i OVI Tee ee ne ee Se emo ee At [oo * "— le ee he 江苏 科学 技术 出 版 社 er fers el a le ict RR ls PT ie ON ig St ae bly ee 这 : ‘ 4 pe RC ok Tae age | By, wR (Ae eae | a. +1 oI | ; Yeh 辐 区 和 古 _ . uy : . ff 2 i 了 is A 村 站 7 ’ 78 4 , o ; by 2 rea) 7 i rt 3 * UJ ia 1 os Ly Al J . ar Poe or hs - ae Um 4 ) - i * te ew md takes er 三 a2 mm 细胞 生物 学 丛书 细胞 的 结构 与 细胞 的 代谢 主 编 尤 复 坦 ” 陆 佩 洪 编 者 〈 以 姓氏 笔画 为 序 ) EW FH ARM FUE HTD RR RRA EO, PK Ne Se : 下 é 2 \ if IT Np a i el 中 科 院 植物 所 图 AONUMA $0011787 江苏 科学 技术 出 版 社 23420 细胞 生物 学 丛书 细胞 的 结构 与 细胞 的 代谢 尤 复 输 ” 陆 佩 洪 “主编 出 版 : 江苏 科学 技术 出 版 社 发 行 : 江苏 省 天才 村民 EN Mill: 淮阴 新 华 印 刷 厂 开本 787x1092 % HK 1/16 印张 18.5 插页 2 字数 460, 000 1982 年 8 月 第 1 版 1982 年 8 月 第 1 次 印刷 印 数 1 -6, 500 Mt 书号 13196. 105 定价 2.35 元 责任 编辑 张 湘 君 Dll 前 当代 生物 科学 已 经 获得 了 巨大 的 进展 。 在 性 质 上 由 经 典 的 以 单纯 措 述 现象 为 主 的 形态 性 学 科 提 高 为 以 现代 化 手段 从 事 模拟 与 分 析 为 主 的 功能 性 学 科 ; 其 研究 领域 亦 有 了 重要 的 还 伸 ， 纵 深 方面 已 达到 了 分 子 和 电子 的 水 平 ， 并 且 正 面临 着 新 的 突破 。 由 于 自然 科学 其 它 部 门 与 生物 科学 的 合作 ， 出 现 了 分 子 生 物 学 、 量 子 生 物 学 、 字 宙 生物 学 、 生 物 环境 保护 学 、 生 物 控制 论 与 信息 论 、 生 物 能 力学 、 生 物 系 统 及 生物 工程 学 等 新 学 科 。“ 细 胞 生物 学 ”与 传统 的 “细胞 学 ” 有 着 根本 的 区 别 ， 她 代表 了 现代 生物 科学 向 微观 世界 发 展 的 分 支 。 因 为 生命 的 物 质 基 础 虽然 是 象 蛋白 质 与 核酸 那样 的 生物 大 分 子 ， 但 任何 分 子 本 身 决 不 能 表现 完整 的 生命 活 动 ， 只 有 当 它 们 处 于 “细胞 2 这 样 的 特定 系统 中 ， 才 能 真正 出 现 典 型 的 生命 现象 。 细 胞 又 是 一 切 宏观 生命 现象 的 结构 、 机 能 与 发 展 的 最 小 基本 单位 。 所 以 ， 细 胞 生物 学 是 一 门 承上启下 的 学 科 ， 是 用 新 观点 和 新 方法 研究 生命 活动 的 部 门 ， 是 衔接 宏观 生物 界 与 微观 生物 界 研究 的 关键 ， 她 有 责任 找 出 从 无 生命 物质 到 生命 、 从 细胞 到 生物 体 之 间 活 动 规律 的 内 在 联系 ， 并 用 以 解决 许多 农业 、 医 学 、 工 业 中 的 实践 问题 。 为 了 给 大 学 生 以 现代 生物 学 的 启蒙 ， 提 供 生 物 学 的 新 知识 ， 我 国 部 颁 综 合 性 大 学 生物 学 系 的 教学 计划 中 ， 将 细胞 生物 学 列 为 继 生 物化 学 之 后 开设 的 第 一 门 公共 必修 生物 学 课程 。 本 课程 虽然 已 有 统 编 教材 ， 但 鉴于 细胞 生物 学 发 展 很 快 ， 积 累 资料 十 分 丰富 ， 学 科 的 范 围 和 内 容 均 示 定型， 我们 认为 有 必要 编写 这 套 《 细 胞 生物 学 丛书 》。 它 基本 上 是 一 组 高 等 学 校 的 教学 参考 书 ， 供 有 关 专 业 教师 的 备课 与 参考 5 并 推荐 作为 大 学 高 年 级 学 生 和 研究 生 的 提高 课 、 选 修 课 和 专业 课 的 教材 ， 它 适合 于 分 子 生 物 学 、 生 物化 学 、 生 物 物 理学 、 生 物 能 学 、 生 物力 学 、 生 理学 、 理 论 免疫 学 、 生 物 信息 论 、 生 物 控 制 论 、 生 物 无 机 化 学 、 酶 学 .生物 膜 学 、 生物 工程 学 、 生 物 系 统 学 、 仿 生 学 、 遗 传 学 、 生 物 进化 论 、 细 胞 动力 学 、 组 织 学 、 胚 胎 学 、 微生物 学 、 化 学 生物 分 类 学 等 课程 的 需要 。 也 可 作为 中 学 教师 和 农业 、 医 学 实际 工作 者 进修 生 物 学 基础 理论 知识 的 读物 ;凡是 愿意 涉猎 生物 学 领域 ， 有 志 于 从 事 仿生 学 与 生物 工程 学 的 数 学 、 物 理学 与 化 学 以 及 工程 技术 工作 者 们 ,在 本 丛书 中 也 可 能 会 发 现 他们 感到 兴趣 的 东西 ,并 找到 与 生物 学 工作 者 之 间 的 共同 语言 和 合作 项 目 。 为 了 理论 联系 实际 ， 根 据 当 代 技 术科 学 基本 分 成 材料 科学 、 能 源 科 学 与 信息 科学 等 三 大 系统 ， 本 丛书 亦 从 材料 〈 结 构 ) 、 能 源 与 信息 等 三 个 方面 来 说 明 微 观 生 物 界 的 现象 和 机 理 ， 以 适应 仿生 学 、 生 物 工 程 学、 生物 系统 学 的 需要 。 鉴于 生物 学 界 擅长 形象 思维 而 不 惯 于 运用 抽象 思维 的 特点 ， 本 丛书 尽量 采取 直观 的 依 述 形式 ,尝试 着 从 头 说 起 ,并 且 一 讲 到底 , 即 所 谓 从 ABC 到 XYZ, 把 专门 名 词 和 术语 的 由 来 ， 问题 的 来 龙 去 脉 ， 直 至 最 新 的 进展 ， 存 在 的 疑难 问题 和 和 争论， 都 予以 系统 的 阐明 。 本 丛书 分 成 五 册 陆 续 出 版 : 《细胞 的 结构 与 细胞 的 代谢 》、《 细 胞 的 运输 与 细胞 的 能 源 》、 《细胞 的 通讯 与 细胞 的 防御 》、《 细 胞 的 遗传 》、《 细 胞 的 发 育 》。 本 丛书 资料 来 源 ， 绝 大 多 数 直 接 采 用 1975~1981 年 间 出 版 的 各 种 外 文书 籍 和 杂志 ,其 中 包括 有 关 方 面 的 现 期 期 刊 、 各 种 年 鉴 ， 以 及 各 种 专著 、 丛 书 、 手 册 和 高 级 教科 书 等 。 出 于 本 丛书 的 内 容 遍 及 生物 学 各 个 领域 ， 因 此 ， 我 们 组 织 了 动 利生 理学 、 植 物 生理 学 、 组 织 是 胎 学 、 遗 传 学 、 生 物化 学 等 有 关 方 面 的 教师 共同 编号， 以 保证 科学 质量 。 尽管 我 们 作 了 和 努力， 但 是 限于 时 间 的 仓促 ， 更 限于 我 们 的 水 平 ， 本 丛书 仍然 存在 不 少 间 H, EEU-EARASEMRAPHR, ANREMROENEHRL, BURR, 为 我 们 修改 时 的 依据 。 ALHERTREY, ARMREPRHSE. FRE. WEB, BER, WERE WOR 204, SUR NE, E RRA RTH, FLERE RR PHAM PERR RES 审 稿 ， 并 提出 重要 的 从 RM are NESRESA GTS SeRREE EE HSE RT Eee ee os $48RT OS KRREEO EMOTE CRETE TRG OO te ae ae +g ane Ae PRRRT HW ARR AWS 3a. a Lars ay 5 Ls a lame KUSA KR ERROR A MARA PERWAAR TRAY 1R RS He LWARRAMTANAEAPDS TARGA ROHS RRR RA Se Oe g Pile Marae wR ee ase eae” EA RL RMNARERSA NM oH RKEDRRAREGM HEBRREE RARE RRA REARS NEC KCARE KKH RRM Rit RRA AMSA SEM PEARCE ER A 人 BMS ee ea ee i Mth AMAGARMEE GS ARB Ce CASH RARLERARMASH MRS ANAS TER + ROAR BARRA AR ANAK RLART AS Seana =! ERRKS AALS HAL HS HSK TA ER RATS ORE A oe eee anes ss teens ones sere LSPS SERS SRS SRATATAES HRANLF CDS. Se SAHKCE ses S ROOD SHRAE ES CER RR SREMM AREY S NE FSA Peer ASLERTALER MHRWHESEH ES SPARKS LARGASHA HELATPAESAHEA DAM MPRA RR RSS WH PR cS Ste Re ie eee +S ee * ERRSREERA GS EAT HR : ASPLARG EL ARS ORR BRAGA & 8 AR AT CBT FR IR RH HS a oe PHO HHAKERR RN #2 Sa0e = erevreerereer teres er rer ies rer rt, i io RAE FORE ST SES SY CIR OU A WER Ca ee — i 4 | BRR TR ASTM RES RETR ED Ack SRE ie, AG OSCE HA CHA Re eA RS RR A ChAT MER C8 Ue oe 5. + SWE SOARS HON LE Toor oer ORM ERA A BRAKE AR 风 HEPERHRKT FA ESRI BERT tee he os i ey | OK BT <06 cee cee cuseewenes ye , ‘Ghanaue :各 领域 及 其 不 同 的 研 i - 部 分 细胞 的 结构 = RTH it 75 | 1°3 Ki DRRAT RAK. ae ti. 