 ,基于 对 这 一 事实 的 认识 ， 媒介 转运 有 时 称 为 易 化 扩散 。 在 媒介 转运 中 ， 底 物 载体 复合 物 可 能 发 生平 移 扩散 或 转动 扩散 , 随 膜 内 复合 物 的 梯度 而 定 。 主动 媒介 转运 和 被 动 媒介 转运 通过 生物 膜 的 所 有 媒介 转运 过 程 均 具 有 饱和 度 、 底 物 专 一 性 和 专 一 性 抑制 等 二 述 三 种 特性 。 但 应 用 其 它 准 则 ,可 将 它们 分 为 主动 的 和 被 动 的 两 类 。 第 一 个 准则 是 某 一 转运 过 程 是 逆 还 是 顺 一 种 梯度 发 生 。 这 就 要 求 精确 了 解 两 个 有 关 隅 室 中 被 转运 物质 的 浓度 ， 并 保证 存在 于 两 隔 室 中 的 物质 在 分 子 或 离子 种 类 上 相同 。 在 从 血浆 分 让 胃液 的 情况 下 ， 用 只 对 游离 H 敏感 的 玻璃 电极 测量 两 流体 的 pH, 使 大 确信 由 胃 上 皮 产 生 了 一 个 很 大 的 Ht 梯度 。 然而 ,由 于 现 有 的 分 析 方 法 不 可 能 辨别 游离 的 溶质 与 结合 的 溶质 , 因而 生物 膜 两 侧 溶 质 的 浓度 梯度 的 精确 大 小 不 总 是 容易 测量 到 的 。 例如 Ca 六 就 是 和 细胞 内 其 它 溶质 特别 是 蛋白 质 牢固 地 结合 。 由 于 结合 Cat 对 游离 Cot 的 热力 学 梯度 不 作出 贡献 ， 因 此 只 能 il 5 FAH AR RA Ca” 总 含量 的 分 析 方 法 便 不 能 精确 测定 细胞 膜 两 侧 Ca pelea 度 。 常 需要 特殊 的 分 析 方 法 来 确定 无 热力 学 的 溶质 的 浓度 。 主动 转运 过 程 的 第 二 个 准则 是 其 对 代谢 能 的 依赖 性 。 如果 待 查 的 转运 过 程 有 赖 于 糖 酵 解 或 呼吸 作用 或 ATP 的 水 解 , 则 可 认为 它 是 一 个 主动 转运 过 程 。 例 如 某 物 种 的 红细胞 使 细胞 内 K+ 浓 度 正常 维持 于 很 高 的 水 平 并 排出 Na+。 如 果 将 一 种 糖 酵 解 的 抑制 物 一 一 氟 化 物 加 大 红细胞 , 则 细胞 内 K+ 浓度 下 降 而 Nat 浓度 增加 ,直到 它们 在 膜 两 侧 的 浓度 将 近 相 等 的 状态 。 由 于 红细胞 对 Nat 和 K+ 浓度 梯度 的 维持 依赖 于 产生 ATP 的 糖 酵 解 过 程 ;因而 是 二 个 主动 转运 过 程 。 另 一 方面 ， 其 它 的 媒介 转运 过 程 ， 如 葡萄 糖 进 入 人 类 红 细胞 的 运动 ,在 代谢 能 源 被 阻 断 时 也 不 被 抑制 ， 故 可 以 断定 这 些 系统 进行 着 被 动 媒介 转 Bo | 主动 转运 系统 的 正 向 需 能 功能 是 单方 向 的 ; 即 它们 只 朝 一 个 方向 将 底 物 转运 通过 膜 。 例如 红细胞 的 主动 转运 系统 只 使 Na” 朝向 外 的 方向 而 使 K* 朝向 内 的 方向 移动 。 这 一 行 为 与 葡萄 糖 的 被 动 媒介 转运 恰 成 鲜明 的 对 比 ， ee ee 向 移动 ,取决 于 两 隔 室 中 葡萄 糖 的 相对 浓度 。 值得 注意 在 没有 代谢 能 量 供给 的 情况 下 ， 细胞 的 基 些 主动 转运 系统 也 可 以 将 其 底 物 朝 任 一 方向 被 动 运送 过 膜 , 取 决 于 两 陋室 中 底 物 的 相对 浓度 s 媒介 转运 的 模型 根据 上 述 特性 提出 了 转运 系统 的 一 般 化 模型 (图 28-4)。。 这 些 模型 假定 一 种 专 一 的 蛋白 质 起 着 底 物 载体 的 作用 ;这 种 蛋白 质 含 有 一 个 与 被 转运 底 物 互补 的 结合 位 点 。 它 通 过 扩散 过 膜 、. 通 过 旋转 或 通过 构象 变化 将 底 物 分 子 带 过 膜 , 于 是 结合 位 点 现在 面向 另 一 隔 “678。 室 , 所 结合 的 底 物 便 被 释放 人 此 隔 室 。 在 被 动 媒介 转运 系统 中 ， 这 个 过 程 是 完全 可 逆 的 ; 溶质 分 子 的 净 运 动 可 以 朝 任 一 方向 ,取决 于 两 隔 室 中 底 物 的 相对 浓度 。 在 主动 转运 系统 的 模型 中 ， 载 体 分 子 以 某 种 方式 能 量化 ,以 成 功 地 逆 梯 度 单方 向 地 转运 ,例如 通过 一 种 依赖 于 能 量 以 改变 转运 系统 中 膜 的 一 侧 的 底 物 结合 亲和力 。《 图 28-4) i 外 侧 iz 内 例 和 S S S S S sys a NOG oy Pe 4 > S ADP +P, ATP S S rs TS pat ts SSL ee > S S s : 被 动 转 运 主动 转运 被 动 转运 机 制 ; 被 转运 的 物质 [S] 与 一 种 专 一 主动 转运 机 制 ;: 在 这 一 模型 中 ，ATP 的 转运 蛋白 质 [T] 结合 形成 TS 复合 物 ， 后 者 的 能 量 用 于 自 载 体 “ 印 下 ? 底 物 。 这 SHUR. 在 这 种 情况 下 转运 自 左 至 在; A |. 可 能 是 由 于 引起 的 载体 蛋白 质 构 象 着 低 浓 度 的 方向 。 被 动 转运 可 以 朝 任 一 方向 进 改变 降低 了 内 表面 上 载体 的 亲和力 行 ? 取 决 于 浓度 梯度 的 方向 。 的 缘故 。 图 28-4 ASE HL lA 如 果 某 些 主动 转运 系统 的 能 量 供给 被 切断 , 则 它们 可 以 象 被 动 转运 系统 一 样 起 作用 ， 因而 推测 它们 含有 至 少 两 种 成 分 。 一 种 成 分 起 着 识别 底 物 、 与 底 物 结合 和 可 逆 地 朝 任 二 方向 载运 底 物 的 作用 ; 而 另 一 成 分 则 是 pre me le KS FAVE FP Coe 转运 或 ATP 水 解 ) 偶 联 起 来 所 必需 的 ， 通过 这 种 方式 使 主动 过 程 只 朝 一 个 方向 RES 基 团 易 位 过 腊 在 主动 转运 中 ， 被 转运 的 底 物 产生 浓度 梯度 而 没有 底 物 的 化 学 修饰 。 在 另 一 种 膜 转 运 过 程 中 ， 被 转运 的 底 物 不 得 不 转变 为 另 一 类 化 学 物质 。 例 如 在 许多 -细菌 中 葡萄 糖 在 通过 膜 转运 人 细胞 的 过 “图 28-5” 基 团 - 易 位 过 程 的 模型 。 细胞 膜 外 侧 的 底 物 'S 受 结 | 程 下 间 时 确 酸 化 为 大 桨 多 6- 请 酸 被 “人 的 人 和 人生 | 转运 的 葡萄 糖 便 以 这 种 形式 出 现在 细胞 S 同时 转变 为 另 一 化 学 物质 并 移入 细胞 内 。 * 60679。 内 。 这 样 的 一 种 过 程 显然 需要 代谢 能 量 来 进行 磷酸 化 作用 ， 但 不 能 称 它 为 主动 转运 ， 因 为 被 转运 的 底 物 已 经 过 化 学 修饰 为 另 一 种 物质 了 。 这 种 由 于 某 一 化 学 基 团 的 易 位 而 不 是 由 于 分 子 或 离子 不 加 改变 而 易 位 所 产生 的 膜 转运 过 程 称 为 基 团 易 位 。 在 某 种 意义 上 来 讲 ， 基 团 易 位 和 真正 的 主动 转运 过 程 一 样 ， 能 达到 同样 的 结果 ， 因 为 它 也 能 消耗 代谢 能 量 使 化 学 基 团 从 稀释 的 外 部 介质 进入 细胞 内 以 造成 其 细胞 内 的 浓度 (图 28-5)。 此外， 它 还 有 利于 将 被 转运 的 物质 同时 转变 为 细胞 更 可 直接 利用 的 衍生 物 。 例 如 游离 的 葡萄 糖 通过 基 团 易 位 以 葡萄 糖 6- 磷 酸 的 形式 运 人 细菌 细胞 内 ，, 使 之 可 以 直接 进入 糖 酵 解 程序 。 在 氨基 酸 转运 过 程 中 也 可 以 发 生 基 团 易 位 过 程 。 转运 系统 的 遗传 证 提 关于 转运 系统 的 功能 和 生物 学 方面 的 遗传 学 研究 已 获得 极 重要 的 知识 。 现 描述 一 例 如 下 。 当 某 些 细菌 在 以 葡萄 糖 为 唯一 碳 源 的 培养 基 中 生长 时 ， 虽 然 它 们 通过 三 羧 酸 循环 能 高 速度 地 氧化 细胞 内 形成 的 柠檬 酸 ， 却 不 能 利用 加 在 培养 基 中 的 外 源 性 柠檬 酸 。 然 而 假如 把 这 些 细 胞 从 葡萄 糖 培养 基 移 人 以 柠檬 酸 为 唯一 碳 源 的 培养 基 中 ， 则 它们 迅速 适应 并 获得 利用 外 源 性 柠檬 酸 作为 碳 源 的 能 力 。 这 一 效应 和 不 是 由 于 细胞 膜 通 透 性 的 普遍 增 高 ， 因 为 在 柠檬 酸 中 生长 的 细胞 没有 获得 利用 除 柠檬 酸 以 外 的 底 物 的 能 力 。 这 些 发 现 导 致 这 一 结论 ， 即 这 些 细菌 含有 一 个 可 诱导 的 柠檬 酸 转运 系统 。 当 细菌 从 培养 基 得 到 丰富 的 葡萄 糖 供 给 ;特别 是 如 果 葡 葡 糖 是 唯一 碳 源 时 , 则 不 需要 柠檬 酸 转运 系统 ， 遗 传 上 其 生 物 合 成 便 受 到 阻 抑 。 业 已 发 现 这 些 细菌 的 突变 种 形 失 了 应 答 外 源 性 柠檬 酸 而 形成 柠檬 酸 转运 系统 的 能 力 。 但 人 们 认为 这 种 在 种 属 上 称 为 转运 阴性 (trausport-negative) 的 突变 种 在 代谢 的 所 有 其 它 方面 均 正 常 。 从 这 些 实验 得 出 结论 ,正如 催化 一 条 | 训 直 光 生 的 光 隐 市 科 的 丘 月 依 检 二 样 , 膜 转运 系统 的 分 子 组 分 也 是 由 遗传 所 决定 的 。 动物 组 织 中 有 转运 系统 的 结构 动物 组 织 的 膜 转运 系统 构成 三 种 形态 上 不 同 的 类 型 , 称 为 同 细胞 的 ,| 横 过 细胞 的 5 和 细胞 内 的 膜 转运 系统 。 同 细胞 转运 为 存在 于 原核 细胞 和 真 核 细 胞 的 最 常见 和 最 普遍 的 膜 转运 过 程 。 这 种 转运 过 程 发 生 于 细胞 有 晓 的 两 侧 致使 某 种 有 机 底 物 或 无 机 离子 被 运 人 或 运 出 细胞 。 所 有 细胞 都 具有 这 种 同 细 胞 的 系统 以 向 内 转运 其 营养 物 ,特别 是 糖 和 氨基 酸 。 此 外 ， SE ay SH SENS Sh TK EE RUAN IA Kt. 横 过 细胞 的 转运 是 同 细胞 转运 的 一 种 特殊 情况 ， 在 其 中 转运 系统 位 于 细胞 表面 的 特 殊 部 位 ,以 便 可 能 将 底 物 转运 经 过 或 横 过 整个 细胞 。 这 种 排列 存在 于 上 皮 细 胞 层 , 例 如 , 肯 和 小肠 粘膜 以 及 衬 着 肾 小 管 的 上 皮 细 胞 。 这 些 薄 层 的 上 皮 细 胞 促进 横 过 细胞 层 的 转运 ;> 例 如 ,从 血 流 到 骨 洲 。 上 皮 细 胞 层 中 的 转运 系统 就 是 这 样 组 织 在 细胞 膜 中 的 ,以 臻 通过 细胞 发 生 有 方向 性 的 转运 ,这 大 概 是 因为 主动 转运 系统 仅 位 于 细胞 屏障 的 一 侧 之 故 。 《图 :28- 6) * 680 « 在 真 核 细胞 中 第 三 种 类 型 的 膜 转 运 为 细胞 内 转运 这 是 一 种 横 过 内 细胞 器 如 线粒体 、 叶绿体 或 肌 浆 网 等 的 膜 而 发 生 的 转运 过 程 。 这 种 细胞 内 转运 系统 在 细胞 溶质 和 细胞 aaa 器 的 内 部 介质 之 间 起 着 转运 无 机 盐 或 代谢 产 re eH Ht 物 的 作用 。 这 种 类 型 的 膜 转 运 过 程 参 与 线 粒 体内 ATP 和 许多 代谢 产物 的 分 隔 作用 ,也 参 “ sur HL Bat 与 细胞 溶质 和 肌 浆 网 之 闻 Ca* 的 转运 从 而 | as 调节 肌肉 的 收缩 松弛 周期 以 及 从 细胞 溶质 转 = 一 二- 中 mm Ss Sik 运 Ca** 进入 线粒体 。 Ht 同 细胞 转运 和 细胞 内 转运 Ht Ht Ht a e Ht Ht Ht En 通过 骨 粘 膜 上 皮 细 胞 层 的 横 过 细胞 的 转运 。 净 运 动 的 方向 是 从 血液 到 骨 该 。 图 28-6， 细 胞 和 组 织 中 膜 转 运 系统 的 结构 动物 组 织 中 的 被 动 转运 系统 现 将 高 等 动物 细胞 内 某 些 有 代表 性 的 转运 系统 的 生物 化 学 特性 叙述 如 下 。 首 先 我 们 将 考虑 被 动 转运 系统 s 人 类 红细胞 的 葡萄 糖 载体 1 火 类 红细胞 的 葡萄 糖 载体 是 大 家 最 熟知 的 被 动 转运 系统 之 一 ， 它 促进 葡萄 糖 顺 其 浓 度 梯 度 的 净 转 运 。D- 葡 葡 糖 进入 人 类 红细胞 的 速率 随 底 物 浓度 而 增加 , 但 在 最 后 接近 于 最 大 速率 时 ;转运 系统 即 被 饱和 。 然而 ;葡萄糖 进 人 某 些 其 它 种 类 的 疹 椎 动物 (如 母 牛 ) 的 红细胞 的 速率 , 则 不 表现 饱和 效应 ;显然 在 后 面 这 一 种 动物 中 遗传 学 上 缺乏 类 似 的 葡萄 糖 载体 。 在 大 的 红细胞 内 葡萄 糖 载体 有 相当 广泛 的 底 物 专 一 性 ,能 够 转运 D- 简 葡 糖 以 外 的 WS BA, 包括 D- 甘 露 糖 `D- 半 乳糖 、D- 木 糖 、D- 阿 拉 伯 糖 和 D- 核 糖 以 及 非 天 然 和 不 能 被 代谢 的 衍生 物 如 2- 脱 氧 -D- 葡 萄 糖 和 3-O- 甲 基 -D- 葡 萄 糖 (图 28-7), 后 两 者 常用 做 试 验 底 物 。 而 可 比照 的 左旋 糖 是 不 被 转运 的 。 为 了 获得 最 大 的 活性 ， 所 转运 的 糖 必须 是 椅 式 构 形 的 吡 喃 糖 ， 即 在 赤道 位 置 上 带 有 羟基 。 已 经 假定 人 类 红细胞 的 葡萄 糖 载体 是 在 三 个 赤道 羟基 上 和 糖 结合 的 。 红细胞 的 糖 载体 对 每 一 种 糖 都 有 一 种 特有 的 亲和力 。 将 Kw 值 规定 为 得 出 半 最 大 转 * 681° O H H OH 4 H 1 OH 4H HO) ok HO 和 cc oa H H O 2 一 脱氧 -<“-D- 殴 萄 糖 OH 6 CH,OH . RRR On OH Z OCH, HA’ po Rey fOH Seb H OH OH 3-O- FAX -a-D-H PY > 二 图 28-7 被 转运 但 不 被 代谢 的 两 种 c-D- 图 28-8 人 类 红细胞 葡萄 糖 转 葡萄 糖 的 衍生 物 — BUM BAL yy 运 速度 的 底 物 浓度 , D- 葡 萄 糖 的 Kw 值 约 为 6.2 mM, D- 甘 露 糖 的 Kxw 值 约 为 18.5mMe A 血液 中 葡萄 糖 浓度 约 为 5.0mMe 半 最 大 活性 所 需要 的 ,D- 果 糖 浓度 (Kx > 2000mM) 是 如 此 之 高 ， 以 致 葡萄 糖 载体 在 生物 学 上 不 起 转运 果糖 的 作用 。 化 合 物 根 皮 素 和 三 羟 茉 乙 酮 (图 28-8 ) 是 红 缅 胞 中 葡萄 糖 转运 的 竞争 性 抑制 剂 。 人 红细胞 的 葡萄 糖 载体 确定 是 一 种 蛋白 质 ; 因为 它 可 以 被 某 些 能 与 氨基 酸 残 基 的 专 一 功能 基 团 起 反应 的 试剂 所 灭 活 。 载 体 的 活性 需要 一 个 一 基 ( 大 概 是 半 胱 氨 酸 残 基 的 ) 和 一 个 氨基 。, 此 外 ,葡萄 糖 转运 被 D-H 异 硫 氰 酸 不 可 逆 地 抑制 ， 后 者 是 结合 位 点 的 亲 和 性 标记 。 这 个 试剂 由 于 其 葡萄 糖 样 结构 结合 到 葡萄 糖 结合 位 点 上 ; :然后 其 具有 高 度 反 应 性 的 异 硫 氰 酸 基 与 葡萄 糖 结合 位 点 上 的 一 个 氨基 或 位 点 附近 的 一 个 氨基 共 价 地 起 反应 。 从 用 这 一 试剂 或 其 他 试剂 所 做 的 实验 已 推断 出 每 一 红细胞 含有 约 300,000 个 葡萄 糖 结合 位 点 ， 这 些 位 点 在 将 葡萄 糖 被 动 运 送 过 膜 的 过 程 中 起 作用 。 线粒体 的 AIP-ADP 载体 : 交换 扩散 线粒体 内 膜 中 有 几 种 被 动 交换 转运 或 交换 扩散 系统 ， 如 早已 描述 过 的 二 凌 酸 和 三 并 酸 载 体 。 线 粒 体 膜 ATP-ADP 载体 是 研究 得 最 多 的 一 个 例子 ,其 正常 功能 是 转运 一 分 子 ADP 进入 线粒体 基质 ,在 基质 中 发 生 氧 化 磷酸 化 作用 ， 交 换 一 分 手 忌 TP 从 基质 回 到 细胞 溶质 。ATP-ADP 载体 只 hee 8 eee wgeah is 4 转运 系统 称 为 反 搬 运 (Antiport) 系统 。 ATP-ADP 载体 对 ATP 和 ADP 以 及 对 dATP 和 dADP ZA Z— ea pa. AMP REAR hI KERR BAR. CEA MAH ADP AH ATP 表现 出 很 高 的 亲和力 。 许多 证 据 表明 它 有 两 个 底 物 结合 位 点 , 一 个 在 内 膜 的 内 面 而 另 一 个 在 内 膜 的 外 面 。 me 经 指出 的 那样 ATP-ADP RARER MAKERS wil. “这 个 载体 也 可 以 朝 任 一 方向 以 .C#-ADP 交换 未 标记 的 ADP 以 及 以 CY=ATP 交换 -ATP5 + i 动物 组 织 的 主动 转运 系统 动物 组 织 中 有 三 大 类 主动 转运 系统 : C1) 利用 代谢 能 量 将 Na+ 运 出 细胞 并 将 习 + 运 * 682 » 大 细胞 的 Nat 和 K+“ 泵 ",(2) 葡 萄 糖 和 其 他 糖 类 的 主动 转运 系统 ,和 (3 ) AE PRAY EDR BAR. 其 中 以 Nat 和 K+ 泵 显得 最 活跃 和 普遍 存在 ; 它 几 乎 存在 于 所 有 动物 的 细胞 膜 内 。 此 外 , 较 多 的 证 据 提 示 Nat 和 K* AQ XY al ad HAR PA ERR IS TED AADAYS 因此 我 们 将 详细 研究 Na* 和 ”的 主动 转运 ;特别 因为 已 经 从 生物 化 学 的 观点 非常 深入 的 研究 了 它 。 转运 Na+ 和 K+ 的 ATIP 酶 系统 大 多 数 动物 细胞 内 K+ 浓度 维持 相对 高 和 相对 恒定 于 120 至 160mM 之 间 ， 而 细胞 内 Nat 浓度 通常 低 得 多 , 少 于 10.mMs 由 于 哺乳 动物 的 细胞 外 液 含有 相当 高 浓度 的 Na+， 约 150mM, 和 非常 低 浓 度 的 K+， 通 常 少 于 4mM, 所 以 在 细胞 膜 两 侧 存在 着 实际 上 的 KY 和 Nat 的 梯度 3 高 浓度 细胞 内 K+ 的 恒定 是 通过 需 能 驱赶 Nat 出 细胞 而 代 之 以 K+ 来 维持 的 ;这 一 过 程 是 由 称 之 为 Na+K+-ATP 酶 的 主动 转运 系统 所 促进 的 。 有 几 种 过 程 对 动物 细胞 内 部 节约 措施 或 功能 来 讲 都 是 很 重要 的 。 这 些 过 程 都 需要 相 当 高 浓度 的 细胞 内 +。 一 个 是 由 核糖 核 蛋 白 体 生物 合成 蛋白 质 。 第 二 是 许多 酶 的 最 大 SEBS Kt, 例如 在 糖 酵 解 序列 中 丙酮 酸 激酶 的 最 大 活性 需要 Kt, 第 三 ,细胞 膜 两 侧 由 代谢 所 维持 的 Nat 和 K+ 的 梯度 参与 可 兴奋 组 织 膜 电位 的 维持 。 膜 电位 是 以 动作 电位 的 形式 传递 冲动 的 媒介 , 即 当 膜 在 受到 刺激 或 被 兴奋 时 ,通过 突然 增加 膜 对 Nat 和 K+ 的 通 透 性 引起 膜 电 位 的 瞬时 放电 或 消失 。 在 1957 年 一 个 重要 的 突破 将 撞 出 Na+ 和 积 鞋 K+ 的 分 子 基础 提供 给 生物 化 学 直接 研 Ro HAE, J. C. Skou 发 现 ATP 被 一 小 部 分 蟹 神 经 匀 浆 (现在 知道 含有 细胞 膜 碎片 ) 水 解 为 ADP. 和 磷酸 。 其 最 大 活性 需要 Kt 和 .Nat 两 者 以 及 _ Mg?#+ (ASR ATP HN 酶 促 反 应 都 需要 Mgx+)。 只 加 入 Nat 或 Kt 产 生 很 小 刺激 作用 。 这 个 发 现 是 不 平常 的 , A 为 大 多 数 需 K+ 酶 类 被 Nat 所 抑制 。 然 而 ,最 有 意义 的 是 以 后 的 观察 , 即 Nat A Kt 对 这 种 细胞 膜 制 备 的 ATP RTE CEDURE SE G 毒 毛 旋 花 子音 的 抑制 , 而 G 毒 毛 旋 花 子音 长 时 间 以 来 就 知道 可 抑制 完整 细胞 膜 的 Nat 和 了 + 转运 。G BREET (A 28-9) 是 三 组 称 芳 强 心 糖 蔡 的 有 关 化 合 物 中 的 一 员 , 强 心 糖苷 能 改变 心肌 的 兴奋 性 ;心肌 的 兴 性 取决 于 膜 两 市 Nat 和 Kt 的 平衡 。 Skou 假定 膜 碎片 的 这 种 受 Nat 和 Kt 刺激 的 | ATP 酶 活性 相当 于 神经 细胞 膜 的 Nat FO K+ AE, 他 进一步 假定 这 种 ATP 酶 的 最 大 活性 因此 也 就 是 对 ATP 水 解 的 最 大 速率 需要 的 膜 内 表面 的 Nat 和 膜 外 表面 的 K+s。 Mik, 发现 许多 不 同 动物 组 织 的 细胞 膜 碎片 都 含有 这 种 受 Nat 和 Kt+ 刺激 的 ATP 酶 活性 。 可 兴奋 的 细 胞 例如 脑 纪 神经 和 肌肉 以 及 电 鳗 的 电器 官 特 别 富 于 这 种 酶 8 Nat+ 转运 止 皮 组 织 例如 肾 的 皮质 ` 吐 液 腺 和 海鸥 的 盐 腺 ,此 酶 活性 也 是 很 大 的 。 细胞 膜 受 Nat 和 K+ 刺激 的 ATP 酶 以 一 种 有 向 量 的 或 方向 性 的 方式 转运 Nat 和 了 + R，Whittam -及 其 同事 对 红细胞 NatK+-ATP 酶 所 做 的 经 典 实验 令 人 信服 地 证 明了 这 一 扣 。 当 红细胞 在 控制 的 条 件 下 置 于 蒸馏 水 中 时 ,它们 肿 涨 起 来 而 其 膜 通 透 性 增加 5 结果 ， 它们 的 内 部 电解 质 以 及 血红 蛋白 和 细胞 质 的 其 它 蛋 白质 都 漏出 而 进入 周 围 低 渗 介 质 。 这 些 红细胞 的 制备 称 为 空 付 细 胞 。 红 细胞 的 空 琢 细胞 现在 可 以 载 负 “各 种 盐 类 5 例如, 当 将 SB NaCl 溶液 加 入 空 仙 细 胞 混 悬 液 中 ， 它 们 皱 缩 到 正常 大 小 而 其 膜 恢 复 到 通常 相对 不 通 透 的 状态 。 这 些 制 备 称 为 “重新 构成 ”或 “重新 封闭 ”的 红细胞 。 ;在 重新 封闭 过 程 中 ， *。 683。 ZS 5H Nel Tak BAY NaCl 浓度 相当 于 悬浮 介质 中 NaCl 的 浓度 。 另 一 方面 , mRESEN KCl 溶液 中 进行 重新 构成 时 ,它们 就 会 截留 KCl。 这 样 , 重新 构成 的 红细胞 内 可 以 载荷 着 不 同 浓度 的 KCl 或 NaCl, 或 各 种 其 它 盐 类 ,例如 LiCl。 此 外 ,如 果 将 ATP MA BAS RAW 胞 重新 构成 所 在 的 盐 介 质 中 ,这 种 红细胞 也 可 以 载荷 ATP. Whittam 制备 了 重新 构成 的 红细胞 ， 在 它们 里 面 含 有 ATP 和 各 种 浓度 的 NaCl 和 KCl。 然 后 ,他 检查 了 各 种 内 外 浓度 的 Nat Al Kt 对 细胞 内 ATP 的 酶 促 水 解 速率 和 对 Nat、 Kt 转运 的 效应 。 当 外 面 的 介质 含有 高 浓度 的 Not, 而 里 面 的 介质 含有 高 浓度 的 K+* 时 ， 这 种 情况 与 血 波 正常 完整 红细胞 中 存在 的 情况 相似 ， 则 细胞 内 ATP 的 水 解 速率 相当 低 。 相反 , 当 外 面 介 质 含 有 高 浓度 Kt 而 里 面 介 质 含 有 高 浓度 的 Na+ 时, 则 细胞 内 ATP 的 水 解 速率 高 。 如 果 外 面 和 里 面 的 介质 只 含 Nat (RAE Kt), ASMA ATP 的 水 解 很 少 5 第 二 个 重要 的 观察 正如 Skou 所 假定 的 , 在 细胞 内 ATP 水 解 时 ，Nat+ 和 Kt 都 朝 着 预 料 的 方向 越过 红细胞 膜 。 如 果 在 引起 ATP 最 大 水 解 的 情况 下 即 细胞 内 Nat REST 胞 外 K+ 浓 度 高 ， 则 当 细 胞 内 ATP 水 解 时 ，Nat+ 移出 细胞 而 K+ 移 人 细胞 。 此 外 ， 也 已 发 现 重新 构成 的 红细胞 的 空 驴 细胞 只 利用 细胞 内 的 ATP; 而 不 能 利用 细胞 外 的 ATP。 ATP + Natuue + (E) == Na 一 (E) 一 p+ADP Na 一 (E) 一 一 一 Na—[E]=P Kéuuite + H,O + Na—| E |

3Nak + 2K~ 十 ADP3 十 PP 十 了 + L. E. Hokin 和 R. L. Post 实验 室 中 在 细胞 膜 小 泡 或 “ 深 解 了 的 ”Na+K+-ATP 酶 制备 土 所 进行 的 实验 已 经 证 明 , 通 过 将 ATP LAP 标记 的 末端 磷酸 基 转 移 到 ATP BRO FE 形成 一 个 暂时 性 的 磷酸 酶 中 间 物 。? 好 转移 到 酶 上 需要 Mg 和 Nat 的 存在 ， 但 必须 没有 Kt, 因此 ;, 当 将 Kt 加 入 #P 标记 的 ATP 酶 制备 时 ， 同 位 素 被 排出 而 以 无 机 磷酸 的 形式 出 现 。 从 这 些 和 其 他 的 一 些 发 现 已 假定 出 一 个 由 Na+K+-ATP 酶 促进 的 转运 反应 的 两 步 机 。684。 filo (AY 28-10) 磷酸 - 酶 中 间 物 的 性 质 和 已 知 的 酰基 础 酸 ( 像 3- 磷 酸 甘油 酰 磷酸 ) APE DL CE 促 降 解 用 2? 标记 的 酶 时 Pose 及 其 同事 发 现 酶 的 一 个 天 冬 氨 酰 侧 链 在 其 游离 的 p- 羧 基 上 磷酸 化 。( 图 28-11) 特别 有 趣 的 是 Na*K*-ATP 酶 的 总 体 活性 是 可 逆 的 。I. M. Glynn 证 明 当红 细胞 的 空 骸 细 胞 载荷 着 ADP 和 磷酸 而 不 是 ATP 时 ,而 且 膜 内 为 高 浓度 Kt, 膜 外 为 高 浓度 Nat, 则 K+ 流出 细胞 而 Nat 流 人 细胞, 并 由 ADP 和 磷酸 生成 ATP。 yx RO 因此 红细胞 膜 两 侧 的 Na+- 和 Kt+ 的 电化 学 梯度 可 以 促进 ATP = \ NV Cy _/ SI 的 合成 ， 正 如 线粒体 膜 或 叶绿体 膜 两 侧 Ht+ 的 电化 学 梯度 促 rw; CH, dt ATP 的 合成 一 样 。 | 各 种 组 织 的 Na*K*-ATP 8, SSIES MR, i eh 的 NatK+-ATP 酶 ， 已 可 用 去 垢 剂 增 溶 并 可 提纯 一 百倍 以 上 。 NatK*-ATP 酶 的 分 子 量 约 250,000 38 300,000, 含有 两 "Taree 种 未 同类 型 的 亚 基 , 较 大 的 亚 基 分 子 量 约 100;,000 至 130,000， ‘al 图 28-11 Nat+K+-ATP 酶 活性 较 小 的 亚 基 约 50,000。 大 的 亚 基 是 当 ATP 水 解 时 分 子 中 被 磷 “部 位 上 的 磷酸 天 冬 氮 酰 残 基 。 由 酸 慈 的 那 志 部 分 "由 于 它 有 与 Na+\KA\ ATP 和 GHEE ATP 供给 的 磷酸 基 在 下 端 子 昔 相 结合 的 位 点 ,大 的 亚 基 似 乎 延伸 至 细胞 膜 的 整个 厚度 ,其 与 Kr 和 G 毒 毛 旋 花 子 昔 自信 的 位 点 在 谍 的 外 表面 ,而 与 Naf 和 ATP 结合 的 位 点 在 膜 的 内 表面 。NarK+ATP Bij 的 较 小 亚 基 是 一 种 糖 蛋白 ,含有 咋 液 酸 以 及 葡萄 糖 , 半 乳 糖 和 其 它 已 糖 残 基 。 在 某 些 组 织 Hh, ATP 酶 含有 两 个 大 亚 基 和 一 个 小 亚 基 。 似 乎 NatKt-ATP 酶 也 需要 或 含有 某 些 脂 类 。 某 些 细胞 中 的 NarK+-ATP 酶 利用 细胞 呼吸 能 的 大 部 分 。 例 如 ,发 现 G 毒 毛 旋 花 子 埋 抑制 肾 细 胞 或 脑 细 胞 的 呼吸 约 70 锡 。 因 为 细胞 只 在 一 旦 需要 使 需 能 功能 中 用 去 了 的 ATP 再 生 时 才 消耗 氧 ,因此 可 得 出 结论 , 肾 胜 和 脑 细胞 为 了 泵 Nar 和 K+ 的 目的 而 用 去 ATP 产 BAe) 70%, #kiMHSRASEB HEHE 葡萄 糖 逆 浓 度 梯度 转运 过 小 肠 的 上 皮 细 胞 层 是 糖 类 由 肠 道 吸收 人 血液 的 过 程 的 一 部 分 。 和 葡萄糖 也 是 逆 浓 度 梯度 通过 肾 小 管 上 皮 细 胞 层 从 小 球 滤液 转运 人 血液 的 ;- 因此 葡萄 糖 在 正常 情况 下 不 在 尿 中 排泄 而 是 被 补救 并 保留 于 血 流 中 。 虽 然 对 肠 和 肾 的 葡萄 糖 转运 系统 的 底 物 专 一 性 做 过 一 些 研究 ,但 对 葡萄 糖 转运 的 分 子 机 制 所 知 甚 少 。 然 而 ,一 个 有 意 义 的 发 现 是 葡萄 糖 的 转运 似乎 与 Na+ 的 转运 相 偶 联 ; 当 Nat 进入 细胞 的 向 内 梯度 大 时 ， 向 内 转运 葡萄 糖 也 最 适宜 。 人 们 已 经 侵 设 了 一 个 葡萄 糖 转运 与 Nat 运动 的 关系 的 有 趣 模 型 (图 28-12)。 这 个 模型 提出 葡萄 糖 通过 与 一 种 专 一 的 载体 分 子 结合 而 进入 细胞 ， 这 个 载体 分 子 大 概 在 其 第 二 位 点 也 能 同 Nat 结合 。 因 此 这 个 载体 分 子 可 以 促进 Nat 和 葡萄 糖 同时 而 强制 的 运 入 细 胞 ;这 一 过 程 称 为 共同 转运 或 共 托运。 如果 细 胞 外 Nar 浓度 比 细胞 内 浓度 高 得 多 ,此 载 休 结合 的 Nat 便 倾 向 于 顺 着 Nat 梯度 而 向 内 移动 。 由 于 这 个 载体 也 必须 和 葡萄 糖 结合 才 能 起 作用 。Nat 顺 梯 度 向 内 转运 便 可 “ 拖 着 "葡萄糖 进 和 细胞。 为 此 只 要 NarK+-ATP i 所 产生 的 Nat 的 向 内 梯度 超过 葡 葡 糖 的 向 外 梯度 ， 葡 葡 糖 便 可 以 逆 葡萄 糖 梯度 而 被 荤 积 * 685» on ea BS ATP —> Kt ADP+P; NatK+-ATP 酶 消耗 ATP 时 将 Nat 3 iti Hel, Be 这 样 生 成 的 向 内 的 Nat 梯度 借 被 动 载体 ( 它 有 两 个 立 一 个 向 内 的 Nat 梯度 结合 位 点 ;一 个 与 Nat, BS A) HOM 糖 进 入 细胞 。 图 28-12， 葡 葡 糖 转运 与 Nat 梯度 偶 联 的 假定 机 制 起 来 。 转 运 葡萄 糖 进 入 细胞 所 需要 的 能 量 是 由 NatKt-ATP 本 所 产生 的 Nat ATED PS BE 度 来 供给 的 。 大 量 证 据 支 持 肠 内 葡萄 糖 转 运 的 这 个 模型 。 氨基 酸 的 主动 转运 表现 出 与 葡萄 糖 的 主动 转运 有 许多 类 似 之 处 。 在 肠 上 皮 内 氨基 本 转运 是 特别 显著 的 ， 它 起 着 在 肠 内 吸收 氨基 酸 人 血 流 的 作用 。 氨基 酸 转 运 也 发 生 在 肾 小 管 ， 在 此 它 起 着 从 小 管 尿 补救 氨基 酸 并 将 之 保留 在 血 流 中 。 根 据 各 种 氨基 酸 转运 的 动力 学 和 根据 各 种 氮 基 酸 之 间 对 转运 的 竞争 的 一 些 研究 ,已 推断 出 有 五 种 或 五 种 以 土 不 同 的 氮 基 酸 转 运 系统 ,其 中 每 一 种 可 以 转运 一 组 密切 相关 的 氨基 酸 。 已 经 发 现 一 些 对 以 下 各 类 氨基 酸 有 专 一 性 的 转运 系统 : 〈1) 小 分 子 中 性 氨基 酸 光 2) 大 分 子 中 性 氨基 酸 兴 37 碱 性 氮 基 酸 ;4) 酸 性 氨基 酸 ， 以 及 (5) 亚 氨基 酸 且 氨 酸 。 这 些 转运 系统 的 每 一 种 ,都 具有 一 个 最 适 pH MMA RMS Ke 值 为 特征 。 它 们 可 以 被 某 些 氨基 酸 类 似 物 竞争 性 地 抑制 和 葡萄 糖 转运 一 样 , 在 某 些 种 类 的 细胞 向 内 转运 氨基 酸 需 要 细胞 外 Na+e 细 胞 外 Nat 浓度 愈 高 ,所 基 酸 转运 系统 转运 氨基 酸 人 细胞 的 能 力 就 愈 大 。 这 些 观察 引导 出 一 个 假说 ， 即 如 上 面 在 葡萄 糖 转运 中 所 描述 的 ， 顺 Nat 梯度 进 类 细胞 所 固有 的 能 量 是 氨基 酸 逆 梯 度 向 内 转运 的 直接 推动 力 。 氨基 酸 转运 的 y- 谷 氨 酰 循环 A. Meister 及 其 同事 对 转运 氨基 酸 人 某 些 动物 组 织 细胞 的 机 制 提出 了 一 个 有 趣 而 新 颖 的 假说 一 一 7- 谷 氨 酰 循环 。 这 是 一 个 基 团 易 位 作用 的 例子 ,其 中 被 转运 的 底 物 以 各 种 化 学 形式 出 现 于 细胞 内 。>- 谷 氨 酰 循环 涉及 一 个 六 个 酶 的 系列 ,其 中 的 一 个 是 结合 在 膜 上 的 ; 其 余 的 均 存在 于 细胞 溶质 中 。 这 个 循环 中 也 包括 三 肽 谷 肝 甘 肽 (>- 谷 氨 酰 半 胱 氨 酰 甘 氨 酸 ), 它 在 所 有 动物 组 织 中 存在 的 浓度 都 很 高 (5mM), 但 其 主要 生物 学 功能 还 是 一 个 多 年 来 未 解决 的 问题 。 — 在 此 循环 运转 中 〈 图 28-13) 结合 在 膜 上 的 >- 谷 氨 酰 转移 酶 起 着 关键 的 作用 。 它 催 化 下 列 反应 ,引起 谷 胱 甘 肽 的 谷 氨 酰 残 基 转移 到 进来 的 氨基 酸 上 去 。 氨基 酸 十 7- 谷 氢 栈 六 胱 氨 酰 甘氨酸 一 7- 谷 氮 酰 氮 基 酸 + 半 胱 氮 酰 甘氨酸 * 686 « LMR K RAMTEC GC 7- 谷 氮 酰 肽 类 也 能 起 r-A Re EY 用 ;加 之 ， 除 且 氨 酸 外 所 有 常见 毛 基 酸 都 能 接受 *- 谷 氮 酰 基 。 参 与 这 一 反应 的 游离 氨基 酸 来 自 细胞 外 ,而 谷 胱 甘 肽 则 来 自 细 胞 内 。 继 此 反应 之 后 ,Y- 谷 氮 酰 氮 基 酸 像 半 胱 氮 酰 甘 氨 酸 一 样 释 放 人 细胞 溶质 内 。 在 下 一 步 中 r-SAMARME—T AA a 7= 谷 氨 酰 环 化 转移 酶 所 催化 的 反应 中 分 裂 生成 游离 所 基 酸 和 5-74 fii AR: 7- 谷 氮 酰 氨基 酸 一 > 氮 基 酸 + 5-H 然后 ,假定 半 胱 所 酰 甘 氨 酸 通过 肽 酶 的 作用 发 生 水 解 ; pt RM HAR + H2O — “AAR 十 甘氨酸 因此 ,在 消耗 谷 胱 甘 肽 肽 键 水 解 的 能 量 下 ,一 分 子 的 氨基 酸 被 转运 人 细胞 s : 如 果 这 个 过 程 继 续 下 去 ,所 需要 的 谷 胱 甘 肽 必须 从 游离 的 半 胱 氨 酸 游离 的 甘氨酸 和 5- 羟 且 氨 酸 再 生成 。 谷 胱 甘 肽 的 形成 是 通过 过 个 包含 三 个 反应 的 反应 序列 来 完成 的 。 这 不 反应 序列 是 由 K. Bloch 首先 发 现 的 。 首先 5- 产 有 睛 氨 酸 通过 5- 羟 月 氮 酸 酶 的 作用 转变 为 L- 谷 氮 酸 : 5-34 ii + ATP + 2H,O —> L-G AM + ADP + Pi 在 下 一 步骤 中 , 如 此 形成 的 L-CABE >- 谷 氮 酰 半 胱 氮 酸 合成 酶 的 作用 与 LRA 酸 起 反应 : L-GAB + L- 半 胱 氨 酸 + ATP 一 > 7- 谷 氮 酰 半 胱 氨 酸 + ADP 十 Pi 在 最 后 一 步 中 , 通过 谷 胱 甘 肽 合成 酶 的 作用 ， 甘 氨 酸 结合 到 Y- 谷 氮 酰 半 胱 氨 酸 上 而 生成 SEH HK: 7-S ARYL RAR + 甘氨酸 + ATP — SPEAK + ADP + Pi 如 此 形成 的 谷 胱 甘 肽 即时 准备 参与 另 一 圈 循 环 。 因 此 ， 通 过 这 一 机 制 将 每 一 分 子 氨基 酸 带 人 细胞 要 用 去 三 个 ATP 的 末端 磷酸 键 。 腊 + perry \ ‘1B MS ES oh DLR RAT Mey +P, Rate RL 7- 谷 氨 酰 转移 本 dead ATP 7- 谷 氨 酰 人 sdhial Moone ADP + P; 图 28-13 y-GeRmME,—+RENKEALRNEAAWM fl, 这 个 循环 的 所 有 酶 类 均 以 高 浓度 存在 于 氨基 酸 转 运 活跃 的 许多 组 织 中 。 某 些 大 概 在 5=- 产 膊 氧 酸 酶 方面 有 遗传 性 缺陷 的 人 , 则 在 尿 中 排出 5- 产 有 睛 氨 酸 。 这 种 病人 在 氨基 酸 转 "0087 运 和 代谢 方面 表现 失常 。 有 趣 的 是 氨基 酸 转 运 需要 Nat, 7- 谷 氮 酰 转移 酶 达到 最 适 活性 ths eC Ko 动物 细胞 中 Cat 的 细胞 内 转运 细胞 内 主动 转运 过 程 的 一 个 重 要 例子 是 Ca* 依赖 于 ATP' 从 肌 浆 转运 人 肌 桨 网 去 这 一 过 程 与 肌肉 松弛 有 关 。 它 是 通过 存在 于 肌 浆 网 膜 内 的 cat 转运 ATP 酶 系统 的 作用 而 REM W. Hassclbach 以 及 其 他 研究 者 用 从 骨骼 肌 微 粒 体 部 分 获得 的 重新 封闭 的 膜 质 小 泡 深 入 地 研究 了 这 个 系统 。 这 种 小 泡 消耗 由 ATP 水 解 为 &ADP 和 磷酸 所 产生 的 能 量 向 内 转运 Ca+' Ca*-ATP BB ABER Ca? 有 极 高 的 亲和力 ,能 够 逆 很 高 的 梯度 转运 Ca te 水 解 一 个 和 ATP 分 子 可 转运 两 个 Ca# 进入 小 泡 。 动物 细胞 的 线粒体 也 进行 主动 的 细胞 内 Ca 六 转运 。 线 粒 体能 逆 很 哇 的 梯度 帝 积 Ca*¥ 并 有 高 的 亲和力 ,能 量 由 电 卫 传递 供给 。 人 们 认为 在 线粒体 的 依赖 能 量 的 摄取 ;Ca 与 不 依赖 能 量 的 释放 Cat 之 间 的 平衡 对 调节 细胞 溶质 中 正常 的 非常 低 浓 度 的 Cat (490.1 至 1.0 pM) 是 一 个 重要 的 因子 。 AIBA Ca 浓度 在 调节 许多 细胞 活动 上 是 一 个 重要 因 素 。 细 著 内 的 主动 转运 系统 在 细 苗 内 主动 转运 系统 的 研究 方面 已 有 很 大 的 进展 .细菌 的 转运 系统 效力 非常 高， 这 和 细菌 的 代谢 率 很 高 人 与 真 核 细 胞 相 比 ) 是 一 致 的 5 细菌 还 有 容易 对 其 进行 转运 系统 的 遗 传 学 分 析 的 好 处 。 此 外 ,已 设计 了 简单 的 方法 以 从 细菌 获得 膜 小 泡 。 在 分 离 细菌 的 基 团 易 位 系统 以 及 糖 和 氨基酸 的 主动 转运 系统 的 专 一 性 蛋白 质 成 分 方面 有 显著 的 进展 。 © 从 细菌 分 离 转运 蛋白 质 方面 取得 的 第 一 个 重要 成 就 是 由 C. F. Fox 和 E. P. Kennedy 从 适应 于 转运 p- 半 乳糖 车 的 大 肠 杆菌 细胞 膜 提 取出 “M- 和 蛋白质”。 他 们 证 明 此 蛋白 质 ( 虽 然 是 以 ao Lee 含有 识别 BEAL HE 与 之 结合 的 位 点 。 另 一 重要 的 进展 是 与 中 贸 的 外 周 胞 质 结合 蛋白 质 的 发 现 一 并 得 来 的 。 细 菌 细 了 胞 的 外 周 胞 质 间 隙 中 有 特性 地 含有 一 个 或 多 个 能 够 和 某 些 专 一 性 氨基 酸 或 糖 结合 的 专 一 性 蛋白 质 。 外 周 胞 质 间 隙 是 正好 围绕 在 细胞 膜 外 面 而 在 细胞 壁 里 面 的 那个 间隙 。 置 于 低 盗 介质 中 的 某 些 细菌 的 疹 透 性 休克 引起 外 周 胞 质 蛋白 质 的 释放 & 众 释 放 的 物质 分 离 出 大 量 能 和 某 些 氨基 酸 、 糖 和 无 机 离子 结 从 的 专 一 性 蛋白 质 。 第 一 企 研究 了 的 外 周 胞 质 结合 蛋白 质 一 一 硫酸 结合 蛋白 质 ， 已 由 A. B. Pardee 及 其 同事 高 度 提 纯 并 结晶 出 来 。 其 分 子 量 为 32,000。 每 分 子 含 有 一 个 与 硫酸 盐 结合 的 位 点 。 已 经 分 离 出 与 大 多 数 普通 的 氨基 酸 以 及 与 葡萄 糖 , 半 乳糖 、 阿 拉 伯 糖 、 核 六 和 其 它 糖 类 相 结 合 的 专 一 性 外 周 胞 质 结 合 蛋 百 质 ; 这 种 蛋白 质 的 分 子 量 为 22,000 至 42,000， 易 溶 于 液体 系统 中 。 其 中 的 某 些 蛋白 质 在 与 它们 的 专 一 的 配 基 相 结合 时 改变 构象 。 KE Wir RS BRAS EA RE SED, 从 缅 菌 细胞 释放 结合 蛋白 质 通常 伴 有 转运 活性 降低 。 结合 蛋白 质 的 底 物 专 一 性 通常 与 完整 细胞 转运 过 程 的 底 物 专 一 性 相同 。 此 外 ， 对 某 底 物 是 转运 阴性 的 某 些 突变 种 含有 对 该 底 物 结合 有 缺陷 的 结合 蛋 * 688.¢ Alo 2B) Ana AE ARERAA RSA RAR, SAME SAE DIR BI Eo ANB WEE at EY SS Rs ad ak ee es 并 通过 Ai ey = defn SE Be, SO 请 市 针尖 种 普通 关外 的 由 转运 系 六 有 有 时 对 同志 且 种 有 了 两 种 转运 系统 存在 /二 种 促 进 糖 的 基 团 易 位 过 膜 ， 致使 糖 以 一 种 不 同 的 化 学 形式 进 估 细胞质 ;而 另 二 种 则 促进 糖 主动 转运 人 细胞 ， 糖分 子 显然 没有 经 过 第 学 修饰 。 宁 ， 在 二 系列 重要 的 研究 中 ，8S. Roseman 和 W. Kundig 对 运送 精 大 某 些 细菌 的 过 程 进行 了 生物 化 学 的 和 遗传 学 的 人 芬 析 吕 这 一 转运 过 程 是 经 由 一 种 称 之 为 碘 琶 转移 酶 系 绕 《PTS) 的 基 团 易 位 系统 来 进行 的 。 对 这 个 系统 的 研究 大 部 分 是 在 大 ey 肠 杆菌 、 鼠 伤寒 杆 库 和 人 金黄 色 葡萄 球菌 上 进行 的 在 许多 兼 性 © 顷 菌 和光 从 细菌 发 现 了 这 种 系统 ， 但 看 来 在 严格 的 需 气 菌 中 1 、 /NSUzS、y 少 多 肽 能 元 此 系统 》 其 性 质 随 物种 不 同 而 有 些 变化 PTS 的 所 有 基本 fe ROCA SHBS 磷酸 转移 酶 系统 包含 3 种 重 白质 或 蛋白 “He i KSSH. HOM 1 EP Eee Tah, °K Nk o- SAR, Pw. MM REF aRIORN Np 0 - +, VTA WE. 和 A cH ~ oO 下 经 磷酸 转移 酶 系统 发 生 的 反应 可 概括 为 两 个 方程 式 。 B 图 28-14 (aapp = 1 waseea =, Alaa A it HPr se irc Hae = | 氨 酰 残 基 oa I leg rr MMR SEER Hs + 磷酸 -HPr Mg+ 此 反应 在 两 个 方面 是 异乎 寻常 的 s- CH) 它 利用 磅 酸 燃 醇 丙酮 酸 为 磅 酸 的 直接 供 体 ， 而 大 多 数 生物 的 磷酸 化 在 用 则 需要 ATP 或 某 些 其 他 三 磷酸 核 苷 作为 磷酸 供 体 。(2) HPr 蛋白 质 分 子 在 其 两 个 组 氧 本 下 基 之 一 的 时 只 环 所 原子 1 工 磷 酸化 (图 28-14)。HPr 已 高 度 提纯 ， 并 且 其 分 子 量 只 有 9,400。 在 膜 内 进行 的 第 二 个 酶 促 反 应 中 ， 磷 酸化 的 HPr 把 它 的 磷酸 基 供 给 正在 被 转运 的 糖 。 此 反应 由 结合 在 膜 上 的 酶 I 所 催化 。 如 果 被 转运 的 糖 为 葡萄糖, 则 反应 的 产物 为 葡萄 糖 6- 磷 酸 。 RGR + 葡萄 糖 > HPr 十 葡萄 精 6- 磷 酸 “在 革 兰 氏 阴性 细菌 ， 例 如 大 肠 杆 菌 中 , Me I 是 称 为 IA AUB 的 两 种 蛋白 质 或 两 个 亚 基 的 复合 物 。 B25 Seemnaminaee LUA 具有 对 糖 的 特异 性 ; 已 分 离 出 几 种 不 过 细菌 膜 并 著 积 葡萄 糖 5- 丙酮 酸 。; (PEP=;， ， 同 的 IIA 和 蛋白质, 每 一 种 蛋白 质 对 某 一 种 糖 例如 SPARE) 葡萄 糖 .果糖 或 甘露 糖 有 专 二 性 1 看 来, 蛋白质 IIB 参与 催化 磷酸 从 磷酸 化 的 HPr 转移 到 与 IIA 结合 的 糖 上 。, BAR UB 分 子 量 为 36.000， * 689 » 约 构成 细菌 膜 蛋白 质 的 10%. = AERA & AIA §—— D- i 4s 0 SY. dD 半 乳 糖 和 各 种 半 乳 糖 若 、D- 果 糖 , 成 糖 \ 戊 五 醇和 己 糖 醇 一 一 在 磷酸 转移 酶 系统 中 可 以 作 为 磷酸 基 的 受 体 。 图 28-15 表示 由 磷酸 转移 酶 系统 所 进行 的 假定 的 糖 转运 机 制 5 许多 遗传 学 证 据 支 持 这 个 假说 ,缺乏 酶 I 或 HPr 的 细菌 突变 种 不 能 蕾 积 任何 可 转运 的 糖 。 另 一 方面 ,只 缺乏 酶 IIA 的 一 种 的 突变 种 则 只 是 对 转运 某 种 特殊 的 糖 有 缺 隐 s 已 从 纯净 的 成 分 重新 构成 了 磷酸 转移 酶 系统 。 以 这 种 方式 从 细菌 细胞 分 离 的 膜 质 小 泡 缺 乏 HPr ARI, 不 能 以 它们 的 磷酸 化 物 的 形式 来 蕾 积 糖 。 然 后 , 当 将 纯净 的 HPr A I 加 入 小 泡 时 ;它们 与 小 泡 结合 ,于 是 小 泡 获得 蕾 积 磷 酸 糖 的 能 力 。 大 肠 杆 菌 不 仅 含 有 糖 的 基 团 易 位 PTS 系统 ， 而 且 我 们 现在 即将 知道 ， 它 还 售 有 一 本 和 呼吸 偶 联 的 主动 转运 糖 的 系统 ,在 此 系统 中 显然 不 涉及 糖 的 磷酸 化 作用 。 细菌 中 与 电子 传递 偶 联 的 糖 和 氨基酸 的 转运 H.R. Kaback 及 其 同事 在 分 析 葡 萄 糖 的 需 能 主动 转运 以 及 其 它 糖 类 进 大 细菌 和 电子 从 底 物 到 氧 的 能 量 产生 转运 之 间 的 偶 联 方面 获得 了 巨大 的 进展 他 们 发 现 了 一 种 方法 ,可 以 从 大 肠 杆 菌 细胞 获得 膜 质 小 泡 而 几乎 不 混 有 细胞 质 和 细胞 壁 的 成 分 。 这 些 水 泡 都 是 些 空 的 小 囊 ， 直 径 0.5 一 1.5pM, 且 正 面向 外 s :它们 似乎 保留 了 主要 的 主动 转运 系统 的 全 部 活性 ,并 且 也 含有 呼吸 链 的 脱 氢 酶 类 和 电子 载体 ,所 有 这 些 都 是 结合 在 膜 结构 士 的 s 倘若 小 泡 氧 化 某 些 底 物 例如 D- 乳 糖 、,p- 产 丁 酸 或 琥珀 酸 以 供给 所 必须 的 能 量 的 话 则 这 种 细菌 膜 质 小 泡 促 进 许多 不 同 的 糖 类 包括 乳糖 和 其 它 POEL a BL, 阿拉伯 糖 和 葡 糖 醋酸 的 主动 转运 。 在 这 种 呼吸 小 移 中 所 达到 的 糖 浓 度 可 超过 外 面 介质 中 糖 浓度 的 一 百倍 。 鞋 积 的 糖 以 游离 形式 存在 ， 而 不 在 运 和 人 膜 质 小 泡 的 过 程 中 或 在 运 大 小 泡 之 后 磷酸 化 。 因 此 ,这 种 依赖 于 呼吸 的 糖 转 运 与 磷酸 转移 酶 系统 所 促进 的 基 团 易 位 作用 不 同 。 eb eee oe r NG eee ESE mC il | D-5Lae ox | Nuk Be ie ae cou 氧化 的 载体 (高 亲和力 ) 还 原 的 载体 | WOR ee SOS be VS CMA) EDDC | 图 28-16 “主动 转运 外 面 的 底 物 和 电子 转移 的 偶 联 。 细菌 的 呼吸 链 在 膜 内 。 假定 电子 载体 之 一 是 经 由 它 的 一 SH 和 一 S 一 S 一 基 团 转移 电子 ,并 利用 电子 转移 的 能 量 带 着 底 物 过 膜 ， 转 移 系 统 在 其 外 表面 有 高 ， 的 亲和力 而 在 其 内 表面 亲和力 低 得 多 ;假定 两 种 形式 的 相互 转化 与 逆 浓 度 梯 度 的 转运 有 关 。 因为 诗 霉 素 ,一 种 氧化 磷酸 化 作用 的 抑制 物 ， 不 能 阻止 与 D- 乳 酸 氧 化 相 偶 联 的 糖 转 ° 690 。 by PS {a es 运 ,电子 传递 的 能 量 和 糖 转运 机 制 相 偶 联 显然 不 需要 ATP 的 中 间 形 成 。 这 个 结论 被 下 述 发 现 所 支持 , 即 从 能 够 进行 电子 传递 但 不 能 进行 ADP 的 磷酸 化 作用 的 某 些 突变 种 得 来 的 膜 质 小 泡 仍然 能 够 转运 糖 类 。 从 细菌 得 来 的 膜 质 小 泡 能 够 以 一 种 非常 相似 的 方式 蕾 积 大 多 数 的 普通 氨基 酸 ,这 种 荤 积 氨基 酸 的 方式 是 与 从 D- 乳 酸 或 某 些 其 他 底 物 经 电子 传递 链 将 电子 传递 给 氧 的 过 程 相 偶 联 的 。 现在 关键 的 问题 涉及 到 利用 电子 传递 的 能 量 以 驱使 糖 和 氨基 酸 逆 (在 某 些 情况 下 ) 相 当 陡 的 浓度 梯度 主动 运 人 小 泡 的 机 制 。 这 儿 发 展 出 两 种 学 派 的 看 法 。 一 个 受到 Kaback 有 力 支 持 的 假说 是 ; 在 细菌 膜 呼吸 链 中 的 一 个 或 多 个 电子 载 体 不 仅 起 着 转运 电子 的 作用 而 且 起 着 将 糖 和 氨基 酸 转运 过 膜 的 作用 (图 28-16)。 Kaback 假定 此 链 中 专 一 性 电子 载体 之 一 是 以 二 硫化 物 (氧化 的 ) 形 式 和 三 综 基 (还 原 的 ) 形 式 存在 * 这 两 种 形式 也 都 可 以 和 被 顶 运 的 物质 结合 。 人们 认为 这 种 电子 载体 的 二 硫化 物 形式 或 氧化 型 只 是 在 膜 的 外 表面 上 能 够 与 被 转运 底 物 结合 的 具有 高 亲和力 的 形式 。 而 认为 这 种 电子 载体 的 二 统 基 形式 或 还 原型 则 以 低 得 多 的 亲和力 在 膜 的 内 表面 上 被 转运 的 底 物 结 合 。 因 此 载体 的 氧化 型 的 高 亲和力 从 外 面 的 介质 获取 底 物 分 子 , 而 当 载 体 分 子 被 来 自 电子 供 体 D- 乳酸 的 电子 还 原 时 ， 它 便 发 生 构象 变化 使 亲和力 大 大 降低 ， 从 而 在 小 泡 的 内 表面 印 下 被 转运 的 底 物 。 能 够 封闭 -S 孔 基 的 试剂 也 能 阻止 主动 转运 这 一 事实 提示 在 糖 和 氨基 酸 转 运 中 青 基 有 专 一 的 作 用 。 os Kaback 假说 提出 从 电子 供 体 每 传递 一 对 电子 到 氧 就 有 一 个 底 物 分 子 被 运 进 小 泡 。 然 而 ， 已 经 图 28-17 一 通过 Ht 和 半 屯 糖 昔 的 专 性 共同 指出 在 克 分 子 基 础 上 乳酸 氧化 的 速率 在 任何 地 方 ” ”转运 将 半 乳 糖苷 主动 运 人 细菌 细胞 。 细 胞 膜 都 比 糖 或 氨基 酸 转 运 的 速率 要 太 10 SLA. BO Eee ee eam P. Mitchell, F. M. Harold 及 其 他 研究 者 提出 经 由 与 Ht 和 半 乳 糖苷 两 者 结合 的 载体 , 半 乳 在 细菌 电子 传递 和 向 内 转运 糖 和 氨基 酸 之 间 的 能 CC (Steg 量 偶 联 机 制 的 另 三 别 的 假说 。 他 们 假定 细菌 的 糖 转运 是 通过 化 学 渗透 便 联 来 完成 的 ， 就 像 最 初 为 氧化 磷酸 化 和 光合 磷酸 化 所 作 的 假定 那样 。 化 学 渗透 假说 提出 电子 传递 在 膜 的 两 侧 产生 一 个 Ht 的 电化 学 梯度 ,这 个 电化 学 梯 度 是 由 外 侧 的 Ht 梯度 和 内 侧 的 负 膜 电位 所 组 成 的 。 这 个 梯度 称 为 质子 运动 梯度 ， 人 们 认为 它 是 ATP 形成 以 及 线粒体 和 叶绿体 的 其 它 需 能 功能 ,包括 离子 转运 的 直接 驱动 力 。 有 几 项 证 据 支持 化 学 渗透 假说 是 细菌 膜 质 小 泡 中 能 量 偶 联 的 主要 手段 。 已 经 证 明 在 这 种 小 泡 中 电子 传递 产生 膜 电位 并 引起 质子 的 逐 出 。 此 外 , ERE PLT AOR tk PALL 1:1 的 比例 载荷 着 H+ 和 半 乳 糖 昔 两 者 通过 膜 而 进入 细胞 (图 28-17)。 当 将 不 能 转运 电子 。 691。 — A NEE & Aric hE AL ERT) A, 然后 酸化 到 pH6.0 以 建立 一 个 向 内 的 At 梯度 时 , 则 半 乳 糖苷 和 H 一 起 被 运 人 小 泡 。 T. H. Wilson 及 其 同事 证 明 ATP 的 水 解 时 由 于 其 生成 Hr+ 梯度 的 能 力也 能 维持 半 乳 糖 车 的 转运 。 a + 载 ， 亲 已 经 分 离 并 鉴定 子 许多 能 够 引起 专 一 离子 通过 生物 膜 的 抗菌 素 类 物质 。 在 这 些 抗菌 素 类 物质 中 首先 发 现 有 这 个 特性 的 是 短 杆菌 肽 , CRS Kt, Nat 和 其 它 单价 阳离子 罕 过 线粒体 膜 、 红 细胞 膜 和 合成 的 磷脂 双 层 膜 的 转运 ,而 线 氨 霉 素 对 诱导 长 + 转运 穿 过 线粒体 膜 和 其 他 膜 有 高 度 的 专 一 性 5 这 些 抗菌 素 的 作用 机 制 已 经 由 B. C. Pressman, H. A. Lardy P. Mueler 和 许多 其 他 研究 者 进行 了 深入 的 研究 。 统 氮 霉 素 像 许多 其 它 离 子 载体 二 样 ; 是 一 种 环形 或 像 指 环 样 的 化 合 物 , 具有 朴 水 的 外 层 和 亲 水 的 内 层 , Kt 恰好 通过 配 价 键 装配 EAE, MASAI APE RNAS A-Kt 络 合 物 得 以 溶解 于 膜 结构 中 的 非 极 性 烃 层 中 ,从 而 得 以 通过 之 (图 28-18)。 因 此 ,这 些 抗 葡 素 总 称 芳 离子 载体 s 另 一 种 对 Kt 有 专 一 一 性 的 离子 载体 抗菌 素 为 尼日利亚 菌 素 ， 它 与 顷 氨 霉 素 不 同 而 有 一 个 负电 荷 ; 因 此 尼日利亚 菌 素 -K+ 络 合 物 实际 上 不 带 净 电 荷 。 尼 日 利 亚 菌 素 促 进 K+ 与 Ht 36, MAAS MR ext Kt 的 通过 。 某 些 其 它 的 离子 载体 ， 例 如 短 杆菌 肽 , 它 是 一 种 多 肽 ,是 一 些 长 条 形 的 分 子 ; 它们 环绕 单价 阳离子 形成 一 个 象 统 氮 霉 素 那样 的 环 状 结构 。 某 些 离子 载 体 对 载运 二 价 阳 离子 ,特别 是 Caz+, 很 活 跃 。 已 经 制备 出 合成 的 离子 载体 。 WABRK-Kt 络 合 物 的 结构 s。 A 一 工 -乳酸 ; B= L-4i a RC = D-#2HE HRM: D= D- GAM. ， FGA Kt 复 台 物 模 型 的 前 面 观 和 侧面 观 图 238-18” 两 个 K+ 离子 载体 络 合 物 的 模式 结构 4。 692 对 离子 载体 进行 了 深 人 的 研究 ， 由 于 它们 不 仅 对 线粒体 离子 转运 和 氧化 磷酸 化 有 特 殊 的 效应 而 且 是 实验 分 析 心 与 骨 的 离子 转运 功能 的 工具 。 离子 载体 能 使 阳离子 转运 穿 过 合成 的 磷脂 双 分 子 层 。 研 究 这 种 人 造 的 转运 系统 对 生 物 转 运 系统 所 涉及 的 基本 物理 原理 得 出 了 重要 的 信息 。 这 些 人 造 转运 系统 是 生物 转运 系 统 的 重要 模型 。 例 如 当 抗菌 素 丙 甲 菌 素 与 磷脂 双 分 子 层 结合 时 ,能 使 这 个 系统 在 有 K+ 和 Nat 梯度 存在 和 给 与 电 刺 激 时 模拟 动作 电位 。 确 实 ， 研 究 离子 载体 对 神经 纤维 Nat 通道 的 性 质 提 供 了 重要 的 线索 。 这 种 Nat 通道 是 Nat 被 动 转 运 系 统 ,在 动作 电位 通过 时 允许 Nat 在 瞬时 内 漏出 。 这 种 Nat 通道 数量 很 少 但 活性 很 大 ,对 神经 活动 是 非常 重要 的 ; 它 们 可 被 一 种 日 本 河豚 鱼 的 剧 毒 河豚 毒素 所 阻 请 。 摘 要 在 主动 转运 中 ,溶质 逆 浓 度 梯 度 运动 ,这 一 过 程 引起 自由 能 的 增加 。 在 被 动 转运 或 顺 袖 度 运动 中 ， 则 自由 能 减少 。 转 运 过 程 中 的 自由 能 变化 是 通过 膜 的 溶质 的 相对 旅 度 的 函 数 。 如 果 溶 质 带电 荷 , 则 由 于 这 个 梯度 是 物质 和 电荷 两 者 的 梯度 而 称 为 电化 学 梯度 。 细 胞 嫉 含 有 能 够 促进 生物 学 上 重要 溶质 通过 的 转运 系统 。 这 种 系统 有 底 物 专 一 性 ,显示 与 底 物 的 饱和 性 ,可 以 被 竞争 性 地 或 非 竞争 性 地 抑制 ,以 及 可 由 遗传 所 决定 。 底 物 与 膜 内 一 种 专 一 性 载体 蛋白 形成 一 种 复合 物 ,与 酶 - 底 物 复合 物 相 似 。 人 红细胞 的 葡萄 糖 载体 是 被 动 载 体 的 一 个 例子 ; 它 可 被 根 皮 素 和 葡萄 糖 的 其 它 类 似 物 竞争 地 抑制 。 动 物 组 织 中 的 其 它 膜 转运 系统 促进 交换 扩散 , 即 溶 质 分 子 通过 膜 进行 等 克 分 子 交 换 ， 如 线粒体 膜 的 ADP-ATP 载体 。 原生 质 膜 的 Na+K+-ATP 酶 是 高 等 动物 中 分 布 最 广 的 主动 转运 了 系 细 ， 它 从 细胞 逐 出 Nat 而 让 K+ 进 和 人 细胞。 细胞 内 高 浓度 K+ 是 核糖 核 蛋 白 体 功能 、 糖 酵 解 、 神 经 作用 以 及 其 它 许 多 功能 所 需要 的 。 NatKt-ATP 酶 作用 于 细胞 内 MgATP; 此 酶 被 细胞 内 Nat 和 细 胞 外 K+ 所 刺激 。 每 分 子 ATP 水 解 为 ADP 和 磷酸 时 则 逐 出 3 个 Nat BR 2 个 K+ 转 运 反应 分 两 步 进 行 。 第 一 步 需要 Nat; 它 导致 酶 被 ATP 磷酸 化 并 与 细胞 内 Nat 结合 。 第 二 步 由 K+ 所 刺激 , 在 此 步 中 磷酸 化 了 的 酶 (含有 一 个 门 冬 氨 酰 磷酸 残 基 ) 被 水 解 将 Nat 释放 出 细胞 外 。Nat+K+-ATP 酶 含有 两 个 大 的 和 可 能 一 个 小 的 亚 基 。 葡萄 糖 和 氨基 酸 的 主动 转运 系统 常 需要 Not 的 向 内 梯度 作为 转运 氨基 酸 进 人 细胞 的 能 源 ,这 大 概 是 由 同一 个 载体 分 子 共同 转运 Nat 和 底 物 两 者 b 通过 -和 谷 氨 酰 循环 中 基 团 的 易 位 作用 , 毛 基 酸 也 可 能 被 载运 穿 过 某 些 动物 膜 。 在 细菌 的 外 周 胞 质 间 隙 中 含有 许多 结合 蛋白 质 ; 它 能 选择 性 地 和 各 种 糖 、 氨 基 酸 或 无 机 离子 相 结合 。 这 些 蛋 白质 在 转运 和 趋 化 学 性 中 起 作用 。 在 细菌 中 , 糖 由 两 种 系统 所 转 运 。 磷 酸 转移 酶 系统 通过 基 团 易 位 作用 转运 简单 的 糖 类 而 生成 细胞 内 的 糖 磷酸 。 此 系统 的 三 个 蛋白 质 成 分 已 被 分 离 出 来 : 酶 I、 具 有 糖 专 一 性 的 酶 I UREA 酸 转 移 磷酸 而 形成 的 一 种 高 能 磷酸 化 蛋白 质 HPrs 需 氧 获 含 有 转运 糖 和 氨基 酸 的 第 二 个 系统 。 它 依赖 电子 传递 到 局 所 产生 的 能 量 而 无 需 ATP 的 中 间作 用 。 这 是 一 种 真正 的 主动 转运 过 程 ; 底 物 被 转运 而 无 化 学 变化 。 离子 载体 即 可 以 和 某 些 阳离子 如 K+, Nat 和 Ca+ 结合 的 抗菌 素 , 其 中 央 氨 霉 素 、 短 * 693° 杆菌 肽 和 尼日利亚 菌 素 都 是 研究 转运 的 有 用 工具 并 可 用 作 生 物 转运 系统 的 重要 模型 。 a, a a 书籍 Christensen, H. 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A 29-2 中 展示 出 一 些 例 子 。 它们 仅 有 微量 产生 ， 例 如 从 履 宰 场 取 来 几 吨 下 丘脑 组 织 却 只 能 得 出 1 毫克 促 甲 状 腺 素 释放 因子 (TRF). 在 R. Guillemin, A. V. Schally 等 人 的 实验 室 中 对 某 些 释放 因子 和 抑制 因子 的 鉴定 和 合成 是 生化 内 分 刻 学 的 一 项 突出 的 进展 。 表 29_1 多 肽 激素 的 某 些 特点 分 子 量 近似 值 残 基数 近似 值 氨基 酸 以 外 的 组 分 脑 下 垂体 前 叶 / . 促 甲状 腺 激素 28,300 220 geet 促 肾上腺 皮质 激素 4,700 39 xe * 促 黄体 激素 一， 28 ,500 200 BE FE i 促 卵泡 激素 34,000 200 SR te LR 21,500 191 . 生长 激素 21,000 191 无 BWrekKat | 催产 素 1,070 9 无 MEER . ) 1,070 9 无 甲状 旁 腺 与 甲状 腺 a 甲状 旁 腺 激素 “一 9,500 84 ' pens 降 钙 素 4,500 32 无 “ : 胰岛 素 5,500 51 无 x Bers 3,500 | 29 有 脑 下 研 体 前 叶 激 素 都 是 大 分 子 多 肽 ( 表 29-1) 它们 中 大 多 数 的 氨基 酸 顺序 已 经 确定 ， 其 中 有 些 已 用 人 工 合成 。 饶 有 兴趣 的 是 TSH 与 LH 含有 完全 相同 的 亚 基 。 在 寻求 能 抑制 某 些 特殊 激素 作用 的 药物 过 程 中 ,人 们 已 经 合成 了 一 些 这 类 激素 的 类 似 物 。 激素 受 体 与 细 肥 门 信使 从 最 过 十 年 来 的 研究 中 已 形成 有 关 激 素 作用 的 两 个 基本 原理 。 第 一 个 原理 是 对 任何 一 定 激 素 敏 感 的 靶 细 胞 含有 专 一 的 激素 受 体 。 这 些 受 体 是 一 些 能 以 很 高 的 专 一 性 与 亲 和 力 与 该 激素 分 子 相 结合 的 特种 蛋白 质 。 在 靶 细 胞 中 仅 有 极 少量 这 种 激素 受 体 。 在 水 溶性 激 素 如 肾上腺 素 、 胰 高 血糖 素 和 胰岛 素 等 的 妓 细 胞 里 ， 因 为 这 些 激素 不 容易 通过 细胞 膜 , 故 激素 受 体 分 布 在 细胞 表面 而 在 性 激素 与 肾上腺 皮质 激素 的 疲 细 胞 里 均 系 脂 溶 性 类 固 醇 ， 因此 能 通过 细胞 膜 , 其 首要 的 受 体位 于 细胞 的 细胞 溶质 中 。 第 二 荐 原理 是 激素 与 其 专 一 受 体 结合 导 致 细胞 内 信使 分 子 的 形成 它们 刺激 《或 抑 制 ) 该 鞠 组 织 某 种 特有 的 生化 活动 。 对 于 极 性 水 溶性 激素 如 肾上腺 素 与 胰 高 血糖 素 ; 其 细 臣 内 信使 即 Bb 5’ 环 腺 背 一 磷酸 或 称 ”磷酸 -碳酸 化 酶 激酶 (无 活性 ) al 《有 活性 ) ATP + 磷酸 化 酶 ”一 一， 碍 酸化 酶 at ADP (无 活性 ) 二 个 (有 话 性 ) ik + P, 一 一 CH -1-RR 葡 站 -6- 磷 酸 图 29.5 肝 细 胞 中 肾 上 辽 素 促进 糖 原 分 解 产 生 血 糖 的 放大 阶 式 级 联 ， 释放 到 血 中 的 肾上腺 素 的 浓度 达到 约 10-?Mi; 结果 是 血糖 浓度 增加 到 约 5mM。 产 生 的 放大 约 300 万 倍 s * 701。 与 蛋白 激酶 的 调节 亚 基 结合 ,放出 具有 活性 的 催化 亚 基 。 然 后 催化 亚 基 消耗 了 :ATP KE 化 无 活性 的 磷酸 化 酶 激酶 的 磷酸 化 作用 以 生成 有 活性 的 磷酸 化 酶 激酶 。 此 酶 的 活性 需要 有 Ca+*， 它 消耗 ATP 以 催化 无 活性 的 磷酸 化 酶 b 的 磷酸 化 而 产生 有 活性 的 磷 酶 化 酶 a 后 者 依次 催化 糖 原 降 解 生成 葡萄 糖 1- 磷 酸 ; 从 它 生成 葡萄 糖 6- 磷 酸 然后 形成 游离 的 血 糖 。 这 个 阶 式 级 联 中 的 每 一 步 都 是 催化 性 的 ,因而 造成 对 传人 信号 很 大 的 放大 作用 85 传 大 信号 只 有 较 少数 几 个 肾 土 腺 素 分 子 与 肝 细 胞 表面 结合 。 Se VE FAT RSHY a Ze, BLD ABN BY FI HE TUE, 肾上腺 素 不 仅 促进 糖 原 降 解 也 抑制 肝 内 糖 原 合成 作用 ， 因而 引导 全 部 可 以 利用 的 区 萄 糖 残 基 及 其 前 身 物 以 制造 游离 血糖 。 图 29-7 表明 肾上腺 素 与 肝 细 胞 结合 以 及 其 后 cAMP 的 生成 能 促使 蛋白 激酶 对 有 活性 的 ， 或 脱 磷酸 型 的 糖 原 合 酶 的 磷酸 化 使 其 成 为 磷 酸化 了 的 无 活性 型 。 糖 原 合 酶 分 子 的 六 个 丝氨酸 残 基 消 耗 了 ATP 而 被 磷酸 化 5 了 如 是 糖 原 合 酶 的 抑制 就 由 导致 加 速 糖 原 分 解 生成 血糖 的 同一 刺激 物 所 触发 的 一 7 引 rete 糖 原 分 解 与 生物 合成 的 其 它 方面 已 在 它 处 论 及 。 刺激 一 > FL BELEK Eke ——> =eem + cAMP_(R) \ ©® © 〈 无 活性 ) 8 (有 活性 ) AT? + MR ATG _Y, GRRE AHR + ADP j (有 活性 ) (无 活性 》 图 29-7 肾上腺 素 对 肝 中 糖 原 合成 的 抑制 作用 只 松 肾 上 腺 奋 质 仍 分 泌 皮 上 腺 过 到 血 波 中 去 ， 肝 脏 的 逐 音 酸 环 化 酶 系统 仍 保 持 活化 状态 则 cAMP 就 也 维持 在 高 浓度 水 平 。 然 而 ,一 旦 肾上腺 素 分 泌 停止 , 则 结合 在 肝 细 胞 膜 上 的 肾上腺 素 就 离 解 。cAMP 就 不 再 形成 ,而 留存 的 cAMP 也 受到 磷酸 二 酯 酶 的 破坏 。 然 后 蛋白 激酶 亚 基 又 重新 联合 成 为 一 个 没有 催化 活性 的 复合 物 。 通 过 磷酸 化 酶 磷酸 酶 的 作 用 ， 磷 酸化 酶 激酶 的 磷酸 化 了 的 形式 以 及 磷酸 化 酶 。 自己 然后 就 进行 脱 磷酸 化 作用 。 就 这 样 糖 原 分 解 系统 恢复 正常 休息 状态 ;与 此 同时 , 糖 原 合 酶 通过 脱 磷酸 化 作用 而 重新 得 到 激活 。 bot 除 能 作用 于 肝脏 外 ;肾上腺 素 也 能 通过 cAMP BE APR GR (Cs OEE HAIL Hh WR 分 解 生成 乳酸 。 肾 上 了 腺 素 也 能 激活 脂肪 细胞 内 二 种 腊 肪 酶 使 三 酰基 奸 酒 分 解 成 游离 脂肪 酸 与 血清 白 蛋白 结合 。 这 一 效应 是 通过 腺 昔 酸 环 化 酶 的 激活 与 有 活性 的 蛋白 激酶 的 生成 实现 的 ,有 人 认为 此 酶 能 对 有 活性 的 三 酰基 甘油 脂肪 酶 的 无 活性 前 身 物 进行 磷酸 化 此 外 ， 肾上腺 素 对 心率 与 输出 量 的 特征 性 效应 也 是 通过 专 一 的 儿 共 酚 胺 受 体 作 媒 介 形 成 CAMP * 702° 而 产生 的 。 然 而 ， 心脏 糖 原 不 是 转变 成 血糖 而 是 变 成 乳酸 5 三 基 芍 科 6- Reis. DUNS LRAZACAD SH ARES ICS N=. 组 ee © es - # 5 LRA ZIAA & FH Ae ES — BC a te A 8 人 é ah cAMP 浓度 的 其 它 激素 其 中 之 一 是 胰 高 血糖 素 ; WRK 血糖 - 糖 原 分 解 激 素 。 胰 高 血糖 素 是 胰 胜 一 种 多 肽 激素 ,每 a 当 血糖 水 平 下 降 到 低 于 正常 值 每 100 毫升 80 毫克 时 ,胰岛 ne oe SHR SPW Ee BY 0 OPE HR A S| 人 起 肝 内 肝 糖 原 降解 恢复 血糖 到 正常 水 平 RE, Be eo ® 5M RO AME OS, ER ie sy wae A I RE EE I LR tn ha AES eA = PE He 5 WE BEE ME BY BA ADS 2 SHO) 2 A A pee 反 效 应 的 激素 。 BAERS 29 个 氨基 酸 残 基 得、 的 多 肽 (图 29- -8) 宪 是 以 一 种 称 为 胰 高 血糖 素 原 的 分 子 Sys glen RASA UERIML A DTC wk HE oe 糖 素 链 的 “C- 未 端 上 含有 外 加 的 氨基 酸 残 基 。《 图 :29-8)， neiok ARCS BS Meee AST, TOA RM ““”， a 3, FERRE EDS HARES AE LIRR, Miho ys BBE mn eth JEL HE — a : aA Re RA He DR I CH ET REE A 5 作用 的 所 产生 的 ANP 的 增加 引起 肝 中 磷酸 化 酶 :浓度 1 i 的 增加 ， 这 是 通过 前 面 措 述 的 肾上腺 素 作用 中 发 生 的 同一 Eee PPA Bea BRS : m2 pale te mee | D cAMP mses eR RIE | os ae ee cee ety LT eee cAMP REMI, KATE A PENS me LS — 两 受 体位 点 结合 而 激发 了 与 膜 结合 的 腺 苷 酸 环 化 酶 。 属 于 这 CC- 未 滑 = Rabo RK ACT Li PL TSS ES aan (A 29-1), 还 有 甲状 旁 腺 激素 与 降 钙 素 。 脑 下 垂体 后 叶 的 ，。” 胰 高 血糖 素 的 前 身 物 ， 胰 高 血糖 素 加 压 素 在 肾脏 中 能 增加 ecAMP。 虽然 很 多 种 激素 都 是 通过 Els 在 C 未 端 多 八 个 残 基 。 RU cAMP 的 生成 而 起 作用 ,但 每 种 激素 各 有 甚 专 二 的 作用 ,因为 它 只 在 含有 对 此 激素 有 专 一 性 的 表面 受 体 的 细胞 里 才能 刺激 EMP 的 形成 加 而 且 CAMP 保留 在 受到 激活 的 细胞 内 并 不 选 人 血 流 引起 所 有 细胞 的 普遍 兴奋 。 昌 然 EAMP 似乎 在 许多 激素 作用 中 充当 第 三 信使 ”但 我 们 仅 对 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 作用 于 肝 的 情况 中 的 调节 过 程 中 一 整 串 事件 有 一 个 清楚 的 生化 图 纸 。 MLR, 肾 填 了 腺 素 激 活 脂肪 组 织 中 的 三 酰基 甘油 脂 梅 o 胰 高 血 ©1703 HH. ACTH, SRP RIRMA (TSH) 等 也 都 有 这 种 作用 ， 它 们 在 脂肪 组 织 中 都 能 增加 cAMP 的 生成 因而 激动 了 脂肪 酶 。 图 29-9， 外 来 的 信息 正 将 激发 第 二 入 使 去 行动 了 GIA J. B. Finean, R. Coleman, acd Ry ce H. Michell, Membranes and Their Cellular Functions, 1974) 我 们 将 知道 “AMP the AH EA a ASS AST eo ESTA T 复 的 诱导 生成 ， 参 与 神经 系统 的 突 触 传导 ; 调节 细胞 分 裂 ; 同 时 也 是 包括 变态 反应 在 内 的 组 织 免 疫 反 应 以 及 炎症 反应 的 介 体 。 霍 乱 弧 菌 《Vibrio cholerae) 毒素 引起 强烈 腹 注 并 从 肠 道 冯 失 大 量 液体 , 它 在 肠 细 胞 中 与 专 一 受 体 结合 ,引起 cAMP 的 形成 并 保持 它们 的 高 水 平 ,这 又 依次 在 肠 细 胞 内 产生 主动 运输 过 程 的 病理 性 加 速 作用 。 twtey cAMP 在 各 种 细胞 内 的 功能 可 受到 游离 Ca?* 和 不 同 的 前 列 腺 素 这 两 种 细胞 成 分 极 的 影响 。Ca- 在 某 些 情况 下 提高 了 cAMP 的 作用 而 在 另 一 些 情 况 下 又 抑制 它 。 有 人 认为 前 列 腺 素 五 ,在 某 些 靶 细胞 内 作为 细胞 表面 激素 受 体 和 与 膜 结 合 的 腺 苷 酸 环 化 酶 之 闻 的 中 间 信 使 。 与 此 相反 , 前 列 腺 素 A 通过 与 酶 上 专 一 位 点 的 结合 而 抑制 小 肠 细 胞 的 腺 昔 酸 环 化 酶 。 由 各 种 激素 触发 的 复杂 调节 过 程 中 涉及 的 分 子 步骤 , 仍 有 许多 有 待 我 们 研究 的 。 《图 29-9) ae “a Wee: AR ARE 关于 胰岛 素 的 生成 ,储存 与 释放 的 重要 知识 来 自 于 D. Fs Steiner 和 其 同 工 作者 的 生 物化 学 研究 。 他 们 的 原 定 目标 是 想 确 定 胰 岛 素 的 A 链 与 B 链 如 何 合成 ， 以 及 它们 特殊 的 二 硫 交 联 键 是 如 何 构成 的 。 他 们 以 放射 性 亮 氨 酸 或 葵 丙 氨 酸 与 大 鼠 胰 及 或 人 类 夺 腺 肿瘤 的 胰岛 组 织 一 同 保温 ;这 个 类 型 的 肿瘤 能 产生 极 大 量 的 胰岛 素 。 胰 腺 肿瘤 产生 出 能 与 纯 胰岛 素 专 一 抗体 结合 的 两 种 具有 放射 性 的 蛋白 质 产物 。 已 证 明 其 中 一 种 是 胰岛 素 本 身 。 然而 , 另 一 种 由 于 它 能 和 抗 胰岛 素 抗 体 反 应 ,虽然 与 胰岛 素 很 相近 似 ， 但 分 子 量 比 胰 岛 素 57034。 的 大 许多 。 ARSAMSRABL BKS— hry. 25 KFS Kew R, 生成 一 种 化 合 物 ,并 证 明确 与 天 然 胰岛 素 完全 相同 。 对 胰 脏 生成 类 似 陋 岛 素 的 大 分 子 作 进 一 步 化 学 的 和 酶 促 的 降解 研究 证 明 它 具有 图 29-10 所 示 的 结构 。 现在 称 为 胰岛 素 原 的 这 个 分 子 ， 由 一 个 含有 .81 一 86 个 残 基 的 单一 多 肽 链 所 组 成 , 残 基数 目 随 种 属 来 源 不 同 而 有 差别 。 它 含有 胰岛 素 的 A 链 与 B 链 ; A 链 构成 胰岛 素 原 的 羧基 末端 , B 链 则 构成 氨基 末端 。 介 于 A 与 B 链 之 间 有 一 个 连接 性 C 链 。A 链 和 了 B 链 都 由 两 对 碱 性 氨基 酸 与 C 链 隔 开 。 胰 岛 素 原 分 子 含 有 三 个 二 硫 交 联 键 ， 分 布 在 与 天 然 胰岛 素 A 与 B 节 段 的 相同 位 置 上 。 不 同 种 属 的 胰岛 素 原 的 C 链 的 氨基 酸 顺 序 表现 出 许多 置换 ;其 突变 率 比 A 与 B 链 的 突变 率 大 许多 倍 。 N- 未 端 Bt $m] 谷 EMH 丝 Peete et. ie Veo S SS \. A- \ = Be ae “pee R A WK tt 到 Be KE an BE Bee 门 ia He | Som dng Cog | a’ , 切 DR. no 人 精 ¥ 于 2) ， 的 残 基 0 ke 精 / 的 残 基 33] a : 人 (er ye Au - 个 C-$ at 亮 甘 rive Ht me gS bo A t.% 从 图 29-10 i ee Peleg Lge hae C-# (小 号 字 )。 胰岛 素 原本 身 只 稍为 有 类 似 胰 岛 素 的 活性 ， 是 胰岛 素 的 生物 合成 前 身 物 。 它 转变 成 胰岛 素 (图 29-10) 显 然 是 由 胰岛 组 织 中 肤 酶 的 作用 完成 的 。 这 种 转变 胰岛 素 原 为 胰岛 素 的 作用 是 多 种 主要 在 细胞 外 有 生物 功能 的 蛋白 质 的 合成 和 激活 方式 的 又 一 例子 。 这 类 蛋 白质 包括 胰 蛋 白 酶 和 靡 蛋白 酶 在 内 ,它们 是 以 无 活性 单条 肽 链 的 形式 合成 的 ,通过 和 蛋白酶 的 作用 转变 成 具有 两 条 或 两 条 以 上 多 肽 链 并 由 三 硫 交 联 键 连 在 -= 起 的 活性 形式 。 图 29-11 概括 出 胰岛 组 织 _p- 细 胞 内 胰岛 素 的 生物 合成 、 分 泌 和 释放 各 个 阶段 与 时 间 的 关系 。 首 先 在 核糖 体 上 以 胰岛 素 原 的 形式 合成 胰岛 素 ， 然 后 通过 内 质 网 的 囊 泡 转移 BRREK. BSKRSARRRRES CK, CRREMRARS RMCHKS Za?+ 形成 晶体 ,整齐 地 排列 并 包装 在 泡 衷 里 。 最 后 在 收 到 血糖 水 平 升 高 所 触发 的 一 定 信号 时 ， abel ene calpain anges ameiaadligne 要 作用 。 | PLGA AH Mh RRUEUR HORE IR, DET ARI LE 不 足 区 作出 其 分 泌 和 利用 的 研究 。 然 而 ，; 用 极 灵敏 的 放射 免疫 检定 法 已 经 能 测 册 每 毫升 空腹 血 中 约 含 有 10.4 毫 微克 或 相当 于 1 nM 的 胰岛 素 。 用 过 高 糖 的 饮食 后 ， 其 含量 可 大 高 到 外 或 李 倍 于 此 水 平 。 正 常人 类 胰腺 含有 的 胰 总 素 约 10 毫克 ;但 每 天 分 泌 大 血 中 的 数 量 只 有 1 一 2 毫克 左右 。 在 循环 血液 中 也 有 游离 的 C- 肤 和 目 量 胰岛 素 原 的 存在 ,它们 显然 是 与 胰岛 素 一 起 释放 到 血 中 的 。 从 胰 脏 释放 出 胰岛 素 有 赖 于 血糖 浓度 和 某 些 其 它 因 素 。: . 当 进 膳 后， 血糖 浓度 明显 «705 « 地 升 高 超出 每 100 毫升 约 80 一 90 毫 克 这 一 正常 值 时 ， 最 靠近 8- 细 胞 的 原生 质 膜 的 分 洲 泡 囊 内 容 物 即 吐 人 血 中 。 胰岛 素 的 浓度 在 吃饭 后 一 或 三 小 时 就 降低 到 正常 的 水 乎 。 中 血 中 胰岛 素 分 子 的 半衰期 只 有 约 8 一 4 分 钟 ; 因此 ， 从 胰腺 释放 胰岛 素 对 血糖 浓度 的 波 动 是 很 敏感 的 某 些 氮 基 酸 浓度 的 增加 和 骨 与 肠 分 认 的 特殊 因子 也 能 激发 胰 盘 素 的 释 D eT amass Pegs > L 1 UF = a 让 质 网 sa | Ba Hh 95 Pe tRNA , 2 - f CJ ric re ‘Se ATP, GTP, Mg? 7 胰岛 来 原 酶 zymes 10-20 分 钟 (S—S 链 的 生成 ) 一 eK : ° 4 Os 4, : = wx 含有 胰岛 素 一 。。。 ; 原 的 泡 训 FZ NS ES a 20 分 钟 x tan a 一 早期 颗粒 E Zn?t+ er Paw eet E 上 人 me bos 二 逐渐 转化 Ra n ty 之 1 小 时 = @ @ id 30-120 34h “| - SERUSX L ee (BR) +C 肽 二 所 4 时 -用 天 Eee : FAS fag 图 29211 Bes AeA My APL ICM Ey ON ARMOR RTS ROR THON EA 平 明显 地 增高 时 并 不 释放 。[ 引 自卫. F. Steiner and colleagues, Fed. Proc., 33:2107 (1974)] |i). 胰岛 素 对 靳 组 织 的 作用 A er 有 S KS HA . RSE SCRE eA ah MAT SNR FL We FA IB Bd FA Se 5 | se kK A BE, A A 于 提高 了 葡萄 糖 从 血液 穿 过 肌肉 和 脂肪 细胞 的 原生 质 膜 进 入 细胞 内 空隙 的 运输 的 缘故 5 臣 岛 素 也 具有 促进 糖 原 合 成 酶 由 无 活性 变 为 有 活性 的 直接 效应 此外， 胰 芯 素 抑制 脂肪 水 解 作 用 。 其 后 果 渡 在 外 周 组织 中 提高 了 血糖 转化 成 糖 原 和 脂 类 的 作用 ,增加 巴 葡 萄 糖 氧化 成 二 氧化 碳 的 作用 。 be Oech ah | PPR A te Bie EA aE RC TE So SR Sad Pa Te A pa EL. A 00 ld Dk Soe AE EF a Ep, to PS 1 SR — ERT RR oT FASE At A an HY AE RRA I Ve 5 sb ee A Tt 酸 、 脂 类 和 J 的 进 大 加 强 的 变化 。 随 即 就 发 生 原生 质 和 储存 产物 生物 合成 的 增加 。 * 706。 fe RK SEUA, ANE AHEM ES KATE ARE el LSS AES 的 观点 ,然而 ;无 法 证 明 。 直 到 本 世纪 60 年 代 未 期 , 火 们 才能 用 实验 证 明确 有 这 些 受 体 存 在 5 用 有 放射 性 的 胰岛 素 发 现 它 与 肌肉 和 脂肪 细胞 的 专 一 受 体 以 一 种 与 时 间 和 温度 有 依 附 关 系 的 极 高 的 亲和力 相 结合 。 胰岛 素 的 结合 在 脂肪 细胞 上 带 来 有 特征 性 的 代谢 影响 ， 特别 是 从 葡萄 糖 合成 三 酰基 甘 酒 的 增多 以 及 脂 类 酶 促 水 解 的 减少 。 中 RL Cuatrecasas 的 新 颖 实验 为 证 明 标 记 的 胰岛 素 在 细胞 的 外 表面 结合 这 外 结论 提供 了 二 个 途径 吕 首先 让 胰岛 素 与 亲 和 层 析 中 常用 的 一 种 懈 性 多 糖 琼 脂 糖 大 珠 粒 以 共 价 键 相连 接 。 这 种 珠 粒 比 脂 肪 细胞 大 很 多 不 能 透 过 细胞 膜 (图 19-12)。 如 将 胰岛 素 -琼脂 珠 粒 与 脂肪 细胞 悬浮 物 混合 起 来 引 D 引 起 细胞 与 珠 粒 结合 ,很 可 能 结合 在 胰岛 素 侧 链 上 ; Sut 时 脂肪 细胞 表现 出 激素 的 某 些 特征 性 代谢 效应 。 虽然 很 难 证 明 脂肪 细胞 的 激发 是 由 细胞 与 衍生 珠 粒 结合 而 不 是 由 于 某 些 游离 胰岛 素 粘 附 在 珠 上 上 所 引起 的 ， 但 这 个 和 其 它 的 探讨 强烈 地 表明 胰岛 素 结合 位 点 是 在 细胞 表面 上 。 破 坏 细胞 膜 以 后 就 再 无 胰岛 素 结合 位 点 显 现 。 正常 脂肪 细胞 每 平方 微米 细胞 表面 约 只 含 10 个 胰岛 素 受 体位 点 。 每 个 细胞 只 要 有 100 个 受 体位 点 与 胰岛 素 结合 , 即 足以 产生 能 测 知 的 代谢 效应 。 Cuatrecasas 与 他 的 同 工 作 者 成 功 地 用 非 离子 去 垢 剂 从 脂肪 细胞 提取 胰岛 素 - 受 体 蛋 白 质 并 在 胰岛 素 -琼脂 糖 珠 上 用 亲 和 层 析 法 提纯 了 它 。 在 这 种 方法 中 利用 胰岛 素 与 胰岛 素 受 体 之 间 的 相互 作用 的 高 度 专 一 性 , 仅 只 保留 住 溶化 了 的 胰岛 素 受 体 分 子 , 因 而 可 以 从 细胞 提取 物 大 多 数 其 它 蛋 白质 中 分 离 出 它们 。 已 经 达到 250,000 倍 以 土 的 纯化 作用 。 胰岛 素 受 体 蛋 白 的 分 子 量 约 为 300,000。 