细胞 的 化 学 fetid a Pure ag TERRI ORE “79 1-1 baer ose see see see cecceccee] 2.1 的 有人 | 1-2 ee”, ae ——— 22 人 和 H, O, N= te cesecccscccececees 3 283° BIRR GE oe Ga ceccensescecscsoes BP 193 碳 是 生物 分 子 的 中 心 … ok Se SE a 24 PORRE ERE eye 1.4 生物 分 子 与 《生命 ”有关 的 特性 1 … 255 oe ee ceccesesscesceress OQ 1.5 细胞 的 无 机 成 分 4 第 三 章 tf Nea “+103 Dihihinan ne ee Te 第 三 节 ESTE See ee oe aT es OminORE RE ~ Fy 2.1 分 子 的 结构 pp 1 2 nit ome om ry Res. 105 2.2 络 合 物 cee cee cee eer eer eer erreerers 26 1:3 HIS FHT AR Sia oo ee 14 BI TRS PINON Bad 第 三 节 生物 大 分 子 .pp 33 Ha RAs 8 13 3°91 大 分 子 化 合 物 的 理化 特性 sees 33 站 kek pee 与 进化 3°2 ee ee a. aid O04 ey oy ble seins ipigalrinipiaen <6 3.3 生物 大 分 子 的 结构 层次 36 2.2 细胞 的 进化 22 第 四 节 BARNA ae cites 52 ; i ce ee; ae ssseeee 5D rr as Ta hy To ot Ss) Ae 2 细胞 色素 Corr cee cee cee cee cee ceweee cee eed 第 二 部 分 细胞 的 代谢 AeA 血红 蛋白 的 结构 vee ee cee eee cee eee eee 57 第 四 章 ete boa pia 4.5 血红 蛋白 的 作用 corre cee cee cee eee eee 57 . Sern iby 4.6 血红 蛋白 的 作用 机 制 ……………… 59 第 一 ee ee 127 4.7 分 子 病 … 60 1. 酶 的 特点 “: Sees Shy ESCM HBSS HY Me ames 63 1°2 BEAGSPE s+ slike TR Sel 分 离 和 提纯 各 种 细胞 成 分 的 方法 1.3 He 32% ~ ome? +1463 第 二 节 了 人 反应 的 全 .136 5.2 分 析 和 测定 ， gl 2.1 催化 理论 全 站 = ”微观 / 9 Ra ere Seer ai SiG ALE KE ~ +++ 138 ani ule anced 2.3 SICA AY BE EDI oe 139 第 一 节 生物 世界 的 大 和 小 ……………74 ed sm mlcn Rae FE l1*1 ALT RR SRP RK crocesereeeeeee 7h ve 14) 第 三 节 ，” 酶 的 结构 与 功能 ………… 146 3.1 活性 部 位 pe 146 3。2 ” 酶 分 子 构象 与 催化 作用 ………… 149 3.3 ABE A PRE ++ ee nee cee ee 150 3°4 cnc EROS 154 3.5 oa- 胰 凝 乳 蛋白 酶 .……w…………… 159 . 3.5 FRIKMA-- ee ahs cee RAR 区 163 3.8 __a- 酮 酸 脱 氢 酶 … 和 第 一 节 NOFA em 189 lel AMMA Setieghes sa-'eas’ 160 1+2 mI A I 的 区 别 … os sw 72 1°3 peer Mb ss aigiess obs cs 1.76 5 nea ert oe Da Ty ee 291 JPY HEL ere ree cee eee eee eee 179 202 BE BTR Bigeye oe 全 ec + 181 Ff 2°3 产物 的 反馈 ppp 187 第 三 节 , 醒 与 酶 之 间 的 关系 ………… 189 aaa Zo WEB ver serccncee ee 189 3:2 BBA 人 3°3 酶 的 定位 .… 9 3"4 mE IN CFI 第 四 节 oe - 197 4e1 三 种 调节 水 平 … se ceccseeeeees 197 4-2 糖 酵 解 的 调节 … 200 4.3” 丙 醒 酸 氧化 脱 疲 和 三 次 酸 循环 的 调节 … wate eee ene en oo ee 201 第 六 章 细胞 组 分 的 合成 ……… 和 206 第 一 节 KE [Fa] 4b, +++ eee cee see ens teens one vee 206 1.1 BRAVE PIA AR coer cee eee cee eee eee oe 207 192 有 类 的 生物 合成 ………… eee eee eee 213 第 二 节 “氨基 酸 的 合成 与 转化 ………217 2.1T 合成 氨基 酸 的 基本 反应 …' 一 ……217 2.2 非 必需 氨基 酸 的 生物 合成 ……… 219 2.3 必需 氨基 酸 的 生物 合成 … +220 第 三 节 worm Te 合成 … at ET ii 391 BRIA IA SR cor cer vee ewe ees 3。2 BRK RAAB MG creer coe eee eee 第 四 节 蛋白质 的 生物 合成 ……… 4"1 信使 核糖 核酸 (mRNA) eee eeeees 402 ”转运 核糖 核酸 CERNA) eereeeees 493 氨基 酰 -tRNA ZB 495 APE RET BIH ove tte eee cee eee eee 228 231 235 237 240 246 249 257 263 267 269 第 一 部 分 结 构 已， 的 细 月 ‘ a ' ay : i ,。 : 1 有 入 . hi rhea ’ ‘ ; . +. | mi 4 ‘ .s 4 ‘ > 3 和 4 rhs | « es 《 . : 2 = A. 和 ’ é ”” 5 d . : ; ‘ fa ® 7 4 Pe 人 _ 人 | ‘ SP + « ; { a . * 1， “ q ‘ ’ 有 a al ¥ 四 人 ah #4," LJ . + i ww a a ’ ° ° é * * ¢ fT sd i 1 夭 二 7 Pr _ npc 4 aa oe t\" 7 “» . ? ° 和 时 ba 人 a nad ; a + of} TP i a . . =e ~ 中 二 » js ? ‘ * e ” : § 7 7 : gf » ° a + : , ie uy , si 4 ‘ a’ " ° ‘ " 3 7 Os “9 ee pee ‘a se yt ic re" af i ° ¢ Pa 时 ‘ if : i -全 - 2% ? F , ’ 7 站 让 F ss 7 x . P ‘ fis ae b. 了 | é rt ‘ ‘ 1 4 jh ” et 4 四 3 用 > age’ . “Say *s be ol? ety 4 起 a . * 4 7 7 4 ‘ . a, oF . : + ‘ * 7 : J f > one) ba a ar oe 和 * ; L . Seat +4 RA a oT -和 人 > te OF ot Sop Sore 4 oy oe rt * Qt A yet par: tie af lige 1 . te 二 re LF “ae "2 Ate % a a & ix 办 = SS " om pane sieh yi 和 pi a a he Sad oer nee pio Ae ww Sr » eee ‘i 7 as - ‘ , > 二 » i TT er “7a 二 sti ane rinses Snore el... bali ; 村 本 ‘Mo . 77 好 化 | Ea Ay wie ti aw 中 et Pens * ew (le tp eee orerer Be “细胞 的 化 学 成 分 生物 体 是 由 各 种 化 学 分 子 组 成 的 。 组 成 生物 体 的 化 学 分 子 和 其 它 分 子 一 样 ,也 是 由 各 种 原 子 所 组 成 ， 原 子 由 各 种 基本 粒子 所 组 成 ， 基 本 粒子 则 是 由 更 小 的 物质 单位 一 二 “基础 粒子 ?” 所 组 成 。 这 样 ， 由 基础 粒子 到 基本 粒子 、 原 子 、 分 子 、 物 体 (包括 生物 体 ) 、 星 球 、 宇 宙 ， 构成 了 物质 世界 的 不 同 层 次 。 各 种 生物 形态 、 构 造 、 生 活 方式 和 习性 等 方面 虽然 差别 很 大 ， 但 是 组 成 生物 体 的 化 学 成 分 却 基本 相同 。 组 成 生物 体 的 分 子 在 结构 上 虽然 十 分 复杂 ， 但 是 它 的 组 成 元 素 种 类 绝对 不 会 超过 地 球 表 面 存 在 的 化 学 元 素 。 第 一 节 ， 组 成 细胞 的 元 素 地 球 表面 ， 包 括 空气 、 海 洋 、 土 壤 和 岩石 ,都 由 90 种 天 然 存在 的 化 学 元 素 所 组 成 〈 另 有 16 种 人 造 元 素 ， 不 存在 于 自然 界 ) ， 其 中 22 种 元 素 为 细胞 的 必要 成 分 ， 被 称 为 生物 元 素 。 1.1 生物 元 素 22 种 生物 元 素 中 只 有 16 种 是 所 有 生物 的 细胞 都 具备 的 ( 表 1-1)。 生 物体 的 化 学 组 成 并 不 单纯 是 它们 环境 的 反映 CGE 1-2) 。 由 表 1-2 可 . 见 ， 生 物体 中 含量 最 多 的 4 种 元 素 是 氧 、 氧 、 碳 和 和 所， 它们 约 占 大 多 数 细 胞 重量 的 99% ， 而 地 表 含 量 最 多 的 4 种 元 素 却 是 氧 、 硅 、 铝 和 铁 。 生 物体 中 的 碳 、 氨 和 氮 远 比 地 壳 中 丰富 ， 这 是 因为 这 些 元 素 常 党 形成 挥发 性 的 或 是 易 溶 于 水 的 化 合 物 ， 在 地 面 上 活跃 地 参与 地 质 大 循环 过 程 ， 也 就 有 可 能 积极 地 进入 生物 学 的 小 循环 。 表 1-1 组 成 生物 体 的 元 素 组 成 有 机 物 的 元 素 | 单 原 子 的 离子 微 量 元 R* Na Mn B C K Fe Ai N Mg2 Co Vv “i Ca2 Cu Mo iy cl Zn 9 Si * 微量 元 素 中 右边 一 行 所 属 元 素 不 是 所 有 生物 都 具有 的 。 表 1-2 生物 界 与 非 生物 界 的 元 素 分 布 地 壳 《〈 包 括 陆地 、 水 体 及 大 气 ) 生 4 网 二 体 49.5 25.3 7.5 5.08 3.39 2.63 2.40 Ky Ss Cl 1,93 ie x M y 97.69% - cin nee Mn, Cu, I 0.9 0 0.63 99.9% 0,19 Co, 20518 0,12 Mo, F, Si 99.50 % Wis Cr.'Sa ~ 0,090 Se ou 0.080 3 Bt: 100.0% 0.060 ‘ 0.040 0.038 0.030 0,026 0.023 0,020 0.018 0.017 0.018 0.010 Bit. 99.96% 如 果 把 参与 细胞 组 成 的 化 学 元 素 单 独 列 在 周期 表 中 〈 表 1-3) ， 可 以 看 到 ， 参与 生物 体 : 组 成 的 元 素 ， 主 要 是 轻 元 素 ， 最 重 的 元 素 是 碘 ORF M127), RHC, H, O, NV SRP 等 几 种 元 素 靠 得 较 近 ， 似 乎 组 成 了 一 条 “生命 线 "， 它 们 是 细胞 内 有 机 成 分 的 主要 组 成 元 素 。 ~ 表 1-3 生物 体 元 素 成 分 与 化 学 周期 表 Co's ER cs | Ba SRE HSE 1-2 ”细胞 内 有 机 物 的 组 成 元 素 一 -C、H、0、N 这 些 元 素 具 有 共同 的 化 学 性 质 ， 它 们 可 以 因 共 有 电子 对 而 迅速 形成 共 价 键 。 由 于 共 价 键 的 强度 与 成 键 原子 的 原子 量 成 反比 , 故 C、 互 、O、N 形成 的 共 价 键 很 稳定 。 氢 需要 一 个 电子 对 、 氧 需要 两 个 电子 对 、 氮 需要 三 个 电子 对 、 碳 需要 四 个 电子 对 ， 就 能 使 各 自 的 电子 层 饱 和 而 形成 稳定 的 共 价 键 化 合 物 。 这 四 种 元 素 易于 相互 反应 而 使 外 层 电 子 饱和 ，,C、N、Q9 可 以 共 有 一 对 或 两 对 电子 而 形成 单 键 或 双 键 ，C 可 以 与 另 一 个 C 或 N 原子 形成 三 键 ,这 类 键 在 自然 界 中 是 罕有 的 。'C 原子 这 种 多 样 而 稳定 的 结合 方式 ， 是 导致 生物 分 子 种 类 繁多 的 一 个 原因 。 1:3 碳 是 生物 分 子 的 中 心 碳 是 有 机 物 的 特有 元 素 ， 它 是 生物 分 子 的 结构 中 心 。 碳 原子 可 以 彼此 反应 并 形成 稳定 的 、 共 价 结合 的 碳 - 碳 化 合 物 ， 而 且 碳 原子 之 间 能 够 结合 成 链 式 或 环 式 结构 ,其 长 度 和 大 小 几 乎 是 无 限度 的 ,因此 成 为 各 种 有 机 分 子 的 骨架 一 一 碳 干 。 由 于 碳 原 子 还 可 以 与 其 它 很 多 种 元 素 如 HO, NS. Posse By StF IB ae has EY SE Oh aE, 因而 能 在 有 机 分 子 的 结构 中 引入 不 同 种 类 的 BREA; 另外 ， 由 于 碳 原子 的 四 面体 构 型 ， 产 生 了 大 量 的 同 分 异 构 体 。 因 此 ， 没 有 另外 一 个 元 素 象 碳 元 素 那 样 ， 能 够 生成 如 此 众多 〈 大 小 和 形状 ) 的 化 合 物 和 如 此 多 样 的 官能 团 。 硅 虽 是 能 在 本 身 原 子 间 相互 形成 共 价 键 的 另 一 个 元 素 , 而 且 它 在 地 壳 中 的 含量 远 比 碳 为 多 ,但 它 不 能 象 碳 元 素 那样 在 有 机 世界 中 发 挥 作用 ， 其 原因 何在 ? 从 表 1-4 看 出 ， 硅 的 弱点 可 能 主要 是 由 于 硅 - 硅 键 的 不 稳定 性 ， 它 在 氧 的 作用 下 易 生成 硅 酸 或 不 溶 于 水 的 二 氧化 硅 聚 合 物 。 1-4 碳化 合 物 与 硅化 合 物 的 理化 特性 比较 X-O 键 强度 两 价 氧 化 物 RE, BE, ET | BERR, WR 被 氧化 282, RAKE Rs, BREE, 为 CO2 ,气态 物质 ， fe BRAT BLS 昌 深 于 水 ， 化 学 性 RA RR RRR KR, HR, BH 状 ， 可 形成 大 分 子 化 合 物 较 强 ， 难 于 还 原 ; | 为 SiOz, 固 态 物 质 ， | 能 形成 链 状 * 环 状 、,| RH, 不 稳定 ， 在 | . 可 形成 有 限 大 小 不 能 成 为 烃 化 合 物 “| .熔点 高 ， 与 水 不 发 .| 片 状 及 网 状 的 结 | .室温 或 稿 高 于 室温 | 程度 的 化 合 物 ， 硅 ERM, QF | 构 ， 成 为 无 机 大 分 “| 时 即 被 氧化 BHA SigHig HF, tt 质 不 wR 子 1.4 生物 分 子 与 “生命 yx 有 关 的 特性 单纯 主要 由 碳 和 氢 等 元 素 组 成 的 生物 分 子 多 数 是 非 极 性 的 ， 与 水 的 亲和力 低 ， 使 生物 体 与 水 环境 之 间 形 成 一 定 的 界面 ， 这 是 生命 诞生 和 存在 的 必要 条 件 。 氨 、 氧 \ 硫 等 参与 组 成 后 ， 引起 了 有 机 分 子 电荷 分 布 的 不 均匀 。 同 时 ， 因 这 些 元 素 而 形成 的 官能 团 发 生 酸 式 或 碱 式 解 离 ， 使 分 子 出 现 了 极 性 ， 能 与 水 分 子 形成 气 键 ， 因 而 表现 为 亲 水 性 ,其 结果 是 使 生物 分 子 与 其 水 环境 之 间 增 强 了 相互 作用 。( 表 1-5) 内 部 表 1-5 ABAMOFHSRAKAA re 二 wit? Tag, 、 中 R OH | R GRY R7 Oo ‘lw rE ie ; Bat : ex 页 基 U) FE Pe be SE - & eisat ick _-4 Suns a . BR RSH RCE {oH R—NO3# i JE WE 酚 羟 基 ie R O° peti ell wh th: NEG Te Na R—-c¢ ret pe: | eae TARE \NHa ANH a _ ERE DE ahead FE 氨 参 加 主 链 结构 后 ， BT REAL, ZANE HREOC LRM, Tek E—C—C—N—#E WRK, ) Ch , Sat R.A, HS 5 BIE RR BUCA) RSC RHE. ae te 氧 ANAT EAN TERA, ALERT TORRE a AE a RE 1°5 ain E | Scie oa 45 Hid PI RAT BLD Sb, ERA PRS TE LED , 约 占 细 胞 总 固体 的 3 一 5% CR RR 织 中 更 要 高 得 多 ) 。 人 金属 元 素 中 以 Na、K、Ca、Mg 的 含量 较 多 ,例如 ， 一 个 70 公斤 体重 的 人 含 Ca 1,050 克 ， K 245 克 ，Na 105 克 ，Mg 35 克 。Fe、Z7n .RD BPM, ABH IE. 2.3 克 和 'I.2 克 ， 其 中 Fe、Zn 对 正常 代谢 是 必要 的 ， 而 了 b 还 不 清楚 。 张 官 含 量 低 于 1 克 而 为 代谢 必需 的 金属 元 素 有 :Cu (100 毫克 ) 、Man (20 毫克 ) 和 Co (一 5 毫克) 。 近 来 发 BCs ( 量 存在 可 增进 健康 。 Is At IAL. Cs. Rb, AURA ER, MEH bs 量 差别 较 大 ， ii eM Hiithent tS 7GR jpb Cd, He, ATSIC RAEN) REAM RLS! hi cle tases isd Be Gis Nes 75 35 104 HEA ose neh aA RAR Bin 和 多 Sse eee Becta sete Nea yuk ae La AGB eR Jp te SO BRbh?. ;例如 ， 石 松 积累 Al; BRRBE, SHAW PARE, RCM UE 物 和 水 贼 积累 Fe; RAB. ARR. FEPRAIILYS AE BR Si; WRB Sr ty Ca 多 ， 某 些 海 鞘 类 动物 积累 V;， 蕨 类 积累 Y 〈 包 ) ， 腔 肠 动 物 积累 Zn 海 编 动物 则 同时 积累 B 和 9i。 动物 不 同 的 组 织 细胞 也 常常 可 以 深 舌 革 释 离子 。 例 如 ,头发 和 羽毛 中 积 栋 AI. As, Lf V; BUR Cd,He 和 Mn, 脂肪 组 织 中 积累 Soy AME PAR Za 和 Sr; 脑 中 积累 Cu; 眼 的 脉络 膜 中 积累 Ba, 在 细胞 的 细胞 器 和 亚 细 胞 区 域 中 无 机 离子 的 含量 差别 很 大 ， i. faze AE ity BRL AR Fs PR Ey WES So BY 10 ~ 15 倍 。 EUS MG PRO TED, RIERA MOE A, dn Cl” WoaMEME MR, Me™ 激活 ATP; 有些 金属 离子 参与 酶 分 子 的 组 成 ， 如 Zo SSoRMiNAR, Mo Shee NEAT; Fe, Cu 和 :Co 能 可 逆 地 氧化 还 原 ， 因 而 成 为 很 多 氧化 还 原 酶 活性 部 位 的 功 能 成 5, va ACG AY Fe ,多 酚 氧 化 酶 中 的 Cuf 金属 离子 还 可 以 作为 一 个 生物 大 分 子 各 企 亚 基 之 间或 与 其 它 大 分子 之 间 的 交 联 中 心 ， 如 Si 可 加 强 结缔 组 织 中 糖 蛋白 之 间 药 联 系 。 另外 ， 后任 人 生生 的 变化 ,从 而 影响 大 分 子 的 生物 学 活性 。 136. 各 种 离子 型 元 素 的 生物 学 iio ae, ahi ue 45 Tees Lee ARITA A eg RS , in Cay COs, HRO ®%H, QO; AM ABP RAS > mNX! NO, (ae NH,*)., PPOs ids 或 了 BO S %SO% S027 5, Cl 为 Cl 等 ;有 的 则 是 阳离子 状态 ， 如 Na‘, Rs Ca°ty Me**, Fe** (Fe) 等 。 下 面 赔 明 几 种 主要 生物 元 素 〈 除 已 经 讲 过 的 C、H 及 Q 冯 7 AAEM ENS ANCE ESTA, RATTAN NSPS, Nay KK) Ca, Mg,, Fe 4 Cuk Mo 等 。 gglt6el Re 它 在 地 球 上 主要 是 以 分 子 状态 存在 于 天 过 和: SEPA MORE Oe 1 价 键 结合 成 的 气态 分 子 : oN: EN: (N=N), o No 的 化 学 性 质 非 常 不 活泼 , 既 不 与 金属 作 用 ， 也 不 与 非 金 属 作用 ; af REE ER TART EOP ER ORAECEE REESE Het PARRA Tilt 高 温 、 高 压 ‘4 了 pee Ai 3M + Ne AEE Fl Mg3Ne 活泼 金属 的 所 化 物 容 易 被 水 解 而 放出 氨 来 。 这 个 过 程 ， 在 原始 的 地 球 条 件 下 ,可 能 进行 ， 所 以 对 生命 起 源 极 为 重要 。 氮 与 氧 在 电弧 作用 下 生成 氧化 氮 : 0 氧化 氮 溶 解 于 水 而 成 硝酸 现在 地 球 上 经 常 进 行 着 这 个 过 程 ， 例 如 雷雨 以 后 ， 有 一 定数 量 的 硝酸 流 进 土壤 。 