它 与 胰 oem BROAN RAS MRRSAS SH ve vie ARSE Op pa 胰岛 素 受 体 ， 10-"M, :AN_ 由 胰岛素 和 可 能 由 CGMP \\ 诱发 的 其 它 膜 效应 胰岛 素 分 子 通过 Kt SHER 图 29-12 脂肪 细胞 与 通过 共 价 和 大 琼脂 糖 珠 连 接 的 胰 岛 素 分 子 相 结合 。 由 于 细胞 的 结合 对 胰岛 素 有 专 一 性 ， 又 由 于 结合 了 的 细胞 被 胰岛 素 所 激活 ， 因 而 作出 结论 认 .图 29-13 ”胰岛 素 在 脂肪 细胞 上 与 胰岛 素 受 体 为 胰岛 素 受 体 在 细胞 表面 。 结合 时 诱发 cGMP 的 生成 与 专 一 的 膜 变化 。 707。 胰岛 素 结合 对 环 核 埋 磷 酸 的 影响 胰岛 素 与 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 截 然 不 同 ， 它 与 丢 细 胞 膜 结合 时 并 不 引起 AMP 的 增加 ;实际 上 ,胰岛 素 常 引起 : 凝血 B 球 蛋白 600 一 1,200 ay . 6,- 脂 蛋白 350 一 450 3 一 20 百 万 ， | 80 一 9096 脂 类 ，| .运输 脂 类 六 铁 传递 蛋白 40. _ 85,000 糖 运输 铁 血 纤 维 蛋 白 溶 酶 原 90,000 i a 3 Y- 球 蛋白 + 700—1,500 159 ,000 糖 ' 工 1 抗体 纤维 蛋白 原 300 340 ,000 糖 凝 而 + 第 302 页 载 有 血浆 脂 蛋白 的 分 布 。 t 入 球 蛋 白 存在 很 多 种 不 同类 型。 拓 类 血管 系统 大 致 舍 有 血液 约 5 一 6 升 。 几乎 它 的 体积 的 一 半 由 细胞 所 组 成 ;转运 氧 和 一 些 二 氧化 碳 的 红细胞 (红血球 ), 比 红细胞 少 得 多 的 白细胞 (白血球 ) 和 血小板 。 非 “7146 SHAMS 3 2 IR HEL 10% HAT HL- SIC OLS TH Ro MIR ES TP RS 四 分 之 三 。 各 种 类 型 的 血浆 蛋白 质 具 有 多 种 重要 功用 (430-1). ， 其 中 有 些 有 转 输 重要 营养 料 的 能 力 ,如 转运 脂 类 和 脂肪 酸 , 以 及 转运 某 些 微量 金属 ;维生素 和 激素 。 其 余 溶解 在 血 中 的 溶质 包括 有 机 营养 料 与 代谢 产 牺 。 庆 料 ;和 无 机 盐 类 。 表 30-2 所 列 为 正常 人 血 ， 浆 的 主要 成 分 及 其 一 般 功 能 。 血 浆 还 含有 许多 次 要 组 分 ;无 疑 地 还 有 许多 尚 待 鉴定 。 表 30-2 正常 人 血浆 的 主要 成 分 ， 流 度 的 近似 值 mg% 功 “能 蛋白 质 (总 ) 5,800 一 8 ,600 见 表 30-1 身 清 白 蛋 白 3 ,000—4,500 a, 8, 5 7- 球 蛋白 2,800—3,800 脂 类 (总 ) 400 一 700 三 酰基 甘油 100 一 250 在 运 向 储存 或 氧化 位 起 途中 的 燃料 磷脂 150—250 - . - 胆固醇 及 其 酯 类 150 一 250 | RK 游离 脂肪 酸 8—20 肌肉 ;心脏 燃料 的 直接 来 源 ME 70—90 糖 的 运输 形式 氨基 酸 35 一 55 蛋白 质 合成 的 前 身 物 尿素 20 一 30 氨基 酸 氮 的 排泄 产物 尿酸 2 一 6 | 3 味 崔 分解 代谢 最 终 产物 肌 酸 栈 、 1-2 | 肌 酸 的 排泄 形式 _—.. 8—17" 肌肉 ?红细胞 酵 解 产物 PARE | 0.42.0 肌肉 ,红细胞 酵 解 产物 2 pi ve Ba 3—6 eit oe | | 0.82.0. | 酮 体 ,乙酰 基 的 运输 形式 胆 红 素 本 0.2—1.4 FRO ORAS RE BRT 无 机 成 分 毫克 当量 I ‘Nat. x 140 Ha Kt 5 cr’ ~~ 100 ~ HCO; 20 RRR ‘4 :而 通 过 各 种 调节 机 构 使 成 分 的 波动 平稳 下 来 ,并 将 血浆 成 分 维持 在 有 特征 的 稳定 态 ,这 是 由 于 脊椎 动物 间歇 性 摄食 周期 的 需要 。 我 们 将 看 到 血 中 葡萄 糖水 平 是 由 几 种 不 同 的 控 BLAM RHI DERN. 血液 运载 营养 素 通过 各 种 器 官 的 速率 与 它们 的 代谢 率 相 比 则 是 相当 高 的 ， 因 而 血液 单独 一 次 “通过 ”大 多 数 器 官 时 被 它们 摄取 的 已 知 营养 素 的 部 分 相 对 地 说 比较 少 。 例 如 血 流 流 经 大 脑 时 从 中 移 去 的 葡萄 糖 少 于 进入 的 5% 0 肝 是 例外 * A 为 它 能 将 从 小 肠 来 的 食物 中 己 糖 的 绝 大 部 分 提 去 8 在 医学 上 ;测定 血浆 与 尿 中 特定 成 分 的 浓度 是 非常 重要 的 ， 因为 可 以 从 中 子 解 代谢 降 但 的 性 质 以 及 治疗 标准 的 效果 。 靖 乳 动物 中 主要 代谢 活动 的 澡 官 分 布 ， 峭 椎 动物 所 有 主要 器 官 尽 管 它们 的 高 度 专 问 化 , 仍 能 实现 有 如 酵 解 、 三 羧 酸 循环 与 脂 * 715 。 类 和 和 蛋白质 的 生物 合成 等 中 心 代谢 途径 的 反应 。 然 而 每 个 器 官 对 中 心 代 谢 途 径 的 "协调 与 分 配 的 作用 则 又 各 不 相同 ; 每 一 器 官 都 有 其 独特 的 燃料 利用 方式 以 及 与 它 在 机 体内 维 持 特 殊 功 能 的 生物 合成 活动 。 表 30-3 人 体 主要 器 官 相对 氧 消 耗 量 fm @ % TF HI fe - Seu 0.30 2.05 6.95 腹部 器 官 0.25 0.24 全 en 心脏 0.11 0.23 0.40 肾脏 0.07 0.06 0.07 大 脑 0.20 0.20 0.20 皮肤 0.02 0.06 0.08 KE 0.05 0.06 0.06 , 总 数 1.00 2.90 8.00 FLSA ER PN RAR IE SWRI Ta A S PRAIA, ze 30-3 列 出 人 体 不 同 器 官 在 休息 与 有 肌肉 活动 时 的 相对 氧 消耗 量 以 及 因此 而 产生 的 AIE 能 的 相对 数量 。 肝 及 其 在 营养 素 分 配 中 的 作用 绝 大 部 分 从 肠 道 吸收 进入 体内 的 营养 素 直接 流 到 肝脏 ， 它 在 哺乳 动物 的 代谢 中 是 营 养 素 分 配 的 主要 中 心 。 肝 也 许 是 任何 器 官 中 代谢 伸缩 性 最 大 的 一 个 ， 因 为 它 最 先 “ 见 到 从 肠 中 过 来 的 冤 养 素 ， 并 因而 必需 按 党 养 素 混合 物 高 度 可 变化 的 成 分 和 不 连续 的 或 问 时 的 摄取 营养 素来 调整 它 自己 的 代谢 活动 肝脏 对 摄 人 的 营养 素 行使 加 工 和 分 配 韵 职能 ,并 维持 循环 血液 中 它们 浓度 的 稳定 性 ; 肝 还 有 分 沁 机 能 。 正常 成 年 人 肝 重 约 1.5 公斤 , 约 相当 于 体重 的 2 一 3 多 。 肝 的 主要 细胞 是 肝 细 胞 , 它 是 一 种 多 功能 的 上 皮 细 胞 。 根 据 营养 情况 肝 胜 迅 速 地 改变 它 的 大 小 和 糖 原 与 蛋白 质 的 含量 。 当 一 个 绝食 的 人 在 恢复 饮食 时 ,他 的 肝 能 在 短 时 内 增加 重量 ,这 不 仅 因为 增加 了 和 蛋白质 售 量 而 且 也 因为 糖 原 的 极 大 增加 。 这 可 能 达到 肝脏 湿 重 的 10 多 。 此 外 当 用 处 科 手 术 摘除 部 分 肝脏 时 ,新 的 肝 组 织 将 会 再 生 。 对 于 向 它 所 接受 的 营养 素 混合 物 作出 反应 而 诱导 生成 专 一 的 酶 类 方面 》 肝 是 穆 内 最 有 机 动 性 的 器 宫 。 例 如若 以 高 蛋白 食物 给 与 一 个 哺乳 动物 ,一 两 天 后 , 肝 内 与 氨基 酸 分 解 代谢 以 及 与 从 氨基 酸 碳 骨 架 来 的 糖 原 异 生 作用 有 关 的 某 些 酶 类 的 含量 将 天 拓 增 加 5 若 理 把 动物 换 上 高 糖 腾 食 ， 则 由 以 前 氨基 酸 饲养 所 引发 的 贷 基 酸 代谢 酶 类 和 糖 原 异 生 在 用 北 类 都 将 几乎 完全 从 肝 中 消失 ， 某 些 酶 只 需 数 小 时 其 它 的 在 一 两 天 内 消失 。 因 此 肝 有 能 力 调节 为 处 理 专 一 性 营养 素 所 需 酶 类 的 生物 合成 编码 的 基因 的 表现 。 时 接受 来 自 小 肠 中 低 聚 糖 与 多 糖 的 消化 所 生成 的 游离 单 糖 况 合 物 。 来 到 肝脏 的 游离 葡萄 糖 中 约 有 三 分 之 二 进入 肝脏 细胞 并 受到 己 糖 激酶 的 作用 磷酸 化 成 为 葡萄 精 6- 硅 酸 ; 其 祭 的 游离 葡萄 糖 就 通过 肝脏 进入 循环 血液 。 葡萄 糖 以 外 的 其 它 单 精 如 DSO, DE SLL D- 甘 露 糖 等 在 肝 中 磷酸 化 后 ， 再 通过 本 书 中 描述 的 机 制 进一步 转化 成 葡萄 精 6- 磷酸 。 循 环 血液 中 除 D- 葡 萄 糖 和 少量 DRM A LE KA AE BE, DBE 酸化 后 可 用 于 生物 合成 核 昔 酸 或 通过 全 酸 葡 糖 酸 通路 的 一 部 分 反应 转变 成 酵 解 序列 中 的 * 7I16。， rH fia] 70 图 30-1 显示 了 葡萄 糖 6- 磷 酸 在 肝脏 中 能 够 采取 的 主要 代谢 途径 sg 用 正常 膳食 时 大 多 数 葡 萄 糖 6- 磷 酸 变 成 了 糖 原 , 脂肪 酸 ,或 血糖 。 由 于 肝脏 所 需 ATP 的 大 部 分 是 由 脂肪 酸 和 氨基 酸 的 氧化 提供 的 , 故 只 有 较 少量 葡萄 糖 6- 磷 酸 完 全 氧化 。 约 有 半数 葡萄 糖 在 肝 中 进入 磷酸 葡 糖 酸 通路 进行 降解 ， 此 通路 负责 产生 作为 脂肪 酸 的 生物 合成 的 还 原 剂 所 需 要 的 NADPHe 全 es ft — 6 >» ve. a SAE a 磷酸 葵 糖 ris 酵 解 酸 通 路 糖 原 了 向 周边 ! 丙酮 酸 6-1 #9 HUA 5 NADPH 可 输出 ae ， | (为 合成 腊 肪 酸 与 胆固醇 提供 ) 7 乙酰 -CoA > | 胆固醇 o,| RRR RRR Zz Peta Leia 胆 tlh + ATP 三 酰基 甘油 事略 储 脂 类 CO, + H,O 和 图 30-1 肝 中 葡萄 糖 6- 磷 酸 的 代谢 途径 从 肠 道 吸收 而 进入 肝 的 氨基 酸 也 有 几 种 可 能 的 代谢 途径 (图 30-2)。 一 部 分 直接 进入 循环 血液 运往 周边 组 织 ， 氮 基 酸 将 在 此 用 于 蛋白 质 的 生物 合成 。 有 些 六 入 的 氨基 酸 由 肝 脏 直接 用 来 生物 合成 肝 细 胞 本 身 固有 的 蛋白 质 ， 尤 其 是 诱导 酶 类 以 及 生物 合成 血浆 蛋白 质 。 若 有 过 多 的 氨基 酸 则 它们 将 受到 脱毛 和 降解 成 丙 配 酸 ， 草 酰 乙 酸 和 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 。 这 些 产 物 之 中 有 些 作为 产生 ATP 能 量 而 被 完全 氧化 ,而 另 一 些 则 用 作 糖 原 异 生 作用 的 前 身 物 。 某 些 氨基 酸 可 转化 成 各 种 特殊 产物 例如 中 啉 , 多 胺 和 味 叭 。 SERRA 基 经 过 朋 循 环 变 成 尿素 ;肝脏 是 哺乳 类 唯一 能 合成 尿素 的 屡 官 。 人 类 的 肝 每 天 制造 约 20 基 酸 全 通过 血液 运往 awe 周边 组 织 eer es RR Sem m 蛋白 的 生物 合成 中 间 产 物 有 天 中 se | 原 异 生 作 用 .路 啉 与 其 它 Hi HE FOLDER A 乙 本 .CoA = RAR 1 HK o, | SACRE 脂肪 酸 合成 ATP Co + H,O 图 30-2) Pee 。717。 到 30 RRA LPUNEREREMSH ATP 能 量 。 当 肝 受伤 时 ,生成 了 游离 NH 离子 而 不 是 尿素 。 游 离 氨 极端 地 有 毒 的 ,特别 是 对 大 脑 。 从 肠 道 吸收 的 某 些 脂 类 以 磷脂 形式 通过 门静脉 直接 进入 肝脏 ; 其 余 的 主要 是 三 酰基 甘 神 以 乳 糜 微 粒 的 形式 通过 排 乾 肠 道 的 大 淋巴 管 ， 即 胸 导 管 ， 而 流 大 循环 血 滚 。 正 如 图 30-3 所 列 出 的 那样 进入 肝 的 脂 类 也 有 多 种 代谢 的 选择 。 有 些 用 于 血浆 脂 蛋 百 的 生物 合 成 ， 磷 脂 类 即 以 这 种 形式 运送 到 周边 组 织 。 某 些 脂 类 水 解 后 即 被 氧化 成 乙酰 CoA, 这 一 中 心 的 中 间 产 物 为 了 供 能 可 以 通过 三 羧 酸 循环 完全 氧化 ,或 转化 成 血 中 酮 体 , 乙酰 乙 酸 与 D-8- 产 丁 酸 ， 它 们 是 周边 组 织 利 用 的 燃料 。 乙 酰 -CoA 也 可 转变 成 胆固醇 和 其 它 当 类 化 合 物 。 CH, - : OH C11—CH,—CH,—C—NH—CHy—CH, S04 ae | .甘油 4 hes 4 . a | min suse 牛 磺 胆 酸 蛋白 乙酰 -CoA ich Penne: CH, Y SRB T | came ”与 氧化 | 。 8- 羟 丁 酸 与 乙 栈 QH 1 | 三 酸化 乙酸 输 往 其 它 组 织 胆汁 盐 HE ATP HO" “OH j CO; + H,O | 甘 氮 胆 酸 图 30-3 肝 中 脂 类 的 结局 Aj 30-4 胆 秆 盐 肝脏 还 有 排泄 功能 ;是 它 生 成 了 胆 液 , 流 和 小肠。 肝脏 转化 胆固醇 为 胆汁 酸 而 且 使 它 们 与 甘氨酸 和 牛 磺 酸 一 类 含 氨 碱 起 作用 产生 相应 的 胆汁 盐 ; 例如 牛 磺 胆 酸 和 甘 氨 胆 酸 盐 (图 30-4)。 胆 汁 盐 流 到 小 肠 后 ， 为 准备 脂肪 酸 和 脂 酰 基 甘 油 吸收 而 作为 乳化 剂 。 胆 汁 盐 的 大 部 分 与 脂 类 和 脂肪 酸 一 同 被 重 吸收 又 回 到 肝脏 。 通 过 这 种 方式 胆汁 成 分 循环 于 肝 和 肠 之 间 称 为 肠 肝 循环 。 图 例 : M= 甲 基 V 王 乙烯 基 P= ARH E= CE 图 30-5 胆 色素 FAY 55 — FE DD BE Be eR INR IX 1 RD A Se AT ERY POS, BO eR Oe BAIR IX 3 FH M2 EA AE EN RT HE HRA J BAL C4) AUB ER (ARE CAM 30-5), Ei tS AE aE — 2b Re RSE, Be 粪便 的 主要 色素 。 另 一 重要 成 分 是 尿 胆 素 原 , 它 是 胆 红 素 的 还 原 无 色 产 物 ; 尿 胆 素 原 和 胆 红 素 部 分 地 被 重 吸 收 进 人 血 流 并 回 到 肝脏 。 人 然而 ,如 果 肝 脏 遭 到 退化 变性 , 若 血 红 蛋 白 破 坏 过 多 ,或 者 如 果 胆 管 被 阻塞 Ne ag deh algae oc TA Be RIA 染 呈 微 黄 色 。 二 “因此 由 肝 产 生 的 ATP 能 量 用 于 糖 原 异 生 作 用 ; 糖 原 的 合成 , 脂肪 酸 的 生物 合成 以 及 从 脂肪 酸 合成 各 种 复杂 脂 类 ， 肝 中 酶 类 及 血浆 蛋白 的 生物 合成 和 尿素 的 生成 以 及 其 它 小 生物 分 子 如 非 必需 氨基 酸 、 叮 叭 , 喀 啶 和 路 啉 等 的 形成 。 脂肪 组 织 在 分 配 燃料 以 及 在 保持 血 中 燃料 水 平方 面 其 重要 人 性 仅 次 于 肝脏 的 是 脂肪 组 织 。 它 是 - 由 特 化 了 的 脂肪 细胞 所 组 起 ”后 者 含有 几乎 是 纯 的 没有 水 化 形式 的 三 酰基 甘油 的 大 微 滴 和 际 ; 这 种 微 滴 可 构成 脂肪 彻 胞 重量 的 90 多。 皮肤 下 \ 深层 血管 周围 腹腔 内 、 骨 骼 肌 和 改 腺 内 存在 着 脂肪 细胞 广泛 的 形成 。 脂 肪 组 织 次 不 只 是 一 种 惰性 的 储存 库 。 它 具有 高 代 谢 率 并 肘 对 机 体 代谢 的 需要 能 作出 迅速 的 反应 。 此 外 脂肪 组 织 的 总 重量 很 大 ， 构 成 体内 一 各 主 要 组 织 。 正 常 成 年 人 的 脂肪 组 织 含 有 约 145. 公斤 三 酰基 甘油 ;而 在 肥胖 者 的 体内 三 RAP MOREE TRAE RRS EFI AS | “FS boa IFAS ASS RMN LE ERE, TRUER AH AA ee 三 醋 基 甘油 区 供 储存 。 葡萄 糖 是 脂肪 组 织 中 合成 三 酰基 车 油 的 两 大 前 身 物 之 一 ， 它 不仅 为 生物 合成 脂肪 酸 提供 乙酰 CoA, 也 为 三 酰基 甘油 的 甘油 部 分 提供 需要 的 前 身 物 甘油 3- 磷酸 。 以 脂 蛋 白 形式 从 血 中 到 来 的 脂肪 酸 是 脂肪 组 织 中 三 酰基 甘油 的 另 一 主要 前 身 物 。 旨 肪 细胞 在 通过 磷酸 葡 糖 酸 通路 降解 葡萄 糖 以 产生 脂肪 酸 生物 合成 和 它 的 去 饱和 作用 所 必需 的 NADPH 方面 特别 活跃 。 脂肪 组 织 最 重要 的 功能 是 作为 随时 可 以 动员 的 三 酰基 廿 油 储存 仓库 。 三 酰基 甘 济 和 作为 燃料 库存 形式 和 ATE 的 潜在 来 源 方面 有 超过 糖 诛 的 许多 重大 优点 。 按 每 克 计算 纯 三 酰基 甘油 完全 氧化 所 产生 的 ATP 分 子 数 几乎 是 纯 糖 原 的 2.5 倍 。 三 酰基 甘油 含 能 量 较 多 是 由 于 它们 的 脂肪 酸 是 还 原 程度 较 高 的 化 合 物 因而 每 单位 重量 能 放出 的 气 原 子 数量 《 电 子 当 量 j 比 糖 原 的 多 呆 开 外 ,三 酰基 忆 镁 可 以 元 乎 是 以 纯 的 落 趟 储存 于 脂肪 细胞 井 而 糖 原 则 是 高 度 水 涂 的 物质 ,在 积存 时 它 与 等 重量 的 水 相 结合 。 兽 有 人 估计 , 若 正 常 成 年 男子 体 内 15 公斤 三 酰基 甘油 ,用 在 燃烧 时 能 产生 相等 数量 ATP 的 糖 原 去 代替 , 则 此 人 的 总 体重 将 增加 60 公斤 或 130 RAS 脂肪 组 织 能 迅速 地 从 血 中 移 除 乳 糜 微 粒 。 它 们 的 三 酰基 甘油 部 分 被 脂肪 细胞 表面 的 旧 蛋 自 脂肪 酶 所 水 解 而 产生 游离 的 脂肪 酸 和 十 油 ,后 两 者 在 脂肪 细胞 内 再 转化 为 三 酰基 甘油 。 乳 糜 微 粒 在 血浆 中 的 半衰期 很 短 , 火 约 10 分 钟 ， 故 摄取 过 多 的 三 酰基 甘油 的 储存 发 生 很 快 。 进 食 富 手 三 酰基 甘油 的 饮食 后 由 于 乳 魔 微 粒 和 脂 蛋 白 的 浓度 高 而 血浆 呈 混 池 状 。 然 而 ,两 水 时 以 内 过 多 的 三 酰基 甘油 就 沉积 在 脂肪 细胞 内 而 且 押 浆 又 转 清 彻 。 储存 的 三 酰基 甘油 从 脂肪 组 织 释 放 到 血液 中 时 又 通过 另 一 途径 。 三 酰基 甘油 首先 被 97196 细胞 内 的 脂肪 酶 水 解 , 它们 的 活性 是 通过 与 此 相反 ,糖尿 病 患者 的 血糖 浓度 有 极 大 的 增加 ,并 在 开始 就 高 于 正常 人 。 他 们 也 表 现 出 高 血糖 周期 的 更 为 延长 和 缓慢 的 下 降 。 他 们 也 可 能 在 摄取 葡萄 糖 试验 剂量 后 表现 出 《增加 的 ) 糖 尿 。( 图 30-8) 用 摘除 动物 胰 脏 或 用 毒物 如 四 氧 喀 啶 、 或 用 抗菌 素 链 脲 佐 菌 素 以 破坏 胰岛 组 织 ,使 动 物 造 成 糖尿 (图 30-10)， 然 后 通过 对 它们 的 代谢 研究 ,已 经 发 现在 糖尿 病 中 发 生 的 更 加 专 一 的 生物 化 学 变化 和 酶 促 作 用 的 改变 。 S. Soskin 和 R, Levine 盾 期 的 重要 观察 表明 , 患 糖尿 病 的 动物 的 周边 组 织 在 正常 血糖 含量 水 平 上 试验 时 缺乏 从 血 中 摄取 已 糖 的 能 力 。 然 而 ， 假 使 血糖 升 高 到 严重 糖尿 病 患者 那样 很 高 的 水 平 〈 高 到 500 毫克 狗 ) 时 ， 则 己 糖 的 摄取 大 量 增加 ,几乎 达到 正常 的 速率 。 ° 727 。 st Ay O=C C=O Hf O.0H ae ae Or ae H H Sey, i H HN—C—N—CH, Oo | |， O NO PO ARE Me » Be» REDE I BE Bh hy et DRAPE KS. achromogenes 的 分 沁 胰 岛 素 能 力 。 一 种 抗菌 素 。 它 具有 致 糖尿 和 抗 肿 妆 两 种 作用 ,是 D- 葡 糖 胺 的 一 种 衍生 物 s 图 30-10 和 致 糖尿 剂 这 一 重要 发 现 表明 蓟 葡 糖 代谢 的 基本 缺陷 更 多 地 是 由 于 血糖 的 运输 失灵 它 不 能 穿 过 骨 骼 肌 和 其 它 组 织 的 膜 而 不 是 缺乏 葡萄 糖 利 用 所 需 的 细胞 内 某 些 酶 类 。 虽然 这 些 和 许多 类 似 的 实验 已 经 证 明 患 糖尿 病 的 动物 葡萄 糖 代 谢 的 主要 缺陷 确实 是 葡萄 糖 运输 受 损 害 玉 租 也 发 现 糖 原 异 生 作用 的 速率 加 强 了 。 这 表现 在 患 糖尿 病 的 动物 特别 是 在 喂 以 氨基 酸 混合 物 以 后 , 尿 中 额外 氮 量 增加 〈 主 要 是 尿素 )。 用 尿 中 额外 氮 排 出 量 和 尿 中 出 现 的 葡萄 糖 量 对 比 表明 生 糖 原 氨基 酸 的 碳 骨 架 几 乎 完全 变 成 了 葡萄 糖 。 这 个 结论 已 用 实验 证 实 : 即 当 用 MC 标记 过 的 氨基 酸 给 予 患 糖尿 病 动物 以 后 , 在 排出 的 葡萄 糖 中 回收 了 同位 素 的 大 部 分 糖尿 病 中 葡萄 糖 代谢 的 另 一 主要 缺陷 是 葡萄 糖 通过 乙酰 CoA 转变 为 脂肪 酸 的 过 程 几乎 完全 停顿 。 正 常 动物 中 摄 人 糖 的 总 量 的 三 分 之 一 可 能 转变 成 脂肪 酸 ， 然 后 变 成 三 酰 基 甘 油 储存 于 肝 或 脂 库 内 。 从 氨基 酸 糖 原 异 生 作 用 的 加 速 和 葡萄 糖 合成 脂肪 酸 的 抑制 表 明 糖 尿 病 机 体 中 虽然 血糖 水 平 早已 远 远 超过 了 肾 的 糖 阀 值 ， 仍 将 代谢 调整 到 维持 血糖 浓 度 在 尽 可 能 高 的 程度 。 糖 尿 病 人 不 断 地 从 尿 中 失去 葡萄 糖 ， 它 们 大 部 分 来 自 于 食 人 的 氢 - 棋 料 消耗 图 30-11 未 经 治疗 的 严重 糖尿 病人 内 源 性 燃料 的 来 源 及 其 分 布 的 模式 与 消耗 量 。 数字 在 基础 条 件 下 ， 24 小 时 期 间 假 定 总 能 支出 为 2400 千 卡 。 注 意 糖 原 异 生 作 用 对 肌肉 蛋白 的 大 量 消耗， 以 及 除 大 脑 与 血 细 胞 需要 葡萄 糖 外 ;所 有 器 官 都 以 体内 三 酰基 甘油 作为 能 量 来 源 。 从 肌肉 蛋白 质 制造 的 葡萄 糖 的 大 部 分 在 尿 中 表 失 。 [3] G. F. Cahill. Jr., and O. E. Owen, in F. Dickens, P. J. Randle, and W. J. Whelan(eds.), Carbohydrate Metabolism and its Disorders, 1968] 基 酸 或 躯体 蛋白 质 ,这 就 是 严重 糖尿 病人 经 常 饥 俄 和 体重 减轻 的 原因 ; 他 们 简直 是 “ 守 着 ROHR’. 30-11 总 结 了 严重 糖尿 病人 中 主要 营养 素 的 代谢 情况 s 糖尿 病 动 物 中 除 脑 组 织 外 较 少 氧化 葡萄 糖 作 燃料 。 其 它 组 织 特别 是 肝 ， 燃 烧 大 量 脂 Wi, 肝 中 从 脂肪 酸 生成 的 乙酰 CoA 的 数量 超过 了 三 羧 酸 循环 所 能 氧化 的 能 力 ; 过 多 的 己 BE CoA 变 成 了 酮 体 ; 它 大 量 出 现在 血液 中 ( 酮 血 症 ) 和 尿 中 ( 酮 尿 症 ); 这 种 情况 称 为 酮 病 。 所 有 这 些 代谢 紊乱 都 可 给 以 胰岛 素 使 其 逆转 ， 胰 岛 素 能 在 正常 血糖 浓度 下 增加 从 血 让 移 除 葡 萄 糖 的 速率 ,增加 肝 中 葡萄 糖 激酶 , 磅 酸 果糖 激酶 与 丙酮 酸 激酶 的 量 ， 抑 制 糖 原 避 秆 作用 特别 需要 的 酶 类 的 生物 合成 (因而 抑制 了 从 氨基 酸 生 成 葡萄 糖 的 作用 )， 恢复 转 化 葡萄 糖 为 脂肪 酸 的 正常 速率 ,而 且 抑 制 脂肪 酸 氧化 降解 。 结 果 血 糖 含量 趋向 正常 ;糖尿 停电 症 惠 和 尿 中 的 酮 体 退回 到 正常 水 平 。 对 正常 动物 使 用 过 量 胰岛 素 ,或 对 糖尿 病 患者 使 用 超 剂 量 胰岛 素 都 能 引起 血糖 下 降 到 低 于 80 毫克 多 的 水 平 。 当 血糖 低 于 20 SHO 可 出 现 质 搞 与 昏迷 , 极 大 量 胰岛 素 引 起 胰岛 素 休 克 6 静脉 注射 葡萄 糖 能 使 它 挽回 8 眉 京 从 理论 上 说 ， 有 多 种 原因 可 引起 糖尿 病 患 者 缺少 胰岛 素 ， 如 胰岛 组 织 正常 只 不 过 数 量 减少 ; 呈 岛 素 原 的 生物 合成 有 缺陷 , 胰岛 素 原 转变 成 胰岛 素 的 作用 有 缺陷 , 对 高 血糖 作 出 反应 时 释放 到 血 中 来 的 胰岛 素 量 不 足 ,产生 的 胰岛 素 是 有 遗传 缺陷 的 ,或 者 胰岛 素 以 异 常 的 高 速率 受到 破坏 等 ,青年 型 糖尿 病 者 胰 脏 中 的 胰岛 素 的 数量 不 及 正常 量 的 5%%; 因此 当面 糖 升 高 时 ,未 使 胰 胜 放出 明显 的 胰岛 素 ; 然而 ,在 成 年 人 糖尿 病 胰 脏 中 胰岛 素 的 总 量 可 能 于 分 正常 ;但 对 高 血糖 作出 反应 时 它 被 释放 进入 血液 却 延误 了 。 因 此 ,对 高 糖 浓度 作 出 反应 时 可 以 有 多 种 方式 可 使 得 血 中 有 活性 的 胰岛 素 的 浓度 发 生 异 常 或 缺乏 。 某 些 如 甲 茶 磺 丁 腺 二 类 药物 (图 30-123， 对 某 些 糖尿 病人 疗效 很 好 ， 它 能 促进 已 生成 的 胰岛 素 从 胰岛 细胞 内 释放 出 来 5 这 种 效 应 启发 我 们 认为 这 样 的 病人 能 正常 地 制造 胰岛 素 ， 但 其 释 VO) 放 机 制 有 缺陷 。 有 些 糖 尿 病人 对 胰岛 素 有 抗 药 或 不 敏感 的 情况 。 在 这 种 情况 下 可 能 并 不 缺乏 胰岛 素 ; 而 是 由 于 其 它 激素 如 生长 素 或 胰 高 血糖 素 的 产生 过 多 ， 后 两 种 激素 在 维持 葡萄 糖 体 元 平衡 中 起 校对 和 平衡 的 作用 以 对 抗 胰岛 素 的 活性 。 为 什么 糖尿 病人 不 仅 在 组 织 利用 葡萄 糖 上 有 缺陷 而 且 还 似乎 在 代谢 上 均衡 从 氨基 酸 产 生 最 大 量 葡萄 糖 和 防止 葡 5 9 mse Pepe 葡 糖 用 于 生成 脂肪 酸 呢 ? “一 个 古老 的 可 能 仍旧 正 确 的 假 3-H). HES ewe Bi: 即 糖 原 异 生 作 用 的 加 强 与 脂肪 合成 的 削弱 都 是 由 于 胰 FRRSRS HAD, 岛 素 缺乏 所 引起 的 生物 代 偿 作用 。 由 此 看 来 ,血糖 浓度 增高 是 因为 可 以 克服 葡萄 糖 运 输 不 足 , 允许 在 没有 胰岛 素 时 周围 组 织 仍 能 利用 葡萄 糖 。 另 一 方面 ,正如 前 面 所 指出 的 ; 胰 岛 素 可 能 是 广义 的 生长 激素 , 它 促 进 所 有 营养 素 进 大 细胞 以 及 它们 的 储存 和 利用 。 瘤 中 代谢 的 相互 作用 除 糖尿 病 外 的 其 它 疾 病 中 也 出 现 各 种 器 官 之 间 代 谢 相互 作用 的 改变 。 癌 细 胞 的 生长 提供 一 个 有 趣 的 例子 。 癌 细胞 是 由 一 个 本 来 是 正常 的 体 细胞 经 永久 性 遗传 改变 而 生成 的 。 «729° 这 种 改变 称 为 恶性 转化 ， 可 由 于 像 和 射线 , 来 自 太 阳光 中 过 多 的 紫外 线 照 射 等 外 界 物理 因素 ， 或 由 各 种 致癌 化 学 物质 所 和 触发。 党 细 胞 生长 颇具 侵略 性 并 不 遵守 组 织 形 成 的 正常 异 式 。 它 们 这 种 不 正常 的 生长 模式 往往 不 一 定 是 成 块 的 而 是 造成 分 裂 的 ， 有 对 附近 细胞 和 组 织 正常 活动 发 生 干 扰 的 倾向 5 瘤 细 胞 有 一 种 特别 类 型 的 代谢 。 虽 然 它 们 具有 大 多 数 代谢 中 心 途径 所 需 的 二 切 酶 类 ， 但 几乎 所 有 各 种 类 型 的 癌 细 胞 都 表现 出 酵 解 序列 与 三 羧 酸 循环 的 整合 的 反常 RAIN | 氧 消 耗 率 比 正常 细胞 的 数值 稍 低 。 然 而 ;恶性 细胞 甚至 在 它们 的 呼吸 率 接近 正常 时 还 倾 | 向 于 利用 葡萄 糖 '5 倍 到 10 倍 于 正常 组 织 所 用 量 并 把 大 部 分 糖 变 成 为 乳酸 。 这 种 在 有 氧 情况 下 产生 驰 酸 的 现象 称 为 有 氧 酵 解 。 仅 在 几 种 正常 组 织 , 如 在 红细胞 ,负荷 着 重工 作 时 的 骨骼 肌 和 心肌 ， 以 及 视网膜 中 才 出 现 乳 酸 的 有 氧 生成 。 癌 细胞 乳酸 的 有 和 氧 生成 并 不 纯粹 是 一 种 体外 大 为 矫 作物 而 是 也 在 体内 出 现 。 有 和 氧 酵 解 对 癌 细 胞 的 生物 能 力学 的 净 效 应 即 在 线粒体 内 除了 从 呼吸 和 和 氧化 磷 酸化 产生 的 ATP 以 外 ,还 有 在 线粒体 外 隔 室 中 从 酵 解 大 量 生成 的 ATP。 A ASEM, Fe 跑 内 调节 酵 解 速率 以 配合 三 羧 酸 循环 利用 丙酮 酸 的 速率 的 正常 别 构 因 素 CR、 二 人 效应 ) 有 缺陷 或 发 生 改 变 。 癣 细胞 里 这 种 代谢 失调 的 最 重要 的 系统 影 4 响 是 用 去 了 大 量 血糖 与 相应 地 放出 大量 模 酸 进 入 血 芒 。 正 如 发 生 在 重 肌肉 工作 中 的 那样 ， 形 成 的 乳酸 再 循环 到 肝 内 又 经 过 糖 原 异 生 作用 产生 血糖 。 因 为 肝 中 从 乳酸 生成 一 分 子 葡萄 糖 需要 投入 六 分 子 高 能 磷酸 ， 而 癌 细 跑 从 每 分 子 葡萄 糖 转变 成 乳酸 中 只 能 获得 两 分 子 ATP， 故 可 把 癌 细 胞 看 作 是 一 种 依赖 于 肝脏 以 取得 它 的 大 部 分 能 量 的 代谢 寄生 物 。 除 了 能 引起 其 它 局 部 和 系统 的 效应 以 外 凡 大 量 癌 细 胞 可 看 作 是 对 宿主 机 体 的 很 大 代谢 消耗 。 we AR 搞 要 血液 是 从 肋 转运 营养 素 到 肝 和 其 它 组 织 , 运 输 有 机 废物 到 肾脏 ,以 及 转运 呼吸 气体 氧 和 二 氧化 碳 的 工具 。 血 浆 含 有 约 7 多 的 血浆 蛋白 ,它们 具有 多 方面 的 功用 ， 特 别 是 在 转运 eX, HGR, URACMRKDDH. 其 余 的 3 多 的 固体 为 代谢 产物 、 废物 和 无 机 离 子 。 肝脏 是 营养 素 加 工 和 分 配 的 主要 器 官 。 它 可 生成 血糖 血浆 脂 蛋白 以 及 通过 血 洲 分 | 配 氨基 酸 。 它 转变 其 它 单 糖 为 葡萄 糖 6- 磷 酸 ， 又 转变 后 者 为 糖 原 ， 为 乙 酿 CoA; 然后 成 脂肪 酸 ;葡萄 糖 6- 磷 酸 也 用 于 脂肪 酸 和 胆固醇 还 原 性 合成 中 产生 NADPHo 肝 脏 也 使 氨基 酸 脱 氮 , 进 行 糖 原 异 生 作 用 ,而 且 是 尿素 合成 的 唯一 地 点 。 它 也 生成 并 分 泌 胆 汁 盐 和 胆 色 素 进 入 肠 内 。 - 脂肪 组 织 或 脂肪 是 另 一 主要 仓库 和 燃料 分 配 中 心 。 它 能 储存 大 量 三 酰基 甘油 ;后 者 是 从 肠 以 乳 糜 微粒 形式 接受 过 来 的 或 者 是 在 胰岛 素 的 促进 下 从 血糖 制造 的 。 按 重量 计算 三 酰基 甘油 含 能 量 比 糖 原 高 ,而 且 是 以 无 水 的 形式 储存 的 。 当 脂肪 组 织 受 到 肾上腺 素 和 其 它 激素 的 刺激 通过 依赖 于 环 状 AMP 的 脂 酶 的 作用 时 , 它 就 放出 游离 脂肪 酸 。 游 离 脂肪 酸 结 合 在 血清 自 蛋白 上 运往 其 它 组 织 。 脑 用 去 身体 耗 氧 总 量 的 20 多 ,而 且 它 在 正常 情况 下 只 能 利用 葡萄 糖 作为 燃料 s 心 脏 主要 是 用 脂肪 酸 和 酮 体 作 燃料 但 当 突 然 加 上 工作 负荷 时 ;, 它 + 730° 能 运用 糖 原 的 酵 解 转化 成 乳酸 作为 ATP 的 来 源 。 骨骼 肌 也 能 用 游离 脂肪 酸 和 酮 体 作 燃 料 但 为 了 突然 爆发 的 能 量 则 有 赖 于 葡萄 糖 与 糖 原 转化 成 为 乳酸 。 肾 脏 在 分 记 尿 的 过 程 中 将 它们 产生 的 ATP 大 部 分 用 于 主动 转运 葡萄 糖 , Nar A K*s 在 饥饿 的 身体 中 三 酰基 甘油 的 储存 是 能 量 的 主要 来 源 ; ee ee 蛋白 质 通过 糖 原 异 生 作用 从 氨基 酸 生成 糖 ， 为 脑 提供 面 糖 。 通过 代谢 性 的 适应 脑 获得 利用 从 脂肪 酸 氧化 生成 的 上 血 中 酮 体 而 不 是 葡萄 糖 作 为 能 源 的 能 力 ,因而 减轻 躯体 蛋白 质 的 消耗 。 然而 } 沙 三 酰基 甘油 供给 耗竭 时 ,躯体 蛋白 质 ;特别 是 肌肉 蛋白 ,就 被 天 量 消耗 。 加 西 加 是 由 于 儿童 食物 中 缺乏 蛋白 质 的 一 种 半 饥 饿 的 状态 。 :糖尿病 是 一 种 复杂 的 疾病 ,但 其 主要 表现 形式 有 高 血糖 ,糖尿 多 尿 ` 口 温和 饥 俄 。 严 重 的 糖尿 病 中 颈 体 的 蛋白 储存 被 用 于 产生 血糖 ;而 后 者 的 大 部 分 又 在 尿 中 丧失 。 用 葡萄 糖 耐 量 试验 测 出 糖尿 病人 由 于 这 种 或 那 种 原因 在 对 血糖 升 高 作出 反应 时 缺乏 将 胰岛 素 释 放大 并 中 的 能 力 。 和 他 们 表现 出 从 氨基 酸 来 的 糖 原 异 生 作 用 大 量 增 加 、 几 乎 完全 不 能 把 葡 葡 糖 转变 为 脂肪 酸 ， 以 及 从 脂肪 酸 过 量 的 产生 酮 体 等 。 还 有 从 氨基 酸 合成 蛋白 质 也 减少 To 虽然 糖尿 病 患者 的 主要 缺陷 似 耶 是 不 能 将 葡萄 情 运 输 到 肌 内 和 脂肪 组 织 中 去 ， 但 胰 岛 素 作用 的 精确 方式 还 未 经 鉴定 。 “在 有 瘤 的 动物 里 还 有 另 一 一 类 型 的 代谢 雪 乱 。 交 缅 上 隐 用 去 异常 大量 的 葡 荃 糖 并 把 它 大 部 分 变 成 为 血 中 乳酸 。 在 肝 中 净 耗 费 大量 ATP 把 乳酸 再 变 回 成 为 血糖 Ame 代谢 王 的 寄生 物 。 | = += X 献 书籍 Hoffman, W. S.: The Biochemistry of Clinical Medicine, 4th ed.. Year Book Medical Publishers, Chi- eago, 1970, Newaholme, E. A., and C. Start: Regulation in Metabolism, Wiley, New York, 1973: An extremely valuable book outlining the biochemistry and theory of metabolic regulation, White, A., P. Handler, and E. L. Smith: Principles of Biochemistry, McGraw-Hill, New York, 5th ed., 1973. The biochemistry of body fluids, renal function, and other physiological activities is described in detail. ex Cahill, G. F., Jr.: ‘‘Starvation in Man,’’ N. Engl. J. Med., 282: 668 (1970). A summary of classical investigations, Fernstrom, J. D., and R, J. Wurtman; ‘‘ Nutrition and the Brain,’’ Sci. Am., 230: 84—91 (1974). Garfinckel, D.: ‘‘Simulation of the Krebs Cycle and Closely Related Metabolism in Perfused Rat Liver; 1: Construction of a Model; 2: Properties of the Model,’’ and succeeding papers on gluconeo- genesis, Comput. Biomed. Res., 4: 1—125 (1971). 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ARIF PB lb Ss A A i — PE 2 (te CK CR SE ho iE 生 的 艺 醛 在 需要 吡啶 核 若 酸 的 步骤 中 转变 成 乙酸 ， 而 乙酸 又 通过 前 述 过 程 转 变 成 馆 酰 CoA。 试 写 出 恕 类 肝 中 出 现 的 5 包括 一 切 有 关 磷 酸化 步骤 在 内 的 ， ila aha ll 方程 式 。 得 38 试 计算 下 列 化 合 物 在 典型 的 肝 细 胞 内 完全 燃烧 成 二 氧化 碳 和 水 时 每 一 矶 原子 产生 的 ATP 分 子 的 数目 :; (a) 葡 萄 糖 ;(b) 乙 醇 ;(c) 棕 榈 酸 ;(d) = SRR HR Ce) RRA (f) 茶 丙 氮 酸 。 4, 当 葡 萄 糖 供应 不 足 时 ,脂肪 酸 不 能 为 脑 直 接地 作 一 种 能 源 “(EIRENE ASE 酸 后 就 能 很 快 进 人 大脑 细 胞 。 写 出 下 列 过 程 ,包括 一 切 有 关 的 磷酸 化 步骤 的 平衡 方程 式 ; (a) AER B-AAT BR GRE (b) B-FET BSCE RR — AKA Ko 5. WALL RRA BR A eA ZK 与 通过 四 分 了 巴 PFT A 供 的 ATP 4>-F AUR Bo brah ee aR 6. LAGI 8-1-9 fe hPL EE 糖 时 , 试 计 算 所 发 生 的 ATP AE {Ko [ 任 邦 哲 译 。” 简 士 廉 校 ] mio : 第 IV BL GN AR OSC SEAT 在 本 书 的 最 后 一 部 分 中 ， 我们 将 讨论 遗传 的 连续 性 和 活 机 体 进 化 所 涉及 的 某 些 最 基 本 的 和 中 心 问题 的 生化 基础 。 遗 传 物 质 及 其 功能 组 成 一 一 染色 体 、 基 因 、 密 码 子 以 及 突变 单位 等 的 分 子 本 质 是 什么 ? 为 什么 遗传 信息 的 复制 是 这 样 准确 无 误 ? 遗传 信息 最 后 如 何 转录 和 翻译 成 蛋白 质 分 子 中 的 氮 基 酸 顺 序 ， 然 后 又 如 何 组 成 细胞 的 特征 性 的 三 维 结 构 ? 活 机体 是 怎样 发 展 具 有 自我 复制 的 能 力 的 ? 甚至 ,生命 最 早 是 如 何 起 源 的 ? 遗传 学 的 分 子 基 础 知识 ,已 获得 非凡 的 进展 ,使 生物 学 发 生 了 一 场 学 术 上 的 革命 ， 许 多 人 认为 这 可 与 由 达尔 文 的 物种 起 源 学 说 所 引起 的 革命 媲美 。 生 物 学 的 各 个 领域 已 经 受 到 这 些 进展 的 深远 影响 。 它 们 已 经 使 细胞 结构 和 功能 中 的 某 些 最 基本 的 问题 盗 透 了 新 的 - 见解 ， 并 导致 生物 化 学 科学 具有 更 全 面 的 和 更 广泛 适用 的 概念 的 结构 。 在 今天 ， 严 格 地 说 * 没 有 那 一 个 生化 问题 可 以 离开 其 遗传 学 基础 来 进行 研究 。 而 且 , 这 些 观点 大 大 地 扩大 了 从 分 子 水 平 探索 生物 学 的 能 力 ， 同 时 也 鼓舞 着 生物 化 学 家 更 有 信心 地 去 研究 这 样 复杂 的 生物 学 问题 ,例如 细胞 分 化 形态 发 生 、` 免 疫 以 及 许多 在 不 久 前 ,还 认为 是 生物 化 学 不 可 能 研究 ， 而 只 能 试探 的 其 它 问题 。 现 在 让 我 们 简略 地 检阅 一 下 导致 生物 化 学 进入 新 阶段 的 科学 和 知识 的 情况 。 近代 关于 遗传 学 分 子 基础 的 知识 来 源 于 三 个 不 同 科 学 领域 的 理论 和 实验 的 进展 , 即 经 典 遗 传 学 、 生 物化 学 和 分 子 结构 。 在 遗传 学 领域 中 由 于 应 用 了 X 射线 和 其 他 能 大 大 增 加 突变 速率 的 诱 变 剂 , 以 及 应 用 了 生命 周期 很 短 的 微生物 ,例如 霉菌 、 细 菌 和 病毒 等 , 极 大 地 加 速 了 实验 进程 。 从 庞大 的 群体 中 选择 罕见 的 突变 型 和 基因 重组 体 的 更 有 效 的 方法 , 导 致 描绘 出 具 高 分 辩 力 的 遗传 图 。 这 种 图 揭示 了 某 些 染色 体 上 不 同 基因 的 顺序 ， 同 时 证 明 了 在 一 个 已 知 基因 上 具有 大 量 的 可 以 受到 突变 的 部 位 。 遗 传 学 领域 中 最 有 疹 透 意义 的 发 je, 促进 了 遗传 学 与 生物 化 学 的 汇合 。 这 些 发 展 包括 G. W. Beadle RE. L. Tatum 从 1941 年 开始 的 工作 中 提出 来 的 “一 个 基因 -一 种 酶 ”假说 ,以 及 0. T. Avery 及 其 同事 们 在 1944 年 发 现 了 DNA 含有 遗传 信息 ,并 能 传递 此 信息 。 在 生物 化 学 领域 中 ,由 于 层 析 技术 的 日 益 进 步 ， 使 一 些 重 要 的 实验 的 发 展 成 为 可 能 。 这 些 就 导致 对 许多 和 蛋白质 的 组 成 进行 了 定量 分 析 ,阐明 了 它们 的 氮 基 酸 顺 序 ,而 且 还 揭示 了 不 同 种 类 或 具有 不 同 功能 的 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 也 不 相同 。 同 时 建立 核酸 组 成 和 共 价 结构 的 新 层 析 方法 的 仪器 也 已 出 现 。 最 重要 的 进展 之 一 就 是 E. Chargaff 发 现 DNA 中 某 些 碱 基 的 克 分 子 数 是 等 当量 的 。 后 来 这 种 "等 当量 ” 竟 成 为 推导 DNA 的 三 维 结构 的 一 个 重要 资料 。 同 位 素 示 踪 技 术 也 起 了 巨大 的 作用 ， 因 为 它 使 对 核酸 和 和 蛋白质 的 酶 促 生 物 合成 进行 直接 的 实验 研究 成 为 可 能 。 在 分 子 结构 领域 中 ,W. Astbury 和 工 . Pauling 对 纤维 状 蛋白 质 分 子 以 及 JJ. C. Kendrew AM. F. Perutz 对 球形 蛋白 质 的 构 型 进行 了 X 射 线 衍 射 分 析 , 产生 了 这 种 观点 ， 即 认为 每 一 类 蛋白 质 分 子 具 有 精确 大 小 的 专 一 构 型 ， 它 决定 蛋白 质 的 生物 学 功能 。 但 是 启发 分 子 遗 传 学 发 展 的 中 心 工作 还 是 对 DNA 的 三 维 结构 的 和 射线 分 析 。1953 J. D. Watson ° 733° 和 F. H. C. Crick 假设 的 DNA 双 螺 旋 结构 ,不 仅 解 释 了 碱 基 的 克 分 子 数 是 等 当量 ,也 解 释 了 DNA 特征 的 和 射线 衍 射 图 象 ， 而 且 还 提出 了 关于 遗传 信息 如 条 从 亲 代 精确 地 传递 给 子 代 细胞 的 简单 机 制 。 这 一 学 说 迅速 导致 遗传 学 、 生 物化 学 和 分 子 物 理学 的 观念 和 实 验 研究 明显 的 结合 起 来 。 Watson-Crick 假说 的 迅速 建立 和 发 展 , 从 而 产生 了 Crick 称 之 为 分 子 遗 传 学 的 中 心 法 则 ,这 一 法 则 说 明 遗 传 信息 是 沿 DNA 至 RNA， 再 至 蛋白 质 而 进行 传递 的 。 虽然 这 一 学 说 最 近 又 改进 为 决定 遗传 信息 的 保存 和 传递 的 三 个 主要 过 程 的 中 心 法 则 形式 。 ey a 第 一 是 复制 ， 即 DNA 复制 形成 相同 的 子 代 分 子 。 BOBRR, BIDNA 中 的 遗传 信息 转录 成 将 被 带 到 核糖 体 去 的 信使 RNA 的 过 程 。 第 三 是 翻译 ， 即 遗传 信息 在 核糖 体 上 转 译 下 来 ， 它 的 RNA 则 是 蛋白 质 生 物 合成 时 用 来 指导 专 一 氨基 酸 顺 序 的 样板 。 中 心 法 则 不 仅 因 发 现 信使 RNA 而 得 到 证 明 ， 而 且 也 由 于 指明 了 基因 中 核 昔 酸 顺序 与 由 此 基因 决定 的 蛋白 质 的 氮 基 酸 顺 序 有 线性 关系 ， 从 而 使 中 心 法 则 得 以 证 实 。 | 此 外 ,已 推导 出 信 使 RNA 上 对 各 种 氨基 酸 的 三 联 体 密码 词汇 的 “字典 ”， 这 是 近代 科学 最 大 成 就 之 一 。 现在 分 子 遗 传 学 的 中 心 法 则 已 经 有 了 可 靠 的 证 明 。 似 乎 许多 重要 工作 已 经 做 了 ; 正 如 一 位 杰出 的 研究 者 指出 :“ 这 就 是 所 谓 的 分 子 生物 学 ”。 但 我 们 还 只 是 粗略 地 看 了 它 一 眼 。 正 好 像 在 科学 的 许多 领域 中 ,打开 了 一 个 大 门 常常 导向 另 一 个 大 门 , 处 于 一 种 无 赴 境 的 连贯 中 。 现 在 让 我 们 来 看 看 今天 我 们 所 处 的 地 位 ,还 遗留 些 什么 问题 需要 去 解决 。 近 20 年 来 关于 遗传 信息 传递 的 分 子 基 础 的 许多 卓有成效 的 研究 都 是 在 原核 生物 , 特 别 是 大 肠 杆菌 和 细菌 病毒 上 进行 的 。 原核 生物 细胞 只 有 一 个 染色 体 ,， 即 单一 双 股 螺旋 DNA 分 子 , 而 且 它们 常常 是 以 细胞 的 无 性 分 裂 进 行 繁殖 的 ， 在 繁殖 过 程 中 子 代 细胞 正常 地 只 接受 与 亲 代 细 胞 相同 的 基因 组 (genome)。 在 原核 生物 的 生命 周期 中 ,细胞 通常 是 以 单 倍 体 状 态 存在 。 所 以 细菌 的 遗传 学 可 以 在 没有 双 倍 体 的 真 核 生物 所 特有 的 显 性 和 隐 性 遗传 的 复杂 情况 下 进行 研究 ,这 些 情 况 还 涉及 到 和 孟 德 尔 原 理 。 此 外 , 具 单 一 “染色 体 ” 的 病 毒 的 遗传 信息 的 传递 问题 甚至 更 简单 ,因为 它 只 含有 几 个 或 几 十 个 基因 , MZ, 细菌 却 含 有 几 千 个 基因 。 因 为 细菌 和 病毒 比较 简单 ， 用 它们 进行 遗传 实验 也 快速 有 效 。 关 于 遗传 信息 传递 许多 基本 的 分 子 过 程 ,我 们 现在 已 掌握 了 有 关 的 具体 知识 ,而 且 有 信心 认为 这 些 过 程 在 生物 学 中 具有 普遍 性 。 尽 管 如 此 ,正如 我 们 即将 讨论 的 ,在 原核 生物 中 关于 遗 传 信息 的 复制 \ 转 录 和 翻译 的 生物 化 学 中 许多 细节 还 不 知道 ,有 待 进 一 步 研究 。 但 是 ,今天 的 分 子 遗传 学 已 建立 在 一 新 水 平 上 ,这 一 水 平 揭示 了 由 于 在 分 化 和 进化 程 度 上 复杂 性 和 能 力 等 方面 原核 和 真 核 生物 间 的 巨大 鸿沟 所 产生 的 一 些 仍 未 阐明 的 问题 。 因此 ， 在 解释 真 核 生 物 的 分 子 遗 传 学 以 及 在 其 分 化 和 发 育 中 基因 表达 的 调节 等 方面 存在 一 些 新 的 和 困难 的 问题 。 虽 然 许多 证 据 支持 这 样 一 种 观点 ， 即 认为 原核 生物 和 真 核 生 物 间 的 遗传 信息 的 复制 、 转 录 和 翻译 的 基本 分 子 类 型 是 相同 的 ,但 在 真 核 生 物 中 仍 有 许多 特 殊 的 复杂 性 。 真 核 生物 比 原核 生物 含有 大 得 多 的 遗传 信息 ， 而 且 它 是 在 几 个 或 许多 染色 。734 。 体 间 进行 分 裂 。 真 核 生物 的 体 细胞 通常 是 双 倍 体 , 并 含有 比 在 单 倍 体 的 性 细胞 中 多 一 倍 的 染色 体 。 真 核 细胞 的 每 一 基因 因此 有 二 种 形式 或 等 位 基因 ,其 中 一 种 是 遗传 上 显 性 的 , 另 一 种 是 隐 性 的 。 真 核 生物 通常 是 通过 有 性 结合 进行 繁殖 ， 在 此 过 程 中 来 自 双 亲 的 基因 进 行 交换 ， 通 过 重组 结合 掺 人 到 后 代 的 基因 组 中 去 。 虽 然 在 原核 生物 中 在 有 性 结合 或 病毒 感染 时 出 现 重 组 ,但 这 并 不 是 它们 的 无 性 分 裂 的 正常 过 程 。 真 核 生物 复杂 染色 体 的 分 子 结构 ,来 自 不 同 染色 体 的 各 种 不 同 基因 的 相互 作用 的 方 式 , 来 自 亲 代 的 基因 重组 的 分 子 机 制 ,以 及 真 核 生物 中 基因 表达 的 调控 等 等 一 一 这 些 都 是 一 些 非常 复杂 而 又 未 解决 的 主要 问题 。 此 外 , 真 核 生 物 不 仅 在 细胞 核 中 含有 DNA, 而 且 在 线粒体 及 某 些 其 它 细 胞 器 中 也 含有 。 细 胞 核 外 的 DNA 是 与 细胞 质 遗 传 有 关头 这 是 一 种 非 孟 德尔 方式 遗传 过 程 的 表现 形式 ， 对 此 仍然 了 解 很 少 。 因 此 ， 在 现代 和 将 来 的 生物 化 学 中 ， 对 遗传 的 生化 及 高 等 有 机 体 的 发 育 显然 仍 会 有 很 多 的 一 一 实际 上 是 无 止境 的 一 一 争论 。 pe LA CRE EHH 核酸 的 分 子 结构 脱氧 核糖 核酸 的 结构 我 们 想 提 出 脱氧 核糖 核酸 (DNA) 盐 的 一 种 结构 。 次 于 结构 息 采 次 寅 村 全 物 党 业 的 竺 新 的 形式 。 Pauling 及 Corey 曾经 设想 了 一 种 核酸 结构 ， 在 发 表 前 他 们 就 曾 热情 地 寄 送 了 原稿 给 我 们 参考 。 他 们 设想 的 模型 是 由 三 条 交织 的 链 组 成 ,磷酸 基 靠 近 纤 维 轴 ， 碱 基 朝 外 。. 我 们 UA: 这 种 结构 有 两 个 理由 说 明 它 不 够 完善 。(1) 我 们 认为 拍摄 的 X 射 线 图 谱 所 用 的 材 料 是 盐 , 而 不 是 游离 酸 。 没 有 酸性 氢 离 子 , 是 什么 力量 维系 这 种 结构 在 一 起 这 一 点 是 不 清 楚 的 ,特别 是 当 具 负电 性 的 磷酸 靠近 分 子 轴 时 会 彼此 排斥 。(2) 某 些 van der Waals 距离 似 乎 太 小 。 Fraser〈 在 排 印 中 ) 也 曾 提出 过 另 一 种 三 链 结构 。 在 他 提出 的 模型 中 磷酸 根 是 朝 外 , 碱 基 朝 内 ,通过 氧 键 连接 起 来 。 这 种 结构 描述 得 比较 粗糙 ,因此 我 们 将 不 予 评论 。 现在 ， 我 们 想 提 出 脱氧 核糖 核酸 盐 的 一 种 根本 不 同 的 结 构 。 这 一 结构 具有 两 条 螺旋 链 ,每 一 条 链 围 绕 同 一 轴 盘 绕 ( 参 见 示 图 )。 我 们 按照 通常 化 学 上 的 假定 ， 即 每 一 条 链 是 由 p- D— fbi A KK MR 3’, 5’ 连接 而 组 成 的 磷酸 二 酯 基 。 这 两 条 链 的 关系 (不 包括 碱 基 ) 是 二 重 对 称 垂直 于 纤维 轴 。 两 者 都 是 右手 螺旋 ,由 于 是 二 重 对 称 的 ,两 条 链 中 的 原子 顺序 是 反 向 而 行 。 每 条 链 大 致 与 Furberg's 第 一 号 模型 类 似 ; 即 碱 基 是 在 螺旋 的 内 侧 ， 而 磷酸 根 在 外 侧 。 糖 的 以 及 邻近 糖 的 原子 的 构 型 与 Furberg's 标准 构 型 相近 , 糖 大 致 上 与 附着 的 碱 基 垂直 。 每 一 条 链 每 隔 3.4 人 在 乙方 向 有 一 残 基 。 我 们 假设 在 同一 条 链 上 相 邻 的 残 基 成 36” 角 , 因此 在 每 条 链 上 , 每 10 个 残 基 (BIS 344A) 重复 一 次 螺旋 结构 。 磷 原 子 与 纤维 轴 的 距 离 为 10 人 ,因为 磷酸 是 在 外 侧 ,阳离子 就 容易 与 之 结合 。 a age 这 种 结构 是 开放 式 的 ,水 含量 相当 高 ,在 低 水 含量 时 ， 我 链 维 系 在 一 起 的 碱 基 ， 垂 直线 ” 们 将 会 见 到 碱 基 稚 斜 ,以 致使 结构 更 加 紧密 。 os Sei 7X Fb hy PLS, SL RFR BEN 方式 。 碱 基 的 平面 垂直 于 纤维 轴 成 对 连接 ， 即 一 条 链 上 的 一 个 碱 基 通 过 氧 键 与 另 一 条 链 的 一 个 碱 基 连 接 , 所 以 两 个 碱 基 在 相同 的 z 坐标 轴 上 ,一 个 靠近 另 一 个 。 这 一 对 碱 基 中 必 须 有 一 个 是 味 叭 , 另 一 个 是 喀 啶 , 才能 键 合 在 一 起 。 和 氢 键 是 按 如 下 方式 构成 的 : 即 味 叭 第 一 位 对 喀 了 喧 第 一 位 ; 味 叭 第 六 位 对 喀 啶 第 六 位 。 1) J. D. Watson 和 F. H. C. Crick 的 论文 是 现代 生物 化 学 的 里 程 碑 (全 文 引 自 Nature, April 25, 1953, p 737)。 数 周 后 又 发 表 了 第 二 篇 论文 ,其 中 对 复制 过 程 , 作 了 更 详尽 的 氢 述 。 。7 36 " fu SRLS EH Sees oh HL Se Te SE TC BRR AE 式 构 型 ), 可 以 发 现 只 有 专 一 配对 的 碱 基 才 能 键 合 起 来 。 这 些 碱 基 对 是 : RMS (mR ) wt Hea mR Ce) WRB wR) fH OE CREE) ， ”换言之 ,如 果 随 意 一 条 链 上 的 腺 味 玲 是 给 成 碱 基 对 的 一 个 ,那么 从 这 些 假设 看 来 另 一 个 碱 基 必 定 是 胸腺 喀 啶 ; 鸟 味 哈 和 胞 喀 啶 也 一 样 。 一 条 单 链 上 的 碱 基 顺 序 看 来 似乎 并 不 受 任何 方式 的 限制。 如 果 只 要 能 够 形成 专 二 的 破 基 对 ， 那 么 只 要 给 定 也 -条 链 的 碱 项 序 , 另 一 条 链 的 顺序 也 就 自动 确定 了 。 已 在 实验 中 发 现 ] 脱氧 核糖 核酸 让, 腺 大 叭 与 胸腺 喀 喧 合 量 之 比 , a st 啶 之 比 总 是 很 接近 于 一 。 如 果 以 核糖 置换 脱氧 核糖, 则 就 不 可 能 建立 这 种 结构 因为 额外 的 氧 原子 使 van der Waal 接触 过 于 紧密 。 过 去 发 表 的 关于 DNA 的 X 射线 数据 ,并 不 足以 作为 我 们 提出 的 结构 的 严格 验证 。 就 我 们 所 知 , 它 只 是 与 实验 数据 大 致 相符 》 所 以 在 没有 更 准确 的 结果 验证 以 前 ;, 它 只 能 认为 是 未 经 证 明 的 。 其 中 沫 些 资料 在 随后 的 通讯 中 予以 介绍 ， 我 们 设计 这 种 结构 时 并 不 了 解 INA RAH. 所 以 我 们 设计 的 结构 主要 是 ,但 又 不 完全 是 ,根据 已 发 表 的 实验 儿 据 和 立体 化 学 论证 。 我 们 也 注意 到 这 二 问题 , 即 我 们 设想 的 专 一 碱 基 配 对 ,立即 会 提出 一 种 可 能 的 遗传 物 质 的 复制 机 制 。 此 结构 的 全 部 细节 ， 包括 和 成 此 结 和 所 展 定 的 条 人 以及 各 种 原 了 的 组 坐标 等 ;将 在 另 处 发 表 。 as 737 。 es i DNA 及 遗传 物质 的 结构 我 们 已 经 讨论 过 DNA 的 核 戎 酸 基 本 单位 及 其 主 链 的 共 价 结构 这些 都 是 首先 应 复习 欧 内 容 ( 第 十 二 章 )。 本 章 我 们 试 回答 三 个 重要 问题 : (1) DNA 作为 驻 存 遗 传 信息 的 一 种 善 凯 形式 的 证 据 是 什么 2 (2A DNA 分 子 信息 贮存 能 力 的 分 子 基础 ?2 3) 遗传 物质 芍 某 些 功 能 组 成 : 染色 体 ,基因 和 突变 单位 的 大 小 怎样 ? DNA 使 细菌 转化 虽然 早 在 1869 4 F. Miescher 第 一 次 在 细胞 核 中 发 现 了 DNAs HB 1944 年 :9. T. Avery 及 其 同事 们 发 现 向 一 迅速 生长 的 肺炎 双 球 菌 (Diplococcws pneumoniae 通称 肺炎 球菌 ) 的 一 种 无 毒 菌株 的 培养 基 中 的 某 些 细胞 ， 只 要 加 人 从 致 病 的 肺炎 球菌 抽 提 的 DNA， 可 使 之 转化 为 一 种 可 遗传 的 有 毒 的 或 致 病 的 菌株 。 在 这 以 前 ,并 未 能 直接 鉴定 :DNA 携带 遗传 信息 。 早 就 知道 ,有 毒 的 肺炎 球菌 , 当 在 琼脂 上 培养 时 , 可 形成 光 户 的 菌落 (以 'S 表示 ) 因 为 它 具 有 一 种 独特 的 多 糖 英 膜 。 另 一 方面 无 毒 的 或 不 致 病 的 肺炎 球菌 菌株 则 形成 粗糙 的 (R 让 菌落 o 在 早期 的 研究 工作 者 曾 发 现 给 小 白鼠 注射 热 灭 活 的 毒性 S 型 细胞 ,同时 注射 活 的 无 毒性 的 R 型 细胞 也 能 使 小 白鼠 致死 。 从 感染 的 小 鼠 中 可 分 离 和 培养 出 活 的 S 型 细胞 ， 这 说 明 热 灭 活 细胞 中 有 一 种 热 稳 定 的 成 分 ， 能 使 活 的 了 型 细胞 转变 为 $ 型 细胞 。 O. T. Avery, C. M. MacLeod 和 M. McCarty 曾 深 入 地 研究 了 这 一 现象 他 们 发 现 从 热 灭 活 的 S 型 细胞 中 分 离 出 来 的 高 纯度 形式 的 DNA，, 在 体外 加 入 到 无 毒性 的 R 型 细胞 中 , 能 引起 转 化 。 然 而 从 了 及 型 细胞 或 除 肺炎 球菌 外 的 其 它 细 菌 制备 的 DNA 样品 ， 并 不 能 使 R 型 细胞 发 生 转 化 。 此 外 , DNA 诱导 的 R 型 细胞 的 转化 是 一 永久 性 的 并 可 遗传 的 特征 ， 因 为 经 过 几 代 培 养 , 发现 所 有 转化 了 的 细胞 的 后 代 都 是 有 毒 的 $ 型 细胞 。Avery 及 其 同事 们 因此 作出 结论 认为 : DNA 能 够 携带 遗传 信息 。 然而 这 一 结论 并 没有 立即 被 人 接受 。 有 些 研 究 工作 者 提出 DNA 制剂 中 含有 一 种 诱 变 剂 (mutagen)， 它 能 促进 突变 ,使 R 型 转变 为 $ 型 。 还 有 其 他 人 提出 : R 型 转化 为 S 型 细胞 实际 上 是 由 所 用 DNA 样品 中 含有 微量 的 某 种 专 一 的 蛋白 质 所 引起 。 最 后 ,进一步 的 实验 终于 推翻 了 这 些 反对 意见 。 后 来 又 观察 到 在 许多 其 他 事例 中 ,单独 使 用 DNA 都 可 引起 细菌 的 转化 。 今 天 Avery 及 其 同事 的 实验 已 被 普遍 认为 是 历史 的 里 程 碑 。 现 已 知道 转化 的 DNA 是 以 共 价 掺 人 到 受 体 细 胞 DNA 中 去 的 , 当 宿主 染色 体 被 复制 时 ， 它 同时 被 复制 。 虽然 DNA 是 遗传 信息 正常 贮存 的 主要 形式 ,通过 复制 传递 给 子 代 细胞 , 但 今天 我 们 知道 在 某 些 病 毒 中 , RNA 也 能 贮存 遗传 信息 。 此 外 ， 有 时 遗传 信息 也 可 从 RNA 转移 给 DNA, 此 即 所 谓 反 向 转录 的 过 程 ,将 在 他 处 讨论 。 DNA {6 4 2 1 9 Jit HY ECT TE 从 其 它 方面 得 到 的 证 据 , 强 烈 地 支持 DNA 是 遗传 信息 的 负荷 者 。 首 先 , 任何 种 属 细 胞 或 机 体 中 DNA 含量 非常 恒定 ,并 不 因 周 围 环境 或 细胞 的 营养 或 代谢 的 变化 而 改变 ,这 是 遗传 物质 所 希望 有 的 性 质 。 其 次 ,每 一 细胞 中 DNA 的 含量 似乎 与 细胞 的 复杂 程度 成 比例 ,也 就 是 与 所 含 的 遗传 信息 量 成 比例 。 表 31=-1 中 的 数据 说 明 进 化 程度 您 高 有机体 的 每 一 细胞 中 的 DNA 含量 也 愈 多 。 每 一 个 细菌 细胞 含 DNA 约 0.01pg( 相 当 于 温 重 的 1 免 )(lpg 一 1 X 107%); Th -高 等 动物 的 组 织 中 每 休 细 胞 中 则 约 含 6pg DNA 此 外 ， 高 等 动物 的 性 细胞 是 单 倍 体 ， 员 甩 套 染 色 体 ， 所 含 DNA 量 只 有 同 种 双 倍 体 的 体 细胞 的 一 半 。 任 一 种 属 高 等 有 机 体 中 每 一 双 倍 体 细胞 所 含 DNA 量 在 各 类 型 细胞 中 几乎 都 是 恒定 的 ( 表 31-2)。 ZEA DNA 的 动物 及 细菌 的 病毒 中 , 它们 的 基因 数 相对 较 少 ,因此 遗传 信息 也 少 , 相 应 的 它们 的 DNA 含量 也 比较 少 。 名 菌 病毒 的 复制 实验 也 指出 DNA 是 遗传 晰 质 。 A. D. Hershey fa M. Chase 在 1952 年 报道 的 实验 结果 具有 特殊 的 意义 。 他 们 曾 在 含 适当 的 同位 素 标志 的 前 身 物 的 培养 基 中 ;培养 宿主 细菌 ， 制 备 成 同位 素 标记 在 蛋白 质 或 者 标记 在 DNA 中 的 病毒 颗粒 。 用 这 #31-1 和 某 些 细胞 和 病毒 中 DNA HARSH 种 标记 的 病毒 颗粒 ， 他 们 确定 无 疑 地 指 出 了 病毒 DNA 能 迅速 进入 宿主 细胞 ， -| DNA，pg/ 细 胞 | 核 埋 酸 对 的 数目 种 而 病毒 蛋白 质 则 不 能 。 紧 跟着 这 些 观 察 《或 病毒 颗粒 ) (BAD 又 证 明 在 无 病毒 蛋白 质 存 在 下 ， 病 毒 核 ied ie 酸 单独 具有 感染 性 ， 并 且 能 在 宿主 细胞 isis 中 生成 完整 的 病毒 后 代 。 eo 2 4,500 表 31-2 wap DNA 的 含量 岛 类 2,000 一 一 甲壳 动物 类 2,800 组 织 DNA, pg/ 细 胞 软体 动物 类 1,100 心脏 2.45 海绵 动物 类 100 肾脏 2.20 高 等 植物 2,300 肝脏 2.66 真菌 0.02 一 0.17 20 脾脏 2.55 细菌 0.002 一 0.06 2 胰 脏 2.61 MEE tk T. 0.00024 0.17 红细胞 2.47 WEE Hk A 0.00008 0.05 性 细胞 ( 单 倍 体 ) 1.26 表 中 数据 对 真 核 机 体 是 指 体 细胞 ( 双 倍 体 )。 DNA 中 碱 基 组 成 的 当量 支持 DNA 是 遗传 信息 的 负荷 者 这 一 观点 的 最 重要 的 生化 证 据 之 一 ， 就 是 发 现 了 DNA 的 碱 基 组 成 是 与 种 属 的 来 源 有 关 。 在 可 以 应 用 可 靠 的 色谱 方法 以 前 ， 还 认为 DNA 中 所 发 现 的 四 种 主要 碱 基 一 一 腺 叮 吟 . 岛 嗓 叭 , 胞 喀 跑 及 胸腺 喀 啶 一 一 在 所 有 的 DNA 分 子 中 ,都 是 以 等 克 分 子 比 率 存在 。 后 来 ,从 1949 年 至 1953 年 ，E. Chargaff 及 其 同事 们 应 ° 739。 用 定量 色谱 方法 ， 分 离 和 定量 分 析 了 从 不 同 生物 机 体 分 离 得 到 的 DNA 样品 水 解 液 中 的 四 种 碱 基 。 他 们 和 其 他 作者 收集 到 的 一 些 数据 列 于 表 31-3 中 ,从 这 些 数据 中 可 作出 下 列 重要 结论 : 1.DNA 的 碱 基 组 成 随 种 属 差 异 而 有 不 同 。 2. 从 同一 种 属 的 不 同 组 织 中 分 离 的 DNA 样品 ,具有 相同 的 碱 基 组 成 。 3. 一 种 种 属 的 DNA 的 碱 基 组 成 不 随 年 龄 \ 营 养 状态 或 环境 变化 而 改变 5 4. 在 几乎 所 有 测定 的 DNA 中 ，, 腺 叮 叭 残 基 数目 常 与 胸腺 喀 吓 残 基数 目 相同 , 即 A= T, 同 时 鸟 味 叭 与 胞 旷 啶 残 基数 目 相 等 (G 一 C)。 显 然 很 清楚 味 叭 残 基 的 总 和 等 于 喀 啶 残 基 的 总 和 , 即 A 十 G 一 C 十 T。 5. 从 很 接近 相关 的 种 属 中 抽 提 出 的 DNA， 具 有 相似 的 碱 基 组 成 ;而 差异 很 大 的 种 属 很 可 能 含有 大 不 相同 的 碱 基 组 成 。 实 际 上 可 以 用 DNA 的 碱 基 组 成 来 进行 有 机 体 的 分 2B 31-3 DNA REARS 差 是 实验 误差 所 致 > 碱 基 组 成 克 分 子 9 产 气 莱 膜 梭 状 芽 胞 杆菌 布 鲁 氏 杆菌 AGAR © we Pk ; DNA 结构 的 Watson-Crick 模型 从 不 同 种 属 的 DNA 中 所 观察 到 的 碱 基 组 成 的 当量 不 同 ， 提 出 了 这 样 一 个 令 人 感 兴 sa 740 。 趣 的 可 能 性 , 即 对 某 一 定 碱 基 当 量 是 一 致 、 而 对 另外 的 碱 基 当 量 不 一 致 的 DNA 分 子 有 一 企 结 构 上 的 机 构 水 平 。 实际 上 已 经 设想 DNA 有 一 种 专 一 的 三 维 构象 。 因 为 天 然 的 DNA IRA THERA, RA DNA 分 子 是 长 而 刚 硬 , 而 不 是 紧 实 和 折 稚 的 。 而 且 向 新 鲜 分 BAY DNA 加 热 , 可 使 其 粘度 和 其 它 物 理性 质 发 生 明 显 的 变化 ， 但 是 DNA 主 链 中 的 共 价 键 并 没有 破坏 。 由 于 这 些 观 察 以 及 工 . Pauling 及 其 同事 们 用 入 射线 衍射 来 推断 并 卓越 地 发 现 了 某 些 纤维 状 蛋白 质 多 肽 链 中 的 x- 螺 旋 排 列 。 而 在 十 九 世 纪 五 十 年 代 初 期 就 不 可 避免 地 应 用 了 这 种 强 有 力 的 X 射 线 方法 来 研究 解决 DNA 的 结构 问题 。 事 实 上 ， 还 早 在 1938 年 就 已 经 应 用 X 射线 衍射 来 分 析 DNA 纤维 了 ; 那 时 候 W. Astbury 和 F. O. Bell 第 一 次 观察 到 纤维 状 DNA 样品 , 沿 其 纤维 轴 出 现 有 规则 的 间距 为 0.334 毫 微米 的 反射 。 但 是 由 于 已 知 DNA 不 纯 , 当 时 对 这 一 观察 的 意义 是 不 清楚 的 。 从 1950 至 1953 年 期 间 , 特 BIS FH FR. Franklin 和 M. H. F. Wilkins 的 工作 ,从 高 度 纯 化 的 DNA 纤维 获得 更 精密 的 X 射 线 分 析 数 据 。DNA 可 制备 成 两 种 水 化 程度 不 同 的 形式 即 A 型 和 B 型, B 型 是 具 生 物 学 重要 性 的 一 种 形式 。 发 现 DNA 的 B 型 具有 二 种 周期 性 ,主要 的 一 种 为 0.34 SRK, 另 一 种 为 3.4 毫 微米 (图 31-1)。 使 人 联想 到 在 x= 角 蛋白 中 所 见 到 的 主要 和 次 要 周期 性 。 在 这 个 时 期 的 前 后 ， 许 多 实验 室 积累 了 一 些 关 于 味 叭 、 喀 啶 碱 基 以 及 核 苷 酸 空 间 结构 的 X 射 线 分 析 的 数据 。 提出 DNA 分 子 的 三 维 构象 模型 的 时 期 已 经 成 熟 ， 这 模型 应 可 用 来 说 明 已 知 碱 基 的 空 间 构 型 和 DNA 结构 中 所 见 的 周期 性 ， 以 及 某 种 碱 基 的 当量 。 DNA 分 子 怎么 会 如 此 高 度 精 确 地 进行 复制 这 样 一 个 善 遍 的 疑问 大 大 地 增加 了 人 们 对 问题 的 兴趣 。 如 果 遗 传 信息 如 同 所 设想 的 那样 是 以 DNA 中 的 专 一 碱 基 顺 序 编码 的 话 ， 那 未 这 种 顺序 又 如 何 能 精确 地 进行 复制 呢 ? 1953 #, J. D. Watson 和 下 . H.C. Crick 根 握 Franklin Al Wilkins 的 入 射线 的 数据 以 及 Cha- rgaff 观察 到 的 大 基 组 成 等 当量 ,假设 了 DNA 的 p31 1 1950 apse REaaklin amity 一 种 精确 的 三 维 结构 模型 。 这 种 莘 型 不 仅 能 解释 型 DNA XMM. habe + DNA 的 许 允 忆 知 化 学 和 罗 理 性质 ,而 且 也 提出 了 TEMRT NNR RR me: 一 种 遗传 信息 能 被 精确 地 复制 的 机 制 。 碱 基 紧 密 堆 倒 形成 的 。( 引 自 James D. Wa- DNA 结构 的 io ae 模型 (图 1-2), tson, The Double Helix, 1968) HWARASRRMSRARE, HARMS RIE MTB. BI 链 或 股 是 反 向 平行 的 , 即 其 核 背 酸 间 的 3 ,5 磷酸 二 酯 键 反方 向 而 行 。 由 于 两 条 链 是 这 样 盘 绕 着 以 致 它们 不 能 分 开 ,除非 折 散 螺旋 。 这 种 螺旋 称 为 相 缠 型 (plectonemic)， 每 股 链 的 叮 吟 和 喀 喧 碱 堆 集 在 双 螺 旋 的 内 侧 , 其 平面 彼此 平行 ,并 与 双 螺 旋 的 长 轴 垂 直 。 一 股 链 的 碱 基 在 同一 平面 与 另 一 股 链 的 碱 基 配 对 。 两 股 所 提供 的 碱 基 对 必须 是 某 些 能 彼此 互相 以 氢 键 结合 而 且 放 在 这 一 结构 中 恰巧 适合 的 碱 基 对 。 这 种 被 允许 的 配对 有 A-T 和 G-C ,这 又 恰好 是 DNA 中 表现 为 等 当量 的 碱 基 对 。 图 31-3 表示 它们 如 何 形成 氢 键 的 。 不 允许 配 对 的 叮 哈 A 和 G, 因 分 子 太 大 ,对 于 只 有 .2.0 毫 微米 厚 的 螺旋 来 说 是 不 适合 ,而 不 能 配对 。274TI 。 AY Mee hit C ALT, 在 2.0 SROKA EA MIS ABBA, RR A ENA 键 。 能 够 配对 的 碱 基 A-T 和 G-C, 不 仅 大 小 相同 ,而 且 它 们 都 比 A-G 和 . C-T 能 以 更 强 AA BR. 因此，Watson-Crick 双 螺 旋 不 仅 含有 以 氢 键 连接 的 碱 基 对 可 能 最 多 ,而 且 这 些 碱 基 对 也 表现 出 最 好 的 配合 和 最 大 的 稳定 性 。 Watson-Crick 在 解释 和 射线 方法 中 所 观察 到 的 0.34 毫 微米 周期 性 时 ,- 曾 设想 碱 基 是 彼此 从 中 心 到 中 心 相 距 0.34 毫 微米 而 排列 起 来 的 。 在 双 螺 旋 中 每 一 个 完整 的 螺旋 恰好 有 10 个 核 昔 酸 残 基 , 这 可 解释 有 3.4 毫 微米 的 次 级 重复 间距 。 理 论 上 DNA 还 可 能 有 其 它 的 螺旋 形式 ， 但 是 不 可 能 有 和 天然 DNA 中 所 见 那 种 沿 长 轴 出 现 的 0.34 毫 微米 的 重复 间距 。 Watson-Crick 双 螺 旋 的 直径 约 2.0 Bik, 具有 一 个 浅 沟 和 一 个 深 沟 ; 相对 芷 水 的 碱 基 是 与 水 隔 开 的 ,而 在 双 螺 旋 的 内 面 ;而 极 性 的 糖 残 基 和 带 负 电荷 的 磷酸 根 , 则 位 于 外 侧 , 暴露 在 水 中 。 这 种 双 螺 旋 所 以 稳定 ,不 仅 因 为 有 互补 碱 基 对 的 氢 键 ;而 且 也 因为 排列 的 碱 基 间 有 电子 的 相互 作用 和 芯 水 作用 。 双 螺 旋 DNA 的 两 条 反 向 平行 的 链 上 的 碱 基 顺 序 和 组 成 并 不 相同 (图 31-4), 相 反 地 ， 两 条 链 彼此 互补 : 即 一 条 链 上 有 了 腺 味 叭 , 另 一 条 链 上 则 有 胸腺 喀 啶 或 者 相反 6. 疝 时 ,如 一 条 链 上 有 鸟 味 叭 ,而 另 一 条 链 上 则 有 胞 喀 啶 或 者 相反 。 0.34 SRK 3.4 毫 微 米 2.0 AK 主 链 的 结构 模型 (W. Bichi.) 空间 填充 模型 C(M. H. F. Wilkins) 图 31-2 DNA 结构 的 Watson-Crick 模型 “I > NR 图 31-3 ARR Re Y—Re4 ieee Ss 4 ia ee—_H4 WH RAM SA 模型 ?前 者 具有 两 个 气 键 y 后 者 有 三 个 SEE eae eR RAE Alp Ka DRE HAE A BLA (S| L. Pauling and R. B. Corey) a i I II I Il A 人 T A ¢ | | | | tort pM | Ga Cc G G ' Soul Sa 34 a ge Acsoree T A A | | bese) a 1 wef ae | rs 57 iI | 3 CC G c | | | C ereeee G Gc oi % | | | | es G C T Hy Watson 和 :Crick 提出 的 DNA 的 互补 、 股 工 和 股 I 从 上 面 拿 下 放 在 平行 反 疝 平行 链 。 注 意 碱 基 配 对 的 反 向 平行 链 的 极 性 ;注意 碱 基 并 不 互补 s 在 碱 基 组 成 和 顺序 上 都 不 相同 。 31-4 DNA 链 的 极 性 DNA 的 双 螺旋 结构 还 推论 出 Watson-Crick 假说 的 第 二 要点, 即 关 于 遗传 信息 准确 复 制 的 机 制 。 因为 DNA 双 螺 旋 中 的 两 股 链 在 结构 上 是 彼此 互补 的 ,所 以 包含 有 互补 的 信 息 , 当 细胞 分 裂 DNA 复制 时 , 设想 就 发 生 两 股 链 的 复制 ， 所 以 每 一 股 母 链 是 决定 新 的 互 | 补 链 的 碱 基 顺 序 的 模板 。 复制 过 程 的 最 终结 果 是 形成 了 两 个 子 代 DNA 双 螺 旋 分 子 ， 每 ° 7436 一 个 子 代 分 子 都 与 亲 代 DNA 相同 ,而 且 每 一 个 含有 一 股 来 自 亲 代 的 链 。( 图 31-5) 经 过 好 多 年 才 用 实验 直接 证 明 DNA 中 两 股 链 的 反 向 平行 的 极 性 和 止 述 复制 过 程 中 的 “ 半 保 留 的 性 质 。 然 而 Watson-Crick 假说 对 于 为 阐明 遗传 信息 转移 的 分 子 基础 而 设计 的 实验 的 性 质 起 了 适时 的 和 座 刻 的 影响 。 很 多 其 它 种 类 的 证 据 迅速 支持 了 DNA 的 双 螺 旋 结 构 。 这 里 可 举例 说 明 。 已 知 分 子 量 的 均一 天 然 的 DNA 分 子 的 长 度 , 例如 某 种 细菌 病毒 中 较 小 的 DNAs, 可 用 电子 显微镜 直接 准确 地 测 得 (图 31-6). 观察 得 到 的 已 知 分 子 量 的 病毒 DNA 分 子 的 长 度 与 从 双 螺 旋 模 型 计算 而 推测 出 来 的 长 度 是 很 好 地 一 致 的 。 病毒 DNA: 环形 法 则 根据 从 细菌 细胞 或 动物 组 织 的 酚 水 溶液 或 中 性 盐 溶液 中 抽 提 出 来 的 DNA REEL, 得 其 分 子 量 ,多 少年 来 一 直 认 为 是 在 1000 万 数量 级 。 但 是 现在 已 知 大 多 数 完 整 的 天 然 DNA 分 子 比 上 述 早 期 估计 所 指出 的 要 大 得 多 。 事 实 上 , 由 于 细 菌 和 动物 细胞 的 天 然 DNA 分 子 太 大 , 不 容易 分 离 成 完整 的 分 子 。 因 为 在 抽 提 和 操作 中 ,DNA 容 易 被 切 应 力 所 折断 。 甚 至 简单 的 搅拌 或 吸取 DNA 溶液 也 能 使 天 然 DNA 分 子 断 裂 为 分 子 量 约 1,000 万 左右 的 碎片 。 另 一 方面 ， 细 菌 病毒 的 DNA 分 子 较 容易 得 到 均一 的 天 然 形式 ( 表 31-4); 它 们 可 用 来 作为 细 菌 和 真 核 细 胞 的 比 它 大 很 多 的 DNA 分 子 的 有 价 值 的 原型 。 对 大 肠 杆菌 的 微型 噬菌体 A X174 曾 给 以 较 多 的 重视 。 前 者 是 一 线形 双 股 DNA, 分 子 量 为 3,200 万 。 将 样品 平 铺 在 格 板 上 ,测量 其 电 ial pie oo ices 子 显微镜 图 ， 得 其 外 形 长 度 约 为 17.2 微米 。 OX 174 病毒 的 DNA 是 一 种 最 小 的 DNA 病毒 , CH 本 全 二 二 信 。 单 肌 园 歼 (分 子 量 179 万 ); 然而 法 人 窒 主 大 也 互补 子 链 的 模板 。( 引 自 James D. Watson) ，” 菌 细胞 中 时 , 它 转变 成 为 一 双 股 能 复制 的 形式 (分 子 量 340 万 )( 图 31-6)。 单 股 形式 的 外 形 长 度 仅 1.77 微米 和 6X174 病毒 有 很 重要 的 实验 意义 ,将 在 第 州 二 章 更 详细 地 讨论 。 较 大 的 吻 菌 体 实 的 DNA 也 示 于 图 31-6 中 。 从 表 31-4 所 列 数据 可 见 双 股 DNA 分 子 的 外 形 长 度 与 其 分 子 量 成 一 简单 比例 ; 外 形 长 度 为 1.0 微米 , 约 相当 于 2.0 KRG, SAA) 3,000 碱 基 对 。 虽然 $X 174 DNA 是 单 股 圆 形 的 ,在 多 数 情 况 下 病毒 DNA 是 线性 双 股 分 子 。 然 而 线 性 病毒 DNA 表现 有 某 些 典型 的 结构 特征 ， 这 指出 它们 在 最 初 形成 的 是 圆 形 或 者 在 复制 前 转变 为 圆 形 ; 这 一 观点 称 为 “环形 法 则 ”(the“rule of ring”)。 某 些 线性 病毒 DNA， 例 如 噬菌体 4, 有 “粘连 ?未 端 (“sticky”ends)。 这 些 双 股 DNA 的 5 末端 ,如 同 单 股 一 样 , 伸 。 7446 0.25 微米 _ 两 个 环 状 ,四 X174 DNA 分 子 。 上 上 面 一 个 是 双 股 链 。 下 面 一 企 是 < 卷 HH AY 单 股 分 子 。 8 1.0 微米 说 T, DNA, 视野 左 侧 可 见 大 肠 杆 菌 的 质粒 。 中 1.0 微米 | 1 DNA (环形 ) 图 31-6 WRK %X174、 和 及 T 的 DNA 的 电子 显微镜 图 。 出 在 3 未 端 外 5 在 这 些 未 端 上 的 12 个 核 昔 酸 是 互补 的 ;因此 很 容易 配对 形成 圆 形 , 然后 在 DNA 连接 酶 作用 下 以 共 价 键 封闭 连接 起 来 。 而 且 某 些 线形 病毒 DNA 还 表现 有 未 端 ES, 即 在 3 未 端 出 现 的 碱 基 顺 序 在 同一 股 的 5= 未 端 重复 这 一 顺序 。 当 核 酸 酶 作用 于 这 种 顺序 时 ,导致 形成 互补 粘连 未 端 , 进 而 生成 共 价 环形 。 几 种 病毒 DNA 的 另 一 独特 的 结构 特点 是 它们 并 没有 独特 的 碱 基 有 顺序， 而 是 含有 一 群 分子 其 顺序 互相 呈 环 形 排列 。 环 形 排列 可 由 王 述 三 种 线形 双 股 DNA 为 例 说 明 , 其 碱 基 编 有 号 码 ; » 745° WwW a VI ON pt a | co a © — Oo — bo 7.& 9 10 fie 34a Men 8” 9" do’ 15.12". aoa % 31-4 某 些 病毒 DNAs 的 大 小 G 十 C 百 分 含量 Ao Bae a $X174, BRE PX174, 双 股 链 用 核酸 外 切 酶 和 DNA 连接 酶 的 作用 使 互补 的 粘连 末端 暴露 出 来 ， 则 这 些 环形 排列 的 线形 DNA 显然 可 以 形成 相同 的 环形 分 子 。 病毒 DNA 的 另 一 特征 是 它们 的 一 些 碱 基 被 修饰 了 。Feven Mik rath A He FH Se Hea ase 而 不 是 胞 喀 啶 ;另外 , 羟 甲 基 胞 喀 啶 的 羟基 常常 是 与 葡萄 糖 基 结 合 的 。 这 些 修 饰 保护 了 病 毒 DNA 免得 被 宿主 细胞 的 核酸 内 切 酶 所 降解 。 虽然 “染色 体 " 一 词 ， 原 来 是 指 真 核 细胞 核 经 特殊 染色 技术 后 在 显微镜 下 观察 所 见 的 结构 ,现在 则 更 不 太 严 格 地 用 以 指 细菌 以 及 病毒 的 遗传 物质 。 细 tw DNA 大 肠 杆 菌 及 其 它 细 菌 完整 的 天 然 DNA OF, 由 于 其 分 子 较 大 ,难以 分 离 并 用 标准 的 流体 动力 学 方法 进行 研究 , 但 是 也 获得 某 些 成 就 。 细菌 DNA 分 子 不仅 曾 用 电子 显微镜 进行 了 观察 , 而 且 还 进行 了 放射 自 显 术 研究 。 大 肠 杆菌 的 染色 体 看 来 含有 一 个 简单 而 巨 大 的 双 股 DNA 分 子 , 分 子 量 约 为 2.8 X 10°, BH 2.0 毫 微米 ,外 形 长 约 1360 微米 《1.36 毫米 )。 大 肠 杆 菌 DNA 含有 400 万 个 核 昔 酸 对 (每 一 对 的 平均 分 子 量 为 670)。 这 种 巨大 的 DNA 分 子 是 一 封闭 的 环 ， 不 严格 地 可 称 之 为 圆 环 。 这 与 大 肠 杆菌 的 单个 染色 体 的 遗 传 图 是 圆 形 的 这 一 事实 是 符合 的 。 这 种 细菌 的 染色 体 紧 密 和 坚实 地 环绕 核 区 ,并 以 茶 些 RNA 维系 在 一 起 ， 这 些 RNA 形成 浓 聚 染色 体 的 骨架 或 核心 。 而 DNA 分 子 则 集合 成 50 个 或 更 多 的 高 度 扭 曲 的 超 螺旋 环 。( 图 31-7) 除 细 菌 中 的 单一 大 环形 染色 体外 ， 细 菌 细胞 中 各 处 还 含有 1 一 20 个 更 小 的 圆 形 双 股 DNA 分 子 , 称 为 质粒 (plasmids)。 它们 的 大 小 类 似 病 毒 DNA, 45 B 100 兆 道 尔 顿 的 范 围 内 。 它 们 和 染色 体 一 起 以 固定 数目 进行 复制 。 它 们 的 功用 还 不 和 清 楚 ， 但 其 中 有 些 称 为 ° 746° AA DNA Cepisomes) 的 ,能 摊 入 宿主 细胞 的 染色 体 中 去 。 当 性 结合 时 , 质粒 可 以 从 一 个 细 菌 细胞 转移 到 另 一 细菌 中 去 ， 然 后 在 受 体 细胞 中 给 予 新 的 表 型 特征 。 真 核 细胞 染色 体 真 核 细胞 的 核 含有 几 个 或 许多 核 染 色 体 ， 取 决 于 种 属 的 不 同 ( 表 ,31-5)。 每 一 个 染色 体 含 有 一 个 很 大 的 DNA 分 子 。 对 高 等 生物 机 体 细胞 中 个 别 DNA 分 子 的 大 小 , 了 解 很 少 。 然 而 果 蝇 的 染色 体 最 大 ,发 现 它 是 一 长 约 4.0cm 的 双 股 DNA 线 形 分 子 , 分 子 量 接近 80 X 10*, 比 大 肠 杆 菌 的 染色 体 差 不 多 要 大 40 倍 。 