有 意义 的 是 氮 族 元 素 (包括 N AP) 的 原子 由 于 它 外 层 电子 构 型 为 as“np ，” -都 是 全 满 的 ns 轨道 和 半 满 的 np 轨道 ， 具 有 比较 稳定 的 状态 ， 得 失 电子 而 形成 离子 的 倾向 很 小 ， 所 以 它们 形成 的 化 合 物 所 具有 的 主要 是 共 价 键 而 不 是 离子 键 。 的 确 ， 氮 在 自然 界 主要 是 以 :的 状态 存在 ， 在 生物 细胞 内 也 主要 存在 于 大 分 子 有 机 化 合 物 中 。 但 是 生物 细胞 却 只 能 吸收 它 的 离子 状态 化 合 物 ， 即 NH 沁 或 NO。。 自 然 状 态 的 所 和 细胞 内 的 所 都 是 处 于 还 原状 态 的 ， 然 而 ， 细 胞 在 吸收 氮 时 却 宁可 要 氧化 态 的 NO。， 而 不 要 还 原 态 的 NH， 尽 管 吸收 进 细 : 胞 的 NO。， 仍 然 需 要 经 过 一 系列 的 还 原 过 程 , 才能 最 终 成 为 细胞 结构 中 的 -NHsz。 这 是 一 个 颇 费 周折 的 生物 学 过 程 。 〈 图 1-1) 5+ 4+ 3+ 2+ 1+ 0 1- 2- 3- HNOs>NO2>HNO2>NO>N20>N2>NH20H>N2H2>NHs~>-NH2 1-1 . 氮 原 子 的 氧化 还 原状 态 与 氧化 还 原 全 过 程 氨 的 分 子 结构 为 一 个 三 角 锥 形 ， 它 的 氮 原 子 在 角 锥 顶端 ， 而 三 个 所 原子 在 锥 体 的 三 个 脚 上 ， 这 种 构 型 使 它 具 有 明显 的 极 性 ， 所 以 易 溶 于 水 ， 且 能 与 水 分 子 闻 形 成 氢 键 ,甚至 能 把 水 分 子 中 的 氢 核 吸引 到 自己 表面 上 来 ， 形 成 了 一 个 四 面体 结构 。 《图 1-2) 在 现代 地 球 上 ， 已 无 太古 时 代 的 高 温和 高 十 压 等 条 件 ， 生 物 细胞 的 氮 源 主要 依靠 生物 学 的 小 循环 ， 起 关键 作用 的 是 两 类 微生物 ， 一 类 微 生物 能 将 有 机 态 的 氮 分 解 成 无 机 态 的 - 氮 化 合 物 ， 最 后 甚至 还 原 成 氮气 而 重 返 大 气 。 这 个 过 程 是 必要 的 ,避免 因 氨 不 断 积压 在 有 机 残 体 中 ， 从 而 耗竭 了 和 氮 的 自然 资源 ， 因 为 氮 在 大 气 中 虽 | + RAPRKAARA 78.09%, ARPA A B any CRBS 的 丰 度 却 只 有 0.0046% 。 另 一 类 是 某 些 具有 固 氨 能 力 的 微生物 ， 它 们 能 把 大 气 中 的 游离 氮 转 化 成 氨 ， 令 人 惊讶 的 是 它们 在 进行 固氮 时 并 不 1-2 简单 气 化 合 物 的 构 型 要 求 高 温和 高 压 ,也 不 要 求 放电 ,只 是 在 一 个 温 ae 和 的 细胞 内 环境 中 ,依靠 了 几 种 特殊 的 蛋白 质 ， 就 能 有 效 地 进行 ， 在 这 方面 ， 人 类 技术 界 很 值 得 向 它们 学 习 。 在 氨 的 生物 学 小 循环 中 ， 若 说 微生物 是 关键 性 的 细胞 ， 则 钼 是 关键 性 的 原 子 ， 因 为 循环 的 始 和 终 都 有 含 Mo 的 酶 参加 ， 即 固氮 酶 和 硝酸 还 原 酶 。 1.6.2 B 它 虽 与 氮 同 族 ， 但 化 学 性 质 比 氮 要 活泼 得 多 ， 原 因 是 毕 竞 它 的 原子 半径 大 了 一 些 ， 外 层 轨 道上 的 电子 容易 丢失 ， 故 而 倾向 于 形成 氧化 性 的 化 合 物 。 在 自然 界 主 要 是 以 各 种 磷酸 盐 的 状态 存在 ， 而 很 少 有 游离 态 的 单质 。 6 FEA ABE, ES RRM 〈H,PO,) 状态 ， 游 离 的 磷酸 是 一 种 中 强 性 的 三 元 酸 , 在 不 同 的 PHAR, CARMA: HsPO4 二 -全 H* + H2PO047 HsPO0, =~" H* + HPO=——H* + PO«- 因此 ， 它 有 较 强 的 缓冲 剂 作用 ， 以 保持 细胞 内 氢 离 子 浓度 的 稳定 。 但 磷酸 的 主要 存在 状态 是 形成 细胞 中 的 有 机 组 分 ， 它 常 与 各 种 有 机 化 合 物 形成 酯 键 。 磁 参加 到 脂 类 分 子 的 结构 中 去 ,并 借 磷酸 酯 键 连接 一 些 强 的 极 性 基 团 ,形成 各 种 磷脂 类 化 合 物 。 这 类 化 合 物 都 是 兼 性 分 子 ， 即 分 子 的 一 端 亲 脂 而 另 一 端 亲 水 ， 由 于 具有 这 样 的 性 质 ， 它 们 就 成 为 细胞 膜 药 结构 基础 。 磷 酸 与 糖 类 分 子 形成 酯 键 ， 使 它们 成 为 活化 状态 的 代谢 物质 ， 能 够 活 姥 地 进行 合成 和 分 解 反应 ， 还 能 活跃 地 进行 运输 。 磷 酸 与 蛋白 质 的 结合 与 解脱 ， 是 细胞 调 PEAR 〈 酶 ) 活性 的 一 种 方式 。- 磷酸 的 一 处 重要 生物 学 作用 是 架 桥 ， 除 了 在 磷脂 类 化 合 物 中 ， 磷 能 将 甘油 酯 与 一 些 极 性 分 子 相连 接 之 外 ,更 重要 的 是 借 磷 酸 的 架 桥 作用 而 将 各 种 核 苷 酸 连 成 长 链 ， 形 成 DNA 和 RNA。 磷酸 还 能 自我 架 桥 ， 成 为 多 聚 体 。 例 如 :两 分 子 磷酸 脱水 缩合 而 成 焦 磷酸 (H,P,O，)， 三 分 子 缩合 成 三 磷酸 ， 以 至 可 以 形成 多 磷酸 化 合 物 ; 此 外 还 能 与 胺 类 分 子 共聚 而 成 杂 多 酸 。 (图 1-3) 多 磷酸 化 合 物 对 于 细胞 的 生命 活动 非常 重要 ， 因为 磷酸 缩合 成 多 磷酸 时 可 以 贮存 较 多 的 能 量 ， 分 子 中 单 体 之 间 的 键 能 比 糖苷 键 或 肘 键 和 酯 键 所 含 的 能 量 要 高 得 多 。 因 此 ， 多 磷 酸化 合 物 是 细胞 能 量 代谢 中 的 一 个 主要 的 调节 物 。 有 些微 生物 以 多 磷酸 作为 贮 能 化 合 物 ， 如 酵母 细胞 中 有 聚合 度 达 260 的 多 磷酸 ， 而 所 有 的 生物 都 依靠 二 磷酸 及 三 磷酸 化 合 物 Ow 酸 及 三 磷酸 核 音 ) 作为 能 量 周 转 的 分 子 形式 ,细胞 常常 直接 利用 这 些 多 磷酸 化 合 物 所 含 的 能 量 ， 去 作 各 种 各 样 的 生物 学 功 。 A D O | | °0—P_o—p_t 0-—p_| o-P_0 P—o®? O Qi I | I nr B E O O O i A HY ye Deli nok ithe ahd fap 0 gd v pA 9) toe 和 \ ba C Ox p-On 0 a 一 \ 907 | | “oe O20 eo Yo 图 1-3 LARRERKAD A, RMR, B, ABA=ee, Cc, 环 型 三 磷酸 ， D. SRB, Ey KRERY. 砷 的 含 氧 酸 AsO, SR RAL EER, AOFM KD. 形状 以 及 参加 生物 化 学 反应 的 能 力 。 但 是 砷 酸 与 各 种 有 机 分 子 所 形成 的 酯 和 磷酸 酷 相 比 是 极 不 稳定 的 ,实际 业 在 栈 的 表面 即行 水 解 ， 砷 酸 亦 能 模仿 磷酸 的 磷酸 解 作用 而 进行 砷 酸 解 作用 。 例 如 ， 使 糖 原 或 蔗糖 降解 成 1- 砷 酸 -葡萄 糖 ， 亦 能 使 3- 磷 酸 甘油 酸 生成 1- 砷 酸 -3- 磷 酸 - 甘 油 酸 ， 但 是 这 些 砷 酸 酯 都 不 能 象 磷酸 酯 那样 产生 ATP， 所 以 砷 酸 是 一 种 解 联 剂 ， 也 是 一 种 毒药 ， 因 为 它 破坏 了 细 胞 正常 的 能 量 代谢 。 1:6°3 硫 ， 与 所 和 磷 相 同 ， 硫 也 是 以 氧化 态 离子 被 细胞 所 吸收 ， 而 还 原 态 的 化 合 骆 则 是 细胞 的 毒物 。 但 是 ， 在 细胞 内 部 也 与 氮 一 样 ， 主 要 以 还 原状 态 存在 于 有 机 分 子 结构 中 ， 例 如 硫 辛 酸 、 半 胱 氨 酸 和 辅酶 A 分 子 中 的 琉 基 、 和 蛋氨酸 中 的 甲 硫 基 以 及 维生素 B: 和 生物 素 中 的 含 S、N 杂 环 等 ， 在 细胞 外 的 间 质 中 及 细胞 膜 上 有 多 糖 及 脂肪 酸 的 硫酸 酶 ， 这 时 硫 才 以 氧 SH SH CHe—SH A HgC-~CHe—CHe—CHa—CHe—CH—CH2—CHs B NHe-- CH-eaoH CH2—CHz—S—CHs. 号 R—NH—CH2—CH2—SH D Np Boo CHs a O 居间 生男 下 二 CHa-CHa—o—P6—Pp—0- a E by SCH sp Ns 2k 上 HN. “NH ‘ira AAS F a | NT _ \s/\CH2CHaCHaCH2COaH CHs 图 1-4 MMP LEMS HL A | A. =WFR, BL SRAM, C. MBARMRELHM, D. EAR, 已。 维生素 Bl (HRA) 的 含 硫 杂 环 ; FE。 生 物 素 分 子 的 含 硫 杂 环 。 化 状态 参加 有 机 成 分 。 硫 很 容易 与 金属 原子 Ree oa, (如 铁 ) 结 合 ， 在 细胞 内 的 一 种 重要 蛋白 质 一 一 evs’. Seeds 铁 氧 化 还 原 素 分 子 中 ， 与 其 它 含 血红 素 的 铁 蛋 ei Se HAA, CSS PORES, RRR N\A 结合 的 。( 图 1-4~5) SEE No ‘i APL FHF BY SESE ES ET PL o: oe 反应 ， 比 如 硫 辛 酸 能 够 可 逆 地 加 氧 或 脱 扎 ; 两 a ag a Ay ie UB AE 0 BETO A GAR, PERE ie ARE FS RT EE KRM, HE lars 7 们 能 够 成 为 生物 氧化 还 原 过 程 中 的 递 氢 体 。 oa} Ns-cys (图 1-6) 图 1-5” 细 胞 内 铁 硫 蛋白 中 铁 原子 莹 基 上 的 氧 原子 可 以 与 各 种 酰基 置换 ， 因 ip eps. 而 使 辅酶 A 能 积极 参与 脂肪 、 糖 及 氨基 酸 的 代 ‘ 谢 ， 因 为 它 能 传递 各 种 代谢 过 程 中 的 中 间 产 © cians Ge oie on 物 ， 比 如 乙酰 基 等 。 S 为 不 稳定 硫 原 子 ) 蛋白 质 多 肽 链 的 半 胱 氨 酸 残 基 之 间 也 可 以 脱氧 而 结合 ， 使 各 多 肽 链 之 间或 肽 链 内 部 形成 8 三 硫 桥 对 于 决定 蛋白 质 分 子 的 三 级 和 四 级 结构 有 重要 作用 。 SH SH S——_S Nahe | | ,=2H FHI | A. CHsCH2CH2CH2zCH2zCHCH2CHz 二 CH3CH2zCHzCHzCH2zCHCH2CHg bi +2H CH2—SH HS—CHaz2 CHs—-S--— S>— CH a B. NH2CH2COOH + NH2CH2COOH <== NH2CH2COOH NH2CH2COOH +2H RAST OY UR FE Sx J 图 1-6 含 琉 基 有 机 化 合 物 的 氧化 还 原 友 应 放 、》 ‘ - A. 硫 辛 酸 ; ft B. FRAR, : 硒 与 硫 同 族 ， 它 的 无 机 化 合 物 能 替代 S 的 生理 作用 ， 但 ,> 不 能 代替 Se 的 生理 作用 。 细 胞 内 的 食 > 有 机 化 合 物 一 一 谷 胱 甘 及 是 引导 无 机 硒 进 入 有 机 结构 中 去 的 媒介 ， 它 能 与 硒 形成 硒 代 三 硫化 合 物 这 样 的 中 间 体 。 GSH + SeOs®- + 2H*——»>G—S—Se—S—G + G—S—S—G + 3H20 CARE IE) 〈 硒 酸 离子 ) 〈 硒 代 三 硫化 合 物 ) 1.6。4 ”了 碱 金属 离子 ”包括 Nat, K*, Rb*RCs* 等 。Na* 对 大 多 数 生 物 细胞 并 非 必 需 ， 只 是 动物 细胞 的 必需 元 素 。 但 是 ， 即 使 是 动物 ，Na* 主要 存在 于 细胞 间 液 中 ， 而 细胞 内 的 Na 含量 也 是 比较 低 的 ， 只 有 K* 的 1710 信 1715， 而 耳 细 胞 还 有 不 断 地 将 Na+ 排出 的 趋 势 Agi, KY 在 细胞 内 的 浓度 要 比 细胞 间 液 中 高 得 多 。 细 胞 利用 Na* AK * 的 这 种 波 差 梯 度 ， 作 为 细胞 激 应 性 的 分 子 基 础 ， 如 当 神 经 细胞 接受 刺激 后 ， 引 起 细胞 膜 对 这 两 种 离子 的 透 性 改变 ， 于 是 它们 各 自 顺 着 浓 差 梯度 而 运动 〈(K* 由 细胞 内 向 外 ， 而 Na* 由 细胞 外 向 内 ) ， 这 时 细胞 就 产生 电 冲 动 。 Kt 是 所 有 生物 细胞 都 需要 的 元 素 ， cou a ps HERE RE 如 夫 肠 杆菌 达 200 毫克 分 子 ， 琴 乳 动 物 的 册 肉 细胞 中 也 有 150 毫 克 分 子 。 开 * 在 细胞 中 始终 以 离子 状态 起 作用 ， 有 些 酶 的 众 化 活性 需要 下 * 的 存在 K+ 5Na* 虽 同 属 碱 金属 ， 但 其 生理 作用 不 能 相互 代替 ， 然 而 GRY MEBANE K* 的 作 Fa, Cs” 的 代替 作用 则 较 差 。 有 的 生物 细胞 中 ， 基 至 H* 都 能 代替 K* 的 大 部 分 生理 作用 ,如 RENE. | | 156-5 RMLSR Ce 在 生物 体内 主要 也 是 存在 于 细胞 间 质 中 , 在 细胞 内 含量 较 少 ， 而 且 细胞 有 不 断 将 Ca2+ 排出 的 趋势 ， 以 致 细胞 内 的 浓度 仅 为 细胞 外 的 了 7102 一 17105 。 植 物 的 Ca 存在 于 细胞 壁 的 果 胶 层 中 ， 动 物 的 Ca Aer Poe aL SUE, APH 的 坚硬 部 分 为 产 化 磷 灰 石 ， 是 钙 的 磷酸 盐 : [Caio(PO4)e4OHJ2。， FEA AM SEE HEA RRA ST HBA ， 有 些 蛋 白质 主要 起 贮存 ca” 的 作用 ,如 兔子 肌肉 中 的 整 钙 蛋白 ， 每 分 子 能 结合 43 个 Ca”, 细胞 内 的 Cas+ 主要 用 于 细胞 的 激 应 性 过 程 ， 特别 在 动物 肌肉 细胞 中 ， 当 接受 刺激 时 ; Ca 从 贮存 状态 释放 ， 并 结合 到 细胞 内 与 运动 有 关 的 丝 状 看 自 opel 下 去 ， 从 而 引起 肌肉 细胞 的 收缩 。 Mg** wpe aaah art 大 部 分 束缚 在 蛋白 质 、 ATP, ADPRE CWA BH At 和 羧 酸 类 化 合 物 中 。 Mg “与 . 耳 -" 一 样 ， 在 细胞 中 必须 保持 平衡 。 某 些 情 况 下 ， 如 因 运 动 而 加 速 了 糖 酵 解 反 应 ， 乳 酸 积累 ， 引 起 了 肌肉 细胞 的 酸化 (pH 值 由 7.3:>6.3) ， 这 时 就 会 有 较 多 的 Me? 从 9 ATP 等 分 子 上 解 离 下 来 ， 于 是 红细胞 的 血红 蛋白 释放 二 磷酸 甘油 酸 ， 它 能 与 游离 的 Mg2+ 络 合 ， 从 而 调整 细胞 内 的 Mg2* 浓度 ， 使 之 恢复 平衡 。 Mg2+ 对 某 些 酶 的 活化 作用 常 能 被 Mn2+ 所 代替 ; Mg:+ 与 Caz+ 之 间 在 生理 上 有 颜 闫 作 用 ， 例 如 当 缺 Mg:+ 而 Ca2+ 多 时 ， 细 胞 的 激 应 性 增强 ， 反 之 ， 过 量 的 Me?* 能 引起 细胞 的 麻 HH. AMA, Me?’ 的 含量 增高 。 Be ( 铁 ) 是 很 毒 的 元 素 ， 原因 可 能 是 它 与 Mg:+ 所 激活 的 酶 ， 在 结合 部 位 上 起 竞争 性 作 因而 抑制 了 这 些 酶 的 活性 。 从 进化 角度 看 来 ，Mg2+ 参加 生命 物质 系统 比较 早 ,细胞 对 它 已 有 相当 完善 的 调节 作用 ， 而 Ca2+ 则 较 迟 人 参与 细胞 的 生命 活动 ,因此 细胞 还 没有 来 得 及 对 它 的 代谢 实现 控制 ;于 是 Cat 的 过 渡 沉 积 ， 常 成 为 某 些 疾病 的 原因 。 1:6°6 重金属， 铁 和 铀 是 两 个 典型 的 重金 属 元 素 ， 它 们 虽然 不 是 同族 ， 但 都 有 明显 的 变价 作用 ，Cnu 主要 为 +2 价 ， 也 成 +1 价 ; Fe 则 为 +3 价 和 +2 价 。 由 于 它们 在 变价 过 程 中 有 电子 的 得 失 ， 所 以 成 为 细胞 生物 氧化 作用 的 分 子 工具 : 用 Cu2* pass Cut Fe3* eae Fe2+ 这 两 种 离子 在 细胞 内 并 非 游离 状态 ， 总 是 和 蛋白 质 等 大 分 子 络 合 在 一 起 ， 有 些 蛋 白质 就 是 专门 用 于 贮存 和 运输 它们 的 ， 如 微生物 的 蓝 色 和 蛋白 和 人 体 的 运 铜 蛋 自 ， 鸡 的 伴 自 蛋 白 既 贮 铁 、 又 运 铁 ; ero ee PA5RARWHBAA, BUIRTFSSSKAELERARH RRS AB MA, 而 铁 则 哩 ABESERARHRAMN RS, AKSRSKEA PHAR bp RS eA, Fe “能 与 氧 原子 配 位 ， 但 更 容易 与 氮 原 子 配 位 ; FeSOMBRAADHH, MASH 氮 原 子 间 的 配 位 键 非常 稳定 ， 所 以 是 铁 蛋 白 的 主要 结构 形式 。 Fe 与 9 之 间 可 逆 地 结合 与 脱 离 ， 是 血红 蛋白 输 氧 作用 的 依据 ， 而 稳固 地 处 于 中 啉 环 中 铁 原子 的 变价 行为 ， 则 使 细胞 色素 成 为 呼吸 作用 的 电子 传递 体 。 此 外 ，Cu 和 Fe 还 是 很 多 酶 的 辅 基 成 分 。 原始 性 的 厌 氧 细菌 没有 含 Cu 及 Fe 的 蛋白 质 一 一 包括 与 生物 氧化 有 关 的 酶 和 传 递 体 ; 因而 它们 的 能 量 代谢 水 平 是 很 低 的 细胞 中 出 现 了 含 Cu 或 含 Fe 的 蛋白 质 后 ， 对 供应 细 胞 以 充足 的 生活 能 量 是 极为 有 利 的 ; 但 是 ， 活 跃 的 生物 氧化 系统 依靠 着 Cu 和 Fe Wasp we 性 ;因此 在 过 高 氧 分 压 的 条 件 下 ， 者 造成 了 Cu 和 Fe 的 不 可 逆 氧 化 , 则 会 产生 氧 的 毒性 ;而 好 氧 生物 的 细胞 却 具 有 保护 性 设备 ， 就 能 在 进化 的 道路 上 跨 出 这 样 重要 的 一 步 一 “由 厌 氧 生 活 走向 好 氧 生活 。 钼 属于 第 二 过 渡 系 的 重金 属 ， 生 物 细 胞 所 需要 的 金属 原子 中 大 概 数 它 最 重 的 了 。 长 期 以 来 ， 认 为 植物 及 微生物 细胞 中 有 含 铀 的 蛋白 ， 而 动物 中 则 缺乏 ,实际 上 已 发 现 有 4 种 含 Mo 的 酶 存 于 动物 细胞 ， 邯 乙 醛 氧化 酶 、 肝 的 黄 素 氧化 酶 、 黄 素 脱 氢 酶 以 及 亚 硫 酸 氧化 酶 ? ,另外 3 种 为 植物 和 细菌 的 硝酸 还 原 酶 、 细 菌 的 甲酸 脱氧 酶 以 及 固氮 酶 。 钥 在 细胞 中 以 氧化 态 存 在 ,大 部 分 为 Mo ， 它 能 形成 4.6 以 至 8 PMR. TAS Aw 的 分 子 量 都 超过 10,000， 而 且 常 常 同 时 含 2 个 Mo 原子 , 但 两 个 狂 原 子 分 处 两 个 蛋白 质 亚 基 上 。 在 几 氮 栈 上 可 以 发 生 ，2Mow' = 2Mo%* 的 反应 ， 因 此 能 传 北 6 个 电子 给 Na HOE 10 jj 还 原 。 同族 的 匆 能 妨碍 Mo 结合 到 酶 蛋白 上 去 、 因 而 产生 无 金属 的 酶 蛋白 ， 钒 则 能 取代 Mo 在 固氮 酶 上 的 位 置 而 使 酶 失 活 。 | 第 二 节 “组 成 细胞 的 分 子 在 地 球 上 的 自然 条 件 下 ， 几 乎 所 有 的 原子 都 和 其 它 原子 结合 成 为 分 子 ， 而 不 可 能 以 原子 状态 存在 ， 即 使 是 离子 ， 实 际 上 也 不 是 真正 游离 ， 它 们 总 是 依附 于 其 它 的 分 子 " (成 为 络 合 mM) 而 存在 的 。 因 此 ;原子 或 离子 在 细胞 内 同样 存在 于 分 子 或 络 合 物 中 。 组 成 细胞 的 分 子 中 ， 水 分 子 算是 最 简单 的 了 ， 只 由 3 个 原子 组 成 。 生 物体 内 的 无 机 分 子 当然 也 有 较 复 杂 的 ， 如 骨 基质 中 的 羟 纶 磷 灰 石 CCaio(PO,)s。(OH)，,] 由 44 个 原子 组 成 。 但 是 无 机 分 子 的 复杂 程度 远 不 能 与 有 机 分 子 相 比 ， 因 为 即使 是 生物 体 中 十 分 简单 的 有 机 小 分 子 ， 也 往往 由 几 十 个 原子 所 组 成 。 