在 一 个 哺乳 类 动物 细胞 内 存在 的 所 有 DNA, 假设 是 双 螺 旋 的 话 , 计 算 其 总 长 度 约 为 2 米 5 这 相当 于 5.5 X 10° 碱 基 对 。 表 31-5 不同 种 属 的 正常 染色 体 数 原核 生物 ( 单 倍 体 ) 细菌 1 真 核 生 物 ( 双 倍 体 ) 果 蝇 8 AM =E | 14 RRA 14 em 16 zx - mm a 26 xk #8 30 狐 34 ia 38 小 鼠 40 “大 鼠 42 家 免 44 人 46 鸡 78 真 核 细胞 的 细胞 核 中 DNA 的 超 结构 机 构 是 很 复杂 的 ， 并 且 在 细胞 分 裂 周 期 中 有 了 明显 的 变化 。 在 间 期 〈 细 胞 有 丝 分 RAM) 真 核 细胞 核 含 有 不 规则 的 网 状 染 色 质 。 这 样 命 名 是 因为 它 与 碱 性 染料 着 色 较 深 ( 图 1-9)。 这 时 染色 体 还 没 有 分 开 。 在 有 丝 分 裂 前 期 的 最 后 阶段 ， 染 色 体 变 成 最 清晰 可 见 。 体 细胞 的 染色 质 丝 的 直径 约 为 20 毫 微米 。 它们 含 的 二 种 主要 组 分 CDNA 和 一 种 碱 性 蛋白 质 一 一 组 蛋白 》 的 含量 大 致 相等 。 此 外 ， 染 色 质 还 含有 某 些 酸性 的 非 组 蛋白 的 其 它 蛋 白质 、 某 些 酶 蛋白 如 DNA 聚合 酶 ， 以 及 胞 核 RNA 和 某 些 脂 1,500S 155S 图 31-7 大肠 杆 菌 的 染色 体 是 由 一 很 大 的 超 螺旋 环 双 链 组 成 , 盘 绕 多 次 ,并 以 某 种 RNA 维系 在 一 起 。 连续 的 单 股 链接 头 痕迹 《箭头 记 示 ) 使 超 螺旋 环 松 开 》 直 至 整个 分 子 解 开 并 生成 一 松 开 的 双 链 贺 环 , 然 后 进行 复制 。[ 引 自 A. Wo- rcel and E. Burgi, J. Mol. Brol., 71: 143 (1972)] °747° 类 等 。 组 蛋白 是 比较 小 的 高 度 碱 性 ( 即 在 pH 7.0 带 正 电荷 ) 的 蛋白 质 , 分 子 量 在 10000 至 20,000 范围 内 〈 表 31-6)。 根据 它们 的 赖 氨 酸 与 精 氨 酸 的 相对 含量 可 分 为 五 大 类 。 Hee 组 蛋白 的 氨基 酸 顺 序 已 经 知道 。 通 过 蛋白 激酶 的 作用 ,组 蛋白 中 某 些 丝氨酸 羟基 被 酶 促 磷 酸化 。 一 般 认 为 组 蛋白 分 子 有 规律 地 排列 在 DNA 双 螺 旋 的 深 沟 中 。 组 蛋白 中 重复 出 现 的 正 电 荷 与 DNA 的 带 负 电荷 的 磷酸 根 形 成 静电 联合 ,使 DNA 更 加 稳定 和 更 为 柔韧 。 在 染色 质 丝 中 ，DNA 的 双 螺旋 和 其 所 联合 的 组 蛋白 一 起 再 以 螺旋 盘 绕 , 并 多 次 向 前 向 后 折 登 。 这 些 染色 质 丝 反 过 来 又 形成 许多 环 而 一 起 结合 在 着 丝 粒 上 。 曾经 计算 大 类 染色 体 13 含 有 一 长 约 32;000 微米 (3.2 厘米 ) 的 DNA 分 子 ,环绕 形成 一 染色 单 体 (chromatid)， 长 约 6 微米 ;直径 约 0.8 微米 。 组 蛋白 是 包含 在 真 核 细胞 染色 体 'DNA DBE RAH, 者 是 作为 结构 组 成 部 分 或 者 是 掩盖 或 抑制 DNA 的 特殊 节 段 ,使 之 不 能 转录 4 这 些 节 段 能 够 展开 ， 因 而 为 了 回答 某 些 分 子 信号 可 以 等 待 转录 。 图 31-8 是 表示 人 类 细胞 的 46 PE 色 体 中 的 一 个 染色 体 的 电子 显微镜 图 。 对 果 晶 唾液 腺 细胞 中 异常 巨大 的 染色 体 进行 了 研 究 ,提供 了 染色 质 丝 分 子 机 构 的 重要 线索 s 它们 包含 伸展 的 DNA- 蛋 白质 丝 节 段 , 并 被 二 些 高 度 折 又 的 细 丝 组 成 的 带 分 隔 开 来 (图 31-9)。 曾 经 提议 折 和 对 区 的 “ 世 松 部 分 ”是 裸 人 去 oes 而 展开 的 待 转录 的 ,DNA 环 。 BERR 细胞 染色 体 的 酶 促 复制 和 转录 将 在 另 章 讨论 ， 并 提出 许多 拓扑 学 的 和 几何 学 的 问题 。 图 31-9 真 核 细胞 染色 体 的 结构 示意 图 。 现 在 还 不 可 能 对 染色 体 结构 提出 一 种 简单 的 满意 的 模型 ,曾经 给 予 过 恰 如 其 份 的 描述 比喻 像 在 通 心 粉 厂 里 倒霉 的 一 天 一 样 。 土 图 表示 每 个 染 - 色 = 2 BEG ZL 体 丝 (参看 图 31-8) 似 由 一 被 组 蛋白 围绕 的 双 螺 图 31-8 人 类 染色 体 12 的 电子 显微镜 图 。 人 类 染色 体 中 旋 DNA 构成 ,并 且 紧 紧 地 盘 绕 着 。 例 如 G. P. 24 #4 15% DNA, 10% RNA 及 5% EAM. 它们 是 由 Georgiev(7¢_EfA)B. M. Richard A] J. E. Pardon 长 染色 质 丝 组 成 ,染色 质 丝 的 直径 约 20 一 30 BK, KH 提出 的 模型 (右上 图 )。 下 图 表示 在 复制 时 这 种 700 一 800 微米 。 认 为 每 一 染色 质 丝 含有 一 个 4 厘米 长 和 盘 绕 细 丝 又 松 开 ,左下 图 为 Gsorgisv 提出 的 模 以 超 螺 旋 排 列 的 DNA 双 螺 旋 * 并 且 以 蛋白 质 围 着 DNA 缠 #54 FAX D. E. Comings 和 T. A. Okads 绕 形成 。(33,750X)( 引 自 E. J. DuPraw) 提出 的 模型 。 * 748 « 表 31-6 组 蛋白 的 种 类 根据 分 级 分 离 方法 不 同 )* 有 二 种 不 同 的 命名 系统 来 表示 五 类 组 蛋白 ;其 组 成 随 种 属 而 异 。 类 Bll 含量 最 丰 的 氨基 酸 96 残 基数 目 分 子 Be TI=11P HARE, 27 207 21,000 IIb2 = f2b 赖 氨 酸 ，16 125 13,800) IIbl = {2a2 MAR, 11, 129 | 15,009 精 氨 酸 ， 9 II = f3 精 氨 酸 》 150 135 15 ,342 Hi BE 910 . “aaah ly = 5 HAM, 15 102 11,000 HEM, 14 . 站 .页 核 细胞 线粒体 中 所 合 的 .DNA 与 细胞 核 中 发 现 的 完全 不 同 。 SAK DNA JER 环形 的 ;但 是 其 分 子 量 仅 约 1000 万 ;因此 从 大 小 来 说 它 类 似 小 的 噬菌体 的 DNA。 线 粒 休 的 DNA 在 碱 基 组 成 方面 也 与 同一 细胞 的 胞 核 的 DNA 不 同 。 每 一 线粒体 约 有 四 至 六 分 子 RY DNA. 但 是 在 体 细胞 中 线粒体 DNA 的 总 量 远 少 于 细胞 DNA 总 量 的 1 多 。 高 等 植物 的 叶绿体 中 也 含有 DNA。 线 粒 体 中 IDNA 有 一 小 部 分 是 以 交织 的 圆 环 形式 存在 , KORE GAME Case siciees CIB DM EADY Ee REL HE DNA SERRE PBR IRI / * tue ~ * ¢ AN 加 31210， 环形 线粒体 一 种 超 螺 旋 双 股 环 ) 夺 :了 股 不 类 解 开 超 AMC 2h WON BA , 螺旋 扭曲 的 结果 | 图 31-11 WKH DNA -的 起 螺旋 epee SG Mt ES 环形 DNA 的 超 曝 旋 “从 病毒 、 细 菌 和 线粒体 中 小 心地 分 离 出 的 天 然 形 式 环形 双 股 | DNA， 常常 形成 超 螺旋 或 超 扭曲 (图 31-11)。 当 DNA 的 每 一 单位 长 度 中 所 含 的 碱 基 虑 在 双 螺 旋 中 正常 所 含 的 数 目 为 多 时 就 会 形成 超 螺旋 。 由 于 反 向 或 负 向 扭曲 结果 使 整个 环形 DNA 结构 补偿 或 解除 了 这 种 扭 应 力 。 在 下 列 情况 下 这 种 超 螺旋 将 “ 松 开 ”: 断裂 DNA IRE, 随即 又 重新 封 接 起 来 ; 在 碱 基于 中 间 插 入 某 种 化 学 物质 例如 省 化 乙 镑 (ethidium bromide) 或 与 某 种 蛋 自 质 结合 等 DNA EET 的 性 质 小 分 子 天 然 DNA 或 大 分 子 DNA 片段 的 溶 该 都 能 很 容易 地 用 物理 化 学 方法 进行 研 “745 。 究 ; 它 们 共同 具有 一 些 独 特 的 性 质 。 酸 碱 性 质 DNA 中 组 成 相 邻 单 核 苷 间 的 连接 桥 并 重复 发 生 的 次 级 磷酸 根 具 有 颇 低 的 pK’ 值 , 在 ‘si +NH,—CH,—CH,—CH,—NH,—CH,—CH,—CH,—CH, —NH,—CH,—CH,—CH, _NH, UK NH,—CH,—CH,—CH,—NH,—CH,—CH,—CH,—CH,—NH, 31-12， 精 胺 和 亚 精 胺 4 以 上 的 任何 pH 值 时 能 被 完全 电离 ,因此 DNA 是 强酸 性 的 。 前 已 述 及 这 些 磷酸 根 位 于 双 螺 旋 的 外 周 , 暴 露 于 水 中 xz 它们 与 二 价 阻 离子 如 Mg 和 Ca* 以 及 多 阳离子 的 胺 类 精 胺 和 亚 精 胺 能 强烈 地 结合 (图 31-12)。 在 许多 病毒 和 细菌 中 rane 发 现 精 胺 和 亚 精 胺 能 与 DNA AAs 结合 在 双 螺旋 DNA 沟 中 的 多 胺 既 能 稳定 DNA 分 子 ; 也 能 使 DNA BHR. a AXARRBSABABGCHE PRET ENN 离子 形式 , 而 离子 形式 又 取决 于 pH( 参 看 第 十 三 =), 因此 双 螺 旋 DNA 中 通过 氢 键 结合 的 碱 基 对 的 稳定 性 是 pH 的 函数 。 在 pH 4.0 至 11.0 之 间 ， 碱 基 对 是 最 稳定 的 。 超 出 这 种 非 生理 界限 ， 双 螺 旋 DNA 就 变 成 不 稳定 并 松 开 来 了 。 粘度 因为 双 螺旋 的 刚性 ， 以 及 _DNA :相对 于 其 较 ms woes 小 的 直径 来 说 是 极 长 的 ， 所 以 即 很 稀 的 , DNA % 液 , 也 是 高 粘性 的 。 粘 度 测 定常 用 以 追踪 双 股 DNA 分 子 的 解 开 或 变性 过 程 。 DNA 分 子 极 长 的 另 一 结果 是 当 DNA 扩散 时 , 它 将 携带 极 大 量 的 溶液 ， 溶液 量 比 它 本 身体 积 要 大 10,000 倍 。 因 此 , 只 有 在 极 稀 的 溶液 中 ，DNA 才 表 现 有 溶质 的 理想 性 质 。 沉降 行为 可 应 用 早期 研究 蛋白 质 的 超 离心 法 来 测定 DNA 样品 的 沉降 系数 和 分 子 量 。 由 于 .DNA 分 了 予 的 极 长 性 和 DNA 溶 液 的 高 粘度 ,所 以 须 在 一 系列 3113 WEP AGE 低 浓 度 DNA 溶 液 中 进行 沉降 测定 ,然后 作 图 延伸 至 DNA 浓度 为 0, 以 求 其 沉降 系数 。 又 DNA 在 260 毫 微米 波长 处 有 强 的 光 吸 收 ,因此 常 借 测 定 260 毫 微米 波长 处 的 光 吸 收 来 确定 DNA 的 沉降 界面 。 在 蔗糖 密度 梯度 溶液 中 的 沉 。750 。 密度 三 1.808 cm- 3 降 速 率 与 一 已 知 大 小 和 沉降 系数 的 DNA 样品 的 速率 进行 比较 ,可 测 得 DNA 的 分 子 量 。 现 已 广泛 应 用 氧化 饮 梯 度 中 进行 平衡 沉降 的 方法 来 测定 DNA 分 子 的 祁 力 密度 (buoyant density )。 当 以 一 浓 CsCl Bik (8.0M) 在 高 重力 场 下 离心 至 平衡 ，CsCl 沿 管 向 下 分 布 形 成 一 线性 梯度 ; 71 BK PIAA REN 1.55 克 / 毫 升 ， 底 部 约 1.80 克 / 毫 升 。 当 管 中 形 成 这 样 一 种 梯度 时 ,如 果 有 DNA 存在 ， 则 浓 聚 成 一 稳定 的 区 带 , 它 停留 在 管 中 的 位 置 ,恰好 是 它 的 浮力 密度 正 等 于 该 处 CsGl HRN BEA 31-13)。DNA 的 密度 可 以 直接 计算 出 来 或 与 一 已 知 的 在 同一 梯度 下 离心 的 标准 DNA 样品 的 密度 进行 比较 。 单 股 DNA 在 这 种 CsCl 梯度 中 比 双 股 DNA 的 密度 大 些 , 后 者 一 般 又 比 蛋白 质 的 密度 大 些 5 RNA 也 能 与 DNA 区别 开 来 ,因为 RNA 的 密度 比 单 股 或 双 股 DNA 都 要 大 。 :最 重要 的 是 和 祥 力 密 度 的 测定 还 可 提供 关于 DNA 禅 品 中 碱 基 组 成 的 资料 ， 因 为 G-C 碱 基 对 是 由 三 个 氨 键 连接 的 , 比 由 只 有 二 个 氢 键 连接 的 .A-T 碱 基 对 更 为 致 客 和 具 较 高 的 BE. DNA -样品 在 CsCl 梯度 中 的 译 力 密度 是 G-C 与 A-T 碱 基 对 比值 的 线性 函数 (图 31-14). CsCl 梯度 方法 还 能 揭示 出 完整 均匀 的 病毒 的 DNAs 呈 一 很 狭 罕 的 区 带 , 而 高 等 动物 细胞 中 的 不 规则 的 不 均匀 的 DNA 碎片 则 呈现 为 具 较 广 密度 范 围 的 宽 区 带 。 DNA 的 变 性 在 进行 下 列 处 理 时 ,， DNA 双 螺 旋 形 式 的 咨 液 会 受到 许多 物理 性 质 的 明显 改变 : (1) 极度 的 pH 2B 4b; (2) 加 热 ;(3) 用 醇 、 酮 等 降低 水 溶 入 的 介 电 常 数 及 (47) 以 尿素 、 酰 胺 及 相 似 溶 质 处 理 。 1.700 30 40 50 60 70 G 一 C RENHHADESS A 31-14 Wh DNA 的 浮力 密度 与 碱 基 组 成 间 的 关系 。 (数据 引 自 ; C. L, Schildcraut, J. Marmur and P. Doty) DNA 溶液 的 粘度 降低 ，260 毫 微米 的 光 吸 收 增加 ， 旋 光 更 加 向 负 值 变化 以 及 浮力 密 度 增加 。DNA 的 这 种 物理 变化 称 为 变性 ; 注意 DNA 的 变性 剂 与 使 球状 蛋白 质 伸 展 而 引 起 变性 的 变性 剂 相同 。 DNA 的 变性 时 没有 共 价 键 的 破坏 ,而 只 是 DNA 双 螺 旋 结 构 的 松 “751。 FADS. AP DAA DNA 的 双 螺 旋 结 构 :f(1) MEN ZANWABR (2) Boh 基 间 的 堆 集 的 相互 作用 。 SRAM OAD RBA. WKAR Re ee RES 一 种 随机 形成 的 圈 环 形式 ,这 即 称 为 单 股 或 变性 DNA。 高 色 效 应 用 以 检查 DNA 变性 最 简单 的 物理 变化 是 在 260 毫 微米 处 的 光 吸 收 增强 ， 这 称 为 高 色 效 应 Chyperchromic effect), 在 第 十 二 章 已 指出 味 哈 和 喀 啶 碱 基 以 及 其 相应 的 核 昔 酸 在 260 毫 微米 可 吸收 紫外 光 。 但 是 天 然 双 股 DNA 在 260 毫 微米 的 光 吸 收 远 比 从 其 组 成 的 单 核 昔 酸 的 光 吸 收 总 和 所 推断 的 要 小 很 多 。 如 果 天 然 双 股 DNA 加 热 使 变性 , 则 在 .260 这 微米 的 光 吸 收 则 大 大 增加 ,根据 DNA 样品 的 不 同 , 可 增加 达 40 9%as: SESARPERY DNA 的 总 光 吸 收 接 近 等 于 当量 数目 的 相应 游离 单 核 昔 酸 的 光 吸 收 总 和 。 KR DNA 样品 加 热 后 ; 在 260 毫 微米 的 光 吸 收 增加 的 百分率 直接 与 其 A-T ER She aera A-T oo Pa SS TERNS aS. CA 31-15) 100 te 80 41 & BASH | © 60 RECA © © my 区 . KBE. Ad Sas Det | 40 J #2 5k TB 0.5 0.6 0.7 0.8 ‘ 260 2S PA Kh HER WO 9 Se 图 31-15 某 些 DNA 样品 加 热 后 ?在 260 毫 微 米 的 光 吸 收 增加 * 高 色 效应 的 大 小 与 A-T 碱 基 对 的 克 分 子 百 分 数 相关 。( 引 自 H.R. Mahler; B. Kline and B. D. Mehrotra) WH DNA 分 子 的 光 吸 收 小 于 其 受 加 值 , 这 现象 称 为 低 色 性 〈hypochromism)， 这 是 由 于 天 然 双 螺旋 结构 中 排列 的 碱 基 间 的 电子 相互 作用 * 因 而 降低 了 每 一 个 残 基 能够 吸收 的 光量 的 缘故 。 当 双 螺 旋 结 构 被 打 乱 , 碱 基 排列 也 打 乱 了 ,而 且 这 种 形式 对 光 吸 收 妨 碍 较 小 ， 它 几 乎 象 是 游离 核 昔 酸 一 样 吸收 同样 多 的 光量 。 DNA 的 熔点 RR DNA 分 子 常常 只 要 增加 很 小 的 温度 ,就 会 变性 (图 31-16); 这 种 跃迁 的 陡峭 度 使 人 联想 到 简单 有 机 化 合 物 的 熔点 o: 事实 上 DNA 的 热 变性 常常 叫 它 为 融 解 。 不 同 种 类 的 细胞 的 DNA 样品 具有 不 同 特征 性 的 熔点 ， 称 为 Tm， 即 融 解 曲 线 中 点 的 温度 《图 31- 16)5 Tm BE G-C 碱 基 对 的 含量 呈 线 性 形式 增加 , 因 G-C 碱 基 对 有 三 个 氧 键 * 比 AST 对 更 稳定 。G=C 碱 基 对 含量 愈 高 , 则 结构 愈 稳定 ,裂解 它 所 需要 的 热能 就 愈 多 .在 固定 的 pH 和 离子 强度 的 条 件 下 ， 小 心 测定 DNA 样品 的 熔点 ， 能 对 其 碱 基 组 成 作出 一 显著 好 的 % 752。 1.0 G+CHAtT% AA, 260 毫 微米 0.0 t ,IST 7 80 85 70 80 90 100 110 TaC Te 一 种 病毒 DNA 和 一 种 细菌 DNA 的 特征 性 熔 解 从 植物 、 动 物 及 病毒 来 源 的 40 种 不 同 的 DNA HHA. BOF Be RANGE SRR. = 样品 的 Ta TH GC 含量 作 图 。- 所 有 样品 都 种 DNA 的 样品 的 -Gr-C 含量 不 同 。 是 在 相同 条 件 下 进行 测定 的 。 图 31-16，DNA WHER (Te) 及 其 与 G-C MEN ARIK, GIA: P. Dory) 估计 。 » DNA 变性 的 阶段 WHE DNA 分 子 的 变性 有 二 个 阶段 。 在 第 一 阶段 ， 分 子 中 的 双 股 结构 部 分 解 开 ， 但 至 少 还 保留 一 小 段 双 螺旋 结构 联 在 一 起 ， 这 一 小 段 双 螺旋 结构 仍 有 一 些 互补 碱 基 配 对 连 接 。 每 一 股 已 被 解 开 的 节 段 ; 则 其 构 型 呈 不 规则 的 变化 的 。 在 第 二 阶段 DNA 的 两 股 彼此 完全 分 开 。 如 在 这 一 阶段 迅速 冷却 ， 每 一 游离 股 又 和 自身 组 成 双 股 形成 短 的 不 完全 的 链 内 双 螺 旋 节 段 。( 图 31-17) 如 果 均 一 的 DNA 的 解 开 过 程 没有 超越 第 一 阶段 ， 它 的 变性 是 容易 逆转 的 。 只 要 有 一 双 螺 旋 节 段 将 两 股 链 连 在 一 起 ,并 还 有 些 碱 基 对 仍 有 配对 连接 。 那 委 当 温度 下 降 时 ,两 股 链 上 已 解 开 的 节 段 又 会 自动 重新 盘 绕 ， 再 形成 一 完整 的 双 螺旋 。 它 们 准确 地 变 回 到 具 有 最 小 自由 能 的 他 人行 的 天 然 构 型 中 去 。 然而 如 果 双 股 已 经 完全 分 离开 来 了 ， 那 么 重新 天 然 化 的 过 程 就 要 慢 得 多 。 均一 的 双 股 DNA 的 融 解 表 现 有 极 陡 的 温度 跃迁 ， 因 为 发 生 的 许多 连续 的 相互 作用 的 合作 性 质 致使 每 一 相互 作用 大 大 促进 第 二 个 相互 作用 发 生 的 趋势 。 对 于 双 股 DNA 的 解 开 和 重新 盘 绕 的 速度 曾 进行 过 许多 研究 ， 因 为 在 完整 细胞 中 当 DNA 复制 时 也 发 生 这 些 过 程 。 CSH= = ) 当 仔细 控制 对 均一 DNA 分 子 的 变性 条 件 , 它们 最 不 稳定 的 节 段 即 富 含 A-T 碱 基 对 的 部 分 ;首先 解 开 。 用 电子 显微镜 观察 这 种 部 分 变性 的 DNA， 可 见 有 富 含 A-T 碱 基 对 的 Ti Exo (图 31-18) 染色 体 双 螺 旋 F 十 DNA 细胞 -TONOSNOSORNOSONG imi F 因子 整合 et Cop: 部 分 解 开 的 | DNA ~ - DNA wn 乱 的 卷曲 的 Cas BE | 染色 体 (十 ) By 5B . 链 内 碱 Ger 基 配 对 31-17 DNA k oN gos pe 重组 细胞 HRA 有 新 的 表 型 图 31-19 ”大肠 李 菌 中 的 结合 过 程 示 意图 4 从 性 因 子 F 挨 人 染色 体 生成 x( 十 ) 细胞 开始 ;细胞 接近 ， (+) 细 胞 染色 体 中 一 股 单 链 通过 接合 桥 进入 (一 ) 细 图 31-(U3 线形 DNA 分 子 中 在 富 含 A-T 碱 胞 。 当 桥 中 断 时 > 进入 (一 ) 细 胞 的 (二 )DNA 部 分 就 可 基 的 区 域 选 择 性 地 使 其 变性 的 示意 图 ， 富 含 摊 入 到 (一 ) 染 色 体 中 ;并 失去 二 个 被 核酸 酶 作用 而 降 A-T 区 比 富 含 G-C 区 不 稳定 。 图 中 “ 空 泡 ? 解 了 的 相应 节 委 。 在 结合 不 同时 间 间 隔 后 ,根据 引进 表示 富 含 A-T 区 ,并 与 遗传 图 有 关 。 到 (一 ?细胞 内 的 新 的 表 型 ,就 有 可 能 描绘 染色 体 图 。 染色 体 结 构图 的 描绘 细菌 染色 体 上 不 同 基因 的 相对 位 置 的 遗传 图 之 所 以 能 描绘 ,是 因为 在 特别 的 环境 下 ， 一 类 细胞 中 含有 一 个 或 多 个 基因 的 染色 体 的 一 个 节 段 ， 可 以 脱 下 来 并 转移 至 另 一 类 细胞 ©7546 的 染色 体 上 ,并 与 之 共 价 结合 。 从 受 体 细胞 和 其 后 代表 型 的 变化 可 以 识别 这 种 重组 基因 。 在 真 核 有 机 体 中 这 种 基因 的 重组 是 一 种 普通 事情 , 多 常常 于 性 结合 中 发 生 。 但 是 在 原核 生物 中 这 却 比较 少见 。 然 而 选择 适当 的 实验 条 件 ， 可 以 大 大 提高 细菌 基因 重组 过 程 的 发 生 率 。 这 样 就 得 到 描绘 细菌 染色 体 基 因 相对 位 置 图 的 一 种 有 力 工具 s。 因此 ,四 类 基因 重 Ate: 〈1) 有 性 结合 ;〈2) 转 化 ; 3) 病毒 转 导 及 (4) 病 毒 重组 ;可 供 描绘 细菌 和 病毒 染色 体 图 之 用 。 第 一 个 过 程 ， 有 性 结合 ， 包 括 ”* 雄 性 "或 (二 ) 细 胞 的 部 分 或 全 部 染色 体 转 移 至 峻 性 或 《一 ) 细 胞 中 ， 推测 这 是 通过 作为 两 个 细胞 闻 的 一 种 中 空 的 连接 管 的 绒毛 或 毛 缘 之 二 进行 转移 的 (图 31-19). 正在 结合 的 大 肠 杆菌 细胞 在 特定 条 件 下 完成 (十 ) 染 色 体 的 转移 约 需 时 90 分 钟 。 用 搅 切 器 搅动 细胞 悬 液 可 以 在 任何 时 候 中 断 细 胞 间 的 联合 ， 因 此 也 即 中 断 结 合 过 程 。 应 用 这 种 方 法 根据 中 断 的 时 间 可 以 回收 带 有 不 同 数量 的 雄性 染色 体 物质 的 (一 ) 细 胞 (一 ) 细 胞 的 无 性 后 代 也 获得 了 雄 染 色 体 片 段 ,这 种 片段 决定 表 型 特性 的 类 型 和 数量 , 并 是 进入 的 时 间 的 函数 这样 就 能 推导 出 在 插入 的 雄 染 色 体 中 , 决 定 这 些 特 性 的 基因 的 相对 位 置 。 从 这 种 有 性 结合 实验 推 导出 的 最 重要 的 结论 之 一 是 大 肠 杆菌 的 染色 体 必 须 包 括 一 个 没有 末端 的 封闭 的 环 (图 31-20)。 因此 细菌 染色 体 的 遗传 图 是 环形 的 。 ma | 转 导 的 病毒 颗粒 eee ae | 供 体 细胞 基因 染色 体 \ a) 受 体 细胞 图 31-20 “从 有 性 结合 实验 推导 出 的 大 肠 杆菌 K12 的 圆 形 遗传 图 , 记 | 人 ka 度 表示 结合 时 雄 染 色 体 进入 的 时 间 。 整 个 染色 体 进入 需 时 89 分 钟 。 图 染色 体 中 仅 表示 少数 基因 的 位 置 。 图 例 表 示 基 因 突 变 的 效应 。( 引 自 A. 工 . Taylor and C. D. Trotter) 图 例 Leu = 生长 需要 亮 氨 酸 ，，PheA 三 生长 需要 苯 丙 氨 酸 ArgF 一 生长 需要 精 所 酸 LysA = 生长 需要 赖 氨 酸 Lac = 不 能 利用 乳糖 StrA = tie BR Gal = 不 能 利用 半 乳 糖 。 ，Rha = 不 能 利用 鼠 李 糖 图 31-21 借助 于 通过 载体 噬菌体 Trp = 生长 需要 色 氨 酸 Thi = 需要 硫 胺 素 的 转 导 作用 ;基因 从 供 体 细菌 细胞 His = 生长 需要 组 所 酸 MetA = 需要 蛋氨酸 转移 到 受 体 细菌 细胞 。 细菌 转化 过 程 可 作为 描绘 细菌 染色 体 基因 图 的 另 一 种 方法 。 正如 我 们 曾 讨论 过 , 向 受 体 细菌 细胞 加 入 从 另 一 菌株 所 得 的 外 源 DNA， 可 引起 前 者 的 遗传 转化 。 这 种 效应 是 由 于 供 体 DNA 的 一 个 或 多 个 基因 被 掺 人 到 爱 体 细胞 的 染色 体 中 之 故 。 通过 测定 供 体 细 。755。 AAS — Ph Be Hp se A Tel Ph HS E32 es PS , A BE ES HH fk 种 相应 基因 的 相对 位 置 。 在 染色 体 中 以 高 发 生 频率 挨 大 受 体 细胞 的 基因 对 ， BEARS 见 的 基因 对 更 靠近 些 。 转 导 现象 对 遗传 图 摘 绘 更 有 用 ， 在 转 导 过 程 中 种 被 病毒 感染 的 细菌 细胞 一 小 部 分 染色 体 掺 人 病毒 后 代 DNA 分 子 中 5 当 后 代 病 毒 颗粒 感染 另 一 细胞 时 ,来 自 原宿 主 细胞 的 基因 可 挨 人 新 宿主 细胞 的 染色 体 中 。 结 果 , 转 导 的 病毒 颗粒 将 一 种 细菌 细胞 的 一 部 分 妆 色 体 带 至 另 一 种 细菌 细胞 的 染色 体 中 去 (图 31-21 )0 : 转 导 对 描绘 遗传 图 的 细微 结构 主 是 非 常 重要 的 。 因 为 转 导 的 噬菌体 通常 只 携带 很 小 一 部 分 细菌 染色 体 ， 约 为 于 2 数量 级 5 A 此 转 导 特别 适合 对 染色 体 的 极 小 节 段 进行 描绘 ;而 较 不 适 于 对 粗 结构 的 描绘 5 描绘 细微 结构 遗传 图 也 可 在 病毒 染色 体 上 进行 。 使 细菌 病毒 进行 自发 或 诱发 突变 5 当 两 种 病毒 颗粒 的 染色 体 (一 种 正常 , 另 一 种 是 突变 型 或 者 二 种 不 同 的 突变 型 思 进 大 同 元 宿主 细胞 时 , EAR, 然后 在 病毒 复制 过 程 中 又 重新 组 合 , 形 成 杂种 病毒 染色 体 。 这 种 杂种 染色 体 然 后 指导 含有 来 自 两 种 亲 代 病毒 基因 的 后 代 的 形成 ,并 可 欢 它 们 的 表 型 特征 来 识别 。 通 过 这 种 病毒 重组 实验 ,已 经 推导 出 大 肠 杆 菌 的 T 及 其 他 叹 菌 体 的 遗传 图 也 是 环形 的 。 我 们 即将 看 到 病毒 重组 试验 也 能 得 到 关于 基因 大 小 的 某 些 次 大 的 结论 5 基因 和 突变 单位 的 大 水 在 $. Benzer 进行 的 经 典 遗 传 研究 中 ， 曾 获得 有 关 基 因 和 突变 单位 的 夫 水 的 有 价值 的 材料 。 Benzer 曾 用 病毒 < 重组 方法 研究 了 T 染色 体 的 一 个 小 区 域 (rI)。 有 一 类 影响 这 区 域 的 病毒 突变 型 ,而 这 类 突变 型 能 在 一 种 细菌 宿主 的 菌株 (人 允许 的 ) 中 迅速 生长 ,但 不 能 在 其 它 菌 株 〈 不 允许 的 ) 中 生长 。 当 不 允许 的 细胞 在 r 工 区域 用 两 种 不 同 的 突变 型 感染 之 , 发 现 二 种 突变 型 之 间 的 某 些 重组 体重 新 获得 在 那 种 宿主 中 生长 的 野生 型 的 能 力 。 也 就 是 说 来 自 两 种 不 同 的 Ti 突变 型 的 缺陷 基因 中 的 “良好 ”部 分 ,组 从 在 一 起 形成 了 一 个 “良好 的 ”基因 。 因为 发 现 许多 不 同 对 的 T, 突变 型 可 重组 生成 "良好 ”的 xII 基因 。 Benzer 结论 认为 每 一 基因 必须 包含 有 许多 可 突变 的 部 位 ,并 能 将 这 些 部 位 以 线形 顺序 描绘 出 来 。 这 一 发 现 之 所 以 重要 ,是 因为 过 去 一 直 认 为 基因 本 身 是 突变 单位 , 即 每 一 基因 只 含有 一 个 突变 部 位 5_ 从 T 病毒 颗粒 的 DNA 分 子 的 已 知 长 度 及 由 rI 区域 占据 的 遗传 图 上 的 已 知 的 一 下 部 分 ?5 则 计算 出 T, AN IA 基因 含有 约 2,500 个 核 背 酸 对 (图 31-22)o Benzer 发 现 rIIA BA UE 500 个 不 同 的 突变 型 ， 表明 突变 单位 不 大 于 约 五 个 核 背 酸 。 后 来 又 通 过 其 它 的 遗传 试验 ; Benzer' 及 其 他 研究 工作 者 结论 认为 突变 可 以 只 包括 一 不 核 背 酸 的 化 学 变化 。 这 种 突变 称 为 点 突变 ,它们 的 分 子 特性 将 在 下 面 讨 论 。 由 以 后 进行 生化 研究 的 结果 证 实 了 这 些 从 遗传 实验 导出 的 结论 ， 而 且 能 更 加 确切 的 描述 。 最 重要 的 是 发 现 每 一 氨基 酸 是 由 一 个 专 一 的 核 苷 三联 体 作 密码 而 定 的 o* 因 此 决定 蛋白 质 的 一 条 多 肽 链 的 基因 ， 无 论 那 里 都 可 有 约 .300 至 5,500 个 或 更 多 的 核 背 酸 对 ， 这 相当 于 一 条 含有 100 至 1,800 个 氨基 酸 残 基 的 多 肽 链 , 也 就 是 大 多 数 蛋白 质 中 的 多 肽 的 链 长 范围 。 因 为 一 种 已 知 蛋白 质 或 酶 可 含有 二 条 或 多 条 多 肽 链 ， 和 而 每 一 条 多 肽 链 的 密码 是 由 一 个 不 同 的 基因 决定 的 。 原 来 关于 一 个 基因 -一 种 酶 学 说 应 修正 为 寺 个 基因 -一 条 多 肽 链 的 概念 。 顺 反 子 (cistron) 一 词 现 也 用 以 来 表示 基因 。 2756 决定 转移 RNA 分 子 的 基因 含有 少 于 100 个 核 背 酸 单位 5 还 有 决定 某 些 短 多 肽 的 氨基 酸 顺 序 的 基因 ， 也 是 属于 比较 小 的 基因 ， 璧 如 只 有 :39 个 残 基 的 促 旬 上 腺 皮质 激素 (ACTH) 的 基因 。 Calif., 1965.) 野生 型 基因 区 域 ( 占 染 色 体 的 2%% 或 一 A 一 T 一 T 一 C 一 G 一 A 一 C 一 T 一 G 一 T 一 A 一 c 一 G 一 约 有 4000 对 核 苷 酸 )” ， Pal RE SEe: of Pe —T—A-—A—C—C— 1 —b— eee bef cal 转换 突变 (AT 对 被 GC 对 置换 ) T4 ah Oh a Sa eee eo x 7 \ ee ae 核 音 酸 对 x mt a Wie Cs ee a Spa, eciaiphe dg. ma Wes (AT 被 TA 置换 ) 2 § ASTI CB | CS 7504 THALEAGH iA tet “118 WRN Sitstrak Ai-shsak bs peek bane ~2,500 NA、 | ~1,500 HRARAEGRA GC 对 ) TE / y Ng BEX | oy —AT—TC—G—A-G—C—-T-G—-T-A-6--G— a =o ; 二 J 本 is Ps ~\. 有 S RS re *: BR GOA (th FEAT 对 ) ris : \ A ss needdaehahqakdahearanms panes Teorey Gee Deer Te ee it RARE \V/ oho -h= 51 Goa A A Re (100 $ext) A 入 é A—T=6—6 PERM T 图 /31-22 WEB AA T. ORS cay oll 区 域 的 图 31-23 ”点 窒 变 的 类 型 细微 结构 。( 引 自 J. D. Watson) 突变 的 分 子 本 质 能 导致 DNA 中 突变 型 基因 产物 的 各 种 类 型 化 学 变化 已 被 鉴定 。 根据 诱 变 剂 在 DNA 中 产生 的 变化 ; 可 将 单纯 的 点 突变 分 为 四 大 类 (图 31-23)s 在 转换 型 突变 型 中 一 种 哇 叭 -~ 喀 啶 碱 基 对 被 另 一 碱 基 对 置换 ， 即 A-T 置换 G-C 或 G-C 置换 A-T。 以 致 一 条 链 上 的 一 嘎 叭 被 另 一 味 叭 置换 , 另 一 条 链 上 的 一 喀 喧 被 另 一 喀 喧 置换。 转换 突变 是 自发 进行 的 ,但 也 可 被 一 些 碱 基 类 似 物 ,特别 是 5- 溴 尿 喀 啶 (BU) 和 2- 氨 基 味 叭 (AP) Ro A SR 尿 旷 啶 的 结构 很 类 似 胸 取 喀 了 啶 , 当 DNA 复制 时 (作为 SUR BR) EI A DNA 中 正 常 为 胸腺 喀 啶 所 占 的 位 置 上 。 然 而 易 与 腺 味 叭 配对 的 酮 式 5- 省 尿 喀 啶 可 互 变异 构 形成 炳 sts 这 样 一 来 它 便 变 为 更 易 与 岛 嘎 哈 (G) 配 对 。 由 于 在 一 条 链 上 的 T 被 BU 置换 ， 导 致 在 其 互补 链 上 G 的 掺 入 而 不 是 A 的 挫 太 。 因 此 当 后 一 条 链 轮 到 复制 时 ， 在 新 的 互补 链 上 G 现 在 就 指定 要 C。 类 似 物 2- 所 基 味 叭 的 作用 相似 ， 它 可 被 读 为 A 或 G。 亚 硝酸 也 能 产生 转换 突变 , 它 可 使 正常 与 了 配对 的 腺 味 吟 脱 氨 生成 次 黄 叮 叭 ,而 与 C 配 对 。 在 颠 换 突变 中 一 个 嘎 叭 - 喀 啶 对 被 一 个 辽 啶 - 味 叭 对 所 置换 。 颠 换 在 自发 突变 中 是 党 见 的 ,事实 上 血红 蛋白 的 c- 和 p- 链 的 突变 (第 五 章 ) 大 约 有 一 半 属 颠 换 突变 。 点 突变 的 第 三 类 型 包括 插 人 一 额外 的 碱 基 对 。 其 结果 是 一 种 类 型 的 移 码 突变 (图 31- 23)。 这 样 命名 是 因为 读 取 核 痛 酸 三 联 体 时 ， Eee ae 变 而 被 打 乱 了 原来 « TK « ASIF | FAM Ie 5 AE Yh PRA IR A a SH A it NY EE FARA F (Al 31-24). 许多 证 据 表明 : ATR eee, os 本 它 以 非 共 价 键 连接 方式 插 人 或 谋 和 人 DNA 的 两 个 连续 的 碱 基 之 间 , 而 使 之 隔 开 。 当 这 一 条 链 复制 时 一 个 额外 的 碱 基 , 正 对 AimA iy, 以 共 价 键 连接 方式 插 人 互补 链 中 。 当 后 一 条 sad te he he 链 轮 到 复制 时 ,新 的 互补 链 也 就 含有 一 额外 的 碱 基 了 。 突变 的 第 四 类 型 是 由 于 DNA 缺失 了 一 个 或 多 个 碱 基 而 产生 的 ， 它 也 是 一 种 移 码 突 变 (图 31-23)。. 因 为 高 pH 或 温度 ,由 于 共 价 交 联 试剂 的 作用 ;或 因 烷 化 剂 或 脱 氨 基 剂 的 作用 ,生成 不 能 配对 的 碱 基 , 由 于 水 解脱 去 了 一 个 嘎 叭 碱 基 从 而 使 之 缺失 。 二 氨基 叮 喧 也 可 诱导 缺失 。 并 不 是 所 有 DNA 的 点 突变 一 定 都 是 致死 的 ,转换 或 颠 换 是 相对 良性 的 , 因为 它们 使 其 以 密码 指导 合成 的 肽 链 中 仅仅 有 一 个 氨基 酸 被 置换 。 很 经 常 这 种 缺陷 的 蛋白 质 仍 是 有 功能 的 。 这 种 突变 称 为 静 匿 突变 (silent mutation), 但 是 插 人 或 缺失 突变 型 使 所 有 DNA 在 突变 丰 旁 都 引起 “ 误 读 ”; 那么 这 种 突变 常 是 致死 的 。 另 一 RAHA DNA 中 缺失 了 一 个 包含 许多 核 昔 酸 的 节 段 而 产生 的 。 如 果 缺 失 的 核 苷 酸 是 '3 个 或 3 的 倍数 个 ， 则 在 突变 位 点 处 旁边 不 会 有 “ 移 码 ”误差 ， 但 是 所 合成 的 蛋白 质 可 以 有 缺陷 ,因为 可 能 在 肤 链 顺序 中 缺失 了 一 个 或 多 个 氨基 酸 。 许多 其 它 的 化 学 试剂 可 以 导致 突变 ， 例 如 已 有 报告 麦角 酰 二 胺 (LSD) 均 甚至 咖啡 因 都 能 诱发 突变 。y 射线 和 入 射线 都 是 特别 强 的 诱 变 剂 。 紫 外 光 也 可 引起 突变 ， 过 度 暴露 于 日 光 下 是 发 生 皮 肤 癌 的 一 种 原因 。 紫 外 线 照射 引起 的 最 常见 的 损伤 形式 是 生成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 ， 它 是 由 二 个 相 邻 的 胸腺 喀 啶 残 基 通 过 一 个 环 丁 烷 环 共 价 连结 起 来 的 (图 31-25)。 胸 腺 ”图 31-25 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 结 WEE FRR AEH DNA 的 复制 4 ， 它们 也 可 以 从 DNA Ege Me 紫外 线 照 射 使 在 相信 的 隐隐 3 Pass RB NaH M— AH T Eo 行 酶 促 切 除 , 遗 留 的 缺口 则 可 修复 。 阴影 部 分 表示 环 丁 烧 环 的 平面 。 DNA 的 修饰 作用 和 限制 作用 细菌 能 把 侵入 的 或 外 来 的 非 同 种 的 DNA 摧毁 ,因此 能 阻止 它 的 复制 ` 转 录 或 掺 大 宿 主 细胞 的 基因 组 内 。 这 所 以 可 能 是 因为 有 称 为 修饰 作用 和 限制 作用 的 二 个 酶 促 过 程 巧 隶 的 结合 的 缘故 。 修饰 作用 是 细胞 对 它 自己 的 DNA 进行 具有 种 属 特 异性 的 酶 促 改变 ， 因 此 能 和 其 它 种 属 的 DNA 区 别 。 限制 作用 是 在 特异 性 酶 的 作用 下 降解 外 来 侵 大 的 DNA, 但 不 破坏 宿主 细胞 的 DNA， 这 单纯 是 因为 修饰 作用 的 酶 对 宿主 细胞 DNA 所 产生 的 专 一 的 共 价 改变 ,而 不 允许 限制 作用 的 酶 对 其 作用 。 宿主 细胞 DNAY 的 保护 性 修饰 作用 是 由 修饰 性 甲 基 化 酶 催化 的 ， 此 酶 能 使 腺 嗓 聆 残 基 甲 基 化 。: 一 且 宿 主 细胞 DNA 经 这 种 方式 修饰 后 ， 它 就 不 能 被 那个 细胞 的 限制 性 酶 所 降解 。 这 种 限制 性 甲 基 化 酶 从 S- 腺 背 酰 蛋氨酸 上 转移 甲 基 至 双 股 DNA FH ie 残 基 对 上 ,每 一 股 链 上 有 一 个 腺 味 叭 残 基 被 甲 基 化 ,这 两 个 腺 味 叭 残 基 是 相 邻 或 靠近 的 碱 * 758 « BEN. PA HE EAS IPF FE He BRIER Id BR EF CBR RS PS IP EA Fe PRAY CA 31-26). 某 些 病 毒 的 DNA 为 对 称 办 了 保护 它 免 受 宿主 细胞 限制 性 酶 的 作用 而 被 tee geokncr liane 修饰 ,是 通过 从 UDP- 葡 萄 糖 转移 一 个 葡 糖 DNA =e TT es Be 3 HS FB FE eee RE Lo 上 限制 性 酶 是 一 类 核酸 内 切 酶 ， 它 能 识别 MINA at rc 外 来 DNA 碱 基 的 专 一 顺序 , 并 使 之 裂解 ， 1/ 而 在 宿主 细胞 中 DNA 则 通过 甲 基 化 而 被 修 。。 MRE ic 宿主 细胞 DNA 上 的 甲 基 阻 止 了 这 种 限 1 制 性 核酸 内 切 酶 的 攻击 。 限 制 性 核酸 内 切 酶 。。 外 来 顺 序 听 烈 处 TTA 能 在 双 股 链 上 产生 一 种 不 可 修复 的 断裂 ， % i | 等 淋 外 来 DNA 进一步 被 细胞 向 的 其 他 核酸 。 图 31-26 修饰 作 甲 基 化 酶 和 限制 性 核酸 内 切 栈 作用 酶 降解 。 另 一 类 限制 性 核酸 内 切 酶 能 与 DNA 。 于 DNA 的 专 一 部 位 。 图 让 列举 两 种 种 类 的 示例 ， 上 专 一 的 点 结 合 ， 但 才 丰 其 他 随意 点 上 断 。 天 人 入 Ro 酸 内 切 酶 作用 的 断裂 点 。 但 并 不 是 所 有 限制 性 核酸 内 限制 性 核酸 内 切 酶 对 于 天 然 DNA 分 子 files oe od 的 选择 性 的 专 一 断裂 已 成 为 一 种 极 重 要 的 工具 ， 使 可 能 对 染色 体 进 行 有 控制 的 分 段 断裂 和 鉴定 其 专 一 基因 的 部 位 。 例 如 对 猿 猴 病毒 40 (一 种 致癌 病毒 ) DNA LI“ REA’ HE 位 描 图 就 正 取 得 相当 大 的 进展 。 RRR: 不 同 物种 DNA 的 顺序 同 源 性 虽然 已 经 测定 了 许多 不 同 的 细菌 和 高 等 动物 的 DNA 碱 基 组 成 ,但 对 天 然 完整 的 DNA 分 子 核 背 酸 的 精确 顺序 了 解 很 少 。 然 而 应 用 杂交 试验 可 以 确定 两 种 已 知 的 DNA 样 品 是 否 有 互补 的 碱 基 顺 序 的 基本 单位 或 节 段 ， 以 及 其 程度 怎样 。 这 种 杂交 试验 是 根据 两 股 DNA 链 在 其 互补 区 域 配对 和 重新 盘 绕 生成 双 螺 旋 的 趋势 。 两 股 已 知 的 DNA 链 结合 ERE OX, 它们 顺序 的 互补 性 程度 也 愈 大 。 进 行 这 一 试验 时 ， 需 将 两 个 DNA 样品 混合 并 加 热 至 超过 两 者 的 “熔点 ,然后 徐徐 冷却 。 如 果 它 们 有 互补 的 碱 基 顺 序 , 则 将 结合 生成 杂交 双 链 。 如 果 预 先 将 一 个 DNA Hin ’P 标 记 * 就 很 容易 测定 这 种 杂交 形成 的 程度 。 用 密度 梯度 离心 法 可 将 混合 样品 中 各 种 单 链 和 双 链 的 种 类 进行 分 离 ， 并 可 测定 出 新 生成 的 杂交 双 链 部 分 的 放射 性 大 小 。 这 种 杂交 试验 的 一 个 重要 的 发 现 ， 就 是 确立 了 两 种 已 知 物种 DNA 的 杂交 趋势 是 它们 在 分 类 学 上 的 关系 中 所 处 位 置 的 密切 程度 的 一 个 函数 。 因 此 虽然 各 种 细菌 DNA 在 碱 基 组 成 上 差异 很 大 ( 表 31-3)， 但 它们 可 以 含有 许多 在 碱 基 顺 序 上 近似 互补 的 区 带 ,， 可 能 由 于 在 不 同 种 的 细菌 中 决定 一 些 同 源 性 酶 的 基因 密 码 是 近似 的 。 另 一 方面 , 细菌 的 DNA 并 不 能 与 高 等 动物 DNA 或 甚至 酵母 细胞 DNA 很 容易 就 进行 杂交 。 对 各 种 细 戎 病毒 DNA 形成 杂种 的 趋势 也 曾 进行 过 研究 ; 一 种 病毒 的 各 种 突变 型 的 DNA 彼此 杂交 ， 比 不 同类 型 的 病毒 的 DNA 彼此 进行 杂交 要 容易 些 。 从 关系 密切 的 高 等 动物 不 同 物种 中 分 离 的 DNA 之 间 进 行 的 杂交 ， 可 以 用 一 种 更 灵 敏 的 技术 来 检测 。 即 把 参考 物种 的 变性 单 链 DNA， 使 挫 人 到 一 种 惰性 支持 物 中 去 (譬如 。 759。 分 散 很 细 的 琼脂 凝 胶 颗 粒 ), 然后 填充 装 人 层 析 柱 中 。 再 将 从 另 一 物种 的 并 已 用 同位 素 标 记 的 变性 DNA 标本 通过 层 析 柱 ;同位 素 保留 在 柱 上 的 程度 则 是 两 种 DNA 杂交 趋势 的 指 标 , 同 时 也 是 顺序 同 源 性 程度 的 指标 。( 图 31-27) 4 eT 4 s 4 一 一 洗 脱 液 ny 图 31-27 “杂交 试验 ; 用 单 链 ( 变 性 的 ) 参 考 DNA BB ARORA BEh SG UERE 成 细 颗 粒 , 填 充 人 层 析 柱 。 待 检 的 具 放射 活性 的 _DNA 流 经 层 析 柱 。 WRI +E SBS DNA 互补 , 则 生成 杂交 双 链 ,并 固着 于 琼脂 凝 胶 上 。 被 层 析 柱 保留 的 标记 DNA 的 量 , 可 作为 测定 互补 程度 的 指标 。 单 链 DNA 也 可 与 从 同 物种 取得 的 RNA 进行 杂交 ,再 通过 互补 碱 基 配 对 CRNA 的 尿 rene Ret S DNA 的 腺 嘎 叭 残 基 配 对 )。 这 一 发 现 充分 提示 ， 正 如 已 更 直接 证 实 的 那样 ， RNA 是 在 一 块 DNA 模板 上 合成 的 5” 也 可 用 DNA 5 RNA 之 间 的 杂交 来 研究 确定 细菌 Bee tk EH AMO RNA 的 密码 。 例 如 在 某 些 细胞 中 所 有 的 核 蛋 白 体 RNA 代表 了 它 总 AY RNA 的 一 半 以 上 ,但 却 以 不 到 2 多 的 细菌 染色 体 作为 密码 。 - AE TEPER A (hydroxyapatite) 柱 上 进行 的 层 析 分 离 , 已 发 展 为 更 加 灵敏 得 多 的 杂 交 试 验 。 这 类 试验 可 用 以 来 确定 正常 和 癌 细 胞 DNA 或 RNA 是 和 否 含 有 在 某 种 已 知 致 瘤 的 病毒 中 存在 的 那 种 基因 。 真 核 细 胞 DNA 的 回 文子 BRAN DNA 不 同 于 原核 细胞 的 DNA 不 仅 在 于 分 子 大 小 和 染色 体 的 超 微 结 构 机 构 方面 不 同 , 而 且 在 碱 基 顺序 的 某 些 特征 也 有 不 同 。 这 种 特征 之 一 就 是 在 真 核 细胞 DNA 中 存在 许多 ,也许 是 成 千 的 回 文子 (palindrome)。 一 个 回 文子 代表 一 个 字 或 一 个 句子 , 顺 读 或 反 读 其 拼 法 都 是 相同 的 ,例如 “Able was I ere I saw Elba”, 这 一 名 词 是 用 以 表示 真 « 700。 核 细 胞 DNA 中 的 专 一 区 域 , 其 中 有 逆向 重复 ,可 用 符号 表示 如 下 : 5 + ++*A-B-C-D-t-D' -2 -BA 3’ 3 A’-B’-C’-D’-t-D-C-B-A+ +++ +5’ 这 里 * 意味 着 “回转 处 ”(turnaround)。 这 种 逆向 重复 很 长 ,包括 成 百 成 千 的 碱 基 对 。. C. A. Thomas Jr. 及 其 同事 们 曾 对 此 作 过 较 详细 的 分 析 。。 用 强 碱 变性 的 真 核 细 胞 DNA 的 片段 ,在 复 性 作用 (renaturation) 生成 双 股 链 后 ;通过 沉降 和 电子 显微镜 分 析 可 以 检测 出 这 些 重 复 。 发 现 复 性 的 DNA 有 广泛 的 链 内 碱 基 配 对 ,形成 很 长 的 “发 夹 ， 但 具 一 短 的 回 转 处 。 这 类 "发 夹 "是 由 逆向 重复 的 碱 基 顺 序 配对 形成 的 。 这 种 很 长 的 逆向 重复 是 偶然 发 生 的 可 能 性 看 来 很 小 。 Thomas 及 其 同事 们 曾 设想 它们 的 功能 是 从 主要 的 双 链 染色 体形 成 长 的 双 链 分 校 ,也 许 是 为 了 改善 对 复制 酶 的 易 接 近 性 。 真 核 生物 DNA 的 重复 顺序 当 细 菌 DNA 被 剪 切 力 断 裂 为 小 片段 时 , 正如 用 密度 梯度 离心 法 所 测定 那样 ,所 有 小 片 眉 几 乎 都 含有 相同 的 碱 基 成 分 并 具有 相同 的 密度 。 然而 当 高 等 生物 机 体 DNA 断裂 并 进行 密度 梯度 离心 时 ,可 见 一 个 大 的 主峰 和 一 个 或 多 个 小 峰 。 它 们 具有 明显 不 同 的 密度 ， 因而 其 碱 基 组 成 也 有 明显 的 差异 。 存在 于 这 些小 峰 中 的 .DNA 称 为 “ 随 体 DNA”, 分 析 一 些 物 种 的 随 体 DNA, 发 现 它们 具有 简单 重复 的 碱 基 顺 序 。 竺 的 随 体 DNA 的 重复 顺序 为 -A-T-A-T-A=T-A-T-， 大 袋鼠 的 重复 顺序 为 -G-G-A-C-A-C-A-G-C-G-， 而 果 晶 的 则 为 -A=CJA-A 二 pGpGp C i N 一 So § GpApApCpCpGpGpA 8 fp 人 p-b-0-Si, Pp 而 了 e P C p C a A Pp T Pp G 基 顺 序 是 已 知 的 , 因此 决定 它 的 基因 的 碱 基 顺 序 也 就 容易 推导 出 来 。 MAPS tRNA 有 277 个 核糖 核 苷 酸 残 基 ; 其 " 裸 " 基 因 也 因此 有 相同 数目 的 脱氧 核糖 核 蔡 酸 残 基 。 刀 NA 中 的 次 要 碱 基 的 形成 是 通过 在 tRNA 主 链 已 经 形成 后 ,发 生 的 酶 促 反 应 ,从 相应 的 亲 代 碱 基 生成 的 ,也 就 是 通过 转录 后 的 反应 生成 的 。 在 H. G. Khorana 及 其 同事 们 的 一 项 卓越 的 工作 中 , 用 化 学 和 酶 促 的 实验 方法 相 于 合 , 合 成 了 酵母 两 氨 酸 的 RNA DEA, 这 是 第 一 个 主要 用 化 学 方法 制 成 的 基因 吕 他 们 使 用 的 方 靶 的 基础 是 ， 对 核 苷 和 核 苷 酸 中 凡 对 于 形成 磷酸 二 酯 键 所 需要 的 缩合 痢 将 感 的 反 应 基 团 使 用 了 保护 或 阻 断 剂 。 这 种 敏感 的 基 团 包括 脱氧 核糖 部 分 上 的 :3 和 5 羟基, 碱 基 疆 的 氨基 以 及 磷酸 根本 身 。 这 一 问题 和 多 肽 的 化 学 合成 所 面临 着 的 问题 相似 。 图 31-28 表 7 Khoranas 研究 组 所 发 展 起 来 的 某 些 保护 基 团 。 在 恰当 的 基 团 被 阻 断后 ,通过 将 一 个 已 被 保护 的 核 苷 酸 的 游离 3 羟基 与 第 二 个 核 苷 酸 的 游离 5 一 磷酸 根 缩合 ， 形 成 核 昔 酸 间 的 磷 酸 二 酯 键 。 在 早期 工作 中 所 使 用 的 缩合 剂 是 选用 碳化 二 亚 胺 衍生 物 (carbodiimnide deriva- tives), MOAT beds elt — WK (dicyclohexylcarbodiimide), AA tH TiKRAIA mem 近 则 宁 用 芳香 磺 酰 氧化 物 。 通常 是 分 别 首先 合成 一 些 短 的 有 5 至 10+REMRRAE 酸 ; 伏 后 再 把 它们 装配 成 较 长 的 核 背 酸 链 上 用 此 法 曾经 合成 了 在 已 知 顺序 中 直至 有 20% 残 基 的 多 聚 脱氧 核糖 核 背 酸 , 图 31-29 显示 了 一 个 例子 。 这 条 链 相当 于 决定 酵母 丙 氨 酸 tRNA 的 基因 中 的 残 基 21 至 40。 通过 :DNA: 连 接 酶 反应 又 以 正确 顺序 连接 了 15 个 这 种 化 学 和 奉 成 的 双 股 多 聚 脱氧 核糖 核 苷 酸 链 ,'Khorana 及 其 同事 们 用 此 法 已 成 功 地 进行 了 醇 BAAR 了 NA 基因 的 两 股 的 全 合成 。 而 且 它 们 还 合成 了 大 肠 杆 菌 酷 氨 酸 tRNA Sh 基因 , 它 包 括 两 个 额外 的 DNA 片段 ,每 一 片段 位 于 酷 氨 酸 tRNA 基因 的 各 一 端 。 当 RNA 前 身 转 变 为 最 后 的 tRNA 时 ,以 酶 促 反应 移 除 这 些 末端 PNA 片段 。 合 成 的 tRNA — DNA BHAA 126 REO : FS KS RAR AERC APPA Mele mle AURA mRNA HBR HF 可 用 这 种 mRNA AMES Hie aS ABARAT ti 要 最 初 是 从 下 述 实 验证 明了 DNA 携 有 遗传 讯息 , 即 加 人 从 一 细菌 菌株 分 离 的 DNA 可 以 使 另 二 菌株 按 遗 传 方式 转化 为 加 入 的 DNA 所 来 自 的 菌株 。 每 个 细胞 中 的 DNA 的 含 量 , 随 在 进化 程度 上 细胞 所 处 的 位 置 不 同 而 增加 。 高 等 生物 机 体 的 某 一 物种 的 全 部 体 细 胞 ( 双 倍 体 ) 有 相同 的 DNA 含量 ， 它 不 受 饮 食 或 周围 环境 的 影响 。DNA 样品 中 碱 基 组 成 在 不 同 种 属 间 存 在 着 特征 的 差异 。 双 链 DNA 中 腺 味 叭 残 基数 目 等 于 胸腺 喀 啶 残 基 的 数 目 ;同样 , 鸟 嘎 叭 残 基数 目 等 于 胞 喀 啶 残 基 的 数目 。 Mk DNA 纤维 的 和 射线 分 析 和 DNA 中 的 碱 基 当 量 ，Watson 和 Crick 推测 天 然 DNA 是 由 两 条 到 向 平行 链 组 成 的 双 螺 旋 排 列 , 在 螺旋 内 通过 氢 键 连接 使 互补 碱 基 A-T 和 G-C 配 成 对 ,而 共 价 连接 的 主 链 则 在 外 侧 。 碱 基 对 垂直 于 长 轴 , 相 距 0.34 毫 微米 , 紧密 堆 集 在 一 起 。。 双 螺旋 的 直径 约 2.0 毫 油 米 。 这 种 结构 提供 了 对 两 股 链 能 够 准确 复制 的 解释 。 在 最 小 的 DNA 病毒 中 ， 天 然 双 股 DNA 分 子 的 分 子 量 约 为 100 万 ;在 细菌 中 约 为 2 Ik; 而 在 真 核 细胞 染色 体 中 则 至 少 有 80 兆 o EBM DNA 病毒 中 的 ,DNA 是 线形 的 但 可 * 763° 以 圆 形 排列 ， 而 在 细 著 染色 体 则 是 一 种 无 末端 的 封闭 环形 DNA。 真 核 细胞 ( 体 细 胞 》 的 DNA 在 染色 质 中 是 与 组 蛋白 或 其 它 蛋白 质 结合 的 。 很 明显 ， 每 一 染色 体 中 有 一 很 天 的 DNA 分 子 ; 经 多 次 环绕 ,并 在 着 丝 粒 处 结合 在 一 起 。 在 氯 化 钨 梯度 溶液 中 , 将 DNA 进行 平衡 离心 是 一 有 价值 的 分 析 手 段 ， 因 为 DNR 的 FRESE G-C 碱 基 对 的 含量 成 比例 。 加 热 可 使 DNA 双 螺 旋 解 开 ( 变 性 ) 和 在 260 B 微米 处 的 光 吸 收 增加 (高 色 效应 )e。 高 色 效 应 随 A-T 含量 增加 而 增加 ,而 “熔点 ”温度 Tm 则 随 G-C 含量 增加 而 增加 可 以 从 有 性 结合 、 转 化 或 病毒 转 导 时 , 基因 转移 的 实验 推导 出 细菌 DNA 的 功能 上 的 分 工 和 遗传 图 。 用 这 种 方法 还 证 明了 大 肠 杆菌 的 遗传 图 是 圆 形 的 。- 用 大 肠 杆菌 病毒 的 突 变型 的 基因 重组 实验 和 生化 研究 , 发 现 基 因 ( 顺 反 子 ) 在 任何 地 方 都 含 丰 75 B 5,500 多 的 碱 基 对 。 最 小 的 突变 单位 是 一 单个 核 苷 酸 对 。 一 种 嗓 叭 取代 另 二 叮 叭 习 二 种 喀 啶 取 代 另 一 喀 了 啶 或 一 叮 叭 取代 一 喀 喧 或 反之 ， 都 可 引起 点 突变 。 当 一 个 或 多 个 碱 基 对 缺失 或 额外 插 信 碱 基 也 可 发 生 突变 。 细菌 细胞 通过 限制 核酸 内 切 酶 的 作用 可 破坏 另 一 物种 的 外 来 DNA, 而 其 本 身 的 DNA 则 因 某 种 碱 基 的 甲 基 化 而 被 保护 。 真 核 细胞 DNA 含有 许多 回 文子 ,: 即 逆向 重复 顺 序 。 -从 对 真 核 细 胞 机 体 的 DNA 用 杂交 实验 及 复 性 速率 的 动力 学 测定 ;证明 含有 多 至 100 万 很 短 的 重复 顺序 ( 随 体 DNA) 的 复制 单位 ,100 至 10,000 个 中 等 长 度 的 重复 复制 单位 } 可 能 其 功能 在 调节 作用 ,而 且 可 能 含有 和 蛋白质 的 大 多 数 结构 基因 的 单一 复制 单位 5 区 二 这: 书籍 Barrell, B. 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MK T,A- 495 毫 微米 长 的 头 部 ， 试 计算 其 DNA 的 长 度 与 病毒 头 部 长 度 的 the 5. 试 计 算 下 列 RNA 和 蛋白质 的 密码 基因 的 平均 长 度 ( 毫 微米 ) 和 平均 重量 ( 道 尔 顿 2 : (a) 一 种 tRNA ( 含 90 个 单 核 昔 酸 残 基 );(b) 核 糖 核酸 酶 ( 含 104 个 氨基 酸 残 基 ) 及 〈c) 肌 球 蛋 白质 ( 含 1800 个 氮 基 酸 残 基 )。 6. 几 种 双 股 DNA 样品 含有 : (a) 10%A-T 碱 基 对 ;(b)50 多 A-T TREN R (c)90% | A-T 碱 基 对 。 试 从 本 章 数据 推算 这 些 DNA 样品 的 : 〈1) 浮 力 密度 ( 克 / 立 方 厘 米 ); (2) 熔 点 CTa) 及 (3) 高 色 效 应 (多 )。 7. 假 设 DNA 中 有 1/3 是 多 余 的 ,不 能 用 来 作 蛋 白质 合成 的 密码 ,并 设 每 一 基因 含有 * 765° se mages Suh 900 对 碱 基 , 试 计算 单个 人 类 细胞 的 DNA & A Sb Ae 8.(a) BSR 31-1 的 数据 ， 并 假设 大 的 新 生 儿 有 2 X 102 个 细胞 , 试 计 算 人 的 新 生 儿 中 全 部 DNA 的 总 重量 ( 克 ) 和 总 长 度 ( 哩 )。 (b) 如 果 G 上 C 碱 基 含 量 为 40 多 , 试问 此 种 DNA 所 占 体积 有 多 少 立方 厘米 。 9. 从 一 动物 病毒 分 离 得 到 的 DNA， 含 有 通常 的 碱 基 当 量 ,并且 不 受 核 酸 外 切 酶 的 作 用 ,试问 : (a) 它 的 三 维 结构 怎样 ? (b) 它 用 限制 性 酶 EcoRI 有 裂解 可 生成 单一 的 分 子 量 为 3.4 X 10°RI DNA, A 从 副 流 感 嗜 血 杆 菌 分 离 出 来 的 限制 性 酶 [HpaI] 以 进行 全 消化 ， 则 生成 三 个 碎片 方 段 ， 并 可 用 凝 胶 电 泳 分 离 , 其 分 子 量 为 1.4 X 105;0.7 X 105 及 1.3 X 10% 如 同时 用 EcoRI 和 Hpal 两 种 酶 联合 裂解 可 生成 四 个 碎片 片段 , 其 中 最 短 的 一 个 分 子 量 为 0.6 X 10% 最 长 的 为 1.3X104, 并 将 这 些 碎片 按 大 小 以 字母 编码 ,以 A 表 示 最 长 者 。 oa 成 的 四 个 碎片 的 分 子 量 各 为 多 少 ? (c) 用 两 种 酶 进行 部 分 消化 后 ， 分 离 出 相当 分 子 量 为 1.3 X .105 的 碎片 的 电泳 带 ， 再 用 Hpal 完全 消化 此 碎片 。 这 种 处 理 生 成 三 条 带 , 其 中 一 条 带电 泳 迁 移 速率 相当 于 分 子 量 为 1.3 X 104 的 碎片 , 还 有 二 条 相当 于 二 种 较 短 碎片 的 区 带 。 试 设计 此 病毒 DNA WE 片 A 至 D 的 可 能 的 遗传 图 ,并 标明 其 断裂 部 位 。 (d) 从 一 突变 病毒 株 中 分 离 的 DNA， 经 此 二 种 酶 完全 消化 仅 生成 三 个 碎片 片 眉 ， 其 大 小 为 2.0 XK 10%, 0.6 X 105 及 0.7 X 10% 什么 是 导致 此 突变 新 型 的 侵蚀 斑 的 最 简单 的 解释 ? [ 朱 定 尔 译 CARI 。 765 5 Ho toi DNA 的 复制 和 转录 我 们 现 已 考查 过 关于 DNA 是 遗传 物质 以 及 它 的 互补 双 螺 旋 结构 为 它 的 模板 功能 提 供 了 分 子 基 础 的 证 据 , 并 且 即 将 对 DNA 复制 成 相同 的 子 代 分 子 和 转录 成 互补 的 RNA 分 子 的 机 制 进行 审查 。 参与 DNA 复制 和 转录 的 酶 类 ， 和 其 它 蛋 白质 确实 是 已 知 生 物 催化 剂 当 中 最 不 平凡 的 。 它 们 作用 的 全 面 的 分 子 摘 述 必需 不 仅 能 说 明 核 昔 酸 之 间 磷 酸 二 酯 键 的 生成 ， 还 必须 能 说 明 以 一 种 精确 的 互补 核 昔 酸 顺 序 的 形式 将 遗传 信息 从 模板 股 上 准确 地 传递 到 新 生成 的 股 上 来 。 此 外 , 它 还 必须 能 说 明 亲 代 双 股 DNA 解 对 时 提出 的 几何 的 , 机 械 的 和 动力 学 的 复杂 问题 。 而 这 种 解 对 又 是 使 双 股 链 内 用 碱 基 有 顺序 编码 的 信息 ， 暴 露 给 复制 和 转录 酶 类 所 必需 的 。 这 些 酶 也 必须 在 染色 体 专 一 点 上 应 和 丛 某 种 分 了 于 信号 而 开始 和 终止 它们 的 作 用 。 因 此 与 大 多 数 其 它 酶 类 相反 ,与 DNA 复制 和 转录 有 关 的 聚合 酶 类 和 其 他 蛋白 质 , 有 它们 极为 复杂 的 功用 。 虽然 我 们 在 分 析 涉 及 复制 和 转录 的 分 子 机 制 问 题 上 已 有 很 巨大 的 进展 ， 但 仍 将 会 看 到 有 许多 重要 问题 尚 待 解决 DNA 的 半 保 宁 复 制 : Meselson-Stahl 实验 从 遗传 学 观点 看 Watson-Crick 的 假说 , 其 最 突出 的 特点 即 提 出 双 螺旋 DNA 的 两 股 是 互补 的 ,而 且 每 股 的 复制 形成 新 的 互补 股 链 ,导致 两 个 子 代 双 股 DNA 分子 的 生成 。 每 Fz DNA 的 保守 复制 过 程 ， 亲 代 两 DNA 的 半 保 守 复 制 过程 。 每 个 “分 散 复制 过 程 ? 亲 代 链 在 间隔 hk DNA 中 每 一 股 都 复制 了 ， 以 Fi 双 股 含有 一 个 亲 代 股 。F: 代 “ ”处 破裂 ? 亲 代 节 与 新 节 结合 获得 未 变 的 亲 代 DNA 和 一 个 新 由 两 个 杂交 DNA 和 两 个 全 新 成 子 代 股 。 合成 的 DNA。F: 代 由 亲 代 DNA DNA 组 成 。 和 三 个 新 DNA 所 组 成 。 图 32-1 DNA 复制 的 可 能 机 制 一 分 子 中 含有 从 亲 代 DNA 中 来 的 一 股 。 称 为 半 保 守 复 制 的 这 一 过 程 , 并 非 从 亲 代 双 股 DNA 的 两 个 互补 股 能 得 到 与 亲 代 DNA 相同 的 子 代 DNA 双 股 的 唯一 可 能 机 制 。 还 有 保 守 的 和 分 散 的 两 种 其 它 复 制 方 案 必 须 考 虑 ;图 32-1 中 显示 出 这 三 种 不 同方 式 。 沉降 方向 DNA AEs I 亲 代 DNA (两 重 股 ) 有 两 经 股 8 的 DNA TD mire opal S§ uy a i a. 一 次 分 型 后 的 DNA 5 ap BY EL FA 32-2 Meselson-Stahl 实验 的 结果 (左边 ) 在 密度 梯度 离心 达到 平衡 后 ，DNA ao 对 照 DNA; 的 形式 以 及 细胞 在 含 “N 培 养 基 中 分 裂 三 次 后 DNA 的 形式 。“ 重 ” 指 is “ 轻 ? 指 “N-DNA。 此 结果 完全 支持 半 保 守 复 制 。 由 M.S. Meselson 和 F. W. Stahl 1957 年 作出 的 巧妙 地 设计 的 实验 确切 证 明 , 在 完 整 的 活 大 肠 杆 菌 细胞 内 DNA 是 依照 Wason 和 Crick 提出 的 半 保 守 方 式 进行 复制 的 。 他 们 在 一 种 以 氧化 铵 为 唯一 氨 来 源 的 培养 基 中 培育 下 代 大 肠 杆菌 ， 而 这 种 氧化 贸 的 所 几乎 AUR BRAK ON 而 不 是 正常 的 :AN。 因 此 这 些 细胞 的 所 有 含 氮 组 分 ,包括 它们 的 DNA 都 含有 YN 而 不 是 “N。 这 些 细胞 的 SN-DNAX 重 DNA) 的 密度 LEE MN-DNA 的 密度 明显 地 大 些 ; AES Ha 2 BE RE Ch ASE ERS DE ATL BS DNA 的 重 的 形式 和 轻 的 形式 5 ‘4 为 在 DNA 复制 的 机 制 上 作出 决定 性 实验 ,含有 “ 重 ”5N 的 大 肠 杆菌 细胞 继续 放 在 -- 个 “ 轻 ” 基质 里 生长 ,基质 中 含有 正常 YN-NHICI 作为 唯一 的 氮 源 。 让 细胞 生长 玫 代 并 在 多 次 间隔 中 采取 样品 。 从 这 些 样品 中 提取 DNA， 并 在 CsCl 密度 梯度 中 离心 以 测 出 其 浮 力 密度 。 在 2N 基 质 中 培养 刚好 一 代 的 时 间 以 后 ,得 到 加 倍 的 细胞 数目 ; 分离 出 来 的 DNA 在 密度 梯度 中 只 显 出 一 条 带 , 此 带 是 在 正常 的 或 经 的 %N-DNA 与 完全 在 5N 上 成 长 的 细 。768。 胞 的 °N-DNA 两 者 之 间 的 密度 的 中 间 (〈 图 32-2). .假如 子 代 细 胞 的 DNA 双 有 踊 含 有 一 企 5N 股 和 一 个 新 合成 的 ”N 股 的 话 则 这 个 结果 正 是 所 希望 的 。 在 “N7-NHICL 上 过 了 两 代 以 后 ,分 离 出 的 DNA 显 出 两 个 带 ; 一 个 的 密度 与 正常 轻 DNA 的 相等 ;而 另 一 个 则 与 一 代 以 后 所 观察 的 杂交 DNA 的 密度 相等 。 这 些 结果 用 图 解 表示 在 图 32-2 中 ;正如 从 Watson 和 Crick 提出 的 半 保 守 复 制 假说 所 希望 得 到 的 那样 ,但 它们 与 另外 的 保守 性 或 分 散 性 复制 假说 不 相符 合 (《 图 32-1)o Meselson-Stahl 实验 特别 有 说 服 力 ， 因为 它 是 在 完整 的 分 裂 细胞 上 做 的 ,没有 抑制 剂 或 其 它 有 害 物 的 干扰 。 在 由 J. H. Taylor 与 其 同 工 作者 设计 的 在 组 织 培养 中 生长 的 豆芽 根 细 胞 上 所 作 的 类 似 实验 中 已 证 明 真 核 细胞 有 机 体 在 细胞 分 裂 过 程 中 也 出 现 染色 体 DNA 的 半 保 守 复 制 。 染色 体 复 制 的 起 始点 和 方向 关于 染色 体 复制 方向 最 有 意义 的 早期 实验 中 有 J. Cairns 的 一 些 实验 ， 他 用 放射 自 放射 自 显 图 象 O O-~ Ova Qo 图 32-4 DNA 复制 的 一 种 滚 环 模 型 。 某 些 病 % DNA 似乎 是 通过 这 种 模型 的 变种 造成 的 在 一 股 中 生成 一 个 切口 ， 环 则 向 里 面 箭头 所 指 方 RSs 一 股 的 末端 可 能 固定 在 细胞 膜 结 构 上 ， 拉 这 一 未 端 可 使 环 滚动 。 Fit DNA 股 就 这 样 图 32-3 天 肠 杆 菌 染 色 体 的 双向 复制 。 工 面 显示 出 放 庙 按 表 明 的 方向 形成 且 从 环 状 股 剥 下 来 ; RAE 自 显 图 象 ;; 下 面 是 两 种 可 能 的 解释 。 已 证 明 双向 模型 是 们 在 直线 部 分 中 复制 。 新 股 后 来 断裂 成 直线 型 正确 的 。 病毒 双 股 。 显 术 为 工具 在 复制 过 程 的 不 同 阶段 ;检查 子 正在 生长 的 大 肠 杆 菌 细胞 染色 体 的 放射 性 标 记 。 大 饮 杆 获 细 胞 在 含有 富 于 所 的 胸腺 喀 喧 的 基质 中 生长 着 。 胸 腺 喀 啶 首先 由 细胞 转化 *。7Z69。 减 放 射 性 的 脱氧 核糖 欧 彰 5 三 磷酸 ， 它 是 新 合成 DNA 中 放射 性 胸腺 了 旷 啶 残 基 的 前 盎 物 。 间 歌 地 采 收 细胞 并 小 心地 提取 DNA. 将 DNA 分 子平 铺 在 格 板 上 再 覆盖 着 细 唱 粒 车 相 底 片 。 放射 活 性 引起 灵敏 乳胶 中 氧化 银 还 原 产生 轨迹 ,它们 由 金属 银 颗 粒 攀 成 * 直 接 fT DNA 分 子 之 下 > 这 些 轨迹 是 在 显微镜 下 拍摄 的 。 大 肠 杆 菌 染色 体 的 这 种 放射 自 显 图 表明 它 是 一 个 没有 末端 的 密闭 圈 , 和 它 环 状 的 遗传 图 相符 合 。 此 外 ，, 某 些 分 离 的 染 色 体 显示 出 一 种 额外 的 放射 性 圈 ( 图 32-3)o: 从 这 些 影 像 中 可 作出 最 简单 的 可 能 解说 , 即 新 股 的 生长 起 源 于 一 点 而 且 是 单方 向 的 ， 围绕 整个 环 进行 和 RE Ps CE ACFE BE BES SERVE ICL BET AI, 即 从 单一 起 点 开始 的 复制 是 双向 的 而 不 是 单方 向 的 (图 32-3)o。 在 大 肠 杆 菌 遗 传 图 上 (图 31-20), SHANE 74 分 钟 开始 且 朝 两 个 方向 进行 。 亲 代 DNA 的 两 股 如 是 同时 复制 直 到 两 生长 点 相遇 ; 就 在 这 点 上 两 个 子 代 DNA 分 子 就 分 离 了 。 此 外 , 真 核 染 色 体 也 是 双向 复制 的 ,虽然 我 们 将 会 知道 真 核 生 物 的 复制 过 程 远 比 细菌 的 复杂 。 另 一 方面 ;线粒体 的 环 状 DNA 和 许多 病毒 如 $X174, 似乎 是 单方 向 复制 的 。 虽 然 病 毒 DNA 的 复制 形式 通常 是 环 状 的 而 病毒 后 代 DNA 却 是 线 状 的 。 为 了 说 明 这 滚动 的 环 ， Baas. DNA 的 复 制 模型 。( 图 32-4) 环 状 DNA 的 双 辐 复制 提出 了 许多 力学 和 动力 学 的 问题 两 条 链 必需 部 分 好 解 开 以 便 允 许 复制 发 生 , 因为 碱 基 , 它们 的 顺序 载 着 遗传 信息 , Bir PRR NAB. 这 种 解 链 将 在 DNA 中 产生 扭力 算 。 此 外 , ER Mb DNA 解 链 一 定 也 非常 地 快 y 因为 在 一 次 分 裂 的 时 间 30 分 钟 内 复制 了 大 肠 杆菌 的 整个 染色 体 。 约 有 双 螺 旋 染 色 体 的 400,000 转 必须 解 开 ,其 速率 至 少 是 每 分 钟 13,000 转 , 相当 于 一 个 高 速 离心 机 的 转速 。 Watson-Crick 假说 中 建议 的 亲 代 DNA 的 两 股 的 反 向 或 反 向 平行 极 性 提出 了 另 一 个 主要 问题 。 当 复 制 叉 沿 着 双 股 DNA 移动 时 ， 其 中 一 股 必须 从 其 5 进行 到 其 3 Rin Sl, SBM 3 向 其 5 末端 复制 。 DNA ® A & I -对 DNA 复制 的 酶 促 机 制 首 先 开展 的 直接 生化 研究 是 从 1956 A. Kornberg 与 其 同 工 作者 对 一 独 酶 今日 称 为 DNA RAB I 的 重要 研究 工作 开始 的 。 在 有 二 段 时 间 里 DNA 复制 似乎 是 由 这 种 酶 正常 地 作出 的 。 然而 , 较 近 时 期 肉 又 分 离 出 另外 两 种 具有 类 似 催化 性 质 的 酶 , 即 DNA RSA AI DNA 聚合 酶 II。/ 今 日 看 来 似乎 DNA RAMM BES 制 过 程 中 占 主 要 的 酶 ,虽然 DNA 聚合 酶 I 也 参与 活动 。DNA RAM I 还 有 另 二 功用 ; 它 在 修补 DNA 时 起 作用 。 无 论 如 何 , 我 们 现在 有 关 DNA 聚合 酶 的 大 部 分 知识 是 从 Kornberg 对 DNA 聚 合 酶 工 的 详细 研究 中 获得 的 ,我 们 将 首先 讨论 它 。 DNA 聚合 酶 I, 从 大 肠 杆 菌 分 离 出 来 ， 催 化 向 DNA 股 未 端 加 添 脱氧 核糖 核 昔 酸 残 基 , 从 dATP, dGTP, dCTP, 和 dTTP 混合 物 开 始 。 增 加 单独 一 个 残 基 的 总 反应 如 下 :“ Mg?+ dNTP + (dNMP), = =(dNMP),4, + PP; Parent Bit 这 一 反应 需要 Mg?+。 在 没有 已 形成 的 DNA 时 反应 不 会 发 生 , 我 们 将 会 知道 它 的 功能 远 比 这 个 反应 所 示 的 复杂 多 了 。 酶 是 通过 对 核 背 酸 前 身 物 之 一 的 导 磷 酸根 中 ez?P A ASI 延伸 的 DNA 股 的 核 昔 酸 之 间 3",5 -磷酸 二 酯 键 中 去 的 测量 而 得 到 检验 的 。 由 于 DNA 在 酸 中 不 溶解 , 它 可 以 从 标志 了 的 前 身 物 中 分 离 。 此 酶 专 一 性 地 需要 脱氧 核糖 核 昔 的 5'- 三 磷酸 化 合 物 作 为 前 身 物 ;. 5 二 磷酸 和 35- 一 磷酸 化 合 物 髓 不 起 作用 。 在 有 Me” 存在 时 核 BATH 5- 三 磷酸 化 合 物 也 不 起 作用 fi 而 且 为 了 反应 能 以 显著 的 速度 进行 , DNA 中 正 常 存在 的 所 有 四 种 脱氧 核糖 核 昔 的 5 -三 磷酸 都 必须 存在 。 DNA 聚合 酶 工 催化 向 DNA 链 的 游离 3- 状 未 端 话 加 单 核 音 酸 单 位 的 反应 因此 DNA 合成 的 方向 是 5 一 3'。 反 应 通过 亲 核 置换 而 发 生 ， 在 置换 中 DNA 链 的 生长 着 的 未 端 上 未 端 单 核 背 酸 残 基 的 3' 产 基 攻 击 进来 的 核 背 5- 三 磷 酸 的 亲 电 子 呈 磷 原子 引起 离 去 的 基 团 焦 磷 酸 的 置换 ， 以 及 磷酸 二 酯 键 的 生成 〈 图 32-6)。 形成 新 磷酸 二 酯 键 所 需 的 AE BH dNTP 的 焦 磷 酸 裂解 提供 的 它 的 发 生 伴 有 大 的 负 标 准 自由 能 变化 。 然 而 ;在 正常 细胞 内 条 件 下 ，DNA BE 合 酶 反应 被 拉 到 更 趋向 完成 ,因为 放出 的 焦 磷酸 还 可 由 无 机 焦 磷 酸 酶 水 解 成 正 磷酸 。 在 有 极 大 过 量 焦 磷 酸 存在 时 可 使 DNA 聚合 酶 反应 逆转 , 引起 DNA 的 焦 磷酸 解 作用 ， 伴 随 着 脱氧 核糖 核 背 5 -三 础 酸 混合 物 的 生成 。 然 而 ,在 细胞 内 条 件 下 ,向 前 的 反应 占 绝对 优势 。 DNA 聚合 酶 也 催化 5p- 标 记 的 焦 磷 酸 的 平衡 交换 进 人 dNTPs 的 ,p- 和 7- 磷 酸根 ,这 反应 可 写成 DNA ™p%p.. 十 dNPPP ==> PP; + dNP2p2p 其 中 dNPPP 是 二 神 脱氧 核糖 核 音 5 三 磷酸 。 DNA 的 集 会 酸 解 作 用 和 焦 磷酸 交换 两 者 都 需要 有 已 生成 的 DNA 的 存在 。 O- ng 和 学 P—O—CH, 碱 基 ER 7 B = OH H 图 32-6 由 DNA 聚合 酶 32-5 — 4 tto- ARH L ic TB Ae 5 延长 链 的 机 制 大 肠 杆 菌 的 DNA 聚合 酶 工 的 分 子 量 为 109,000。 它 具 有 一 个 约 000 RRR 单一 多 肽 链 。 此 酶 具有 一 斑 基 ,但 并 非 活 性 所 必需 ; 它 还 有 一 个 单一 的 链 内 二 硫 基 5 纯 酶 含 有 元 匀 原子 在 活性 点 上 ; 它 是 活性 所 必需 的 s 酶 分 子 似乎 是 粗略 的 球形 , 且 直 径 约 :6.5 毫 微米 ,与 双 股 DNA 比较 后 者 的 直径 约 2.0 BRK Ai DNA 聚合 酶 工 在 37°C 时 每 一 分 子 酶 每 一 分 钟 能 加 上 约 1,000 BARRE, ° 771° DNA RH 工 的 核酸 外 切 酶 活性 ,一 个 多 功能 本 DNA 聚合 酶 工 也 能 催化 两 种 其 它 反应 ,， 初 以 为 这 是 由 于 混杂 有 其 它 酶 ,但 后 来 已 证 明 这 是 DNA 聚合 酶 分 子 所 固有 的 而 且 在 它 的 生物 活性 中 有 重要 性 。 其 中 之 一 即 3 一 5 核 Bh MSIE HE, 亦 即 从 DNA 链 3 末端 水 解 单 核 苷 酸 残 基 ( 不 是 焦 磷酸 解 作用 )o“ 另 一 功 能 为 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 , 即 从 DNA 链 5 末端 水 解 单 核 苷 酸 残 基 。 这 两 种 核酸 外 切 酶 活性 (图 32-7) 在 DNA RE BS 功能 中 我 们 以 后 将 会 知道 能 起 重要 作用 。 HH DNA RAS I 复制 缺口 股 的 方向 ， Peer ei ITT COLLET 5 缺口 -/ mri - sf fttt \wo 3” 2 一 3 核酸 外 了 切 酶 活性 的 方向 切 酶 活性 的 方向 32-7 DNA RAR I M9 5'>3’ F135’ 核酸 外 切 酶 活性 的 作用 。 连 续 地 依 所 指 方向 每 次 除去 一 个 残 基 。《 直 立 箭头 ) DNA RE Hs I 的 单条 多 肽 链 能 被 某 些 蛋 白 酶 分 裂 成 两 段 。 大 的 一 段 (76,000 普 锋 希 含有 DNA 聚合 酶 和 3 一 5 核酸 外 切 酶 活性 ; 小 的 一 段 (36;000 道 尔 顿 六 只 含有 5 一 3 核 酸 外 切 酶 活性 。 这 两 段 的 混合 物 在 催化 活性 土 与 完整 酶 相似 ， 而 且 必 须 断 定 DNA 聚合 酶 I 分 子 实际 上 含有 两 种 截然 不 同 的 酶 , 一 种 是 DNA 聚合 酶 具有 3 一 5 核酸 外 切 酶 活 性 而 另 一 种 是 5=>3: 核酸 外 切 酶 ,两 者 通过 肽 键 连 接 起 来 。 已 经 在 许多 别 的 细菌 中 发 现 DNA RAMA. iit F. J. Bollum, J. N. Davidson 和 许多 其 它 研 究 者 实验 室 的 工作 也 在 动物 与 植物 细胞 里 发 现 其 活性 。 真 核 细 胞 含有 多 种 形式 的 DNA 聚合 酶 , 分 子 量 不 同 , 它们 分 布 在 细胞 的 不 同 部 位 一 一 细胞 核 中 ， 在 细胞 质 中 , 和 线粒体 中 。 在 线粒体 中 酶 很 可 能 是 起 着 复制 线粒体 DNA 的 作用 s 在 复制 某 些 病毒 例如 大 肠 杆 菌 鸣 菌 体 T2 和 T4 的 过 程 中 细菌 细 胞 中 的 DNA 聚合 酶 活性 大 增 。 病 毒 DNA 为 合成 那些 复制 病毒 DNA 的 专 一 DNA 聚合 酶 编码 - 在 DNA 聚合 酶 作用 中 已 生成 的 DNA 的 功用 DNA 聚合 酶 最 惊人 和 典型 的 性 质 即 它 要 求 有 一 些 先 存在 的 DNA 的 出 现 。 若 没 有 它 * 则 纯净 的 酶 将 完全 不 制造 多 聚 物 , 除 非 是 在 极 特殊 的 情况 下 。 关于 先 存在 的 DNA 的 作用 至 少 有 两 种 不 同 的 可 能 解释 。 它 可 以 作为 提供 一 个 末端 或 生长 点 的 引物 而 起 作用 。 聚合 酶 可 将 更 多 的 核 昔 酸 残 基 往 点 上 加 ,正如 在 糖 原 合 酶 活 动 中 需要 先 存在 的 糖 原 链 末 端 作为 引物 以 接受 葡萄 糖 残 基 那 同一 样 的 方式 。 或 者 先 存在 的 DNA 可 作为 模板 ， 酶 可 以 在 上 面 制造 与 先 存 DNA 在 碱 基 成 分 和 顺序 方面 互补 的 DNA 平行 股 。 当 然 , 需 要 先 存 的 DNA 可 以 既 起 模板 作用 又 起 引物 作用 。 Kornberg 与 其 同 工 作 者 研究 了 从 大 肠 杆 元 高 度 提 纯 的 DNA 聚合 酶 I PEAT sey 。772， 先 存在 的 DNA 的 结构 特点 。 人 们 将 预料 一 个 天 然 完整 的 双 螺 旋 DNA 作为 复制 的 模板 应 有 活力 ,值得 注意 的 是 它 并 不 支持 DNA 合成 。 融化 的 或 变性 的 DNA, 特别 是 两 股 大 部 分 已 分 离 的 那些 DNA 是 活跃 的 模板 。 此 外 ,从 多 种 不 同 来 源 ( 动 物 ,植物 ` 细 菌 和 病毒 ) 来 的 变性 DNA 支持 大 肠 杆菌 DNA 聚合 酶 活性 。 还 有 单 股 有 缺口 《其 定义 是 有 一 个 游 离 3 羟基 和 一 个 游离 5- 磷 酸根 位 于 邻近 残 基 的 一 种 断裂 处 ) 的 双 股 DNA 与 一 股 中 含 有 二 空白 的 双 股 DNA 也 有 活性 。 BEDNAR MERE RMI AHS RR GE 内 双 股 生成 作用 ) 故 能 支持 DNA 聚合 酶 活动 。( 图 32-8) | IE 从 这 些 实验 已 作出 结论 即 先 存在 的 DNA 在 了 DNA 聚合 酶 I 的 作用 中 有 双重 功能 : BREE 缺口 的 双 股 ( 线 状 ) 为 模板 以 及 作为 引物 。 此 酶 需要 一 个 .TDNA BA 游离 的 3 羟基 存在 ,新 的 核 背 酸 残 基 可 加 到 此 残 基 上 去 以 使 链 沿 -5 一 3' 的 方向 延 什 。 这 就 称 为 引 物 股 ,而 未 端 3- 核 萌 酸 则 称 为 引发 未 端 。 引 物 股 不 必 很 长 ,但 必需 与 一 个 作为 模板 的 长 .DNA 股 作 碱 基 配 对 。 现 在 称 这 样 一 种 结构 为 模板 -引物 。 在 DNA 聚合 酶 王 的 活性 中 心 已 经 鉴定 出 五 个 不 同 的 结合 座位 (loci)。 (图 32-9) DNA 聚合 酶 分 子 时 @ 5 eR 7 en eB 引发 了 的 单 股 ( 线 状 ) : 引物 末端 点 (3’-OH) 引物 位 点 引发 了 的 单 股 ( 环 状 ) 图 32-8 _ DNA 聚合 酶 I 的 模板 -引物 。 K 合 酶 作用 的 方向 用 箭头 表明 。 完 整 的 双 股 不 32-9 DNA 聚合 酶 的 活性 中 心 内 特异 的 结合 点 。 论 是 线 状 还 是 环 状 均 无 活性 。 [ 引 自 A. Kornberg, Science, 163: 1410 (1969)] 1. 一 个 模板 的 结合 座位 2. 一 个 引物 股 的 结合 座位 ,引物 股 必 需 与 模板 股 反 向 平行 而 且 碱 基 配 对 3. 一 个 引物 的 3 一 羟基 末端 座位 (这 个 座位 也 能 与 具有 5 -磷酸 根 和 一 个 游离 3 羟基 的 单 核 苷 酸 相 结合 ) 4: 一 个 进 大 的 脱氧 核糖 核 苷 5 -三 磷酸 的 座位 ?此 座位 与 四 种 三 磷酸 前 身 物 的 任 一 种 wm 773。 必需 Mg 一 5. 一 个 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 座位 ,位 于 生长 链 的 过 道中 。(〈 图 32-9) DNA 聚合 酶 工 所 作 复 制 的 精确 性 现在 可 以 想像 出 第 二 个 重大 疑问 。DNA 聚合 酶 能 否 精确 复制 其 模板 股 , 以 至 于 在 新 的 DNA 股 中 制 出 一 个 完美 的 互补 碱 基 顺 序 呢 ? 这 个 问题 可 以 很 理想 地 通过 对 模板 DNA 和 新 股 的 碱 基 顺 序 作 出 测定 和 比较 来 解答 。 