例 如 ， 维 生 素 Bi ( 焦 磷 酸 硫 胺 素 ，CiHisO;,N,S;P,) 由 4 刀 个 原子 组 成 ， 而 叶绿素 (CusHOSN ,Mg ) 为 137 个 ;至 于 大 分 子 内 的 原子 几乎 都 要 达到 成 千 上 万 的 数目 ， 如 最 简单 的 “蛋白 质 ” 一 一 胰岛 素 〈C:sHazeOytNesSe) 已 有 725 个 原子 ， 中 等 复杂 的 血红 蛋白 (Cross FysieQs72NrsoSsFey) 49,510 个 原子 ， 而 更 复杂 的 则 要 超过 几 十 万 到 几 百 万 以 上 下 面 主要 说 明 组 成 细胞 的 小 分 子 的 结构 与 功能 的 关系 : a COO- 2.1 分 子 的 结构 每 一 个 分 子 都 是 它 组 成 原子 的 一 种 组 合 状态 ， 在 共 价 结合 的 分 子 内 ， 各 个 组 成 原子 的 价 电子 互相 共用 或 集体 共用 ， 形 成 了 各 PAB. TIME Aw Hh, RAR AER WT Hh ie oh HB, REMIT BES Baste » 置 却 是 相对 固定 的 ， 因 而 使 分 子 呈现 一 定 的 形状 。 分 子 中 各 原子 间 的 这 种 连接 顺序 和 排列 方式 称 为 分 子 的 购 造 。 在 有 机 分 子 中 常 有 组 成 该 分 子 的 原子 种 类 和 数目 相同 ， 但 是 构造 不 同 ， 从 而 出 现 性 质 不同 的 情况 ， 即 同 分 异 构 现 和 象 。 所 以 往往 需要 用 结构 式 来 表 示 分 子 的 状态 。 但 是 一 般 的 结构 :; 式 并 不 能 反映 分 子 的 三 维 空间 形 图 1-7 之 入 半 胱 氨 酸 分 子 结构 的 下 种 表示 形式 a eneeew gla a 及 b RUKRERAR AK, chd TARAR MR, « B ， 有 时 和 需 式 或 投影 式 Bk, 钮 门 氏 投 影 式 ，g 球 -要 模型 ， LAMA, 表示 。 (图 1-7) HN il BaN 11 12 CHO CHO 图 1-7 之 B 葡萄 糖分 子 结构 的 几 种 表示 形式 a 费 网 氏 投 影 式 ( 链 式 结构 ); b 同 a 简 式 ! < 同 a 吡 叶 式 结构 ; d 同 c hi; ec 四 面体 投影 式 ; EM REAR, CAMARA, h 同 g MA, 工 球 - 棒 模 型 ;] 立体 填充 模型 OH O OH pe (a) SARE, (b) (b) 交 证 未 素 ? (c) JAS KB; HO Cc . | a So H— FO. ye (d) 8 图 1-7 之 C 复杂 生物 有 机 分 子 结构 举例 决定 分 子 形状 和 大 小 的 因素 包括 键 角 和 键 长 。 键 角 表 明 原 子 间 的 空间 方位 ， 如 CO， 中 O—C—O 的 角度 为 180"*， 故 而 为 线 型 分 子 ;，H 一 0 一 H 为 1049454, H—N—H % 107°1’, 醚 分 子 中 的 C—O—C % 111°, H—S—H #1 H—P—H % 93°, H—C—H % 109°5’ , 故 均 AABAF, MANA, MPA, 为 角 锥 形 % CH, HOmMRB. H.0,. $y O—O—H # & 为 96" 524 ,并 且 两 个 键 角 不 在 一 个 平面 上 ， WHR 93°51 的 角度 。 双 硫 键 的 两 个 S 一 S 一 了 R 键 角 亦 不 在 一 个 平面 上 ， 随 R 的 不 同 而 改变 角度 ， 从 15.2°~84.7°, WHER PH 35°, Th 二 硫化 二 甲 基 为 84.7"。 (图 1-8) H20 中 的 H—O—H, 。COs Hy O=C=O;, HeS 中 的 百 一 S 一 Hi . NHs 中 的 HN 一 H， CHa 中 的 五 一 C 二 H， PHs 4 H—P—H, 乙烯 中 的 C=C—H, 。 ¥H HH. C—C—C; . H202 中 的 O—O—H; 。 双 硫化 合 物 中 的 S—S—R. -> @= 96°52’ 有 =93*51/ B=15.2 ~84.7。 人 图 1-8 各 种 键 角 ¥ P- (=: 白 图 为 氧 ， 黑 围 为 碳 ， 黑 点 为 气 ， 双 图 为 磷 ， 斜 线圈 为 硫 ， 十 字 圈 为 氮 ; ) 数 字 示 各 键 角 的 度数 。 ) 键 长 以 两 个 原子 核 之 间 的 距离 表示 ，' 不 同 原子 间 形 成 的 键 ， 其 长 度 不 同 ， 如 C 一 C 为 1.544, C—O 41.434, C—HW1.09%, C—N 为 1.49A。 即 使 是 同样 的 一 种 或 两 种 原 C 一 (人 为 1.34A ,MC=CH1.20As 羟基 中 的 C 一 0 为 1.43A ,而 痰 基 中 的 C—O 为 1.26A。 (# 1-6) 表 1-6 各 种 键 的 长 度 〈A) C=O (CO2 中 ) 1,16 C=O (RE) 1,26 -0 (CeHe 中 ) 1.40 PELMAMTERAAMKAD, RHRMARHK. STE D, QUA FHARAHKET AMPED RRS, PHY, 因此 结构 异 构 体 的 结构 式 不 同 。 产生 结构 异 攀 的 原因 为 : OF ORR, WEARS RAB, 分 子 上 取代 基 在 碳 链 或 环 EHMEAR, WRB, 4. WL MROBWR o-.'B-. y- RS, A F iy FAB ie, ZB FAB, RATE 2 HRS PIAL, AAA IRN BR FAMROME RM, MAAR. KRERRA ADB S, (A1-9) | A B CHS—CH—CHs CHs— Giz Coo" cog" CHe CH—CHs 3 GeeiiepO: neon, Hs*N—C—COO- Hs*N—C—COO- 3058 5 ER 全 3 A , D e & C. tt p ry 二 (Speiokat re SE-G § HKG yo ie '~a- 赤 柏 素 yr B-sek x 9 Y= 赤 柏 素 E Ge Mena . CHO ” CHOH CHsCHz—OH CHs—O—CHs | < it CHOH ~ CO—P (C2He0) (C2H60) | CHzo 一 PR CH20H » 乙醇 二 甲 本 9-H HE 2-RRO BA G H . CHO CH20H ! ER eA VSO i Ugur ri 4 a Hk A Mm K OO te Atk a ea ANA AN ANA ANA eon , TREE ob ax. on CH20H ; R . RU VOR AH inl oie Bey ek a De BBG . Dae D-3t . os HEP 42 5 Farahani papitata, PRY .4 a J aac é 肉 豆蔻 油 酸 as lee 图 1-9 分 子 的 结构 异 构 现象 地 一 还 有 一 类 蜡 构 体 ， 虽 然 由 于 分 子 内 原子 相互 联结 的 次 序 相 同 因而 结构 式 相同 ， 但 各 组 成 厅 子 在 空间 的 排列 方式 不 同 ， 因 而 构 型 不 同 ， 称 为 立体 异 构 现象 。 有 的 立体 异 构 体 没有 对 映 体 ， 有 的 异 构 体 有 对 映 体 ， 亦 即 两 种 异 构 体 互 为 镜 象 。 非 对 喘 异 构 体 如 顺 丁 烯 二 酸 〈 失 水 RE) 和 反 了 丁 燃 二 酸 〈 延 胡 索 酸 ) ,D 型 的 葡萄 糖 、 甘露 糖 和 半 乳 糖 ，D- 葡 萄 糖 的 K 型 和 PRE, MRAM D Cake) ML (Awe) 的 甘油 醛 、 葡 萄 糖 、 乳酸 和 丝氨酸 等 ; 酒 石 惟有 对 映 异 构 体 ， 即 两 种 苏 式 结构 (D- 及 上 工 - 酒石酸 ) ， 它 们 与 赤 式 酒石酸 为 非 对 映 蜡 构 关 wo (AP 1=10) | 14 -00C 一 CH He-co0- COOH le. @OOK | HC—COO7 HC—COO7 HOH : bey. HO—CH 反 - 丁 烯 二 酸 顺 - 丁 烯 二 酸 CHs fh CHs 下 - 丁 烯 二 酸 "2Z- 于 烯 二 酸 D-A BR. > 工 - 乳 酸 (einem) (eke we) (R-AR) .' VSB) C ye 1" _ CHO CHO CHO CHO CHO ~- CHO ° CHOH CHszoH OH2OH CHzOH (CH:0H CHzoH D- (R») | \L- (S-) D- (R-) L- (S-) DR- Le (S-) ae = 甘 ew Oo ek a oe Ce ee: B coo- coo co HOMN'Hs Hs'N—CH soy CH20H OP} _..CH20H pis -D- 8 a. Te aay . wibeD- Re)": L- (S-) \ ie : [外 站 zB hi F-- AT 1 4 a ‘G 1 4 wa ; . Bo CHO. DO 匡 = *“ccooH 7 6ooH ~~ COOH | 7 » (CH20H CH20H | Hoe go 于-|-OH per (Rd? ~L-(S-) » COOH COOH COOH pc tae" yi De-WAM) Le-WER 醒酒 石 天 ? J - gil é _ (Ls-HAR Ds- BAR ; ux > \ SGsiss“wam ) Griseimgam) (2235-a7 m8 ) Pine nS. . . emia 7 wale, HY 009 i Dee Sona Pai We IBZ me 图 1-10 分子 的 立体 异 构 现象 BCH: 分 子 中 有 一 个 不 对 称 的 碳 原子 时 ， 就 有 2 个 异 构 体 ， 有 2 个 不 对 称 碳 原子 时 有 4 个 异 构 体 ， 3 个 不 对 称 碳 原子 时 有 8 个 异 梅 体 ， 即 异 构 体 数 为 2 (Ca 为 不 对 称 碳 原子 数 ) 。 例 如 胆固醇 分 子 中 有 8 个 不 对 称 碳 原子 ， 就 应 有 2*， 即 256, 个 异 构 体 , 但 实际 上 自然 界 仅 有 一 种 构 型 的 胆固醇 。 链 式 已 糖 有 4 个 不 对 称 碳 原子 ， 应 有 :24， 即 16 个 异 构 体 ， 但 实 际 上 生物 细胞 内 常见 的 仅 为 三 种 ， 即 和 葡萄糖、 甘露 猪 和 半 乳 糖 ， 其 余 均 为 罕见 的 稀有 种 类 ， BALA RE, 当 己 糖 连 成 吡 喃 环 式 后 又 增加 了 一 个 不 对 称 碳 原子 。 酒石酸 有 .2 个 不 对 称 碳 原子 ， 应 有 :22， 即 4 个 异 构 体 ;但 它 除了 有 一 企 左 旋 体 和 而 旋 体外 , /两 个 内 消 旋 异 构 体 实际 上 是 相同 的 ， 故 只 有 3 种 异 构 休 ; 它 的 两 个 不 对 称 碳 原子 止 中 都 同样 接 有 两 个 相同 的 原 FRE (ADH ROW) , Hix R PRE LAOH OH 排列 在 分 予 的 同 侧 ? 则 称 为 赤 式 异 构 : 它 的 西 个 旋光 异 构 体 属 此 ;而 若 两 个 碳 原子 止 的 五 和 OH 分 别 排列 在 分 也 的 异 侧 时 ，, 则 称 为 苏 式 异 构 ;， 过 式 表示 与 赤 苏 糖 的 构 型 相似 ， 而 苏 式 则 表示 与 水 苏 糖 的 构 型 相似 # 此 处， 15 异 柠 柑 酸 等 也 有 杰 式 与 苏 式 之 别 。 苏 式 与 赤 式 之 间 ， 为 非 对 映 异 构 关 系 。 (AH 1-1) A CHO | HO-C-H Vs a CH20H % ‘4 goo0 {ae mig oH H2C-COO- ooctc i. .OOC H j H coo" (7 图 1-11 分 子 的 不 对 称 碳 原子 数 与 异 构 体 A, JHB; B. GM, C. ARSHAGH: (a) BEM, (bd) AI, 〈c) ARBRE MX, (d) 水 苏 糖 透视 式 ，(e) 赤 式 酒石酸 ，(f) 及 〈g) KRWAB, (h) HARGRMB, G) BG) 苏 式 异 柠 橡 酸 。 (有 * 号 者 为 不 对 称 碳 原子 ; “ 号 为 环 式 结构 所 增加 的 不 对 称 左 AF; C 中 各 分 子 左 为 费 歌 氏 投影 式 ， 右 为 钮 门 氏 投 影 式 。 ) 由 于 不 对 称 碳 原子 所 引起 的 异 构 体 并 不 一 定 是 对 映 的 ， 有 时 能 形成 非 对 映 异 构 体 ， 主 要 是 顺 - 反 异 构 体 。 凡 是 有 双 键 或 环 状 结构 的 分 子 ， 在 由 双 键 或 环 所 形成 的 平面 上 ， 特 定 的 两 不 原子 或 基 团 分 布 在 平面 同 侧 的 称 为 顺 式 结 构 ， 分 布 在 平面 不 同 侧 的 则 称 为 反 式 结构 。 作 为 顺 - 反 标准 的 原子 或 基 团 可 以 选取 相同 的 ， 如 丁 烯 二 酸 的 两 个 羧基 ， 在 同 侧 的 称 为 顺 - 丁 烯 二 酸 ， 在 水 榈 的 称 为 反 : 丁 烯 二 酸 ， 也 可 以 选取 不 同 的 ， 但 以 较 重 、 较 大 的 两 个 原子 或 基 团 之 KARE. 长 链 不 他 和 脂肪 酸 和 基 类 化 合 物 有 顺 - 反 异 构 现象 。 于 环 丁 烷 所 形成 的 -方形 16 Fi, ARE Mn Ea PF CE AY eg MSS TA > Sal AS DO Ty BZ SEE Hj, 4 AS EE AF RHE SEP RT AE TE EY EH (TE eT A BE, EE A TT CRs 根据 两 个 喀 啶 碱 基 在 环 丁 烷 平 面 两 侧 的 排列 情况 ， 也 可 分 成 顺 式 与 反 式 构 型 ， 并 且 还 因 碱 基 的 “ 头 ” 对 “ 头 ” 并 列 还 Fe “5” 对 “ 尾 ” 并 列 而 分 成 “并 ” 式 和 “ 逆 ” 式 两 种 异 构 体 ;- 由 于 喀 啶 二 聚 体 与 细胞 遗传 基因 突变 有 关 ， 故 有 它 的 生物 学 意义 。 笛 环 化合 物 的 共用 边 上 ， 常 因 键 两 端 氢 原 子 的 “ 顺 - JQ” 排列 而 使 该 边 两 侧 环 的 相对 位 置 发 生变 化 ， 这 种 情况 在 固 醇 类 分 子 的 稠 环 结构 中 亦 有 表 现 ， 一 般 来 说 ， 植 物 细 胞 中 的 固 醇 ， 如 豆 固 醇 、 菠 菜 固 醇 和 酵母 固 醇 的 A 环 与 了 B 环 为 反 式 结 4, 而 动物 细胞 中 的 固 醇 ， 如 类 固 醇 、 胆 酸 及 能 脱氧 胆 酸 则 为 顺 式 结构 。 CA 1-12) B A a 11 , UWA CHO (a YYYPYYY/\/NcooH (a) 7 11 人 人 人 全 全 全 全 全 wo N C (b) R R R 图 1-12 3 Oh HF H 体 从。18 碳 -9- 烯 酸 : (a) RA—RwRs Cb) MA—WM.B. MHRB: (a) RHR; (b) 11- 顺 式 。C。 顺 、 反 式 以 及 并 、 逆 式 : (a) M-IHRKT ws (Cb) M-WRHT Ke; (c) 反 - 并 式 环 丁 烷 ; (d) R-MRHT HM, (eo) 喀 啶 核 背 酸 三 聚 体 5，〈f)》 顺 -并 式 喀 啶 核 HRoAKs (8) 顺 - 逆 式 喀 喧 核 背 酸 二 聚 体 ; (h) 反 - 并 式 喀 喧 核 苷 酸 二 聚 体 !;，《〈i) 反 - 逆 式 喀 喧 核 背 酸 二 聚 体 〈 叉 形 为 甲 基 、 圆 圈 为 氧 、 十 字 圈 为 气 、 三 角 为 磷酸 脱氧 核 精 ) 。D。 双 环 Rh: (a) MRK; Cb) RK, Sn eH AZ le NE EA EA AA, EAS A BAS 别 。 首 先 ， 它 们 的 生理 作用 不 同 ， 例 如 乙醇 与 二 甲 栈 ,前 者 对 动物 有 一 定 的 兴奋 作用 后 者 17 却 有 明显 的 麻醉 作用 其 次 ;它们 在 生物 界 的 分 布 不 同 ， 如 w 、B 、 尽 三 种 赤 柏 素 存 于 崖 棺 属 五 个 种 的 恋 材 细胞 内 ， 美国 侧 煌 只 有 口 型 ， 金 钟 柏 只 有 有 型 ， 罗 汉 柏 有 a 及 了 型 ， 赤 柏 内 a. PRY=EHAA, 而 侧 柏 则 休 无 ， 它 们 在 细胞 内 的 合成 途径 不 同 ， 如 亮 氨 酸 的 合成 前 体 为 丙酮 酸 ， 其 代谢 产物 为 民 z 羡 蜡 羊 油 酸 ， 后 者 加 氮 成 亮 氨 酸 ， 而 异 亮 氨 酸 的 前 体 则 为 KA MR, -由 它 变 成 习 - 酮 = B - 甲 基 - 顷 草 酸 而 加 氨基 ;， 它们 分 别 受 不 同 特 蜡 性 酶 所 作用 ， 如 酚 酶 只 能 作用 于 邻 共 二 酚 ， 而 漆 酶 则 只 能 作用 于 对 葵 二 酚 ， 两 者 不 能 互 换 底 物 而 催化 脱 氢 反应 8 立体 异 构 物 由 于 它们 具有 相同 的 官能 团 ， 因 此 它们 的 化 学 性 质 基本 相同 其 中 的 对 映 异 ik, 它们 大 部 分 的 物理 性 质 ， 诸 如 焙 点 、 蒸汽 压 、 比 重 、 溶解 度 \ SOO). 紫外 以 及 核磁 共 振 波 谱 反应 也 都 基本 二 致 ， 只 是 它们 使 偏振 光 旋转 的 能 力 有 差别 ， 非 对 映 异 构 体 则 物理 性 质 也 有 较 大 差别 ， 如 d- 酒 石 酸 与 1- 酒石酸 两 者 为 对 映 体 ， 而 与 m- BABAR, EH 几 种 物理 性 质 比 较 如 下 ， ra. CC) 比 旋 光度 Ca) 溶解 度 (100 克 水 中 溶解 克 数 ) d- 酒 石 酸 170 +12 139 1-H © 170 =42 139 m- 酒 石 酸 140. 一 125 对 映 异 构 体 不 但 有 不 同 的 光学 活性 ”并 且 还 有 不 同 的 生理 活性 ， 尽 管 它们 在 物理 和 化 学 性 质 上 差别 不 大 ， 但 是 生物 学 作用 往往 有 较 大 区 别 。 如 1- 麻 黄 素 的 药 效 比 d- 麻 黄 素 要 高 得 多 ;生物 细胞 能 有 选择 地 利用 或 降解 对 映 异 构 体 中 的 一 个 ;如 在 含有 外 消 旋 酒 石 酸 的 培养 液 中 培养 青 霉 菌 ， 经 一 定时 间 后 ， 使 原来 无 旋光 性 的 培养 液 逐 渐 产 生 了 左旋 性 ， 证 明 青 霉菌 较 易 吸 收 和 消耗 右 旋 的 酒石酸 ,从 而 在 环境 中 留 下 了 它 的 左旋 异 构 体 。 有 特殊 意义 的 是 :自然 选 择 使 生物 细胞 的 两 种 主要 成 分 一 一 糖 和 蛋白 质 的 结构 ， 恰 好 是 建立 在 截然 相 异 的 两 类 光学 活 性 单 体 的 基础 上 ， 即 糖 的 “大 厦 ” 是 由 了 -型 单 糖 砌 成 的 ， 而 工 -型 氨基 酸 则 成 为 建筑 蛋白 质 “大 厦 的 砖 瓦 "。 工 -型 单 糖 和 D- 型 氨基 酸 往往 成 为 细胞 正常 生命 活动 的 对 抗 因子 而 起 作用 ， 如 链 霉 素 中 有 类 似 工 -葡萄 糖 的 成 分 ， 而 青 堆 素 则 有 类 似 D- 氨 基 酸 的 侧 链 。 不 同 的 细胞 ， 往 往 能 产生 不 同 的 立体 异 构 体 ， 如 细菌 发 酵 生 成 的 乳酸 为 D 型 的 ,而 动物 肌肉 细胞 的 糖 醇 解 作用 产物 则 为 工 -乳酸 。 人 体 对 各 种 异 构 体 的 反应 不 同 ， 例 如 各 种 已 糖 同 分 异 构 体 的 甜 度 (以 蔗糖 为 100)， 果 粮 为 175， 葡 萄 糖 为 74， 半 乳糖 为 32; 而 其 中 果糖 以 "型 比 B 型 甜 ;葡萄糖 则 以 B 型 比 "型 甜 。 工 - 亮 氨 酸 是 苦 的 ， 而 D- 亮 氨 酸 则 是 甜 的 。 人 体 的 吸收 利用 能 力 ， 若 以 葡萄 糖 为 100 HP, MAE 乳糖 为 110， 果 糖 为 43， 而 甘露 糖 只 有 19. 反 - 丁 烯 二 酸 是 细胞 的 呼吸 底 物 ， 而 顺 - 丁 烯 二 酸 则 是 抑制 呼吸 作用 的 毒物 。 异 构 体 一 般 情 况 下 不 易 互 变 。 异 构 体 的 变 构 作 用 需要 在 强烈 条 件 下 ， 如 高 温 能 使 顺 - 丁 烯 二 酸 变 成 反 - 丁 烯 二 酸 ， 或 者 需要 特定 的 酶 催化 ， 如 相应 的 消 旋 酶 能 使 丙 氨 酸 .3 赖 氨 酸 和 屯 酸 在 D 和 工 之 间 互 变 ， 相 应 的 变 旋 酶 使 单 糖 的 一 B A, AMA AREER MS RAM LR UDP- 葡萄 糖 与 UDP- 半 乳 糖 之 间 互 变 。 有 时 噶 构 体 可 自发 进行 变 构 ， 如 葡萄 糖 在 水 溶液 中 可 以 在 醛 式 ( 开 链 状 ) 与 半 缩 醛 式 ( 呐 喃 环 状 ) 以 及 “型 与 B 型 之 间 互 变 ， 当 达到 平衡 状态 时 ， 主 要 以 有 B 态 存在 (63% )，a 态 为 36.9% ， 而 醛 式 (Y 态 ) 仅 0.1%。 生物 分 也 中 的 变 构 作用 还 有 酮 式 一 烯 醇 式 的 平衡 ， 即 氨 原 子 能 从 甲 烯 基 上 移 到 邻 位 尝 基 的 氧 上 去 ;1 但 以 酮 式 较 稳定 ， 而 烯 醇 式 仅 为 前 者 的 ~2 «10° ( 即 百 万 分 之 二 )， 18 SL MLR RHR. de, Sere Late HO ! Be O OH H t 5 eS in apenas R—C=C—R’ ER TEE ARS NER: RRO T, AE RS BY BIT HE A Ls O . OH q | eT Gea R—N=C—R’ HOR BR Ae SUK SEAR, Te 而 在 吡 哆 醇 (维生素 B, 的 中 以 羟基 形式 为 主 , 当 平 衡 时 存在 量 为 非 羟基 式 的 么 售 。 