然 而 ， 在 那个 时 候 这 是 不 可 能 的 而 且 即 令 在 今天 仍 将 是 最 艰难 的 任务 。 因而 必须 运用 不 那么 直接 的 实验 方法 允 DNA 聚合 酶 的 产物 与 其 模板 DNA 作出 比较 在 某 些 情况 下 DNA 聚合 酶 能 制造 出 数量 上 若干 倍 于 模板 - 引物 的 产品 加 到 体系 中 去 。 当 产品 的 电子 显微镜 图 表明 它们 含有 许多 分 枝 而 这 些 分 梳 并 不 存在 于 天 然 DNA 时 ， 这 种 能 力 的 分 子 基 础 就 变 得 明朗 了 。 这 种 分 枝 是 DNA 育 合 酶 工 复 制 模板 能 力 的 结果 ， 复制 从 引物 股 中 单 股 缺 日 处 开始 ,因此 缺口 后 边 的 段 节 当 它们 被 新 股 取代 的 时 候 就 被 剥 Bo 然后 DNA 聚合 酶 分 子 又 转 过 头 来 向 着 被 剥离 的 股 并 且 复 制 它 以 形成 一 个 双 股 分 校 (图 32-10). 这 种 双 股 分 枝 可 以 迁移 到 另 一 缺口 ;此 外 ， 一 股 或 两 股 都 可 以 再 形成 发 夹 ， 后 者 又 可 以 作为 新 模板 -引物 而 起 作用 ,如 此 等 等 。 虽 然 这 种 分 枝 不 是 一 种 正常 的 生物 活 性 (这 样 产生 的 DNA 称 为 “假冒 ”DNA)，, 但 所 生成 的 大 量 新 DNA 使 得 有 可 能 检查 从 模 = 新 股 生成 单 股 缺口 sie SERHE Ea. TED 剥落 股 为 模板 a 5 5’ 5’ 5 32-10 由 DNA 聚合 酶 工分 枝 并 生成 新 的 单 股 发 夹 。( 引 自 A. Kornberg，DNA- Synthesis，P. 111，1974) #% 32-1 大 肠 杆菌 DNA 聚合 酶 模 宏 与 产物 的 碱 基 组 成 成 分 DNA A T Gc S 草 分 支 杆 菌 0.65 0.66 1.35 1.34 产物 0.65 0.65 1.34 1.37 KR 1.00 0.97 0.98 1.05 产物 1.04 1.00 0.97 0.98 小 牛 胸腺 1.14 1.05 0.90 0.85 产物 1.12 1.06 0.85 0.85 12 mek 1.31 1.32 0.67 0.70 产物 1.33 1.29 0.66 0.70 AT ZY 2.00 2.00 0.00 0.00 产物 1.99 1.93 <0.05 <0.05 ©7746 «MAEDA LAA EAA BEERS eo SB Bik EH 板 -引物 DNA 新 产生 的 DNA 的 碱 基 成 分 和 复制 的 精确 性 。 碱 基 成 分 的 分 析 表 明 新 生成 的 DNA 在 实验 误差 之 内 与 模板 -引物 的 相同 ( 表 ;32-1), 如 果 变 性 双 股 DNA 的 两 股 都 复 制 了 则 将 正 是 所 预期 的 。 若 果 只 有 一 个 DNA 股 复制 了 , 则 新 的 DNA 股 显现 出 与 模板 股 相互 补 的 碱 基 成 分 由 Kornberg 与 其 同 工 作者 创建 的 称 为 最 近邻 碱 基 频 率 分 析 是 对 DNA A or BIE 板 的 精确 性 的 更 严峻 的 考验 。 此 法 能 测 出 已 知 DNA 链 中 任何 两 个 碱 基 作 为 近邻 或 最 近邻 出 现 的 频率 。 图 32-11 表 明 DNA 的 四 种 碱 基 能 够 以 16 种 不 同 的 最 近邻 对 子 出 现 。 可 以 预料 每 一 物种 的 有 机 体 的 DNA 将 有 一 套 具 有 特色 的 和 有 特征 性 的 最 近邻 碱 基 频 率 。 图 32-12 显示 出 最 近邻 碱 基 分 析 的 原理 。 正 如 所 见 , 此 法 能 测 得 由 DNA 聚合 酶 的 作 用 引进 到 DNA 样品 中 去 的 任何 已 知 碱 基 附 近 的 四 种 碱 基 出 现 的 频率 。 在 DNA 聚合 酶 I 对 不 同 模板 DNA 作出 反应 所 合成 的 DNA 上 Kornberg 及 其 同 工 作者 作 过 这 种 分 析 。 表 32-2 中 列 出 一 例 , 它 是 由 DNA 聚合 酶 利用 草 分 支 杆菌 DNA fe 为 模板 -引物 所 合成 的 DNA 的 最 近邻 碱 基 频 率 。 在 新 的 DNA 中 发 现 所 有 16 种 可 能 的 最 近邻 对 子 ， 但 它们 的 频率 却 差异 很 大 。 用 其 它 天 然 DNA 作 模 板 所 做 的 类 似 实验 表 率 。 Kornberg 与 其 同 工 作 者 然后 对 DNA 产 物 的 两 代 的 最 近邻 碱 基 频 率 作 了 比较 ,第 一 代 的 DNA 是 由 DNA RRA AS pPIPTI 对 从 天 然 来 源 , 例 如 小 牛 胸腺 中 分 离 的 DNA 作出 反应 时 所 ”图 32-11 一 股 DNA 中 16 个 可 于 i 能 最 近邻 的 核 苷 酸 对 。 符 号 是 二 合成 的 DNA, 而 第 二 代 的 DNA 则 是 由 DNA 聚合 酶 对 从 小 a aoa 符号 代 支 牛 胸腺 DNA 模板 酶 促 合成 的 DNA 作出 反应 时 所 合成 的 。 下 列 二 核 昔 酸 。 其 结果 显示 于 表 32-3, ”第 一 代 和 第 二 代 DNA 的 最 近邻 碱 基 频率 在 实验 误差 范围 内 基 本 上 是 相同 的 。 从 其 它 天 然 DNA 作为 模板 开始 也 获得 类 似 的 数据 。 从 由 DNA 聚合 酶 在 这 种 两 代 的 实验 中 所 制造 的 DNA 的 最 近邻 碱 基 频率 分 析 中 可 作出 两 种 重要 结论 。 第 一 结论 是 DNA 又 合 酶 能 以 高 度 的 精确 性 复制 模板 DNA 股 。 然 而 ,因为 测定 碱 基 的 实验 误差 至 少 是 2 多 而 且 可 能 更 高 些 , 故 最 近邻 类 型 的 分 析 有 了 明显 的 局 限 性 。 第 二 结论 则 是 新 合成 的 DNA 链 与 相对 应 的 模板 DNA 链 的 方向 相反 , 故 模板 链 与 新 链 具 有 相反 的 或 反 辐 平行 的 极 性 。 图 32-13 中 的 数据 清楚 地 证 明了 这 一 点 ,图 中 显 示 出 三 个 专 一 残 基 对 的 观察 所 得 的 最 近邻 频率 ,并 对 下 述 两 方面 的 值 作 了 比较 (1) 假 定 新 股 与 模板 的 极 性 相反 (2) 两 股 的 极 性 相同 。 虽然 碱 基 成 分 与 最 近邻 频率 测定 都 表明 DNA 聚合 酶 以 颇 高 的 精确 性 进行 复制 ， 还 有 第 三 种 而 且 是 对 复制 的 精确 性 更 严峻 的 考验 ， 即 亚 酶 能 否 从 适宜 的 天 然 模 概 制造 出 具 有 生物 活性 的 DNAX. 但 我 们 首先 应 该 考虑 与 DNA RAB I 联合 作用 的 另 一 种 重要 酶 , 即 DNA 连接 酶 。 。775。 dATP 通过 DNA 聚合 酶 的 作用 ， 在 o-fr Fi °P 标记 4 DNA3’ 末端 作用 , 因而 插 进 一 个 与 模板 股 上 的 工 残 基 相 互补 的 A 残 基 。 作为 A 残 基干 7- 磷酸 根 引进 的 “P 与 前 面 的 G 残 基 3 位 上 形成 键 。 聚合 酶 的 进一步 作用 例如 与 模板 链 中 互补 的 A 残 基 相 对 应 又 加 进 一 个 dTMP 和 残 基 ? 接 着 加 上 与 模板 互补 的 残 基 直 到 全 链 完成 为 止 。 然后 用 专 一 的 核酸 酶 在 箭头 所 指 处 切断 二 磷 yey FG" 酯 键 生成 3'- 单 核 蔡 酸 。 原 来 引进 dAMP 残 5’ 位 上 的 @P 现在 以 3'- 磷 酸根 出 现在 前 HH 国光 小 CEJii 面 的 (GMP 残 基 上 ， 因 而 标记 了 dAMP 的 最 近邻 。 HO 5， HO 总 HO dGMP dAMP 最 近邻 图 32-12， 最 近邻 碱 基 频 率 分 析 的 原理 表明 最 近邻 单 核 芳 酸 是 如 何 标记 的 。 假设 极 性 相反 假设 极 性 相似 〈《 反 向 平行 链 ) 〈 同 向 平行 链 ) 模板 模板 新 股 | Heed UlLOA 5’ 5° | | 5’ J. oe 3 375 | | 3° A Sete | | 模板 mr ibe 模板 新 股 T-A(0.012) T-A(0.012) T-A(0.012) A-T (0.031) A-G(0.045) | C= (0.045) A-G(0.045) T=C(0.061) G-A(0.065) T-C(0.0615 G-A(0.065) C-T(0.045) 图 32-13 ”两 个 极 性 相反 和 极 性 相似 的 股 中 最 近邻 频率 的 比较 。 在 草 分 枝 杆菌 模板 股 和 新 合成 股 所 观察 的 数据 ( 表 32-2) 看 来 , 当 两 股 极 性 相反 时 就 最 相符 合 。 表 32-2 由 草 分 枝 杆 菌 的 变性 DNA 模板 + 合成 的 DNA 表 32-3 以 天 然 的 及 酶 促 合 成 的 小 牛 胸腺 DNA 中 的 最 近邻 碱 基 频 率 为 模板 合成 的 DNA 最 近邻 碱 基 频 率 下 面 显示 出 的 频率 是 按 作 为 所 有 最 近邻 对 的 份 数 表 示 的 ;所 有 二 核 苷 酸 顺 序 均 按 了 -3 方向 阅读 。 模 RR ie eee ee oe eS PT = eH Boece |, 出 现 频 率 an) DNA 一 上 pApA 0-089 0-088 PICA BI =dATP pApG 0-072 0-074 TSAI 0-075 0-012 aes 0-052 - 9.051 Pa 0-146 0-024 pApT 0.073 0-075 C-A 0-378 0-063 pTpA 0.053 0-059 GA 0-401 0-065 pT'pG 0-076 0-076 .标记 的 前 身 物 王 dTITP pTpC 0.067 0.064 T-T 0-157 0-026 pTpT 0.087 0-083 A-T 0-194 0-031 end 0-064 0-063 CT 0-279 0-045 pGpG 0+050 0-057 er 0-370 0-060 pGpC 0.044 0.042 标记 的 前 身 物 二 4GTP pGpT 0-056 0-056 下 一生 0.187 0.063 pCpA 0-064 0-078 A-G 0-134 0-045 pCpG 0-016 0-011 ra aL en Poe ees | pCpT 0-067 0-068 标记 的 前 身 物 一 dCTP T-c 0-182 0-061 A-C . 0-189 0-064 | fac 0-268 0-090 G-c etal 0-361 0-122 DNA = ee f 模板 中 碱 基 的 克 分 子 份 数 为 T= 0.165, A = 0.162, C 三 0.335 和 G 三 0.338。 新 合成 的 DNA 里 C-A 的 出 几 个 研究 者 几乎 是 同时 报告 了 他 们 er ing: hia kuseneriaen EXERT — HR, HM DNA 分 。 连接 酶 , 它 能 催化 一 个 链 末端 3 二 羟基 与 另 一 个 链 未 端 5 磷酸 根 之 间 的 磷酸 二 酯 键 的 合成 ,就 这 样 把 两 个 DNA 链 的 末端 连接 起 来 。 生 成 新 的 磷酸 二 酯 链 需要 能 量 , 在 大 肠 杆菌 , BES NAD+ 的 焦 磷 酸 键 的 断裂 偶 联 起 来 的 ;而 在 大 肠 杆 菌 中 由 叹 菌 体 T4 的 感染 所 诱导 生成 的 DNA 连接 酶 的 情况 下 , 则 与 ATP a, p- 焦 磷酸 键 的 断裂 偶 联 起 来 。 真 核 细胞 的 酶 也 利用 ATP, 此 酶 要 求 将 被 连接 的 链 在 双 螺旋 里 与 互补 的 DNA 股 相 联系 ,而 将 被 连接 的 残 基 与 另 一 股 中 邻近 的 碱 基 配 对 。 DNA 连接 酶 只 能 在 两 链 的 未 端 之 间 生 成 单个 磷酸 二 酯 键 ; 它 不 能 复制 那 怕 是 一 小 片 模 板 。 从 大 肠 杆菌 得 来 的 DNA 连接 酶 已 经 高 度 纯 化 ; 它 是 由 二 条 分 子 量 为 77,000 的 单个 SCREAM. 在 每 个 大 肠 杆菌 细胞 里 约 有 200 到 400 份 DNA 连接 酶 存在 。 反 应 机 制 不 平常 。 NAD* :正常 地 是 氧化 -还 原 反应 的 辅酶 ,但 就 DNA 连接 酶 的 情况 而 言 它 是 作为 腺 昔 酰 基 的 来 源 。 如 I. R. Lehman 与 其 同 工 作者 证 明 的 ，DNA 连接 酶 反应 分 三 步 进 行 (图 32-14)。 第 一 步 , 酶 与 NAD+ 反应 生成 一 个 腺 苦 酰 基 - 酶 (AMP-E) 这 样 的 共 价 化 合 物 ; 烟 酰胺 单 核 昔 酸 (NMN+) 是 NAD+ 裂解 的 另 一 产物 。 在 这 里 充当 能 量 转移 者 起 作用 的 逐 昔 酰基 是 与 酶 的 专 一 赖 氨 酸 残 基 的 e- 氨 基 通 过 磷 酰 胺 键 相连 接 的 (图 32-15) 4 T4 诱导 生成 的 DNA 连接 酶 中 由 ATP 袭 解 形成 类 似 的 AMP-E 共 价 中 间 产 物 ; 其 另 一 产物 则 * 777° At i 是 焦 磷 酸 而 不 是 NMN.) 第 二 步 中 , RE E+NAD*=E | + NMN+ 酰基 (以 及 它 的 化 学 能 ) 从 AMP-E 转移 (AMP) 到 一 个 _ DNA 股 的 5 磷酸 末端 生成 一 新 的 焦 磷 酸 键 (图 32-157)s HEP RA 一 DNA 段 节 的 3 一 羟 未 端 取 代 从 第 一 DNA 段 节 来 的 腺 昔 酰 基 而 生成 新 的 磷 酸 二 酯 键 ,因而 把 DNA 两 个 段 节 的 5 - 未 端 和 3 -末端 连接 起 来 。 DNA 连接 酶 的 多 肽 链 py ae i > ee CH, MARIE OH OH 图 32-15 DNA 连接 酶 作用 中 酶 -AMP 共 价 中 间 物 的 结构 不 仅 在 细菌 中 也 在 许多 真 核 细 胞 中 已 经 发 现 DNA 连接 酶 。 它 有 几 种 功 图 32-14 “大 肠 杆 菌 中 DNA 连接 酶 作用 的 三 步骤 (下面 )。 fe: C1) 修补 双 螺 旋 DNA 中 的 单 股 缺 第 一步 NADt 的 AMP 都 分 形成 一 个 腺 昔 酸 - 酶 中 间 物 (@-， 口 ;(2) 连 接线 状 双 螺 旋 ,DNA 未 端 以 产 @-Q@ 称 为 AMP 的 磷酸 -核糖 - 腺 味 叭 )。 第 二 步 中 _ AMP 基 团 转 移 到 缺口 5- 磷酸 根 处 ， 得 到 一 种 5'-ADP 衍生 物 。 生 环 状 DNA, 这 一 过 程 需要 在 先 的 大 基 第 三 步 中 3- 羟 基 的 亲 核 作用 引起 AMP 的 置换 及 缺口 的 封 与 不 对 等 的 “ 粘 稠 > 示 端 配 对 (图 32-16); Ho, CSUR 22-P) (3) 在 重组 过 程 中 将 DNA 的 几 节 段 连 EK, 在 细菌 里 重组 过 程 发 生 在 遗传 转化 , 转 导 和 溶 原 化 作用 过 程 中 ;在 真 核 细胞 里 则 发 生 在 减 数 分 裂 时 ;(4) 在 DNA 复制 作用 中 与 DNA 聚合 酶 协作 。 moO LT 由 DNA % Ame 1 DNA 4 Be HY te A i BR me PX 174 DNA RUE SAG DNA KSA | SHAM MARIE, Bh Aas fh DNA 作 了 碱 基 成 分 和 最 近邻 碱 基 的 比较 然而 这 些 方法 都 有 相当 大 的 实验 误差 。 DNA 聚合 酶 能 否 合成 具有 生物 活性 形式 的 DNA 是 对 它 的 复制 作用 的 精确 性 最 严峻 的 考验 。1968 年 M. Goulian, A. Kornberg， 和 R. Sinsheimer 通过 高 度 纯化 的 DNA RAM I A DNA 连 ° 778° 笠 酶 的 联合 作用 ， 成 功 地 证 实 了 小 噬菌体 $X 174 DNA 的 实验 室 酶 促 合 成 ， 它 是 环 状 的 具有 生物 活性 的 双 股 ,或 复制 形 的 DNA。 他 们 的 步 豫 概 括 在 图 32-17 之 中 。 原 则 土 他 们 运用 OX 174 的 环 状 股 作为 DNA RAK | 用 的 模板 以 制造 出 互补 的 股 ; 然后 运用 DNA 连接 酶 将 线 状 产品 转化 为 环 状 的 。 用 了 一 个 很 有 趣 的 设想 简化 了 模板 和 产物 股 的 分 离 。 早已 发 现 DNA BARB 1 能 将 正常 核 背 酸 的 某 些 类 似 物 挫 人 到 新 生成 的 股 里 去 ， 但 只 要 修复 缺口 单 股 TOOT cere 全 5’ 1 3’ 模板 DNA Rat | , (-) Is : 含有 5 RIES 与 2P 的 开口 互补 DNA 的 生成 DNA 连接 酶 | me | ©) ‘@} ©) mie | C) 口 = ae 32-16 DNA 连接 酶 的 作用 。 箭 头 所 指 是 酶 能 封闭 缺口 或 封闭 环 之 地 点; Ss 非 天 然 碱 基 能 与 模板 股 中 相对 应 的 编码 碱 基 进行 ABBE. 这 样 ，5- 溴 脱氧 尿 喀 啶 三 磷酸 可 取代 (+) (-) dTTP 以 与 模板 中 的 A 残 基 相 对 应 。 这 种 省 尿 喀 密度 梯度 离心 We (BU) 残 基 而 不 是 正常 的 T 残 基 受 酶 促 作 用 挨 分 高 (一 个 人 到 新 生成 的 股 中 ,使 得 新 股 的 浮力 密度 增加 ,所 Ci 以 它 能 用 密度 镜 度 离心 法 与 模板 分 离 。 然 后 DNA 聚合 酶 又 从 含 BU 的 股 制造 出 一 个 含有 正常 碱 基 32-17 HR 风 X174 DNA 的 两 股 通过 DNA AG I DNA 34 | 促 合 成 。 开 始 时 用 生物 学 上 标记 的 $X174DNA (AB SiC i 昔 儿 的 二 股 作 槛 板 以 制造 出 互补 的 线 型 DNA， 在 这 种 DNA 品 ria =P 和 5- 溴 尿 罚 啶 (BU) 代 替 了 胸腺 喀 啶 [ 即 (一 ) 股 ]。 然 后 用 DNA 连接 酶 封闭 两 端 。 先 用 脱氧 核糖 核酸 酶 处 理 ， 然 后 加 热 即 生成 一 些 未 变 的 双环 ;完整 的 (一 ) 环 和 线 型 (十 ) 和 (一 ) 股 ， 它们 再 经 密度 = 详 度 离心 处 理 。 酶 促 合成 的 (一 三 环 〈 由 于 它 的 Bu 残 DNA 连接 酶 | 基 而 具有 较 大 的 密度 ) 被 分 离 出 来 ,并 用 作 合成 互补 的 开口 (十 ) 股 (-) 的 模板 。 其 末端 于 是 被 DNA HR BH Am zER—HA RAY OX 完全 人 工 174DNA 环 状 ( 十 ) 股 ,后 者 有 传染 性 。[ 根 据 M.Goulian, A.Ko- 人 合成 的 rnberg, and R. L. Sinsheimer, Proc. Natl. Acad. Sci.(U.S), $X174 DNA 58: 2321 (1967) 重 绘 ] 的 互补 股 ， 并 由 DNA 连接 酶 封闭 之 。 曾 发 现 新 合成 的 环 状 DNA 股 是 有 传染 性 的 。 32-18 是 部 分 合成 的 wX 174 DNA 的 电子 显微镜 图 片 。 32-18 两 个 双 股 环 状 4X174 DNA 分 子 的 电子 显微镜 照片 ;其 中 一 股 是 天 然 的 * 另 一 股 是 合成 的 。 1: 这 些 精美 的 实验 建立 了 DNA RAEI DNA ERRAEA RAE wIRHENY DNA 分 子 , 候 设 有 错 的 话 ， 这 是 通过 高 度 纯化 的 酶 活性 和 具有 已 知 生物 活性 的 纯 模 板 帮 用 于 高 度 纯 化 的 底 物 ,在 试管 里 破 天 荡 第 一 次 创造 的 DNA 分 子 。 这 实验 也 证 明了 DNA RAR 能 够 制造 病毒 DNA 的 (十 ) 和 (一 ) 股 两 者 ， 但 应 该 注意 的 是 复制 在 两 个 连续 的 步 申 而 ' 不 是 同时 完成 的 ;因而 不 能 认为 是 揭示 了 DNA 复制 的 生物 机 制 。 ae DNA aH 工 的 核酸 外 切 酶 活性 的 功能 一 DNA 聚合 酶 工 的 两 种 核酸 外 切 酶 活性 (3>5' 和 /5->3') 基 本 上 是 保持 复制 精确 性 有 关 的 附加 活性 。3 汪 >5 核酸 外 切 酶 活性 的 功用 似乎 是 识别 和 水 解 移 去 (1) 与 模板 没有 碱 基 配对 的 引物 末端 和 《2 ) 由 于 部 分 融化 而 磨损 了 的 引物 股 未 端 。 因 此 活动 方向 与 复制 方 向 相反 的 3 一 5 核酸 外 切 酶 活性 ， 还 在 延伸 开始 以 前 就 保证 了 引物 未 端 与 模板 是 愉 当 地 成 碱 基 配 对 的 。 这 个 活 性 曾 恰当 地 称 为 DNA 聚合 酶 的 校对 功能 (proofreading function), 另 一 方面 ，DNA 聚合 酶 I 的 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 确实 地 是 为 聚合 酶 制造 新 链 扫 HER. CECA MIE ZAIN DNA 股 的 5 一 磷酸 未 端 开始 水 解 磷酸 二 酯 键 ， 以 切 «780° OO ws Pal BR DNAA ACMA Be, A EME tii TAY BR SS AS ET HR IGE — FR (BBS 物质 的 一 段 节 。5 一 3 BARI — DW RAKIM, RA hws LE, —AFl A 3'-F8-5'-WBRORENB— RE Aiko 这 缺口 是 由 DNA 连接 酶 共 价 地 封闭 起 来 Bo 因此 DNA 聚合 酶 工 的 两 种 核酸 外 切 酶 活性 使 它 具备 着 除去 进行 复制 的 股 中 各 种 毛 HED. | DNA & 4B IT III 和 JIIIx 然而 ,我 们 仍 面临 一 个 根本 问题 。 为 什么 DNA 聚合 酶 I 不 能 利用 天 然 双 股 DNA 作 为 模板 引物 of 如 同 我 们 预料 中 完整 细胞 里 发 生 的 那样 喝 ? 这 个 疑问 引起 人 人 科 设 想 DNA 聚合 酶 工 或 许 并 不 是 正常 复制 DNA AM. 但 它 也 许 起 一 种 附加 的 作用 ， 可 能 是 修补 DNA 的 作用 。 .在 寻找 缺乏 Kornberg DNA 聚合 酶 而 仍 有 复制 能 力 的 大 肠 杆菌 变种 工作 中 ， 近 来 测 定 原 Kornberg DNA RAMEGMA Hl DNA 的 酶 这 个 关键 性 的 实验 。 1969 年 在 查验 3000 种 以 上 由 亚 硝 基 且 诱导 的 变种 以 后 , P. De Lucia 和 J. Cairns 报导 他 们 发 现 这 样 一 MRA pol Al 的 大 肠 杆菌 变种 。 很 明显 这 一 变种 能 正常 地 繁殖 ， 当 用 从 野生 型 细胞 中 获 得 Kornberg DNA 聚合 酶 所 用 的 同样 条 件 提取 此 细胞 时 ， 发 现 它 含 此 酶 很 少 或 是 没有 此 酶 ;然而 ,突变 种 细胞 却 含有 与 原 Kornberg DNA 聚合 酶 很 不 相同 的 残留 DNA 聚合 酶 活 性 。 这 样 的 变种 虽然 以 正常 的 速率 生长 ,但 它们 对 像 紫 外 线 和 民 射 线 这 样 一 些 引起 DNA 竹 害 的 力量 非常 敏感 。 它 们 也 表现 出 由 缺失 引起 的 突变 发 生 率 增加 以 及 缺少 修补 DNA 中 单 股 缺口 和 空缺 的 能 力 *。 这 些 发 现 确 实 表 明 , 所 缺失 的 DNA 聚合 酶 不 是 复制 DNA BUBB, 而 主要 是 与 修补 DNA 有 关 的 酶 。 然 后 又 把 注意 力 集中 在 这 些 变种 细胞 里 的 残留 的 DNA 聚合 酶 活性 上 。 从 这 种 变种 里 已 分 离 出 另 两 种 DNA 聚合 酶 ,DNA RAKE I A DNA RE 酶 II。 从 野生 型 大 肠 杆菌 细胞 中 也 分 离 出 这 两 种 酶 , 接着 发 现 它们 含有 所 有 的 三 种 聚合 Bo 的 32-4 大 肠 杆 菌 的 DNA Rew I, 开 和 UL 的 比较 DNA 聚合 作用 十 十 十 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 十 一 一 3 一 5 核酸 外 切 酶 活性 + + + 引物 ”完整 双 股 一 一 一 引发 的 单 股 十 一 一 dNTP, 的 Ku AK 低 高 -SH 试 剂 的 抑制 一 十 一 分 子 量 109,000 120,000 180,000 每 一 细胞 分 子 数 400 100 10 相对 分 子 活性 1 0.05 15 + 引 自 A. Kornberg, DNA Synthesis, P. 127, 1974, 在 M. L. Gefter, C. C. Richardson 和 R. Knippr 的 实验 室 里 几乎 是 同时 发 现 的 DNA EM Il, 能 被 琉 基 阻 断 剂 有 特征 性 地 抑制 , 而 DNA 聚合 酶 工 则 不 受 抑 制 , 虽然 前 e781 面 已 指出 , 此 酶 含有 一 个 并 非 必需 的 一 SH 基 。 用 类 似 于 提纯 DNA 聚合 酶 工 的 方法 曾 将 DNA RAM I 纯化 到 均一 状态 。 它 的 分 子 量 与 DNA KRAMINIL YMA, AW 120,000， 但 其 固有 的 分 子 活 性 或 周转 率 则 仅 约 有 DNA 聚合 酶 工 的 5 多 。 最 重要 的 是 在 催化 活性 上 有 两 种 性 质 上 的 差别 : (1)DNA 聚合 酶 I 具有 3 一 5 核酸 外 切 活 性 但 无 5 一 3 活性 ,而 DNA 聚合 酶 I 则 两 种 活性 都 有 ,(2)DNA RAS I WHR AS | MAA BP 格 的 要 求 , 它 只 对 那些 空缺 或 单 股 未 端 比 100 个 核 昔 酸 少 的 双 螺 旋 DNA 有 效 ， 而 DNA 聚合 酶 | 则 能 与 更 宽 范 围 的 模板 和 引物 起 作用 。 特别 是 ，DNA RABI KESHHE 补 引 物 复 制 出 长 的 单 股 , 而 DNA RAKE I 工 则 与 这 种 模板 -引物 有 高 度 的 活性 。DNA 聚合 Ms TAO AE yD REI AN Alia o pol III* DNA 3&4 fig II Zé HH T. Kornberg (A. Kornberg AY JL 子 ) 和 M. L. Gefter 在 1972 年 发 现 的 。 此 酶 相当 不 稳定 而 且 起 初时 不 易 测 知 ; 然而 它 经 过 上 万 倍 的 提纯 达到 了 近乎 均一 的 程度 。 它 是 三 种 聚合 酶 中 活性 最 大 的 一 种 六 它 比 DNA 聚合 酶 I 的 活性 大 15 倍 ， 比 DNA RAM I WAH 大 300 倍 。DNA RA HS II 能 被 斑 基 阻 断 剂 所 抑制 凡 CA 所 有 两 种 核酸 外 切 酶 的 活性 , 它 对 模板 -引物 的 依赖 性 与 聚 Ny 合 酶 工 的 大 致 相同 , 且 对 其 AN TP 底 物 的 Kx 相当 高 。 copol ETII* A. Kornberg 和 其 同 工 作 者 的 后 来 研究 工作 揭示 了 图 32.19 Pol II*-Copol mm* #4 DNA 聚合 酶 II 以 一 种 更 复杂 的 形式 ， 称 为 DNA 聚合 酶 fie 引发 复制 时 必须 有 这 个 复合 物 。 TII+《 读 作 “ 星 号 II ) 而 存在 。 在 这 几 我 们 不 如 干脆 开始 引物 。 在 引发 残 基 加 上 去 以 后 Copol “采用 略 号 PoalI, Pol I，Pol II， 和 Pol II 以 代表 大 肠 杆 菌 IT 解 离 > 放 出 AD 与 Pio 的 DNA 聚合 酶 类 ( 表 32-4)o PolII* 是 PalII 的 生物 活性 形式 ;认为 它 是 Pol III 的 二 聚 体 。Pol IIIT* 需要 一 个 附加 蛋白 质 , 辅 聚合 酶 II*(eopolIHI*)o A. Kornberg 和 其 同 工 作者 提供 某 些 证 据 认 为 Pol II* 与 CopolIII* 结合 生成 Pol II*-Copal IITF 复合 物 ( 图 32-19), 它 明 显 地 引起 DNA 链 生长 的 开端 。 然 而 首先 我 们 必须 考虑 DNA 复制 的 其 它 方面 。 DNA 的 短 步 复 抽 R. 冈 崎 与 其 同 工 作者 发 现 当 病 毒 DNA 在 大 肠 杆 菌 里 复制 的 时 候 , 最 近 生 成 的 ， 或 新 生 的 DNA 以 短片 出 现 ， 现 在 称 为 冈 崎 碎片 。 这 是 在 低温 下 培育 感染 了 的 细胞 以 降低 复制 的 速度 并 追踪 所 化 了 的 胸 苦 挨 和 人 DNA 而 确立 的 。 实 际 上 ,加 进 标记 胸 苦 以 后 很 短 间 隔 内 生成 的 ,所 有 标记 了 的 DNA 都 以 1000 到 2,000 残 基 的 短 碎 片 出 现 ,它们 的 沉降 系数 只 有 8S 到 10 S。 然 而 ,若是 细胞 长 期 暴露 于 标记 的 胸 苦 时 , 则 仅 在 高 分 子 量 DNA 中 发 现 有 放射 性 。 这 些 实验 因而 表明 DNA 先 复制 成 短片 ,并 很 快 通过 共 价 键 连接 起 来 (图 32- 20) 不 仅 在 病毒 复制 过 程 中 而 且 也 在 细菌 和 真 核 细胞 的 复制 作用 中 发 现 冈 崎 碎片 。 正 如 我 们 所 已 知 的 那样 , DNA 连接 酶 能 将 单 股 DNA 的 末端 连接 起 来 ,在 缺乏 DNA 连接 酶 的 大 肠 杆 菌 变 种 里 有 特别 大 量 的 冈 崎 碎片 堆积 。 由 此 看 来 DNA 连接 酶 的 功用 在 于 连接 冈 ° 782° & 崎 碎片 。 UO-PFOKRAAM HEE S OAD ARIE S HAO She DNA . 的 两 个 股 都 是 用 短片 制造 的 。 我 们 将 会 知道 , 短 步 复制 DNA 是 一 种 手段 ,能 容许 那 种 只 朝 5 一 3 方向 复制 的 聚合 酶 复制 出 DNA 的 反 向 平行 的 两 股 。 5 模板 股 双 股 DNA 引物 由 DNA 连接 酶 将 段 节 连 起 来 之 后 5’ 图 32-20 ” 短 步 合成 DNA。 新 生 的 DNA， 称 为 Okazaki. 段 节 , 约 长 11000 到 2,000 残 基 。 和 人 两 股 都 能 复制 DNA 解 链 与 解 扭 蛋 白质 我 们 已 看 到 如 若 两 股 都 要 复制 则 双 螺 旋 的 DNA 染色 体 的 解 链 是 必要 的 。B.Alberts 及 其 同 工 作 者 发 现 “ 解 链 ” 和 蛋白， 使 这 一 令 人 迷惑 的 图 32-21， 解 链 蛋 白 在 分 离 双 股 DNA 的 问题 有 所 阐明 ,。 这 是 通过 对 病毒 T4 的 基因 32 pee chews ah A DNA 复制 所 必需 的 一 种 蛋白 质 ( 既 不 是 DNA 聚合 酶 ,也 不 是 DNA 连接 酶 ) 编码 的 认 ° 783 识 而 有 可 能 的 。 分 离 出 这 种 蛋白 质 , 而 且 发 现 它 能 在 低 于 正常 需要 的 退 度 约 40°C 以 下 导 致 双 螺旋 DNA WH. BA 32 BAS DNA 单 股 强烈 地 结合 而 与 完整 的 双 股 DNA 却 只 微弱 地 结合 ; 而 且 它 与 双 螺 旋 DNA 偶然 折 时 打开 的 短 范 围 强烈 结合 。 每 当 一 个 蛋白 分 子 与 微 开 着 的 双 螺 旋 _DNA 中 线圈 结合 时 ， 线 图 便 与 另 添加 的 解 链 蛋 白 分 子 结合 而 打 开 得 更 多 些 。 这 种 结合 以 一 种 协同 的 方式 发 生 , 每 个 蛋白 质 分 子 的 结合 都 加 强 了 后 继 一 个 的 结合 。Alberts 与 其 同 工 作者 已 从 感染 了 各 种 不 同 病 毒 的 细菌 细胞 ， 并 且 也 从 真 核 细 胞 里 分 离 出 解 链 蛋白 。 解 链 蛋白 的 分 子 量 从 10,000 到 75,000 各 不 相同 。 它 们 具有 与 约 8 个 脱氧 核糖 核 苷 酸 残 基 的 一 短 节 相 结合 的 专 一 结合 位 点 ;许多 解 链 蛋 白 分 子 在 复制 又 (图 32-21) 的 前 面 与 双 螺旋 DNA 的 一 股 连 续 地 结合 。 在 复制 过 程 中 ， 当 一 个 长 的 双 螺 旋 环 状 DNA 进行 解 链 时 ,产生 转 和 矩 且 造成 超 螺旋 。 已 分 离 出 一 种 解 扭 蛋白 RNA ‘i cee ee 新 DNA sy RHE 为 了 引导 和 限 踪 股 以 使 RNA 引物 的 生成 引物 RNA 的 短 的 长 度 RNA 引物 | 5 ,引发 RNA DNA 由 挝 酸 内 切 酶 切断 RNA 引物 以 产生 冈 崎 段 节 Pai BE 由 DNA 取 代 了 RNA 引物 5’ 图 32-22 由 DNA 聚合 酶 复制 的 起 始 ， 此 酶 能 识别 起 点 并 制造 出 一 个 有 50 到 100 个 残 基 的 短 互 补 股 。PNA 聚 合 酶 然 后 在 RNA 引物 上 制造 DNA 股 ? 引 物 是 由 DNA Gag I 5 DNA 连接 所 切除 并 用 DNA 插 人 取代 的 。 图 32-23 在 DNA 复制 中 假设 的 步骤 顺序 。784 。 质 , 也 称 为 “ 转 环 酶 "。 它 可 能 是 在 超 螺旋 DNA 的 一 股 上 开 个 缺口 ， 因 而 通过 容许 一 些 解 链 作用 缓解 扭转 的 张力 ,然后 再 封闭 缺口 。 RNA 在 DNA 链 的 起 始 中 的 功用 包括 DNA 聚合 酶 III* 在 内 没有 一 种 纯化 的 DNA 聚合 酶 能 利用 天 然 双 股 DNA 作为 引物 - 横 板 。 然而 在 完整 的 细胞 里 DNA 的 复制 当然 一 定 是 在 完整 的 双 股 染色 体 上 进行 Ho BH, BS DNA 转录 以 生成 互补 的 RNA 的 酶 即 DNA 指导 的 RNA RAB CL 后 讨论 )， 已 知 它 是 能 够 从 双 股 DNA 转录 的 ， 而 且 能 够 在 染色 体 上 认 明 专 一 的 起 始点 。 DNA AHS RNA 聚合 酶 之 间 这 种 奇妙 的 差异 已 经 由 A. Kornberg 的 和 R. 冈 崎 的 实验 室 所 发 现 的 事实 解答 了 。 这 个 发 现 即 在 DNA 复制 的 前 面 先 有 与 双 股 DNA 的 一 段 相互 补 的 一 短 股 RNA 的 生成 。 这 个 引发 RNA 是 由 一 种 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 从 核 - BRE 5 三 磷酸 混合 物 中 产生 的 。 一 旦 引发 RNA 股 已 经 制 成 ，DNA 聚合 酶 即 开始 将 VAR RE ?9- 三 磷酸 产生 的 脱氧 核糖 核 苷 酸 单位 向 着 RNA 引发 股 的 3 未 端 加 上 老 。 以 这 种 方式 复制 了 一 长 仆 DNA 以 后 ， 再 由 一 种 核酸 酶 将 短 短 的 RNA 引发 股 切除 (图 32-22)。 而 且 冈 崎 已 发 现在 大 肠 杆菌 里 ,在 复制 过 程 中 产生 的 小 DNA 碎片 在 它们 的 5 未 端 含有 小 片 RNA, 这 表明 在 DNA 的 逐步 合成 中 ,每 制 出 一 短 节 都 要 从 一 次 RNA 的 运转 开始 。 因 此 ，DNA 复制 是 在 RNA 引物 上 起 始 的 , 这 不 仅 是 在 复制 的 每 一 轮 角 开 始 时 如 些 , 即 在 重复 生成 短 的 冈 崎 碎片 时 也 是 如 此 。 DNA 复制 的 一 种 假说 从 上 面 的 讨论 中 现在 已 经 明白 DNA 的 复制 需要 几 种 或 许 是 多 种 酶 与 蛋白 质 的 一 体 化 作用 ,可 能 是 在 一 种 复合 物 中 起 作用 。 毫 无 疑问 ,在 病毒 ,细菌 ,和 真 核 DNA 的 复制 中 所 必需 的 酶 和 其 它 蛋 白质 的 明确 的 类 型 和 数目 将 有 某 些 差别 。 虽然 现在 已 经 作出 了 显著 而 惊人 的 进展 ,但 已 有 的 知识 还 不 足以 使 我 们 能 构成 DNA 复制 的 详细 假说 。 然 而 图 32-23 中 和 这 里 描 出 一 个 合乎 情理 的 假说 的 大 概 。 这 个 假说 在 出 现 更 多 证 据 时 还 必须 要 作 一 些 修改 ， 但 它 至 少 可 在 大 肠 杆菌 复制 过 程 中 规定 出 某 些 专 一 的 步骤 。 起 点 的 识别 细菌 染色 体 的 复制 是 在 DNA 上 一 个 专 一 的 点 或 起 点 开始 的 。 以 后 会 知道 ， 为 了 识 别 起 点 或 许 为 一 特殊 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 产生 新 DNA 链 的 RNA 引物 提供 “出 发 标 记 ， 要 求 有 一 个 或 更 多 的 专 一 的 引发 蛋白 。 有 某 些 证 据 表明 染色 体 里 起 点 或 某 些 别 的 专 一 点 是 固着 在 细胞 膜 上 的 。 当 染色 体 在 解 链 之 际 ,这 种 固着 在 帮助 克服 转 和 矩 力 上 是 必需 的 - DNA 的 解 链 在 复制 酶 类 起 作用 之 先 , 几 个 解 链 蛋白 分 子 与 染色 体 的 一 股 结合 , 且 在 双 螺旋 内 打开 一 圈 , 或 泡 , 使 得 一 股 或 两 股 都 能 接受 复制 。 大 肠 杆 著 细 胞 含有 大 数量 解 链 蛋 白 副 本 ， 每 ss 785。 个 细胞 可 能 有 10,000, 表明 它们 在 复制 过 程 中 的 不 同 阶段 使 用 了 巨大 的 数目 。 RNA 引发 然后 DNA 指导 的 RNA RGAE RNA 的 引物 股 ， KGAA 5'-= eR 作为 核糖 核 童 酸 残 基 的 前 身 物 。 引 发 RNA 股 与 染色 体 的 两 股 是 互补 的 。 这 种 互补 RNA 的 引发 股 约 有 50 到 100 个 残 基 长 。 DNA 在 RNA 引物 上 的 生成 新 DNA 的 前 导 股 ， 它 是 依照 5 一 3 方向 从 染色 体 的 3 一 5 模板 股 生 成 的 。. UNE 是 在 有 ATP 存在 时 通过 Pol II"-Copol II 复合 物 的 作用 , 向 RNA 的 引发 行程 BY 3° 7K 端 加 进 脱 氧 核糖 核 背 酸 残 基 而 开始 的 。 一 且 当 DNA 股 已 经 起 步 了 ， Copol Ill* 脱落 ,而 Pol IT 即 完成 模板 股 的 复制 。 解 链 蛋 白 总 是 在 复制 又 的 前 头 分 离 亲 代 DNA 的 双 螺 旋 股 的 。 DNA 前 导 股 是 朝 5 一 3 :方向 被 制造 的 , 而 DNA 的 接续 股 则 起 步 和 被 制造 的 方向 与 复制 叉 的 移行 方向 相反 。 大 概 接续 股 是 由 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 开端 以 生成 引物 RNA,， 然 后 由 Pol HI-Copol II* 复合 物 的 作用 接续 以 复制 出 一 个 DNA 段 节 。 前 导 股 和 接续 股 都 是 以 1000 到 2000 残 基 的 短 节制 成 ,每 个 都 是 以 引物 RNA) 的 一 个 节 段 开始 的 s 这 些 冈 崎 碎片 的 起 步 可 能 得 到 与 原点 上 复制 的 一 轮 开 始 时 涉及 的 RNA 聚合 酶 不 同 的 RNA 聚合 酶 的 帮助 而 进行 的 。 RNA 引物 的 切除 —H DNA 的 短片 〈 冈 崎 碎片 ) 已 经 制 成 , 就 从 它 的 了 未 端 , 一 个 一 个 残 基地 把 引发 RNA 切除 ， 这 可 能 是 由 DNA RGAS I 或 核糖 核酸 酶 互 的 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 来 完成 的 。 短 DNA 碎片 的 连接 网 崎 碎片 之 间 留 下 的 空缺 然后 被 DNA RAM] 用 互补 的 脱氧 核糖 核 昔 酸 残 基 将 它 填 满 ,而 邻近 的 5 和 3' 未 端 则 由 DNA 连接 酶 将 它们 连接 起 来 。 两 个 复制 叉 中 的 每 一 个 都 经 过 方向 相反 的 多 次 短 步 复制 循环 以 后 , 两 又 相合 s KF 子 代 染 色 体 如 何 完成 以 及 聚合 酶 如 何 释放 的 事 知道 得 很 少 。 再 次 强调 这 仅仅 是 DNA 复制 可 能 方案 之 一 ,在 不 同 生物 中 细节 可 能 不 同 5 例 妇 前 面 描述 的 由 DNA 聚合 酶 I 与 DNA 连接 酶 酶 促 合 成 OX 174 似乎 不 必需 RNA 引物。 可 能 有 些 杂质 低 聚 核 苷 酸 为 OX 174 DNA 的 合成 提供 了 引物 。 此 外 ,近来 的 研究 表明 X 174 DNA 的 复制 需要 许多 其 它 的 专 一 性 蛋白 质 。 很 清楚 , 在 我 们 对 病毒 和 细菌 的 DNA 复制 的 机 制 有 完全 了 解 之 前 还 需要 做 很 多 进一步 的 研究 。 真 核 细 胞 中 DNA 的 复制 虽然 大 们 可 以 料 到 真 核 细 胞 里 DNA 的 复制 要 比 原 核 细胞 里 的 复杂 得 多 ,但 现 已 有 许 © 786， 多 可 资 利用 的 重要 知识 。 真 核 细胞 至 少 含有 两 种 不 同类 型 的 DNA 聚合 酶 ,虽然 还 不 知道 它们 的 功用 是 否 与 原核 细胞 的 DNA RAHI, TW, 或 II 相当 。 真 核 细 胞 也 含有 DNA 连 iS, CEB ATP 作为 腺 苷 酰基 的 供 体 。 从 放射 自 显 术 法 和 电子 显微镜 法 已 经 发 现 果 晶 卵 细胞 中 DNA 分 子 是 以 双向 方式 复 制 的 ， 因 而 与 上 述 大 肠 杆菌 中 的 复制 过 程 相 似 。 然 而 ， 与 从 单个 原始 点 开始 不 同 ， 真 核 DNA 的 复制 是 从 多 个 原始 点 开始 的 ， 因 此 形成 许多 个 “ 眼 ”, MRR DNA 股 分 离 和 复制 ,直到 这 些 眼 相 会 合 % 多 个 原始 点 是 必需 的 ， 因 为 真 核 DNA 的 长 度 大 而 且 真 核 细胞 复制 又 移动 比较 慢 , 与 大 肠 杆 菌 每 分 钟 约 16,000 碱 基 比 较 它 每 分 钟 只 移动 约 -2600- 碱 基 。 如 果 真 核 细胞 中 仅 有 一 个 复制 叉 的 话 则 核 中 DNA 的 完全 复制 至 少 需要 两 星期 。 然而 一 个 果 晶 卵细胞 在 约 3 分 钟 内 就 完成 复制 ,认为 这 是 同时 运用 6,000 个 复制 又 完成 的 。 正如 在 原核 细胞 中 那样 , 真 核 DNA 的 复制 是 以 短 步 进行 的 ， 此 时 每 个 囚 崎 碎片 是 在 一 个 约 -10 AEB KAS RNA 引物 上 制 成 的 。 然 而 7 走 核 中 的 冈 崎 碎片 ( 约 100 到 150 BER LIRR EA (1,000 到 2,000 BHM) GS To YR RNA 引物 后 由 DNA 连接 酶 将 网 崎 碎片 连 起 来 。 真 核 染 色 体 的 复制 必需 可 溶性 的 细胞 质 因 子 , 它们 在 复制 的 起 步 中 有 明显 的 功用 ,可 能 是 从 DNA 上 解 离 组 蛋白 和 其 它 蛋 白质 。 DNA 的 修 补 DNA 是 一 种 比较 脆 , 容 易 损坏 的 分 子 。 然 而 ， 细 菌 基因 能 经 受 若干 百 万 次 复制 循环 而 仍 无 变化 。 在 很 大 的 程度 上 DNA 的 信息 内 容 的 完整 性 是 由 那些 只 要 含有 互补 信息 的 另 一 股 还 完整 它 就 能 精确 地 修补 DNA 一 股 上 某 种 损伤 或 缺陷 的 酶 来 保护 的 。 在 体内 DNA 能 遭受 几 种 损害 (1) 弯 折 或 前 力 可 以 造成 单 股 或 双 股 破损 ;(2) 局 部 pH 变化 可 造成 叮 叭 碱 基 的 丧失 ;(3) 从 四 周 环境 中 来 的 化 学 剂 可 修饰 一 个 或 更 多 的 碱 基 ;(4) X 射线 或 紫外 光 能 引起 碱 基 中 的 化 学 变化 。 紫 外 光照 射 常 对 两 个 邻近 的 胸腺 喀 啶 残 基 产 生 二 聚 化 , 生成 胸腺 喀 啶 二 聚 体 。 有 三 种 主要 类 型 的 修补 机 制 。 第 一 种 , 酶 促 光 复活 作用 (enzgmatic photoreactivation), 仍 不 很 清楚 。 这 过 程 是 用 可 见 蓝 光照 射 细 胞 而 达成 的 。 这 种 光复 活 作用 需要 一 种 能 与 DNA 上 缺陷 部 位 结合 的 专 一 酶 。 光 照 造成 酶 吸收 光 能 ;被 吸收 的 光 能 以 某 种 方式 在 单 股 中 缺陷 上 促进 共 价 键 的 切除 。 最 常见 的 光复 活 作用 过 程 就 是 切除 胸腺 喀 啶 二 聚 体 的 异常 环 ; 于 烷 环 ;生成 两 个 游离 的 胸腺 喀 啶 残 基 。 可 以 利用 可 见 光 通过 这 种 方式 由 紫外 线 修补 DNA 的 损伤 。 另 一 类 型 的 修补 机 制 为 切除 修补 , 它 与 光 无 关 故 称 为 一 种 “ 暗 ”修补 法 ,是 由 四 种 酶 活 性 的 连续 作用 以 完成 的 。 例 如 , 若 缺 陷 是 胸腺 喀 啶 二 聚 体 ; 则 能 由 DNA FRAME I 的 5 一 > 3 核酸 外 切 酶 活性 所 察 这 ,此 酶 有 巡逻 的 功能 且 可 在 缺陷 的 5 侧 作 切 除 。 然 后 这 有 缺陷 的 节 段 由 DNA KAM) 的 聚合 酶 功能 用 正确 的 碱 基 对 取代 了 ， 此 酶 还 切除 了 有 缺陷 的 节 段 。 通 过 DNA 连接 酶 的 作用 将 新 股 的 3' 末端 与 保持 完整 的 股 的 5 未 端 连接 起 来 。 曾 经 称 这 为 “ 切 , 补 , 切 和 封 ”的 过 程 。( 图 32-25) 在 第 三 类 型 修补 过 程 中 受 损 的 双 螺 旋 DNA 的 一 股 中 的 一 大 节 眉 被 另 一 DNA 分 子 相应 的 完整 节 段 所 取代 ; 简 言 之 ,基因 的 一 部 分 被 另 一 DNA 分 子 的 一 部 分 所 取代 。 这 就 © 787 « 是 所 谓 重 组 修补 ;这 是 更 普通 的 遗传 过 程 的 一 种 特殊 情况 ,在 这 过 程 中 从 一 个 染色 体 来 的 基因 共 价 结合 进入 另 一 染色 体 。 例如 ， 在 宿主 细胞 里 染色 体 受 病毒 损伤 以 后 就 发 生 重组 修补 。 由 胸腺 暗 啶 二 聚 体 产生 的 缺损 3" 5° —Beha Kee 5 PE TREE epi \ ig eae = RK 34 mM : z : 由 核酸 内 切 酶 剪断 \\ 胸腺 喀 啶 二 来 体 = = 光复 活 作用 酶 与 二 素 体 结合 Hy DNA 聚合 酶 ! 修补 人 蓝光 的 光复 活 作用 切除 环 丁 烷 环 HHS’ +3’ BRA DAS Toon oon see aR ay ° , 3 完全 修复 ， 7 5 了 由 DNA 连接 酶 封闭 8 静 ” 游 离 的 酶 = :> 32-24 光复 活 作用 对 胸腺 喀 啶 二 图 32-25 ”通过 酶 促 过 程 切除 一 个 胸腺 RAKE. [ 引 自 P. C. Hanawalt, he — 7K. [ 引 自 P. C. Hanawalt, Endeavour, 31: 83 (1972)] Endeavour, 31: 83(1972)] a PEF BZ — AbD LAS A SB eR, At BEN OR BUR PA AA RS RA HO «J. E. Cleaver 发 现 ， 此 病 是 由 于 遗传 羔 失 正常 时 在 由 紫外 线 引 起 的 胸腺 喀 啶 二 聚 体 中 参加 切除 修补 的 一 种 酶 , 它 可 能 就 是 第 兰 次 切 除 ! BS 刀 所 需要 的 核酸 内 切 酶 。 已 经 发 展 了 一 种 诊断 着 色 性 干 皮 病 的 检查 法 ,， 即 对 皮肤 成 纤维 细胞 培养 抽 提 物 的 修补 能 力 的 体外 分 析 。 还 有 几 种 其 它 人 类 遗传 订 乱 涉及 iDNAL BAH 缺陷 ,包括 Bloom Ris, Fanconi 氏 贫 血 症 和 早衰 症 ， 它 可 引起 早期 衰老 和 死亡 本 种 类 似 的 DNA 修补 遗传 病 , 称 为 “ 牛 眼 ” ,造成 几乎 是 100% HOFER RES DNA WEA: 外 来 基因 有 指导 地 掺 入 染色 体 重组 就 是 染色 体 之 间 交 换 基因 。 它 经 常 发 生 在 细菌 细胞 的 转化 中 ;在 病毒 转 导 惠 以 及 真 核 生 殖 细胞 减 数 分 裂 过程 中 基因 的 互 换 或 交换 (crossing-over) 中 。 ELAM WE 重组 机 制 的 可 能 模型 ， 所 用 的 酶 都 已 描述 过 的 ,如 核酸 内 切 酶 ，DNA 连接 酶 和 ;DN 克 某 EA 1, 图 32-26 中 显示 出 重组 过 程 的 两 种 可 能 模型 。 这 种 反应 最 近 已 用 于 体外 实验 ， 使 来 自 噬菌体 1 或 大 肠 杆菌 染色 体 的 某 些 基因 摊 开 * 788 « ME a ar ate ce 向 双 股 DNA 插 人 一 个 基因 DNA 段 节 的 交换 。 在 标明 的 点 上 核酸 内 切 酶 进行 切断 ,然后 由 DNA JRA Ag I 填 充 空缺 * 和 由 DNA 连接 酶 封闭 之 。 图 32-26 两 个 类 型 的 基因 重组 到 盖 种 动物 病毒 ,致癌 的 猿 病毒 40 中 去 ， 这 种 病毒 能 引起 正常 动物 细胞 转化 成 癌 细 胞 。 RW, AREER cRNA 编码 的 部 分 (从 爪 蟾 来 的 2 已 成 功 地 挫 人 到 大 肠 杆菌 的 分 离 的 质粒 中 ， 然 后 又 将 它们 引进 完整 的 大 肠 杆菌 细胞 中 去 。 这 种 受 体 细胞 已 经 过 多 少 遍 复制 并 转录 过 从 爪 蟾 引进 的 基因 。 因 此 基因 可 以 在 动物 染色 体 和 细菌 染色 体 之 间 进 行 实验 性 转移 ， 这 种 可 能 性 曾 引起 社会 上 的 不 安 以 及 提出 有 关 人 类 安全 和 健康 的 问题 。 例 如 ,用 实验 方法 将 从 动物 或 动物 病毒 来 的 “ 瘤 * 基 因 挫 人 到 普通 肠 中 细菌 大 肠 杆 菌 中 去 ,可 以 想像 这 将 导致 癌 基 因 在 人 类 中 广 为 传播 。 另 一 方面 ;这 种 实验 也 带 来 希望 ,有 朝 一 目 高 RH MEPS ESIER ESTEE ATE ETE EEA 种 有 机 体 得 来 的 -好 -基因 经 过 移植 而 得 以 修补 s RNA 指导 的 DNA 聚合 梧 ( 反 转 孙 酶 ) 已 知 有 许多 RNA \ 病毒 在 敏感 的 动物 里 引起 癌 。 它们 包括 劳 氏 肉瘤 病毒 (RSV), GE 鸡 里 产生 癌 , 鸟 类 成 骼 细胞 过 多 症 病 毒 (AMV) 汪 它 在 鸟 类 中 产生 和 白血病 ,还 有 一 种 在 叔 齿 类 动物 中 产生 乳腺 癌 的 病毒 。 这 些 病 毒 的 特点 是 能 在 体外 引起 永久 性 的 ， 可 遗传 的 某 些 正常 细胞 至 恶性 瘤 细胞 的 转变 。 本 世纪 60: 年 代 初 期 N. M. Temin 假设 这 些 病毒 的 RNA AEA , WAR MK DNA 的 形式 才能 变 成 挨 人 宿主 细胞 基因 组 的 一 个 永久 的 ， 可 遗传 的 部 分 , 这 是 通过 由 肿瘤 病毒 RNA: 指 导 的 DNA 聚合 酶 的 作用 而 成 为 可 能 的 。 这 一 观点 在 多 少年 内 很 少 有 人 尼 认 ;因为 它 违 背 了 分 子 遗 传 学 的 中 心 教条 , 此 教条 坚持 遗传 信息 从 DNA 传 到 RNA 再 到 蛋白 质 。 然 而 ; Temin 和 卫 . Baltimore 同时 发 现 RNA 肿瘤 病 毒 粒 子 本 身 含 有 RNA 指导 的 DNA 聚合 酶 ,也 称 反 转 录 酶 ， 终 于 证 实 了 Temin 的 假说 。 已 从 几 种 不 同 的 RNA 肿瘤 病毒 中 分 离 并 纯化 了 这 些 酶 类 ， 其 分 子 量 为 70,000 到 160,000。 反 转录 酶 类 与 由 DNA 指导 的 DNA RAMA RNA 聚合 酶 很 相似 的 地 方 是 , 它 们 按 5 一 3 方向 制造 DNA, 利用 脱氧 核糖 核 背 5 = 三 磷酸 作为 前 身 物 ， 而 且 需 要 一 个 必 须 具 有 游离 3- 凑 基 末端 的 引物 股 和 一 个 模板 a 在 包括 病毒 粒子 中 存在 的 极 大 的 RNA 在 。789。 内 的 天 然 RNA 模板 上 反 转 录 酶 是 很 活跃 的 。 DNA 与 它们 的 RNA 模板 产生 杂交 化 。 反 转录 酶 也 能 利用 DNA 模板 ,虽然 后 者 比 RNA 模板 的 效果 要 差 些 。 已 经 从 某 些 动物 的 恶 性 细胞 和 从 患 白 血 病 的 人 类 患者 分 离 出 反 转 录 酶 ;它们 和 某 些 RNA 肿瘤 病毒 的 反 转 录 酶 极为 相似 。 然而 ， 在 动物 细胞 里 以 及 没有 被 肿瘤 病毒 感染 的 认为 是 正常 人 身上 也 发 现 有 反 转 录 酶 ;在 野生 型 大 肠 杆菌 里 也 发 现 了 它们 。 这 种 反 转 录 酶 能 利用 或 是 RNA 或 是 DNA 作为 模板 。 正 常 细胞 中 以 RNA 为 指导 的 DNA 聚合 酶 的 功能 还 不 了 解 ; 它 的 存在 说 明 从 RNA 转录 信息 到 DNA 中 去 是 一 个 正常 的 过 程 ， 例 如 在 合成 某 些 基因 的 多 重复 制品 时 。 因 此 ， 对 反 转 录 酶 的 认识 已 在 生化 遗传 学 的 研究 中 开辟 了 一 些 新 的 道路 。 RNA 的 生物 合成 : DNA 指导 的 RNA RS Be 自从 发 现 了 DNA 聚合 酶 和 它 有 赖 于 一 个 模板 就 开始 了 对 参与 转录 的 酶 的 积极 寻找 活动 ;转录 就 是 与 染色 体 DNA 的 一 股 互补 的 RNA 的 生成 。 1959 年 三 位 研究 者 ,S. B. Wiess, J. Hurwitz, #1 A. Stevens， 各 自 独 立地 发 现 了 一 种 能 从 核糖 核 背 5 = 三 磷酸 生成 一 个 RNA 聚合 物 的 依赖 DNA 的 酶 ;生成 的 RNA 是 与 DNA BRAY LARA DNA 指导 的 RNA RGM. CHES DNA 聚合 酶 极 相似 。 反应 需要 Me* 且 在 进行 中 释放 出 焦 磷 酸 。 RNA RAMEE FIR NTP 十 (NMP), <= ae + PP; 反应 的 进行 必需 有 DNA, 同一 个 时 间 需 要 所 有 四 种 核糖 核 背 5 -三 磷酸 。 生 成 的 RNA 聚合 物 具 有 3 ，5 -磷酸 二 酯 键 且 能 被 核糖 核酸 酶 和 脾脏 以 及 蛇毒 的 磷酸 二 酯 酶 所 水 解 。 聚合 酶 向 RNA 链 的 3 羟基 末端 加 上 单 核 苷 酸 单位 且 因此 朝 5 一 3 方向 建造 RNA, 这 方 向 与 作为 模板 的 DNA 股 是 反 向 平行 的 。 正 如 DNA 聚合 酶 那样 , 酶 促 焦 磷酸 的 水 解 对 保 证 反应 在 细胞 里 走向 合成 方向 有 所 帮助 。 已 在 许多 细菌 , 植物 ,和 动物 细胞 里 鉴定 出 RNA 聚合 酶 。 在 动物 细胞 里 至 少 有 三 种 形式 的 酶 。 也 在 线粒体 和 叶绿体 中 发 现 RNA 聚合 酶 ， 在 那儿 它们 参与 线粒体 和 叶绿体 DNA 的 转录 。 从 许多 不 同 来 源 得 到 的 由 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 已 得 到 纯化 。 知道 最 清楚 的 是 大 AN, GER R. R. Burgess 及 其 同 工 作 者 获得 均一 的 形式 。 其 分 子 量 约 为 ,490;000 且 含 有 四 种 不 同 亚 基 称 为 w, 8, 8 Mo (西格玛 ) 亚 基 。 完 整 全 酶 里 的 亚 基 比率 为 mppTo 其 它 蛋 白质 被 称 为 © BKIN), CF), 和 “上 (卡巴 ), 在 细胞 内 条 件 下 与 RNA 聚合 酶 协同 转录 染色 体 段 节 。 全 酶 曾 解 离 成 亚 基 并 成 功 地 由 一 种 专 一 的 顺序 的 自我 集合 重新 组 成 具 有 活性 的 形态 。 可 以 从 RNA 聚合 酶 移 去 亚 基 而 无 损 于 活性 ,并 得 到 核心 聚合 酶 。 这 个 和 其 它 资 料 表 明 Oo 亚 基 在 催化 中 不 起 作用 但 它 是 一 种 调节 亚 基 。 模板 专 一 性 与 转录 的 起 步 RNA 聚合 酶 与 从 不 同 来 源 来 的 双 股 天 然 DNA 作用 时 最 活 牙 而 与 单 股 的 或 变 了 人 性 的 DNA 作用 时 就 不 那么 活跃 。 合成 的 DNA 聚合 物 如 多 聚 (dT) 或 交替 的 共聚 物 poly 。 790% (dTC), 也 可 作为 模板 ,然而 精确 度 有 所 损失 。 在 细胞 内 的 条 件 下 ,RNA RAR TIER RRM DNA 的 一 股 。 整个 全 酶 能 ， 够 识别 并 且 在 专 一 的 起 步 位 点 上 与 DNA 结合 , 起 步 位 点 似乎 是 10 个 或 更 多 的 残 基 的 富 于 喀 了 啶 的 结构 。 这 种 起 步 位 点 在 DNA 模板 里 相隔 很 宽 。 西格玛 亚 基 的 存在 对 于 保持 全 酶 于 适当 的 构象 以 与 DNA 模板 上 的 起 步 位 点 相 结合 是 必要 的 。 继 聚 合 酶 与 模板 结合 之 后 模板 中 的 股 分开 并 在 全 酶 中 发 生 构象 变化 。 然 后 第 一 个 或 起 步 的 核 苷 5 -三 磷酸 (这 总 是 ATP 或 GTP) 与 聚合 酶 结合 生成 起 步 复合 体 。， 第 一 个 核 背 酸 之 间 键 的 生成 是 在 第 二 MEE 5 -三 磷酸 结合 之 后 ;而 这 个 核 苷 5 -三 磷酸 通常 是 喀 啶 核 背 (《UTP CTP). 第 一 个 磷酸 二 酯 键 是 通过 起 步 的 味 叭 核 音 5 -三 磷酸 的 ,3 一 羟基 对 第 二 个 核 苷 三 磷酸 中 的 o- 磷 原 子 土 的 亲 核 作用 而 生成 的 ;从 第 二 个 NTP 衍生 出 来 的 无 机 焦 磷酸 成 为 离 去 的 基 团 。 将 会 注意 到 第 一 个 〈 味 叭 ) 核 苷 5- 三 磷酸 在 第 二 企 以 及 接连 的 核 背 酸 残 基 加 上 去 以 后 仍 保留 着 它 的 5 -三 磷酸 根 。 因 此 这 个 基 团 使 得 人 们 能 认 出 RNA 分 子 的 起 始 端 ， 或 了 末端 。 RNA 链 的 延长 和 终止 一 且 头 两 个 核 苷 酸 残 基 已 经 连接 , 链 延 伸 很 快 ,转录 向 5 一 3 方向 进行 ,与 模板 DNA A 35’ RRA. 在 延伸 过 程 中 新 生成 的 RNA 的 一 节 段 形成 一 个 过 渡 的 互补 杂种 RNA-DNA 双 螺 旋 。 然而，RNA-DNA 杂种 双 螺 旋 比 DNA-DNA 双 螺 旋 不 稳定 得 多 ; 于 是 新 的 RNA 链 在 转录 又 上 倾向 于 从 DNA 分 离 出 来 。 一 旦 约 有 10 个 核 苷 酸 残 基 已 经 加 ER, c 因子 就 从 全 酶 上 解 离 并 产生 核心 酶 , 此 酶 进一步 进行 复制 DNA 模板 。 游 离 的 5 因子 与 男 一 分 子 的 核心 酶 又 可 供 一 个 新 的 RNA 链 的 起 步 。 RNA 沿 着 DNA 模板 继续 延伸 直到 核心 聚合 酶 分 子 到 达 一 个 链 终 止 的 信号 为 止 。 因为 被 转录 的 DNA 含有 很 多 基因 而 且 常 常 是 环 状 的 故 必需 有 专 一 的 终止 信号 ; 没有 一 个 终止 信号 ;RNA 就 无 限 地 制造 下 去 。 此 外 , 不 同 种 类 的 RNA 如 tRNA 和 rRNA 有 很 专 一 的 链 长 度 。 RNA 终止 信号 的 精确 性 质 还 不 知道 ,但 噬菌体 1 的 DNA 中 的 一 个 这 种 信号 就 是 一 片 的 避 残 基 w。 2 和 上 上 蛋白质, 它们 对 RNA 聚合 酶 有 补助 作用 ,但 它们 不 是 酶 的 一 部 分 ,似乎 参与 终止 和 放出 RNA 链 。 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 的 产物 RNA 聚合 酶 生成 的 RNA 其 碱 基 成 分 与 模板 DNA 股 的 碱 基 成 分 成 互补 ; 在 RNA 中 be Mas ihe RES DNA 模板 中 的 腺 嘲 叭 残 基 互 补 的 。 RNA 与 DNA 模板 的 互补 性 可 由 最 近邻 碱 基 频 率 分 析 表 示 , 这 分 析 也 可 指示 出 RNA 链 与 模板 DNA 链 的 极 性 相反 。 互补 性 也 曾 用 杂交 技术 表示 出 来 。 当 高 度 纯 化 的 大 肠 杆 菌 RNA 聚合 酶 与 完全 完整 的 双 螺旋 DNA 模板 相遇 时 , 双 股 中 仅 有 一 股 被 转录 。 然而 ， 不 是 细胞 中 所 有 RNA 都 从 同样 的 专 一 股 转录 来 的 ; 某 些 RNA 从 一 股 DNA 被 转录 ， 而 其 它 RNA 又 是 从 另 一 股 DNA 转录 。 为 转录 选择 DNA 股 的 机 制 还 不 知道 。 “791 。 大 多 数 已 有 的 证 据 表 明 在 大 肠 杆菌 中 只 有 一 种 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 , 它 制造 了 mRNA, tRNA 和 rRNA。 然而 , 真 核 细胞 里 却 至 少 有 三 种 不 同 的 RNA 聚合 酶 ， 分 布 在 核 Ag REAP, 以 及 线粒体 中 。 RNA 的 转录 后 加 工 由 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 所 合成 的 RNA 在 转录 之 后 ， 以 及 在 成 为 有 功能 的 产 ，IRNA， 和 疏 NA 一 一 而 被 释放 之 前 ,还 需要 酶 促 加 工 或 修饰 。 在 真 核 细 胞 里 特别 是 如 此 , 它 进行 着 复杂 的 RNA 成 熟 过 程 。 真 核 细胞 里 有 一 类 转录 后 的 加 工 涉 及 到 向 信使 RNAs 的 3 Rime LRA 200 或 更 多 AMP 残 基 的 多 聚 A。 这 反应 是 在 细胞 核 内 进行 的 。 认 为 在 将 mRNA 众 细胞核 转移 到 细胞 质 时 ,这 多 聚 A“ 尾 ”能 有 帮助 , 紧 接 着 它 就 被 除去 。 大 肠 杆菌 的 16S 和 23S RNA 似乎 是 以 单独 一 条 长 RNA 股 而 形成 的 , 它 被 裂解 为 三 个 碎片 ,一 片 含 16SRNA 而 另 一 片 则 含 23S RNA, 然而 , 这 些 碎片 的 每 一 种 都 有 额外 的 核 萌 酸 残 基 , 后 者 在 被 核酸 酶 作用 移 除 以 后 便 得 到 完成 的 16S rRNA 和 23SrRNAs 准备 抄 人 到 核糖 体 中 去 。5S rRNA 也 是 作为 较 大 的 前 身 物 形态 制 成 的 。 FRA rRNA 是 以 在 核 仁 里 与 蛋白 质 结合 的 单条 大 45S RNA 股 的 形态 制造 Feline 的 。 458 的 前 身 物 RNA 被 切 成 5$ A 41S RNA; 后 者 再 切 成 208RNA 71 32SRNA, 此 32S RNA =o Bess 一 是 存在 于 真 核 细 胞 的 细胞 质 核 糖 体 内 的 最 终 18S | rRNA 和 28S rRNA 的 前 身 物 。( 图 32-27) ， 45S RNA 在 原核 细胞 和 真 核 细胞 两 者 中 转移 RNA 也 能 从 高 分 子 量 的 RNA RIS DER. Plan, BAR tRNA 的 前 身 物 在 5” 末端 处 有 41 个 多 余 的 核 背 酸 残 基 在 3 末端 有 3 个 残 基 ; 这 种 形式 中 没有 一 个 碱 基 是 被 甲 基 化 了 的 。 然 后 从 两 个 末端 酶 促 移 除 多 余 的 核 苷 酸 残 基 ,tRNA 分 子 中 的 专 二 碱 基 通 过 各 种 酶 促 反 应 例如 通过 甲 基 化 、 乙 酰 化 ` 脱 氮 作 用 、 还 原作 用 、 重 排 ,或 附加 上 蜡 成 烯 基 或 一 SH 基 加 以 修饰 。 RNA 合成 的 抑制 剂 ” “一 已 知 有 许多 不 同化 合 物 能 抑制 RNA RE Be 对 DNA 的 转录 。 在 鉴定 上 述 转 录 的 不 同 阶段 上 某 些 抑制 剂 很 有 用 。 有 一 类 通过 与 DNA 模板 结 合并 改变 它 的 结构 而 干扰 转录 ; 另 一 类 型 与 RNA 聚合 酶 结合 而 干扰 它 的 活性 。 图 32-27， 真 核 细胞 中 核糖 体 RNA 的 成 熟 所 有 DNA 专 一 的 抑制 剂 此 与 DNA 生成 非 7792 。 ,省 化 乙 锭 a 2-C MR IB 32-28 ”嵌入 剂 阻 昕 DNA 的 模板 功能 ( 左 图 为 BONE D, YES DNA WERE AH is 平 的 夹 氧 氨 草 酮 环 系统 蔡 在 两 个 相继 的 鸟 顺 叭 - 胞 喀 啶 对 的 中 间 ? 而 两 个 五 肽 侧 链 正平 卧 在 双 螺旋 的 小 沟 中 ,每 个 皆 通 过 气 键 与 对 面 DNA 链 结合 ( 右 图 )。 另 外 三 个 平面 的 缩合 环 化 合 物 ， 能 在 两 碱 基 对 之 间 菊 入。 共 价 复合 体 而 损害 其 模板 功能 。 这 种 药剂 中 最 重要 的 是 放 线 菌 素 D , 它 是 链 霉菌 属 产生 的 一 种 抗菌 素 ,〈 图 32-28)， 它 的 夹 氧气 草 酮 环 嵌 进 两 个 G-C 碱 基 对 之 间 , 而 它 的 五 肽 侧 链 则 与 G 残 基 以 氢 键 结合 而 且 伸 出 到 双 螺 旋 DNA 的 浅 沟 中 。 放 线 菌 素 D 对 RNA RAM 与 DNA 的 结合 没有 影响 ,但 它 偏爱 阻 断 链 的 延伸 。 它 穿 透 进 完整 细胞 中 ,在 细胞 中 它 能 抑制 转录 而 不 影响 细胞 代谢 的 其 它 方面 。DNA 复制 要 比 转录 对 放 线 菌 素 D 的 敏感 性 低 得 多 。 另 一 种 与 DNA 结合 的 药剂 是 省 化 乙 锭 (图 32=28 为 认为 它 也 在 两 个 连续 碱 基 对 之 间 菊 入 。 在 低 染 料 浓度 下 它 优先 与 如 在 线粒体 中 那样 的 超 螺旋 环 状 DNA 结合 。 黄 曲霉 毒 素 , 由 真菌 黄 曲 霉 产 生 的 ， 此 霉 生长 在 花生 上 ,此 毒素 是 能 引起 肝癌 的 一 种 非常 剧烈 的 至 HD; 它 抑制 DNA 的 复制 与 转录 两 者 ,正如 人 工 合成 的 致癌 物 2- 乙 酰氯 基 其 那样 。 在 那些 对 RNA 聚合 酶 本 身 起 抑制 作用 的 药剂 中 (图 32-29) 有 一 类 细菌 抗生素 称 为 利 福 霉 素 ; 它 们 是 细菌 RNA 聚合 酶 的 强烈 抑制 剂 ， 但 对 某 些 病毒 和 大 多 数 真 核 细 胞 的 核 RNA 聚合 酶 无 效 。 这 类 化 合 物 中 用 得 最 多 的 是 利 福 平 〈rifampicin)， 是 天 然 产 生 的 利 福 霉 素 的 合成 衍生 物 。 利 福 平 与 某 些 物种 的 RNA 聚合 酶 的 8- 亚 基 非 共 价 地 结合 ， 且 阻碍 起 步 复 合体 的 生成 , 但 它 不 影响 RNA 的 延长 。 利 链 菌 素 与 利 福 平 相反 , 阻 断 RNA 链 的 延长 oxw- 忽 膏 者 碱 是 一 种 称 为 狼 膏 草 的 毒 草 的 毒素 ， 它 能 阻 断 真 核 细 胞 中 的 核 中 RNA 聚 合 酶 的 一 种 ,但 不 影响 细菌 的 、 线 粒 体 的 、 或 叶绿体 的 RNA 聚合 酶 。 Fi) 737% *X BR, = H; R, = O—CH,—COOH) > 五 YIZ — oo 一 一 5 = 利 福 平 (R = CH 一 N4 >N—CH;: R; = OH) a N CHCONHCH;, . 利 链 菌 链 OH | H:C、 CH 一 CH:OH Ne / , HN—CH—CO—NH—C——-CO——-NH-—CH,—-CO | oc H,C NH H /-CH ON ths ch a o=s N OH NY | CH; OC—CH—NH—CO—CH-—NH— CO—CH,—NH H:C 一 CONH， ox HSE BE Bk 图 32-29 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 的 抑制 剂 转录 近 程 的 形象 化 两 栖 类 的 卵细胞 中 , 为 rRNA 的 合成 编码 的 基因 都 位 于 核 仁 中 。 在 卵细胞 早期 生长 WEP, 大 量 合成 rRNA, 从 这 种 细胞 里 分 离 出 来 的 核 仁 物质 的 电子 显微镜 图 表明 它 含 有 直径 约 为 :10 到 20 毫 微米 的 细 长 纤维 ， 它 们 在 周期 性 的 间歇 处 被 毛发 状 的 放射 状 原 纤 He OA; 原 纤维 逐渐 增加 长 度 ( 图 32-30)。 核心 纤维 继续 伸展 穿 过 由 一 个 包 着 蛋白 质 的 DNA 丝 所 组 成 的 这 些 结构 。 每 一 段 节 约 有 100 个 长 发 状 的 原 纤维 是 RNA 的 股 带 * 它 们 很 可 能 也 用 蛋白 包 襄 着 。 用 羽毛 状 RNA 原 纤维 囊 着 的 每 一 DNA 段 节 就 是 一 个 正在 进 行 转录 的 CRNA 的 基因 。 在 一 个 基因 上 同时 可 制造 很 多 RNA 链 , 每 一 链 是 通过 一 个 RNA RE HD FRE RNA 链 的 生长 沿 着 基因 移动 而 生成 的 。 用 RNA Ret HEA DNA Be 节 的 长 度 约 2 到 3 微米 ;这 大 约 是 为 真 核 细胞 18S 和 28S rRNA 的 前 身 物 编码 所 需 的 。794。 DNA 的 长 度 。 没 有 被 转录 的 核心 纤维 的 段 节 就 是 间隔 物 或 调节 DNA} 5 吕 下 1.0 微米 图 32-30 一 个 丙 郧 类 卵细胞 的 核 仁 基因 的 电子 显微镜 照相 。 作为 核糖 体 RNA 密码 的 基因 洛 着 - DNA 重复 。 由 于 每 个 都 在 转录 成 为 rRNA， 它们 是 可 以 被 识别 的 。 当 RNA 聚合 酶 分 子 沿 着 基 因 移 动 时 约 有 100 rRNA 同时 形成 ， 活 性 基因 之 间 的 节 段 可 能 是 调节 的 或 "间隔 者 ”DNA- 病毒 RNA 的 复制 :RNA HAR 二 本 世纪 六 十 年 代 初 N. Zinder 就 发 现 了 对 大 肠 杆 菌 有 专 一 性 的 RNA 噬菌体 , 在 研究 信使 RNA 结构 和 功能 方面 它们 已 变 成 重要 的 工具 。 大 们 熟悉 的 RNA 噬菌体 包括 f2， MS2，R17, 和 Qp。 这 些 病 毒 的 RNA; 它们 作为 病毒 蛋白 合成 的 信使 RNA 而 起 作用 ， 是 由 一 种 称 为 RNA 指导 的 RNA 聚合 酶 ,也 称 为 RNA 复制 酶 的 作用 在 宿主 细胞 中 复制 的 。 这 些 酶 通常 并 不 存在 于 宿主 细胞 中 ,但 当 细胞 感染 了 一 种 RNA 病毒 时 它们 就 产生 了 。 从 感染 了 QF 病毒 的 大 肠 杆菌 细胞 里 分 离 出 来 的 RNA 复制 酶 能 催化 从 核糖 核 苷 5 一 三 磷酸 中 生成 RNA5 并 放出 焦 磷酸 ;这 个 反应 与 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 的 反应 在 形式 TAI RNA 的 合成 朝 5 一 37 方 向 进行 。RNA 复制 酶 要 求 RNA 作为 模板 , 它 与 DNA 不 "795。 起 作用 。 然 而 , ES DNA 和 RNA 聚合 酶 相反 ,RNA 复制 酶 是 模板 专 一 性 的 。 HOP 毒 诱 导 的 RNA 复制 酶 只 能 用 QP 病毒 的 RNA 作为 模板 ; 宿主 细胞 的 RNA 没有 被 复制 。 这 一 事实 请 楚 地 说 明 , 在 含有 许多 其 它 类 型 的 RNA 的 宿主 细胞 里 RNA 病毒 是 如 何 被 优 先 复 制 的 。 此 外 ,Q8 复制 酶 要 求 完整 的 Q8 RNA 分 子 而 不 能 利用 它 的 碎片 作为 模板 ; 因 而 就 能 防止 制造 出 不 完善 的 或 有 缺陷 的 病毒 RNA 来 。 纯化 的 Q8 RNA 复制 梅 能 进行 新 的 有 生物 活性 的 Q8 RNA 分 子 的 净 合 成 。 用 Qp(+ ) RNA 股 作为 模板 开始 ,复制 酶 能 制造 互补 的 Q8 RNA (—) 股 。 这 些 在 另 一 次 与 酶 保温 中 又 可 用 作 模 板 以 获得 和 开始 时 的 (十 ) 股 相同 的 Q8 RNA} 已 发 现 酶 促 合 成 的 (十 )Q8 RNA 有 传染 性 的 。S. Spiegelman 与 其 同 工 作者 重复 这 种 循环 多 少 次 直到 原始 天 然 模 板 Q8 RNA 被 稀释 到 可 忽略 不 计 的 量 为 止 。 然 而 在 复制 的 每 一 阶段 ，RNA 的 传染 性 与 由 酶 生成 的 新 RNA 成 准确 的 比例 。 这 些 实验 表示 了 第 一 次 用 一 个 高 度 纯化 了 的 酶 完成 了 一 个 具有 生物 活性 的 核酸 的 合成 。 三 种 蛋白 基因 产物 的 大 部 分 氮 基 酸 顺 序 以 及 R17 RNA 的 很 多 核 背 酸 顺 序 都 已 知道 。 它们 对 将 在 第 三 十 四 章 讨论 的 关于 mRNA 的 各 种 结构 特点 , 关于 遗传 密码 ,以 及 关于 翻 译 的 起 步 和 终止 的 专 一 性 密码 子 的 运用 等 方面 提供 了 重要 信息 。 Bt RBA Be FH M. Grunberg-Manago 和 S. Ochoa 1955 年 发 现 的 这 种 酶 ， 是 发 现 能 合成 长 链 多 核 苷 酸 的 第 一 个 酶 ; 它 是 DNA 和 RNA 聚合 酶 的 原型 或 前 驱 。 多 核 苷 酸 磷酸 化 酶 看 来 只 在 细 菌 里 存在 ,能 催化 下 列 反应 NDP + (NMP), == (NMP )asi 十 Pi 它 要 求 核糖 核 背 的 5 -二 磷酸 而 不 能 作用 于 同系 的 (类 似 的 )5 -三 磷酸 或 脱氧 核糖 核 昔 5 二 磷酸 。 它 的 作用 还 需要 Mg", 由 多 核 音 酸 磷酸 化 酶 生成 的 类 似 RNA 的 多 聚 体 含有 一 个 能 被 核糖 核酸 酶 作用 的 3 ，5 -磷酸 二 酯 键 。 反 应 是 容易 可 逆 的 ， 而 且 可 以 通过 增加 磷 酸 浓度 而 推 向 分 解 多 核 背 酸 的 方向 。 多 核 苷 酸 磷酸 化 酶 并 不 使 用 模板 ， 因 而 不 生成 具有 专 一 碱 基 顺 序 的 多 聚 体 5 它 却 要 求 一 个 引发 RNA 股 , 这 仅仅 是 为 后 加 的 残 基 提 供 一 个 可 向 上 面 加 的 游离 3 FEA 反应 能 够 像 和 所 有 四 种 单 体 一 样 好 地 和 一 种 单 体 进 行 。 一 般 由 酶 产生 的 多 聚 体 碱 基 成 分 ， 反映 出 培养 基 中 5 -二 磷酸 前 身 物 的 相对 浓度 。 由 于 这 些 原因 多 核 音 酸 磷酸 化 酶 在 完整 细胞 里 不 像 是 正常 地 起 制造 RNA 的 作用 。 有 人 认为 它 在 细菌 里 起 降解 信使 RNA 的 作 用 。 然 而 ,多 核 背 酸 磷酸 化 酶 在 分 子 生物 学 上 已 经 起 了 很 重要 的 作用 ,因为 可 以 用 它 在 实 验 室 里 制备 许多 不 同 种 类 的 \, 具 有 不 同 碱 基 顺 序 和 频率 的 \ 类 似 RNA 的 聚合 体 。 这 种 合 成 的 RNA 聚合 体 在 推断 氨基 酸 的 遗传 密码 言词 时 是 极其 重要 的 。 摘 要 在 Meselson 和 .Stahl 的 经 典 实验 中 证 明了 完整 大 肠 杆菌 细 胞 中 双 股 DNA 进行 半 保 守 性 复制 。 放 射 自 显 术 的 ， 遗 传 的 和 生物 化 学 的 实验 都 证 明 环 状 细菌 染色 体 的 复制 是 双 * 796。 ME ie TE enn 方向 性 的 ;而 且 两 股 是 同时 复制 的 大 肠 杆菌 的 DNA 38 Age 1 ZEA Mg?* 存在 时 催化 从 四 种 脱氧 核糖 核 昔 5 -三 磷酸 合 成 DNA 聚合 体 ,释放 出 焦 磷 酸 。 反应 要 求 有 一 些 先 存在 的 DNA 作为 模板 -引物 。 链 朝 5 一 3 方向 生长 。 完 整 的 双 股 DNA 除非 它 有 单 股 缺 口 否则 不 能 引发 反应 DNA: 聚 合 酶 对 于 模板 ,对 引物 , 对 引物 链 的 3 未 端 ， 对 进来 的 脱氧 核糖 核 背 5 -三 磷酸 ， 以 及 对 它 的 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 都 有 专 一 的 结合 位 点 。 正如 用 碱 基 成 分 分 析 所 证 明 ， 酶 制造 出 与 模板 股 互补 的 DNA 股 。 最 近邻 碱 基 频 率 分 析 证 明 新 股 的 极 性 与 模板 股 的 相反 。DNA 聚合 Be I 的 3 一 5 核酸 外 切 酶 和 5 一 3 核酸 外 切 酶 活性 ;通过 除去 不 配对 的 核 昔 酸 的 方式 担 负 一 种 校对 的 功能 。 DNA 连接 酶 能 连接 两 个 DNA 链 的 末端 只 要 它们 与 互补 股 成 双 螺 旋 。A: Kornberg 和 其 共同 工作 者 已 经 证 实 ,在 吻 菌 体 OX 174 具有 生物 活性 的 环 状 DNA 股 的 实验 室 合成 中 , DNA 聚合 酶 I 和 DNA 连接 酶 能 以 完全 的 精确 性 起 作用 。 缺少 DNA 聚合 酶 I 的 突变 体 导 致 了 DNA 聚合 酶 I, II 和 III* 的 发 现 。 后 者 和 蛋白 质 辅 聚 合 酶 II* 一 起 似乎 才 是 担任 DNA 复制 的 形式 , 而 DNA RAB I 在 一 种 辅助 的 资 格 上 和 DNA 修补 上 起 作用 。 冈 崎 已 经 发 现 DNA 的 两 股 都 是 以 长 到 2,000 个 核 昔 酸 残 基 的 短片 复制 出 来 的 ;接着 由 DNA 连接 酶 将 它们 连接 起 来 。 DNA 的 复制 要 求 有 解 链 蛋 白质 和 解 扭 蛋 白质 的 参加 。 此 外 , DNA 的 复制 还 要 求 DNA HSH RNA 聚合 酶 引发 ， 此 酶 产生 短 短 的 引发 长 度 的 RNA, 在 这 RNA 上 建造 DNA; 然后 切 去 此 RNA 引物 DNA 也 可 以 由 RNA 指导 的 DNA 聚合 酶 或 反 转 录 酶 合成 ， 此 酶 已 在 某 些 产 生 瘤 的 RNA 病毒 中 以 及 也 在 正常 细胞 中 发 现 。 单 股 缺口 ,有 缺陷 的 碱 基 , 和 DNA 中 的 胸腺 喀 啶 二 聚 体 都 可 以 酶 促 地 被 修补 。 RNA 是 通过 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 从 核糖 核 昔 5- 三 磷酸 合成 的 ， 但 在 体内 只 转 录 DNA 的 一 股 。 此 酶 很 复杂 需要 特殊 因子 来 识别 起 步 点 。 从 单个 基因 可 同时 转录 许多 RNA 链 。 信使 RNA 通过 在 3 末端 接 上 一 个 长 多 聚 -A 尾 而 得 到 修饰 。 核糖 体 RNA 是 从 长 的 前 身 物 链 里 产生 的 ,长 链 被 切断 而 生成 完成 的 IRNA。 RNA- 指 导 的 RNA 复制 酶 是 在 感染 了 RNA 病毒 的 细菌 细胞 里 生成 的 ; 复制 酶 类 对 模板 有 专 一 性 且 只 接受 同系 的 完整 的 病毒 RNA 作为 引物 。 多 核 背 酸 磷酸 化 酶 能 从 核糖 核 背 5 二 二 磷酸 移 除 磷 酸 而 可 逆 地 生成 类 似 RNA 的 聚合 体 ; 它 在 引物 的 3 二 羟 末 端 加 上 或 除去 单 核 苷 酸 。 参 考 文 “ 献 书籍 Davidson, J. 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EEA Ma FF HE 9 2 Sl (104 残 基 ) 基因 要 多 少时 间 ， 试 计算 Zo 用 第 工 题 中 的 数据 。 3. 由 DNA RAMS Ell DNA 的 单个 (十 ) 股 ( 碱 基 成 分 : A,21%3 G, 29%; C,, 29%; T,21% ) 以 产生 一 个 互补 的 (一 ) 股 。 后 来 由 RNA RA ASF AE RAR Re DNA PERE "798。 Ue e(— Dio PHBA RRA RNA 的 碱 基 成 分 。 4. 由 环 状 %X 174 DNAs (十 ) 和 (一 ) 单 股 的 等 克 分 子 混 合 物 提 供 模板 , 若 ( 十 ) 股 的 在 基 成 分 为 A, 24.6%; G, 24.1%; C, 18.5%; T, 32.7%, 指明 所 合成 的 DNA 的 碱 基 成 分 。 5. 忽略 不 计 RNA 引发 的 代价 ,〈a) 在 复制 整个 大 肠 杆 菌 基因 组 的 过 程 中 ， 假 定 从 ATP 和 脱氧 核糖 核酸 5 一 磷酸 的 混合 物 开 始 ， 问 用 掉 多 少 个 ATP 分 子 ? 〈b) 为 提供 这 么 多 能 量 " 将 须要 在 有 和 氧 条 件 降 解 多 少 分 子 的 葡萄 糖 ? 〈c) 在 无 氧 条 件 下 又 要 多 少 ? 6. 一 个 生长 迅速 的 大 肠 杆菌 细胞 含有 约 15,000 核糖 体 。(a) REPS WrRNA 基因 BUA EB 5,000 对 , 若 从 ATP 和 核糖 核 昔 5- 一 磷酸 开始 , 问 rRNA 的 转录 过 程 中 消耗 SBD ATP AF? (b) 这 与 复制 消耗 的 能 量 相 比 又 如 何 ? 7. 你 将 怎样 确定 一 短 节 双 螺 旋 DNA 的 两 链 是 平行 的 或 是 反 向 平行 的 ? 一 股 的 碱 基 顺序 (5 一 3: 方 向) 为 pApTpCpGpGpTpCpA pApCpCpT pGpT pApGpG, 8.(a) 能 引起 -:DNA 变性 的 碱 性 蔗糖 密度 梯度 沉降 法 ,可 用 以 从 环 状 DNA 区 别 出 线 状 的 ;也 能 测定 DNA 碎片 的 相对 大 小 。dX'174 DNA 的 复制 形 ICREFII7 是 在 一 股 上 有 缺 FARRAH fe RFILDNA 放 到 碱 性 蔗糖 中 沉降 时 ， 应 该 能 区 别 分 子 的 什么 类 型 和 长 BE? 9 3 | | (b) $X 174 DNA 在 体内 的 复制 是 一 个 卡 及 三 个 分 开 阶段 的 复杂 过 程 。 复 制 第 2 阶段 涉及 如 图 ,32-4 中 显示 的 滚 环 机 制 。 当 复制 进行 到 如 图 32-4 中 第 三 个 画图 中 所 标明 Bites: 碱 性 蔗糖 沉降 能 区 分 DNA 分 子 的 那 种 类 型 和 长 度 ? Cc) (>) 的 单位 长 度 分 子 的 分 析 表 明 它 们 具有 (—) KX 174 DNA 的 碱 基 成 分 。 假如 让 复制 进行 FA, Cb) 中 回收 的 哪些 碎片 最 终 会 变 成 (十 ) 股 ? Cd) (b7 中 哪些 碎片 会 变 成 (一 ) 股 ? Ce) 当 向 正在 复制 的 SX 174 DNA 加 进 所 化 胸腺 喀 啶 的 短期 脉冲 时 ,假如 像 (b) 申 那样 停止 复制 且 沉 降 DNA, 哪些 碎片 将 不 受 标记 ? ©) 当 复 制 在 低温 于 进行 ,而且 DNA 在 受到 标记 的 胸腺 哮 喧 的 简短 脉冲 要 起 后 即刻 被 抽 提 ;在 碱 性 莽 糖 沉降 时 发 现 与 (一 ) 股 互补 有 放射 性 标记 的 序列 只 存在 于 比 单 位 长 度 大 的 分 子 里 。 虽 然 与 (十 ) 股 所 有 节 段 互补 的 标记 序列 已 分 离 出 ， 但 它们 从 来 没有 在 长 度 比 2,000 核 萌 酸 更 大 的 碎片 中 发 现 过 (X 174 DNA 的 总 长 度 为 5,400 RR). fF 释 这 一 资料 。 LEAH] 第 三 十 三 昔 ”翻译 :蛋白 质 的 生物 合成 现在 ,我 们 来 考虑 关于 活 机 体 遗 传 连续 性 所 提出 的 第 三 个 主要 问题 。 信 使 了 NA 的 核 背 酸 顺序 中 所 包含 的 遗传 信息 是 怎样 翻译 到 蛋白 质 结构 中 去 的 ? 本 章 我 们 将 讨论 梅 成 多 及 链 的 机 制 ， 以 及 核糖 体 使 遗传 信息 可 能 转移 到 多 肽 链 中 的 氨基 酸 的 适当 顺序 中 去 的 机 理 。 以 后 几 章 则 将 讨论 翻译 过 程 的 其 它 原理 , 即 氨基 酸 密码 三 联 体 的 鉴别 ,蛋白 质 合成 的 调节 ,以 及 如 何 由 一 维 遗 传 信息 装配 成 三 维 生 物 结构 。 关于 蛋白 质 分 子 中 肽 键 形成 的 酶 促 机 制 ， 长 期 以 来 吸引 生物 化 学 家 们 的 注意 。 一 个 早期 的 观点 认为 肽 酶 和 蛋白 水 解 酶 的 功用 不 仅 在 于 使 蛋白 质 断裂 ， 还 能 通过 其 水 解 活性 的 逆 过 程 而 合成 蛋白 质 。 然 而 ,由 于 发 现 了 ATP 在 生物 合成 反应 中 所 起 的 主要 作用 ， 以 及 生物 合成 反应 和 分 解 代谢 反 应 具有 不 同 的 途径 ,因此 ,水 解 活性 的 逆 过 程 看 来 不 像 是 蛋 白质 合成 的 机 制 。 的 确 ， 对 那些 被 看 作 是 蛋白 质 合 成 模式 反应 或 原型 反应 所 进行 的 早期 人 研究 ,例如 ,从 谷 氢 酸 酶 促 合 成 谷 所 酰胺 和 从 组 分 氨基 酸 形成 谷 胱 甘 肽 ， 表 明 在 形成 酰胺 键 或 肽 键 时 都 需要 ATP 作为 能 的 供 体 。 同 样 地 ,关于 多 肽 链 是 如 何 建造 的 并 没有 资料 可 利用 。 一 个 早期 观点 提出 ,是 先 构 成 短 肽 ,然后 再 装配 成 多 肽 链 的 。 直到 应 用 同位 素 示 踪 技术 后 , 才 在 蛋白 质 生物 合成 研究 方面 有 了 第 一 个 重大 的 进展 。 在 整体 动物 或 完整 细胞 采用 放射 性 氨基 酸 进行 研究 ， 不 久 即 证 明 : 动物 组 织 的 蛋白 质 进 行 着 代谢 更 新 ， 蛋 白质 合成 需要 代谢 能 源 ， 以 及 蛋白 质 的 直接 前 体 是 氨基 酸 ， 而 不 是 短 肽 。 关于 蛋白 质 生物 合 成 机 制 的 现代 研究 , 始 于 五 十 年 代 初 P. C. Zamecnik 及 其 共同 工 作者 们 在 波士顿 的 重要 研究 。 他 们 首先 使 用 无 细胞 系统 研究 蛋白 质 合成 , 鉴定 核糖 核 蛋 白 颗 粒 , 即 核糖 体 , 是 蛋白 质 生 物 合成 的 部 位 ,并 且 发 现 了 转移 核糖 核酸 (tRNA) 核 丸 体 是 蛋白 质 合 成 的 部 位 Zamecnik 及 其 共同 工作 者 将 放射 性 氨基 酸 注 人 大 鼠 体内 。 每 隔 一 定 的 时 间 间 隔 取 肝 脏 制 成 匀 浆 ， 用 差 离心 法 进行 分 级 分 离 。 然 后 检查 细胞 内 各 部 分 中 有 无 标记 氮 基 酸 挨 人 到 蛋白 质 中 去 。 若 从 注射 到 分 级 分 离 肝 脏 所 经 过 的 时 间 长 达 数 小 时 或 数 天 ， 则 细胞 内 所 有 成 分 中 都 含有 标记 蛋白 质 。 然 而 ， 如 果 在 注射 标记 氨基 酸 后 很 短 的 时 间 内 便 取 肝脏 进 行 分 级 分 离 , 则 只 有 微粒 体 部 分 含有 标记 的 蛋白 质 。 从 这 些 研究 得 到 结论 认为 ,蛋白 质 首 先 在 含 于 微粒 体 部 分 的 细胞 内 结构 中 合成 ,然后 ,新 合成 的 蛋白 质 再 从 这 些 结构 转移 到 其 它 细胞 成 分 中 去 。Zamecnik 及 其 共同 工作 者 不 和 久 发 现 ， 将 新 鲜 制 备 的 大 白鼠 肝脏 的 无 细 胞 匀 浆 与 标记 氨基 酸 一 起 保温 ，、 结 果 也 有 放射 性 挨 人 微粒 体 蛋 白质 。 氮 基 酸 的 掺 人 需要 加 ATP 和 呼吸 底 物 以 提供 能 量 。 由 此 证 明 蛋 百 质 合 成 无 需 完整 的 细胞 结构 。 将 肝 匀 浆 分 级 分 离 成 细胞 核 ,线粒体 \ 微 粒 体 和 可 溶 部 分 ， 并 且 试 验 这 些 部 分 按 各 种 组 合 时 引起 标记 氨基 酸 抄 人 有 蛋白质 的 能 力 。 微 粒 体 部 分 和 可 溶 部 分 (或 细胞 溶质 ) 两 部 分 * 800 « a a ——————————————LS 的 组 合 是 所 基 酸 挨 人 所 必需 的 。 微 粒 体 部 分 是 作为 新 挨 人 的 氨基 酸 的 受 体 ， 而 可 溶 部 分 则 提供 主要 的 辅助 因子 。 在 这 类 重建 实验 中 ， 其 所 以 需要 线粒体 ,仅仅 由 于 线粒体 能 以 ATP 形式 提供 能 量 。 若 将 标记 微粒 体 部 分 进一步 分 级 分 离 ， 可 在 核糖 核 蛋 白 小 颗粒 中 大 量 回收 到 所 挫 人 的 放射 性 。A. Claude 很 早 就 用 电子 显微镜 在 细胞 质 中 看 到 了 这 种 颗粒 , 后来, K. R. Porter AG. E. Palade 又 在 内 质 网 表面 观察 到 这 种 颗粒 ， 但 其 功能 仍然 不 知道 。 这 些 核糖 核 蛋 白 颗 粒 , 以 后 称 之 为 核糖 体 , 可 以 用 去 拍 剂 处 理 而 使 它们 脱离 内 质 网 ， 并 且 用 差 离心 法 将 它们 以 均一 的 形式 分 离 出 来 。 用 这 种 方法 制 纯 的 核糖 体 在 与 大 鼠 肝 的 可 溶性 或 细胞 溶质 部 分 以 及 ATP、Mg… 一 起 保温 时 , 可 使 放射 性 氨基 酸 摊 人 肽 键 。 不 久 ， 其 他 研究 者 们 也 观察 到 氨基 酸 可 以 捧 人 许多 其 它 细 胞 的 核糖 体 中 ， 尤 其 是 从 网 织 红细胞 和 大 肠 杆菌 来 的 核糖 体 中 。 网 织 红 细胞 是 在 血红 蛋白 合成 中 极其 活跃 的 未 成 熟 红 细胞 。 蛋白 质 生物 合成 的 必需 辅助 因子 和 各 个 阶段 Zamecnik 及 其 共同 工作 者 们 发 现 肝脏 的 可 溶 部 分 为 蛋白 质 的 合成 提供 两 类 必需 因 子 一 类 是 热 不 稳定 的 ,其 性 质 大 概 是 蛋白 质 ; 另 一 类 是 热 稳 定 的 肝脏 细胞 质 内 热 不 稳定 的 可 溶 因 子 之 二 是 一 种 酶 ， 它 催化 依赖 于 ATP 的 激活 反应 ， 此 反应 使 游离 氨基 酸 被 酯 化 成 也 存在 于 可 溶 部 分 中 的 一 种 热 稳定 成 分 。 热 稳定 的 氨基 酸 受 体 是 一 种 低 分 子 量 型 的 核 糖 核酸 ,起 初 叫 做 “可 溶性 核糖 核酸 ?或 RNA, 现在 称 为 转移 核糖 核酸 (tRNA), 以 更 确切 地 表示 其 功能 。 然 后 ， 激 活 反 应 中 如 此 生成 的 氨 酰 -tRNA ELBE kes, MO _ 大 万 杆 南 要 白质 合成 中 四 个 主要 阶段 所 需要 的 成 分 XB, REBRKEEHRSREWRE LF Ee | UR 延长 反应 中 氨 酰 残 基 的 供 体 。 a RM Ee A 随后 的 研究 揭示 ， 多 肽 链 的 合成 有 ae Co Ee 四 个 主 要 阶段 ， 每 个 阶段 都 需要 专 一 的 ATP 酶 和 辅助 因子 。 表 33-1 为 以 后 详细 讨 Mgt 2. 多 肽 链 的 起 始 在 原核 生物 中 为 fMet-tRNA 论 提供 一 些 方向 。 第 一 阶段 称 为 激活 作 (在 真 核 生物 中 为 Met-tRNA) 用 阶段 ,全 部 在 可 溶性 细胞 质 内 进行 ,在 mRNA 上 的 起 始 密码 子 (AUG) 消耗 ATP 能 量 的 情形 下 , 氨基 酸 同 与 之 oa nea 相应 的 tRNA 进行 酶 促 酯 化 。 第 二 阶段 ie 称 为 起 始 阶 段 ， 带 有 专 一 的 氨基 酸 顺 序 起 始 因子 《IF-1, IF-2, IF-3) 遗传 信息 的 信使 RNA, 和 第 一 个 或 起 始 核糖 体 亚 基 oy i 0S 亚 基 氨 酰 -tRNA; 同 核 糖 体 的 小 亚 基 结合 ,此 ，， ， iy neo 过 程 需 要 三 种 叫做 起 始 因 子 的 专 一 蛋白 由 密码 子 特定 了 的 氨 酰 -tRNA 质 CIF=1, IF-2, IF-3) 以 及 GTP 和 Mg*+ Mg++。 然后 ,核糖 体 的 大 亚 基 附 于 其 上 abieygtay Bier 形成 有 功能 的 核糖 体 ， 为 下 一 阶段 做 好 4. 终 目 功能 性 70S 核糖 体 准备 。 mRNA 中 的 终止 密码 子 第 三 阶段 称 为 延长 阶段 ， 从 氮 酰 - 多 肽 释放 因 于 〈R:,R>,Ry) *， 801。 tRNA 酯 酶 促 转 移 来 的 新 的 氨 酰 残 基 依 次 加 十 去 而 使 多 肽 链 延 长 ; 每 个 氨 酰 -RNA 酯 是 按照 mRNA 止 专 一 的 密码 子 或 碱 基 三 联 体 而 与 核糖 体 相 结合 的 。 肽 链 延 长 还 需要 两 个 延长 因子 ,EF-T 和 EF-G, 它们 也 是 蛋白 质 。 每 个 新 的 肽 键 形成 后 ， 核 糖 体 沿 着 mRNA 移 动 ， 使 次 一 密码 子 就 位 ， 以 按 顺 序 接受 下 一 个 氮 酰 -了 NA， 此 过 程 需要 有 CTP 形式 的 供 能 。 ./ 蛋白 质 合成 的 最 后 阶段 是 终止 阶段 ， 当 mRNA LA Y4WAILA SPAN, SURE 完成 ;于 是 ,产物 从 核糖 体 上 释放 , 此 过 程 需要 叫做 释放 因子 的 专 一 蛋白 质 。 多 肽 合成 时 肽 链 增长 的 方向 和 速率 在 我 们 进一步 讨论 蛋白 质 合成 各 阶段 之 前 ,必须 考虑 多 肤 链 增长 的 方向 , 它 是 从 氨基 未 端 残 基 还 是 从 羧基 末端 残 基 开始 建造 的 。 由 于 氨基 酸 是 一 种 不 对 称 的 建造 材料 ， 具 有 “ 头 ”-o- 氨 基 ， 和 “ 尾 ”-o- 羧 基 ， 为 了 提出 一 个 在 化 学 上 合理 的 工作 假设 ， 这 方面 的 资料 是 重要 的 。H.M. Dintzis 的 实验 对 这 个 基本 问题 作出 了 回答 。 将 扎 标 记 的 亮 氨 酸 加 到 正 在 活跃 地 合成 血红 蛋白 w 链 和 .B 链 的 网 织 红细胞 的 悬浮 液 内 ; 血红 蛋白 含有 许多 亮 氨 酸 残 基 ; 而 且 其 氨基 酸 顺 序 是 已 知 的 。 在 低温 (15*C) 下 保温 以 减 慢 蛋 白质 合成 率 。 在 4 到 60 分 钟 之 内 ; 按 不 同 的 时 间 间 隔 取 网 织 红细胞 样品 。 将 网 织 红细胞 所 制造 的 标记 血红 蛋 白 分 离 出 来 ,将 “ GERI B 链 分 开 , 并 用 胰 蛋 白 酶 裂解 成 肽 片段 。 生 成 的 肤 片 段 再 用 纸 电 泳 法 进行 分 离 。 测 定 每 一 含 亮 氨 酸 的 胰 蛋 白 酶 酶 解 肽 的 比 放 射 性 。 由 于 这 些 肤 在 血红 蛋白 链 中 的 位 置 是 已 知 的 ,所 以 有 可 能 推 煌 多肽 链 从 那 一 端 开始 建造 的 (图 33-1). SS OH 亮 氨 酸 保温 4 分 钟 后 ， 只 有 位 于 多 肽 链 羧 基 末端 的 含 亮 氨 酸 的 有 捧 被 标记 了 6- 随 着 暴露 于 3H- 亮 氨 酸 时 间 的 延长 ,被 标记 肽 的 数目 也 就 增加 而 所 有 这 些 肤 都 集中 在 羧基 未 端 电 在 和 标记 亮 氨 酸 保温 60 分 钟 后 所 回收 的 样品 中 ,所 有 经 胰 蛋 白 酶 酶 解 的 肽 的 亮 氨 酸 残 基 都 受到 同等 程度 的 标记 ;这 表明 多 肽 链 的 全 长 是 在 60 分 钟 内 构成 的 。 显 然 》 £4 SR te 2 Ih ES SG MILE ee, 在 加 大 同 从 (用 箭头 表示 的 粗 线 部 分 ) 素 亮 氨 酸 时 便 已 接近 完成 5 因此 ,在 核糖 体 下 的 Her Pier = 肽 链 被 构成 及 被 释放 出 来 之 前 ， 只 有 少数 称 记 的 亮 氨 酸 残 基 能 够 加 到 这 种 链 的 末端 上 去 :相反 地 ， 在 那些 当 加 入 同位 素 亮 氨 酸 时 还 只 刚 开 始 建造 的 肽 链 中 , 除 位 于 氨基 末端 的 肽 以 外 ,全 部 谷 亮 氨 酸 肽 都 受到 标记 。 从 而 认为 ， 多 腑 链 是 从 氨基 末端 的 氨基 酸 开始 建造 的 ， 这 些 氨基 酸 的 羧基 则 与 进 人 的 氨基 酸 的 氨基 相 结合 。 依次 接续 加 搂 残 基 至 <8 REED Soe 增长 中 的 多 了 肽 的 游 高 骤 基 未 端 出 上 二 resem 图 33-1 向 血红 蛋白 “ 链 的 次 基 末 端 加 接 标 链 完成 为 止 。 这 个 结论 已 经 为 在 原核 生物 和 真 核 TEASE. HM ASAE OS 生物 中 所 做 的 其 它 类 型 的 实验 充分 证 实 s 后 ,标记 亮 氨 酸 残 基 在 肽 链 上 的 位 置 。 暴 露 4 这 些 实验 的 一 个 有 趣 推论 是 ， 它 们 为 合成 一 分 钟 后 。; 只 有 位 于 状 基 林 端 的 少数 亮 迄 酸 下 ”条 完整 多 肽 链 所 需 的 时 间 提 供 了 精确 的 信息 寺 覃 基 受 标记 :因为 在 加 和 标记 亮 氨 酸 时 ,这 些 肽 链 已 经 近乎 构成 。 37sC 下 , 家 免 的 完整 网 织 红 细胞 内 单个 芒 糖 体能 WB ht ESP SEH (WBF e 802° ~~ ore 在 大 约 .3 分 钟 内 就 建成 一 条 完整 的 血红 蛋白 “ 链 〈 含 146 个 残 基 为 合成 速率 比 每 秒 钟 少 于 一 个 残 基 。 在 适宜 培养 基 中 生长 的 大 肠 杆 菌 和 其 它 细 菌 , 每 个 功能 性 核糖 体 ,每 秒 钟 约 能 插 和 人 20 个 氨基 酸 。 气 基 酸 激 活 反 应 及 其 氨基 酸 的 专 一 性 在 蛋白 质 合 成 的 第 一 阶段 (在 细胞 溶质 内 进行 ), 作 为 蛋白 质 建造 基 块 的 20 种 不 同 的 氨基 酸 , 在 一 类 所 谓 氨基 酸 激 活 酶 类 , 或 更 专 一 性 地 称 之 为 氨 酰 -tRNA 合成 酶 的 作用 下 ， 各 与 其 相应 的 tRNA 进行 酯 化 。 每 一 种 这 种 酶 高 度 专 一 地 使 一 种 氨基 酸 与 其 相应 的 tRNA 发 生 反应 。 所 催化 的 反应 如 下 : Mg?+ 氨基 酸 + tRNA + ATP 一 > 氮 酰 -tRNA + AMP + PP; (1) 作用 于 20 种 不 同 氨基 酸 的 激活 酶 几乎 全 部 都 已 高 度 提纯 , 尤其 是 得 自 大 肠 杆菌 的 , 有 些 已 制 成 结晶 。 这 些 酶 分 子 量 的 范围 为 100,000 至 240,000。 有 的 只 是 分 子 量 为 100,000 MASK Pin, 亮 氨 酸 的 激活 酶 ), 有 的 具有 2 个 以 上 相同 的 亚 基 , 有 的 具有 不 相同 WWE. 甘 氨 酰 -RNA 合成 酶 有 两 个 分 子 量 为 35,000 的 亚 基 和 两 个 分 子 量 为 82,000 的 亚 基 。 它 们 都 绝对 需要 Me, 都 含有 一 个 或 一 个 以 上 对 活性 是 必需 的 芒 基 。 在 激活 反应 中 , ATP 进行 焦 磷 酸 裂解 生成 AMP 和 焦 磷酸 ,这 与 脂肪 酸 的 激活 反应 相 类 似 。 所 基 酸 转 移 到 它 的 RNA 上 ， 是 在 酶 的 催化 位 点 上 分 两 步 进行 的 。 第 一 步 ， ATP 和 和 氨基酸 起 作用 ,置换 出 焦 磷 酸 , 生 成 与 酶 结合 的 中 间 体 氨 酰 腺 昔 酸 (图 33-2). 在 此 中 间 体 中 , 氨基酸 的 羧基 与 AMP 的 5- 磷 酸 基 以 酸 酥 键 相连 结 ;高 能 的 栈 键 激活 了 氨基 酸 的 羧 基 。 第 二 步 ， 氨 酰基 由 AMP 转移 到 共 中 NA 的 3 末端 /随后 释放 出 产物 氨 酰 -tRNA 和 腺 昔 酸 。 这 两 步 反 应 为 : ATP + Sati <> [ 氨 酰 腺 音 酸 ] 十 焦 磷酸 1 人 AT 和 忆 (2) [ BERR + tRNA = 氨 酰 -tRNA + RE © it by-€3) 如 图 33=3 所 示 ; 氨 酰基 由 其 活化 凑 基 与 带 有 未 端 C-C-A 顺序 的 ;tRNA 分 子 的 3 未 端 十 的 终端 AMP 残 基 的 游离 2- 羟 基 进 行 作用 就 得 以 酯 化 。 形 成 RNA 序列 未 端 2- 和 3- 产 基 的 氨 酰 酯 的 一 种 平衡 混合 物 。 -应 注意 ;整个 激活 反应 进行 时 标准 自由 能 的 降低 是 相对 地 小 的 。 由 于 RNA 是 在 水 IH ATP 高 能 键 的 条 件 下 形成 的 ,因而 在 氨基 酸 和 :tRNA 之 间 形 成 的 新 酯 键 是 一 种 高 fo 由 于 激活 反应 中 形成 的 无 机 焦 磷酸 接着 又 被 焦 磷 酸 酶 水 解 为 正 磷酸 ,所 以 ,每 激活 本 分 子 氨基 酸 就 有 2. 个 高 能 磷酸 键 最 终 被 裂解 。 细 胞 内 氨基 酸 激活 的 总 反应 实质 上 是 不 WN. 通常 用 测量 闻 - 标 记 焦 磷酸 挨 大 在 两 步 反 应 的 第 一 步 [反应 ; (2)] 中 所 加 大 的 ATP 中 的 速率 来 测定 活化 酶 。 这 一 完全 可 首 的 交换 反应 需要 专 一 的 氨基 酸 底 物 的 存在 ， 得 并 不 需要 其 相应 的 ,RNAa 氨 酰 -tRNA 合成 酶 对 氨基 酸 和 相应 的 RNA 二 者 都 有 很 高 的 专 一 性 。 .这 点 是 极端 重 要 的 ;因为 一 旦 氮 酰 -tRNA 形成 ) 便 只 能 从 其 tRNA 部 分 中 的 反 密 码 子 三 联 体 来 识别 它 ， 而 不 能 从 氨基 酸 残 基 来 识别 ,这 一 点 以 后 会 谈 到 的 。 因 此 ， 氨 酰 -RNA 合成 酶 必须 具有 两 个 非常 专 一 的 结合 位 点 ， 一 个 是 对 氨基 酸 底 物 的 ， 另 一 个 是 对 相应 的 耻 NA 的 ;还 必须 有 ° 803 结合 ATP 的 第 三 个 位 点 。 氮 酰 -tRNA 合成 酶 判别 天 然 氨基 酸 类 的 专 一 性 是 如 此 之 高 ， 以 致 在 细胞 内 条 件 下 发 生 误 差 的 机 会 小 于 万 分 之 一 。 但 是 ， 这 类 酶 可 能 受骗 而 接受 某 些 代替 其 正常 底 物 的 非 生物 的 氨基 酸 类 似 物 。 其 中 有 葵 丙 氨 酸 的 类 似 物 对 - 氟 苯 丙 氮 酸 ;以 及 蛋 氢 酸 的 类 似 物 乙 硫 氮 酸 和 正 亮 氨 酸 (图 33-4)。 若 将 这 些 类 似 物 喂 饲 动 物 , 它们 就 在 正常 葵 丙 氨 酸 或 蛋氨酸 所 占据 的 位 置 上 分 别 摊 人 蛋白 质 。 F —{_ )-cH.cHcoon NH, 4 对 - 气 苯 两 氨 酸 机 CH,CH,SCH,CH,CHCOOH ae NH, O i NH, salle sani: CR K y, CH,CH,CH,CH,CHCOOH H H HY H NH, OH OH IESE AB 图 33-4 合成 的 氨基 酸 类 似 物 。 图 33-2 在 氨 酰 -tRNA 合成 酶 活性 33-3 氮 酰 -tRNA 的 一 般 结构 。 也 ”它们 能 够 在 相应 的 天 然 氮 基 酸 所 位 点 上 形成 的 氨 酰 腺 苷 酸 的 一 般 结 构 。 可 参见 详 述 RNA 结构 的 图 33-5。 ENBBACS REE. tRNA 的 结构 和 激活 酶 的 专 一 性 氨 酰 -了 RNA 合成 酶 对 其 相应 tRNA 的 专 一 性 是 复杂 而 有 趣 的 问题 , 首先 要 回顾 tRNA 分 子 的 共 价 结构 和 核 背 酸 成 分 〈 见 第 十 二 章 )o 已 经 知道 了 超过 50 种 RNA 的 完全 碱 基 顺序 ,对 于 它们 的 构 型 ,他 们 的 专 一 性 以 及 他 们 结构 中 不 同 部 分 的 功能 ， 都 有 重要 的 资料 可 利用 。 现 已 确切 证 明 , tRNA 分 子 由 73 至 93 个 核 背 酸 残 基 构成 ,分 子 量 约 25,000， 具 有 一 种 专 一 的 三 维 构 型 。 当 加 热 时 ,在 260 毫 微米 处 显示 很 强 的 增色 效应 ,这 提示 大 概 由 于 单 股 了 NA 链 的 成 圈 状 ,以 致 许多 碱 基 配 合成 对 。 事 实 上 , 约 60 一 70 多 的 RNA iB wR eB. tRNA 经 加 热 溶化 后 ,在 冷却 时 能 迅速 恢复 其 天 然 构 型 。 此 外 曾 证 明 tRNA 分 子 的 天 然 构 型 对 其 生物 活性 是 必需 的 ,未 折 县 的 tRNA KARA AERS ANE Hie tRNA 的 碱 基 顺 序 , 有 可 能 组 建 若干 构 型 ， 使 链 内 碱 基 配 对 。 惊 奇 的 发 现 是 ,虽然 各 种 不 同 氨基 酸 的 tRNA 具有 十 分 不 同 的 碱 基 组 成 ， 但 若 把 链 排列 成 链 内 碱 基 最 大 配对 数 的 形式 《图 33-5)， 那 么 ， 所 有 tRNA 都 可 画 成 具有 相同 的 四 臂 三 叶 草 形 排列 的 二 维 图 。 某 些 长 链 tRNA 能 够 形成 一 条 短 的 第 5 臂 。 已 经 获得 几 种 RNA 的 晶体 。 酵母 共 丙 氨 酸 下 NA 晶 体 的 X 射 线 分 析 表 明 ， 它 的 分 子 不 对 称 地 折 受 形成 约 9.0 毫 微米 长 、2.5 毫 微米 厚 的 一 种 致密 结构 ;其 一 端 是 反 密 码 子 臂 , 另 一 端 是 氨基 酸 劈 。( 图 33-6) 。804 。 BER BN Ace im f ¢ ALERE Pu 5 a 了 P Ty F DHU ¥ readin 4 ny aan ty, U Pu L c 图例: ‘ ig Sn ae Pu = ears fF eae et Pr hackebeal n; ny Pu a, \ ¢ = RRB PN. } G* = Sime wR 2°-O- Fe 和 下 <- BUF SER (并非 所 有 ni 一 0 至 1 tRNA 中 都 有 ) n, = 133 t n= 123 pf n= 042 iF Pu RET ZEW Rene RAF CDHU) Eh A a ER Bi iE RE — ~~ tRNA 而 定 Sea 在 某 些 tRNA Hh RE ES 5° 3 于 只 有 三 对 碱 基 图 33-5 tRNA 的 一 般 三 叶 草 形 结构 。 在 骨架 上 的 大 黑 点 是 核 苷 酸 残 基 ， 横 线 代表 碱 基 对 。 图 33-7 三 刺 碱 [6-(3- 甲 基 丁 -2- 烯 基 氨 基 ) 嘲 图 33-6 “射线 衍射 分 析 法 (0.3 毫 微米 分 辩 率 ) 推 叭 ] 是 在 反 密 码 子 旁 发 现 的 次 要 味 叭 之 一 。 这 种 断 酵母 葵 丙 氨 酸 tRNA 的 三 维 构 型 [ 引 自 $. H. 化 合 物 是 一 种 细胞 分 裂 素 类 * 是 促进 细胞 分 裂 的 Kim and colleagues, Science, 185: 436 (1974)] 植物 激素 。 从 碱 基 顺 序数 据 , 已 经 鉴定 了 tRNA 一 些 生物 学 上 重要 的 结构 特征 (图 33-5)。 所 有 tRNA 分 子 在 其 毛 基 酸 臂 的 3 端 都 有 相同 的 末端 顺序 Pu-C-C-Ao。 最 末 的 腺 背 酸 残 基 是 在 氮 酰 基 合 成 酶 作用 下 与 氨 酰 基 发 生 酯 化 作用 的 位 点 〈 图 33-5)。 一 个 假 尿 喀 啶 核 背 残 基 * 805 (%) 总 是 特征 性 地 存在 于 所 有 (RNA 的 Tc BSA, WEURMR RT BREA WMARGRRARE, 反 密 码 子 臂 含 有 专 一 的 核 昔 三 联 体 ， 这 在 各 种 氨基 酸 的 tRNA 中 是 不 相同 的 。 这 种 三 联 体 是 反 密 码 子 ， 与 mRNA 中 相应 的 密码 子 三 联 体 互 补 。 氨 酰 - tRNA 的 反 密 码 子 三 联 体 有 适当 的 碱 基 顺序 来 和 mRNA 上 相应 密码 子 的 碱 基 形 成 专 一 的 氢 键 以 这 种 方式 选择 所 需要 的 氨基 酸 ,并 使 它 位 置 准确 地 转移 到 正在 增长 中 的 多 肽 链 上 去 。 反 密码 子 的 碱 基 之 一 是 摇摆 碱 基 , 它 与 密码 子 中 相应 碱 基 起 作用 时 ,其 专 一 性 比 另外 两 种 反 密码 子 碱 基 要 低 。 与 反 密码 子 5 端 相 邻 的 是 尿 喀 啶 残 基 , 而 与 3’ 端 相 邻 的 则 是 味 aM, BERNA, 尤其 是 在 植物 NA 中, 在 较 后 的 位 置 上 发 现 嘎 叭 的 异 成 烯 衍生 物 (图 33-7)。 这 些 特 征 性 碱 基 显 然 是 作为 “制止 物 来 划分 反 密 码 子 的 界限 的 。 tRNA 分 子 还 必须 至 少 含 有 另外 两 个 专 一 位 点 , 即 tRNA 与 相应 的 激活 酶 相 结合 的 酶 识别 位 点 以 及 核糖 体 附着 位 点 。 tRNA 的 可 变 的 核 昔 酸 残 基 不 仅 因 氨 基 酸 而 看 ， MA 因 器 官 或 物种 的 不 同 而 异 ; 在 何 一 种 氨基 酸 的 氨 酰 基 合 成 酶 与 同 物种 的 相应 tRNA 作用 得 最 好 。 tRNA 分 子 结 梅 中 引信 注意 的 特点 是 ,在 正常 的 A\ U\ G、C 碱 基 之 外 ， 还 有 许多 次 要 碱 基 ( 见 第 十 二 章 )。 已 经 在 RNA 中 发 现 了 至 少 40 种 不 同 的 次 要 核 苷 ,其 中 大 多 数 是 正常 核 昔 的 甲 基 化 型 。E. Borck 发 现 了 催化 tRNA 中 专 一 碱 基 甲 基 化 的 酶 ; 它们 需要 S- 腺 苷 基 甲 硫 氮 酸 作为 甲 基 供 体 。 这些 次 要 碱 基 可 能 具有 一 些 功能 。 它 们 或 可 阻止 在 某 些 点 上 为 了 生成 特殊 的 臂 状 结 攀 的 链 内 碱 基 配 对 , 阻止 和 /mRNA 形成 不 应 有 的 碱 基 配 对 ， JR AT WRF tRNA 对 核酸 酶 的 水 解 作用 以 较 少 的 敏感 性 。 每 一 种 氨基 酸 的 专 二 RNA 不 只 一 种 。 酵母 细胞 有 .5 种 不 同 的 同系 tRNA 或 称 同 功 tRNA, 它们 能 与 亮 氨 酸 以 及 亮 氨 酸 氨 酰 基 合成 酶 专 一 地 起 作用 ;对 丝氨酸 有 5 种 对 甘 氨 酸 有 4 种 、 对 赖 氨 酸 有 4 种 s 但 是 ;一 种 已 知 的 氨 酰 基 tRNA 合成 酶 不 能 对 所 有 同系 RNA 发 生 同等 的 反应 。 再 者 ,在 某 些 细胞 内 ,作用 于 某 些 氨基 酸 的 氨 酰 基 -tRNA 合成 酶 也 不 只 是 一 种 ,而 这 些 氨基 酸 对 同系 耻 NA 的 相对 专 一 性 却 是 有 差别 的 。 关 于 同系 RNA MAM SERNA 合成 酶 的 多 样 性 的 生物 学 基础 尚未 充分 子 解 。 已 发 现 粗糙 链 孢 菌 细胞 至 少 含 有 两 类 对 许多 氨基 酸 有 作用 的 好 NA。 一 类 只 存在 于 线粒体 中 , 另 二 类 只 存在 于 细胞 质 中 ， 这 提示 线粒体 和 细胞 质 的 蛋白 质 合 成 使 用 了 不 同类 型 的 tRNA. TEL 线粒体 内 的 合成 Ken RAMA MI RNA 是 专 一 的 ， 而 细胞 质 内 的 合成 酶 对 细胞 质 的 RNA 是 专 一 的 。 然 而 ,细胞 内 的 位 置 并 非 唯一 需要 考虑 的 事 ,因为 原核 细胞 也 含有 多 种 种 类 作用 于 某 些 气 基 酸 的 tRNA; 总 的 说 来 ,大 肠 杆 菌 细胞 约 含 有 80 种 作用 于 20 种 氨基 酸 的 不 同 的 中 NA。 tRNA 的 连接 作用 一 旦 氨基 酸 与 其 相应 的 tRNA 酯 化 后 , 它 对 于 氢 酰 基 -RNA 的 专 一 性 便 无 贡献 子 , 因 为 这 样 的 氮 酰 基 不 能 被 核糖 体 或 mRNA 模板 所 识别 。 这 一 点 在 使 一 个 氮 酰 基 -tRNA 的 氨基 酸 残 基 起 化 学 修饰 的 巧妙 实验 中 已 经 被 确证 无 疑 。 例 如 ， 半 有 鸯 氨 酸 激 活 酶 作用 于 放 射 性 半 胱 氨 酸 、ATP 和 中 NAer， 首先 形成 同位 素 标记 的 半 胱 氨 酰 - 尽 NAc*o 然 后 * 后 者 可 用 氨 和 催化 剂 使 半 胱 氨 酰 残 基 还 原 ,而 在 化 学 上 转化 成 两 氮 酰 -tRNAer， 这 一 步骤 并 不 引 id (RNA 分 子 本 身 的 任何 化 学 改变 。 这 种 杂种 氨 酰 基 - 了 RNA 含有 为 半 胱 氨 酸 的 反 密码 子 ， "，.806 。 但 买 际 工 却 运载 着 丙 氨 酸 ,而 后 把 它 同 取 自 网 织 红 细胞 的 核糖 体系 统一 起 保温 ,该 系统 中 含有 全 部 其 它 的 tRNA 氨基酸 激活 酶 ,以 及 合成 血红 蛋白 链 所 需 的 mRNA。 检查 新 合成 的 多 肽 链 ， 以 测定 杂种 丙 氨 酰 -tRNAe" 是 否 把 它 的 异常 丙 氨 酸 残 基 转 移 到 血红 蛋白 链 上 那些 正常 为 半 胱 氨 酸 所 占据 的 位 置 上 去 了 。 回 答 是 肯定 的 : 有 相当 大 量 的 标记 丙 氨 酸 挨 人 子 半 胱 氨 酸 的 位 置 。 紫 实验 为 F. H. C. Crick 和 M. B. Hoagland 首先 提出 的 假设 提供 了 证 据 , 即 认为 : RNA 是 一 个 分 子 “ 连 接 物 ”(adapter), 能 使 插 在 它 上 面 的 氨基 酸 适 应 于 遗传 密码 的 核 昔 酸 三 联 体 语 言 。 这 个 实验 还 证 明 , 激活 酶 必须 对 它 的 氨基 酸 和 t 东 NA 二 者 都 具有 极端 高 度 的 专 一 性 盖 因为 在 激活 反应 中 所 引起 的 任何 误差 在 多 肽 链 形成 时 都 不 可 能 再 改正 了 。 i He TR BY SE 在 我 们 详 述 蛋白 质 合成 的 起 始 阶段 之 前 ,有 必要 复习 一 下 核糖 体 的 复杂 结构 ( 见 第 三 十 六 章 )5 因 为 在 核糖 体 上 有 一 种 专 一 的 结合 位 点 的 空间 排列 ,而 且 在 多 肽 链 建造 时 ,在 所 结合 的 组 分 之 问 有 三 组 复杂 的 相互 作用 。 对 大 肠 杆 菌 和 其 它 原 核 细 胞 的 70S 核糖 体 研究 得 最 充分 ,其 颗粒 重 约 2.7 兆 道 尔 顿 。 在 特殊 条 件 下 , 这些 核糖 体 解 离 为 50S 和 308 的 亚 基 , 各 含有 RNA- 和 和 许多 蛋白 质 。50S WHE FG HH RNA Peay, Bl 23SRNA 和 5S RNA， 以 及 34 种 不 同 的 蛋白 质 。30S 亚 基 含有 1 分 子 168 RK RNA 和 21 种 不 同 的 蛋白 质 。 在 正常 条 件 下 , 核糖 体 蛋白 质 在 pH7.0 时 不 溶 于 水 , 但 能 用 浓 盐 溶液 选择 性 地 连续 地 提取 。 用 氧化 钨 浓 溶液 温和 地 提取 30S 亚 基 , 除 去 几 种 核糖 体 蛋白 质 , 剩 下 大 个 稳定 的 内 核 ， 内 核 里 的 其 它 蛋白 质 则 可 用 较为 剧烈 的 方法 提取 。 从 30S 亚 基 和 508 亚 基 提 取 的 许多 不 司 蛋白 质 于 是 能 信 在 5H 丰 5 时 用 凝 胶 电泳 方法 分 离 。 后 面 将 会 见 到 (更 第 三 十 六 章 )， 核 糖 体 可 由 其 组 成 KRNA- 和 和 蛋白质 再 装配 起 来 。 - 真 核 生物 细胞 质 中 的 核糖 体 比 原核 生物 细胞 质 中 的 核糖 体 大 得 多 ， 它 们 的 沉降 系数 为 73S 至 80S, 直径 约 22 毫 微米 、 颗 粒 重 约 4.0 兆 道 尔 顿 。 其 亚 基 的 沉降 系数 约 为 60S 和 40S。 然而 ， 亚 基 的 大 小 在 植物 和 动物 之 间 稍 有 不 同 , RNA 的 大 小 也 如 此 。~- 植 物 核 糖 体 含 有 ,25S 和 168 或 18S 的 rRNA, 而 动物 的 核糖 体 含 有 28S 和 18S 的 rRNA, 动物 核糖 体 的 , 28 SxRNA 在 不 同 物种 中 大 小 也 有 些 不 同 ;这 取决 于 它们 系统 发 育 所 处 的 地 位 分子。 Cae ems 量 范 围 由 海胆 的 140 万 到 哺乳 类 的 175 万 。 结合 位 点 ) bas EREOH—HMREE RAB RCo Sos ABTERERN TEE, Bh 能 ,但 核糖 体 RNA 的 专 一 功能 仍然 不 清楚 ,尽管 ”要 结合 位 点 。 还 有 其 它 和 起 始 因子 、 延 长 因 它 具 有 能 与 许多 核糖 体 蛋 白质 结合 的 位 点 -看 来 ， FAR AS ae ORLA rRNA #1 % FE YE TE EI ae 70S 核糖 体 的 305 A508 亚 基 ， 很 可 能 参加 使 附 有 增 长 着 的 多 肽 链 的 核糖 体 沿 着 mRNA 移动 的 构 型 变化 。 因此 ， 核 糖 体 可 能 是 机 械 化 学 体 系 , 和 被 认为 与 肌肉 的 肌 动 球 蛋白 和 真 核 生 物 竟 毛 的 微 管 属于 同一 类 的 生物 结构 。 图 33-8 是 核糖 体 结 构 的 示意 图 ,概要 表示 50S 亚 基 王 的 肽 酰基 位 点 和 所 酰基 位 点 。 。807，。 “ 肽 酰基 (P) 位 点 mE CAD | 位 点 所 酰基 -tRNA mRNA 大 概 穿 过 大 、 小 亚 基 之 间 的 沟 模 循 轨 而 行 。 图 中 密码 子 的 大 小 比例 并 不 合适 ,在 沟 槽 中 约 隐藏 着 8 个 密码 子 。 多 肽 链 的 起 始 无 活 几 的 在 大 肠 杆菌 和 所 有 其 它 原 核 生 物 中 ， 全 部 70S eg ik 蛋白 质 的 合成 都 是 从 由 起 始 密码 子 AUG 来 编 码 的 蛋氨酸 开始 的 。 起 始 蛋 氮 酸 残 基 并 不 是 以 蛋 氮 酰 - 耻 NA 而 是 以 N- 甲 酰 蛋 所 酰 - 耻 NA (f{Met-tRNA) (图 33-9) 的 形式 参与 反应 的 ,后 308 WES 结合 的 IF-3 者 是 酶 促 转 甲 酰 作用 的 产物 ， 其 中 的 甲 酰基 是 Si. 0.5 毫米 33-9 ”原核 生物 的 起 始 氨基 酸 ,N- 甲 酰 蛋 氨 酸 。 图 示 N- 甲 酰 蛋 氮 酰 -tRNA 的 晶体 。 H | CH,—s—CH,—CH,— C —COOH | NH 图 33-10 起 始 复合 物 和 功能 性 的 70S 核糖 体 shape RO CKHER) IF-1，IF-2,JE-3 是 起 始 因 | Fo 50S 核糖 体 和 起 始 复合 物 结合 引起 起 始 因 H 子 的 释放 和 GTP 的 水 解 。 从 NI- 甲 酰 四 氧 叶酸 转移 到 蛋 氨 酰 -RNA 的 vx- 氮 基 上 去 的 。 有 两 种 蛋 氮 酰 -tRNAwee， 只 有 一 种 ， 称 为 蛋 氨 酰 -tRNAr 是 能 够 接受 N- 甲 酰基 的 。 反 应 式 为 : NI- 甲 酰 四 氧 叶酸 十 蛋 氮 酰 - 了 NAF 一 四 氢 叶 酸 十 甲 酰 蛋 氮 酰 - 下 NAF 催化 此 反应 的 酶 不 能 使 游离 蛋氨酸 甲 酰 化 ， 也 不 能 使 附着 于 另 一 种 了 NAwe 的 蛋 氮 酸 残 基 甲 酰 化 。 现 在 看 来 ， 似 乎 fMet-tRNAr 不 仅 在 细菌 内 ,而 且 也 在 真 核 细胞 的 线粒体 内 使 肽 链 合成 起 步 。 已 经 得 到 fMet-tRNA 的 晶体 (图 33-9)。 已 经 发 现 真 核 细胞 细胞 质 内 和 蛋 » 808 。 OO ——— 白质 合成 的 起 始 氮 基 酸 残 基 是 和 一 种 称 为 起 始 区 tRNA 的 专 一 tRNAmee 起 酯 化 的 一 种 未 醚 化 的 蛋 氮 酸 残 基 。 当 合成 蛋白 质 时 ,70S 核糖 体 不 断 地 解 离 为 其 50S 亚 基 和 30S WHE, PH MATH 再 缔 合 成 完整 的 核糖 体 。R. Kaempfer 及 其 同 工 作 者 们 首先 证 明了 这 一 事实 ,他 们 在 培养 基 中 培养 了 几 代 大 肠 杆 菌 细胞 , 培养 基 中 碳 、 氮 、 氢 的 来 源 中 含有 非常 丰富 的 重 的 同位 素 BC、5N AI7H, 由 这 些 “ 重 的 ?细胞 合成 的 核糖 体 的 密度 大 于 在 正常 碳 ` 氢 、 氮 来 源 下 生长 的 细胞 所 合成 的 核糖 体 。 然 后 将 重 的 大 肠 杆 菌 培育 在 含有 正常 碳 、 氢 、\ 氮 来 源 的 新 鲜 培 养 基 中 。 从 这 样 的 细胞 分 离 出 的 核糖 体 经 密度 梯度 离心 时 ,发 现 它 包 含 两 类 杂种 。 一 类 含有 重 的 50S 和 轻 的 ,30 S WH, 另 一 类 含有 轻 的 50S 和 重 的 30S WH, 由 这 些 杂 种 的 形成 速 率 就 得 出 结论 ,70S 核糖 体 经常 离 解 成 亚 基 ,而 亚 基 又 不 断 地 再 缔 合 。 当 M. Nomura 及 其 共同 工作 者 们 发 现在 多 肽 链 合成 能 够 开始 之 前 70S 核糖 体 必需 先 解 离 成 50 S 亚 基 和 30 S 亚 基 这 一 事实 后 关于 解 离 - 再 缔 合 过 程 的 意义 便 清 楚 了 ; mRNA 和 起 始 氨 酰基 -中 NA 不 能 直接 结合 到 70S 核糖 体 上 去 ,而 是 先 与 308 亚 基 结 合 ,然后 ,后 者 再 同 50S 亚 基 结 合 。 但 是 随后 的 许多 实验 研究 表明 ,这 是 一 个 相当 复杂 的 多 步骤 过 程 (图 33-10), 需 要 三 种 叫做 起 始 因子 《IF-1, IF-2, IF=3) 的 专 一 蛋白 质 参 加 。 这 些 蛋 白质 可 以 用 强 盐 溶液 从 核糖 体 中 提取 成 可 溶 形式 ; 它们 的 分 子 量 各 约 为 9,000、65,000 和 21,000, 起 始 因子 并 不 是 30S 亚 基 的 永久 性 组 分 ,以 后 我 们 将 看 到 , 它们 经 受 着 附着 和 释放 的 循环 尽管 有 些 细 节 还 不 甚 肯定 ,但 形成 完整 的 功能 性 708 核糖 体 的 步骤 顺序 如 下 。30S 亚 基 首 先 与 下 =3i 形 成 一 个 复合 物 ， 该 复合 物 再 与 mRNA 结合 ，1 分 子 IF-1 加 于 此 复合 物 上 。 然 后 , fMet-tRNA 和 GTP 5 IF-2 结合 ,所 形成 的 复合 物 同 由 308S 亚 基 、IF-3、mRNA 和 IF-I1i 所 形成 的 复合 物 相 结合 , 生成 所 谓 的 起 始 复合 物 ( 图 33-10)。 起 始 复合 物 然后 与 50S 亚 基 结 合 形 成 完整 的 功能 性 70S 核糖 体 ;在 此 过 程 中 ,GTP 被 水 解 为 GDP 和 Pi, 三 个 起 始 因子 IF-1, IF-2, IF-3 则 从 核糖 体 解 离 。 据 推测 需要 有 这 样 精细 的 起 始 过 程 来 保证 起 始 氮 酰 基 -IRNA 结合 在 肽 酰 位 点 上 ,并 处 于 起 始 密码 子 AUG 的 位 置 上 ;这 样 ,核糖 体 才能 在 mRNA 上 的 正确 地 点 开始 翻译 。 起 始 因子 可 反复 用 于 起 步 新 链 。 CARE, mRNA 密码 子 的 翻译 是 在 5 一 3 方向 进行 的 ;因此 ,核糖 体 上 的 P 位 点 和 A 位 点 是 能 够 识别 mRNA 链 的 极 性 的 。 7K th H 当 起 始 所 酰基 -tRNA (或 肽 基 -tRNA) 结合 到 位 于 mRNA 上 对 应 密码 子 上 的 肽 基 位 点 时 5$ 便 进行 延长 ,此 时 A 位 点 是 游离 的 。 延 长 过 程 有 三 个 主要 步骤 。( 图 33-11) 第 一 步 ， 进 入 氨 酰 基 -tRNA 的 结合 在 第 一 步 ， 进 来 的 氮 酰 基 - 中 NA 以 相当 繁杂 的 过 程 加 接 到 完整 708 核糖 体 复 合 物 的 氧 酰基 位 点 (A 位 点 ) 上 去 。 首 先 ,进来 的 氮 酰 基 -RNA 和 专 一 的 细胞 质 蛋白 质 结合 ;在 原核 生物 ,这 种 细胞 质 蛋 白质 称 为 延长 因子 TCEF-T), 已 经 得 到 结晶 形式 。EF-T 含有 两 个 亚 基 ,EF-Ts 和 EF-TuoEF-T 和 GTP 结合 ,放出 EF-T;, 形成 EF-Tu-GTP 复合 物 。EF- * 809 « # EF-T-GTP BAY SEA WE A HI HE —tRNA (Phe) RF) 密码 子 (Tyr) (Ser) > Ie bent tgs 上 一 全 -me (Tyr) (Phe) 肽 基 转 移 酶 反应 STRNTODDD 四 图 .om fMet—Ala 放空 的 tRNAAI。 - 现在 核糖 体 准 各 “高 去 mS) } 接 受 下 一 个 氨 酰 基 -tRNA (Meb (Ala) 人 图 33-11 MEKHM, EF-T 和 EF-G 是 延长 因 于 。 肽 基 -tRNA 33-12 ， 肽 基 转 移 酶 反应 。 通过 亲 炉 置换 作用 形成 肽 键 。 在 此 置换 作用 中 新 氨 酰 基 - tRNA- 的 氨基 从 羧基 矶 原子 上 置换 出 前 二 永 个 氨基 酸 的 tRNA, 从 而 形成 延长 了 的 肽 基 - tRNA。 Tu-GTP 复合 物 和 氨 酰 基 -RNA 结合 形成 三 元 的 EF-Tu-GTP- 氮 酰基 -tRNA 复合 物 5 这 个 复合 物 再 与 核糖 体 结合 成 这 种 方式 , 即 氨 酰 -tRNA 位 于 A 位 点 上 ,其 反 密 码 子 与 mRNA 上 相应 的 密码 子 形成 氢 键 。 同 时 ,所 结合 的 GTP 水 解 成 GDP 和 Pi; GDP 以 EF-Tu-GDP “810。 复合 物 的 形式 离开 核糖 体 。f GTP 水 解 所 提供 的 能 量 显然 是 置 氨 酰 基 -tRNA 于 正确 位 子 时 所 必需 的 EF-T 不 易 迅 速 接受 起 始 fMetr-tRNA。 某 些 抗菌 素 ,尤其 是 四 环 素 ( 见 焉 面 )， 能 够 封 阻 氨 酰基 -tRNA 与 汐 位 疗 的 币 合 o 在 真 核 细胞 中 ,延长 因子 命名 为 EF-1 fil EF-2; 它们 的 功能 略 有 不 同 。 第 二 步 “ 肽 键 形 成 以 fMet-tRNA 在 P 位 点 上 ,新 结合 的 所 酰基 -tRNA 在 A 位 点 上 ， 氮 酰基 -tRNA WA 基 通 过 亲 核 作用 与 fMet-tRNA 的 酯 化 羧基 矶 起 反应 ,就 生成 了 第 一 个 肽 键 。 这 一 反应 由 肽 基 转 移 酶 所 催化 ,该 酶 存在 于 核糖 体 的 50S 亚 基 中 《图 33-11, 33-12), 产物 是 结合 在 A 位 点 上 的 二 肽 基 -tRNA; 已 放空 的 了 NA 仍 结合 在 P 位 点 上 。 新 肽 键 的 形成 无 需 ATP mR GTP, 它 大 概 是 在 消耗 N- 甲 酰 蛋 氮 酸 及 其 RNA 之 间 的 酯 键 键 能 时 所 形成 的 5 虽然 这 里 所 说 的 是 指 多 肽 链 第 一 个 肽 键 的 形成 ,但 在 每 一 延长 循环 所 出 现 的 过 程 是 相同 的 , 也 就 是 在 全 位 点 上 新 结合 的 所 酰基 -tRNA AUER Sx 代位 于 P 位 点 上 的 肽 基 =-IRNAI 的 tRNA 而 形成 新 肽 键 。 Rk SMS ER 脉 基 -tRNA N(CHa): een “ NEL oS ~ Bee EAR SN ery OC) N~ NZ N7 SN DA os a HOCH, ~O. (coloz) oe fe) O INE #H i, HN} WA aie 一 rath 4 ARSE-tRNA Erg ee re oo- 》 ca- R,—CH “ aN NH nae ha Rs 一 CH Rs 一 9H HN ve Nene RSE are 肽 链 RCH. R= NH NH Ca tak eee ar NH, - NH, NH,-727 4 NH;- 末 端 rs BK 5 ARARNA FAW, BEB SH 进入 的 氮 酰 基 -tRNA tRNA HRWERKEARK BA. ATHS 的 氨基 能 够 置换 羧基 林 肽 链 不 能 再 延长 ， 肽 基 - 呆 叭 霉 素 就 从 核糖 体 端 氨基 酸 上 的 tRNA, 从 释 出 。 已 经 分 离 得 到 许多 不 同 链 长 的 肽 基 -= 味 而 使 肽 链 延 长 。 MS BE Ho 图 33-13 RAM MiAA WADA BACA 33-13) 抑制 蛋白 质 合成 的 重要 实验 支持 关于 这 一 机 制 的 设 “811。 i. GIRBAW AMA RNA ARE RENARENEDRAW. WH, Cabs 素 的 糖 组 分 和 4- 甲 氧 基 茶 丙 氨 酸 ( 即 酷 氨 酸 的 甲酸 ) 的 羧基 之 间 有 一 个 酰胺 键 , 以 取代 在 核糖 部 分 的 2'- 3 -羟基 和 氨基 酸 的 羧基 之 间 的 正常 酯 键 。 吧 吟 霉 素 之 所 以 能 阻 断 肽 链 延长 ， 正 由 于 它 能 够 在 P 位 点 被 占据 的 情形 下 与 A 位 点 结合 的 能 力 ， 随 后 形成 共 价 的 肽 基 - 味 叭 霉 素 衍 生物 (图 33-13), 然后 ,这 样 形成 的 肽 基 - 嗓 叭 霉 素 从 核糖 体 解 离 , 因 为 它 不 具有 被 移 位 装置 识别 并 将 它 移 向 P 位 点 的 精确 结构 。 这 些 观察 不 仅 确定 了 这 种 抗菌 素 的 作用 模式 ,而 且 提 供 了 重要 的 确实 证 据 , 证 明 肽 链 增 长 是 通过 在 多 肽 链 羧基 未 端 加 接 氢 酰基 =IRNA 而 实现 的 。 第 三 步 “ 移 位 肽 键 形成 之 后 ,刚刚 延长 的 肽 基 -tRNA 仍然 结合 在 由 新 加 接 的 氮 基 酸 密码 子 所 在 的 A 位 点 上 。 现 在 ,在 延长 循环 (图 33-11) 的 第 三 步 中 ,核糖 体 移 向 mRNA 上 的 下 一 密码 子 ， 则 时 使 肽 基 - 中 NA 从 A 位 点 移 到 了 位 点 。 移 位 是 相当 复杂 的 过 程 , 包 括 一 系列 步骤。 这 一 步 需要 一 种 叫做 延长 因子 G(CEF-G) 的 专 一 性 蛋白 质 以 及 GTP。GTP 441 EF-G 结合 ， 所 形成 的 复合 物 再 与 核糖 体 结 合 。 然 后 GTP 水 解 为 GDP 和 了 Pi。GTP 水 解 提 供 引 起 构 型 改变 的 能 量 , 使 核糖 体 移 向 mRNA 的 下 一 密码 子 , 并 使 捧 基 -RNA 由 A 位 点 移 至 P 位 点 。 此 时 ，A 位 点 空 着 并 有 一 新 密码 子 在 位 置 上 ， 准 备 接受 新 的 所 酰基 -下 NA 以 开始 新 的 延 长 循环 。 移 位 步骤 之 后 , EF-G 便 从 核糖 体 解 离 。 牵涉 到 延长 过 程 进 行 的 历程 需要 位 点 有 高 度 专 一 的 拓扑 结构 以 结合 肽 基 - 耻 NA、 氮 酰基 -了 RNA、mRNA、 延长 因子 以 及 GTP (也 可 见 第 三 十 六 章 )。 在 每 一 次 成 键 的 循环 中 ， 核糖 体 可 能 在 形状 上 经 受 着 复杂 而 专 一 的 变化 。mRNA 似乎 是 穿 过 核糖 体内 的 一 条 沟 醒 或 隧道 循 轨 运行 "的 ， 因 为 在 多 聚 核糖 体 ( 见 下 ) 内 , mRNA 链 中 很 大 一 部 分 是 不 易 受 核 糖 核酸 酶 的 作用 的 。 在 任何 瞬间 , 这 部 分 大 抵 包括 在 核糖 体 隧 道里 面 的 所 有 段 片 (每 个 核 糖 体 约 25 个 核 昔 酸 )。 已 经 形成 的 多 肽 链 中 也 有 类 似 的 一 段 同样 地 受到 保护 而 免 受 蛋白 水 解 酶 的 作用 。 多 肽 链 的 终止 多 肽 链 的 完成 及 其 脱离 核糖 体 需要 一 些 目前 还 未 充分 了 解 的 特别 的 步骤 。 在 第 34 章 将 会 看 到 ，mRNA 中 的 三 个 特殊 的 终止 密码 子 之 一 是 多 肽 链 终止 的 信号 。 在 最 后 一 个 《或 羧基 末端 的 ) 氮 基 酸 残 基 被 加 接 到 位 于 核糖 体 上 的 多 肽 链 上 之 后 ， 多 肽 链 仍然 是 通过 其 末端 羧基 和 位 于 核糖 体 A 位 点 上 的 tRNA 以 共 价 键 相 连接 的 。 从 核糖 体 上 释放 多 肽 基 - tRNA 受 三 种 称 之 为 释放 因子 的 专 一 蛋白 质 所 促进 ， 释 放 因子 用 符号 Ry Ry Rs 表示 《图 33-14)。 它 们 与 核糖 体 结合 ,引起 多 肽 基 - 了 RNA 从 A 位 点 移 至 P 位 点 。 于 是 ,多 肽 链 和 最 后 一 个 tRNA 之 间 的 酯 键 被 水 解 了 ,显然 这 是 肽 基 转 移 酶 的 作用 。 看 来 , 此 酶 的 专 一 性 和 催化 作用 因 所 结合 的 释放 因子 而 发 生 改变 。 多 肽 一 经 释放 ， 最 后 一 个 中 NA 和 mRNA 便 离开 。 游 离 的 70S 核糖 体 便 解 离 为 50S 和 30S 的 亚 基 ， 这 一 过 程 需 要 专 一 起 始 因子 中 的 一 个 ,并 且 一 条 新 的 多 肽 链 又 可 开始 建造 。 完成 了 的 多 肽 链 脱离 核糖 体 时 的 状态 ,究竟 是 不 规则 的 卷 链 , 还 是 具有 天 然 三 级 构 型 的 折 县 分 子 ; 关 于 这 方面 了 解 甚 少 。 第 二 种 可 能 性 似乎 较 大 ,因为 分 离 得 到 的 核糖 体 除了 ° 812 ¢ 具有 与 肽 键 合 成 机 制 有 关 的 酶 活性 之 外 ,显示 了 广泛 的 多 种 酶 活性 。 据 信 , 这 些 活性 是 由 于 楷 紧 地 结合 着 的 \ 已 接近 完成 的 ,但 仍 在 进行 合成 的 多 种 酶 类 的 多 肽 链 而 存在 的 。 多 肽 链 翻译 后 的 加 工 多 肽 一 经 由 核糖 体 构成 ， 便 必须 经 受 共 价 的 修饰 ， 以 生成 其 具有 生物 学 活 性 的 形式 。 在 原核 生物 已 构成 的 蛋白 质 中 ， 没 有 出 现 甲 酰 蛋氨酸 残 基 的 N- 甲 酰基 , 它 在 脱 甲 酰 酶 的 作用 下 被 移 去 。 此 外 ， 一 些 多 肽 的 起 始 甲 硫 氨 醚 残 基 也 被 蛋氨酸 氨 肽 酶 移 除 。 一 些 蛋白 质 ,例如 烟草 斑纹 病毒 的 外 壳 蛋 白质 ,在 NORE AY o- 氨基 上 被 乙酰 化 。 这 种 乙酰 基 是 在 蛋白 质 合成 完毕 之 后 引入 的 ， 它 们 与 蛋白 质 生物 合成 时 肽 链 的 起 步 无 关 。 多 肽 链 构成 以 后 可 以 酶 促 形 成 链 内 二 硫 交 联 键 。 C. B. Anfinsen 和 其 他 研 re pen 究 者 发 现 ， 微 粒 体能 够 催化 经 化 学 还 原 ae 而 失 活 的 核糖 核酸 酶 、 溶 菌 酶 以 及 其 它 in 蛋白 质 的 -SH 基 氧 化 , 并 形成 二 硫 键 。 + 因为 这 些 氧化 产物 恢复 了 其 大 部 分 天 然 酶 促 活性 ,看 来 ,似乎 还 原型 多 肽 链 本 身 BR BK, 以 接近 天 然 梅 型 ,从 而 使 - 方向 ( 记 住 在 多 聚 核 背 酸 的 速记 中 是 按 5 ->3 方向 指定 顺序 的 ,从 左 向 右 阅读 , 左 端 的 残 基 上 有 一 个 5- 磷 酸根 ,而 右 端 有 一 个 游离 的 3 羟基) 在 一 种 方法 研究 中 Nirenberg 和 Leder 发 现 三 核 背 酸 密码 词汇 有 一 专 一 的 极 性 〈polarity) 或 方向 。 例 如 GUU 促进 线 氨 酰 -下 NARi 的 结合 , 而 UUG 促进 亮 氨 酰 -RNAre。 的 结合 。 因 此 ，mRNA 密码 子 的 读 出 或 解码 在 一 种 专 一 的 方向 发 生 。 当 把 低 聚 核 昔 酸 AAAUUU 作为 一 个 信使 来 实 验 时 ,那么 就 可 发 现 ， 它 是 赖 氨 酸 - 苯 丙 氨 酸 的 密码 ,而 不 是 苯 丙 氨 酸 - 赖 氨 酸 的 密码 。 由 于 AAA 是 赖 氨 酸 的 密码 ， 因 此 这 种 简单 信使 的 读 出 是 在 磷酸 化 的 5 端 开 始 的 。 就 天 然 病毒 的 RNA 来 说 ， 后 面 我 们 将 知道 关于 按 3?’ 方向 读 出 的 更 直接 的 生物 学 证 据 , 因 此 5 一 3 的 读 出 方向 ,同样 可 以 认为 是 DNA 和 RNA 股 的 生物 合成 的 方向 。 由 于 既 可 通过 酶 促 方 法 ,又 可 通过 合成 方法 以 合成 已 知 碱 基 顺 序 的 许多 三 核 昔 酸 , 因 此 ,一 旦 确定 了 读 出 的 方向 ,利用 结合 检验 来 确定 密码 词汇 的 碱 基 顺 序 就 成 为 可 能 。 在 一 定 的 已 知 顺序 的 三 核 背 酸 参与 下 ， 通 过 测定 那 种 氨 酰 基 RNA 能 专 一 地 与 核糖 体 结合 ， Nirenberg 和 Leder 很 快 就 建立 了 许多 氨基 酸 密码 词汇 的 扒 法 。 另 一 种 被 证 明 特 别 有 价 值 的 方法 是 利用 人 工 合成 的 多 聚 核糖 核 昔 酸 ， 特 别 是 那些 具 有 重复 的 二 核 背 酸 或 三 核 昔 酸 的 多 聚 核糖 核 苷 酸 作为 信使 为 多 肽 编码 。 如 象 UCUCUCUCUCUC: ::--:- RABSH-RERWALARHS RAM, 2 UCU 和 CUC 两 种 交替 出 现 的 三 联 体 , 必然 会 给 一 个 含 两 种 交替 顺序 的 氨基 酸 的 多 肽 的 合成 编码 。 事 实 确 是 这 样 , 这 种 信使 的 确 是 为 丝 - 亮 - 丝 - 亮 - 丝 - 亮 等 等 交替 出 现 的 多 肽 编码 。 特别 是 三 核 苷 酸 的 重复 顺序 给 *825。 出 了 特别 有 兴趣 的 结果 。 例 如 当 使 用 重复 的 聚合 物 多 聚 UUC 作为 信使 时 , 则 产生 三 种 不 同 的 多 肽 一 多 聚 葵 丙 氨 酸 ,多 聚 丝氨酸 和 多 聚 亮 氨 酸 。 这 种 结果 是 根据 多 聚 UUC 可 以 按 三 种 起 点 不 同 的 方式 来 阅读 这 样 一 个 事实 得 出 的 : UUC-UUC-UUC-UUC-UUC-UUC UCU-UCU-UCU-UCU-UCU-UCU CUU-CUU-CUU-CUU-CUU-CUU BRA RKS RR UAUC 产生 一 种 酪 - 亮 - 丝 - 异 亮 顺 序 重 复出 现 的 多 肽 ， 这 些 和 另 一 结果 列 于 表 34-2o。 表 34-2 在 无 细胞 的 核糖 体系 统 中 对 含有 重复 顺序 的 人 工 合成 的 多 聚 核 苷 酸 的 反应 中 氨基 酸 的 掺 入 重复 的 顺序 多 聚 核 苷 酸 密码 子 掺 人 的 氨基 酸 uc UCU,CUC Le RE AG AGA,GAG HARB CAR UG UGU,GUG ED a RB » Ha BE AC ACA,CAC TAR BAB UUC UUC,UCU,CUU ARAM, 2AM. RAB AAG AAG,AGA,GAA HAMNER Sam 轩 司 GAU GAU,AUG,UGA SAR BAR GUA GUA,UAG,AGU $55 BR Bie 4 BE Fs UAC UAC,ACU,CUA HARE LRG OE UAUC UAU,CUA,UCU, AUC 酷 氨 酸 , 亮 氨 酸 丝氨酸; 蜡 亮 氨 酸 , UUAC UUA,CUU,ACU,UAC RAR TAR MAR . H. G. Khorana AIH AUS TT TUS EIN A Kia BR SR fa 从 结合 试验 中 所 得 到 的 结果 ， 提供 了 独立 的 依据 。 这 种 结合 试验 在 还 有 些 是 大 为 的 条 件 下 测验 密码 子 的 专 一 性 * 留 下 了 某 些 摸 棱 两 可 的 概念 。 在 Nirenberg 报道 他 的 第 一 批 实验 之 后 不 到 四 年 就 获得 很 快 的 进展 ,1965 年 从 Nirenberg, Khorana 和 Ochoa 的 实验 室 取 得 的 结果 结合 起 来 得 出 了 所 有 氮 基 酸 密码 词汇 的 生物 化 学 鉴定 。 图 34-1 FARRER 汇 字 典 。 由 于 对 天 然 信使 RNA 的 核 蔡 酸 顺序 和 生物 合成 蛋白 质 的 氨基 本 顺序 之 间 的 对 应 性 ,进行 了 其 它 方 面 的 观察 ,从 而 使 图 34- 中 提 氧 基本 入 厚 问 正 介 到 下 于 区 的 中 我 们 在 检查 密码 词汇 的 一 般 特 征 之 后 ,将 要 讨论 这 种 证 据 。 Pen’ s 密码 词汇 字典 的 一 般 特 征 遗传 密码 有 四 个 特别 值得 注意 的 特征 。 第 一 ,当然 也 是 整个 这 场 讨论 中 所 假定 的 ， 无 需 用 标点 或 符号 以 表示 一 个 密码 子 的 结束 和 第 二 个 的 开始 s; 也 就 是 说 密码 是 无 逗 点 的 ,因此 阅读 码 组 必须 正确 地 从 二 个 mRNA 分 子 的 读 出 起 点 开始 -并且 按 顺 序 从 一 个 三 联 体 移 到 下 一 个 ,不 然 的 话 , 所 有 密码 子 都 将 错 号 ， 结 果 形 成 一 种 氨基 酸 顺 序 被 纂 改过 的 蛋白 质 。 这 个 事实 着 重 说 明 mRNA 中 需要 某 种 形式 的 唯一 的 信号 来 表示 出 核糖 体 必 须 开始 读 出 的 正确 点 。 以 后 将 讨论 这 些 起 始 信号 第 三 个 主要 特征 是 氨基 酸 密码 是 简 并 了 的 , 即 对 大 多 数 氨 基 酸 而 言 ,都 有 一 个 以 上 的 ”58206。 4 密码 词汇 。 简 并 并 不 意味 着 不 完善 ,因为 还 没有 一 种 密码 词汇 规定 一 种 以 上 的 氮 基 酸 。 此 外 ,所 基 酸 密码 的 简 并 有 一 些 规律 性 ,并 且 好 象 我 们 将 要 看 到 的 那样 ， 它 还 提供 了 生物 学 优点 。 表 34-3 氨基酸 密 : p G 码 的 简 并 UAU Rasa ‘gam | (BEF UAC MAR Ga ia. ated er UAG 终 止 inten Danae Mie | cAU ”组 所 酸 Mzam | 2 CAC BRS 半 胱 氨 酸 | 2 CAA SAMI | CG : 谷 氮 酰 胺 2 CAG 谷 氨 酰 胺 谷 氨 酸 2 ye eH 4 eee 组 氨 酸 2 AAC 天 门 冬 酰胺 丝氨酸 i ee AAA 赖 氨 酸 亮 氨 酸 6 AAG HUE 赖 氨 酸 2 GAU 天 门 冬 氮 酸 | aos GAC 天 门 冬 天 门 冬 氨 酸 上 GAA 谷 氨 酸 丝氨酸 6 as 苏 氨 酸 4 图 引 -1 密码 于 字典， 每 一 个 窒 码 子 的 第 三 个 核 音 酸 ( 黑 体 ) 比 头 丙 个 核 香 酸 pit WER. He 5'>3' 方向 读 密码 子 。 例 如 UUA = pUpUpA = 亮 氨 酸 三 Sik Rit BF OAA, VAG, 和 QUGA 以 黑体 表示 ;起 始 密码 子 是 AUG。 _ 引 人 注意 的 是 简 并 并 不 均一 。 因 此 丝氨酸 和 亮 氨 酸 的 密码 有 六 次 简 并 ， 即 丝氨酸 和 亮 氨 酸 各 有 六 个 密码 词汇 ;而 其 它 氨基 酸 如 谷 氨 酸 、 栈 氨 酸 、 组 氨 酸 以 及 其 它 几 个 氨基 酸 的 密码 却 只 有 2 次 简 并 ( 表 34-3), 所 有 氨基 酸 中 仅 色 氨 酸 和 蛋氨酸 只 有 一 个 密码 词汇 。 ” 第 三 个 重要 特征 是 : 密码 子 的 第 三 个 碱 基 专 一 性 较 第 一 、 二 个 低 。 从 图 34-1 注意 到 密码 的 简 并 ,在 多 数 情况 下 ( 除 精 氢 酸 、 亮 贫 酸 、 丝氨酸 外 ) 只 涉及 到 密码 子 中 的 第 三 个 碱 Jee PUPS ARR ch =H Hk GCU, GCC, GCA 和 GCG RANI; 头 两 个 碱 基 GC: 是 所 有 丙 氨 酸 密码 子 共用 的 ,而 第 三 个 可 以 是 任何 碱 基 。 此 外 , 当 两 种 不 同 氨基 酸 的 密码 词汇 如 果 头 两 个 碱 基 相 同 的 话 ,那么 一 个 密码 子 的 第 三 个 位 置 就 只 能 由 嘎 叭 来 填补 ,而 另 一 个 密 码 子 的 第 三 个 位 置 则 只 能 由 喀 啶 来 填补 。 例如 ， 组 氨 酸 的 密码 子 (CAU, CAC) 的 第 三 个 碱 基 是 旷 院 U ANC, MA REA (CAA, CAG) 的 第 三 个 位 置 是 嘎 哈 A 和 Go。 密 码 表 中 所 列 出 的 几乎 所 有 成 对 的 氨基 酸 密码 子 , 大 部 分 是 由 三 联 体 XYA 或 XYC 所 组 成 。 某 些 氨基 酸 是 由 两 个 这 样 的 对 来 编码 的 , 另 一 些 则 由 一 个 对 编码 。 显 然 ,每 一 个 密码 子 的 头 两 个 字母 是 它 的 专 一 性 的 主要 决定 者 -第 三 个 位 置 ; 即 在 密码 子 3'- 羟 基 端 的 核 苷 酸 是 不 太 重要 的 ,而 且 并 不 那样 精确 地 适合 ,用 F.H. C，Crick 的 话 来 说 ; 它 是 不 够 严格 的 ,有 “摇摆 ”的 倾向 。 。827。 关于 在 密码 子 的 位 置 3 上 ， 密 码 子 - 反 密 码 子 不 严格 或 摇摆 的 碱 基 配 对 ,一 个 可 能 的 原因 来 自动 力学 研究 。M. Eigen 曾经 指出 反 密 码 子 必 不 可 与 密码 子 粘 附 得 太 牢 固 ; 因为 把 密码 子 - 反 密码 子 复合 物 联 在 一 起 的 氢 键 的 解 离 速率 会 太 慢 , 以 致 不 能 与 蛋白 质 合成 的 已 知 的 高 速率 相 一 致 。 只 涉及 到 一 个 或 两 个 核 昔 酸 碱 基 配 对 的 氢 键 应 是 相对 地 松弛 的 , 因 而 专 一 性 低 ,而 当 许多 连续 核 苷 酸 残 基 与 互补 的 核 苷 酸 顺 序 进行 碱 基 配 对 时 ,所 形成 的 氢 键 , 可 能 具有 较 高 的 专 一 性 * 但 它 将 解 离 太 慢 , 以 致 不 能 用 于 为 蛋白 质 合 成 编码 。 显 然 , 核 苷 酸 的 一 个 三 联 体 既 要 最 适宜 于 氢 键 的 专 一 性 ,又 要 最 适宜 于 密码 子 - 反 密码 子 相互 作用 中 的 形成 和 解 离 速率 。 可 能 这 种 摇摆 碱 基 对 于 密码 子 - 反 密 码 子 相互 作用 的 专 一 性 和 动 力学 ， 提 供 精 细 的 调节 作用 。 密码 子 的 第 四 个 特征 是 64 个 三 联 体 当 中 有 三 个 即 UAG, UAA, 和 UGA (图 34-1) 并 不 为 任何 氨基 酸 编码 。 如 下 面 将 会 看 到 , 这些 三 联 体 是 多 肽 链 终止 的 信号 。 关于 密码 词汇 派 定 的 遗传 学 证 据 虽然 氨基 酸 的 密码 词汇 原来 是 从 分 离 的 核糖 体 的 体外 生化 实验 中 推导 出 来 的 ， 但 是 它们 却 被 在 体内 观察 突变 对 专 一 性 蛋白 质 氨 基 酸 顺序 的 效应 而 充分 证 实 ， 这 种 突变 不 仅 有 细菌 中 的 诱导 性 的 ,而 且 还 有 人 类 中 的 自发 性 的 。 在 单 点 突变 中 ,基因 上 的 一 个 碱 基 被 另 一 个 碱 基 所 取代 ,常常 导致 一 个 氨基 酸 被 另 一 个 所 取代 。 这 点 是 可 以 预期 的 ,因为 每 一 个 密码 有 三 个 残 基 , 突 变 可 以 取代 其 中 的 任何 一 个 。 在 许多 情况 下 ,一 个 核 昔 酸 被 另 一 人 核 苷 酸 所 取代 ， 将 会 为 另 一 个 不 同 的 氨基 酸 产生 一 个 新 的 密码 词汇 。 我 们 现在 知道 人 类 血红 蛋白 c 和 8 链 的 整个 氨基 酸 顺 序 ， 而 且 我 们 还 有 在 不 同 面 红 蛋 外 的 突 赤 中 氨基 酸 置 换 的 知识 。 在 突变 型 血红 蛋白 中 ， 氨 基 酸 置换 的 二 致 性 就 使 核对 遗传 密码 成 为 可 能 。 表 34-4 列 出 某 些 突变 型 人 类 血红 蛋白 的 “ 链 上 所 观察 到 的 一 些 氨基 酸 的 置换 和 它们 的 密 码 词汇 ， 以 及 在 这 些 部 位 上 的 正常 氨基 酸 和 它们 的 密码 词汇 。 所 有 这 些 氨 基 酸 的 置换 都 可 以 在 这 样 一 个 基础 上 加 以 解释 、 即 在 一 个 密码 三 联 体 中 只 有 一 个 单 核 昔 酸 被 改变 。 于 是 一 个 氨基 酸 的 密码 子 变 成 另 一 个 的 密码 子 ， 大 体 上 与 体外 用 生化 方法 所 阐明 的 密码 词 汇 是 一 致 的 。 例 如 , 赖 氨 酸 被 谷 氨 酸 所 置换 的 情况 下 , 赖 氨 酸 密码 子 (AAA 和 AAG) 中 单 个 碱 基 变 化 就 会 产生 一 个 谷 氨 酸 的 密码 子 (GAA 或 GAG)。 表 34-4 人 体 突变 型 血红 蛋白 a 链 上 某 些 氨 表 34-5 用 亚 硝 酸 诱导 的 烟草 花 叶 病 病 毒 外 过 蛋白 基 酸 的 置换 ,以 黑体 表示 发 生 突变 的 碱 基 中 某 些 氨基 酸 的 置换 。 发 生 突 变 的 碱 基 以 黑体 委 示 正常 的 突变 型 碱 基 置换 野生 型 突变 型 碱 基 置 换 赖 氨 酸 (AAA) 一 > 谷 氨 酸 (GAA) A->G fifi ABR (CCC) 一 > 丝氨酸 (UCC7 C's U BRE (GAA) 一 > FRMIR(CAA) G-—>C ffi RMR(CCC) 一 > 亮 氮 酸 (CUC) C 一 > U 甘氨酸 (GGU) 一 > 门 冬 氨 酸 (GAU) G—> A 蜡 亮 氨 酸 (AUU) — SRM (GUU) A-—G 组 氨 酸 (CAU) 一 > A ARCUAU) C 一 > U 谷 氨 酸 (GAA) 一 > 甘氨酸 (GAA) A 一 > G 门 冬 酰 胺 C(AAU) 一 > 赖 氨 酸 (AAA)7 可 > 人 苏 氨 酸 (ACA) 一 > 异 亮 氨 酸 (AUA) C 一 > U 谷 氨 酸 (GAA) 一 > 赖 氮 酸 (AAA) G-—>A 丝氨酸 (UCU) 一 > AAAM(UUU) C —+U 谷 氨 酸 (GAA) 一 > 甘氨酸 (GGA) A 一 > G 在 许多 细菌 和 病毒 蛋白 中 单 点 突变 的 结果 都 表明 它 与 体外 试验 所 建立 的 密码 词汇 完 全 一 致 。 表 34-5 的 数据 表明 在 烟草 花 叶 病 病 毒 外 壳 蛋 白 的 单 点 突变 中 所 观察 到 的 某 些 e。 828。 氮 基 酸 的 置换 。 在 突变 效应 的 这 种 分 析 中 已 经 发 现 密码 子 中 几乎 所 有 理论 上 可 能 的 单 碱 基 变 化 ,并 都 与 密码 词汇 字典 完全 一 致 。 移 码 突变 提供 了 进一步 肯定 的 证 据 。 这 种 突变 是 由 一 个 碱 基 缺失 或 者 加 进 一 个 如 象 呀 啶 那样 的 庶 人 诱 变 剂 而 产生 的 。 这 样 的 突变 ,使 阅读 码 组 移行 ,并 从 突变 点 到 肽 链 的 羧 基 末 端 产 生 一 种 完全 自 改 了 的 产物 。 如 果 这 样 一 种 突变 较 早 发 生 在 基因 中 ,于 是 蛋白 质 的 大 部 分 都 有 缺陷 ,这 种 突变 在 多 半 是 致命 的 。 然 而 ， 假 若 这 种 突变 较 晚 发 生 在 基因 中 ， 即 接近 与 多 肽 链 羧基 末端 相对 应 的 点 ,这 种 突变 常常 可 被 容许 。 将 蛋白 质 缺 陷 的 “尾部 的 氨基 酸 顺 序 , 与 在 这 种 情况 下 的 正常 羧基 末端 顺序 进行 比较 ,也 能 为 密码 词汇 的 成 分 和 顺序 提供 肯定 的 证 据 。 用 双 移 码 突变 (缺失 或 加 和 人 二 个 碱 基 ) 这 样 一 种 更 为 精细 的 实验 ， 也 已 证 实 这 种 字典 。 关于 密码 词汇 字典 的 进一步 的 和 最 有 决定 意义 的 生物 学 证 据 ， 将 在 本 章 后 面 讨 论 。 RNA 中 的 起 始 密码 子 和 起 始 位 点 虽然 氨基 酸 类 各 别 密码 词汇 之 间 不 需要 标点 ， 但 在 适当 点 上 还 是 需要 专 一 信号 以 开 始 多 肽 链 的 起 始 , 以 便 建 立正 确 的 阅读 码 组 关系 。 我 们 已 经 知道 N- 甲 酰 蛋 氮 酸 是 原核 细 胞 的 起 始 氨 基 酸 ， 而 蛋氨酸 则 是 真 核 细 胞 的 起 始 氨基 酸 。AUG 是 原核 细胞 和 真 核 细 胞 二 者 的 起 始 密码 子 ;GUG 是 原核 细胞 中 蛋氨酸 的 另 一 个 起 始 密码 子 。 虽 然 蛋 氮 酸 有 两 个 转 移 了 NA, 但 通常 只 使 用 它们 当中 的 一 个 作为 起 始 的 了 NA。 于 对 于 起 始 密码 子 的 一 致 性 的 一 个 重要 检验 法 是 从 另 一 类 实验 得 来 的 。 当 用 一 种 病毒 RNA 与 核糖 体 一 同 培养 时 ， 发 现 它们 并 不 一 定 从 RNA 5 端 开 始 翻译 ， 而 常常 是 在 远离 . 5) 端的 某 一 位 点 开始 ,这 表明 起 始 密码 子 AUG 可 能 在 RNA 的 内 部 一 个 位 置 上 。 在 适当 情况 下 :将 核糖 体 与 从 RNA EER £2 分 离 出 来 的 RNA 结合 就 可 查 明 这 点 ,每 分 子 RNA 只 结合 一 个 核糖 体 。 为 了 确定 核糖 体 与 RNA 结合 的 部 位 ,用 胰 脏 核糖 核酸 酶 消化 ， 以 除 去 病毒 RNA 的 暴露 部 分 。 发 现 大 约 含 有 30 个 残 基 的 被 结合 的 RNA 碎片 ,然后 从 核糖 体 释 放出 来 。 这 样 的 碎片 发 现 含 有 多 肽 合成 的 起 始 位 点 ， 并 有 大 致 位 于 这 种 碎片 的 中 间 的 起 始 密码 子 AUG。 以 为 三 种 蛋白 质 编 码 的 R17 病毒 分 离 出 来 的 RNA 进行 类 似 的 试验 ， 鉴定 出 能 与 核糖 体 结合 的 三 个 起 始点 ,每 一 个 点 含有 起 始 密码 子 AUG。 终止 密码 子 当 一 个 天 然 信使 RNA 为 蛋白 质 合成 编码 时 ,蛋白 质 从 其 羧基 末端 RNA 水 解 移 除 之 后 ， 完 整 的 多 肽 链 才 以 游离 形式 释放 出 来 。 但 若 以 像 多 聚 U 这 种 人 工 合成 的 信使 为 多 肽 合成 编码 时 ， 则 新 形成 的 肽 链 仍 以 多 聚 茶 丙 氨 酰 -了 RNAwe 形式 附着 于 核糖 体 上 ， 推 测 这 是 由 于 多 聚 U 不 含 终止 信号 的 缘故 。 在 研究 不 同 的 氨基 酸 的 密码 词汇 派 定时 ， 发 现 其 中 三 个 密码 子 UAG, UAA 和 UGA 不 规定 ,20 种 氨基 酸 中 的 任何 一 种 。 最初 把 它们 称 为 "无 意义 ”密码 子 ,但 最 终 确 定 它们 为 终止 信号 。 这 种 结论 ， 最 初 的 例子 是 众 确 定 突 变 给 予 这 些 三 联 体 的 后 果 或 从 这 些 三 联 体 来 的 突变 的 后 果 的 遗传 实验 中 得 来 的 。( 图 34-2) 当 一 个 正常 地 规定 某 一 氨基 酸 的 密码 子 ¢ 829 ~、 受到 突变 以 形成 UAG 时 ,合成 了 一 个 肽 链 ， 它 就 是 在 被 突变 了 的 密码 子 所 规定 的 前 面 一 个 氨基 酸 残 基 上 终止 的 。 在 氨基 酸 密码 子 当 中 ,能 作为 密码 子 UAG RBA SW, A 丝氨酸 〈UCG), 谷 氨 酰 胺 《CAG) 和 栈 氨 酸 (UAU Byles 6 eee SR BY UAC), 这 些 密码 子 中 的 每 一 个 都 可 以 通过 单 Teper © ASSES (CE 34-2) 而 转变 为 UAG。 ANE Uae {28 丝氨酸 终止 突变 型 的 例子 (对 UAG 的 突变 型 常 称 为 “ 琥 CAG 谷 氨 酰胺 31” eas HU) FEC FE ENN £2 RNA MES HY sus 13 UAG 终止 突变 型 。 野 生 型 f2 RERRV ARRAS f 蛋 -两 - 丝 - 门 冬 酰 - 葵 两 - 苏 - 谷 氨 酰 开始 的 。 在 AS ia sus 13 SEPARA Arh , A RT NEAR & due Ree 丝 - 门 冬 酰 - 苯 两 - 苏 ， 并 以 游离 形式 释放 。 然而 从 DAG mig JCAG 谷 所 本 有 在 野生 型 f2 中 则 合成 了 整个 外 壳 蛋 白质 。 由 于 ce ave 下 一 个 氨基 酸 谷 氨 酰胺 的 密码 子 CAG 经 突变 成 UAC MHS 4% UAG, PROSE: UAG 发 出 了 肽 链 终止 UAU 酷 复 本 并 以 游离 形式 释放 的 信号 。 在 没有 这 种 突变 的 情 PMS 68 Bp 况 下 ,下 一 个 氨基 酸 谷 氨 酰 胺 ,将 会 引信 而 所 产生 UAG 的 回复 来 鉴定 HER, 也 将 以 七 肽 基 -RNAeu 的 形式 保持 附着 状态 。 其 他 遗传 学 实验 已 经 证 明 ,那些 造成 不 完全 的 ,并 且 过 早 释 放 蛋 白质 的 肽 链 终止 突变 型 ,在 回复 突变 时 ,可 以 回复 到 一 种 能 够 合成 一 种 完整 的 蛋白 质 的 形式 ， 不 过 在 这 种 形式 中 一 种 氨基 酸 不 一 定 与 野生 型 蛋白 质 中 相应 的 那 一 种 氨基 酸 相同 。 在 这 种 情况 下 ， 肽 链 终 止 的 密码 子 , 已 经 在 一 个 单 点 突变 中 转变 成 一 个 能 规定 一 种 氮 基 酸 的 密码 子 , 但 是 , 如 象 图 34-2 所 表示 的 那样 ， 这 种 氮 基 酸 不 一 定 是 野生 型 蛋白 质 中 存在 的 那 种 同样 的 毛 基 酸 。 从 这 种 肽 链 终止 突变 型 和 它们 的 回复 子 , 鉴 定 了 UGA, UAG 和 UAA 为 终止 信号 s 这 三 个 终 下 密码 子 使 用 的 频率 可 能 并 不 相等 , 确实 , 近年 来 的 研究 提示 UAA 是 最 普通 的 终 止 信号 。 信使 RNA 的 生物 化 学 制图 大 量 关 于 天 然 mRNA 分 子 中 的 密码 顺序 的 重要 情报 涌现 出 来 ,在 这 些 天 然 mRNA Fh, BRITA RNA KES RNA 包括 在 内 ， 因 为 在 宿主 细胞 中 它们 是 直接 被 用 作 信 使 的 。 已 经 对 从 大 肠 杆菌 小 RNA 病毒 中 提纯 的 许多 RNA 进行 了 研究 ”利用 它们 来 测定 RNA 中 密码 子 和 被 它们 编码 的 蛋白 质 中 氮 基 酸 残 基 有 顺序 之 间 的 精确 对 应 性 。 在 这 些 病毒 中 ,有 大 肠 杆 菌 的 R17 型 。 它 的 RNA KAA 3,500 个 核 音 酸 残 基 ， 其 分 子 量 约 为 110 万 ， 并 且 为 三 种 病毒 蛋白 质 编码 ， 即 A 蛋 白 、 外 壳 蛋 白 和 一 种 RNA B till Mo R17 RNA 的 某 些 大 碎片 的 核 苷 酸 顺 序 , 三 种 病毒 蛋白 的 氮 基 -末端 的 氨基 酸 顺 序 , 以 及 外 壳 蛋 自 的 大 部 分 顺序 经 过 剑桥 天 学 J_ A. Jeppeson, J. A. Steitz, F. Sanger 和 他 们 的 同事 的 共 同 努 力 已 经 完成 了 。 图 34-3 示 出 从 结合 了 的 核 背 酸 和 和 氨基酸 顺序 的 研究 所 推导 出 来 的 R17 型 RNA 的 遗传 图 和 生物 化 学 图 谱 。 多 肽 链 起 始 的 地 方 , 即 核糖 体 结合 的 位 点 ， 是 通 * 830° 蛋白 蛋白 RNA 复制 酶 pppG 一 全 一 OH ESS | tJ | a ne é R 3' 端 300 600 900 1,200 1,500 1,800 2,100 2,400 2,700 3,000 3,500 RNA PSE) SEF RIE RNA fy Be BT NE in} H Cat) 3? FA) 和 它 的 密码 氨基 酸 顺 序 。 将 顺 反 子 放 在 前 面 ， 继 顺 肥 了 之 后 是 未 被 翻译 的 顺 反 子 间 区 域 ， 其 中 的 数字 指 的 是 外 壳 蛋 白 (1 一 129) 和 RNA 多 聚 酶 (1 一 6) 中 氨基 酸 残 基 的 地 位 。 这 些 数 据 表 明 最 长 的 RNA 和 直至 目前 所 阐明 的 相应 的 氨基 酸 顺 序 ， 并 提供 了 关于 各 种 氮 基 酸 发 生 复 密 码 子 的 有 价值 的 资料 。 他 们 还 提供 了 另外 一 类 生物 学 证 据 即 在 体外 改建 系统 制 出 的 遗传 密码 词汇 是 正确 的 [ 引 自 W. Min Jou, G. Haegeman, M. Ysebaert, and W. Fiers, Nature, 237: 83(1972)] ° 83] 过 先 让 核糖 体 与 RNA 结合 , 然后 又 让 核糖 核酸 酶 作用 于 核糖 体 -RNA 复合 物 来 测定 的 。 除了 附着 在 核糖 体 上 的 25 一 30 残 基 的 节 段 以 外 ;整个 RNA 都 被 核糖 核酸 酶 所 消化 。 从 这 些 和 另外 一 些 实验 ,已 经 能 够 推导 出 三 种 病毒 蛋白 的 基因 或 顺 反 子 的 位 置 ; 以 及 在 某 个 基因 中 核 背 酸 残 基 的 大 体 数目 。 已 发 现 三 个 核糖 体 结合 位 点 全 是 在 内 部 的 。 第 一 个 顺 反 子 是 离 RNA 5 端 有 300 个 核 昔 酸 残 基 远 的 地 点 开始 的 ， 就 是 第 一 个 起 始 密码 子 (AUG) 所 在 之 处 。 此 外 ,RNA 3’ 端 继 三 个 顺 反 子 最 后 一 个 之 后 有 一 个 超过 300 个 残 基 的 延续 部 分 。 RNA 的 这 些 长 端 ， 都 不 能 被 大 肠 杆 菌 核糖 体 翻 译 , 虽 补 充 了 所 需要 的 一 切 因子 ; 故 这 两 未 端的 作用 似乎 不 是 为 病毒 蛋白 编码 的 。 此 外 ,还 有 另外 两 个 未 被 翻译 的 节 段 ,其 一 , 即 A- 和 蛋白 和 处 壳 蛋 白 顺 反 子 之 问 具 有 25 或 25 个 以 上 残 基 的 一 个 节 段 ,而 另 一 个 是 外 壳 蛋 白 与 复制 酶 顺 反 子 之 间 , 具 有 36 个 残 基 的 片段 。 所 有 这 三 个 顺 反 子 均 以 起 始 密码 子 AUG 开始 ， 随 后 就 是 为 这 三 种 病毒 蛋白 的 氮 基 末端 顺序 编码 的 三 联 体 。 在 寻找 终止 密码 子 中 发 现 外 壳 蛋 白 顺 反 子 是 由 两 个 相继 的 终止 密码 子 UAA 和 UAG 终止 的 ,提示 假如 第 一 个 终止 密码 子 被 核糖 体 错过 了 ， 或 者 未 能 识 别 时 ,还 有 一 种 失败 -保险 装置 。 在 检查 其 它 低 聚 核 彰 酸 碎片 中 表明 ，R17 RNA 含有 某 些 额外 的 终止 密码 子 , 这 些 密码 子 不 在 顺 反 子 的 末端 ,而 在 未 被 翻译 的 顺 反 子 之 间 的 区 域 。 对 了 17 型 RNA 及 其 蛋白 质 产物 的 研究 中 ,最 有 意义 的 是 ， 它 的 77 个 密码 子 能 够 与 RNA, 的 部 分 和 那些 已 有 适合 的 顺序 数据 可 资 利用 的 多 肽 中 的 氢 基 酸 残 基 相 配 。 77 个 密 码 子 相 当 于 18 个 不 同 的 氨基 酸 。 而 在 已 知 氨基 酸 61 个 密码 子 中 已 描述 了 38 余 ,包括 丝 AR AR TAR AA ARIANA ARS BE To 在 比利时 W. Fiers 实验 室 的 集体 对 密码 子 - 氮 基 酸 的 对 应 性 ,进行 了 更 为 广泛 的 验 证 。。 他 们 比较 了 大 肠 杆菌 病毒 MS2 的 RNA KERR EHR SAN AER (Al 34-4), 这 一 研究 以 及 对 RNA 病毒 FD 2 的 类 似 研究 中 ,都 再 次 表明 存在 一 种 与 图 34- 1 中 所 示 的 密码 词汇 字典 的 确切 对 应 性 。 ws 不 论 是 对 原核 有 机 体 或 是 真 核 有 机 体 的 非 病 毒性 的 信使 都 很 少 有 资料 ， 它 们 都 很 难 分 离 提纯 。 然 而 ,血红 蛋白 的 A 6 链 的 信使 RNA 已 分 离 成 为 高 度 纯化 的 形式 。 每 一 个 信使 RNA, 在 其 分 子 的 两 端 都 有 一 条 长 的 未 被 翻译 的 核 彰 酸 残 基 有 顺序; aS 3° tin BS AB FE A ERT o 客 码 的 普遍 性 目前 在 图 34-1 中 的 遗传 密码 词汇 视 为 具有 生物 学 的 普遍 性 的 。 如 象 寺 述 实验 所 指 出 的 那样 ， 它 们 在 大 肠 杆 菌 、 烟 草花 叶 病 毒 、 人 类 和 其 它 状 椎 动物 如 兔子 , 以 及 大 量 的 细 菌 病 毒 中 ， 确 实 是 相同 的 。 这 个 问题 从 其 它 途 径 也 被 测试 过 。 例 如 ， 将 含有 血红 蛋白 的 mRNA 的 兔子 网 织 红 细胞 核糖 体 与 大 肠 杆菌 的 氨 酰 基 - 了 RNA 和 其 它 必 需 成 分 进行 混合 时 ， 就 形成 血红 蛋白 链 , 表明 大 肠 杆菌 tRNA 的 反 密 码 子 能 识别 兔子 血红 蛋白 的 mRNA 上 的 密码 子 。 用 一 种 物种 的 RNA 对 另 一 种 物种 的 密码 子 这 样 的 交叉 实验 ,也 在 大 肠 杆 蔷 与 豚鼠 之 间 , 以 及 滑 爪 蟾 与 其 它 种 类 之 间 进 行 过 。 在 所 有 至 今 试 过 的 物种 中 密码 词汇 都 相 同 。 然 而 对 一 定 氨基 酸 使 用 不 同 密码 词汇 的 频率 可 以 随 物 种 不 同 而 异 。 这 个 事实 提示 ,在 进化 发 展 或 分 化 的 过 程 中 ,包括 了 大 多 数 氨基 酸 密码 词汇 的 多 样 性 。 因 此 ,对 遗传 密码 的 * 832° ~ eo Qe x 简 并 问题 还 须要 作 进 一 步 研究 。 蛋白 质 中 无 密码 的 氨基 酸 的 形成 : 翻译 后 的 修饰 某 些 蛋白 质 在 其 肽 键 中 ,含有 无 遗传 密码 词汇 的 氨基 酸 。 例 如 ,胶原 蛋白 中 含有 羟 且 氨 酸 和 羟 赖 氨 酸 , 某 些 肌肉 蛋白 质 含 有 N- 甲 基 赖 氮 酸 ,弹性 蛋白 含有 锁链 素 和 异 锁链 素 ， 糖 原 磷 酸化 酶 含有 磷酸 丝氨酸 ,而 凝血 酶 原 含 有 7y- 羧 基 合 氨 酸 。 这 些 没 有 密码 词汇 的 氮 基 酸 常常 都 是 那些 具有 密码 词汇 的 毛 基 酸 的 衍生 物 。 这 些 不 寻常 的 氨基 酸 ， 都 是 从 对 它 们 的 专 一 三 联 体 密码 作出 反应 ， 而 已 经 插 人 到 多 肤 链 中 以 后 的 母体 氨基 酸 经 酶 促 作用 生 成 的 。 Blin, FARA AR 是 在 胶原 的 形成 中 通过 且 氨 酸 单 加 氧 酶 对 且 氨 酰 残 基 的 酶 促 羟 化 形成 的 。 肥 密 码 子 的 鉴定 : 密码 子 - 反 密 码 子 配对 随 着 不 同 氨基 酸 的 密 码 子 的 鉴定 ， 很 自然 要 以 同样 的 努力 去 鉴定 它们 的 在 tRNA 中 相对 应 的 反 密 码 子 。 经 过 对 tRNA 的 顺 FO GE 34-6) 已 鉴定 了 许多 反 密 码 子 ， 从 这 些 数据 中 可 得 到 两 个 结论 ， 密码 子 及 其 相应 的 反 密码 子 是 在 相反 向 平行 的 方向 配对 的 ; 我 们 早已 知道 核 苷 酸 股 的 反 向 平行 方向 是 在 DNA 复制 过 程 中 和 它 转录 成 RNA 的 过 程 中 的 规律 。 密 码 子 和 反 密 码 子 习惯 土 如 象 所 有 多 核 昔 酸 那样 ， 是 按 纪 ->3 方向 被 抄写 的 ,但 是 ,我 们 必须 注 意 记 住 ; 当 氮 酰基 -tRNA 结合 到 它们 的 mRNA 的 密码 子 时 ， 它 们 都 按 反 向 表 34-6 在 tRNA 中 发 现 的 一 些 反 密码 子 (黑体 ) 以 及 它们 相应 的 密码 子 ( 白 体 )。 ”注意 在 第 三 位 上 的 简 并 :或 摇摆 ”大 多 数 的 密码 子 的 位 置 和 在 与 “摇摆 ? 位 置 配对 的 反 密 码 子 中 的 次 要 碱 基 的 出 现 氨基 酸 反 密 码 子 -密码 子 氨基 酸 反 密 码 子 -密码 子 配对 + 配对 + AAR <5’ BAR GCG 丝氨酸 二 vig AGI A ae UCU Gc GCCG yes | GGT 酷 氨 酸 < 一 甘氨酸 rae ats ccc DAD GGG —_—> Sr #5 SS a a CAUoa’ CCU A A GUC GGo U eis ve 1 US =2R RMR $= PRET Uo。 = RAF 5S-A CH C= pl 平行 的 方式 配对 。 第 二 个 结论 是 许多 反 密 码 子 含有 与 所 预想 的 A、G、C 和 不 同 的 核 苷 残 基 。 特 别 是 经 常 发 现 次 黄 味 吟 核 背 酸 残 基 〈 次 黄 味 叭 核 昔 酸 是 脱 氮 的 腺 嘎 叭 核 背 酸 残 基 ， 标 为 世代 BTR REBABRE. BRAVA RRA (+), 2’-O-FESE, 2-Hik 苷 ,4- 乙 酰基 胞 喀 啶 核 苷 以 及 2-O= 甲 基 胞 喀 啶 核 苷 。 这 些 次 要 的 核 苷 几乎 经 常 发 现在 反 密码 子 的 邯 端 . 即 与 密码 子 3 末端 十 核 背 配对 的 那 一 端 。 因此 反 密 码 子 的 次 要 碱 基 ， 党 与 密码 子 的 三 个 残 基 中 专 一 性 最 差 的 即 受到 摇摆 的 那 一 个 配对 。 于 是 从 5 到 3 位置 阅 读 的 密码 子 的 头 两 个 密码 子 的 碱 基 ， 与 反 密码 子 最 后 的 两 个 碱 基 的 配对 是 “紧密 的 ”而 且 是 明确 的 ,而 摇摆 的 磊 基 对 则 允许 有 些 含糊 。 事 实 上 , 腺 上 背 从 来 不 会 存在 于 反 密 码 子 的 摇摆 部 位 。 它 似乎 是 被 次 黄 蒜 叭 核 背 所 取代 。 从 模型 建造 实验 已 推论 出 :密码 子 - 反 密码 子 配对 的 空间 构 型 几乎 是 和 双 螺 旋 的 RNA( 图 34- 5) 中 的 一 节 段 上 所 发 生 的 密码 子 与 反 密 码 子 配对 9 空间 构 型 是 一 样 的 这 样 看 来 ,密码 子 与 反 密 码 子 彼此 之 间 在 空间 意义 上 讲 来 是 最 互相 适合 的 。 密码 子 与 反 密 码 子 之 间 的 另 一 有 意义 的 关 系 , 是 与 了 NA 第 40 位 上 的 残 基 有 关 ， 就 是 紧 接 着 反 密 码 子 后 面 的 残 基 ( 图 33-5). 这 个 残 基 经 常 BEY, MAGS tRNA 上 它 有 一 个 长 的 异 成 ? Vrs 烯 侧 链 而 且 是 甲 基 化 了 的 。 这 些 侧 链 似乎 参与 密 i 到 tRNA PRK 码 子 与 反 密 码 子 的 相互 作用 ， 并 明显 地 提供 额外 AF cn 2) HHAH RHAAR RENE EDP 34-5 mRNA 中 的 密码 子 碱 基 ( 左 上 浅 灰 ”具有 激素 活性 。 这 样 的 化 合 物 称 为 细胞 激动 素 色 ) 和 tRNA 中 的 反 密 码 子 (中 间 黑 色 部 分 ) 由 | yl RESAMNTEM. acme 《图 33 7)» fe RUAN IE Zo 的 反 密码 子 杆 及 反 密 码 子 圈 以 右边 黑色 表 示 。 密码 子 - 反 密 码 子 对 在 它们 的 方向 上 是 “i ie ; 反 向 平行 的 ， 而 且 可 以 认为 是 一 种 双 螺 旋 的 氨基 本 密码 的 进化 FORK E. [ 引 自 W. Fuller and Hodogson, 的] 已 经 出 现 了 一 些 关 于 遗传 密码 的 起 源 和 发 展 有 趣 概 念 。 首 先 , 密码 的 普遍 性 启示 ,在 生物 进化 过 程 中 它 仅仅 发 生 过 一 次 。 由 于 化 石 证 据 表 明 , 早 在 33 亿 年 前 就 存在 着 类 似 现代 细菌 的 原核 有 机 体 , 所 以 看 来 很 可 能 在 那 时 候 ; 现在 的 遗传 密码 就 已 在 起 作用 。 专 一 性 在 很 大 程度 上 取决 于 密码 词汇 的 头 两 个 字母 , 这 一 事实 兽 解 释 为 密码 词汇 可 能 曾经 是 为 一 组 16 个 “原始 ”氨基酸 或 15 个 氨基 酸 加 一 个 终 止 密码 子 编码 的 二 联 体 ( 表 34-7)。 这 样 一 种 二 联 体 密码 可 能 被 使 用 每 估 第 三 个 核 背 酸 作 为 逗 点 。 很 可 能 后 来 出 现 一 组 “新 ”的 氨基 酸 , 也 许 包括 门 冬 酰 胺 、 谷 氨 酰 胺 、 蛋 氨 酸 \ 酷 氨 酸 和 色 氨 酸 ， 这 些 氨基 酸 才 需 要 三 联 体 给 他 们 编码 。 这 类 新 三 联 体 的 第 三 个 核 昔 酸 可 能 来 自 原始 二 联 体 密码 中 作为 逗 点 使 用 的 符号 。 这 种 概念 从 T. H. Jukes 所 指出 的 事实 得 到 某 些 支持 ， 即 许多 现 仍 生存 的 古代 细菌 种 类 如 厌 氧 梭 状 芽 胞 杆菌 的 铁 氧 还 蛋白 只 含有 13 种 不 同 的 氨基 酸 。 这 些 细 莫 的 铁 氧 还 蛋 折 是 很 淋 的 蛋白 质 [55 个 残 基 ], 而 且 含有 两 个 同 源 的 一 半 , 显 然 ,这 是 与 只 有 28 个 氨基 酸 残 基 相 对 应 的 一 个 小 基因 的 成 双 的 结果 。 然而 + 834 。 I 高 等 动物 的 铁 氧 还 蛋白 比较 大 ， 而 且 含有 较 多 种 氨基 酸 。 这 就 提示 : 在 生物 进化 后 期 过 程 中 获得 了 新 "的 氮 基 酸 。Jukes 还 为 精 氨 酸 的 原始 前 身 物 是 鸟 氨 酸 提供 了 证 据 , 后 者 是 不 存 于 今天 的 蛋白 质 中 的 一 种 氨基 酸 。 精 氮 酸 是 鸟 氨 酸 的 一 种 衍生 物 ， 并 不 存在 于 大 多 数 古 老 的 蛋白 质 如 梭 状 芽 胞 杆菌 的 铁 氧 还 蛋白 中 的 ， 它 可 能 是 接收 了 较 简 单 的 鸟 氢 酸 的 密码 子 。 表 34-7 ”一 种 假设 的 原始 二 联 体 密码 假设 第 三 个 位 置 是 由 作为 逗 点 的 碱 基 占 领 ;在 二 联 体 密码 进化 到 三 联 体 密码 的 过 程 中 ,这 些 逼 点 可 以 转变 为 允许 15 个 以 上 的 氨基 酸 被 编码 的 密码 符号 ;这 样 一 个 假说 与 现在 的 三 联 体 密 码 中 的 第 三 个 位 置 的 摇摆 和 简 并 是 一 致 的 。 原始 氨基 酸 二 联 体 密码 子 在 第 三 个 位 置 上 的 增加 物 “新 ?氨基 酸 Hi SA AA CRU 门 冬 酰 胺 TAB AC 丝氨酸 AG Fe FE AE AU G 蛋氨酸 组 氨 酸 CA ，A 或 G BAM IF Ai Sa BE cc ) Hi LE CG 亮 氨 酸 CU [TAM BABE GA AAR GC 甘氨酸 GS $i 3, GU 终 ok UA CRU .. Bh A 丝氨酸 uc Ht UG G 色 氮 酸 AR UU 遗传 密码 的 简 并 是 使 它 具 有 幸存 价值 的 一 个 特点 。 如 果 每 种 氨基 酸 只 有 一 个 密码 词 汇 , 则 在 可 能 的 64 种 密码 子 中 将 只 被 用 到 20 种 ,而 编码 三 联 体 的 绝 大 多 数 点 突变 将 会 在 不 为 任何 氨基 酸 编 码 的 三 联 体 上 产生 。 另 一 方面 ,由 于 密码 的 简 并 ,一 个 突变 在 多 数 情况 下 引起 一 个 同 义 语 三 联 体 的 形成 ,或 者 一 种 氨基 酸 被 另 一 种 氨基 酸 取代 ,; 币 常 产生 一 种 不 活动 突变 , 即 一 个 功能 未 变 的 基因 产物 。 因 此 密码 的 简 并 容许 一 个 突变 型 蛋白 质 的 形成 ， 这 种 蛋白 常会 继续 起 作用 ,甚至 实在 比 野生 型 有 机 体 中 的 蛋白 质 更 好 。 因 此 , 密码 的 简 并 容许 基因 组 和 它 的 基因 产物 逐渐 地 “改进 ”; 它 允 许 通过 突变 可 以 出 现 各 种 不 同 的 氨基 酸 的 取代 ,从 其 中 可 以 选择 出 最 有 幸存 价值 的 取代 。 由 于 最 常 发 生 的 突变 涉及 A-G 或 C-T 交换 , 当 这 种 交换 发 生 在 第 三 个 位 置 时 ,通常 并 不 影响 到 被 编码 的 氮 基 酸 , 还 可 以 认为 , 密 码 的 简 并 在 稳定 基因 组 ,防止 突变 上 具有 保护 价值 。 另 一 个 有 趣 而 又 很 重要 的 特征 是 具有 相似 有 R 基 团 的 氨基 酸 的 密码 词汇 之 间 的 相互 关 系 。 例 如 具有 作为 第 二 个 字母 的 所 有 密码 子 ， 都 属于 具有 非 极 性 或 者 蓝 水 性 侧 链 的 氢 基 酸 ( 葵 丙 、 亮 \ 异 亮 \ 蛋 、 统 )o 极 相似 的 氨基 酸 如 丙 氨 酸 和 甘氨酸 的 密码 子 , 只 含有 C 和 G 作为 第 一 或 第 二 个 字母 而 且 带 负电 和 荷 的 氨基 酸 如 门 冬 氨 酸 和 谷 氮 酸 ,二 者 都 有 GA 作为 它们 的 头 两 个 字母 。 从 丝氨酸 、 苏 氨 酸 、. 和 半 胱 氮 酸 这 些 结 构 上 相似 的 氨基 酸 之 间 ， 都 可 以 观察 到 相似 的 但 较 少 专 一 性 的 相互 关系 。 已 经 提出 , 专 一 的 密码 词汇 的 产生 是 由 于 与 它 相对 应 的 氨基 酸 的 结构 的 或 空间 的 互补 性 的 缘故 。 然 而 支持 这 种 假说 的 证 据 还 不 很 清楚 。 *。835。 尽管 遗传 密码 具有 普遍 性 , 然而 DNA 中 四 个 碱 基 的 比例 ， 随 物种 而 变化 很 天 。 比 如 各 种 细菌 DNA 中 无 论 那 个 都 合 有 从 30% 到 70% 不 等 的 G-C 对 。 所 以 那些 GC 含量 高 的 细菌 比 G-C 含量 低 的 细菌 更 频繁 地 利用 那些 在 第 三 个 位 置 既 可 是 G 又 可 是 C 的 密 码 子 。 虽 然 G-C 含量 高 的 DNA 对 紫外 线 产生 的 突变 有 更 多 的 抵抗 , 然而 对 这 些 显著 变 寞 的 原因 并 不 清楚 。 对 遗传 密码 进化 这 个 可 能 是 生命 起 源 中 一 个 核心 问题 的 其 它 评 论 , 将 在 别处 进行 。(〈 第 三 十 七 章 ) 摘 要 从 数学 方面 来 考虑 , 从 对 病毒 的 结构 研究 ,以 及 早期 遗传 学 的 实验 研究 ， 都 认为 氨基 酸 的 密码 词汇 在 没有 逗 点 的 信使 RNA 中 是 连续 核 音 酸 的 三 联 体 。 这 个 结论 由 对 核糖 体 的 直接 生物 化 学 实验 所 证 实 。 用 已 知 碱 基 组 成 的 多 聚 核糖 核 苷 酸 , 以 培养 事先 耗 竟 了 依附 的 信使 RNA BOA 核糖 体 , 然后 通过 测定 挨 人 到 多 肽 上 的 标记 了 的 氨基 酸 的 身份 ,推论 出 为 各 种 氨基 酸 编码 的 三 联 体 的 核 背 酸 的 组 成 。 每 个 密码 子 的 碱 基 顺 序 是 从 以 下 实验 推断 出 来 的 : 〈1) 在 没有 GTP 的 情况 下 ， 从 已 知 碱 基 顺 序 的 核 苷 酸 三 联 体 , 对 于 各 种 被 标记 的 氮 酰 基 - 了 RNA 与 核糖 体 结合 的 效应 的 实 验 ,(27 从 用 含有 重复 的 碱 基 二 联 体 与 三 联 体 组 成 的 人 工 合成 的 信使 模板 所 合成 的 多 肽 的 氨基酸 顺序 的 实验 。 用 这 样 一 些 体外 生物 化 学 实验 所 鉴定 的 密码 子 ， 已 在 人 类 血红 蛋白 WREAK ASEAN AREA, 以 及 移 码 突变 体 中 所 观察 到 的 氨基 酸 的 取代 所 证 实 。 氨基 酸 密码 的 简 并 : 除了 色 氮 酸 和 蛋氨酸 以 外 ， 所 有 氨基 酸 都 有 多 种 密码 词汇 。 简 并 通常 是 在 密码 子 的 第 三 个 位 置 , 即 在 它 的 3 端 ; 在 这 个 位 置 上 的 核 苷 ,其 专 一 性 比 第 一 和 第 二 个 位 置 上 的 弱 得 多 。 肽 链 是 从 密码 子 AUG 起 始 的 ,在 原核 生物 中 AUG 是 为 起 始 的 N- 甲 酰 蛋 氮 酸 编码 的 ， 而 在 真 核 生 物 中 则 为 蛋氨酸 编码 。 三 联 体 UAA, UAG Al UGA 不 为 任何 氨基 酸 编码 ,而 是 肽 链 的 终止 信号 。 UAA 大 概 是 正常 肽 链 的 终止 区 。 遗 传 密码 几乎 无 疑 有 普遍 性 。 大 多 数 氨基 酸 的 多 重 密码 词汇 , 以 及 起 始 和 终 业 密码 子 为 生物 所 使 用 ,这 已 经 被 直接 以 R17, 人 2 及 MS2 病毒 的 RNA 的 核 音 酸 顺 序 ， 与 它们 的 以 生物 学 方法 生成 的 蛋白 质 产 物 的 氨基 酸 顺 序 加 以 比较 而 广泛 地 证 实 了 。 | 密码 子 是 沿 着 mRNA HER 5 一 3 方向 阅读 的 。 大 多 数 了 NA 中 的 反 密 码 子 也 得 到 了 鉴定 ;许多 反 密 码 子 含有 次 要 的 核 背 酸 。 反 密码 子 是 通过 氧 键 按 反 向 平行 的 方向 与 它们 的 密码 子 碱 基 配 对 。 密 码 子 3 位置 和 反 密 码 子 的 1 位 置 之 间 的 碱 基 配 对 比较 松散 ,而 且 摇摆 。 蛋 白质 中 无 密码 的 氨基 酸 衍生 物 , MAHA 酸 和 羟 赖 氮 酸 是 从 它们 被 编 了 码 的 杂 代 氮 基 酸 在 肽 链 完成 之 后 通过 次 级 酶 促 反 应 形成 的 。 遗 传 密码 的 进化 是 生物 学 上 的 一 个 核心 问题 。 ed A DS SCN OR 书籍 Davidson, J. 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(U. 8.), 71. 2730—2733 (1974) An account of the origin of y-carboxyglutamic acid residues in prothrombin. -习题 上 假定 每 一 条 肽 链 开始 于 左 侧 的 三 联 体 ， 试 预测 由 于 核糖 体 对 下 列 信使 的 反应 所 形 成 的 肽 的 氨基 酸 顺 序 。 (a) GGUCAGUCGCUCCUGAUU (b) UUGGAUGCGCCAUAAUUUGCU (c) CACGACGCUUGUUGCUAU (d) AUGGACGAA 2. 在 突变 型 蛋白 质 中 ,如 果 它 们 是 由 于 单 点 突变 引起 的 , 则 下 列 氮 基 酸 取代 中 有 哪 几 种 与 遗传 密码 相符 合 ? 如 果 任 何 一 种 不 相符 合 ,说 明 为 什么 。 (a) 葵 丙 氨 酸 一 RAR; “(b) 异 亮 氨 酸 RAB; (c) RAR 一 苏 氨 酸 ; (d) 且 氨 酸 一 丝氨酸 ; (c) 玖 氨 酸 一 HAR; () 组 氮 酸 一 CAR: * 8376 (g) BARR 一 MAM 3. 利 用 表 5-5 和 图 34-1 中 关于 异常 血红 蛋白 % 链 的 资料 ,说 明 每 种 突变 是 转换 还 是 Miko REMARKS PES AWS Ko 4.DNA 的 一 股 上 含有 下 列 顺 序 , 从 5 向 3° 方向 阅读 : T-C-G-T-C-G-A-C-G-A-T-G-A-T-C-A-T-C-G-G-C-T-A-C-T-C-G-A 试 写 出 (a) DNA 另 一 股 上 的 碱 基 顺 序 ; (b) 从 DNA 第 一 股 转录 出 来 的 信使 RNA 的 碱 基 顺序 ，《ce) 在 (b) 中 由 mRNA 编码 的 氨基 酸 顺 序 ; (d) 如 果 从 DNA 的 3 端的 第 二 个 工 已 缺失 ,为 此 编码 的 氨基 酸 顺 序 。 5. 一 种 野生 型 细菌 ( 株 1) 的 蛋白 A, 在 26 位 上 有 一 个 色 氮 酸 残 基 。 由 株 1 经 突变 得 到 的 株 2 在 26 位 上 含有 亮 氮 酸 。 株 2 的 突变 产生 株 3, 在 株 3 中 没有 检 出 新 的 突变 型 蛋 白 A。 株 3 的 突变 产生 株 4,， 它 在 26 位 上 含有 且 氨 酸 。(a) 假 定 所 有 突变 是 碱 基 蔡 代 ， 而 且 亲 株 和 子 株 在 蛋白 A 的 残 基 26 的 密码 子 中 相差 不 超过 一 个 碱 基 , 这 些 观察 是 否 与 遗传 密码 一 致 ? (b) 说 明 在 这 一 系列 突变 中 密码 子 改变 的 进程 。 6. 从 含有 A 残 基 比 C 残 基 多 20 倍 的 一 种 混合 物 合成 一 种 人 工 合成 的 多 聚 AC 链 。 这 种 链 随 后 用 胰 核 糖 核酸 酶 裂解 ， 把 产生 的 低 聚 核 苷 酸 碎 片 的 混合 物 用 作 人 大工 合成 的 信 使 RNA。 (a) 假定 这 种 mRNA 常常 按 5 一 3 方向 阅读 , 并 假定 多 肽 链 常常 是 从 N- 未 端 开始 合成 的 ,试问 在 上 述 低 聚 核 苷 酸 碎 片 的 混合 物 翻 译 之 后 ,在 所 生成 的 肽 的 绝 大 多 数 中 的 N- 末 端 上 是 什么 氨基 酸 ?(b) 所 生成 的 大 多 数 肽 链 的 C- 末 端 上 又 将 存在 什么 氨基 酸 ? 7. 一 种 野生 型 细 获 蛋白 质 有 统 氮 酸 作 为 它 的 C- 末 端 氨基 酸 。 从 亲 代 株 分 离 出 两 个 分 开 的 单 点 碱 基 突 变型 ,它们 的 C- 未 端 氨基 酸 分 别 是 丙 氨 酸 和 蜡 亮 氮 酸 。 从 含有 C- 示 端 的 丙 氨 酸 的 株 经 过 另 一 个 单个 碱 基 突 变 产生 一 种 C- 末 端 含 有 一 个 谷 氮 酸 残 基 的 蛋白 质 。 试 推论 出 野生 型 亲 代 株 为 绩 所 酸 编码 的 密码 子 。 8. 用 任意 选 的 多 聚 体 多 聚 AG 培养 已 被 耗 竟 了 它们 的 内 源 信使 RNA 的 大 肠 杆菌 核 糖 体 , 其 中 克 分 子 比率 A:G 是 5:1。 试 推测 由 这 样 一 种 多 聚 体 摊 人 到 了 那些 氨基 酸 之 中 以 及 它们 摊 人 的 相对 频率 。 9. mRNA 的 一 片段 为 肽 链 和 蛋氨酸 - 苏 氨 酸 - 荃 丙 氨 酸 - 异 亮 氮 酸 - 色 氮 酸 编码 ， 原 黄 素 (proflavin) 诱导 了 为 这 种 RNA 编码 的 基因 上 的 一 个 单 碱 基 的 耗竭 。 从 改变 的 RNA 翻译 出 的 新 肽 链 是 蛋 氢 酸 - 且 氢 酸 -丝氨酸 - 酷 氨 酸 -甘氨酸 。 试 问 (a) 在 什么 密码 子 中 发 生 耗 Ya? (b) 在 始 源 密码 子 的 什么 位 置 是 被 耗竭 的 碱 基 ? (Cc) 在 野生 型 mRNA 中 的 碱 基 顺序 是 怎样 的 ? Cd) 如 果 在 突变 的 RNA 顺序 上 的 头 三 个 碱 基 之 后 揪 进 一 个 G 的 话 ， 那么 所 产 生 的 氨基 酸 顺 序 将 是 怎样 的 ? (FRR CARI * 838 © SBothw “基因 表达 的 调节 现在 我 们 来 讨论 另 一 个 基本 问题 ， 即 有 关 遗 传 信息 从 DNA 传 向 蛋白 质 的 问题 。 在 细胞 内 究竟 如 何 调节 遗传 信息 的 表达 来 合成 正确 种 类 的 蛋白 质 和 每 种 蛋白 质 适 当 的 复 本 数 呢 ? 活 细 胞 一 定 具 备 精 确 的 程序 机 制 , 从 而 调节 所 合成 的 各 种 蛋白 质 的 相对 数量 ,这 是 十 分 明显 的 。 例 如 可 以 预期 ; 催化 一 主流 代谢 途径 的 那些 酶 分 子 数 比 催 化 那些 仅 有 微量 存 在 的 辅酶 的 生物 合成 的 酶 分 子 数 要 多 得 多 。 但 是 让 我 们 来 审查 一 些 实际 的 数据 。 大 肠 杆 菌 细胞 大 概 含 有 3,000 种 不 同 蛋白 质 的 基因 。 如 果 假 定 全 部 蛋白 质 都 有 相同 的 分 子 量 , 而 且 所 有 以 等 量 被 制造 出 来 ,那么 大 肠 杆 菌 细胞 内 每 一 种 蛋白 质 大 概 会 有 3000 个 复 本 。 然 而 不 同类 型 的 蛋白 质 其 复 本 数 变动 范围 显然 很 大 。 一 个 野生 型 大 肠 杆菌 细胞 大 概 含有 15,000 个 核糖 体 , 因 此 50 个 或 更 多 个 核糖 体 蛋白 质 个 个 都 有 15000 个 左右 的 复 本 。 某 些 酶 ,特别 是 糖 酵 解 过 程 中 的 酶 ,可 以 有 100,000 或 更 多 个 复 本 。 另 一 方面 , 5- 半 乳 糖苷 酶 ， 正常 时 在 每 个 细胞 中 只 有 5 个 左右 的 复 本 。 此 外 , 某 些 蛋白 质 的 产量 是 固定 恒 量 的 ,例如 糖 酵 解 过 程 中 的 蛋白 质 ， 而 另 一 些 蛋 白质 的 浓度 则 随 着 环境 中 某 些 营养 物 利 用 程度 的 改 变 而 发 生 急 剧 的 改变 。 因 此 酶 合成 速率 的 调节 为 每 种 类 型 的 细胞 提供 它们 基本 管理 活动 中 所 需 的 适当 酶 系 , 而 且 还 使 细胞 在 合成 不 经 常 动用 的 酶 类 时 有 可 能 节约 使 用 氨基 酸 。 在 真 核 生物 中 蛋白 质 生物 合成 的 调节 还 有 另 一 个 基本 作用 , 即 充当 细胞 分 化 的 载体 。 高 等 有 机 体 中 不 同类 型 的 细胞 具有 性 质 不 同 的 超 微 结构 、 分 子 组 成 和 生物 学 功能 。 这 些 差别 部 分 是 由 于 所 有 细胞 除了 有 一 整套 催化 主要 代谢 途径 的 基本 酶 类 之 外 ， 还 合成 各 种 独特 的 专 一 的 一 组 组 酶 类 的 结果 。 高 等 有 机 体 的 组 织 还 有 一 组 组 不 同 的 和 /或 数量 不 等 的 其 他 类 型 的 特殊 蛋白 质 ,例如 在 胶原 纤维 中 的 、 微 管 中 的 、 肌 动 蛋白 和 肌 球 蛋白 细 丝 中 的 和 膜 转 运 系统 中 的 蛋白 质 。 而 且 高 等 有 机 体 在 分 化 时 , 各 种 不 同 蛋白 质 的 生物 合成 出 现 的 时 间 和 顺序 必然 也 受到 精确 的 程序 控制 。 遗传 学 和 生物 化 学 的 研究 已 经 产生 了 许多 重要 的 资料 和 调节 原核 细胞 中 蛋白 质 合成 的 一 套 原 理 。 然 而 在 真 核 细胞 中 基因 表达 的 调节 比 细菌 中 要 复杂 得 多 ,还 没有 详细 了 解 ; 这 就 提出 了 在 当代 生化 研究 中 最 吸引 人 的 和 重要 的 挑战 。 蛋 自 质 生 物 合成 至 少 在 二 个 水 平 上 进行 调节 :， 其 一 是 转录 的 控制 ， 即 调节 DNA 的 转录 ,来 产生 给 某 一 蛋白 质 或 某 一 组 蛋白 质 编 码 的 mRNA。 另 一 水 平 是 翻译 的 控制 , 即 调 节 多 肽 链 的 起 始 和 合成 速率 。 本 章 中 拟 首先 稍为 详细 地 审核 细菌 中 基因 表达 的 调节 ， 然 后 简略 地 令 述 真 核 有 机 体 领域 内 涉及 到 的 某 些 生化 原理 和 问题 。 细菌 中 的 组 成 酶 和 诱导 酶 关于 微生物 中 影响 酶 合成 的 一 些 因 子 , 早期 研究 提出 了 一 种 假设 , 即 认 为 有 二 类 酶 ， 。 839。 FEATAAI ARE Pik SARA SARE BAR CE SE A Se it AE BAY BBE ABR ie 备 的 基本 酶 机 构 的 一 部 分 ， 例 如 糖 酵 解 序列 即 最 古老 的 产能 的 分 解 代谢 途径 中 的 许多 酶 。 另 一 类 由 诱导 酶 组 成 。 在 某 些 种 类 的 细 苦 细胞 中 ,正常 时 只 存在 痕迹 量 的 诱导 酶 ,但 当 培 养 基 中 有 酶 的 底 物 时 , 酶 的 浓度 即 能 迅速 增长 一 千 多 倍 ,尤其 当 这 种 底 物 是 细胞 唯一 的 碳 源 时 。 在 这 些 情况 下 ,需要 诱导 酶 将 底 物 转化 为 细胞 能 直接 利用 的 代谢 物 。 诱导 酶 的 典型 例 了 予 是 8- 半 乳糖 昔 酶 。 如 果 有 和 葡萄糖 可 资 利用 ， 墅 生 型 大 肠 杆菌 细胞 是 不 利用 乳糖 的 (图 35-1)， 如 上 所 述 ， 将 乳糖 水 解 成 葡萄 糖 和 半 乳 糖 所 需要 的 8- 半 乳糖 苷 酶 , 在 这 些 细胞 内 只 含有 下 个 左右 的 复 本 。 然 而 如 果 将 野生 型 大 肠 杆 菌 放 人 只 有 乳糖 作为 唯一 碳 源 的 培养 基 中 ,那么 这 些 杆菌 开始 并 不 能 利用 乳糖 , 但 1 一 2 分 钟 内 他 们 就 有 反应 就 合成 大 量 的 8- 半 乳糖 昔 酶 ,达到 每 个 细胞 有 5000 个 复 本 。 诱导 出 的 86- 半 乳糖 萌 酶 将 乳糖 水 解 成 能 被 直接 用 作 燃 料 和 碳 源 的 产物 。 如 果 现 在 把 被 诱导 的 细胞 转移 到 只 含 葡萄 糖 而 不 含 乳 糖 的 新 鲜 培 养 基 里 去 时 ， 则 8- 半 乳糖 苷 酶 的 进一步 合成 就 立即 停止 。 先 前 诱导 出 的 半 乳 糖 昔 酶 的 活性 迅 速 降 低 到 正常 时 非常 低 的 水 平 。 因此 酶 的 诱导 使 有 可 能 节约 使 用 氨基 酸 和 代谢 能 量 : 诱 导 酶 只 有 当 需 要 时 才 产 生 。 cu6H LOH 当 p- 半 乳糖 昔 被 加 至 大 肠 杆菌 细胞 时 ; 不 但 HO We Y BST p- 半 乳糖 昔 酶 的 形成 , 而 且 还 诱导 另 二 Dee ui Hy yon 机 能 上 有 关联 的 酶 , 即 BEF BE EMERG A BB HOH HOH 代 半 乳糖 昔 乙酰 基 转 移 酶 的 形成 。 前 一 种 酶 是 大 人 了 入) 本 全，， 人 区 症 ) 。 。 肠 杆 区 细胞 膜 的 一 种 蛋白 质 , 能 促使 2- 半 乳 糖 兰 weak 逆 浓度 梯度 而 进入 细胞 ; J — BATH AER RE ao 人 一 Qo-en 全 清楚 ， 可 能 被 用 在 细胞 内 的 硫 代 半 弛 糖 昔 的 利 Sen uA 用 的 某 一 阶段 中 。 象 目 述 由 单个 诱导 因子 诱导 二 ares i 组 有 关 的 酶 类 或 蛋白 质 类 的 例子 那样 ， 这 种 作用 Rage B-D- 半 乳糖 称 做 协调 诱导 。 在 一 系列 制订 和 遗 传 图 谱 的 重要 实 6 CH,OH f 验 中 J. Lederberg 和 他 的 同事 们 证 明 B--E ALS ee hee ae ARE. 0PM 0-H C SLE Nem RRR = AEE AH EAT HE Ho OH HO\ ummm 上 列 顺 序 互相 紫 邻 4 eae 细菌 中 有 些 种 类 对 许多 不 同 的 底 物 产生 诱导 mis p“eumemiee. wae 酶 的 能 力 非常 特殊 ， 这 些 底 物 当中 有 许多 似乎 是 p- 半 慑 糖苷 酶 的 正常 生理 性 诱导 物 , 由 p- 乳 ”， 非 生 理性 的 。 假 单 胞 菌 属 的 一 种 可 以 应 答 几 百 种 糖 形成 。 不 同 的 作为 唯一 碳 源 的 有 机 楷 合 物 ; 形成 许多 酶 类 。 由 于 这 个 原因 ， 早 期 研究 者 认为 底 物 分 子 的 存在 可 帮助 “塑造 ?或 "使 适应 " 酶 前 体 的 活性 部 位 ， 从 而 多 种 不 同 的 酶 活性 可 以 从 单个 蛋白 质 前 体形 成 。 虽 然 现 在 已 经 知道 这 种 概念 不 正确 ,但 最 初 将 诱导 酶 称 为 适应 酶 "就 是 根据 这 个 事实 。 aa 840 。 me 的 B® 2 Wd PS Bi Ta BE A 5 — Bh 8 AS eI ESP BE A Sth WLR BY BS (TER. MAb AE RA REE AE RULER, ENB NH} 离子 和 一 种 碳 源 形成 它们 的 全 部 含 氮 成 分 。 这 些 细 胞 含有 一 切 必 要 的 酶 类 来 合成 蛋白 质 合 成 时 所 需要 的 20 种 不 同 氨基 酸 。 然 而 ,如 果 在 培养 基 中 加 入 其 中 一 种 毛 基 酸 , 例 如 组 氮 酸 , -那么 从 氨 和 一 种 碳 源 合成 组 氨 酸 所 需 的 酶 系 即 迅 速 自 细胞 中 消失 5 这 一 效应 被 称 为 酶 的 阻 过 。 阻 歇 也 是 细胞 经 济 学 原则 的 反映 : 当 组 氮 酸 生物 合成 所 需 的 酶 系 不 再 需要 时 , 那 就 不 再 形成 。 大 多 数 的 酶 阻 遇 情况 都 包括 参与 生物 合成 反应 的 酶 系 。 在 刚才 描述 的 情况 中 , 当 组 氨 酸 加 至 培养 基 中 时 ,不 只 是 导致 组 氮 酸 形成 系列 中 最 后 一 个 酶 被 阻 遇 。 实 际 上 在 这 些 环境 中 ， 组 氮 酸 生物 合成 的 全 部 酶 系 都 被 阻 遇 了 。 催 化 一 系列 连续 生 物 合成 反应 的 一 组 酶 系 的 合成 受阻 过 ， 就 称 为 协调 阻 遇 《co-ordinate repression). Phi BAIS 通常 由 被 阻 过 酶 系 所 催化 的 一 系列 生物 合成 反应 的 终 末 产物 所 引起 。 由 于 这 个 原因 也 被 BA AR DB 380 Ee PP ay FR 3 Pin CE 2 al Bt FS UAL Bl) 55 — eh SS A a LS gE a SB 2 Ba RT AE 般 的 意见 认为 对 大 多 数 细胞 是 最 直接 的 燃料 来 源 的 葡萄 糖 能 够 抑制 许多 诱导 酶 的 形成 ， 正 是 这 些 诱导 酶 使 细胞 有 可 能 利用 其 他 一 些 燃料 分 子 。 我 们 早已 看 到 ， 当 培养 基 中 有 和 葡 萄 糖 时 ,即使 有 乳糖 存在 ，p- 半 乳糖 昔 酶 的 形成 也 受到 阻 过 。 在 这 些 情况 下 ,优先 利用 和 葡 ted BE PERRIS ,并 不 动用 乳糖 。 但 葡萄 糖 也 阻 遇 早 先 被 当成 组 成 酶 的 一 些 酶 例如 ,葡萄 糖 的 存在 能 够 阻 遇 呼吸 和 电子 传递 的 某 些 酶 系 , 可 能 因为 有 容易 发 酵 的 燃料 供应 存在 ,就 使 兼 性 细菌 细胞 没有 必要 使 用 更 复杂 的 呼吸 途径 了 。 于 是 ,可 利用 葡萄 糖 作 燃料 时 ,细菌 就 优 先 使 用 最 原始 的 降解 代谢 途径 , 即 糖 酵 解 或 发 酵 途 径 , 它 们 并 停止 其 他 所 有 的 产能 降解 代 谢 途 径 。 因 为 这 种 效应 的 信号 可 能 来 自 细 胞 内 葡萄 糖 或 一 些 由 葡萄 糖 衍生 出 来 的 降解 产 物 的 含量 增高 ， 所 以 这 种 类 型 的 酶 阻 过 就 被 称 为 降解 产物 阻 过 。 下 面 将 讨论 其 机 制 和 调 fF WAAL 74 RA ey RATS SARA KLE TT eN RUNNER, ENZAND FAM 关系 ， 由 于 巴黎 巴 斯 德 研究 院 的 J Monod 和 F. Jacob 及 其 同 工 作者 对 在 大 肠 杆 菌 细胞 中 8- 半 乳糖 昔 酶 活性 的 诱导 的 遗传 学 和 生物 化 学 研究 而 弄 清 楚 了 。 这 些 研究 开始 于 二 十 世纪 四 十 年 代 后 期 ,大 约 经 过 了 15 年 ， 最 后 就 对 在 原核 生物 中 蛋白 质 合成 的 遗传 控制 得 到 了 一 个 普遍 性 的 假设 ,以 后 已 经 被 直接 的 生化 实验 所 证 实 。 那 个 时 期 有 三 个 重要 的 早 期 发 现 准备 了 条 件 。 一 个 是 发 现 了 p- 半 乳糖 昔 酶 不 仅 可 被 该 酶 能 水 解 的 B-D-E FL ROL a BFA SE p-D- 半 乳糖 昔 等 所 诱导 ,而 且 也 可 被 该 酶 不 能 水 解 的 一 些 p- 半 乳糖 苷 ,如 。841。 甲 基 p-D- 硫 代 半 乳糖 苷 ( 甲 基 p-D- 半 乳糖 苷 的 硫 结构 类 似 物 ,图 35-2) 所 诱导 。 其 实 ， 甲 基 p-D- 硫 代 半 乳糖 背 被 认为 诱导 8- 半 乳糖 苷 酶 的 形成 甚至 比 该 酶 的 正常 底 物 更 为 有 效 。 这 一 发 现 指出 酶 的 诱导 过 程 可 以 同 那些 涉及 诱导 酶 反应 产物 的 随后 代谢 中 的 一 些 事 件 区 分 开 来 。 用 一 专 一 的 不 受 酶 作用 的 物质 来 诱导 酶 的 活性 就 称 为 安奈 诱导 。 第 二 个 重要 的 观察 是 在 某 些 大 肠 杆 菌 突 变型 中 细胞 在 对 其 诱导 物 的 应 答 中 不 能 形成 8- 半 乳糖 背 酶 ,但 仍 保留 了 对 它 CH,OH O Guage 们 特殊 的 诱导 物 的 应 答 中 形成 其 他 种 类 诱导 酶 的 能 力 ， 因 此 形成 任何 已 知 的 可 诱导 的 酶 的 能 力 都 取决 于 一 个 专 一 的 基 AD ， 因 。 这 类 发 现 显然 埋 莫 了 较 陈旧 的 适应 假说 。 即 “塑造 "一 个 + oa 共同 的 蛋白 质 前 体 就 能 够 形成 各 种 诱导 酶 。 Ho 小 一 soacn 第 三 个 关键 性 的 观察 是 发 现 了 另 一 类 大 肠 杆 菌 的 突变 Kon 起 型 。 这 些 突变 型 虽然 从 来 都 没有 接触 过 诱导 剂 BELA, bare f 却 含有 大 量 p- 半 乳糖 背 酶 的 活力 。 这 样 的 突变 型 被 称 为 组 成 - 蜡 丙 基 4-D- 硫 代 半 乳糖 苷 突变 型 ,因为 它们 活动 时 就 好 像 8- 半 乳糖 背 酶 是 一 种 组 成 酶 图 35-2 ”8- 半 乳糖 昔 酶 而 不 是 诱导 酶 一 样 。 ABE SY 根据 这 些 观 察 和 另 一 些 基本 的 观察 ,Jacob 和 Monod 推断 大 肠 杆 菌 遗传 图 上 有 三 个 不 同 的 座位 〈locus) 影响 8- 半 乳糖 昔 酶 的 形成 ， 这 些 座位 被 命 名 为 z\.i 及 。( 图 35-3)。z 座位 规定 6- 半 乳糖 苷 酶 分 子 的 氨基 酸 顺 序 , 这 个 座位 的 突变 就 导致 合成 一 个 具有 置换 了 的 一 个 或 多 个 氨基 酸 的 、 改 变 了 的 或 无 活性 的 酶 分 子 。 这 种 类 型 的 基因 称 为 结构 基因 ,其 定义 为 带 着 为 一 种 专 一 蛋白 质 (在 本 例 为 5- 半 乳糖 昔 酶 ) 的 氨基 酸 顺序 编码 的 信息 的 基因 。 第 二 个 座位 , Bl i 或 抑制 性 座位 ， 被 认为 对 5- 半 乳糖 昔 酶 的 结构 无 影响 , 而 起 着 一 个 “抑制 ?基因 的 作用 ， 它 决定 p- 半 乳糖 苷 酶 的 结构 基因 是 否 将 被 转录 。 这 样 一 种 基因 称 为 调节 基因 。 当 i 基因 发 生 突变 变 为 有 缺陷 时 它 就 不 再 抑 制 结构 基因 的 转录 ,于 是 不 管 诱 导 物 是 否 存在 ，p- 半 乳糖 昔 酶 都 被 合成 。 i Di v0 Zz y a OD NISODSGG IO SIRI VI OIVDIVIVIVI GOIN WA DNA | | | | mRNA \/\/\/ YD PPPSSVSVSVNIVSS mRNA | a | | | HO @+ © RG & @ xan) 无 活性 有 活性 EFL BEM CMM OBE ROBE wah 图 35-3 图 解 表示 lac (乳糖 ) 操 纵 子 及 其 协调 调节 。 BABSON, Hi KARE BVa 操纵 基因 [0] 结 合 ; 阻 止 和 8- 半 乳糖 苷 酶 、 透 性 酶 和 转 乙 酰 酶 相应 的 结构 基因 z、y 和 a 的 转录 。 当 诱 导 物 分 子 存 在 时 > 它 和 阻 遇 物 结合 改变 后 者 的 构 型 而 成 为 不 活动 型 ， 以 致 不 能 和 操纵 基因 结 合 。 于 是 结构 基因 释 出 而 被 转录 ， 产 生 了 一 个 多 顺 反 子 信 使 RNA， 再 由 核糖 体 将 此 mRNA 翻译 并 产生 三 种 蛋白 质 。 基 因 组 中 标记 为 p 的 一 段 节 是 启动 区 。 关于 -ii 基因 产物 的 性 质 , 一 个 重要 的 线索 得 自 A. B. Pardee, Jacob 及 Monod 的 一 些 实验 。 他 们 发 现 ; 将 含有 完整 的 ii Az RAN DNA 通过 性 接合 作用 引入 到 基 因 有 缺 陷 的 突变 型 细胞 (命名 为 过 细胞 ) 去 时 ， 这 样 引 入 的 完整 i AWA AERIS it 供 体 细 胞 。842 。 A DNA 节 段 中 的 结构 基因 z 的 转录 ,而 且 也 阻 遇 六 受 体 细胞 中 结构 基因 的 转录 ， 因 而 受 体 细胞 就 从 一 个 组 成 型 记 罕 变 型 转化 成 一 个 六 细胞 。 这 一 观察 表明 : i BAA 种 能 扩散 的 产物 ,可 到 达 与 它 相 应 的 结构 基因 并 抑制 其 转录 ,不 管 结构 基因 位 于 细胞 中 什 么 场所 。 根据 这 些 和 另 一 些 实验 ,Jacob 和 Monod 提出 : 调节 基因 给 称 为 阻 遇 物 的 一 种 专 一 蛋 白质 的 氨基 酸 顺 序 编码 。 还 假定 阻 遏 物 分 子 从 它 形 成 的 场所 一 一 核糖 体 扩 散 出 来 ， 并 与 细胞 DNA 的 一 个 专 一 位 点 呈 物 理性 的 结合 ,这 一 位 点 紧 靠 着 或 邻近 酶 的 结构 基因 而 此 基因 控制 此 酶 的 合成 。 当 阻 遇 物 以 这 种 方式 结合 时 ， 就 防止 为 酶 的 合成 编码 的 结构 基因 的 转录 。 DNA 中 被 认为 和 阻 过 物 分 子 结合 的 位 点 叫做 操纵 基因 或 。 座 位 。DNA 中 存在 着 这 样 一 种 座位 ， 控制 8- 半 乳糖 苷 酶 的 结构 基因 的 转录 ,但 又 不 同 于 i 基因 ,由 于 发 现 了 第 二 类 组 成 突变 型 ( 同 i 基因 有 缺陷 的 组 成 突变 型 不 同 ) 而 获得 证 实 。 遗 传 学 分 析 指 出 ， 这 种 第 二 类 组 成 突变 型 不 能 应 答 阻 过 物 ， 因 为 在 染色 体 上 正常 与 阻 过 物 结合 的 专 一 位 点 即 操 纵 基 因 座 位 已 发 生 突变 ,有 了 缺陷 ,其 结果 是 z 基因 被 转录 ,就 形成 8- 半 乳糖 苷 酶 。 操 纵 基因 座位 的 突变 型 称 为 操纵 基因 组 成 突变 型 。 操 纵 基 因 的 独立 存在 ,与 结构 基因 和 调节 基 因 不 同 , 以 后 由 许多 遗传 学 实验 所 确立 。 大 概 操 纵 基因 就 位 于 8- 半 乳糖 昔 酶 结构 基因 的 很 近 处 , 近 到 足以 控制 结构 基因 的 转录 。 Jacob 和 Monod 将 这 些 事实 综合 成 下 列 假说 。 没有 诱导 剂 时 阻 遏 物 分 子 〈《 大 概 是 一 种 蛋 和 白质) 从 i 基因 转录 而 由 细胞 形成 。 无 诱导 物 时 ， 阻 遏 物 便 以 活性 状态 出 现 , 同 操纵 基因 座位 结合 ,从 而 防止 5- 半 乳糖 苷 酶 的 结构 基因 的 转录 (图 35-3)。 当 诱导 物 分 子 又 加 至 这 些 细胞 时 , 它 即 在 阻 遇 物 蛋 白 上 一 个 专 一 的 ,互补 的 结合 位 点 与 阻 遏 物 蛋 白 结合 而 形 成 一 种 阻 遇 物 - 诱 导 物 复合 物 。 Jacob 等 还 提出 诱导 物 的 结合 使 阻 遇 物 不 能 和 。 座位 结 合 ， 大 概 因为 引起 了 阻 遏 物 蛋白 质 的 构 型 改变 。8- 半 乳糖 昔 酶 的 结构 基因 即 可 自由 地 转 录 而 产生 mRNA, 于 是 酶 就 合成 了 。 诱 导 剂 和 阻 遇 物 分 子 间 的 相互 作用 被 假定 是 可 逆 的 。 用 以 说 明 下 列 事实 , 即 当 培养 基 中 除去 诱导 剂 或 者 后 者 被 酶 的 作用 消耗 后 , 阻 遏 物 就 恢复 成 它 的 抑制 型 ,结合 到 。 座 位 ,从 而 阻止 酶 的 进一步 合成 。 因 此 阻 遏 物 分 子 被 认为 是 一 个 有 两 种 专 一 结合 位 点 的 蛋白 质 ,其 中 之 一 与 诱导 物 结合 , 另 一 个 与 操纵 基因 座位 结合 。 当 诱导 物 的 位 点 被 占 时 ,操纵 基因 的 结合 位 点 就 不 再 起 作用 了 。 操纵 子 模 型 Jacob 和 Monod 发 展 了 他 们 关于 蛋白 质 合 成 的 调节 的 假说 , 提出 协调 诱导 , 即 一 系列 的 酶 可 以 成 组 地 被 单个 诱导 物 所 诱导 的 机 制 。 我 们 已 经 看 到 8- 半 乳糖 苷 能 协调 地 诱导 一 A= PSA: 8- 半 乳糖 苷 酶 ，8- 半 乳糖 透 性 酶 和 8- 硫 代 半 乳糖 苦 转 乙酰 酶 ,它们 分 别 Hzvy Ma 等 三 个 基因 编码 ,这 些 基因 按 次 序 组 合 在 大 肠 杆 菌 的 基因 组 内 。 这 样 三 个 受 同 一 个 基因 和 同一 个 操纵 基因 。 调节 的 结构 基因 ,Jacob 和 Monod 命名 为 lac (乳糖 ) 操纵 F(A 35-3)。 更 一 般 地 说 ,操纵 子 被 定义 为 一 组 机 能 上 有 联系 的 结构 基因 ,在 染色 体 遗 传 图 土 互 相 接近 ， 并 通过 同一 个 调节 座位 协调 地 扭 开 或 关闭 。 操 纵 基 因 座 位 被 看 作为 控制 整 组 协调 地 诱导 的 基因 的 转录 ,以 形成 单个 多 顺 反 子 信使 RNA。 在 大 肠 杆菌 、 鼠 伤寒 沙 。843 。 门 氏 菌 和 其 他 一 些 细菌 中 已 经 检定 了 许多 操纵 子 〈 表 35-1)0 其 中 lac 操纵 子 在 其 机 构 和 功能 方面 是 最 简单 的 。 研 究 得 最 广泛 和 最 复杂 的 一 种 操纵 子 是 在 鼠 伤寒 阔 门 氏 菌 中 控制 组 氮 酸 生物 合成 的 操纵 子 , 共 有 九 个 结构 基因 ,为 十 种 酶 活性 5- 磷 酸 核糖 基 1-3 编码 。 (A 354) 35-1 细菌 中 的 一 些 操纵 子 + 操纵 子 酶 的 数量 乳糖 (Lac) 3 组 氨 酸 Chis) 10 EFL BH (gal) 3 亮 氨 酸 (leu) 4 色 氮 酸 (trp) 4 阿拉 伯 糖 (ara) 4 mae bE pyr) 5 + 表 中 所 列 的 操纵 子 已 经 在 大 肠 杆 菌 中 经 过 彻底 研究 ; 组 氨 酸 操纵 子 例外 ， 它 已 在 鼠 伤寒 沙门 氏 菌 中 详细 研究 过 。 焦 磷 酸 ATP oft ewes 转移 酶 5 硝酸 核 入 基 功 能 ATP $B ARB A 焦 磷酸 水 解 酶 5 FLANGE (9 RAE ( Ei 将 c- 酮 异 成 酸 盐 转 变 为 亮 氨 酸 AMP] HE ITH HE aE bemas AMP 阿拉 伯 糖 的 转运 及 利用 环 化 水 解 酶 将 门 冬 氮 酸 盐 转 变 为 尿 苷 一 磷酸 磷酸 层 糖 基 - 亚 氨 甲 基 -5= Abe et ae Le ee 氨基 号 只 -4- 氨 甲 酰 核糖 核 苷 酸 组 拨 酸 操纵 子 的 九 个 基因 (A__D 图 4 i SRE 转录 方向 操纵 基因 F| (a G D C xq ie] - TK MA Heh ie wae mane Ws 7 C 组 氢 酬 确 酸 转 拨 栈 组 氨 醇 码 酸 昌 | seman ， Ae D scene 组 氨 酸 图 35-4 组 氨 酸 Chis) 操纵 子 ; 左 侧 示 操 纵 子 的 遗传 图 ; 右 侧 为 基因 产物 所 催化 的 生物 合成 顺序 5 AA 酸 生物 合成 的 细节 见 前 。 注 意 组 氨 酸 操纵 子 中 结构 基因 的 顺序 并 不 相当 于 它们 的 基因 产物 的 作用 顺序 。 Jacob 及 Monod 的 假设 也 解释 了 本 或 酶 系 受 到 生物 合成 最 终 产 物 的 阻 遇 〈 图 35-5)。 例如 ,大 肠 杆 菌 培 养 基 中 有 组 氮 酸 时 阻 过 从 组 氨 酸 前 体形 成 组 氮 酸 时 所 需 全 部 酶 的 形成 。 。844 。 酶 的 阻 这 氨基 咪唑-4- 氨 甲 酰 核 糖 核 昔 酸 - 然而 已 经 发 现 大 肠 杆 菌 的 组 成 突变 型 ,这 种 突变 型 不 管 培养 基 中 有 无 组 氮 酸 , 均 极 大 量 地 产生 这 些 酶 。 所 以 这 些 酶 是 由 一 组 结构 基因 所 规定 ,后 者 可 被 其 最 终 产 物 组 氮 酸 所 阻 遏 。 为 了 说 明 这 种 最 终 产 物 阻 遇 ，jJacob 和 Monod 假定 在 这 种 情况 下 阻 过 物 分 子 本 身 并 无 活 性 ,但 当 其 与 促成 阻 遏 的 代谢 物 ( 称 为 辅 阻 过 物 ) SE GIN RIE BCE I DEA 这 种 复合 物 再 与 操纵 子 的 结构 基因 的 操纵 基因 座位 结合 ,从 而 防止 了 结构 基因 的 转录 。 因 此 ;有 两 类 阻 遏 物 分子 , 一 类 在 酶 活性 的 诱导 中 起 作用 , 另 一 类 在 终 末 产 物 阻 遏 中 起 作用 。 两 类 阻 遏 物 至 少 都 含有 两 个 结合 位 点 ,一 个 对 操纵 基因 座位 是 专 一 的 , 另 一 个 则 对 无 论 一 个 诱导 物 分 子 或 一 个 促成 阻 遇 的 代谢 物 是 专 一 的 。 因 此 诱导 和 阻 遏 的 原理 本 质 士 相似 。 当 组 氨 酸 浓度 超过 某 一 水 平时 ,虽然 组 氮 酸 的 生物 合成 受到 阻 过 ,但 组 氮 酸 操纵 子 的 ae tRNAuiso t | mA wae eee | | | ch 人 fall —; inno eevee Get 游离 的 BA 8 BS 5 is BA 辅 阻 过 物 (无 活性 ) 复合 物 (有 活性 ) 图 35-5 BBA SAY Jacob-Monod 模型 。 当 一 生物 合成 的 终 末 产物 ， 如 组 氮 酸 很 丰富 时 ， 它 就 发 挥 辅 阻 过 物 的 作用 。 辅 阻 过 物 - 阻 遏 物 复合 物 和 操纵 基因 结合 并 防止 结构 基因 的 转录 。 阻 遏 物 的 分 离 和 化 学 本 质 虽然 Jacob 及 Monod 的 假说 在 解释 酶 的 诱导 和 阻 遏 的 许多 方面 取得 了 出 色 的 成 就 ， 并 经 得 起 许多 严格 的 遗传 学 检验 ， 但 长 时 期 来 还 没有 直接 的 化 学 证 据 可 用 来 证 实 假想 的 阻 遏 物 分 子 的 存在 。 事 实 上 ,似乎 不 太 可 能 对 这 种 阻 遏 物 进行 直接 的 化 学 检定 。 首 先 , 遗 传 学 计算 指出 单个 大 肠 杆菌 细胞 含有 不 多 于 约 十 个 左右 假想 的 lac BROTH D Fo 因为 大 肠 杆 菌 细胞 总 共 含 有 几 百 万 蛋白 质 分 子 , 看 来 分 离 纯粹 形式 的 lac BEM 极其 艰难 的 工作 。 然 而 ,因为 Jacob-Monod 的 阻 遏 概念 是 许多 遗传 学 理论 和 实验 的 基础 ， 所 以 分 离 阻 遇 物 分 子 的 工作 已 经 成 为 重要 的 目标 。 1967 年 W. Gilbert 和 B. Miiller-Hill 成 功 地 分 离 了 部 分 提纯 形式 的 lac FA. OH 于 在 未 适应 的 大 肠 杆菌 细胞 中 正常 只 有 极 微量 的 lac (38 F Gilbert 和 Miiller-Hill 的 下 作 从 寻找 含有 异常 大 量 lac 阻 过 物 的 大 肠 杆菌 细胞 突变 型 开始 。 他 们 成 功 地 发 现 了 一 种 突变 型 ,所 含 lac 阻 遏 物 的 量 将 近 正 常 大 肠 杆菌 细胞 的 10 倍 。 做 成 这 些 细胞 的 提取 液 ， 并 检验 其 中 能 和 一 种 5- 半 乳 糖苷 酶 活性 的 安慰 诱导 物 即 异 丙 基 硫 代 半 乳糖 苷 (简写 为 IPTG) 结合 的 一 种 专 一 的 蛋白 质 的 存在 。 分 析 结 合 活 性 的 办 法 是 将 细胞 提取 物 放 人 一 透 析 袋 中 ;与 含有 放射 性 IPTG 的 外 部 溶液 达到 平衡 , 因 IPTG 为 一 小 分 子 , 可 以 自由 通过 透 析 膜 。 细胞 提取 洲 能 结合 大 量 的 IPTG, 可 由 含 细胞 提取 液 的 袋 内 IPTG 的 平衡 浓度 比 外 界 浴 深 流 中 高 的 事实 证 明 。 利 用 这 种 技术 , 即 所 谓 平衡 透析 法 ;可 以 分 析 细 胞 提取 液 的 各 种 不 扩散 部 分 结合 IPTG 的 活性 。 最 后 当 与 IPTG 结合 的 物质 纯化 了 将 近 100 倍 时 ;就 。845 。 证 明了 它 是 热 不 稳 的 ,并 显示 蛋白 质 的 其 他 特性 。 为 了 证 明 与 正 I9 结合 的 蛋白 质 是 专 一 的 ,用 没有 lac 阻 遏 物 活性 的 大肠 杆菌 组 成 突变 型 的 细胞 提取 液 进 行 了 相似 的 实验 。 这 种 提取 液 就 不 含 与 IPTG 结合 的 蛋白 质 。 然后 Gilbert 和 Miller-Hill 使 大 肠 杆菌 细胞 在 含有 放射 性 硫酸 盐 的 培养 基 上 生长 ,并 43345 IPTG + SHO BE A, 后 者 的 蛋氨酸 及 半 胱 氨 酸 残 基 的 硫 原 子 上 已 被 $ 所 标记 。 标记 的 阻 遏 物 蛋白 质 再 与 得 自 大 肠 硅 菌 的 一 部 分 DNA 混合 ,已 知 这 部 分 DNA 含有 控制 5- 半 乳糖 昔 酶 合成 的 基因 座位 。 将 混合 物 进行 密度 -梯度 离心 。DNA 的 沉降 系 数 一 般 比 蛋 白质 高 得 多 ,所 以 首先 沉降 。 它 含有 大 量 的 5 标记 的 结合 阻 遇 物 蛋 白质 但 当 加 入 诱导 物 分 子 IPTG 时 ， 标 记 的 阻 遏 物 蛋白 质 就 不 再 与 DNA 结合 。 这 一 发 现 证 实 了 Jacob-Monod 假说 的 一 个 中 心 特 点 , 即 阻 歇 物 同 诱导 物 结合 ， 产生 了 一 种 无 活性 的 不 能 与 .染色 体 上 的 操纵 基因 结合 的 复合 物 。 其 它 试验 世 证 实 了 被 分 离 出 来 的 lac HEARS 一 性 ; 这 些 实验 采用 的 DNA 是 从 在 操纵 基因 区 有 缺陷 的 大 肠 杆 菌 突 变型 分 离 出 来 的 。 如 同 Jacob-Monod 假说 所 推断 的 那样 ,观察 到 lac BA 过 物 与 这 种 突变 型 的 DNA 不 结合 。 还 证 明 了 阻 遏 物 分 子 不 能 与 热 变 性 的 大 肠 杆菌 DNA 结 &, 不管 这 种 DNA 是 否 得 自 含 有 一 完整 的 或 是 有 缺陷 的 8- 半 乳糖 昔 酶 结构 基因 的 细胞 。 Gilbert 和 Maller-Hill 更 进一步 证 明 阻 遇 物 分 子 不 含 RNA, 因 其 结合 活性 不 受 核糖 核酸 酶 处 理 的 影响 。 最 近 研 究 的 结果 已 进一步 提纯 了 lac PAS 物 , 最 后 获得 了 它 的 结晶 。 其 分 子 量 约 150,000， 含有 四 个 亚 基 , 每 个 都 能 结合 一 个 IPTG 分 子 。 分 离 出 的 阻 遏 物 分 子 对 它 在 大 肠 杆菌 DNA 中 的 专 二 座位 有 非常 高 的 亲和力 ; 在 阻 遏 物 浓度 只 有 108 克 分 子 时 , 阻 遇 物 与 操纵 基因 的 结合 即 达 到 最 高 值 的 一 半 。 能 够 和 细胞 内 lac BES 物 结合 的 正常 诱导 物 为 别 乳糖 (图 35-1)， 即 一 全 全 二 汪汪 二 二 种 D- 乳 糖 的 异 构 体 ,在 其 中 的 D- 半 乳 糖 和 D- 微 镜 照 相 , 示 一 lac 阻 过 物 分 子 (箭头 所 指 ) 葡萄 糖 残 基 以 1.6 键 相 连 。 别 乳糖 从 D- 乳 糖 通 Lag ile 过 存在 于 未 经 诱导 的 大 肠 杆菌 细胞 内 小 量 的 8- 半 乳糖 背 酶 催化 的 转 糖 基 作 用 而 形成 。 图 35-6 显示 同 大 肠 杆菌 DNA 的 操纵 基因 区 相 结合 的 lac 阻 过 物 蛋 白质 。 后 来 驻 分 离 了 另 一 些 阻 遏 物 包括 gal CE SLI) 操纵 子 和 trp ( 色 氮 酸 ) 操 纵 予 的 阻 歇 物 . 特 别 重要 的 是 M. Ptashne 的 工作 ,他 分 离 了 嘲 菌 体 2 的 DNA 中 某 些 结构 基因 的 阻 歇 物 。 嗜 菌 体 1 的 DNA 疹 信 到 大 肠 杆菌 的 基因 组 内 ,在 那儿 它 能 够 一 直 潜伏 下 来 ， 主要 是 经 过 许多 代 不 被 转录 ， 因 为 它 一 直 被 1DNA 的 一 个 专 一 基因 产物 所 阻 遇 , 这 一 产物 是 一 。846 。 AWE AR, EMILKMOWAS DNA 被 转录 ， 从 而 防止 了 病毒 基因 的 其 余部 分 的 复制 。 操 纵 子 化 学 方面 另 一 个 真正 的 进展 是 J. Beckwith 和 他 的 同事 们 分 离 了 一 段 相 当 F lac 操纵 子 的 大 肠 杆菌 DNA。 所 有 这 些 进步 都 对 Jacob-Monod 的 基因 调节 理论 提供 了 令 人 信服 的 支持 ， 并 为 更 加 深入 地 研究 阻 过 作用 与 消 阻 过 作用 的 其 他 方面 开辟 了 途径 。 kg 遗传 学 和 生物 化 学 的 研究 已 经 确定 了 操纵 子 中 另 一 个 专 一 的 部 点 , 即 启动 子 位 点 这 就 是 由 DNA 指导 的 RNA 聚合 酶 所 识别 为 起 始 信号 的 位 点 ， 它 指 示 转 录 从 这 里 开始 以 形 成 mRNA。 从 遗传 学 实验 已 经 确定 这 一 位 点 在 i 或 调节 基因 和 lac 操纵 子 的 操纵 基因 座 位 之 间 ( 图 35-3)。 启动 子 只 是 比较 短 的 DNA 节 段 ,不 到 100 个 核 背 酸 。 我 们 就 将 看 到 ， 启动 子 也 是 在 某 些 操 纵 子 转录 时 所 需 的 另 一 种 专 一 类 型 的 蛋白 质 , 即 cAMP 受 体 蛋白 质 的 结合 位 点 。 CAMP 和 操纵 子 的 转录 1965 年 R.. S. Makman #7 E. W. Sutherland HAMA BAA RS cAMP. 这 一 发 现 多 少 使 人 感到 惊奇 ， 因 为 在 当时 知道 这 一 化 合 物 主要 是 它 在 动物 激素 肾上腺 素 和 胰 高 血糖 素 的 作用 中 作为 "第 二 信使 ”的 功能 , 而 且 知 道 这 些 激 素 不 影响 细菌 。 ESA 奇 的 是 ,他 们 发 现 将 葡萄 糖 加 到 培养 基 中 明显 地 阻 遇 了 细菌 中 cAMP 的 深度。 开始 时 对 葡 萄 糖 的 这 种 作用 的 意义 不 理解 ,但 随即 被 I. Pastan 和 R. Perlman, XA Monod 的 实验 所 PABA So 他 们 证 明 将 cAMP 加 到 大 肠 杆 菌 的 悬浮 液 中 能 克服 葡萄 糖 引 起 的 p- 半 乳糖 苦 酶 合成 的 正常 降解 产物 阻 遇 。 这 一 效应 是 对 除非 受到 专 一 的 激活 。 刺 激 传感器 DNA, 引起 邻近 的 整合 子 基因 的 转录 产生 激活 子 DNA， 后 者 和 同一 条 染色 体 或 另 一 条 染色 体 上 的 受 体 座位 专 一 地 结合 ;从 而 引起 邻近 结构 基因 的 转录 。 x a = Y b b a M 受 体 结构 基 圈 Z C 图 35-15 Britten-Davidson 模型 的 细节 。 在 一 调节 网 络 中 (图 上 方 ) 多 重 受 体位 点 经 若干 不 同 的 激活 子 RNA 作用 ?而 使 结构 基因 表达 * 在 另 一 调节 网 络 (图 下 方 ) 中 ， 多 重 整 合 子 使 每 个 传感器 控 制 多重 结 构 基 因 。 通 过 多 重 传感器 \ 整 合子 和 受 体 的 作用 ， 在 应 答 许多 不 同 组 传感器 刺激 时 能 够 调 节 许 多 不 同 组 的 结构 基因 。 * 857。 然后 由 细胞 质 中 的 核糖 体 翻 译 。 这 就 是 Britten-Davidson 模型 的 最 简单 形式 ， 下 面 就 这 二 模型 作 进一步 推敲 。 我 们 看 到 这 一 模型 将 一 族 RNA 而 不 是 原核 生物 中 的 一 种 蛋白 质 作为 一 种 漫 散 的 转 录 调 节 者 。 这 个 唯一 的 特点 生 开 了 真 核 细胞 核 内 蛋白 质 比 结构 基因 的 数目 要 少 得 多 的 事 实 , 假 定 许 多 种 短 寿 命 的 激活 子 RNA 来 自 极 不 稳定 的 HnRNA 库 的 话 。 这 一 模型 在 逻辑 上 也 是 完善 的 , 即 激 活 子 RNA 不 需 离 开 细胞 核 。 如 果 一 个 蛋白 质 作为 阻 遏 物 或 者 去 阻 歇 物 , 首先 它 必 须 在 细胞 质 内 的 核糖 体 上 从 细胞 核 中 来 的 mRNA 形成 ， 然 后 这 样 一 种 蛋白 质 又 必须 回 到 细胞 核 内 以 发 挥 其 去 阻 遇 物 的 作用 。 Britten-Davidson 模型 的 另 一 个 重要 特 点 是 它 也 说 明了 结构 基因 只 组 成 真 核 细胞 整个 基因 组 的 一 小 部 分 ， 总 DNA 的 大 部 分 显 然 在 调节 中 起 着 传感器 整合 子 和 受 体 座位 的 作用 。 Britten 和 Davidson 已 将 这 一 简单 的 模型 加 以 发 展 到 包括 任何 一 个 特定 结构 基因 的 受 体 基 因 的 多 样 性 以 及 整合 子 基 因 的 多 样 性 ， 从 而 使 许多 不 同 的 基因 组 合 的 协调 调节 成 为 可 能 〈 图 35-15)， 这 一 挑逗 性 的 假说 在 基因 转录 的 调节 方面 比 Jacob-monod Hii Are 到 的 灵活 性 程度 要 大 得 多 。 真 核 细胞 的 基因 调节 方面 还 提出 过 另 一 些 有 趣 的 模型 ， 但 由 于 真 核 细 胞 基因 组 的 极端 复杂 性 ,在 问题 得 到 解决 之 前 还 须 多 年 的 努力 。 真 核 细胞 中 基因 的 表达 看 来 完全 不 像 由 信使 RNA 的 寿命 期 限 来 进行 有 效 的 调节 的 。 在 真 核 细胞 内 , mRNA 的 半衰期 看 来 相当 长 ;在 原核 生物 中 则 相反 ,其 mRNA 的 半衰期 只 有 约 2 分钟。 另外， 许多 证 据 提 示 , 真 核 生 物 中 的 基因 表达 既 可 能 在 翻译 水 平 ; 也 可 能 在 转录 水 平 上 进行 调节 。 而 且 在 真 核 生物 中 蛋白 质 合成 的 起 始 和 延长 时 相 比 原核 生物 中 的 要 复杂 得 多 ,似乎 涉及 许多 迄今 尚未 确定 的 调节 因子 。 本 A 细胞 分 化 的 一 个 特别 若 人 注目 的 例子 就 是 免疫 反应 。 这 种 反应 给 解决 真 核 生物 中 基 因 表 达 的 调节 问题 的 遗传 学 和 生物 化 学 研究 的 相互 合作 提供 了 少 有 的 机 会 下 十 免疫 反应 的 基本 成 份 和 抗原 -抗体 反应 已 在 第 三 章 中 论述 过 。 抗体 或 免疫 球 性 白 是 由 一 定 物种 的 脊椎 动物 淋巴 系统 的 浆 细 胞 对 一 种 抗原 存在 发 生 反应 而 产生 的 ， 人 该 物种 来 说 是 一 种 外 来 的 蛋白 质 或 一 些 基 它 的 大 分 子 。 识别 这 样 的 一 种 抗体 可 根据 它 与 诱发 其 形成 的 抗原 结合 成 专 一 复合 物 的 能 ” yates eae 力 的 这 种 抗体 结合 。 免 疫 响 应 的 一 个 显著 特点 是 可 以 使 动物 对 种 类 极其 繁多 的 大 分 子 发 生 免 关 ， 其 中 包括 动物 在 自然 栖息 条 件 下 通常 绝对 不 会 碰 到 的 各 种 人 工 合 成 的 蛋白 质 衍 生 牺 ”而 且 一 个 动物 可 以 对 许多 不 同 的 抗原 同时 免疫 》 的 确 , 已 经 估计 到 一 作物 种 可 以 形成 多 至 百 万 种 不 同 的 抗体 。- 正 像 在 酶 诱导 的 场合 , 过 去 曾 认 为 一 切 的 抗体 分 子 氨基 酸 成 分 相同 ,不 过 当 不 同 抗原 存在 时 可 以 被 “塑造 ” 形成 互补 的 抗体 。 但 是 由 于 发 现 了 不 同 抗原 引起 的 抗体 , KARR IE Sie LEAN, AiO AR MOF To 由 于 引起 状 椎 动物 发 生 反应 而 合成 专 一 性 抗体 的 不 同 抗原 是 非常 多 ， 因 此 产生 了 一 个 问题 , 即 产生 抗体 分 子 的 浆 细 胞 是 否 具备 足够 数 的 基因 去 给 如 此 多 的 不 同 抗体 编码 。 而 且 还 提出 了 对 某 一 特定 的 抗原 发 生 反应 而 合成 一 定型 式 的 抗体 分 子 的 机 制 问题 。 根 据 免 疫 球 蛋白 多 肽 链 的 氨基 酸 顺 序 的 分 析 已 经 得 到 了 解决 这 些 问 题 的 线索 。 * 858 « 抗体 的 结构 人 血浆 中 有 五 类 主要 的 免疫 球 蛋白 (IgG, Igd, IgM, IgD 和 IgE), Hp IgG 球 蛋 白 类 最 丰富 ,了 解 也 最 清楚 。 它 们 的 分 子 量 大 约 150,000, 有 四 条 多 肽 链 : 两 条 相同 的 “ 重 ” 链 CH #8), 2 430 个 左右 的 氨基 酸 残 基 ; 两 条 相同 的 轻 " 链 (EL 链 )， 含 有 214 个 左右 的 残 基 。 这 些 链 由 二 硫 键 连接 成 了 型 的 ,但 容易 改变 的 结构 ， 图 32-16 显示 其 模 Pear AGW. BRAA-KNAAWAR AS 糖 成 分 。 每 条 链 有 一 个 氨基 酸 顺 序 恒 Be 6 NH, NH, 1 wer Les 定 的 区 域 ， 和 一 个 氨基 酸 顺 序 可 变 的 Kike 抗体 分 子 有 二 个 和 抗原 的 结合 位 点 ， 工 链 和 五 链 的 可 变 部 份 属于 这 些 结合 位 点 ， 后 者 还 因 超 可 变 区 而 进 过 步 区 别 开 来 ， 在 超 可 变 区 中 氨基 酸 446 35-16 IgGGrG) 免疫 球 绰 白 的 结构 。 重 链 和 轻 链 的 1 一 107 节 段 是 可 变 区 ,其 余 节 段 是 恒定 区 。 两 条 链 的 超 可 变 部 分 ( 黑 横 带 ) BR 定 了 结合 抗原 的 专 一 性 。 因 此 IgG 免疫 球 蛋 白 有 两 个 结合 抗原 的 位 点 。 寡 聚 糖 基 团 以 ee CHO] 表示 。 箭 头 所 指 处 为 木瓜 蛋白 酶 作用 1 可 变 部 分 有 局 部 超 可 变 区 点 ， 将 链 裂 解 产生 Fab’ 断 片 堪 图 是 根据 a a 射线 分 析 推断 的 轻 链 和 重 链 恒定 区 的 模 再 。 两 条 链 的 可 变 区 也 有 相同 的 构 型 ， 虚 线 所 指 La 为 增加 一 额外 的 环 。 数 字 表示 在 NH+# 开始 抗原 结合 位 点 的 轻 链 残 基 , 这 一 NAY 端 也 相当 于 工 链 的 第 110 个 残 基 。 © 859。 置换 的 频率 特别 高 oY 的 臂 可 用 木瓜 蛋白 酶 (一 种 蛋白 水 解 酶 ) 的 作用 除去 ,产生 称 为 Fab" 的 片断 ， 并 已 得 到 结晶 。 R. L. Poljek 和 他 的 同事 们 用 和 射线 分 析 法 前 明了 它们 的 结 构 。 正常 人 的 血清 中 含有 许多 不 同 的 共 G 免疫 球 蛋 白 的 混合 物 、 都 有 图 35-16 中 所 示 的 基本 结构 。 每 种 类 型 的 免疫 球 蛋 白 与 一 定 的 抗原 结合 是 专 一 的 。 从 这 种 混合 物 中 很 难得 到 一 个 单一 分 子 的 免疫 球 蛋白 分 子 以 供 分 析 。 然 而 在 多 发 性 骨髓 瘤 病 中 ,; 骨髓 中 的 某 些 细胞 变 成 癌 性 细胞 而 繁殖 ,产生 过 量 的 单一 类 型 的 免疫 球 蛋白 而 出 现在 血液 中 。 这 种 病 丸 的 尿 中 含有 大 量 的 另 一 类 型 的 蛋白 质 ,1849 年 由 H，Bence-Jones 发 现 ， 后 来 就 称 为 Bence- Jones 和 蛋白。 这 种 异常 的 蛋白 质 是 轻 链 或 工 链 的 二 聚 体 ， 显 然 由 于 工 链 的 过 量 制造 遂 被 以 很 大 量 而 排出 。 任 何 一 个 病人 只 合成 一 种 类 型 的 Bence-Jones 蛋白 质 ， 没 有 两 个 病人 的 Bence-Jones 蛋白 质 是 相同 的 。FE. W. Putnam 和 其 他 研究 者 兽 对 许多 _ BencezJones 蛋白 质 作 氮 基 酸 顺序 的 测定 ，1968 年 G. Edelman 和 他 的 同事 们 在 确定 一 个 多 发 性 骨 骨 瘤 病 人 血 中 IgG 抗体 的 全 部 氨基 酸 顺 序 中 获得 了 成 功 , 将 许多 多 发 性 骨骼 瘤 病 人 的 工 链 和 五 链 的 顺序 加 以 比较 ， 发 现 了 某 些 意料 之 外 的 关系 (图 35-16). 在 全 部 病人 中 Bence-Jones 蛋 白质 羧基 端的 那 一 半 , 大 约 含 有 214 个 残 基 , 所 基 酸 顺序 本 质 上 相同 ;而 氨基 端的 那 一 半 则 在 顺序 上 因 病 人 不 同 而 不 同 , 虽然 有 一 些 顺 序 的 同 源 性 此 外 在 工 链 的 两 半 之 间 也 有 某 些 顺序 的 同 源 性 。 有 两 种 类 型 的 工 链 , 称 为 上 (Kappa) 链 和 1 Clambda) 链 。 这 两 种 链 有 许多 顺序 的 同 源 性 ,但 第 191 位 的 残 基 特 别 不 同 。 同 样 , 骨 通 瘤 病 人 的 五 链 , 约 含 446 个 残 基 ， 大 约 有 108 个 残 基 的 氨基 末端 节 段 ,在 顺序 上 也 因 个 体 不 同 而 变化 而 其 余 的 300 多 个 残 基 其 顺序 在 本 质 上 是 恒定 的 。 每 条 链 的 C (恒定 ) 区 和 V( 变 异 ) 区 据 认 为 由 不 同 基因 来 编 码 , 这 就 是 "两 个 基因 一 一 条 多 肽 链 ” 假 设 。 每 条 工 链 及 互 链 的 顺序 可 变 部 分 代表 专 一 性 抗原 的 结合 位 点 。 免 疫 球 蛋 白 链 似乎 由 原始 前 身 物 基因 的 复制 或 重复 所 编码 ， 因 为 工 链 的 可 变 及 恒定 部 分 以 及 百 链 的 四 个 节 段 中 ,每 个 大 约 有 107 个 残 基 长 ， 它 们 之 间 都 有 一 些 顺 序 同 源 性 不 过 工 链 的 可 变 区 和 互 链 的 可 变 区 之 间 却 没有 顺序 同 源 性 。 轻 链 可 变 顺 序 节 段 的 107 个 残 基 中 ,已 经 证 明 其 中 的 40 TD LASTS REA 病人 不 同 而 异 。 在 一 条 107 个 残 基 的 链 中 ,40 的 位 置 可 以 由 三 种 不 同 的 氨基 酸 占 有 ， 可 以 由 此 计算 可 能 有 2° 或 一 百 亿 (10 billion) 以 上 的 不 同 顺序 。 如 果 -40 个 可 变 位 点 中 每 处 均 可 被 20 个 氨基 酸 中 任何 一 个 所 占据 ， 那么 可 能 发 生 的 不 同 顺序 的 数目 是 惊天 的 。 BAS 一 个 抗体 分 子 还 有 一 条 重 链 ,其 中 许多 残 基 也 可 变动 。 十 分 明显 ， 通过 置换 可 变 的 氨基 酸 残 基 , 可 以 产生 各 种 抗体 的 数目 是 极为 巨大 的 。 这 些 想法 给 我 们 提出 了 这 样 的 问题 : 这 样 数 目 巨 大 的 不 同 的 抗体 分 子 遗 传 上 如 何 控 fil? 是 否 每 个 人 体 都 具备 了 控制 理 ; 仑 上 可 能 形成 的 百 万 以 上 个 不 同 抗体 所 必需 的 全 部 基 因 ? 抗体 形成 的 细胞 机 制 认为 抗原 协助 从 一 个 单一 的 可 塑性 前 体 塑 造成 抗体 形状 的 老 的 看 法 曾 称 为 指导 x 说 ， 这 种 老 观 点 已 经 让 位 给 无 性 繁殖 系 选 择 假说 了 。 后 一 假说 假定 所 有 潜在 地 能 形成 搞 “860。 体 的 细胞 (现在 已 知道 是 淋巴 细胞 ) 具 有 相同 的 基因 ， 但 它们 是 在 许多 不 同 的 细胞 系 上 出 现 的 , 称 为 无 性 繁殖 系 ,每 一 系 细胞 只 能 产生 单一 型 式 的 具有 特殊 氨基 酸 顺 序 的 免疫 球 蛋 白 。 所 有 其 他 类 型 抗体 的 基因 永远 受到 阻 遏 。 这 种 概念 可 以 最 适当 地 称 作 “ 一 种 细胞 一 一 种 抗体 ”假说 。 没有 抗原 时 ， 每 一 无 性 繁殖 系 只 存在 少数 ,只 产生 小 量 的 特有 的 抗体 。 在 这 一 系 接触 过 一 种 抗原 之 前 就 已 规定 要 制造 那 种 类 型 的 抗体 。 当 一 专 一 抗原 被 引进 一 种 状 椎 动物 时 , 它 就 刺激 一 专 一 的 淋巴 细胞 的 无 性 繁殖 系 增生 ,细胞 数量 增多 ， 同 时 由 那 型 无 性 繁殖 系 所 形成 的 专 一 抗体 也 大 量 增 多 。 这 样 受到 刺激 的 淋巴 细胞 就 转化 成 浆 细胞 ， 即 真正 的 抗体 制造 者 。 可 能 抗原 "选择 并 刺激 单 株 无 性 繁殖 系 的 能 力 就 在 于 它 附 着 于 细 胞 表面 的 专 一 受 体 上 的 能 力 , 从 而 引起 细胞 分 裂 ,和 产生 它 的 特殊 抗体 。 这 种 想法 可 解释 这 样 的 事实 , 即 一 个 动物 可 以 同时 对 许多 抗原 免疫 ,每 种 抗原 刺激 不 同类 的 淋巴 细胞 无 性 繁殖 系 增生 ,并 产生 一 种 特异 抗体 *。 事 实 上 ， 无 性 繁殖 系 选择 理论 得 到 用 单一 细胞 进行 的 研究 所 支持 。 | 现在 我 们 看 到 为 什么 免疫 反应 是 研究 细胞 分 化 的 一 个 十 分 有 用 的 模型 。 淋 巴 细胞 的 各 种 无 性 繁殖 系 全 都 具备 相同 的 基因 组 ,但 在 可 遗传 的 方式 上 彼此 不 同 , 即 只 有 一 组 抗体 基因 表达 出 来 ,其 它 基因 都 是 静止 的 ,并 可 能 永远 受到 阻 遇 。 两 种 类 型 的 淋巴 细胞 参与 抗体 的 产生 。 即 骨髓 中 形成 的 B 淋巴 细胞 和 起 源 于 胸腺 的 工 淋 巴 细 胞 。B 淋巴 细胞 是 浆 细 胞 的 各 种 不 同 的 无 性 繁殖 系 的 前 体 ， 每 一 种 浆 细胞 只 能 制造 一 种 专 一 类 型 的 循环 (或 “体液 ”免疫 球 蛋 白 ; 工 细胞 主要 和 细胞 或 组 织 免疫 的 产生 有 关 ; 但 对 B 细 胞 形成 循环 免疫 球 蛋白 也 是 需要 的 。 抗 原 和 工 细 胞 上 的 专 一 受 体 作 用 ;并 诱导 这 些 细胞 释放 出 一 种 “协调 因子。 这 种 因子 选择 性 地 和 那些 已 经 通过 专 一 的 细胞 表 面 受 体 结合 了 抗原 的 B 细胞 作用 ,并 加 以 激活 。 激 活 的 B 细胞 增生 ,它们 的 某 些 后 代 变 为 浆 细 胞 ,合成 和 分 沁 专 一 抗体 。 对 于 一 个 养 椎 动物 个 体能 够 产生 有 巨大 差异 的 各 种 抗体 ; 兽 经 提出 三 种 可 能 的 模型 。 二 种 模型 假定 每 个 产生 抗体 的 细胞 含有 大 量 能 规定 许多 不 同 的 工 链 及 互 链 的 V 基 因 和 C 基因 8 但 每 个 细胞 通过 一 种 遗传 方式 规定 了 只 产生 一 种 专 一 抗体 。 在 这 一 模型 中 ， 每 一 个 无 性 繁殖 系 中 只 有 二 对 基因 可 能 会 被 转录 ; 一 个 C 基 因 和 一 个 基因 为 一 专 一 的 重 链 编 B, 而 另 一 对 C 和 基因 给 一 轻 链 编码 8。 所 有 其 它 的 抗体 基因 永远 受到 阻 遏 。 第 二 个 模 型 提出 对 两 套 链 的 恒定 部 分 来 说 只 有 少数 的 C 基因 ;而 可 变 部 位 却 有 大 量 的 基因 上。 然而 ;这 两 个 模型 都 要 求 脊 椎 动物 的 基因 组 中 有 相当 厌 一 部 分 用 来 专 给 抗体 编码 。 因 为 免疫 反应 对 高 等 动物 来 说 有 巨大 的 生存 价值 ,容许 他 们 抵抗 细菌 和 病毒 感染 ,所 以 将 它 们 基因 组 中 相当 大 一 部 分 用 于 抗体 编码 也 就 不 足 为 奇 了 。 不 过 上 面 两 种 模型 的 证 据 已 经 有 点 靠不住 了 ,因为 发 现 只 有 少数 几 个 C 基 因 和 比较 少 的 、 肯 定 不 到 100 SHV EA 了 解释 可 能 形成 的 大 量 抗体 类 ， 有 一 个 模型 提出 由 一 种 抗原 诱导 的 一 个 B 细胞 无 性 繁殖 系 很 快 地 增生 时 ,在 V 基 因 ( 特 别 是 在 超 易 变 部 分 ) 发 生 许多 突变 ,结果 引起 多 种 多 样 的 搞 体 ， 其 中 至 少 有 一 种 与 抗原 结合 是 比较 专 一 的 。 另 一 个 模型 提出 V 基 因 通过 重组 过 程 经 受 了 广泛 的 交换 和 基因 片段 的 重新 组 合 。 不 管 抗体 多 样 性 的 解释 如 何 ; 这 个 问题 的 解决 必 将 大 大 洽 清 细胞 分 化 的 遗传 和 生化 基础 ， 而 且 也 可 由 此 获得 医学 上 有 用 的 改变 寄主 免疫 * (ROCA antigen, 显然 有 误 。 一 一 译 者 注 * 861 © 反应 的 途径 和 方法 。 摘 要 组 成 酶 指 的 是 和 细胞 的 代谢 状态 无 关 , 一 直 由 细胞 产生 恒定 数量 的 一 些 酶 ;诱导 酶 则 只 有 在 需要 时 才 产 生 ,是 对 酶 的 底 物 存在 时 ， 尤 其 当 酶 的 底 物 是 唯一 碳 源 时 的 应 答 产 物 ， 当 细 胞 不 再 需要 某 些 酶 的 产物 时 ,这 些 酶 就 不 再 形成 ,也 就 是 说 ,它们 受到 阻 遏 8 有时, 整 整 一 连 捉 的 酶 成 群 地 诱导 出 来 (协调 诱导 ) 或 成 群 地 被 阻 遏 (协调 阻 遇 )。 控 制 这 样 一 群 群 酶 的 一 组 基因 称 为 操纵 子 。 研究 大肠 杆 菌 的 诱导 酶 5- 半 乳 糖苷 酶 发 现 了 调节 诱导 酶 合成 的 机 制 。 每 一 个 操纵 子 包 含 多 个 结构 基因 和 一 个 调节 基因 和 一 个 操纵 基因 ; :结构 基因 通 常 互相 毗邻 ,控制 每 一 个 酶 的 合成 。 调 节 基 因 给 一 阻 遏 蛋白 的 合成 编码 ; 阻 遏 蛋白 通常 和 操纵 基因 专 一 地 结合 ,阻止 结构 基因 的 转录 。 如 果 存 在 可 诱导 的 酶 的 底 物 , 它 就 和 阻 遏 物 分 子 结合 ,使 阻 遇 物 和 操纵 基因 松 开 , 游 离 出 结构 基因 以 供 转录 。 另 二 方面。 在 酶 的 阻 歇 中 ;, 酶 系列 的 终 未 产物 和 游离 的 阻 遏 物 分 子 结合 ,所 形成 的 复合 物 则 和 操纵 基因 结合 ， 仿 止 操 纵 子 的 转录 。lac 操纵 子 控 制 5- 半 乳糖 昔 酶 和 另 二 个 有 关 酶 的 合成 , 现 已 分 离 出 JE 操 纵 子 的 阻 遏 物 , 并 确定 了 它 在 操纵 基因 DNA 上 的 结合 位 点 的 核 苷 酸 顺 序 。 lac 操纵 子 的 控制 区 也 包括 cAMP 和 一 专 一 蛋白 质 的 复合 物 的 结合 位 点 和 RNA 聚合 酶 的 结合 位 点 从 细菌 DNA 转录 的 信使 RNA 其 半衰期 很 短 , 只 有 2 分 钟 左右 。 如 果 不 供给 细菌 细胞 以 氨 基 酸 时 , 它 就 停止 形成 核糖 体 RNAS 这 种 约束 性 控制 的 信号 因子 是 岛 背 ee alia 5 全 二 磷酸 (ppGpp) 真 核 生 物 中 基因 表达 的 调节 极为 复杂 。 当 有 专 一 的 底 物 和 某 些 激素 时 动物 的 真 核 细 胞 显示 酶 的 诱导 作用 ， 某 些 激素 和 受 体 蛋白 质 结合 ;形成 的 激素 - 受 体 复合 物 和 染色 质 惠 的 专 一 位 点 结合 ， 从 而 促使 某 些 基因 的 转录 。 在 细胞 周期 中 专 一 酶 活性 也 发 生 或 有 或 无 的 变化 ; 介 体 是 8736 变型 中 ， 通 常 井然 有 序 的 病毒 形态 发 生 过 程 即 行 中 断 。 这 一 效应 导致 寄主 细胞 内 堆积 起 一 些 不 完整 的 断 片 ,如 头 、 尾 或 尾 丝 等 ， 随 突变 位 点 而 异 。 这 些 断 片 可 借 电 子 显 微 镜 在 带 有 突变 型 病毒 的 细胞 中 看 到 。 用 差 离心 法 也 可 从 含 突变 型 的 细胞 的 提取 液 中 回收 这 些 不 完整 的 病毒 断 片 。 图 36-8 的 方 格 中 显示 T4 的 各 种 突变 中 堆积 起 来 的 断 片 实质 。 图 36-8 ”噬菌体 T4 的 遗传 图 , 示 规 定 噬菌体 结构 及 装配 (黑色 节 侦 ) 的 一 些 基因 位 置 。 方略 中 示 宿主 细胞 对 所 示 位 点 突变 的 反应 而 产生 的 断 片 的 性 质 。 当 基因 11 或 12 发 生 突变 时 ， 便 形成 一 个 完整 的 但 异常 脆弱 的 病毒 颗粒 。 Wood 和 Edgar 用 40 种 不 同 的 ,每 种 能 引起 不 完整 病毒 集合 的 Tt 温度 敏感 突变 型 来 感染 大 肠 杆菌 ， 再 分 别 制备 大 肠 杆菌 细胞 培养 物 的 提取 沪 。 逐 一 试验 时 没有 一 份 提 取 该 对 大 肠 杆菌 有 感染 性 。 然 而 将 这 些 提取 流 配 对 混合 时 ， 他 们 发 现 某 些 对 产生 有 活性 的 病 毒 颗粒 ;而 另 一 些 则 和 否 。 例 如 ,发 现 缺 乏 尾 丝 的 34.35、37 或 38 基因 突变 型 的 提取 小 中 的 不 完整 病毒 颗粒 能 与 不 能 形成 头 部 的 基因 23 的 突变 型 提取 液 中 的 尾 丝 结合 ,只 要 将 提取 eT, AZ 30° 保温 头 尾 的 结合 就 发 生 了 ，, 形成 了 完整 的 有 感染 性 的 T4 颗粒 ,病毒 颗粒 数 随 着 保 刘 的 时 间 而 增多 。 用 电子 显微镜 检查 经 过 培育 的 混合 液 ， 证 明确 实 形成 了 新 的 完整 的 T4 病毒 颗粒 (图 36-9)。 如 果 先 自 提 取 洲 中 分 离 头 ` 尾 ,再 放 在 一 起 保温 ， 也 。874 。 —EEE—E——— ee 能 发 生 这 种 重新 结合 过 程 。 头 尾 结合 成 完整 的 病毒 颗粒 不 需要 酶 ， 因 此 是 一 种 自身 装配 过 程 。 这 样 一 些 实验 ,其 中 一 种 突变 型 的 基因 产物 能 与 另 一 突变 型 的 基因 产物 互补 , 称 为 互补 试验 。 基因 34,35,37,38 基因 23 Aik 有 缺陷 的 突变 型 陷 的 突变 型 20, 21, 22, 23, 24, 31, 40, 66 WN [ ow a N rom S2 nos a2 —_——_— 2 = on _ pare — ao XN Co =) 16,17,49 子 -- 一 一 2 Co 和 So 2! 2 > a a 《一 一 一 = a co EEE © Rf & 而 [Ee a sf ， 图 36-9 MATA 在 体外 的 重新 组 成 将 缺乏 尾 丝 的 突变 型 病毒 颗粒 与 图 36-10 三 个 独立 的 装配 过 程 ， 分 感染 了 缺乏 头 部 结构 的 病毒 的 细胞 提取 液 混和 而 得 。( 引 自 W. B. Woud 别 形 成 头 ` 尾 及 尾 丝 ? 然 后 按 图 中 所 and R. S. Edgar, “Building a Bacterial Virus”, 1967) 示 的 顺序 结合 :形成 完整 的 颗粒 。 * 875° 根据 许多 这 样 的 互补 试验 ,各 种 T4 突变 型 可 分 成 13 组 。 任何 一 组 的 一 种 突变 型 不 能 与 同 组 的 另 一 个 互补 ， 但 能 与 任何 其 它 组 的 突变 型 互补 。 进 一 步 分 析 这 些 组 中 的 突变 型 ,就 可 确立 装配 反应 的 顺序 以 及 各 个 基因 负责 的 各 关键 步骤 。 图 36 一 10 显示 了 这 些 结 采 。 第 一 个 结论 是 完整 的 有 感染 性 的 T4 颗粒 , 由 完整 的 头 \ 完 整 的 尾 和 完整 的 尾 丝 结合 而 成 ,而 各 个 部 分 则 是 事前 在 不 同 的 装配 线 上 分 别 形成 的 。 装 配 过 程 按 专 一 的 顺序 进行 ， 因为 病毒 颗粒 并 不 能 从 头 端 开始 再 以 尾 丝 末端 结束 的 方式 形成 。 形成 完整 的 头 部 至 少 有 16 个 基因 参与 ,可 能 每 个 基因 给 一 种 专 一 型 的 结构 蛋 白 质 的 合成 编码 。 尾 的 装配 从 形成 终 板 开 始 ,此 过 程 至 少 需要 15 个 基因 参加 。 在 终 板 上 形成 完 整 的 尾 还 需要 另外 四 个 以 上 的 基因 产物 。 然 后 头 与 完整 的 尾 自发 地 互相 结合 ， 不 需要 酶 促 反应 。 一 旦 它们 结合 后 ,在 尾 丝 附 着 以 前 , 还 需 另 一 个 基因 产物 , 即 基因 9 的 产物 。 尾 丝 装配 总 共 要 五 个 基因 产物 。 然 而 全 部 尾 丝 必须 在 它 能 附着 于 终 板 之 前 形成 。 后 一 步骤 具 有 特殊 的 意义 ， 因 为 它 的 发 生 看 来 是 使 两 个 结构 蛋白 融合 的 一 种 酶 促 反 应 。 这 是 14M 粒 整个 装配 过 程 中 需要 催化 剂 的 唯一 步骤， 所 有 其 他 步骤 似乎 都 是 自发 的 非 酶 促 过 程 。 另 一 个 非常 有 意义 的 发 现 是 在 三 条 装配 线 中 每 一 条 都 需要 一 定 的 装配 顺序 ， 例 如 尾 的 装配 不 能 从 中 间 开 始 。 装配 的 专 性 的 顺序 提示 每 当 增加 一 个 亚 基 并 与 前 一 个 结合 时 ， 就 发 生 构 型 改变 ,使 其 更 易 接受 下 一 个 亚 基 的 结合 ,等 等 。 于 是 在 一 系列 连续 而 协作 的 相 互 作 用 中 , 每 一 步骤 都 能 促使 下 一 步 的 发 生 , 所 以 整个 结构 只 能 按 一 种 专 一 的 顺序 完成 。 这 一 结论 同 对 ATC 酶 和 烟草 花 叶 病毒 的 装配 的 一 些 观 察 完全 一 致 。 T4 装配 过 程 中 的 许多 重要 细节 正 由 其 他 研究 组 在 补充 , AH J. King 的 工作 ， 他 确定 了 一 些 指定 尾 蛋白 的 基因 的 特性 ,解决 了 这 些 蛋白 质 的 分 子 量 和 它们 的 装配 顺序 (图 36-11)。 另 一 些 研究 者 也 确定 了 这 些 蛋 白质 中 某 几 种 的 功能 。 例 如 有 一 -种 尾 板 蛋 日 就 是 TAH BRR Bo ; 15P 19P 18P 4 ee gm or 6P, 7P,8P, 18P 10P,11P 9P,1gP,29P ae | oer ee ce 26,27 48 54 / — 35,000 mali a Bl ZF) 4 — 80,000 (p18) 80,000 (p18) 80,000 (p18) 21,000 (p19) 21,000 (p19) 21,000 (pie) 21,000 (p19) 35,000 (XI) 35,000 (XI) 35,000 (XI) 35,000 [XD 35,000 (Xi) .一 40,000 (X) 40,000 (X) 40,000(X) 40,000 (X) ___, 40,000 (X) 40,000 (X) — 41,000 (IX) ” 41,000(IX) 41,000 (IX) 41,000 (IX) | 41,000(IX) 41,000 (IX) 一 42,000 (VIII) 42,990 (VIII) 42,000 (VIII) 42,000 (VIII) 42,000(VIII) 42,000 (VIM) — 34,000 (p9} 34,400 (p 9) 34,000(p9) 34,000(p9) 34,000(p9) 34,000 (p 9) | 55,000 (p12) 55,000 (p12) 55,000 (p12) 55,000 (p12) 55,000 (p12) 55,000 (p12) 5 77,000 (p29) 77,000 (p29) 77,000 (p29) 77,000(p29) 77,000(p29) 77,000 (p29} 基 一 85,000(p6) 、 85,000(p6) ~ 85,000(p6) 85,000(p6]) 85,000(p6) 85.000(p6]) 85,000[p6) — 140,000 [p 7) 140,000 (p 7) 140,000 (p 7) 140,000 (p 7) 140,000(p7) 140,000 (p 7) 140,000 (p 7) —+ 46,000 (p 8) 46,000(p 8) 46,000(p 8) 46,000(p8) 46,000(p8) 45,000(p8) 46,000 (p 8) 一 §8,000 (p10) 88,000 (p10) 88,000 (p10) 88,000 (p10) 88,000 (p10) 88,000 (p10) 88,000 (p10) 一 24,000 (p11) 24,000 (p11) 24,000(p11) 24,000 (p11) 24,000 (p11) 24,000 (p11) 24,000 (p14) 图 36-11 Mpa 4 尾部 的 结构 和 装配 。 在 装配 流程 图 中 箭头 上 方 所 列 的 基因 规定 那些 已 经 确 定 的 蛋白 质 ， 箭 头 下方 的 基因 规定 迄今 还 未 检定 的 一 些 蛋白 质 。 每 种 结构 下 方 一 行列 举 该 结构 所 含 多 肤 的 近似 分 子 量 , 每 个 多 肽 根据 基因 来 编号 ,而 多 肽 本 身 是 该 基因 的 一 种 产物 。 小 箭头 表明 新 增加 的 多 肽 。 从 解决 烟草 花 叶 病毒 粒子 和 T4 病毒 粒子 的 自身 装配 以 及 形态 发 生 的 成 功 事例 中 得 * 876° 到 了 鼓舞 ,许多 研究 者 已 经 在 对 付 另 一 些 病 毒 , 例 如 RNA 病毒 Q8 M DNA 病毒 T7。 从 这 些 研 究 中 发 现 了 另 一 些 形 态 发 生 的 重要 原理 。 其 中 之 一 来 自 对 鼠 伤 寒 沙门 氏 效 的 叹 菌 - 体 P22 装配 的 研究 。King 和 他 的 同事 们 已 经 发 现 病毒 头 部 的 构成 按 下 列 方 式 进行 : 420 个 相同 的 外 壳 蛋 白 亚 基 以 正确 的 三 维 空间 构 型 装配 成 病毒 的 头 ， 装 配 过 程 需要 另 一 种 称 为 “ 搭 架 蛋白 ”的 蛋白 质 的 帮助 。 在 成 熟 的 病毒 颗粒 中 并 没有 这 种 蛋白 质 ,但 它 形成 一 种 壳 样 的 架子 以 帮助 头 部 亚 基 的 正确 装配 ， 然 后 架子 就 脱落 。 在 每 个 被 感染 的 细菌 细胞 中 搭 架 蛋白 大 概 有 250 个 拷贝 ,装配 P22 病毒 粒子 时 被 反复 使 用 。 在 这 些 一 组 组 有 趣 的 实验 中 ， 我 们 能 够 看 到 更 复杂 一 级 的 三 维 空间 结构 如 何 从 一 维 -信息 发 生 , 后 者 编排 成 蛋白 质 亚 基 的 氨基 酸 顺序 。 这 个 顺序 给 每 一 亚 基 的 构 型 编码 ;而且 还 看 到 每 个 亚 基 如 何 配合 下 一 个 亚 基 , 凡 及 如 何 只 能 按 一 种 专 一 的 顺序 依次 装配 。 -核糖 体 的 自身 装配 核糖 体 的 结构 极其 复杂 。 KBAR 70S 核糖 体 的 粒子 量 约 二 百 七 十 万 ， 含 有 大 概 65% HY RNA fl 35% 的 蛋白 质 。 小 的 30S 亚 基 含有 一 个 分 子 的 16SRNA 和 21 个 不 同 的 亚 基 ， 这 些 亚 基 在 每 个 核糖 体内 的 复 本 最 多 不 超过 一 个 。 508 亚 基 含有 5 SRNA 和 23 S RNA， 同 大 约 34 种 不 同 蛋白 质 在 一 起 。 而 且 ， 核 糖 体 的 生物 学 功能 极其 复杂 ， 须 包括 mRNA 的 识别 和 结合 , 专 一 性 氨 酰 基 -tRNA 的 结合 ， 肽 键 的 形成 ,还 包括 核糖 体 通过 依赖 F CTP 的 机 械 化 学 过 程 沿 着 mRNA 进行 物理 性 移 位 。 所 以 把 核糖 体 的 全 部 组 分 分 离 ,， 得 到 纯 品 ,并 研究 它们 重 行 装 配 成 能 够 合成 一 多 肽 链 的 有 功能 的 核糖 体 , 这 一 切 看 来 是 一 件 非常 困难 的 工作 。 不 过 在 许多 实验 室 中 已 经 作 骸 很 有 意 久 的 进展 ，Wisconsia 大 学 的 N. Nomura 和 爷 的 同事 们 首创 了 这 一 科研 项 目 ; 并 描述 了 核糖 体 自身 装配 的 许多 特点 。 这些 研究 的 一 介 重 要 成 果 是 识别 了 自身 装配 过 程 中 的 专 性 的 顺序 及 其 合作 未 性 。 | 这 些 研 究 者 从 发 现下 列 事实 开始 ， 即 核糖 体 308 亚 基 经 高 浓度 盐 溶液 处 理 ， 继 之 以 氰 化 匈 密 度 梯度 离心 ， 引 起 七 种 独特 的 核糖 体 蛋 白质 变 为 可 溶性 而 分 离 ， 只 留 下 一 个 由 RNA: 和 蛋白质 组 成 的 23$“ 核 心 *。 这 样 的 核糖 体 核心 在 蛋白 质 合成 中 是 没有 活性 的 。 五 个 脱落 的 蛋白 质 已 经 分 离 并 提纯 到 均一 ; 另 二 个 以 混合 物 形 式 获 得 。 五 种 纯化 蛋白 质 的 氨基 酸 成 分 不 同 。 为 了 确定 是 否 能 重新 组 成 有 机 能 活性 的 核糖 体 , 将 238 核心 和 全 部 溶 解 的 蛋白 质 混合 。 然 后 加 入 完整 的 508 核糖 体 亚 基 , 检 查 加 在 一 起 的 混合 物 ,看 看 供给 像 BRE Re TARE RY & ne Se RIAL. ATP. GTP. RNA 以 及 氨基 酸 -激活 酶 时 有 无 合成 多 肽 的 能 力 。 发 现 了 这 种 重组 的 核糖 体系 统 在 多 肤 合成 中 有 活性 。 但 如 果 五 个 纯化 的 蛋白 质 随便 省 掉 二 个， 这样 重 组 的 产物 在 蛋白 质 合成 中 的 活性 就 明显 降低 或 完全 形 失 。 这 些 观 察 指出 部 分 分 离 的 核糖 体 可 以 重组 ,而 且 还 指 册 了 试图 完全 重组 30s 亚 基 ETH. | Nomura 还 有 C. G. Kurland 和 它 的 同事 们 ,在 分 离 大 肠 杆菌 细胞 核糖 体 308 亚 基 内 所 发 现 的 全 部 21 种 蛋白 质 中 已 经 获得 成 功 ， 并 且 得 到 了 纯粹 的 21 PEA (# 36-1), 这 些 恤 白 质 的 分 子 量 、 和 氨基 酸 成 分 以 及 可 能 的 功能 现在 也 已 知道 。 他 们 在 免疫 学 上 都 是 独特 的 。 另 外 ,30S 亚 基 中 每 种 蛋白 质 的 复 本 数 也 已 经 确定 。 每 个 30S 颗粒 中 并 没有 发 生 过 一 个 以 上 的 复 本 数 ， 有 少数 蛋白 质 在 给 定 群体 的 全 部 核糖 体 中 似乎 也 并 不 都 存在 , 30S 837T7 。 亚 基 的 16S RNA: 也 已 经 从 去 垢 剂 处 理 的 核糖 体 中 用 酚 提 取 而 得 到 纯 的 形式 。 36-1 根据 SDS 凝 胶 电 泳 确定 的 大 肠 杆 菌 核 糖 体 中 30 S 亚 基 中 的 蛋白 质 群体 中 的 核糖 体 并 不 是 全 部 都 有 21 种 蛋白 质 中 每 一 种 的 一 份 复 本 蛋白 质 oF & $1 65.000 $2 28.300 $3 28.200: s4 26.700 $5 19. 600 6 15.600 s7 22.700 $8 15.500 39 16.200 s 10 12.400 sll 15.500 ， $12 17.200 $13 14.900 S14 14.000 | $15 12.500 Ss 16 11.700 36-12 SREB 30S 亚 基 中 天 然 蛋白 质 $17 10.900 ( 左 ) 和 重新 组 成 蛋白 质 ( 右 ) 的 凝 胶 电 沪 pene Nomura 和 他 的 同事 们 把 16 SRNA 5 ae 和 21 HR RMA AE it iid S ERR DRE, RAKES WAZ 整 的 50S 亚 基 结 合 后 ,测试 此 系统 进行 多 肽 合成 的 能 力 。 没 有 见 到 活性 。 但 将 16 SRNA 和 21 种 核糖 体 蛋白 质 的 混合 物 在 高 浓度 KCl RHE 40°C Rik 10 分 钟 后 ,它们 就 很 易 重 新 装配 成 30S 亚 基 。 只 要 反应 在 40%c 进行 ,蛋白 质 加 入 的 次 序 随 便 。 重 组 的 30S WES 有 同 天 然 30S 亚 基 一样 的 蛋白 质 《 图 36-12)， 这 表明 恰当 的 核糖 体 蛋白 质 本 身 准确 地 进 行 了 装配 。 重 组 的 核糖 体 发 现 能 够 合成 标记 的 多 聚 荃 丙 氮 酸 ， 其 速率 大 约 是 正常 核糖 体 速率 的 一 半 。 Nomura 和 他 的 同事 们 也 发 现 从 大 肠 杆菌 分 离 的 30S 核糖 体 蛋白 质 可 以 与 从 棕色 ia RE (Azobacter vinelandili) .#& GH ERE (Micrococcus luteus) FORE RAS Wi SF AC Baci- llus stearothermophilus) 中 分 离 出 的 16S rRNA 混合 ， 重 新 组 成 30S 核糖 体 杂 种 ,还 发 现 这 些 杂种 在 蛋白 质 生物 合成 中 有 活性 。 反 之 ， 当 大 肠 杆菌 的 16 SRNA 与 另 二 种 细菌 的 30S 核糖 体 蛋 白质 混和 时 ,也 产生 有 生物 活性 的 杂种 。 另 一 方面 , 当 二 个 不 同 种 属 的 完整 30S 核糖 体 混合 时 ,并 不 发 生 部 分 的 交换 。 然后 Nomura 和 他 的 同事 们 开始 确定 21 种 蛋白 质 和 16S RNA 装配 次 序 的 工作 。 最 初 他 们 查 明 了 那 一 种 核糖 体 蛋 白 和 RNA 进行 专 一 地 结合 。 有 三 种 蛋白 质 (S4,S8 和 S16) 的 结合 牢固 ， 另 外 四 种 (8S7， S13, $17, S20) 的 结合 微弱 ， 其 余 的 没有 一 种 和 RNA 结合 (A 36-13), 然后 他 们 试验 剩 下 的 蛋白 质 与 16 SRNA 和 三 种 结合 牢固 的 蛋白 质 S4,$8 和 S15 所 形成 的 复合 物 的 结合 能 力 。 发 现 另 外 三 种 比 其 余 的 蛋白 质 结合 得 更 牢固 。 接着 进 * 878 一 步 试 验 其 余 蛋白 质 与 16S RNA 和 六 种 结合 蛋白 质 形成 的 复合 物 的 结合 顺序 。 根 据 一 长 FAI AIA, S. Mizushima 和 Nomura 的 结论 是 308 核糖 体 亚 基 的 自身 装配 有 专 一 的 顺序 ， 组 分 的 加 入 是 协作 的 ， 就 是 说 一 种 组 分 的 加 入 加 强 了 下 一 种 的 加 入 。 图 36-13 是 30S 亚 基 的 装配 图 ， 图 中 显示 了 将 近 21 种 蛋白 质 的 加 和 人 顺序 。30S 和 508 亚 基 的 真正 的 三 维 空间 结构 是 用 免疫 学 和 电子 显微镜 方法 确定 而 绘 出 的 ， 而 且 已 经 检查 了 各 种 不 同 亚 基 的 专 一 性 功能 。 (# 36-2) Nomura 和 其 他 工作 者 已 进展 到 将 50 S 亚 基 分 解 成 为 它 的 组 成 部 分 。50S WHEE 34 种 不 同 的 蛋白 质 和 两 种 RNA(5S 和 23S), 全 部 已 经 纯化 。50S 亚 基 的 蛋白 质 ， 除 了 二 种 以 外 ， 彼此 都 不 同 ， 和 30S 亚 基 的 蛋白 质 也 不 同 。 嗜 热 脂 肪 芽 胞 杆菌 核糖 体 的 50S 亚 基 的 完全 自身 装配 已 在 体外 试验 中 取得 成 功 。 比 30S 亚 基 的 自身 装配 过 程 要 慢 些 , 且 需 提 高 温度 。50S 亚 基 重组 后 与 天 然 的 30S 亚 基 混合 ， 在 蛋白 质 合成 中 观察 到 有 充分 的 活性 。 而 且 看 来 还 带 有 专 一 的 顺序 和 装配 的 协作 性 。 表 36-2 HH 30S 核糖 体 亚 基 的 某 些 蛋白 质 的 功能 本 结合 ”mRNA 结合 fMet-tRNA S2,S3,S10,S14;S19,S21 识别 密码 子 S3,S4,S5,S11,S12 36-13° sae 70S HeRETKRY 30S 亚 基 的 装配 A 和 P 位 点 的 功能 $1,S2,S3,S10,S14,S19,S20,S21 图 ,显示 21 种 蛋白 质 〈 编 号 S1 到 S21, S 代表 小 氨 酰 基 tRNA 的 结合 |.S?,S11,S13 的 核糖 体 亚 基 ) 装 配 的 主要 途径 。 16S 亚 基 提 供 靠近 GTP 酶 的 中 心 $2,S85,S9,S11 构架 。 箭 头 的 粗细 和 每 一 步 的 概率 成 比例 ; 箭 的 头 部 示 结 合 方向 。 这 样 , S4 和 S6 蛋白 与 16SRNA 有 关 核 糖 体 自身 装配 的 分 子 细节 目前 正在 ，， 结 合 最 定语? 拓 水 为 8 而 33 nso AGE 进行 考察 。 因 为 已 经 知道 5S 和 16SrRNA 的 碱 最 后 结合 。[ 引 自 M. Nomura, Science 179: 869 基 顺 序 以 及 23 SRNA 的 部 分 顺序 ， 就 能 确定 neo OY ARMOR RAE SRE RNA LWS—-HEL RS BA MS RA AO 已 经 发 现 了 它们 中 某 些 蛋白 质 的 功能 ，( 表 36-2)0 已 经 发 现 508 亚 基 的 一 种 蛋白 质 对 移 位 步 又 负责 。 这 种 蛋白 质 涉及 GTP 的 水 解 和 伴随 的 移 位 。 它 含有 罕见 的 氨基 酸 e-N- 甲 LMA, 而 这 种 氨基 酸 是 肌肉 的 肌 动 蛋白 和 鞠 毛 蛋白 的 特征 。 有 一 观察 提示 这 些 蛋白 质 有 机 械 化 学 的 功能 ,可 能 也 有 分 子 结构 的 某 些 共同 特点 。 其 它 自 身 装配 过 程 ， 膜 系 颖 除了 上 述 的 一 些 例子 以 外 ,已 经 研究 了 许多 其 他 的 自身 装配 过 程 。 其 中 如 从 微 管 蛋 白 亚 基 装配 微 管 ,从 单 体 苍 毛 蛋 白 亚 基 装配 细菌 巅 毛 , 骨 骼 肌 细 丝 和 粗 丝 的 部 分 装配 ， 谷 握 酸 脱 氢 酶 自身 联合 成 丝 状 和 管状 结构 , 脂肪 酸 合成 酶 和 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 物 的 装配 。 。879。 某 些 膜 系统 可 自发 地 从 它们 的 组 分 装配 自己 。 我 们 已 经 知道 极 性 的 磷酸 甘油 酯 在 没 有 和 蛋白质 的 条 件 下 可 自发 地 形成 双 分 子 层 。 这 种 装配 过 程 的 推动 力 仍 然 是 周围 水 相 环境 SRILA RAS AU BUA, BRIE BEAR AB a FOE eT EST BD TTA 链 与 水 的 接触 的 地 步 。 因 为 这 种 自身 装配 的 双 分 子 层 有 大 致 相同 的 厚度 并 具有 天 然 膜 的 许多 特性 ,如 电阻 和 电容 高 \, 对 水 的 活 透 性 高 ,对 电介质 的 渗透 性 低 , 故 它们 被 假定 作为 天 然 膜 的 核心"。 已 经 发 现 各 种 蛋白 质 可 附着 于 这 种 人 造 的 类 脂 质 双 分 子 层 系统 上 上， 而 这 种 双 层 系统 经 常 被 用 作 产生 和 膜 结合 的 酶 系统 以 及 转运 系统 的 体外 重组 。 和 膜 结 合 的 酶 或 酶 复合 物 在 某 些 情况 下 可 以 脱落 、 纯 化 和 重新 附着 于 空虚 的 膜 上 。 例 WHE. Racker 和 他 的 同事 们 已 经 把 氧化 磷酸 化 过 程 中 的 Ri 酶 或 合成 ATP 的 酶 从 线粒体 膜 上 分 开 并 已 提纯 。 又 可 以 一 种 特殊 的 方式 将 F ATP 酶 加 回 到 空虚 的 线粒体 膜 小 泡 上 ， 使 氧化 磷酸 化 作用 恢复 。 最 近 , 肌 浆 网 内 的 Cat* 转运 ATP 酶 已 可 从 高 度 纯化 的 蛋白 组 分 和 类 脂 质 重组 产生 一 些小 泡 ， 它 们 能 使 ATP 水 解 而 用 于 将 Ca 运 过 膜 。 同样 Nat- K -ATP 酶 也 已 经 从 提纯 的 组 分 重组 起 来 。 更 高 级 别 结构 的 形态 发 生 自身 装配 过 程 能 否 解释 像 线 粒 体 和 叶绿体 等 更 复杂 结构 的 形态 发 生 呢 ? ERTRE 细胞 的 形态 发 生 中 自身 装配 真 的 能 起 作用 吗 ? 原则 上 ， 并 没有 什么 先 验 的 理由 可 以 认为 细胞 内 许多 井然 有 序 的 结构 为 什么 不 能 通过 自身 装配 过 程 而 形成 ; 因为 其 中 夫 多 数 看 来 HEHE RAIS 和 核酸 的 非 共 价 刍 结 合 的 亚 基 所 组 成 的 ,而 且 至 少 有 一 些 组 分 还 显示 出 自身 装配 的 特征 。 线粒体 形态 发 生 的 分 子 观点 目前 正 受 到 仔细 的 研究 。 由 于 酵母 细胞 是 兼 性 的 ;1 友 果 它们 的 线粒体 有 缺陷 时 可 以 只 依靠 发 酵 而 很 好 地 生存 ,因此 可 以 在 酵母 细胞 的 突变 型 ; 即 缺乏 一 种 或 另 一 种 专 一 的 线粒体 蛋白 质 的 突变 型 中 研究 某 些 线粒体 组 分 的 生物 合成 和 装 i, 现 已 分 离 出 一 些 线粒体 突变 型 ， 其 中 缺 筷 多 种 专 一 蛋白 质 了 如 细胞 色素 - 霹 FTATP 酶 或 细胞 色素 氧化 酶 。 例 如 ; 只 要 将 细胞 色素 “ 与 缺乏 此 种 蛋白 质 的 突变 型 中 分 离 出 的 线粒体 混合 ,就 使 细胞 色素 结 合 到 线粒体 上 因 址 传 候 陷 而 留 下 的 空位 点 上 去 ,并 恢复 电 - 子 传递 和 氧化 磷酸 化 。 关 于 叶绿体 形态 发 生 的 重要 实验 也 正在 进行 有 些 证 氟 表 明 ; 某 些 大 的 超 分 子 结构 或 许 不 完全 是 自身 装配 的 ,只 ,有 通 过 稻 寺 旧 委 训 的 基本 单位 增加 到 某 种 已 形成 的 作为 模板 的 结构 中 去 的 过 程 才能 使 他 们 自己 绵延 下 去 3 例如 某 些 草 履 虫 的 食管 可 以 从 细胞 质 提 供 的 小 分 子 部 分 构成 。 然 而 食管 的 装配 并 未 是 从 头 开始 ; 必须 存在 某 种 已 形成 的 食管 结构 。 如 果 一 部 分 额外 的 食管 被 移植 至 正常 只 有 二 条 食管 的 草 履 虫 中 去 ， 此 时 就 会 长 出 第 二 条 完整 的 食管 。 于 是 这 样 一 种 草 履 虫 的 全 部 后 代 都 会 有 二 条 食管 ， 不 管 他 们 的 遗传 型 如 何 。 因 此 草 履 虫 具有 形成 食管 形态 发 生 所 需 的 基本 单位 的 遗传 能 力 ,但 通常 只 产生 一 条 食管 ,显然 是 从 某 些 已 形成 的 生长 点 开始 的 ; 后 者 作为 增加 更 多 的 亚 基 的 模板 。 真 核 细胞 的 形态 发 生 ; 和 一 些 特殊 组 织 与 器 官 (如 肌肉 、 肾 胜 和 脑 、 或 者 植物 的 叶 和 花 ) 的 形成 ,所 有 这 一 切 的 分 子 及 遗传 基础 对 未 来 的 生物 化 学 及 遗传 学 提出 了 许多 引 天 注 意 的 问题 * 880。 摘 要 大 多 数 巨 大 的 大 分 子 和 超 分 子 生 物 结构 一 调节 酶 , 酶 复合 物 , 脂 蛋白 ,核糖 体 ,病毒 和 膜 一 包含 着 若干 个 或 许多 个 多 肽 亚 基 , 通 过 朴 水 性 相互 作用 和 和 氢 键 非 共 价 地 连结 起 来 .这 种 结构 方式 有 许多 生物 学 优点 , 它 把 蛋白 质 合成 中 的 误差 效应 减低 到 极 小 , 允许 排除 有 缺 陷 的 亚 基 ,节约 使 用 了 编码 用 的 DNA, 并 允许 发 生 亚 基 之 间 非 常 迅 速 的 相互 作用 。 超 分 子 系统 大 部 分 通过 亚 基 之 间 的 芯 水 性 相互 作用 而 得 到 稳定 ， 这 是 周围 的 水 寻求 最 大 业 值 状态 倾向 的 结果 。 亚 基 相 互 作 用 的 专 一 性 依靠 氢 键 和 离子 键 得 以 成 功 。 低 聚 蛋白 质 和 和 蛋 白质 复合 物 自 身 装 配 所 需 的 讯息 本 来 就 存在 于 多 肽 亚 基 的 氮 基 酸 顺 序 中 。 自 身 装 配 系统 通常 在 装配 过 程 中 显示 专 一 的 步骤 顺序 。 它 们 也 表现 出 合作 性 ， 因 此 增加 一 个 亚 基 就 加 强 了 下 一 个 亚 基 的 加 入 。 门 冬 氨 酸 转 氮 甲 酰 酶 有 专 一 的 装配 顺序 ,开始 形成 催化 亚 基 , 每 个 亚 基 由 三 个 相同 的 多 肽 链 构 成 。 调 节 亚 基 在 一 独立 过 程 中 形成 ， 每 个 由 二 个 相同 的 多 肽 链 构 成 。 含 有 二 个 催化 性 和 三 个 调节 性 亚 基 的 最 终 活性 产物 可 以 经 不 同 的 途径 进行 装配 ， 取 决 于 这 两 类 亚 基 的 浓度 。 烟 草花 叶 病 毒 是 一 长 柱 形 分 子 , 含有 一 条 RNA 长 链 和 2;200 个 相同 的 蛋白 质 WE. 这 种 病毒 由 每 个 含 34 个 蛋白 质 亚 基 的 圆 形 平 盘 装 配 起 来 。 装配 过 程 的 起 始 开始 于 RNA 和 第 一 个 平 盘 的 结合 。 然 后 相继 加 上 平 盘 , 随 着 RNA 分 子 卷 绕 在 中 央 的 核心 时 ， 每 个 平 盘 转 变 成 一 种 汽 塞 垫圈 样 构 型 ,一 直到 装配 成 完整 的 病毒 颗粒 为 止 。 大 肠 杆 菌 的 噬菌体 T4 从 大 量 的 不 同 蛋白 质 和 DNA 进行 自身 装配 。 头 、 尾 和 尾 丝 是 分 别 形成 的 ,每 个 都 有 专 一 的 顺序 ,然后 装配 成 一 完整 的 病毒 粒子 。 除 了 惟一 一 步 酶 促 反 应 之 外 ,其 他 一 切 步 骤 都 是 非 共 价 的 。 细菌 核糖 体 的 30S 和 50S 亚 基 在 适当 条 件 下 也 进行 自身 装配 。 将 16S RNA 和 21 种 不 同 的 蛋白 质 亚 基 混 合 加 温 就 形成 30S 亚 基 。 当 和 天 然 的 50S 亚 基 结 合 时 ,形成 的 70S 核 糖 体 有 合成 蛋白 质 的 活性 。 蛋白 质 亚 基 的 装配 有 一 种 专 一 顺序 。 508 亚 基 已 经 通过 5S RNA, 23S RNA 和 34 种 不 同 的 蛋白 质 亚 基 的 自身 装配 而 重组 起 来 。 已 经 发 现 了 微 管 .鞭毛 \ 肌 动 球 蛋 白 以 及 各 种 多 酶 复合 物 显示 出 自身 装配 活动 ， 某 些 和 膜 结 合 的 运输 系统 也 一 样 。 2... 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LAR EAD ° 882 » 第 三 十 七 章 生命 起 源 在 泛 论 生物 化 学 中 ,我 们 曾 多 次 接触 到 一 套 组 织 原理 ,我 们 把 这 套 组 织 原 理 叫 做 生活 物质 的 分 子 罗 辑 学 。 从 自然 科学 家 观点 看 来 ,可 以 把 细胞 看 成 是 有 机 分 子 的 复杂 集合 体 ， 能 自行 组 织 、 自行 复制 ,能 通过 连续 的 酶 促 有 机 反应 同 其 周围 环境 交换 能 量 和 物质 ,而 且 看 来 也 能 在 其 各 部 分 和 各 个 过 程 最 大 限度 节约 的 基础 上 执行 其 功能 。 我 们 已 经 鉴定 了 细 胞 的 许多 分 子 组 分 ,也 看 到 了 它们 如 何 获得 和 利用 能 量 , 如 何 复制 自己 。 现 在 转 到 以 下 的 根本 性 问题 : 生物 分 子 是 怎样 发 生 的 ?” 有 机 生物 分 子 如 何 学 会 互相 作用 并 把 自己 组 织 起 来 ”最初 的 细胞 或 最 初 的 活 "结构 是 如 何 从 有 机 分 子 中 发 生 的 ? 最 初 的 细胞 又 是 如 何 进化 成 现在 知道 的 形形色色 的 活 的 形式 的 生物 的 ? 不 和 久 以 前 , 还 把 生命 起 源 的 研究 看 成 是 纯粹 空谈 和 猜想 , 没有 希望 得 到 确 瘦 的 知识 。 但 是 ， 近 二 十 年 来 许多 科学 进展 都 支持 下 一 见解 : 即 对 上 述 某 些 根 本 性 问题 可 以 推断 出 正确 的 答案 ,至 少 生 物 分 子 和 活 细胞 起 源 中 的 某 些 步骤 是 可 以 在 实验 室 里 模拟 的 。 在 这 最 后 一 章 中 将 概述 这 个 日 益 活跃 的 领域 中 的 某 些 实验 以 及 思路 的 方向 。 尽 管 这 一 课题 一 定 总 会 带 些 脐 想 ,但 是 它 的 研究 可 能 有 朝 一 日 会 洞察 分 子 生 物 学 的 奥秘 ,对 于 生活 物质 的 分 子 逻 辑 学 的 根本 法 则 ,展现 出 一 幅 比 现在 所 有 的 更 加 清晰 的 图 画 。 化 学 进化 与 生物 进化 的 年 代表 为 了 明确 起 见 ， 我 们 首先 概要 地 氢 述 一 下 地 球 的 地 质 史 和 生物 史 ( 图 37-1)。 据 信 ， 地 球 大 概 在 48 亿 (4.8 X 10?) 年 前 由 气体 尘埃 的 云雾 凝结 而 成 。 这 些 尘埃 大 都 含有 放 射 性 元 素 ; 它 们 在 地 球 内 部 进行 衰变 ， 产 生 了 大 量 热能 和 火山 活动 ,使 地 球 表面 温度 比 现 在 的 大 概要 高 一 些 。 原 始 大 气 一 部 分 来 自 地 球 内 部 ， 关 于 原始 大 气 的 成 分 问题 ， 议 论 纷 纷 , 尚 无 定论 。 最 早期 的 大 气 大 概 含 大 量 氮 ,还 原作 用 强 ( 富 于 氢 ,. 甲 烷 、 氨 和 水 )， 不 过 氧 不 入 便 消失 了 ， 而 象 一 氧化 碳 之 类 氧化 较 多 的 组 分 则 随 着 时 间 的 流逝 而 越 来 越 浓 。 很 可 .能 在 生命 起 源 时 的 大 气 仍然 有 很 大 的 还 原作 用 而 没有 氧气 存在 。 氧 主要 是 光合 作用 的 产 物 , 是 很 晚 才 出 现 的 。 现在 有 许多 证 据 提示 ,在 地 球 历史 的 初期 ,有 机 化 合 物 首 先是 在 紫外 线 、 放 电 、\ 热 以 及 其 他 形式 的 能 量 的 激活 作用 下 ,由 大 气 和 地 圈 里 各 种 无 机 成 份 之 间 的 反应 产生 的 (参见 第 一 章 )。 这 些 有 机 化 合 物 在 原始 海洋 里 逐渐 积累 。 这 个 早期 叫做 化 学 进化 时 期 ， 历 时 约 15 亿 年 , 将 近 地 球 史 的 三 分 之 一 。 在 此 期 内 ,首先 发 生 了 大 约 30 或 40 种 原始 生物 分 子 ， 还 发 生 了 很 多 其 他 有 机 化 合 物 。 握 信 , 在 这 个 时 期 的 晚期 ,这 些 原 始 基本 单位 经 受 了 非 生 物 缩合 作用 ,形成 了 原始 的 多 肽 、 多 核 苷 酸 ,多 糖 和 脂 类 。 据 信 从 这 些 有 机 分 子 和 聚合 物 的 FR RALRERRAM hw BRA TRON. REA Se 20 年 代 苏 联 A. I Oparin 和 英国 J. B. S. Haldane 提出 的 一 连 串 事件 。 人 们 所 知道 的 最 古老 的 有 机 物质 ,是 在 南非 , 非 格 特 里 (Fig Tree) 页 岩 沉 积 物 里 找到 。883 。 ” 图 37-2 从 前 寒 武 纪 早 期 南非 采集 “” 渐 消 耗 完了 。 只 有 那些 能 用 比较 简单 的 碳化 合 物 ， 特 别 是 | 、 城 天 分 的 真 核 生 物 一 有 丝 分 裂 的 真 核 生 物 2000- BS AMHAMA 过 去 的 年 份 《 百 万 ) SaehShH Ba xh ab _LXABER 一 最 初 自 养 型 3000- 最 初 的 细胞 化 (原核 异 养 型 ) Be tik 4000- wae 图 37-1 化 学 进化 与 生物 进化 年 代表 。 高 等 形式 的 生命 进化 时 间 虽 能 相当 准确 地 测定 ; 但 1 表 中 低 等 生物 起 源 时 间 却 只 能 大 概 估计 。 的 ,其 中 含有 许多 烃 类 ,有 些 具有 类 异 戊 二 烯 性 质 ,还 含有 趾 啉 类 、 味 吟 类 和 了 喧 类。 同位. 素 年 代 测 定 法 表明 这 些 页 岩 至 少 是 在 31 亿 年 前 沉积 下 来 的 。 近来 研究 非 格 特 里 类 异 戊 = 二 烯 化 合 物 的 结构 ， 表 明 其 中 有 一 些 化 合 物 同 现代 细胞 里 的 化 合 物 相关 连 。 如 果 它 们 来 源 于 生物 ,那么 ,生命 起 源 便 会 比 31 亿 年 前 更 早 。 在 电子 显微镜 下 发 现 非 格 特 里 沉积 物 中 的 微型 化 石 具有 细胞 状 结构 , 直径 约 0.6 微米 , 极 象 现 代 的 细菌 。 这 一 发 现 从 另 一 方面 支持 上 述 见 解 。 一 般 认 为 ,最 初 的 活 细胞 是 厌 氧 性 异 养 体 ,它们 利用 原 始 海洋 里 的 有 机 化 合 物 作为 基本 单位 和 燃料 来 源 。 随 着 这 SOR 些 早 期 细胞 的 生长 和 增殖 ， 原 始 海洋 里 的 有 机 化 合 物 也 逐 的 芝 样 化 石 。 [ 引 自 荆 wW, schoepf 二氧化碳 ;作为 其 碳 的 来 源 、 并 用 日 光 作 为 其 能 源 的 细胞 才 and E. Barghoorn,Sctence 156: 508—512 (1967)] 能 生存 。 这 样 , 可 能 在 30 亿 年 前 便 发 生 了 最 初 的 光合 型 细 。884 。 Ho RM, ENIK MBA EKA, FT RE RRS KY Fe i Bl Bt CASK EA A 供 体 。 以 后 才 发 生 了 最 初 的 生 氧 光合 细胞 , 即 现代 蓝 营 类 的 祖先 。 在 它们 出 现 之 前 ,大 气 里 大 概 含 很 少 的 游离 氧 或 者 没有 游离 氧 。 最 初 , 利 用 氧 的 需 氧 性 异 养 体 发 生得 很 晚 , AA 由 于 光合 作用 的 结果 大 气 中 氧 水 平 的 建立 是 很 缓慢 的 。 大 约 在 6 亿 到 10 亿 年 前 ,大 气 中 氧 的 浓度 才 达 到 1 多 的 水 平 , 大 约 到 4 亿 年 前 , 才 达 到 10% 的 水 平 。 因 此 ， 大 气 中 最 初出 现 氧 以 后 ,还 需要 过 10 亿 年 之 久 才 出 现 需 氧 性 状 椎 动物 和 有 维 管束 的 高 等 植物 。 人 类 的 出 现 只 不 过 是 最 后 二 百 万 年 的 事情 ,在 地 球 的 历史 中 , 相当 于 一 天 24 小 时 中 最 后 的 30 秒 钟 而 已 。 若干 工作 假设 从 数学 和 哲学 上 考虑 ,不 能 设想 ,由 于 许多 有 机 基本 单位 分 子 当 中 一 次 偶然 的 物质 接 和 触 ， 奇 迹 般 地 结合 而 发 展 成 象 现在 的 细胞 那样 的 一 个 完美 细胞 ， 于 是 便 产生 了 生命 。 更 可 能 的 是 ,最 初 的 < 细胞 ?或 “ 活 ? 结 构 比 今天 的 细菌 更 为 简单 ,它们 的 发 生 是 一 长 串 单 独 事 件 的 结果 ,因此 ,它们 进化 中 的 每 一 阶段 都 是 从 前 一 阶段 通过 一 种 很 小 的 变化 而 发 展 起 来 的 。 由 此 又 推 想到 ,在 导致 最 初 细胞 系 生存 的 进化 中 ,至 少 在 一 个 漫长 的 时 间 内 ， 每 一 步 必定 有 一 个 合理 的 高 的 发 生机 率 。 这 项 假设 有 一个 重要 结论 。 在 生物 出 现 前 的 进化 里 ， 相 继 发 生 的 各 个 步骤 应 是 充分 可 能 的 ,按照 化 学 和 物理 学 规律 在 实验 室 里 \ 在 一 个 合理 的 时 期 内 都 是 可 以 观察 到 的 。 果 真如 此 , 那 末 ,导致 生命 起 源 的 早期 事件 中 ， 至 少 有 一 些 是 能 够 用 实验 方法 进行 研究 的 。 还 可 以 作出 另 一 些 工 作假 设 。 在 向 着 生命 发 生 的 化 学 进化 过 程 里 ,可 假设 三 个 时 期 。 在 第 一 时 期 里 , 某 些 类 型 的 有 机 分 子 因为 容易 形成 而 且 高 度 稳定 ,因而 能 在 原始 海洋 里 开 始 积累 起 来 。 到 了 化 学 进化 第 二 时 期 就 是 那样 一 个 时 期 ， 在 此 期 内 一 种 专 一 组 合 的 有 机 分 子 以 集合 成 群 或 称 为 复合 物 的 形式 要 比 单独 存在 时 生存 得 更 好 。 姑 不 论 这 第 一 群 “ 学 会 "共同 生存 的 有 机 分 子 的 性 质 如 何 , 这 个 有 机 分 子 群 其 所 以 发 生 很 可 能 是 因为 它 比 其 前 体 分 子 在 热力 学 上 说 来 更 为 稳定 。 换 句 话说 ,化 学 进化 中 每 个 相继 步骤 得 以 发 生 ,看 来 是 因为 这 个 体系 和 其 水 溶液 环境 增加 了 业 的 缘故 。 这 样 ,化 学 进化 曾经 有 过 一 种 推动 力 ,这 在 最 根本 的 意义 上 来 说 ， 它 一 定 曾 经 促成 过 宇宙 业 最 大 限度 地 增加 。 在 探索 极 大 灼 位 置 时 ,各 种 分 子 群 可 能 尝试 过 各 种 不 同 的 “途径 ”来 越过 活化 -能 量 障 碍 ,直到 找到 了 最 低 、 最 可 能 的 途径 。 像 这 样 化 学 进化 可 能 采取 了 一 条 专 一 的 途径 ,能 够 反复 通过 这 个 途径 , 制 造 出 同一 系列 的 起 始 化 合 物 。 在 化 学 进化 的 第 三 时 期 里 , 某 些 比较 复杂 的 有 机 分 子 群 可 能 获得 了 诸如 催化 活性 ,或 能 抵抗 环境 变化 ,或 能 改变 环境 的 一 种 “功能 ”, 然后 “学 会 通过 形成 某 种 原始 分 子 模板 而 SHAG. 在 化 学 进化 的 这 个 时 期 ,最 难 理解 ,因为 自行 组 织 并 自行 复制 的 分 子 体系 的 现 代 非 生物 原型 即使 有 也 是 极其 罕见 的 .只 是 到 近来 才 援 用 很 特殊 的 热力 学 和 动力 学 条 件 ， 试图 建立 物质 自行 组 织 的 理论 。 最 后 ,也 可 以 设想 ,细胞 或 活 结构 可 能 是 在 不 同 的 地 点 或 时 间 内 从 无 生命 物质 ， 可 能 是 从 不 同 种 类 的 有 机 基本 单位 里 经 过 用 次 甚至 多 次 发 生出 来 的 。 不 过 ， 这 一 点 看 来 是 确 定 的 , 即 仅仅 只 有 一 个 细胞 系 生 存 下 来 ,从 它 衍生 出 今日 地 球 上 的 全 部 有 机 体 。 根 据 物种 * 885 « 进化 的 研究 ,估计 在 曾经 生存 过 的 全 部 有 机 体 物 种 当中 ,99 多 现在 已 经 绝种 ,没有 留 下 活 的 后 代 。 由 此 类 推 , 在 生命 出 现 前 的 进化 中 大 概 也 遭受 过 强大 的 选择 压力 ,以 致 在 第 一 个 稳定 的 活 细胞 系 的 起 源 里 可 能 有 过 一 些 错误 的 起 点 。 导致 有 机 化 合 物 非 生物 起 源 的 条 件 第 一 章 已 经 提 到 ,在 模拟 的 宕 始 地 球 条 件 的 情况 下 ,实验 室 试 验 怎样 通过 各 种 形式 能 量 的 激活 作用 ,从 可 能 存在 于 原始 环境 里 的 无 机 物 前 身 , 产 生 氨 基 酸 、 味 吟 、 喀 啶 、 糖 以 及 许多 其 它 有 机 化 合 物 。 在 还 原 性 气体 混合 物 里 最 容易 发 生 氮 基 酸 和 其 他 含 所 有 机 化 合 物 的 形成 ,而 在 含 氧 的 合成 大 气 里 却 一 般 不 能 产生 氨基 酸 。 因 此 ,在 我 们 现在 的 大 气 里 是 不 会 产生 这 一 类 有 机 化 合 物 的。 HCN a: 2HCN | 氨基 馆 | as | Te Ait H : Vii = HME /I\\ a NH, , mee | 氨基 酸 \ Hb N=c——can,) MOS mR : H ad 氨基 酸 paee [asm BER HN we Ta 4 V4 aK HN hs ‘n NH, NH,—C—H Bik 2NH, in 图 37-3 M HCN 开始 的 生物 分 子 的 化 学 进化 。 从 HCN 的 三 Nie POA M BEM, HH. CRA ERR WRAE EF . - 形成 许多 不 同 的 有 机 衍生 物 。 ney Nout / N #371 地 球 表面 上 的 平均 能 源 ore 来 源 能 量 不 厘米 一 年 -: NH-c=E 村 太阳 辐射 总 量 260,000 NH, F 紫外 线 4,000 ag 放电 4 wo 冲击 波 1.1 NSN ; 放射 性 0.8 二 ’ {EZ 0.13 seine 0.0015 37-4 从 HCN #7] NH; 到 腺 - RAMS AY a] Ee 导致 非 生 物 形成 简单 有 机 氮 化 合 物 的 大 多 数 反 应 途径 , 均 以 氰 化 氢 为 中 心 。 氰 化 氢 容易 通过 下 列 反应 形成 : 2 天涯 RN 二 >2HCNI 二 3 了 CO + NH;——>HCN + H,0O 热能 (来 自 火 出) 紫外 线 (来 自 旦 照 ) 或 放电 (闪电 ) 促 进 这 些 反 应 。 在 模拟 的 原始 地 球 情 - *，886。 ME, RARE WKKHSMRMA RHA DRAKA. BHA. Hz ARR ACA 37-3) 这 些 化 合 物 接着 又 作为 各 种 不 同 的 氮 基 酸味 哈 和 了 喀 了 啶 的 前 体 。 确 实 , 把 单纯 氰 化 氢 和 氨 的 混合 物 加 热 便 能 产生 许多 种 普通 氨基 酸 和 极 大 量 的 腺 味 叭 (图 37-4)。 事 实 上 ， 日 本 已 把 这 个 反应 发 展 成 合成 腺 叶 叭 的 商业 方法 。 甲 醛 也 容易 在 模拟 的 原始 地 球 实验 中 形成 。 甲 醛 和 石灰 石 (碳酸 钙 ) 加 热 , 产 生 各 种 糖 类 。 丙 烽 晴 是 一 种 重要 的 缩合 剂 , 参 见 下 条 。 ' 我 们 已 经 看 到 * 项 始 地 球 上 可 利用 的 几 种 能 源 ( 表 37-1) 可 激活 原始 大 气 里 的 各 种 组 份 , 通 过 上 面 所 描述 的 化 学 途径 ,足以 产生 有 机 分 子 。 紫 外 线 和 闪电 放电 很 可 能 充当 过 主 要 的 能 源 。 在 促进 简单 有 机 化 合 物 的 无 生源 性 形成 里 ,热能 也 是 非常 有 效 的 ;在 原始 地 球 主 屎 而 活动 的 附近 地 带 可 能 有 过 足够 高 的 温度 。 象 闪电 后 的 雷鸣 爆裂 以 及 陨石 冲击 所 产 生 的 冲击 波 在 激活 化 学 反应 上 特别 有 效 。 在 大 多 数 模拟 原始 地 球 的 实验 里 ， 都 把 反应 体系 加 热 到 远 远 超过 原始 地 球 当 时 所 存 在 的 温度 。 理 由 自然 是 加 速 反 应 的 速率 ,以 便 足 以 在 几 天 或 几 星期 的 时 间 内 产生 可 以 看 得 胸 的 产物 。 在 水 溶液 体系 里 ,多 数 化 学 反应 的 温度 系数 大 约 相同 ， 所 以 由 热能 引起 反应 ， 看 来 是 不 可 能 的 ,这 在 较 低 温度 下 ,不 论 多 么 缓慢 ,都 是 不 会 发 生 的 。 作为 上 述 各 种 反应 的 结果 ,在 原始 地 球 上 ,给 定 的 十 亿 年 还 原 性 或 接近 还 原 性 大 气 的 时 间 里 ,究竟 形成 了 多 少 有 机 物质 ,对 此 所 作 的 各 种 估计 巧 殊 很 大 。 有 些 计算 提示 ,在 原始 海洋 里 有 机 化 合 物 的 最 大 可 能 浓度 是 在 10-2M 的 范围 内 ,不 过 较 近 的 计算 提示 ,如 果 冲 击 波 的 能 量 能 被 利用 来 激活 化 学 反应 的 话 ， 则 原始 海洋 所 含 的 溶解 性 有 机 化 合 物 可 能 一 度 BR 109。 自 然 , 可 能 只 是 在 小 池 琅 里 而 不 是 在 大 海里 有 机 和 化 合 物 才 发 生 有 效 的 浓缩 。 有 机 化 合 物 的 地 球 外 形成 有 了 适当 的 简单 气体 和 能 源 可 资 利用 时 ， 不 可 避免 地 将 产生 有 机 化 合 物 一 一 这 一 合 题 由 于 地 球 外 天 体 里 发 现 了 有 机 化 合 物 而 大 大 充实 了 。 :一 方面 证 据 是 ， 进 和 地球 上 的 碳 质 陨石 含有 微量 氨基 酸 和 其 它 有 机 化 合 物 ,虽然 这 是 否 由 于 在 地 球 上 的 污染 所 致 , 曾 有 过 不 少 争论 。 最 好 例子 是 仔细 个 析 过 的 Murchison :陨石 ， 它 于 1969 年 坠落 在 澳大利亚 的 Murchison 镇 附近 5 收集 了 这 个 陨石 的 碎片 ,并 经 过 了 减低 污染 至 最 少 限度 的 处 理 ; 两 个 实验 室 分 别 进行 了 实验 , 均 发 现 陨石 里 含 若干 氨基 酸 , 其 中 有 些 是 地 球 上 有 机 体内 所 不 存 在 的 ,所 以 不 可 能 由 污染 所 引起 。 还 有 ,这 块 陨石 的 氨基 酸 没 有 光学 活性 ， 是 右 旋 和 左旋 的 混合 物 ; 这 个 事实 也 吉明 陨石 里 的 氨基 酸 不 是 污染 的 产物 ， 因 为 地 球 土壤 里 的 氨基 酸 都 有 光学 活性 的 。 在 Murchison 陨石 里 的 有 机 化 合 物 当 中 还 找到 单 羧 酸 和 二 羧 酸 ,包括 丙 三 酸 、 琥 珀 酸 和 反 丁 烯 二 酸 在 内 。 约 一 个 世纪 前 沙 在 法 国 的 Orgeuil 陨石 ， 其 中 也 找到 过 AMA Hh. 近 几 年 来 ,辐射 频率 光谱 测定 ;证 明 在 星际 尘埃 云 里 有 水 、 氨 、 以 及 大 量 的 小 有 机 分 子 ( 表 37-=2)8 小 有 机 分 子 中 有 和 氰 化 氢 \ 甲 醛 和 丙 烽 睛 ， 我 们 已 经 知道 这 些 都 是 更 复杂 的 有 机 楷 合 物 的 重要 前 体 。 多 年 来 ， 关 于 其 它 行星 上 有 无 生命 可 能 ， 曾 经 有 过 不 少 的 猜测 ;还 创造 了 “地 外 生物 学 ”这 一 名 词 来 指 地 球 之 外 的 生物 学 。 这 已 成 为 美国 国家 航空 和 宇宙 航行 局 (NASA ) 的 * 887 « eo ee 一 个 重要 目标 来 探索 其 他 行星 和 月 球 止 的 生命 迹象 。 虽然 月 球 表面 看 来 完全 无 水 ， 但 胃 球 人 尘土 里 也 有 过 微量 氨基 酸 的 记录 8 在 太阳 系 行星 当中 ， 只 有 火星 似乎 具备 适宜 的 表面 条 件 支 持 一 种 以 水 为 基础 的 生命 。 正在 设计 用 装配 着 仪器 的 竹 资 号 宇宙 飞船 在 火星 上 着 hi 以 分 析 它 表面 的 有 机 组 成 并 测定 在 火星 上 是 和 否 生 存 着 或 曾经 一 度 有 过 活 机 体 。 5 a a FEV AIA) AR EE FEAT A eee ee 6H ASS FE TR RE FER 1， 陨石 以 及 星际 空间 中 ， 都 反复 看 到 了 最 GAZ, 甲 酰胺 乙醚 普通 的 基本 单位 生物 分 子 的 大 部 分 。 这 PARR CAs 硫 甲醛 些 事实 明显 地 提示 ， 它们 可 能 是 化 学 进 化 中 普遍 而 相当 稳定 的 产物 汪 是 通过 在 能 量 学 上 有 利 的 反应 途径 形成 的 。 这 样 ， 我 们 现在 知道 的 基本 生物 分 子 可 能 是 不 仅 在 地 球 上 ;而 县 在 宇宙 内 有 具备 适宜 条 件 的 任何 地 方 的 化 学 进化 的 必然 产物 。 现在 拟 概述 原始 地 球 模拟 实验 的 结果 ,这 些 实验 结果 提示 了 最 初 原始 大 分 子 ,特别 是 .蛋白质 \ 酶 和 核酸 形成 的 可 能 途径 。 然后 将 考察 它们 如 何 集合 在 一 ci al “ 活 ” 结构 。 生命 出 现 a A 原始 基本 单位 分 子 经 过 无 生源 性 合成 作用 一 县 形成 以 后 ， 在 向 生物 分 隆 体系 进展 的 其 化 学 进化 由 ;下 一 步 必定 是 形成 共 价 键 ， 把 这 些 基本 单位 连接 成 象 核 童 酸 ; 肽 和 脂 类 的 更 复杂 的 生物 分 子 , 然 后 再 形成 象 多 糖 `、 多 肽 和 多 核 苦 酸 之 类 的 聚合 物 。 不 过 这 里 磁 到 一 个 矛盾 。 这 些 聚 合 物 的 基本 单位 之 间 的 共 价 键 是 通过 缩合 反应 而 形成 的 ， 而 缩合 反应 必 须 从 单 体 单位 移 去 水 的 成 分 。 然 而 肽 键 、 酯 键 和 糖 昔 键 在 稀 的 水 溶液 里 ,从 热力 学 上 说 却 是 不 稳定 的 。 它 们 倾向 于 水 解 ; 并 导致 大 的 负 标 准 自 由 能 变化 ,以致 在 平衡 时 区 这 种 键 只 有 极 少 数 能 够 存在 。: 要 在 原始 海洋 里 或 在 局 部 水 溶 和 被 体系 里 积累 任何 数量 的 原始 多 肽 & 多 糖 和 多 核 苷 酸 的 话 ,那么 它们 的 合成 率 就 必须 超过 其 降解 率 。 在 象 二 个 氨基 酸 那 样 的 两 个 基本 单位 分 子 之 间 ， 5 只 有 拖 种 方法 能 发 生 脱 水 缩合 反应 并 生成 大 量 产 物 。 人 一 种 方法 是 在 无 水 或 接近 无 水 的 条 件 下 ， :特别 是 在 水 沸点 以 上 的 高 温 下 进行 反应 s 另 一 种 方法 是 借助 于 化 学 缩合 剂 从 进行 TPR aia ot ah a 原始 地 球 条 件 下 ,两 种 方法 都 有 可 能 。 一 位 研究 生命 起 源 的 主要 人 物 8S.W. Fox 曾经 设想 ， 来 合 物 的 无 生源 合成 所 涉及 的 缩合 反应 大 都 是 加 热 性 质 的 。 我 们 将 看 到 他 和 他 的 共同 工作 者 证 明 ” 只 要 把 氮 基 酸 混合 物 加 热 到 约 130 一 180sC 左右 ; 便 可 以 形成 多 肽 。 虽 然 在 火山 附近 很 可 能 发 生 这 样 的 高 温 ， 可 是 对 有 机 化 合 物 , 特 别 是 糖 类 ,加 热 的 破坏 性 可 能 很 大 。 所 以 在 象 多 糖 或 多 核 车 酸 这 类 腹 弱 的 生物 聚合 物 的 形成 过 程 中 似乎 不 会 直接 涉及 到 热 缩 合作 用 。 因为 现在 的 活 细胞 都 用 一 种 化 学 缩合 剂 即 ATP. 的 焦 磷酸 根来 促成 象 糖苷 键 、 sia, Wii Hee BE AK BEE KAA ese BERS TE TAS FEE ti HH BLA BFR 酸 ; 多 肽 \ 多 糖 和 脂 类 的 形成 中 有 北 学 缩合 剂 参 加 的 想法 ， 引 起 大 们 的 注意 。 双 环 已 基 碳 化 二 亚 胺 (dicyclohexyl carbodiimide) 就 是 一 个 熟悉 的 化 学 缩合 剂 的 例子 , 常用 来 促成 气 基 * 888 酸 的 缩合 而 生成 肽 。M. Calvin 和 他 的 共同 工作 者 曾 指出 , MC Ale et WR RTE 前 体 。 他 们 发 现 , 在 辐射 能 作用 下 从 握 化 氢 所 形成 的 氮 基 氰 ,在 原始 地 球 条 件 下 进行 双 聚 Pri PH AE AEN Ccyanoguanidine), 后 者 容易 转变 成 一 种 碳化 二 亚 胺 衍生 物 。 这 一 缩合 剂 促进 氨基 酸 形成 简单 的 肽 类 * 如 图 37-5 所 示 552 它 也 促进 从 醇 类 形成 磷酸 酯 和 乙酸 醒 ， 从 正 磷酸 形成 焦 磷 酸 , 以 及 从 AMBP ,和 磷酸 形成 ADP。 FARRER AIM CAI 37-6) 也 是 有 效 的 缩 合剂 ; 氰 乙烯 基础 酸 盐 〈cyanovinyl phosphate) 也 是 一 样 , 后 者 是 由 磷酸 作用 于 丙 块 且 而 形 成 ;而 丙 业 且 则 是 由 甲烷 和 氮 混 合 物 上 的 放电 作用 形成 的 一 种 主要 产物 。 MARINER nn 氨基 所 ot lll ai BAC — TRB wt i id 2HCN —> NH, ~C=N 一 > N=C—NH—C—NH, 一 > NH=C=N— Corie Pa | NH 缩合 反应 - et) | aR I 氨基 酸 Il PRACT WE a4 Ry » R, NE 079908 ak galt iim eas enna NE “i H | iy NA =k | MRF R, R | | NH,— C— C—NH — C—COOH + ee ERR Ree 5 | | : = 9 NH LIE PA aK i :图 37-5 弦 合 剂 的 形成 与 作用 二 fae Hoc=n—0 | cen " goem N=cLNe—¢_Nq, Ch Se Pee aS ot BP bas Eh TAMU NSESGENy 0 一 0 HEA ee PALI WK fVataNacans - —— NF i t ‘ Oo o- o- o- a , moti | | (ARR HCSC—CSN)\) . 多 磷酸 eee oa ae ee LF ; Ot O 4 O 和 O _ ROMP _N=C—CH—CH 一 种 氨基 酸 的 氨基 础 酸 盐 ey dab peptic are OPO}- . QE aw ,和 图 37-6， 在 模拟 原始 地 球 实验 中 形成 的 一 些 缩合 齐 “于 另 一 种 浓缩 单 体 化 合 物 并 促使 其 缩合 成 聚合 物 的 方法 是 ， 通 过 某 些 富有 的 矿物 特别 是 陶 二 和 磷 灰 石 表面 的 吸附 帮 用 0 有 .Ratchalsky 找到 了 一 种 叫做 montmorillonite 的 陶土 ， “在 很 温和 的 条 件 下 促成 若干 缩合 反应 ,特别 是 促成 气 基 酸 连 接 成 长 条 多 肽 而 且 产 量 很 但 是 与 生物 学 缩合 反应 关系 最 密切 的 还 是 多 磷酸 和 多 磷酸 酮 ， 它 们 可 能 曾经 是 最 重 要 生物 学 缩合 剂 ATP 的 前 驱 者 。 在 火山 附 近 高 温 地 带 或 者 (在 比较 温和 条 件 下 ) 借 着 丙 ERASE MAS YE AD, 从 正 磷酸 矿 能 极 容易 发 生 多 磷酸 。 这 类 反应 在 原始 地 球 模 拟 实验 里 “889。 已 经 观察 到 了 。 在 紫外 线 照射 或 温和 加 热处理 下 ， 多 磷酸 或 其 酯 类 能 使 氨基 酸 脱水 形成 肽 类 。 多 磷 酸 酮 也 能 促使 从 腺 嘻哈 、 核 糖 和 磷酸 形成 AMP, (eM BR RERS RRR, REN 葡 糖 形成 葡萄 糖 聚 合 物 ， 这 些 已 得 到 'G. Schramm, C. Ponnamperuma， 和 其 他 研究 者 的 证 明 。 从 生物 学 观点 看 来 多 磷酸 还 有 其 他 优点 ,因为 它们 同 水 反应 很 慢 ,就 是 说 ,在 动力 学 上 是 稳定 的 ,但 同时 它们 水 解 的 AG" 负 值 大 ,就 是 说 ,在 热力 学 上 是 不 稳定 的 。 很 可 能 由 于 这 些 化 学 优点 ;， 所 以 ATP 的 多 磷酸 根 被 选择 成 了 一 种 生物 学 缩合 剂 。/ 逐 昔 部 分 给 了 ATP 一 个 容易 识别 的 分 子 “ 柄 ”, 借 此 同 磷酸 转移 酶 的 活性 位 点 相 结合 。 简单 多 和 磷酸 的 一 个 重要 进化 的 作用 又 从 另 一 事实 得 到 支持 ， 就 是 许多 现代 的 细菌 含有 无 机 多 磷酸 聚合 物 [蜡染 质 〈volutin) 或 蜡染 粒 ，(metachromatic granules)]， 起 着 储备 磷酸 键 能 的 作用 。 L. E. Orgel 与 其 同 工 作 者 们 发 现 了 ,只 须 把 正 磷 酸 同 尿 素 和 NHS 加 温 , 便 能 在 极其 温和 的 条 件 下 形成 多 磷酸 。 他 们 还 发 现 , 在 有 Mg* 存在 的 情况 下 ， 这 类 多 磷酸 很 容易 在 蒸发 时 同 氨基 酸 发 生 反 应 ， 产 生 大 量 的 氨基 酸 的 氨基 础 酸 (图 37-6)3 例如 同 咪 唑 或 组 氮 酸 反应 ， 形 成 一 种 有 环 氮 的 氨基 磷酸。 组 氮 酸 残 基 对 于 许多 酶 的 催化 活性 十 分 重要 ， 的 确 , 咪 唑 N- 磷 酸根 参加 若干 转 磷 酸化 反应 。Orgel 和 全 的 同事 们 已 经 提出 ,这 一 类 氨基 础 酸 可 能 曾经 是 现代 所 基 和 羧基 激活 酶 的 早期 前 体 ， 而 且 咪 唑 核 固 有 的 催化 活性 可 能 已 在 简单 催化 剂 的 早期 进化 中 被 利用 。 生命 出 现 前 多 的 的 形成 当 氨 基 酸 在 模拟 原始 地 球 条 件 下 加 热 、 受 到 放电 或 经 受 多 磷酸 酯 之 类 的 缩合 剂 处 理 ， 时 ， 便 形成 了 类 似 多 肽 的 育 合 物 。 Fox 和 他 的 同事 们 描述 过 ， 把 氨基 酸 混合 物 在 130 一 go umamwsetmanene 180" 加 热 数 小 时 , 或 者 以 更 长 此 时间 把 它们 与 本 wm ota ei . 多 磷酸 酯 一 起 加 温 到 50—60°C, 就 会 形成 他 们 所 一 一 一 称 为 类 蛋白 质 的 氨基 酸 聚 合 物 。 这 些 氨基 酸 聚 合 物 可 用 色 层 法 分 离 成 少数 几 种 类 型 。 用 这 种 方法 如 已 经 制备 了 酸性 、 中 性 和 碱 性 的 类 蛋白 质 j 类 蛋 3.9 白质 的 粒子 量 可 接近 20,000 道 尔 顿 , 含有 18 种 4.6 不 同 的 以 肽 键 结合 的 氨基 酸 。 这 种 类 和 蛋白质 不 是 ey 简单 的 随机 拼 捷 的 聚合 物 ; 它们 的 氨基 酸 成 分 可 0.2 能 与 原来 开始 用 的 氨基 酸 混合 物 的 成 分 很 不 相 2.7 同 。 从 任何 二 种 特定 混合 物 开始 ， 所 产生 的 类 蛋 it 白质 在 氨基 酸 成 分 上 都 非常 恒定 ( 表 37-3) 0 用 酸 9.6 水 解 时 类 蛋白 质 产 生 游 离 气 基 酸 ， 也 产生 一 些 非 6.8 ILM), A BRERA (EA ARO AP tho “it 类 蛋白 质 可 被 某 些 蛋白 水 解 酶 破坏 。 此 外 ， 它 们 5.2 还 显示 了 蛋白质 特 征 的 一 些 其 它 性 质 : :它们 能 被 541 盐 溶 或 盐 析 , 并 且 发 生 可 等 电 沉淀 它们 的 氨基 林 i: 3 端 顺序 并 不 反映 整个 聚合 物 的 成 分 。 这 一 点 也 表 mm cht HRSa MH RAtCReRYeoiReE SS 到 *。，890。 明了 类 和 蛋白质 的 非 随机 性质 。 把 血红 素 同 氨基 酸 混合 物 混 合 起 来 ;然后 加 热 , 已 经 制 成 了 看 红 素 类 蛋白 质 。 C. Krampitz 和 S. Fox 已 经 证 明 ,把 普通 氨基 酸 类 的 毛 酰 基 腺 昔 酸 酝 ( 即 在 形成 氨 栈 基 =RNA 中 同 酶 结合 的 中 间 产 物 ) 的 混合 物 放 在 pH 9.0 下 保温 ， 便 能 在 温和 温度 条 件 下 自发 地 形成 高 分 子 量 的 类 蛋白 质 。 既然 在 缩合 剂 的 存在 下 ,: 容易 从 游离 腺 昔 酸 和 谤 离 氨 基 酸 形成 氨 酰 基 腺 苦 酸 酯 ;那么 ,在 低温 下 的 稀 水 溶液 里 ， 采 用 类 似 现代 和 蛋白质 生物 合成 中 所 酰基 -了 RNA 所 采取 的 反应 途径 ,看 来 类 蛋白 质 的 形成 甚至 是 可 能 的 6 对 于 生命 出 现 前 多 肽 类 的 起 源 还 提出 了 其 他 的 假说 。 赤 十 四 郎 提 出 了 最 初 的 多 肽 类 可 能 起 源 于 氨基 酸 以 外 的 其 它 单 体 单位 的 聚合 作用 ,例如 从 毛 、. 甲 醛 和 和 氰 化 氢 容 易 形 成 氨 基 鼠 且 。 这 种 单 体 的 聚合 ,随后 水 解 失 氨 ， 可 能 产生 多 聚 甘 毛 酸 (图 37-7)。 如 果 甘 氨 酸 残 基 的 必 氧 原子 通过 次 级 反应 被 适当 的 R 基 团 置 换 的 话 , 那 末 多 甘氨酸 的 甘氨酸 残 基 就 能 作为 真正 蛋白 质 的 前 体 。 3HCN C=N AZA—fR | | HC—NH, : | NH NH : | C=N oe ; aa CH—CH,OH ; | | ao Leen C=O C=O COOH | | 聚合 作用 -NIEE ki? NH R 基 的 附着 -- NH HC 一 NH， -| 上 CH, (部 分 的 ) a CH—CH,OH a C=NH “C=O C=O | NH wii NH pe CH, : da OH | ‘a C=NH C=O C=O | | | 多 甘 氨 酰 亚 胺 多 甘氨酸 多 丝氨酸 图 37-7 ”关于 蛋白 质 起 源 的 赤 坦 四郎 假 说 因为 在 水 溶液 里 肽 键 在 热力 学 上 是 不 稳定 的 ,所 以 一 种 原始 类 蛋白 质 一 旦 发生, 就 将 很 容易 在 温暖 的 原始 海洋 里 遭 到 水 解 破 坏 o KH, 就 会 没有 一 个 类 和 蛋白质 分 子 能 够 长 期 生存 的 希望 了 。 这 个 事实 提出 了 一 个 最 根本 的 问题 ， 即 如 果 每 个 类 蛋白 质 分 子 只 能 短期 存在 ;而 且 如 果 无 法 记录 或 复制 “比较 优良 的 "类 蛋白 质 的 氨基 酸 顺 序 , 那 就 难于 理解 ， 任 何 一 种 特定 类 蛋白 质 怎么 能 二 个 残 基 一 个 残 基地 进行 进化 ， 改 进 为 更 适 于 生存 的 氨基 酸 顺序 。 这 只 是 从 数学 考虑 来 说 的 。 在 今日 所 知道 的 一 切 有 机 体 中 ,大 约 只 有 102 种 不 同类 型 的 蛋白 质 ,可 是 从 -20 种 不 同 的 氨基 酸 在 理论 上 却 能 形成 10? 种 以 上 不 同类 型 的 蛋白 质 。 我 们 还 将 回 到 这 点 。 生命 出 现 前 酶 活性 的 起 源 早期 海洋 的 水 分 子 提供 了 已 知 的 最 原始 的 普遍 存在 的 催化 剂 , Bete Ht 和 OH ”891。 离子 ， 它 们 能 促进 专 一 酸 或 专 一 碱 的 催化 作用 。 后 来 ， 当 最 初 的 有 机 酸 和 有 机 碱 被 非 生 物 地 形成 时 , 它们 便 产 生 了 最 初 的 广义 的 酸 和 广义 的 碱 催化 剂 ,例如 羧基 和 氨基 还 有 ;和 耕 物质 也 提供 了 多 相 催化 作用 的 可 能 性 s 在 酶 从 简单 前 体 的 进化 中 ,似乎 很 可 能 首先 出 现 催化 能 力 , 而 底 物 专 一 性 则 作为 较 蜀 的 进化 发 展 接着 出 现 。 例如 ,广义 的 酸 和 广义 的 碱 作为 催化 剂 起 作用 时 是 没有 底 物 专 二 性 的 ;它们 提高 了 涉及 质子 交换 的 许多 不 同 有 机 反应 的 速率 。 和 现代 酶 相 比 ;现代 酶 的 最 初 前 体 看 来 很 可 能 只 能 对 反应 速率 稍 有 提高 ,也 许 只 用 倍 ， a aahiciherblacconaniniel 提高 到 10°—10” fo 最 初 的 原始 催化 剂 很 可 能 是 二 些 短 链 的 多 肽 ,含有 一 个 反应 性 特 强 的 o-FR EE, 一 个 咪唑 环 或 一 个 羧基 ， 因 而 起 广义 的 酸 或 广义 的 碱 催化 剂 的 作用 。 从 这 种 肽 类 向 更 高 效 习 更 具有 专 云 性 的 催化 剂 的 进化 过 程 中 ， 可 能 牵涉 到 对 肽 结构 上 某 些 修饰 的 选择 ， 因 为 这 些 修 饰 了 的 肽 结构 更 为 稳 定 ， 并 有 较 大 的 催化 力 ，, 而 能 更 好 地 修改 其 环境 ， -所 以 能 够 更 好 地 生存 下 来 。 前 面谈 到 的 那些 高 分 子 量 类 蛋白 质 ”也 可 能 是 酶 的 前 体 。Fox 和 他 的 释放 的 二 氧化 碳 Bag 共同 工作 者 已 经 查 出 在 加 热 下 形成 的 类 蛋白 质 中 图 37-8 ”丙酮 酸 在 一 种 类 蛋白 质 的 催化 作用 “一 些 提高 了 速率 的 活性 ， 包 括 酯 水 解 作 用 ，%x- 酮 下 的 脱羧 作用 酸 的 脱羧 作用 、 以 及 脱 氮 作用。 某 些 类 蛋白 质 对 于 p- 硝 基 葵 醋酸 酯 的 酯 酶 活性 业已 发 现 具 有 一 个 最 适 的 pH 值 ， 显 示 出 能 被 底 物 饱和 ， 即 符合 Michaelis-Menten 动力 学 , 可 被 热 破 坏 , 并 且 依 赖 于 组 氮 酸 残 基 的 存在 。 含 锌 的 类 蛋白 质 表 现 出 ATP 酶 的 活性 ， 含 有 血红 素 的 类 和 蛋白质 则 表现 出 过 氧化 物 酶 的 活性 。 在 能 够 采取 专 一 的 三 维 空间 球状 构 型 的 多 肽 长 链 出 现 之 前 ， 催 化 剂 向 着 具有 底 物 专 一 性 的 进化 是 不 可 能 取得 多 大 进展 的 。 再 说 ， 看 来 如 果 没 有 能 够 复制 氨基 酸 顺 序 的 某 种 形式 的 模板 的 话 , 那 么 ,多 肽 催化 剂 一 个 残 基 一 个 残 基地 逐渐 的 进化 改进 简直 是 不 可 能 实 现 的 。 生命 出 现 前 核 昔 酸 和 核酸 的 站 源 前 面 已 经 指出 ， 在 模拟 的 原始 地 球 条 件 下 ， 已 经 证 明 壤 生 过 核 音 酸 类 的 有 机 基本 单位 即 喀 啶 \ 球 叭 核糖 和 2- 脱 氧 核糖 。 此 外 ，* 在 模拟 原始 地 球 的 实验 里 ， 还 测 出 子 象 腺 苷 和 脱 氧 腺 昔 之 类 的 核 苷 。: 当 核 昔 和 多 磷酸 酯 被 加 热 或 经 紫外 线 照射 时 便 形 成 子 核 昔 酸 的 混 合 物 ， 其 磷酸 根 可 能 存在 于 核糖 部 分 的 任何 一 个 可 达到 的 碳 原子 止 。 在 乙 基 偏 磷酸 的 存 在 下 ， 通 过 加 热 或 照射 腺 苷 或 腺 味 叭 与 核糖 的 混合 物 , 不 仅 可 以 产生 57= 腺 车 酸 CAMP), 而 且 可 以 产生 ADP 和 ATP, 核酸 化 学 进化 的 下 一 步 是 在 相连 接 的 核 背 酸 之 间 形 成 核 昔 酸 之 间 的 键 。 在 模拟 原始 地 球 实验 里 ， 在 作为 缩合 剂 的 多 磷酸 的 存在 下 ， 把 核 苷 酸 在 50 一 65s%c 下 加 热 , 也 已 经 观 察 到 了 这 一 点 s 这 些 非 生物 形成 的 低 聚 核 苷 酸 当中 , 核 昔 酸 间 键 大 多 数 都 是 2054 键 ; 3， 892。 4 5 键 似乎 不 易 形成 。 现 在 的 3 ,5 键 无 疑 地 比 其 它 可 能 的 类 型 具有 重大 的 优点 ,但 是 可 能 发 生 在 比 其 它 优先 增高 3 ;5 键 的 合成 作用 的 专 一 性 酶 的 发 展 以 后 。 模板 体系 的 非 生物 形成 我 们 已 经 认识 到 多 肽 和 多 核 苷 酸 链 很 可 能 在 原始 姜 计 中 就 已 很 好 地 形成 了 。 然 而 问 题 在 于 : 在 多 肽 和 核酸 的 分 乞 进 化 过 程 里 。 这 些 链 上 的 单 体 的 专 一 顺序 是 怎样 被 记录 的 或 者 是 怎样 被 复制 的 ”从 现代 的 关于 模板 功能 知识 的 有 利 观 点 来 看 ， 我 们 知道 核酸 起 着 模板 作用 ， 而 蛋白 质 却 不 能 。 模式 实验 已 经 证 wil okcaine 明 ， 在 简单 得 多 的 体系 里 都 能 够 看 到 象 DNA 双 tu “Sie ax 螺旋 所 固有 的 碱 基 配 对 。 当 不 含 核糖 和 磷酸 的 腺 呆 叭 和 尿 喀 院 的 简单 衍生 物 溶 液 互相 混合 时 ,溶液 里 便 自发 地 形成 腺 味 叭 =- 尿 喀 啶 复合 物 ， 借 氢 键 保持 稳定 。 这 种 复合 物 可 用 物理 化 学 方法 加 以 检验 ;事实 上 ， 在 某 些 条 件 下 ,可 以 把 它们 从 溶液 中 结晶 出 来 。 同样 ; 胞 喀 啶 和 鸟 呆 叭 的 衍生 物 也 会 形成 混合 的 复合 物 ,不 过 胞 喀 啶 - 腺 味 叭 对 或 尿 喀 啶 - 鸟 味 叭 对 很 不 稳定 。 用 同样 的 理化 方法 检验 溶解 在 无 水 溶剂 里 的 二 切 可 能 的 碱 基 对 ， 证 明 腺 味 叭 倾向 于 同 尿 哮 啶 优先 结合 ,而 鸟 嘎 叭 则 ©. 同胞 叶 喧 优先 结合 号 因 此 ， 专 一 性 碱 基 配 对 并 不 slic OE SE Hy Ag EADS} Be REE, A 这 种 游离 的 A-U Bt G-C 对 的 稳定 性 当然 比 核酸 多 聚 -U 模板 加 速 多 聚 A 的 形成 ”有 多 聚 -U 模板 形成 多 聚 A 5 10 时 间 (小 时 ) 图 37-9 在 多 聚 口 模板 上 AMP 分 子 的 排列 。 在 一 种 碳化 二 亚 胺 缩合 剂 的 存在 下 ,多 聚 - 吕 模板 促进 了 多 聚 A 的 形成 。 双 链 上 的 碱 基 对 的 稳定 性 要 低 得 多 。 在 稀 咨 液 里 ， 某 种 游离 单 核 音 酸 同 单 股 多 核 背 酸 中 的 专 一 核 苷 酸 残 基 也 优先 结合 。 例 如 , 当 把 游离 的 腺 昔 5 - 磷酸 和 多 尿 苷 酸 混合 时 ,游离 的 AMP 分 子 便 同 尿 苷 酸 残 基 通 过 互补 碱 基 之 间 的 氢 键 结合 起 来 ,生成 一 条 只 有 一 个 共 价 主 链 的 螺旋 状 结构 (图 37-9)。 AR, MSR SH CMP 混合 时 ,也 形成 一 种 互补 了 893 * 的 单 股 螺旋 。 这 样 ， 一 条 多 核 痛 酸 链 能 够 发 挥 模板 作用 ， 同 游离 的 互补 单 核 苷 酸 结合 来 。 因 此 可 以 想象 生命 出 现 前 的 缩合 剂 在 同 模板 结合 的 单 核 苷 酸 之 间 ， 必 然 曾 形成 核 昔 酸 的 键 , 从 而 产生 一 条 互补 的 多 核 背 酸 。 Orge 和 他 的 共同 工作 者 证 实 李 这 一 点 o。 他 们 把 水 盗 性 碳化 二 亚 胺 缩合 剂 加 到 含有 单 股 多 聚 -U 模 板 分 子 和 游离 AMP 的 溶液 里 。 不 仅 形 成 了 多 腺 苷 酸 ， 而 且 形 成 的 速率 比 没有 模板 时 要 高 得 多 《图 37-9)。 在 这 些 条 件 下 形成 的 互补 多 核 背 酸 具 有 :2 .354 核 背 酸 键 。 这 些 实验 以 及 其 他 实验 证 明 , 在 无 生源 性 原始 地 球 条 件 下 ,多 核 昔 酸 是 能 够 作为 互补 多 核 音 酸 的 非 酶 促 合 成 的 模板 的 。 不 对 称 生 物 分 子 的 起 源 . 活 物 质 的 显著 特点 之 一 是 , 它 的 所 有 有 机 化 合 物 ， 都 含有 一 个 或 多 个 不 对 称 碳 原子 ， 但 却 仅 以 一 种 立体 化 学 构 型 出 现 。 在 无 生命 的 物质 中 ,除非 在 实验 室 条 件 下 去 设计 产生 具 有 不 对 称 碳 原 子 的 化 合 物 ， 否 则 是 看 不 到 立体 化 学 不 对 称 性 的 。 因 为 氨基 酸 在 所 有 可 能 性 上 首先 是 从 无 机 物 前 体 通 过 非 生物 反应 而 形成 的 ， 所 以 它们 非常 可 能 以 外 消 旋 混合 物 OUR RREH BMH. BA, 对 今天 的 蛋白 质 只 含 L- 氨 基 酸 这 一 事实 我 们 又 怎样 解释 呢 ? 我 们 已 经 看 到 ,从 含有 全 部 是 工 -氨基 酸 或 全 部 是 D- 氨 基 酸 的 多 肽 链 ,都 可 以 形成 x- 螺旋 .既然 任何 一 种 已 知 氨基 酸 的 L- 和 D- 立 体 异 构 体 在 结构 上 和 反应 性 上 都 是 一 样 的 ， 不 同 的 只 是 它们 互 为 不 能 伏 合 的 镜 象 体 ， 生物 活性 的 蛋白 质 在 理论 上 是 可 以 从 任何 一 个 系列 制 成 的 。 然 而 , 从 二 和 D- 立 体 异 构 体 随机 混合 而 成 的 多 肽 是 不 会 形成 稳定 的 w- 螺 旋 的 。 所 以 多 肽 所 含 的 氨基 酸 或 全 为 左旋 ,或 全 为 右 旋 , 大 概 具有 一 种 生物 学 的 优点 现 在 大 们 相信 L- 氨 基 酸 之 所 以 被 选 为 蛋白 质 的 基本 单位 ， 纯 粹 是 出 于 偶然 ,而 不 是 他 们 具 有 任何 固有 的 超过 D- 氢 基 酸 的 优点 。 这 种 想法 也 提示 ,所 有 活 机 体 都 来 自 一 个 细胞 系 ; 因 为 今天 所 有 活 机 体 的 蛋白 质 都 由 -氨基 酸 组 成 。 最 后 是 在 酶 的 活性 位 点 里 ,保存 了 生物 的 立体 专 一 性 ,这 些 酶 都 能 从 光学 不 活性 的 前 体 物 质 中 形成 一 种 专 一 的 立体 异 构 体 。 在 催化 剂 本 身 是 一 个 光学 的 对 映 体 的 情况 下 ， 我 、 们 已 经 观察 到 了 某 些 非 生 物性 聚合 反应 的 立体 专 一 性 催化 作用 s 光学 专 一 性 在 核酸 复制 中 的 重要 性 , 从 Orgel 和 他 的 同事 们 的 有 远 的 实验 得 到 了 证 明 。 当 用 完全 D- 型 核糖 单位 的 多 尿 昔 酸 作为 模板 , 来 促进 由 氢 键 结合 的 AMP 分 子 的 非 酶 促 缩合 作用 以 形成 多 腺 背 酸 时 ,接着 发 生 的 是 AMP 的 D- 立 体 异 构 体 的 缩合 作用 ;而 不 是 工 -立体 异 构 体 的 缩合 作用 。 所 以 , 看 来 一 个 具有 光学 上 相似 的 单 体 单位 的 多 核 昔 酸 模 板 一 旦 形成 ,就 将 优先 指导 光 性 类 型 相同 的 另 一 条 多 核 背 酸 链 的 合成 ,尽管 形成 新 链 的 这 个 核 昔 酸 库 是 一 种 D 型 和 工 型 的 混合 物 。 | | “He Gir” ROWE A SH FL FS VR 我 们 已 经 看 到 在 生命 出 现 前 的 化 学 进化 中 如 何 形 成 原始 的 多 肽 ,多 糖 ,多 核 昔 酸 ,催化 剂 和 复制 过 程 的 模板 。 现 在 我 们 到 了 化 学 进化 中 的 关键 时 刻 ,这 时 通过 若干 无 生源 性 地 形 “894。 成 的 大 分 子 组 份 的 偶然 结合 ， 产 生 了 一 种 提高 了 生存 价值 的 独特 体系 ,能 向 一 个 更 复杂 的 结构 演化 ,并 能 生存 得 更 好 ,从 而 出 现 了 最 初 样子 的 “生命 "s 但 是 ,具有 “生命 “的 最 初 结构 并 不 一 定 是 一 个 具备 细胞 膜 、. 染 色 体 、 核 蛋白 体 、 酶 代谢 以 及 自身 复制 性 质 的 现代 细 胞 。 最 低 要 求 是 它 具 有 发 展 成 一 个 完全 细胞 的 潜在 能 力 。 正 是 在 这 个 时 刻 ， 一 堆 有 机 分 子 , 可 能 是 一 群 低 聚 物 或 多 聚 物 , 互 相 结合 形成 一 个 稳定 的 结构 。 这 里 我 们 能 很 容易 想象 ， 这 类 比较 稳定 的 结构 是 通过 组 份 分 子 间 的 朴 水 性 相 闻 作 用 而 发 生 的 ， 从 而 在 由 填 围 水 分 子 寻 求 它 们 最 大 焙 的 位 置 的 倾向 所 容许 的 过 程 中 ,它们 的 非 极 性 表面 互相 结合 ,形成 一 种 胶 粒 样 结构 。 用 这 种 方式 一 群 或 一 个 具有 亲 水 外 表面 和 部 分 地 朴 水 的 内 部 的 胶 粒 就 能 形 成 。 这 样 的 结构 可 能 包括 脂肪 酸 或 脂 类 ,它们 自发 地 形成 膜 和 胶 粒 ,或 具有 路 水 性 区 带 的 其 他 分 子 , 例 如 含有 许多 具有 路 水 性 R 基 团 的 氨基酸 的 多 肽 。 我 们 无 法 给 “生命 "下 一 个 确切 的 定义 以 便 足 够 去 决定 在 从 原先 形成 的 大 分 子 组 份 向 一 个 完全 细胞 发 展 的 一 连 串 事件 中 ， 生 命 究竟 从 哪 一 所 开始 。 不 过 ,人 们 普遍 承认 ,生命 的 一 个 最 起 码 的 要 求 是 一 个 或 多 个 能 决定 其 本 身 复 制 的 信息 大 分 子 。 可 是 有 人 要 问 : 在 生 命 起 源 中 ,什么 是 第 一 位 的 ? 是 核酸 ,还 是 蛋白 质 ? 一 种 观点 认为 : 最 初 的 原始 细胞 在 原 始 催化 剂 (假定 是 多 肽 ) 首 先 被 膜 所 包围 或 者 挨 人 到 一 种 凝 胶 状 基质 的 时 候 便 发 生 了 ， 认 为 由 此 形成 的 结构 “学 会 "用 一 种 原始 的 代谢 来 维持 自己 。 按 照 这 项 观点 ， 最 初 的 细胞 是 在 没有 核酸 和 遗传 体系 的 条 件 下 进行 活动 的 ， 而 核酸 和 遗传 体系 则 是 以 后 获得 的 。 另 一 种 观点 却 主 张 核酸 最 先 发 生 ， 认 为 核酸 为 蛋白 质 的 进化 提供 信息 s 第 三 种 意见 是 核酸 和 蛋白 质 两 者 须 结 合 在 一 起 ， 才能 形成 一 个 活 细胞 的 最 初 的 真正 前 体 。 我 们 现在 拟 讨论 根 AAA Hl Fe RD i Oparin 曾 提出 ， 当 一 个 或 多 个 有 催化 活性 的 、 大 概 是 蛋白 质 的 大 分 子 ， 其 表面 上 形 成 界面 或 膜 的 时 候 ， 便 发 生 了 细胞 的 最 初 前 体 , 他 把 这 个 前 体 叫 做 原生 物 〈Pprotobionts)。 Oparin 提出 ,通过 团聚 Ccoacervation) 过 程 , 欠 原始 浓 壮 里 可 能 产生 一 个 细胞 相 。 这 个 团聚 过 程 是 一 种 物理 现象 ,往往 发 生 在 高 度 水 合 了 的 聚合 物 的 水 溶液 中 。 团 聚 作 用 的 定义 是 ， 一 种 聚合 物 的 连续 单 相 水 溶液 自发 地 分 离 形 成 两 个 水 相 ; 一 个 水 相 的 聚合 物 浓 度 较 高 , 另 二 个 水 相 的 聚合 物 浓度 则 相对 地 较 低 。 进 行 团聚 作用 的 倾向 ， 主 要 是 聚合 物 的 分 子 大 小 以 及 穿 过 又 合 物 间 隙 的 水 的 多 少 这 两 者 的 函数 。 在 原始 有 机 壮 汁 中 所 发 生 的 这 种 团聚 过 程 可 以 产生 由 聚合 物 浓度 高 的 那 一 相 所 组 成 的 微小 滴 。 Oparin 进一步 假设 , 某 些 小 滴 可 能 捕获 一 种 原始 催化 剂 (假定 是 一 种 多 肽 ) DL Hi 萄 糖 或 氨基 酸 之 类 的 底 物 分 子 - 这 样 的 团聚 体 小 滴 因 而 具有 一 种 简单 的 单一 反应 的 “代谢 作用 `。 他 还 假设 ， 这 种 进行 代谢 的 小 滴 又 进一步 同 周围 的 水 环境 互相 作用 ,获得 能 够 挨 大 到 有 目 己 结构 中 来 的 其 他 化 合 物 ， 从 而 引起 了 小 滴 的 增长 。 当 小 滴 长 大 到 物理 因素 所 限 制 的 体积 的 时 候 , 小 滴 便 会 分 裂 为 更 小 的 小 滴 , 正 象 油 在 水 中 的 粗 乳 浊 在 振荡 时 分 散 成 细 乳 浊 流 一 样 。 在 如 此 形成 的 后 代 小 滴 当 中 ， 有 些小 滴 可 能 保留 从 亲 代 小 滴 衍 生出 来 的 催化 剂 分 子 , 因 而 能 “增长 ”成 另 一 代 的 小 滴 。 Oparin 和 共同 工作 者 用 团聚 体系 统 做 过 一 些 有 趣 的 模式 实验 ,来 说 明 他 的 假说 是 可 ”895 » 能 的 。 在 某 些 条 件 下 ,多 肽 多糖 或 RNA 的 浓 水 溶液 能 被 诱导 形成 一 些 团聚 小 滴 , 小 滴 体 积 为 10 一 10 立方 厘米 ,多 聚 体 浓 度 为 5—50 % 。 酶 可 以 摊 人 到 这 种 小 滴 里 去 (图 37-10). 抗坏血酸 iin ae 磷酸 化 本 Py 激活 叶绿素 ANY 淀粉 NADH Abe a Bs wHEB 5; ae 图 37-10 含 酶 的 合成 团聚 小 滴 中 的 原始 代谢 作用 左 ， 一 个 能 从 葡萄 糖 1- 磷 酸 合成 麦芽 糖 的 小 滴 中 ”一 个 表现 电子 传递 的 小 滴 右 ” 一 个 能 在 照明 情况 下 把 电子 从 抗坏血酸 通过 叶绿素 传递 给 染料 的 团聚 体 小 沉 把 含有 糖 原 磷 酸化 酶 的 团聚 体 小 滴 放 到 葡萄 糖 1- 磷 酸 溶液 里 时 , 小 滴 内 便 会 形成 一 种 演 粉 样 聚 合 物 。 如 果 小 滴 内 还 含有 把 淀粉 分 解 为 麦芽 糖 的 5- 淀粉 酶 的 话 , 那么 它们 就 会 把 从 介质 中 得 来 的 葡萄 糖 1- 磷 酸 转 化 成 麦芽 糖 , 考 车 糖 又 回 到 介质 里 去 。 还 可 以 制 成 合成 的 团聚 体 小 滴 , 其 中 含有 黄 素 蛋白 质 NADH 脱氧 酶 和 一 种 可 还 原 性 染料 。 这 类 小 滴 能 从 SAB NADH 接受 还 原 当 量 ， 并 把 它们 传递 给 染料 分 子 , 然 后 后 者 可 以 以 还 原形 式 酸 放 到 介质 里 去 。 可 以 把 叶绿素 掺 人 到 一 个 聚合 物 来 制造 光合 性 小 滴 ; 在 照明 下 ,这 种 小 滴 促 进 抗坏血酸 对 染料 的 还 原作 用 ,这 是 Hill 反应 的 一 个 模型 。 Oparin 的 团聚 体 小 滴 显 然 是 个 模型 。 它 们 是 从 生物 合成 的 物质 制 成 的 , 而 不 是 在 模拟 原始 地 球 条件 下 形成 的 。 再 者 它们 也 不 能 供 自身 复制 或 进化 之 用 。 EAR AR Fox 和 他 的 共同 工作 者 详细 地 描述 了 另 一 类 称 为 微 球 (microsphere) 的 自我 生成 的 细 胞 样 结构 。 在 适宜 的 pH 和 盐 浓度 的 条 件 下 ， 让 加 热 生 成 的 类 蛋白 质 的 热 浓 溶 液 慢 慢 冷 却 ， 便 会 自发 地 产生 这 种 不 寻常 的 微 球 体 。 微 球 为 相当 一 致 的 球形 小 滴 , 直 径 约 2.0 微米 (图 37-11)0 FEE 当地 调整 pH 时 , 微 球 的 外 层 界面 显示 出 双 分 子 层 结构 ,和 自然 膜 相 似 ; 尽 管 微 球 不 含 脂 类 ， 但 确 含有 具 非 极 性 的 能 提供 类 似 脂 类 屏障 的 了 基 团 的 ER. AK, ERE pH3 一 7 时 相当 稳定 。 把 微 球 转移 到 高 沙 或 低 次 的 盐 溶液 中 时 ， 微 球 便 会 皱 缩 或 者 膨大 ， 表 明 它 们 有 一 个 半 透 性 膜 包围 内 部 图 37-11 类 蛋白 质 微 球 , 它 们 的 平均 直径 为 1.9 WK. 了 闻 隔 ， 在 间隔 中 含有 被 捕获 的 盐 类 和 可 溶性 类 和 蛋 3 896 ¢ 白质 。 微 球 表现 几 种 类 型 的 细胞 样 行为 。 适当 地 改变 pH 或 者 接触 Mgcl 都 可 以 诱导 微 球 进行 裂解 或 分 裂 。 另 外 ， 如 果 让 微 球 悬 浮 液 静 置 1 或 2 星期， 它们 便 会 进行 一 种 出 芽 过 程 ， 这 类 芽 体 可 以 脱离 母体 微 球 并 形成 第 二 代 的 微 球 ( 图 37-12), RBA WME BAR 接合 生殖 的 样子 。 也 能 证 明 当 其 从 具有 催化 活性 的 类 蛋白 质 形成 时 ， 它 们 便 加 速 化 学 反 ho PRBOR AOU i REE S. W. Fox 请 ae At xi Aj | 20 Re Z meee: S. W, Fox | ia stn tana AT ERAT SER RA RR Re ag Af 日 | Bi i JI 全 he, 图 37-12 微 球 的 出 芽 和 复制 ， i PU 1 ow BBR: ESRI: LEAP-ATRTE NOTE, PROD HR ALE OUR ARR HR 蛋白 质 形成 的 。 按 照 他 的 见解 ,类 蛋白 质 的 形成 乃 是 遗传 信 persian 第 二 步 便 是 形成 微 球 的 非 偶然 结构 Fox 及 共同 工作 者 在 其 较 近 研究 中 证 明 : RPR 与 同型 多 核 昔 酸 多 聚 Cc fis RU > ;而 不 与 多 聚 A 或 多 聚 G 结 合 。 另 一 方面 , 富 于 精 氮 酸 的 类 蛋白 质 却 有 选择 地 与 多 聚 A 和 多 聚 G 结 合 。 以 这 种 方法 就 能 够 用 类 蛋白 质 内 的 信 塌 选 择 多 核 音 酸 。 此 外 ,值得 注意 的 是 当 氨 基 酰 腺 音 酸 同类 蛋白 质 -多核 昔 酸 复合 物 一 同 保温 时 ， 便 会 产生 低 聚 肽 类 ,这 就 具有 核糖 体 的 二 些 特征 了 。 Fox 提示 带 有 这 种 原始 化 学 信息 的 类 蛋白 质 可 能 把 信息 传 给 一 种 原始 核酸 ; 某 些 美 蛋白 质 和 多 核 背 酸 之 间 相 互 作用 en sateen nite ib HARIAIRD Pox SFA ERO HE RB ARID PE I ANNES: s, +8976 eum ，( 受 核酸 控制 ) 达尔 文 (生物 ) 进化 获得 ATP 体系 时 其 | 获得 密码 体系 | 原始 细胞 《被 膜 包围 ,能 复制 ) 化 学 进 REAR ( 非 偶然 拼凑 而 成 ;有 催化 活性 ) H,0 原始 反应 剂 37-13 Fox 的 生命 类 蛋白 质 起 源 假说 基因 假说 : 没有 蛋白 质 的 生命 生命 起 源 的 另 一 假说 以 核酸 在 最 初 的 信息 大 分 子 中 是 首要 的 为 根据 。 1929 年 , 遗 fF H. Muller 装 述 了 这 个 假说 。 他 提出 生命 从 一 个 或 多 个 基因 的 无 生源 性 形成 开 始 。 Muller 主张 ， 活 体系 的 最 低 性 能 \ 即 进行 代谢 的 能 力 和 自我 复制 的 能 力 ) BOA 在 地 存在 于 基因 之 内 只 要 把 基因 放 在 一 个 细胞 内 的 适当 分 子 环境 中 , 便 能 为 子 细胞 的 形 成 编码 。 当 Muller 首先 发 表 这 一 主张 时 基因 的 化 学 本 质 尚 不 明确 。 用 现代 术语 来 说 ， 这 种 假说 主张 : 一 个 核酸 分 子 由 于 它 能 够 给 蛋白 质 编 码 ,能 自行 复制 , 并 发 生 突变 , 因而 可 能 具有 生命 的 潜在 能 力 。 至 于 界 膜 的 获得 和 催化 剂 的 发 展 ， 则 认为 是 较 晚 的 进化 事件 。 若干 年 间 , 基 因 假 说 没有 得 到 充分 的 发 展 , 但 是 随 着 分 子 遗 传 学 较 新 知识 的 出 现 , 有 些 研 究 者 特别 是 N. W. Pirie, N. Horowitz, F. H. C. Crick 和 L. E. Orgel Sti AHA RF. - 我 们 不 仿 检 查 一 下 支持 核酸 假说 的 三 个 主要 方面 的 思想 和 证 据 。 一 个 来 源 于 寄主 细 胞 内 病毒 分 子 结构 和 自行 复制 的 现代 知识 。 另 一 个 来 源 于 现代 细胞 内 核 苷 酸 所 进行 的 广 泛 的 生物 学 功能 ,第 三 方面 的 思想 则 来 源 于 核糖 体 RNA 在 蛋白 质 合成 中 的 作用 s 病毒 ,这 个 常常 被 看 成 是 “处 于 生命 冰 上 ”的 结构 ,可 以 想象 代表 最 初 简单 原核 细胞 的 前 体 。 最 简单 的 象 烟草 花 叶 病毒 ， 只 不 过 是 一 个 由 带 有 信息 的 单个 核酸 分 子 和 一 层 外 壳 所 组 成 的 复合 物 , 外 壳 则 由 相同 蛋白 质 单 体重 复 而 成 ,只 起 着 一 种 保护 鞘 的 作用 。 BAH 面 ， 最 大 和 最 复杂 的 病毒 可 含有 一 层 磷脂 膜 ， 并 具备 一 种 或 多 种 酶 促 活 力 ; 确 实 * 它 们 的 在 大 小 和 最 简单 的 原核 细胞 相差 不 大 。 在 最 微小 的 病毒 里 ,核酸 分 子 只 含 凡 个 基因 ,不 过 在 最 大 的 病毒 , 象 牛 总 和 其 他 动物 癌 病 病毒 中 ,核酸 却 含 有 几 百 个 基因 。 曾经 长 期 琢磨 过 已 知 的 最 大 病毒 可 能 就 是 很 小 的 细胞 。 一 群 很 微小 的 细菌 只 能 在 特 定 寄主 细胞 里 面 营 寄生 生活 ; 最 大 的 动物 病毒 ， 在 体积 和 感染 行为 上 同 这 些 细菌 有 些 相 似 。 这 些 寄生 型 原核 生物 包括 衣原体 属 (Chlamydia) 和 立 克 次 氏 体 : 衣原体 包括 人 类 网 ¢ 898 « , ‘ 区 é RS Fv ADK EE SE AY FRA sD RR REE (RRA ARAL BE 5 Ls A PR EA 基山 斑 疹 热 。 鹦 起 热 的 病原 体 多 年 来 被 认为 是 病毒 。 这 种 病原 体 不 能 脱离 寄主 机 体 以 单 GRU SERIE WF RNY 60 亿 道 尔 顿 , 兼 含 DNA 和 RNA, 能 催化 若干 代谢 反应 。 较 近 ; 根 据 对 病毒 所 下 的 更 严格 ;也 许 有 些 武断 的 定义 ， 把 鹦 吏 热 病原 体 又 分 类 列 人 组 菌 一 类 as 按照 这 条 定义 ; 病毒 是 一 种 在 其 生命 周期 中 有 一 个 细胞 内 相 的 病源 体 ， 它 (1) 只 能 从 其 本 身 的 核酸 进行 繁殖 ,20 只 含有 一 种 核酸 AEE RNA, BE DNA, (3) KA ATP- ADP 体系 来 传递 代谢 能 量 , 以 及 (4) 不 能 生长 或 分 裂 成 两 个 。 但 是 BRR A LAE 个 极端 原始 的 和 发 育 不 全 的 细胞 。 它 和 不 但 很 小 (0.2 一 0.5 HA), 结构 简单 ,而且 完 全 缺乏 一 种 ATP-ADP 体系 和 磷酸 转移 酶 5 它 虽 然 确 含 有 合成 它 的 某 些 组 份 所 需要 的 酶 , 但 却 缺 乏 糖 酵 解 和 三 羧 酸 循环 所 需要 的 各 种 酶 。 这 种 机 体 大 概 依靠 寄主 细胞 来 获得 ATP 能 量 及 其 前 体 生物 分 子 。 婴 更 热 病 有 机 体 虽 被 正式 划 为 细菌 ， 但 是 它 可 能 被 视 为 代表 从 病毒 逐步 进化 到 真正 原核 细胞 过 程 中 的 一 个 过 渡 类 型 。: 另 一 方面 ,许多 研究 者 (如 果 不 是 大 多 数 大 的 话 ) 认 为 * 它 可 能 代表 一 度 是 完全 的 细菌 所 发 生 的 一 种 突变 性 退化 ， 当 它 变 成 依赖 于 寄主 细胞 时 就 不 可 逆 地 形 失 了 一 些 基因 。 二 “现代 机 体 中 核 背 酸 功 能 的 显著 多 样 性 ， 提示 了 支持 核酸 在 生命 起 源 中 起 核心 作用 的 另 一 方面 论证 。 核 苷 酸 是 DNA .和 三 种 主要 类 型 的 RNA 的 结构 的 单 体 单位 〈monomeric units), 专 一 的 核 背 酸 或 其 衍生 物 也 用 来 作为 能 量 载体 (ATP; ADP)、 氧 或 电子 载体 (NAD, NADP, FMN 3 FAD), 糖 的 载体 KUDP)、 脂 类 组 份 的 载体 (CDP)、 以 及 酰基 载 体 人 CoA)。 这 样 ,在 新 陈 代 谢 和 能 量 转 移 的 一 切 方面 \ 以 及 在 遗传 装置 上 ; 核 萌 酸 都 是 重 要 的 功能 性 元 素 。 从 核酸 又 可 以 传 下 特有 的 一 些 磷酸 二 酯 键 合 ， 它 把 一 个 接 一 个 的 甘油 残 基 或 核糖 醇 残 基 依 次 连接 成 磷 壁 酸 质 的 骨架 ， 以 及 把 甘油 和 其 他 醇 类 连接 成 磷酸 甘油 酯 的 骨架 。 这 些 关 系 强 有 力 地 提示 ， 细 胞 的 许多 基本 的 代谢 和 址 传 机 构 可 能 是 从 核 背 酸 进化 或 发 展 而 来 。 现在 ;我 们 也 许 能 开始 理解 ， 生命 的 原始 形式 是 怎样 在 核 首 酸 化 学 的 基础 上 发 生 的 5 最 原始 的 核酸 可 能 通过 主 述 无 生源 性 形式 形成 的 多 磷酸 CATP 的 可 能 前 驱 ) 的 作用 ,在 无 酶 条 件 下 自行 复制 。 需 要 有 吡 啶 的 脱 氢 酶 的 最 初 形式 可 能 由 低 聚 核 背 酸 组 成 ， 这 种 低 聚 核 昔 酸 的 一 个 单 核 苷 酸 单 位 含有 可 还 原 性 获 酰 胺 环 作为 碱 基 ,而 不 含 任何 标准 碱 基 。 因此 ， 一 个 以 核 昔 酸 为 基础 的 原始 生命 ,没有 蛋白 质 也 能 存在 ,这 种 说 法 似乎 是 有 道理 的 EX 已 描述 过 ， 关 于 多 核 苷 酸 能 与 单 核 背 酸 进行 碱 基 配 对 ， 从 而 能 复制 其 信息 的 有 关 模 式 反 Mo 但 是 这 一 点 也 是 十 分 明确 的 5 即 没 有 和 蛋白质、 特别 是 没有 酶 了 在 进化 止 便 不 可 能 有 多 大 进展 oj 如 果 基 因 首 先 发 生 ;那么 ,最 初 的 蛋白 质 又 是 怎样 发 生 的 呢 ? 9 近来 ,特别 是 Crick 和 Orgel 根据 分 子 遗传 学 的 现代 发 展 ,都 讨论 过 这 个 问题 他 们 都 认为 生命 起 源 可 能 从 核糖 体 、` 转 移 了 NA 和 遗传 密码 三 者 的 起 源 中 得 出 真正 的 答案 。 他 们 见解 所 根据 的 事实 是 ;通过 核糖 体 进 行 蛋白 质 合成 ,涉及 到 两 种 大 体 上 不 起 模板 功能 的 核 酸 , 即 tRNA Al rRNA, tRNA 确 有 一 个 反 密 码 子 三 联 体 , 但 这 种 三 联 体 只 构成 节 NA 整个 结构 中 极 小 的 一 部 分 。 象 球状 蛋白 质 一样 , RNA 和 :RNA 都 是 单 股 聚 合体 ,因为 两 者 都 具有 可 能 由 于 链 内 碱 基 配 对 而 形成 的 复杂 而 折 登 的 三 维 结构 。 这 两 种 形式 的 RNA 被 认 为 是 原始 体系 的 要 害 部 分 ;这 个 体系 "学 会 了 ”怎样 制造 真正 的 信息 蛋白 质 , 而 不 制造 由 氧 基 酸 单纯 拼凑 而 成 的 聚合 物 。 最 初 的 原始 核糖 体 被 看 成 是 全 由 RNA 组 成 。 因 此 ， 最 初 的 ”899 » 原始 核糖 体 被 视 为 全 部 含有 RNA, (IB FORT EES), DR RR KAAS 65% RNA, 比 以 后 发 生 的 真 核 细胞 所 含 的 要 多 得 多 )。 这 种 没有 和 蛋白质 的 原 始 核糖 体 在 | 攻 NA 的 参加 下 ,也 许 能 够 制 成 最 初级 的 肽 类 。 tRNA 分 子 较 小 ， 被 猜想 类 概 借 碱 基 的 配对 * 能 够 连接 到 原始 核糖 体 RNA ES, 这样 的 原始 RNA 或 许 有 能 力 在 反 密 码 子 位 点 或 其 附近 ;以 非 共 价 键 形式 与 一 种 特定 的 氨基 酸 结 合 , 推 想 可 能 形成 二 种 包 笼 状 氨基 酸 结 谷 区 》 WA, WEST RNA 的 专 二 性 碱 基 顺序 及 其 对 应 的 氨基 酸 两 者 之 人 可 能 的 分 子 关 系 或 构 型 关系 ,考虑 较 多 。 例 癌 ; 所 有 售 朴 水 R 基 团 的 氨基 酸 的 密码 子 为 秆 发 都 有 亲 帮 为 第 二 个 字母 ? .可 能 想象 ;外 NA 在 一 个 特定 容积 的 空 腑 里 ,能 以 非 共和 价 形 式 与 某 个 氨基 酸 的 R BABS. 也 可 以 设想 一 系列 “装载 ”了 的 RNA 分 子 在 一 个 核糖 体 RNA 分 子 的 表面 上 如 何 排列 成 这 样 一 种 方式 ， 恰 好 使 一 个 氨基 酸 的 羧基 同 下 一 个 氨基 酸 的 氧 基 并 列 在 一 起》 和 如果 有 =- 种 在 生命 出 现 前 的 缩 谷 剂 , 例 如 多 磷酸 ,从 适当 排列 成 行 的 羧基 和 氨基 中 移 去 水 的 成 分 ,这 时 就 可 能 发 生 一 个 肽 键 。 这 样 BRAS RAR 两 种 不 同类 型 的 特殊 地 折 受 起 来 的 RNA 所 组 成 。 在 进化 的 这 一 时 期 ; 在 专 二 性 氨基 酸 激活 酶 出 现 以 前 ,氨基 酸 与 了 NA 之 间 的 结合 , 可 能 是 非 共 价 键 式 的 。 因 此 ， 这 芋 体 系 对 氨基 酸 的 专 二 性 可 能 极其 有 限 〗 但 是 ) RNA 和 核糖 体 RNA 的 原始 形式 可 能 找 行 了 一 种 酶 分 子 的 一 种 重要 功能 ,就 是 提供 专 一 性 结合 位 点 来 安排 那些 芒 松 结合 的 氨基 酸 底 物 ,以 使 它们 在 可 能 是 一 种 多 磷酸 衍生 物 之 类 的 非 酶 促 缩合 剂 的 参 预 下 互相 作用 。 下 二 步骤 可 能 是 最 初 模 板 的 发 展 , 它 用 来 规定 RNA 的 顺序 ,因而 也 就 规定 了 tRNA 所 载运 的 氨基 酸 的 顺序 。 这 个 模板 可 能 由 一 个 原始 核糖 体 RNA 环 提供 ;或 者 由 另 二 股 RNA 提供 ,后 一 种 RNA 不 仅 能 与 原始 RNA 结合 ,而 且 能 与 原始 核糖 体 结 合 , 形 成 最 初 的 入 使 RNA, 这 种 RNA 可 以 为 一 个 或 多 个 肽 的 顺序 编码 ,使 核糖 体 装置 更 加 稳定 ， 提 高 活性 。 这 些 多 肽 类 可 能 就 是 今天 核糖 体 蛋 白质 的 前 体 。 因此 , 按照 这 个 见解 ， 代表 原始 的 原 基因 的 即 最 初 的 信息 天 分 子 的 ， fi RNA, MAE DNA, DNA #42 tb RNA 较 晚 ， 提 供 一 个 更 永久 的 、 一 个 能 自行 复制 的 记忆 印迹 。 有 两 个 生物 兹 学 方面 的 事实 支持 此 说 。 受 RNA 指导 的 DNA KARST SCTE), RAR LES RNA 作为 最 初 的 信息 核酸 ,是 不 会 有 障碍 的 。 再 者 ,我 们 也 可 以 回忆 一 下 ，DNA 的 2 一 脱氧 核糖 核 苷 酸 基本 单位 的 直接 前 体 就 是 相应 的 核糖 核 苷 酸 。 最 后 ,不 论 核酸 假说 的 细节 如 何 , 此 假说 的 说 服 力 最 强 的 和 压倒 一 切 的 特点 是 在 没 有 酶 和 和 蛋白质 存 在 时 ,通过 无 生源 性 催化 剂 或 缩合 剂 的 作用 ,多 核 苷 酸 能 起 模板 作用 ， 以 这 种 方式 可 形成 另 一 条 互补 的 多 核 昔 酸 。 此 外 ,在 没有 蛋白 质 的 情况 下 ,由 于 纯粹 物理 因 素 如 紫外 线 照 射 的 结果 ,多 核 苷 酸 又 能 发 生 突变 ， 从 而 使 以 核酸 为 基础 的 “ 生 痊 "能够 进行 进化 土 的 修饰 。 这 些 观 念 初 看 似乎 引 人 人 胜 ， 但 是 它们 却 存在 着 若干 重大 疑问 。 最 关键 的 一 个 是 遗 传 密码 的 起 源 问 题 。 除 了 所 有 了 芯 水 性 氨基 酸 均 以 为 第 二 碱 基 的 三 联 体 来 编码 这 二 事实 以 外 ,关于 证 明 编码 三 联 休 对 其 所 编码 的 氨基 酸 负 有 任何 空间 关系 或 化 学 关系 的 证 据 ,是 绝无仅有 的 。 模 型 建立 的 实验 简直 没有 揭示 氨基 酸 与 其 密码 子 之 间 分 子 相 应 关系 的 满意 图 象 。 由 于 这 一 原因 ,有 人 提出 ;遗传 密码 是 “冻结 事故 ”的 结果 。 正 是 在 遗传 体系 分 子 进 化 中 的 这 一 步 还 没有 满意 的 模型 或 学 说 j 诚然 , Crick 和 Orgel 曾经 指出 ， 主 张 基 因 和 遗传 密码 可 以 从 字 宙 中 已 经 有 智慧 生命 的 星体 中 通过 字 宙 飞船 到 地 球 上 来 的 这 一 种 说 * 900 * 法 ,还 不 能 说 是 完全 不 可 能 的 。 然而 这 是 一 个 倒退 ， 退 回 到 20 世纪 初期 瑞典 化 学 家 S. Arrhenius 所 提出 的 “ 讽 精子 "的 陈旧 假说 的 水 平 。Arrhenius 提出 ,地球 止 的 生命 是 从 宇宙 的 边缘 借 宇 宙 风 球 译 到 地 球 上 的 种 子 或 精子 而 开始 的 。 当 然 , 这 种 观点 并 未 回答 问题 , 因 为 还 必须 解释 在 别 的 星体 上 生命 又 是 怎样 发 生 的 。 : 正 述 蛋白 质 派 和 核酸 派 的 相反 硕 解 不 一 定 是 互相 排斥 的 = 其 他 科学 家 曾经 同样 有 力 地 主张 ,在 最 终生 存 下 来 的 单个 细胞 系 的 起 源 上 ， 同 时 需要 原始 核酸 和 原始 蛋白 质 两 者 。 也 许 当 我 们 对 于 蛋白 质 合 成 中 核糖 体 功能 所 涉及 的 基础 的 分 子 间 相 互 作用 以及 氮 基 酸 和 其 密码 子 之 间 的 结构 关系 有 了 更 多 的 了 解 时 ， 有 Fe ACRE AC BY BRE a NR — TEACH I BRE, 不 论 发 生 的 先后 次 序 如 何 ， 细 胞 进 化 过 程 就 比较 容易 理解 了 。 大 概 在 生物 进化 的 早期 里 ,化 学 进化 仍然 继续 一 些 时 候 , 以便 最 初 的 细胞 继续 从 环境 中 选择 那些 使 其 生存 力 提高 的 有 机 分 子 。 最 后 ， 最 初 的 厌 气 型 异 FAM AALS WEA RRA KE, RAT RSH BHA OR KAT (自然 ) 选 择 压 力 的 结果 ， 于 是 发 生 了 能 利用 二 氧化 碳 的 最 初 的 自 养 型 细胞 和 随后 发 生 的 能 利用 光 帮 为 能 源 的 最 初 的 光合 细胞 。 项 始 凌 半 里 有 机 氮 化 合 物 的 耗 竟 又 导致 了 固定 大 气 店 所 的 能 力 的 完善 发 展 。 在 光合 型 固氮 蓝藻 中 ,对 变 成 完全 缺乏 有 机 碳 和 氮 化 合 物 的 原 始 海洋 的 代谢 性 适应 达到 了 高 峰 。 在 大 气 中 开始 积 蕾 氧 以 后 很 欠 大 概 出 现 了 最 初 的 `、 消 耗 氧气 的 需 氧 型 细 隐 ; 同 厌 氧 型 发 酵 机 体 相 比 , 需 氧 型 细胞 能 从 每 个 分 子 的 象 葡萄 糖 之 类 的 外 源 性 营养 料 中 摄取 更 多 的 能 量 , 在 选择 上 是 有 利 的 。 需 氧 呼 吸 和 和 氧化 磷酸 化 的 进化 ， 完成 了 放 能 代谢 过 程 基本 环节 的 发 展 ， 这 种 放 能 代谢 在 今天 的 活 机 体内 仍然 存在 。 虽 然 大 多 数 证 据 和 当前 一 般 见 解 都 支持 细胞 代谢 进化 中 的 这 一 序列 事件 ,但 是 不 能 排除 还 有 其 他 顺序 发 生 的 可 能 性 。 事 实 上 ,有 些 研究 者 已 提出 自 养 型 细胞 有 可 能 最 先 发 生 。 二 这些 发 展 大 约 历时 25 亿 年 , 约 占 地 球 吕 二 半 以 上 。 仅仅 在 这 些 发 展 完成 以 后 , 才能 发 生 细胞 进化 中 第 二 次 飞跃 ， 即 真 核 细 胞 的 出 现 这 事实 被 正确 地 认为 是 生物 进化 中 最 重要 事件 之 一 。 也 许 生物 进 化 中 的 第 三 大 步 就 是 二 人 税 体 占 优势 的 真 核 生 物 的 出 现 ， 时 间 约 在 7 亿 年 以 前 。 有 了 生物 进化 中 的 这 些 重 大 步骤 ， PEAS EE IMAP PF 分 化 。 | 有 一 企 假 说 得 到 近代 研究 的 大 力 支 持 ， 此 说 主张 真 核 细胞 的 发 生 是 代谢 上 细胞 内 共 生 作 用 的 结果 。 真 核 细 胞 大 概 从 大 型 天 氧 型 原核 细胞 进化 而 来 ;它们 的 发 酵 能 力 可 能 已 跟 不 上 其 能 量 的 需要 。 这 类 厌 氧 型 细胞 可 能 吞 吧 光 合 型 或 异 养 型 小 原核 细胞 ， 后 两 者 因而 成 为 代谢 的 内 共生 体 , 寄 主 细胞 提供 糖 酵 解 发 酵 能 力 ,而 寄生 体 则 提供 光合 能 力 或 呼吸 能 力 e; 这 类 内 共生 体 可 能 是 现在 的 叶绿体 和 线粒体 的 先 躯 ;能 内 日 光 或 有 机 燃料 中 摄取 能 量 , 从 而 极 大 地 提高 了 厌 氧 型 寄主 细胞 的 生存 价值 。 真 核 细 胞 是 较 大 的 ,变化 更 多 的 细胞 ， 有 更 好 的 装备 来 作用 于 环境 ,从 而 改变 其 环境 ,并 能 通过 其 夫 得 多 的 基因 组 进行 许多 方式 的 分 化 。 在 整个 生物 进化 过 程 中 ， 由 于 基因 组 的 碱 基 顺 序 受到 化 学 的 或 物理 的 诱导 而 发 生 改 变 ,形成 了 非 致命 性 的 突变 体 , 这 就 有 可 能 选择 在 当时 生活 条 件 下 能 生存 得 最 好 的 那 * 901。 些 机 体 。 今天 我 们 所 知道 的 生物 机 体 蜡 常 复杂 。 在 导致 这 些 复 杂 机 体 的 所 有 互相 连锁 的 事件 中 ,最 突出 的 仍然 是 化 学 进化 何 时 终止 \ 生 物 进化 何 时 开始 的 分 界 一 事 。 为 什么 六 而 且 在 什么 条 件 下 ， 有 机 化 合 物 的 全 部 零件 装配 成 一 个 自行 组 织 和 自行 复制 的 体系 %) 我 们 今天 所 知道 的 化 学 和 物理 学 的 法 则 并 不 排除 物质 的 自行 组 织 ,， 不 过 它们 对 这 一 过 程 没 有 提出 eauPoigvpipoonidopeiiGNWNNAIAEMEaaeuocsson 于 系 的 分 子 逻 辑 学 5 生命 起 源 所 提出 的 问题 不 一 定 停留 在 哲学 推测 上 5 它们 是 可 以 付 之 实 验 的 ; 因为 有 了 有 机 分 子 性 能 和 生物 化 学 的 现代 知识 ， 就 有 可 能 在 实验 室 里 加 速 那些 导致 或 参加 有 机 分 子 进行 自行 组 织 倾向 的 化 学 过 程 。 这 样 ， 活 机 体 可 能 就 是 有 机 化 合 物 在 适当 物理 条 件 下 自行 组 织 体 系 进 化 的 不 可 避免 的 结果 。 的确 ， 它 们 可 能 只 是 物质 向 着 我 们 今天 还 未 理 解 的 组 织 水 平 进一步 进化 中 的 一 些 阶段 而 已 。 摘 要 地 球形 成 于 46 亿 年 前 。 据 信 ， 在 最 初 15 亿 年 中 ,通过 紫外 线 * 闪电 冲击 波 DR 以 及 其 他 形式 能 量 的 作用 ,大 气 层 里 的 HL. NH, 1.0 和 甲烷 等 组 份 已 经 形成 子 有 机 化 合 物 。 这 些 化 合 物 当 中 约 有 :30 或 40 种 原始 生物 分 子 ， 其 中 包括 氨基 酸 、 吸 吟 \ 喀 啶 成 糖 、 己 糖 \ 脂 肪 酸 和 其 他 化 合 物 。 这 类 化 合 物 及 其 前 身 已 经 在 古老 的 化 石 里 在 陨 看 里 和 在 星 际 空间 中 被 发 现 了 。 和 氰 化 氢 在 模拟 的 原始 地 球 条 件 下 很 容易 形成 ,并 生 是 通过 氮 基 所 两 RMR KHSAAMLOT OER A. 氟化氢 又 是 包括 氰 基 且 、 碳 化 三 亚 胺 和 尿素 在 内 的 有 机 缩合 剂 的 前 体 。 有 机 分 子 随 后 的 化 学 进化 大 概 是 一 步 一 步 地 进行 的 六 经 过 加 热 `\ 有 机 缩合 剂 \ 多 磷酸 和 氨基 磷酸, 或 者 陶土 和 其 它 矿物 催化 剂 的 作用 ,能 够 把 氨基 酸 脱水 而 形成 多 肽 。 氮 基 酸 混合 物 加 热 到 100 度 以 上 , 容易 形成 原始 多 肽 ,， 称 为 类 和 蛋白 质 。 这 种 类 蛋白 质 具 有 非 偶 然 凑合 的 氮 基 酸 成 份 ,显示 出 现代 蛋 白 质 的 若干 性 能 ,而 县 也 有 初步 的 催化 活性 。 在 生命 出 现 以 前 的 最 初 的 酶 大 概 很 少 专 一 性 * 催 化 力 低 ;它们 可 能 利用 了 广义 的 酸 或 广义 的 碱 基 团 作为 催化 中 心 核 背 酸 和 多 核 背 酸 也 是 在 温和 的 原始 地 、 球 条 件 下 ， RRA RE EK Se AROS AS 供 互补 多 核 背 酸 非 生源 性 形成 之 用 。 原始 细胞 样 结构 可 以 通过 团聚 过 程 而 形成 ， 或 者 通过 由 葡 水 性 相互 作用 ( 即 局 围 水 分 子 寻 求 最 大 灼 倾向 ) 所 引起 的 胶 粒 形成 过 程 而 形成 。A- 1. Oparin 曾 设想 过 由 聚合 物 组 成 的 团聚 体 小 滴 中 可 能 已 经 挨 人 了 原始 催化 剂 。 较 近 ,，S. W. Fox Hii, REAR AM 球 显示 许多 方面 的 细胞 样 行为 。 据 说 这 种 结构 是 在 没有 核酸 的 条 件 下 发 展 起 来 的 刀 核 酸 则 是 以 后 获得 的 。 另 一 总 的 假说 是 ,必须 先 有 原始 基因 ,然后 加 永 蛋 白质 。 支 持 这 个 观点 的 ,有 现代 病毒 的 结构 ,有 现代 生物 化 学 中 核 背 酸 的 多 方面 重要 性 ,还 有 自行 复制 的 能 力 。 在 任 一 种 情况 下 ?都 需要 有 某 些 记录 或 编码 的 方法 因而 也 需要 自我 复制 的 方法 ,也 需要 有 进一步 进化 的 能 力 。 遗 传 密码 的 发 展 可 能 曾经 是 生命 起 源 中 的 基本 事件 。 物 质 的 自我 组 织 过 程 则 是 问题 的 核 忆 。 ¢ 902 « a. § 8 书籍 Cairns-Smith, A. G.: The Life Puzzle, University of Toronto Press, Toronto, 1971. Calvin, M.: Chemical Evolution: Molecular Evolution towards the Origin of Living Systems on the Earth and Elsewhere, Oxford University Press, London, 1969. Reconstruction of chemical evolu- tion from molecular paleontology and from simulated primitive-earth experiments. Jukes, T. H.: Molecules and Evolution, Columbia University Press, New York, 1966. Kenyon, D. H., and G. Steinman: Biochemical Predestination, McGraw-Hill, New York, 1959. 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[FRA CARI * 903 « Mra a he 下 面 列 出 生物 化 学 历史 中 的 重大 事件 ， 实 验 的 发 现 ， 或 观点 的 说 明 。 1950 年 以 后 的 名 单 多 少 作 了 一 点 任意 的 选择 。 它 们 几乎 肯定 不 能 恰当 地 评介 一 些 重大 的 发 现 和 某 些 作 出 重要 贡献 的 个 人 。 这 是 由 于 现代 生物 化 学 研究 的 迅猛 推进 ,由 于 研究 工作 者 众多 ;并 且 由 于 经 常 同 时 的 发 现 不 仅 是 出 自 一 两 个 或 两 个 以 上 的 人 ， 而 且 出 自 两 个 或 更 多 的 小 组 。 生物 化 学 最 早起 源 于 人 们 对 空气 在 食物 利用 中 所 起 的 作用 和 对 发 酵 作 用 的 本 质 等 理 论 的 推出。 Teonardo da Vinci (1452—1510) 是 首先 把 动物 营养 比 作 蜡烛 燃烧 的 人 ，van Helmont (1648) 进一步 发 展 了 这 方面 的 推理 。 然 而 ， 直到 十 人 世纪 后 期 化 学 成 为 一 门 科 学 的 时 候 ; 生 物化 学 才 开 始 它 的 真正 历史 。 1770-1774 1770— 1786 1773 1779-1796 1780—1789 1783 1804 1804 1806 1810 1815 1828 1830— 1840 1833 1837 1838 1838 1842 1850—1855 1854—1864 1857 ¢ 9048 Priestley 发 现 氧 ,并 指出 它 由 动物 消耗 而 由 植物 产生 。 Scheele 从 天 然 来 源 中 分 离 出 甘油 和 柠檬 酸 ,苹果 酸 , 乳 酸 和 尿酸 。 Rouelle 从 尿 中 分 离 出 尿素 。 we Ingenhousz 证 明 绿色 植物 产生 氧 时 需要 光 , 他 也 证 明了 植物 利用 二 氧化 碳 。 Lavoisier 证 明了 动物 需要 氧 ， 认识 到 呼吸 就 是 氧化 ,而 且 最 先 测 得 人 的 氧 消 耗 量 。 Spallanzani 推断 蛋白 质 在 胃 中 的 消化 是 一 个 化 学 过 程 , 而 不 是 机 械 过 程 。 Dalton 曾 明 了 原子 学 说 。 deSaussure 作出 了 光合 作用 中 气体 交换 的 化 学 计量 的 第 一 张 平衡 单 。 Vauquelin 和 Robiquet 最 先 分 离 出 一 种 氨基 酸 一 一 天 冬 酰胺 。 Gay-Lussac 推断 出 生 醇 发 酵 的 方程 式 。 Boit 发 现 了 旋光 活性 。 Wohler 从 无 机 成 分 合成 了 第 一 个 有 机 化 合 物 : EET ALT RR Liebig 发 展 了 定量 分 析 技 术 并 将 其 运用 于 生物 系统 。 Payen 和 Persoz td TPN iL eR 证 明 它 不 耐 热 , FEEL BS 在 生物 学 中 的 极端 重要 性 。 Berzelius 提出 关于 发 酵 作 用 的 催化 本 质 的 设想 。 稍 后 他 证 明 乳 酸 是 肌肉 活 动 的 产物 。 Schleiden 和 Schwann 转 明 了 细胞 学 说 。 Mulder 作出 了 对 蛋白 质 最 早 的 系统 研究 。 Mayer 阐明 了 热力 学 第 一 定律 及 其 在 活 机 体 上 的 适用 性 。 ， Bernard 从 肝 中 分 离 出 糖 原 ， 证 明 它 转化 成 血 中 葡萄 糖 ,从 而 发 现 糖 原 异 生 过 程 。 Pasteur 证 明了 发 酵 作 用 是 由 微生物 引起 的 ,并 且 推 翻 了 自然 发 生 假说 。 Kélliker 在 肌肉 中 发 现 线粒体 (“ 肌 粒 Do 1859 1862 1864 1866 1869 1872 1877 1886 1890 1893 1894 1897 1897 1897—1906 1901—1904 1902 1903 1905 1905- 1907 1909 1911 1912 1912 1912 1912—1922 1913 1913 1914 1917 1922 1922 1922 1923 Darwin 发 表 了 物种 起 源 Sachs 证 明了 淀粉 是 光合 作用 的 一 种 产物 。 Hoppe-Seyler 首先 制 成 一 种 蛋白 质 晶体 : 血红 蛋白 。 Mendel 发 表 了 基因 的 分 离 原 则 和 自由 组 合 原则 。 Miescher 发 现 了 DNA。 Pfluger 证 明了 动物 的 所 有 组 织 而 不 单 是 血 补 和 肺 消耗 氧 。 Kihne 建议 用 酶 这 个 术语 ,而 且 把 酶 与 细菌 区 别 开 。 MacMunn RAR SRM SA, BRE tr Zw Mie Altmann 描述 了 线粒体 染色 法 ,研究 了 它们 的 分 布 , 并 提出 它们 具有 代谢 的 和 遗传 的 自主 性 的 设想 。 Ostwald 证 明了 酶 是 催化 剂 。 Emil Fischer 证 明了 酶 的 特异 性 以 及 酶 和 底 物 之 间 的 锁 与 钥匙 的 关系 。 Bertrand 创造 辅酶 这 一 术语 。 Edward Buchner 发 现在 无 细胞 的 酵母 提出 物 中 也 能 发 生生 醇 发 酵 Eijkman .证 明 脚气 病 是 一 种 食物 性 缺乏 症 ， = 种 水 溶性 组 分 能 医治 。 Takamine 和 Aldrich 还 有 :Abel， 首 先 分 离 出 三 种 激素 一 一 肾上腺 素 , :而 Stoltz 则 实现 了 它 的 合成 。 Emil Fischer 和 Hofmeister WEHA S BARES HK. Neuberg 首先 采用 生物 化 学 这 一 未 语 。 Harden 和 Young 证 明生 醇 发酵 需 要 和 磷酸， 而 且 分 离 出 第 一 个 辅酶 Cof 后 来 证 明 它 是 NAD。 Knoop 推断 出 脂 酸 的 8 氧化。 ee ee ee Sirensen 证 明 pH 对 酶 作用 的 影响 。 Funk 分 离 出 具有 维生素 B 活性 的 晶体 物 并 创造 了 ”vitamin 这 一 名 词 。 Neuberg 提出 发 酵 的 一 种 化 学 途径 。 Batelli 和 Stern RH Pia Be. Warburg #211 Aa — Ft BE AR IS, 发 现 CARED Ml, 并 证 明 呼吸 作用 中 需要 铁 。 Wieland 证 明 脱 所 反应 中 氧 的 激活 。 Michaelis 和 Menten 发 展 了 酶 作用 动力 学 说 。 Wilstitter 和 Stoll 分 离 并 研究 了 叶绿素 6 ‘Kendall 分 离 出 甲状 腺 素 。 McCollum 证 明 大 鼠 由 于 缺乏 维生素 A 而 有 干 眼病 Ruzicka 认识 到 异 成 间 二 烯 是 构成 许多 天 然 产物 的 基本 单位 McCollum 证 明 缺 乏 维生素 D 产 生 伯 供 病 。 Warburg 和 Negelein 首先 测量 了 光合 作用 的 量子 效率 5 Keilin 再 次 发 现 组 织 血 红 素 ( 细 胞 色素 7 并 表明 在 呼吸 活动 中 它们 的 氧化 状 * 905 + 1925 1925—1930 1925—1930 1926 1926 1927 1927 1928 1928 1928—1932 1928-8943 1929 1930 1930—1933 1930—1935 1931 1932 1932 1933 1933 1933 1935 1935 1935 1935 1935 1935 1935 1935—1936 1937 1937 1937—1938 1937—1 941 1937 1938 1938 1939 ° 906 « “Rose RAT RI — MERU ROD Ra ASHIZE (Ko Briggs 和 Haldane 对 酶 动力 学 说 作 了 重要 的 改进 。 Levene 前 明了 单 核 彰 酸 结 构 并 证 明 它 们 是 核酸 的 基本 单位 6 Svedberg 为 测定 蛋白 质 的 沉降 率 发 明了 超速 离心 机 。 Sumner 首先 制 出 一 种 酶 一 一 尿素 酶 一 一 的 结晶 并 证 明 它 是 一 种 蛋白 质 s Jansen 和 Donath 从 米糠 中 分 离 出 维生素 Bi(〈 硫 胺 素 )。 Muller, 还 有 Stadler, FAX 射线 证 实 了 基因 的 人 工 突变 。” Windaus 证 明了 考 角 固 醇 是 维生素 了 的 前 身 物 。 Eggleton 在 肌肉 中 发 现 磷酸 肌 酸 。 Euler 分 离 出 胡 梦 卜 素 而 且 证 明 它 具有 维生素 和 活性。 Szent-Gy5rgyi， 以 及 稍 后 Waugh 和 King, 分 离 出 抗坏血酸 《维生素 Cho Warburg 推断 出 呼吸 酶 的 铁 叶 啉 本 质 。 Fiske 和 Subbarow 从 肌肉 提取 物 中 分 离 出 .ATP 和 磷酸 肌 酸 。 Lundsgaard 证 明 肌肉 不 形成 乳酸 也 可 以 收缩 。 Northrop JH ALC SN BER EET HOE EAR Bo Edsall 和 von Muralt 从 肌肉 中 分 离 出 肌 凝 蛋白 。 Engelhardt 发 现 磷酸 化 是 和 呼吸 作用 相 偶 联 的 。 Lohmann 发 现 了 ATP- 磷 酸 肌 酸 反应 6 Warburg 和 Christian 发 现 ` 黄 酶 ,一 种 黄 素 蛋 白质 。 ad Keilin 分 离 出 细胞 色素 “ 并 且 在 粉碎 心肌 制备 中 重新 构成 电子 传递 。 Krebs 和 Henseleit 发 现 尿 素 循 环 。 Embden 还 有 Meyerhof 确证 了 糖 酵 解 和 发 酵 化 学 途径 中 关键 性 的 中 间 产 物 。 Williams 及 其 同事 推断 出 维生素 焉 的 结构 。 苏 氮 酸 。 Kuhn 发 现 核 黄 素 ( 维 生 素 Bz) 是 “ 黄 酶 "的 一 个 组 分 Schoenheimer 和 Rittenberg ON SOIR CH 8 为 标记 物 。 2 | Stanley 最 先 结晶 了 一 种 病毒 一 一 烟草 花 叶 病毒 。 Szent-Gyérgyi 证 明了 二 羧 酸 类 在 呼吸 作用 上 的 催化 效应 。 Davson 与 Danielli 提出 一 种 细胞 膜 结构 的 模型 Warburg 和 Euler 分 离 并 测定 了 吡啶 核 苷 酸 的 结构 和 作用 。 Krebs 提出 了 柠檬 酸 循环 的 设想 。 Lohmann 和 Schuster 证 明 硫 胺 素 是 丙酮 酸 羧 化 酶 的 辅 基 的 一 个 组 分 。 Warburg 证 明了 ATP 的 形成 是 如 何 与 3- 磷 酸 甘 油 醛 脱 氨 作用 偶 联 的 。， Kalckar 和 Belitser 各 自 独立 地 作出 了 氧化 磷酸 化 的 最 先 定量 研 究 。 C, Cori AG. Cori 开始 了 他 们 对 糖 原 磷 酸化 酶 锐 敏 的 研究 。 Hill 发 现在 有 电子 受 体 存 在 下 以 光照 射 无 细胞 的 叶绿体 悬浮 沪 获 得 了 氧 。 Braunstein 和 Kritzmann 发 现 转 氮 反 应 。 C. Cori G. Cori 证 实 糖 原 磷 酸化 酶 活性 的 可 逆 性 。 1939--1941 1939—1942 1939—1946 1940 1940—1943 1941—1944 1942 1943 1943 1943 1943—1947 1944 1945 1947—1950. 1948 1948 1948 1948—1950 1949 1949—1950 1950 1950—1953 1950—1965 1951 1951 1952—1953 Lipmann 提出 在 能 量 转移 循环 中 ATP HEE EAN Rio Engelhardt 和 Lyubimova 发 现 肌 球 蛋白 的 ATP 酶 活性 。 ‘Szent-Gyorgyi 发 现 肌 动 蛋白 和 肌 动 球 蛋 白 s Beadle 和 Tatum 提出 一 个 基因 一 个 酶 的 假说 。 Claude 从 肝 中 分 离 出 线粒体 部 分 并 研究 了 它 。 Martin 55 Synge 创建 了 分 配 层 析 并 运用 于 氮 基 酸 分 析 。 Bloch 和 Rittenberg 发 现 乙 酸 是 胆固醇 的 前 身 物 。 A. Green 与 G. Cori 制 成 肌肉 磷酸 化 酶 的 结晶 体 。 Chance 首先 将 灵敏 的 分 光 光 度 法 运用 于 酶 与 底 物 的 相互 作用 上 。 Ochoa 验证 了 三 羧 酸 循环 中 氧化 磷酸 化 的 P2O 比率 是 3.00 Leloir 和 Munoz 确证 了 在 无 细胞 的 肝 系 统 里 的 脂 酸 氧化 作用 ; Lehninger 证 明了 脂 酸 氧化 需要 有 ATP 和 脂 酸 氧 化 的 化 学 计量 。 Avery, MacLeod 和 : McCarty 证 明了 细菌 变型 是 由 DNA 引起 的 。 Brand 作 了 用 化 学 和 微生物 学 方法 对 一 种 蛋白 质 ; 即 CAKE, 进行 第 一 次 完全 氨基 酸 分 析 的 报告 Lipmann 和 Kaplan 分 离 出 辅酶 并 描述 了 它 的 特征 。 Leloir 及 其 同事 发 现 了 尿 苷 酸 在 糖 的 代谢 中 的 作用 。 Hogeboom, Schneider 和 Palade 改良 了 用 于 细胞 分 部 过 程 的 差 示 离 析 法 。 Calvin 和 Benson 发 现 磷 酸 甘油 酸 是 光合 二 氧化 碳 固定 作用 中 的 早期 中 间 产 物 。 Kennedy 和 Lehninger 发 现 三 羧 酸 循环 、 ee eee 内 进行 Stein 对 Moore wk alias cae sia p- 乳 球 蛋 白 的 完全 氨基 酸 分 析 的 报告 Sanger 为 鉴定 了 N- 末 端 建立 了 2, 4- 二 硝 基 氟 葵 法 ， 以 及 Edman 创建 了 茶 异 硫 氰 酸 法 。 Pauling 与 Corey 提出 x- 角 蛋白 的 oH HE Ao Chargaff 及 其 同事 发 现 DNA 中 碱 基 相当 量 。 在 这 一 阶段 里 和 弄 清 了 氨基 酸 、 叮 叭 \ 喀 啶 \ 脂 肪 酸 、 复 杂 糖 类 和 脂 类 ， 以 及 类 若 化 合 物 等 的 生物 合成 和 降解 酶 促 途 径 的 主要 步骤 。 很 多 研究 人 员 对 此 作 出 了 贡献 ， 其 中 有 Ames, Baddiley, Bloch, Buchanan, Cantoni, Coon, B. D. Davis, D. E. Green, G. R. Greenberg, Gunsalus, Gurin, Handler, Hayaishi, Horecker, Kalckar, Kennedy, A. Karnberg, Lynen, becger, Racker, Shemin, Sprinson, Strominger 和 Weinhouse, Lehninger 证 明 电子 从 NADH 传递 到 氧 是 氧化 磷酸 化 的 直接 能 源 。 Lynen 提出 辅酶 A 在 脂肪 酸 氧 化 中 的 作用 。 不 久 以 后 Lynen， Green 和 Ochoa 分 离 出 脂肪 酸 氧化 的 酶 类 。 Palade, Porter 和 Sjostrand 改善 了 用 电子 显微镜 研究 细胞 内 部 结构 所 采用 的 薄 切 片 和 固定 的 方法 。 Magasanik, Meister, Neu- © 907 ¢ 1952—1954 1953 1953 1953 1953 1954 1954 1954—1958 1955 1955 1956 1956 1956—1958 1957 1957 1957 1957 1958—1959 1958 1958 1958 1958 1960 1960 1961 1961 1961 1961 « 908 « Zamecnik 及 其 同事 发 现 以 后 称 为 核糖 体 的 核糖 核 蛋白 粒 , 是 蛋白 质 合 成 的 部 位 。 Sanger §5 Thompson 完成 了 胰岛 素 A 链 与 B 链 氮 基 酸 顺 序 的 测定 ， 两 年 后 Sanger 及 其 同事 报告 了 二 硫 交 联 键 的 位 置 。 duVigneaud 最 先 在 实验 室 人 工 合成 了 肽 类 激素 催产 素 和 如 压 素 。 Horecker, Dickens. 和 Racker 的 工作 痢 明 了 葡萄 糖分 解 代 谢 的 6- 磷 酸 葡 糖 酸 途 径 。 Watson 和 Crick 提出 DNA 结构 的 双 螺 旋 模型 的 假设 。 Arnon 及 其 同事 发 现 光合 磷酸 化 作用 。 Chance 45 Williams 运用 氧 电极 和 差 示 分 光 光 度 法 研究 线粒体 内 En 动力 学 。 Kennedy 描述 了 三 酰基 甘油 与 磷酸 甘油 的 生物 合成 途径 和 胞 音 酸 的 功用 。 Benzer 绘 出 精细 基因 结构 图 并 作出 结论 说 基因 有 许多 可 变 部 位 。 Ochoa 和 Grunberg-Manago 发 现 多 核 童 酸 磷酸 化 酶 。 A. Kornberg 发 现 DNA RAH Umbarger 报告 了 终 末 产 物 异 亮 氨 酸 对 从 苏 氮 酸 生物 合成 异 亮 氨 酸 的 抑制 s Yates 5 Pardee 报告 了 三 磷酸 胞 苷 对 门 冬 氨 酸 转 氨基 甲 酰 酶 的 反馈 抑 制 。 Anfinsen 与 White 作出 结论 认为 蛋白 质 的 三 维 构象 是 由 perenne 规定 的 。 | Vogel, Magasanik 和 其 他 人 描述 了 酶 合成 的 基因 阻 遏 。 Sutherland 发 现 环 腺 苷 酸 。 Hoagland, Zamecnik 和 Stephenson 分 离 出 转移 RNA 并 提出 它 的 功用 。 Skou 发 现 NatK* 激发 的 ATP 酶 ,并 提出 它 转运 Nat 和 Kt 通过 细胞 膜 的 功用 。 S. B. Weiss, Hurwitz 和 其 他 人 等 发 现 DNA 指导 的 RNA RAB Crick 发 表 分 子 遗传 学 的 中 心 法 则 。 Meselson 与 Stahl 为 Watson-Crick 的 DNA 米 保 守 复制 模型 提供 实验 证 据 。 Stein, Moore 和 Spackman 描述 了 氨基 酸 自动 分 析 仪 ,这 种 仪器 大 大 促进 了 和 蛋 白质 分 析 工 作 。 V. Ingram EGE RURAL ZANE 条 肽 链 上 的 一 个 氨基 酸 有 差别 。 Hirs, Moore 和 Stein 测定 了 核糖 核酸 酶 的 氨基 酸 顺 Fe; Anfinsen 作出 了 重 要 的 独立 的 贡献 。 Kendrew 报告 了 抹香鲸 的 肌 球 蛋白 结构 的 高 分 辩 率 和 射线 分 析 。 Jacob, Monod 和 Chaugeux 提出 变 构 酶 的 功用 与 活性 的 理论 。 Mitchell 提出 关于 氧化 磷酸 化 与 光合 磷酸 化 机 制 的 化 学 疹 透 假说 。 Jacob 与 Monod 提出 操纵 子 假 说 并 假定 mRNA 的 功用 。 Nirenberg 与 Matthaei 报告 多 聚 尿 苷 酸 为 多 聚 葵 丙 氮 酸 编码 ， 并 从 而 为 鉴定 遗传 密码 开辟 了 道路 。 1961--1965 Nirenberg, Khorana 和 Ochoa 的 实验 室 鉴定 出 各 种 氮 基 酸 的 遗传 密码 。 1961 一 1968 Racker 及 其 同事 从 线粒体 分 离 出 PR ATP 酶 ， 紧 接着 就 在 线粒体 囊 泡 上 重 建 氧化 磷酸 化 作用 。 [ 任 邦 哲 Ee 唐 恢 玲 校 ] * 909 » 附 系 I 生物 化 学 研究 文献 中 常用 略语 A ACP ACTH ADH AMP, ADP, ATP cAMP dAMP, dADP, dATP Ala Cer CMP, CDP, CTP CM-cellulose CoA, CoA-SH, acyl- CoA, acyl-S-CoA CoQ Cys DEAE-cellulose DFP(s% DIFP) DNA DNase DNP DOPA DPNt, DPNH EC,〈 后 附 有 数字 ) EDTA EPR ESR ETP FA * 910° PRM RE 酰基 载体 蛋白 促 肾 上 腺 皮质 激素 醇 脱 氢 酶 5 一 一 磷酸 ,二 磷酸 ,三 磷酸 腺 昔 KM | 5 一 一 磷酸 ,二 磷酸 ,三 磷酸 -2'- 脱 氧 腺 萌 Pi 精 氨 酸 门 冬 酰 胺 TR 三 磷酸 腺 苷 酶 (ATP 酶 ) 胞 喀 喧 圆 二 色 性 神经 酰胺 胞 背 一 磷酸 ,二 磷酸 和 三 磷酸 羧 甲 基 纤 维 素 辅酶 A 及 其 酰 衍生 物 辅酶 Q > DE sa —CBRECEA BR 二 异 丙 磷 酰 氟 (或 二 异 丙 基 氟 磷酸 ) 脱氧 核糖 核酸 脱氧 核糖 核酸 酶 2,4- 二 硝 基 葵 酚 RAR AR 与 NAD+, NADH 相同 《国际 生物 化 学 联合 会 ) 酶 委员 会 ， 其 后 所 附 数字 表示 酶 的 分 类 。 乙 二 腕 四 乙酸 电子 顺 磁 共 振 电子 自 旋 共振 电子 传递 粒子 (线粒体 膜 的 ) 脂肪 酸 FAD, FADH, FCCP FDNB(DNFB) Fd FDP FH,, FH, fMet FMN，FMNHL FP Gal GalNAc GDH GH GLC Glc GlcNAc Glin Glu Gly cGMP GMP, GDP, GTP G3P G6P GSH, GSSG Hb, HbO,, HbCO His hnRNA _ ‘Hyp IgG lle IMP, IDP, ITP LDH Leu LH Lys Mb, MbO, MDH BARAK BARRERA MC p-= Fal FA he 氟 二 硝 基 葵 铁 氧 还 素 1;,6- 二 磷酸 果糖 “ARS OA N- 甲 酰 蛋 氮 酸 黄 素 单 核 苷 酸 及 其 还 原型 黄 素 蛋 白质 D- 果 糖 SER BY SS EF D- 半 乳糖 N- 乙酰 D- 毛 基 半 乳糖 SABA RS 生长 激素 气 - 流 层 析 D- 葡 萄 糖 N- 乙 酰 D- 氨 基 葡 萄 糖 ， SA MK 谷 氮 酸 甘氨酸 KE ee 岛 彰 一 磷酸 ,二 磷酸 ,三 磷酸 甘油 醛 -3- 磷 酸 (3- 磷 酸 甘 油 醛 ) 葡 糖 -6- 磷 酸 谷 胱 甘 肽 及 其 氧化 型 组 氮 酸 核 不 均一 RNA EAR 免疫 球 蛋白 G 异 亮 氨 酸 次 黄 味 聆 核 苷 一 磷酸 ,二 磷酸 和 三 磷酸 乳酸 脱氧 酶 亮 氮 酸 促 黄体 激素 赖 氨 酸 VASA, ASME Se FAR OB Mi MtDNA Met MetHb MSH NAD*t, NADH NADPt, NADPH NAN,NANA NEFA NMN*t, NMNH NMR PAB 5% PABA PEP 3PG PGA Phe PMS PP; ppGpp Pro PRPP Rib RNA mRNA nRNA TLC TPCK TPNt, TPNH * 912° 线粒体 DNA BAR 高 铁血 红 蛋 白 促 黑 素 细胞 激素 尼克 酰胺 腺 嗓 叭 二 核 苷 酸 (二 磷酸 吡啶 核 音 酸 ) 及 其 还 原型 尼克 酰胺 腺 嘎 叭 二 核 萌 酸 磷酸 (三 磷酸 吡啶 核 苷 酸 ) 及 其 还 原型 N- 乙 酰 神经 氨 酸 1M! 非 酯 化 脂肪 酸 尼克 酰胺 一 核 苷 酸 及 其 还 原型 核磁 共振 草 酰 乙 酸 光 密 度 旋光 色散 无 机 磷酸 对 -氨基 茶 甲 酸 Hu 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 | 3- 磷 酸 甘 油 酸 蝶 酰 谷 氮 酸 (叶酸 ) ARAB Wy nee Fit Bs FAB 1 ¢f 5’-— We 3'-— RR 5- 磷 酸 -c-D- 核 糖 1- 焦 磷酸 D- 核 糖 信使 核糖 核酸 四 核 核糖 核酸 核糖 体 核糖 核酸 转移 核糖 核酸 核糖 核酸 酶 呼吸 高 丝氨酸 胸 喀 啶 或 胸 昔 促 甲 状 腺 ( 激 ) 素 Ty AR 薄板 层 析 L-1-FA EM -2-A CEA 与 NADP+, NADPH 相同 TPP Tris Trp Tyr U UDP-gal UDP-glc UFA UMP, UDP, UTP UV Val ‘aft He SS RS 三 ( 羟 甲 基 ) 氮 基 甲 烷 ( 一 种 缓冲 成 分 ) 色 氮 酸 Bs SAR | 尿 喀 啶 或 尿 彰 尿 背 二 磷酸 半 乳 糖 尿 背 二 磷酸 葡 糖 未 酯 化 的 脂肪 酸 尿 背 一 磷酸 ,二 磷酸 和 三 磷酸 紫外 线 Hi ARR [ 任 邦 哲 译 ec 唐 恢 玲 校 ] 附 系 III A 安培 A 埃 atm KAE cal 卡 Ci 居 里 cm 厘米 dm 分 米 F 法 拉 第 g 克 G 高 斯 h 小 时 kat 卡 达 kcal 千 卡 kJ FRE K FF xc (Kelvin) WH In 对 数 (e 为 底 ) log 对 数 〈10 AME) pm 微米 sf 浮力 系数 单位 STP 标准 温度 与 压力 s 秒 v 伏特 国际 单位 用 词 头 系数 词 头 符号 可 至 cA T 10° 京 G 10° Ik M 10° a k 10? B h 107" 分 d 10-7 厘 c 10> = m 10~° 微 Hv 10-? 纤 n 10-" 沙 p 10-" a f ID 二 rig a ° 9146 单位 符号 Tel Sk Oy Be BH mol 微克 分 子 M 克 分 子 浓 度 全 BERATRE m 米 mg 毫克 min 分 钟 ml 毫升 mm ”毫米 mmHg BEKRE mmH,O 毫米 水 柱 mol 克 分 子 mol wt 分 子 重量 当量 浓度 am 毫 微米 pH 氢 离 子 浓度 负 对 数 pK’ ; —logK’ ps 微微 秒 转 S 沉降 系数 单位 符号 值 亚 弗 加 德 罗 数 N 6.022X1023mol-: 居 里 Ci 3.7X10" 裂变 s- 道 尔 顿 一 1.661X10-24e 法 拉 第 常数 F 96,487Cmol-! | 23 ,062Calv-' mol-* 气体 常数 R 8.314jmol-!K-! 1.987calmol-*K-* Sh BA ve tt XK h 6.626 %10-** j-s 1.584% 10-**cal-s 光速 (真空 ) c 2.997 勾 10!ocms-! 其 它 常 数 与 因素 mn = 3.1416 e = 2.718 InCloge)X = 2.303 logyoX 1.0) = 0.239cal = 10’erg = 1W-s [ 任 邦 哲 译 ERAKI 附录 IV 习题 答案 . (a) 5.0; (b) 2.30; (c) 8.48; 《d) 7.0; (e) 10.48;) 《人 f) 1.85 (c) 2.0 X 10°°M; (da 4.0 X 1077M; . (a) jm 22.43 SF 0.1 N NaOH 4 27.57 BF 0.1 V RBH; (b) 5.30 (c) 6.16 X 10°M (d) 2.45 x 107M (d) 一 (d) — 2. (a) 4.0 X 10°°M; (b) 8.0 X 107M; (i 32 X 10-*M; =f) 3.2 X 10°M 3. (a) 2.51 X 1078; (b) 5.60 4. (a) 0.0132; (b) 0.0417 6. (a) 0.0171; (b) 0.148; (c) 0.500 7. (a) 1.35 X 10°M; (db) 4.87 8. (a) 4.3 X 103;(b) 1.583 (c) 磷酸 盐 9, 2.5 10. (a) 1.28 毫升 ; (b) 107M 11. (a) 2.89; (b) 6.31 X 107"M i2. [A7] +k; 13 14. (a). 3.383 (b) 3.47 15. (a) 4.383 (b) 5.02 16. 8.38 17. (a) 3.26; (b) 6.13 X 107M “18. (a)4.78X 10-5M; (b) 3.55X 107M; 第 四 章 1. 门 冬 酰胺 / 谷 氮 酰 胺 2. Sam 3. 甘氨酸 5.97; AAR 6.02; 丝氨酸 5.68; FAR 6.53; AAR 3.22 4. 甘氨酸 : (a2) +3 (b+) +35 © +43 PIZeB: (a) +; ©) +3 © =; 赖 氨 酸 (a2) +3 (b) +3 (©) 一 Gd) 0/- AR: (a2) +3 (6) +3 ©) +3 @— 5. (2) 8; (>) Mh. © 甘 ,两 , 丝 6. i, ti, BM, A, IS 7. #3, A, 2,4 8. 0.38 FF 9. (a) 2.71; (b) 9.23 10. 4.45 * 9158 HY. 0.45° 12. (a) 0.152M; (b) 0.182M . 0.64 毫克 甘氨酸 ; 0.11 毫克 茶 丙 氨 酸 。(a) 84,83; () 管 工 088 毫克 X，6.4 BR Ys 管 2 ,9.6 毫 克 X, 2382 克 Y; 管 3,38.4 Bye X, 43.2 Be OY; 4, 51.2 毫克 X, 21.6 毫克 Y 15. (a) 1.44 毫克 ; (b) 6.09 X 10° BE 16. (a) 3.50 BH; (b) 0.0748M 17. (a): 0.0843 Ms (b) 0.0079M; (c) 8 — 路 W x= 第 五 章 1. (2) 〈1) 赖 - 门 冬 - 甘 - 丙 -两 - 谷 - 丝 - 甘 (2) 两 -两 -组 - 精 ， 谷 - 赖 ， 葵 两 = 异 亮 (3) 栈 - 半 胱 - 赖 ,两 - 精 ， 精 ， 甘 (4) 茶 两 -两 - 谷 - 丝 - 丙 - 甘 (b) (i) 2, 4-DNP- 赖 ; 2,4-DNP- 门 冬 (2) 2,4-DNA-7§32, 4-DNP-#; 2,4-DNP-#RWA (3) 2,4-DNP- 酪 ; 2,4-DNP- 丙 ; 2, 4-DNP=#§3 2,4-DNP- (4) 2,4-DNP-# WH 2. (a) Si-A-M-B-F-AA, Bi-B-M, 4-8-6, B-H-H-AA (b) Ai-A-M-A-A-EA, A-ABARRAR, KB, 4R-A-4, 同型 丝氨酸 内 酯 ， 甘 - 甘 - 葵 两 3. (a) 亮 - 蛋 -组 - 酷 - 赖 ， 精 ， Ai--EDt-A-th, [IS-H-R-AA- 28 (b) fie AL- RAW, WE. 22, BAP DE-A-M, IR WERE 4. a) seas wor (b) REAM; H-38-22-lh-AW, A-4-2-4-2-K-A-&, 4-8-4i-HF- 两 -组 - 亮 - 甘 - 谷 - 酷 ， 甘 - 丙 - 谷 - 丙 - 苏 - 谷 ; WRU, Ht, BE-e- ES -PR OR 门 冬 ， 绑 - 丝 -两 - 丙 - 色 - 甘 - 谷 ， 统 - 甘 - 丙 -组 ， 亮 - 甘 - 谷 - 酪 = 甘 = 两 - 谷 = 丙 = 苏 : 谷 ， 5. 4-H - Rt) Hi- 6. (a) CSC, GAR (b).CHESD,: As? KPOLCMOSABAS (d) C,0/C, A, A; (ce) G, GC, & 7. a es. b, cod L 8. 向 阳极 迁移 率 的 变化 :(a) IBS (b) 增加 ; © mes Gd HM © 减 慢 9. 甘 - 异 亮 - 纺 - 谷 - 谷 - 半 胱 - 半 胱 < 丙 - 丝 - 线 - 半 胱 -= 丝 - 亮 - 酷 = 谷 - 亮 - 谷 可 可 多 = 酷 = 半 胱 - 门 冬 10. 没有 单一 种 肽 可 满足 所 有 的 条 件 。 门 冬 - 丙 - 酷 - 谷 - 赖 -组 - 异 亮 - 谷 - 上 及 . 门 冬 - a Si 75 — IEA BA KE IES AT Lo . 谷 胺 - 色 - 赖 - 色 - 合 12. 色 - 甘 - 精 - 色 - 甘 - 精 916。 第 六 章 1. (a) 15.8 BACK; (6) 37.9 BOK 2. (a) 1 一 6; 8 一 15; 20—28 (b) 7; 16—19; (c) 133 24 3. (a) 3,846/10° RH; «= (b) 1.8 4.51% 第 七 章 .13;110 . 13,700 . (a) 3,846/105 个 残 基 ; «= (b) 1.8 . 51% . 494,000 L Gay W369) CHAS TO COA . (a) 5.85; (b) 8.253 (c) 4.90 NRE TAA DASE. REBAR MAR, meee . 52,000 woeonmn hm WN — i 1. 0.089 mM © 入 05 3. (a) 2.3183 (b) 1.30s 4. 0.0031 s-1 §. fs) 19K} 7. 29,200 8. 1.86 X 107°M “9. (a) 非 竞 争 性 的 ; 两 个 Ki: 值 相等 ; (b) 2.44mM; (ce) 24.8mM 10. (a) 竞争 性 的 ; (人 (b) 5.4mM; (c) 9.0mM ll. (a) 反 竞 争 性 的 ， (b) 1.26 uM » pRB ES 4-, 1 Ki]. 12. (a) 这 [Ki + TA] |; (b) oa [ + an Kt . “tf Rie 四 See @ 4+ | | 13. Nm 14. Kx ABM, NAD[H] 在 前 15. 随机 单 置 换 第 十 章 1. (a) 93.3°5 人) (c) 62.4°,62.4° © 917° 2. (a) 成 乙酰 -xc-D- 半 乳糖 ; (b) 2, 3,4, 6- 四 氧 甲 基 -wo-D- 葡 萄 糖 ; 2，3,4,，6- 四 氧 甲 基 -6-D- 葡 萄 糖 ayes 3. (a) D- 半 乳糖 醇 ; (〈(b) L-HB RRBs (©) 1, 3,4, WA R-N-LHAE n- 半 乳糖 胺 4. (a) 2，3，4，6- 四 氧 甲 基 -D- 半 乳糖 ; 2,3,6- 三 氧 甲 基 -D- 葡 萄 糖 ;!((b).2，,3， 4;,6- 四 氧 甲 基 -D- 葡 萄 糖 ; 1, 3,，4 ,6- 四 氧 - 甲 基 -D- 果 糖 5. 4- 氧 -D- 葡 糖 基 -6- 氧 -D- 半 乳糖 基 -D- 葡 萄 糖 ， 或 6- 氧 -D- 葡 糖 基 - +- 氧 -D- 和 入 基 -D- 半 乳糖 。 6.〈6- 氧 -D- 葡 糖 基 -4- 氧 -D- 葡 糖 基 ) 单 位 的 未 分 支 多 聚 体 7. (a) 9.72%; (b) 10.3 个 葡萄 糖 残 基 ; 〈c) 49.7 毫克 分 子 ; Cd) 12530048 萄 糖 残 基 ) 8. 820 个 葡萄 糖 残 基 第 十 一 章 1. OPS, BOs, Ger, SPO, SOP, PSO 2: (a) PPP, OOO, SSS, PPO, PPS, OOP, OOS, SSP; SPO, SSO, POP,PSP,.OSO, SPS, SOS, OPO, POS; PSO, OPP, SPP, POO, SOO, PSS, OPS; OSS, SOBSVOSP$¢ (b) 18 3. 假定 全 部 是 饱和 的 ,每 一 脂肪 酸 平均 含 16.7 个 碳 原子 scale 4. SBS CRD, ME EKDERBEHWARs =MET RUS 5. (2) Aae ee As: (c) O; @ Ai OC 6. (a) 甘油 , 硬 脂 酸 钠 , 软 脂 酸 钠 (b) 甘油 3- 磷 酰 肌 醇 , 硬 脂 酸 钠 , 反 油 酸 钠 (c) 甘油 3- 磷 酸 胆 碱 , 软 脂 酸 钠 ， 油 酸 钠 7. (a) 硬 脂 酸 , 油 酸 ,甘油 ,磷酸 ,丝氨酸 (b) 1- 软 脂 酰 -2- 亚 油 酰 磷脂 酸 , 胆 碱 ri 8. (a) 1.13 B/E? () 沉积 物 : 9. 脂 类 /蛋白 质 的 克 分 子 比 一 41.7 第 十 二 章 1. (a) 0.4935 (b) 0.3563 (c) 0.0594; (d) 1.037 2. (a) 2.78 X 10°°M; (b) 9.78 X 107M 3. AMP = 3.43 X 10°M; GMP = 1.06 X 107M 4. (a) A; pU; pA; pA; pC; pU; (b) AU; AAC; U (c) 无 效应 ; (Cd) 一 种 无 味 叭 核酸 ,其 结构 为 : 〈5 7)T-C W NO = 5. (a) —7.30 FR/RDF3. (b) —8.66 FE/KAF (c) —100F4/HOFs Cd) —-14FR/RAF 6. 7123 FE/RAF 7. 1.3 FR/RDF 8. 3.55 X 107°M _9. (a) [PEP] = [ADP] = 0.0178mM [Pyr] = [ATP] = 9.9822mM (b) [PEP] = [ADP] = 0.0151mM [Pyr] = 5.98mM; [ATP] = 11.98mM 10. 1.26mM 11. (a) [ADP] = 0.991mM, [AMP] = 0.0009mM (b) +3.344% 第 十 六 章 cd C& +p se @W OW 一 ; G) + | 2. (a) 及 (b): D-H + 2ADP + 2P; -一 > 2 乳酸 -十 2ATP 十 2HO 3. (a) 甘油 +NADt + ADP 十 P; —> 乳酸 十 NADH 十 H+ 十 ATP 十 H50 (b) L-3-BERR H ith 十 NAD+ + 2ADP + Pi; —> 乙醇 + CO, + NADH + H+ + 2ATP + H,0 (c) D- 甘 露 糖 + 2NAD* + 2P; -一 > 2 磷酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 + 2NADH + 2H* + 2H,0 © 9196 (d) 蔗糖 + SADP + 5P; 一 -> 4Z + 4CO, + SATP + 4H,0 (e) 甘油 醛 十 P, + ADP —> ZH + CO, + ATP + H,0 4. 1,6- 二 磷酸 果糖 + 2NAD+ -一 > 2 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 + 2NADH 十 2H+ 5. 190mM 葡萄 糖 ,20 mM CAP; 至 少 增加 磷酸 到 380mM 6. 1,6 二 磷酸 果糖 , 磷酸 二 羟 两 酮 ，D-3- 磷 酸 甘 油 醛 ，D- 甘 油 醛 ,1- 磷 酸 果糖 ， 乙 醛 ， 5 脱氧 成 酮 糖 全 《人 8. 一 0.354 千 卡 / 克 分 子 9. (a) 0.799%3 (b) 2.48%; (c) 7.63%3 (d) 22.1%; (e) 53.9%” 10. —1.93 于 卡 / 克 分 子 出 古人 OBS05EGDNTRSO0 (c) 5.103 “Gd) 7.58; (Cp iT 第 十 七 章 itn) ce ets «6(c) 35 Cd) 2 2. (a) 碳 原子 1,2 及 3; (>) 碳 原子 2; () 碳 原子 2 及 3 3. (a) (1) HOOC 一 4CH; 一 CHCCOOH )CH(COH )—COOH (2) 碳 原子 4，《〈3) 碳 原 子 2 (b) (1) 于 标志 [*] 的 碳 原子 : HOOC—*CH,—CH(*COOH)CH(OH)*COOH, (2) 碳 原子 1 和 4; (3) 碳 原子 2 (c) C1) 于 标志 (*#) 的 碳 原子 : HOOC—CH,—CH(*COOH)CH(OH)*COOH (2) 1-“C-o-B X=; (3) 未 标志 ; (4) 碳 原子 1 和 二 (d) (1) 于 标志 (*#) 的 碳 原子 ， HOO*C—CH,—*CH(COOH)*CH(OH)COOH, (2) TRF 1,2,3, 4 4, Ka) 030 (by AZ > Wy/2 5. (a) 03 (b) 03 (ce) 1/25 (Cd) 1/43 “Ce ‘1/8 6. (a) 柠檬 酸 十 2NAD+ + GDP + P——> 琥珀 酸 + 2 CO, + 2NADH + 2H* + GTP Of (b) 2 丙酮 酸 +°2H,O + 3NAD* + GDP + ATP — > 琥珀 酸 + 2C0, + 3NADH + 3Ht + GTP + ADP (c) 延 胡 索 酸 + CH CoA + 2H,O + 3NAD+ + GDP + P; 一 一 > 琥珀 酸 + CoA + 2CO, + 3NADH 十 3H+ + GTP 7. (a) 及 (b) 与 题 (6) 相 同 (c) 2 延 胡 索 酸 + 2H,O 十 5NAD+ + ADP 十 GDP 十 2P; —> 琥珀 酸 二 ;4C0, 十 5NADH 十 5H+ + ATP + GTP 8. 葡萄糖 + ATP + 2NADP+ + H,O 一 > 5- 磷 酸 核糖 + ADP + 2NADPH 十 2H+ 十 CO;; 碳 原子 2 9. 5 葡萄 糖 -6- 磷 酸 十 3ATP + 2H,O -> 6 核糖 -5- 磷 酸 中 3 ADP + 2P, 10. 葡萄 糖 十 6NADP+ 十 NAD+ + 2H,0 + ADP 十 Pi —> 丙酮 酸 + 3CO, + 6NADPH + NADH + 7H* + ATP * 920+ 11. 6 核糖 -5- 磷 酸 + 16ADP + 10P,—>10 乳酸 ;十 -16ATP 十 10H;O; 3-"C-3|&, 153-“C- 乳 酸 12. 一 06 千 卡 / 克 分 子 : K' = 2.75M 13. 2.74 十 107°M 第 十 八 章 Uw F&F Ww NY — - (a) —0.35V; (b) —0.32V; (c) —0.29V ie @s.ts bs c .d, ay bs c by 6d . (a) —2767-F/EDEs Cb) 12.45 FR/BDEO (Cc) +7.10 FR/RAF; (d) 一 25.60 千 卡 / 克 分 子 6. (a) 6.24M (b) 22.5M 7. OAA = NADH = 0.0497mM, NAD = 苹果 酸 = 19.95 mM 8. 9, OAA = 0.0114mM, 32520 = 19.99 mM (a) $1.38 FR/RDFS Cb) 十 16.14 千 卡 / 克 分 子 10. 24- 产 胆 和 钙化 醇 + NAD(P)H + Ht 十 0) 一 > 1;,24- 二 羟 胆 钙化 醇 + HO + NAD(P)t 11. B 12. (a) 直线 在 纵 轴 的 左边 相交 (b) 它们 应 该 是 相互 竞争 13. (a) NAD 及 NADH 脱氧 酶 被 还 原 ;细胞 色素 b; cya 被 氧化 ; (b) NAD,NADH 脱 氢 酶 及 细胞 色素 b 被 还 原 ;细胞 色素 ，a AL; (Cc) 全 部 被 还 原 。 第 十 九 章 1. 1 NADH -; Hh’ + 人 O, + 2ADP + 2P; 一 >NAD+ 十 3HO 十 2ATP 1 » NADH + Ht 二 到 O;, SADP -# SP; = NAD? -PSF1,0 SAT? - Ca) 3.55 Ce 4.05 (Ke); 2:55~)€e) 4.0 . (a) 甘油 醛 + 30, + 17ADP + GDP + 18P; —> 3CO, + 17ATP + GTP + 21H,;0 《by 丙酮 酸 十 2 r 0, + 14ADP + GDP + 15P,—>3CO, + 14ATP + GTP + 17H,0 (c) 柠檬 酸 + 4 = O, + 26ADP + 2GDP + 28P, —> 6CO, + 26ATP + 2GTP + 32H,0 (d) 延 胡 索 酸 + 30, + 18ADP + GDP + 19P; 一 > 4CO, + 18ATP + GTP + 21,0 (c) 草 酰 乙酸 十 2 0, + 15ADP + GDP + 16P; —> 4CO， + 15ATP + GTP + 18H,O | . 果糖 + 60, + 2ADP 十 4P; + 2GDP ——> 6CO, + 2ADP + 2GTP + 10HO . 40.1% PA +3 . 40.4% | | . 有 氧 条 件 下 : 磷酸 化 作用 电位 = 3.50; 能 荷 = 0.91. 无 氧 条 件 下 : 磷酸 化 作用 电位 = 0.54; 能 荷 = 0.83 CS) NT EN I 第 二 十 章 1. (a) BRE + 60, 十 7CoA 十 30ADP 十 30P; -一 > 7 乙酰 CoA + 36H,O 十 29ATP + AMP + PP; (b) 花生 四 烯 酸 + 27 0, + 157ADP + 157P; —> 20CO, + 172H.O 十 156ATP 十 AMP + PP; (c) 软 脂 酸 + 70, 十 35ADP 十 35P; —>4 乙酰 乙酸 + 37H,O 十 .34ATP + AMP + PP; (d) 单 油 酰 二 软 脂 酰 甘 油 酯 + 750, + 430ADP 十 430P; 一 -> 53CO, + 477H,O 十 427ATP 十 3AMP + 3PP; (e) FMB 二 12 3 O, + 72ADP + 72P; —> 9CO, + 80H,O + Z1ATP.+ AMP + PP; 2. (a) 碳 原子 1; (b) RRFIR4; ©) 碳 原子 1 3. 碳 原子 133 及 5 第 二 十 一 章 Ke 1. (a) SRB; (hb) 异 成 酰 -CoA 脱氧 酶 2. (a) 于 和 50 二/ 克 分 子 ; (b) 一 500: 千 卡 / 克 分 于 3. (a2) 苯 丙 氮 酸 十 100; 十 46ADP 十 46P; 一 >9CO, + NH; + 45ATP 十 AMP + PP; 十 45H2O (b) 2% ARB + 200, + 90ADP + 88P; 一 > 17CO, + 尿素. + 87ATP + 3AMP + 2PP; + 87H,O 4.0 €a)e4 Sige F330 Cb) aaB:5 分 子 5. (1) eR; (2) 未 标记 ; G) 未 标记 ; 6) o MRF. 6) 8- 碳 原子 ; (8) 7- 羧 基 矶 原子 6. 2 RRR 十 4NAD+ 十 3ATP 十 4H2O -一 > 乙酰 乙酸 十 尿素 + CO 十 4NADH + 4H+ + 2ADP + AMP + 4P, . 7. (a) r-RRRIRT; (b) 7RERRFs () 碳 原子 2 或 3 8. 22.4% 9. 葡萄 糖 : 6.33 ATP/RBT; TR: 7.00; RAB: 6.00 922 ¢ 10. (a) 直线 在 纵 轴 的 左 侧 相交 ; (Cb) 平行 线 第 二 十 二 章 1, —20.76 于 卡 / 克 分 二 2. 35.2% 3. (a) 20.0%; (b) 37.5% 第 二 十 三 章 1. (a) 2 柠檬 酸 + 4NADt + 2FAD + 2ATP + 6HO 一 > 葡萄 糖 + 6CO, _+ 4NADH + 4H+ + 2FADH, + 2ADP 十 2P; (b) 2 ARAM + 70, + 2NADH + 2NADPH + 4Ht* + 2FAD + 2GTP + 2ATP + 6HO -一 > 和 葡萄糖 + 2 乙酰 乙酸 + 400, + 2NH; 4+ 2NADPt + 2NADt + 2FADH, + 2GDP + 2ADP + 4P; (c) # ASB + 11 NAD+ + 11FAD + 5ATP + 4GTP + 27H,O 一 > 2 葡萄 糖 + 4CO,+ 1INADH + '11H* + 11FADH, + 4ADP + AMP + 4GDP + PP; + 8P; (d) 4 亮 氨 酸 + 18NADt+ + 6FAD + 10ATP + 6GTP + 38H,0 一 > 3 葡萄 糖 + 4NH; + 6CO, + 18NADH + 18H*+ + 6FADH, + 6ADP + 6GDP + 4AMP + 4PP; 十 12P; 2. 碳 原子 1 及 6; 碳 原子 2、4、6、8、10、12、14 及 16 3. 2 丙酮 酸 + 2NADH 十 2H+ 十 4ATP 十 2GTP + UTP + 6H,O —> 葡萄糖 + 2NADt + 4ADP.+ 2GDP + UDP 十 :7P; 8 个 高 能 磷酸 键 4, 2 丙酮 酸 + NADPH + H* 十 NAD+ + 4ATP 十 2GTP + UTP 一 > 抗坏血酸 十 NADP+ + NADH + Ht 十 4ADP 十 2GDP + UDP + 7P, 5. C1) 碳 原子 3 及 4; (2) 碳 原子 3、4 及 5; GC) RAF 123 第 二 十 四 章 1. 9 乙酰-S-CoA + 16NADPH + 16H+ + 8ATP + H,O —> 硬 脂 酸 + 16NADPt + 9CoASH + 8ADP + 8P; 2. 8 丙酮 酸 + 12NADPH + 4H+ + 7ATP 十 SNAD+ + H,O 一 -> 棕榈 油 酸 + 12NADPt + 7ADP + 7P; + 8CO,-+ 8NADH 3. 月 桂 酸 + 3 乙酰 -S-CoA + 6NADPH + 6Ht + 4ATP + H,O —> HASH + 6NADPt + 3CoASH + 4ADP + 4P; 4. 12 = Hat + 42NADPH + 42H* + 48NADt + FADH, + 2ADP + 2P; 一 一 > 三 软 脂 酸 甘油 酯 + 24C0, + 42NADPt + 48NADH + 48Ht + FAD + 2ATP + 23H,0 5. 6 个 高 能 磷酸 键 ° 923。 6. 12 个 高 能 磷酸 键 thet 7. 18 乙酸 + 40, + 12NADPH + 12H+ + 36ATP + 9H,O -一 > JA EIAe + 9CO, + 12NADP+ + 18ADP + 18AMP + 18PP; + 18P;3 36 不 高 能 磷酸 键 8. 葡萄 糖 的 每 一 碳 原子 含 0.5; 每 一 碳 原 子 生 成 0.062 个 高 能 磷酸 键 -( 以 软 脂 酸 形式 贮存 ) 第 二 十 五 章 章 三 十 二 杂 1. 琥珀 酸 + FH, + 2NADt + NAD(P)H + H* + FAD + NH; + GTP + H,O 一 > 甘氨酸 + CO; + N®N” ZF FH, + 2NADH : + 2H*t + NAD(P)+ + FADH, + GDP + P; 2. 异 柠檬 酸 , 十 NAD+ + NAD(P)H + Ht + FAD + NH; + 2ATP + GDP + H,O —> 苏 氨 酸 + 2CO, + NADH, + NAD(P)t + FADH, + 2ADP 十 Pi + GTP ) 3. HER + Haw ——NH.— C—NHCH,COOH | ae + NH,(CH,);CHNH,COOH NH,— ne aan s + 蛋氨酸 — VK 十 ' 同 型 半 胱 氨 酸 NH 4. 5 个 高 能 磷酸 键 5. 丝氨酸 一 > 乙醇胺 十 CO, CR + 3S- 腺 昔 蛋 氨 酸 一 > 胆 碱 + 3 同型 半 胱 氨 酸 十 3 蛋氨酸 6. 组 氮 酸 环 中 碳 原子 4 7. 10CO, + 2 RYE + 31 NADPH 证 31IH+ 十 4NAD+ 十 34ATP ON ee eee + 16HO -一 > 2 MME + 31 NADPt + 4NADH + 4Ht* + 34ADP + 34P; 8. o- 酮 戊 二 酸 + NH; + 3NAD(P)H + 3H+ —> RRR + 3NAD(P)* 十 3HO; a 碳 原子 9.o- 酮 异 成 酸 十 [CH,] RARE w_ 酮 泛 解 酸 ; o- 酮 泛 解 酸 + NAD(P)H + Ht — > ff + NADP*; 门 冬 氨 酸 ,一 > 6 丙 氨 酸 + CO,3 Zi + 扩 丙 氨 酸 一 > 泛酸 10. 2 个 高 能 磷酸 键 ;，(a) 无 ; (b) 碳 原 子 '2 第 二 十 六 章 1. (a) 味 叭 环 的 碳 原子 4; (b) 味 叭 环 的 碳 原子 4 及 核糖 的 碳 原子 2 ; (Cc) ee 环 的 碳 原 子 5; (d) 呆 险 环 的 氮 原 子 1 及 氨基 氮 原 子 ; (eo) 于 叭 环 的 氮 原 子 3 及 9 2. (a) MEARS 6; 〈b) ARF IRI 与 氨基 氮 35 () 氮 原 子 1 及 3 与 氨 EA 29246 3. 6 个 高 能 磷酸 键 4. 草 酰 乙酸 十 核糖 -5- 磷 酸 + 3 NH; 十 NAD+ + NAD(P)H 十 Ht 十 5ATP——>CTP + NADH + H* + NAD(P)+ + 4ADP + AMP + 4P; + HO; 0.13 克 分 子 5. FRR + 葡萄 糖 十 NADP+ + NH; + 4ATP + H,O——>NADP* + AMP + 2ADP + 2PP; + 2NADPH + 2H* + CO, 6. A: (a) RRART 3; (b>) 尿酸 碳 原 子 5; (c) 尿素 氮 原 子 fa: (a) RIAA MH-NH; (b) RRAVNAHREK, (c) 氮 氮 原子 两 栖 类 : (2) RAB RT, (>) CRRRER, () RAAF 1 1 3. (a) 4.9Ft; (b) 867 BROT; () HE; Cd) 36388 OF 4.19 + 10° 3D F/T LA/ OH 5. 7.22 X 10° RO T/LA/D HH 6. 1.41 X 10° 克 分 子 / 克 肌 肉 / 分 钟 7, K’ = 1.66 X 10? . . 对 磷酸 肌 酸 + ADP 一 > ATP + 肌 酸 : (a) 一 0.63 千 卡 / 克 分 子 ;，(b) 一 0.64 F 卡 / 克 分 子 co 第 二 十 八 章 1. 2:21 千 让 从 克 离 计 ) 2. 2.24 * 10°/FF 3. (a) 51.6 微克 当量 /h/ 毫克 ; (b) 57K+ 离子 4. 9 个 Nat+ 离 子 5. 0.5% af 6. pH 梯度 5.35, 8.65 第 三 十 章 1. (a) 1.03 (b) 1.335 (c) 0.903 (Cd) 0.6935 (e) 0.8573 (£) 0.703 2. Che + 30, + 18ADP + 18P; —> 2CO, + 21H,O + 17ATP + AMP + PP, 3. (a) 6.335 (b) 8.50; (c) 8.135 (d) 8.083 (e) 6.66; (£) 5.00 4. (a) $e ABR + 50, + 23ADP + 23P; 一 -> 48-#38 7 B + 22ATP + 22H,O + AMP + PP; (b) p-FATR + 4 = O, + 27ADP + 27P; —~> 4CO, + 31H,0 + 26ATP + AMP + PP; ‘5. 直接 的 130ATP; 通过 p-HE TR, 126 ATP 了 第 三 十 一 章 。2.21 十 10“ 道 尔 顿 /微米 . 2, 940 . 如 有 也 很 少 ; 碱 基 比 值 表明 ,MI13 是 单 股 的 , 虽然 也 许 有 碱 基 对 形成 的 发 夹 区 。 . 590/ 升 。(a) 30.6 毫 微米 ,6.03 X 104 道 尔 顿 ; 《〈(b) 106 毫 微米 ;2.09 XI 10° on (c) 1840nm, 3.62 X 105 道 尔 顿 6. (1) (a) 1.748 克 / 厘 米 ?; (b) 1.710 克 / 厘 米 3; (c)1.672 克 / 厘 米 ? (27 te) 7c; Cb) 9053. Cc) 7ES (3) (a) 50%; (b) 63%; (c) 77% 7. 4.07 X 10° 8. (a) 12.25 2.32 K 10°R3H; (b) 7.20 BR yf 9. (a) MRR; (b) A=1.3 X 106; B= 0.8X 1085 C = 0.7 X 10% | D = 0.6K 1095 uw F&F WwW NY — ECoRI B D Lt Hpal Ca wef) 或 其 镜像 Ce C Hpal (d) 缺失 160 个 核 昔 酸 ,包括 A 及 B 段 之 间 的 Hpa 断裂 部 位 。 第 三 十 二 章 . (a) 2.220 核 昔 酸 / 秒 ; (b) 133 倍 . 0.141s .A21%3; G29%; C29%$3 U21% .G21.3%3 C21.3%$3 A28.7%3 T 28.7% . (a) 1.6 X 107ATP3 (b) 4.44 X 10°5 (c) 8 X 108 . 15 X 108ATP; (b) 9.38 4 7. HASEMALIVRD HT: 平行 链 ，TPC 一 ApG, TPG — APC, CpT — sore 反 平行 链 , TpC = GpA,: TpG = CpA, CpT 一 ApG 等 。 8. (a) 单位 长 度 的 线形 单 股 链 及 环形 单 股 链 ; 5:(b) 单位 长 度 的 单 股 环 ;大 .于 及 小 于 . 单位 长 度 的 单 股 片段 ; () 大 于 单位 长 度 的 线形 片段 〈d) 单位 长 度 的 环 及 小 于 单位 长 度 的 线形 片段 ; (ce) ARMs (£) 形成 (十 ) 股 链 的 DNA, 2S MEN C+) 链 共 价 结合 ， 并 系 通过 连续 复制 形成 的 ， 而 形成 (一 ) 股 链 的 新 合成 DNA 则 是 不 连续 合成 AY, Bie ict Wa le} (Okazaki) 片段 而 合成 。 AN wr & ww eee 第 三 十 三 章 1. (a) 5.2s; (b) 36.9 倍 ¢ 926° 2. 414 个 磷酸 键 3. (a) 3.23 Cb) 10.4. 4. (a) 1,000; (b) 27,3003; (c) 5.45 X 10’”ATP; (d) 5.45 X 108ATP; (e) 7.5 X 108ATP; (f) 46.9%; (g) tRNA, HEM RNAS, BAAS, RNA 聚合 酶 ;终止 因子 如 ep, tRNA 修饰 酶 。 指导 转录 5. (a)-E-Y-D-S > (b) RWS, 突变 型 D, 突变 型 Y, 突变 型 下 第 三 十 四 章 l. (a) H-GM-2-H-B-HHs = (bb) 亮 - 门 冬 - 丙 ; (ce) 组 - 门 冬 - 丙 - 半 胱 - 半 胱 - 栈 ; 〈d) 蛋 - 门 冬 - 谷 2. as b,c,.d, fase; e, f: 8, AE 3. HbI, 转换 ; HbG aonom， AHS HbNoxtolxk 转换 ; HbMopostons PRS HbGphil, 转换 ; HbOjndonesias RHE 4. (a) 5’TCGAGTAGCCGATGATCATCGTCGACGA3’$ (b) 5’UCGAGUAGCCGAUGAUCAUCGUCGACGA 3’ (c) 丝 -= 丝 - 丝 - 精 ; (d) 丝 = 丝 - 丙 - 门 冬 - 门 冬 - 组 - 精 - 精 - 精 . (a) 对 的 ; (人 b) UGG -一 > UUG —> CUG —> CCG . (a) His (b) 门 酰 胺 或 赖 GUA . 150; 30; 4 303 二 6 . (a2) 在 第 二 个 密码 子 ; (b) 第 一 位 ; (c) AUGACCUUCAUAUGG; (d) 蛋 = 丙 =- 茶 两 - 异 亮 - 色 第 三 十 五 章 1. (a2) 0,0,03 (b) 13,8003 6,900; 03 (c) 1.5 X 1073 6,900; 34,500 2. 3’-GCAGTCACTGC-5’, 5’-CGTCAGTGACG-3’ 3. CAP 结合 部 位 ,启动 子 4. (a) 组 氨 酰 了 NA 合成 酶 ; (b) 组 氨 酸 阻 遏 物 能 控制 其 本 身 的 合成 ,但 在 那些 因 为 缺少 共 阻 遏 物 而 使 它 不 能 与 其 本 身 操纵 基因 结合 的 部 位 , 则 可 自行 合成 。 5. (2) 缺失 全 部 或 大 部 分 乳糖 操纵 子 ; 结 构 基 因 中 的 移 码 突变 ;结构 基因 中 无 意义 的 突变 ;产生 无 功能 酶 的 密码 子 改变 ;启动 子 突变 (不 能 与 RNA 聚合 酶 结合 ); 转 录 终 止 信号 提前 ; CAP 结合 部 位 发 生 窗 变 而 阻止 结合 ; i 基因 突变 ,以 致 即 使 有 诱导 物 存在 ， 阻 遏 物 仍 与 操纵 基因 结合 ( 伴 RA); (b) 腺 若 酸 环 化 酶 缺陷 ; CAP 不 能 与 cAMP 结合 ; (c) (1) Lac 基因 缺失 ，(2) 涉及 到 结构 基因 的 任何 突变 ;转录 终止 信号 提前 ,(3) 基 突变 ,〈4) CAP 结合 部 位 缺陷 ; (d) 启动 子 6. -REVILEDANDYDNADELIVER- 但 一 [ 朱 定 尔 、 袁 恬 莹 译 卢 义 钦 校 ] © 927 ¢ ON AA in 4) 下 t: GR AVA 章 四 十 三 业 aot Cs) 芝 1~pe Ca) 只 * i ) i) | RE 和 加 cai RM |v AY/ DLA 4A sCATK Cs) .€ EEE BERS | 借 出 日 期 还 书 日 期 ) 二 可 Ge) ,人 全 请. FPOADOD 一 站 .§ GAD “2 BY Ce) .? cheek: See $4 @) a ce eae KR i es ye GD wR & Ft RS ee (Oe ta 革新 茶 证 Ss ene ee Ve | ae ae og vidal 6 ~4 a bis Pies