在 奈 伶 和 于 要 业 全 门 四 及 同 各 ! cu.of cHOH 的 变 构 作用 。 (PA 1-13) > See 3 i a al 在 变 构 过 程 中 ， 不 但 有 原子 核 CLAYS Bey BD Hy HCN 位 置 的 改变 ， 而 且 还 有 其 它 键 的 长 度 和 性 质 的 改变 。 至 于 共振 作用 时 ， 分 子 内 并 无 核 的 位 移 ,， 而 仅 有 成 键 电 子 从 一 种 共振 状态 变 成 另 一 Ape gis 3 ， 例 如 烯 醇 阴 离子 的 共振 1 Ou RR: ) : ) ; ¥ | 。 一 * Nw | oe Vix fe Be Ney fo SR a, 7 H He ; R—C-—>C=R’€—> R—C=CSR’ 2 ae 由 于 分 子 内 部 电荷 分 配 的 变化 ， 必 然 会 引起 质子 的 得 失 和 Y= 国 移 位 ， 如 很 多 蛋白 质 中 组 氨 酸 残 基 上 的 号 唑 环 ， 往往 因为 HOON’) HF N-1RN-3ZARARRB A, NMERF 两 : F 个 氮 原 子 上 上 不断 地 结合 和 解 离 ; 这 时 它 似乎 起 着 传递 质子 。 于 H as 4 4 SOL . N \ a at N4SNH HENNE < 二 oO SN y Sa Ve mete H Dk ws Fas 图 1-13 含 氮 杂 环 上 的 变 构 现象 | | ee ae ee pee [fk es eR RE Te Hk iN Nx j+ A AERA, LA MY LEH A SP HA Ae 有 时 分 子 内 原子 的 空间 排列 相对 位 置 、 键 长 和 键 性 虽然 未 变 ， 但 因 键 的 转动 而 引起 了 原 子 间 在 空间 中 绝对 关系 的 变化 。 例 如 ， 相 邻 两 原子 间 的 空间 夹 角 的 改变 ， 使 分 子 呈 现 某 种 特 定 的 形状 ， 即 称 为 构象 。 一 种 构 型 的 分 子 可 以 有 刀 种 不 同 的 排列 花样 ， 即 有 不 同 的 构象 ， 每 个 构象 异 构 体 称 为 异 象 体 。 例 如 ,核糖 醇 链 状 分 子 ,* 由 于 它 的 羟基 互相 妨碍 自由 旋转 ， 因 而 使 分 子 具 有 镰刀 状 的 外 形 〈 图 1-14 之 A). BABA C (2) 与 C(3) 间 的 单 键 转动 而 生成 的 六 种 异 象 体 中 ， 由 于 重 又 式 类 型 不 稳定 ， 而 只 有 三 种 交叉 式 是 稳定 存在 的 (图 1-14 之 B) 。 由 6 碳 《〈Ce) 或 5 碳 和 1 和 氧 (CsO) 组 成 的 六 员 环 有 椅 式 和 船 式 构象 ,而 以 椅 式 为 最 稳定 ; 在 这 两 种 构象 转变 过 程 中 ， 还 可 能 出 现 极 不 稳定 的 半 椅 式 或 交叉 式 的 过 渡 状 态 。 已 糖 的 吡 哺 环 亦 有 这 种 构象 ， 如 葡萄 糖 和 半 乳 糖 属 于 椅 式 1 ， 而 甘露 糖 则 有 椅 式 I、I 两 种 构象 (图 1-14.20) 。 在 椅 一 船 式 转变 过 程 中 ， 碳 原子 上 的 羟基 会 发 生 轴 向 一 面向 方式 的 变化 〈 图 19 1-14 之 D) 。 这 种 六 员 环 的 构象 还 见于 固 醇 类 分 子 的 多 氢 菲 稠 环 中 ， 它们 常 是 船 式 和 椅 式 构 象 的 复合 体 (图 1-14 之 卫 ) 。 图 1-14 2A ”核糖 醇 的 镰刀 状 构象 (b) Cn : o° “et Be 图 1-14 ZB aca Saha aes (a) 球 棒 模 型 ， (b) ~ (2) 投影 式 ， HH (b) (c) (d) WHMAs Ce) (f) (g) 为 交叉 式 ; (ec) (d) (e) 〈f) HEAR, (2) 为 对 立 式 ， 数字 表示 扭转 角度 。 A a 180° ARMS ve dias by. QO 变化 过 程 图 1-14 之 C 已 糖 吡 喃 环 的 构象 变化 珍 示 不 同 构 象 的 能 量 永 平 ， 能 量 水 平 低 的 构象 最 稳定 。a 为 椅 式 ! b 为 半 椅 式 !c HMR, d HERR 20 (a) 图 -1-14 之 D 吡 喃 环 上 所 接 基 团 的 轴 问 和 面向 构象 (a)- 左 辅 向 和 右面 向 (by)》 左右 均 轴 向 ; (Cc) 左面 向 和 右 轴 向 图 1-14 之 正 固 醇 分 子 的 构象 变化 a 为 通 式 ; b 为 B- 型 别 系 构象 ;-c 为 &- 型 常 系 构 象 ; d 为 B 环 船 式 构象 。 植物 体 中 的 固 醇 大 多 属于 别 系 构象 ， 并 有 船 式 构象 ; 动物 固 醇 则 以 常 系 构象 为 主 。 图 (1-14 过 | | . DEAT MER SEAS by FIER, {AAW EP, EA “fet” 或 扭曲 状 外 形 。 高 出 环 平 面 的 碳 称 为 “ 拱 7”， 低 于 环 平面 的 碳 称 为 “ 垂 ”; 在 组 成 细胞 DNA 的 核 苷 酸 残 基 中 ， 它 的 核糖 即 成 为 C(3“)- 垂 式 构象 。 核 苷 酸 内 碱 基 与 核糖 之 间 的 六 -C 键 能 够 转动 ， 车 使 喀 啶 的 C(2) N(3) RBA NG) C(2) 对 着 成 糖 的 环 面 内 ， 此 构象 称 为 并 式 ， 而 离 开 戊 糖 平面 上 的 则 称 为 道 式 构 象 。 上 述 的 拱 式 与 垂 式 构象 变化 主要 由 C4’) 与 (5) 之 间 键 的 转动 所 引起 ， 其 旋转 角 称 为 SC, 而 并 式 与 道 式 构象 则 由 C(1 ) SND 之 间 键 的 转动 所 引 起 ， 其 旋转 角 称 为 X， 此 外 ， 在 核 苷 酸 中 磷酸 基 团 内 卫 与 两 个 氧 桥 之 间 的 键 亦 有 中 及 耻 两 个 旋转 角 ， 它 决定 了 多 核 苷 酸 链 的 螺旋 构象 。 多 肽 链 中 的 肽 键 上 及 多 糖 链 中 的 糖苷 键 上 同样 有 中 及 山 这 两 种 旋转 角 ， 也 是 决定 分 子 链 构 象 “〈 二 级 结构 ) 的 主要 因素 。 (图 1-15) 关于 立体 异 构 体 的 命名 系统 ， 过 去 通用 相对 命名 法 ， 即 人 为 地 选用 某 一 种 化 合 物 作为 标 准 ， 规 定 它 对 映 异 构 体 中 的 一 个 为 开 型 ， 而 另 一 个 为 了 型， 然后 将 同类 分 子 与 它 相 比 ， 若 与 标准 分 子 的 工 - 构 型 相似 的 就 称 为 荆 型 ， 反 之 ， 与 D- 构 型 相似 的 则 称 为 了 型 。 例 如 ， 以 乳 酸 作为 决定 各 种 有 机 酸 构 型 的 标准 ， 而 单 糖 和 氨基 酸 的 标准 分 别 为 甘油 醛 和 丙 氮 酸 (或 丝 氨 酸 和 半 胱 氨 酸 等 )。 由 于 这 种 相对 命名 方法 有 缺点 ,而 且 在 各 类 化 合 物 间 没有 统一 的 标准 ， 因此 ， 发 展 了 绝对 命名 系统 ， 并 用 手 征 性 概念 来 代替 原 有 的 对 称 性 概念 ， 即 : 凡 能 生成 对 映 异 构 体 的 物质 都 称 为 有 手 征 性 的 分 子 ， 而 只 能 生成 非 对 映 异 构 体 的 物质 则 都 称 为 非 手 征 性 分 21 p -C(5’) p-C(S)) we WE \ We p-C(5’) (a) (c) (d) (a) (c) (d) Hii we MH HR TESS Ture A. BRMWRRSERHW, 〈a) 为 C(27 ) - 拱 式 ; (b)wWC(3’) -H#Rs (c)WC2’)-HRX- 6(6")- ER, (d)4C(3’) - 拱 式 。 B。 核 背 的 并 式 与 逆 式 异 构 (a) 并 式 喀 啶 核 首 y (db) FRRRRA, (od wk Mem, (d) RRM. €. SRERWRRR GMM IL we ee A: o 角 决定 拱 一 亚 式 ，X fark 定 并 一 逆 式 ， ORY 角 决 定 螺旋 结构 。 (CS 中 有 点 回转 为 磋 原子 大 白 圆 图 为 氧 原子 人 子 。 手 征 性 分 子 上 有 由 不 对 称 碳 原子 组 成 的 手 征 性 中 心 、 书 征 性 轴 或 手 征 性 面 。 手 征 性 的 广 向 用 有 表示 右 旋 ， 用 5 表示 左旋 ， 决 定 手 征 性 方向 的 标准 为 接 在 不 对 称 碳 原子 上 的 各 企 原 子 或 基 团 的 排列 顺序 是 顺 时 针 方 向 还 是 逆 时 针 方 向 ， 规 定 以 顺 时 针 方 向 排列 的 为 里 型， 面 以 道 时 针 方 向 排列 的 为 > 型。 原子 或 基 团 按 原子 量 的 大 小 来 排列 次 序 , WUK BA MIS Br> Cl>S>FR>P>O>N>C>H; 如 果 都 是 含 碳 的 基 团 ， 和 原子 的 原子 量 计算 先后 次 序 ， 因 此 ， 基 团 的 顺序 为 : -SQsH>-SCHs>-SH>-OOCCgHs>-OOCCHs >-OOCH>-OCHs>-OH>-NO2>-NO>-NHCOCHs> ORE RPE RE HERE ZMRE ARH APH Be WE WH | CEMe -N*Hs>-NH2>-COOCHs>-COOH>-CeHs>-COCHs>-OCHO>-CeH«OH> -C=CH> -C'(CHs)s> Ce ME FRE RHR RA ZMH FRE BH ZR BTS ，_ -CH(CHs)CHeCHs >- C=CH2>- CH==CH2CHs >- CH2CH(CHs)2>- (CH2)sCHs>- CHaCH2CHs> BT 乙烯 基 两 燃 基 异 丁 基 ET # ae -CrizCrs>-CHg >Re Sn De oH 乙 基 Re ， 超重 氢 ( 氛 ) BAM) As 22 试 分 析 常 用 的 几 种 立体 异 构 标 准 化 合 物 ， 如 屯 酸 的 C(2) 是 不 对 称 碳 原子 ， 即 为 手 征 性 中 iD, ji 它 楼 有 四 个 不 同 的 原子 及 基 团 几 按 原子 量 大 小 顺序 为 -OH>-COOH>-CHs>H， 老 项 导 最 轻 的 成 员 〈 在 此 为 氢 ) 所 成 的 键 为 轴 ， 我 们 面 对 着 其 余 三 个 键 看 去 ， 如 果 三 个 基 团 吓 顺 闭 时 针 方 向 排列 的 ， 即 gp rman wg .OH < ~ COOH =e, RAR ¢ oon OH CH; L-AR S-Am Ai-li6s 2A ”相对 命名 系统 与 van fre RvEHO Howe (—) (各 个 钮 门 氏 投 影 式 中 HEMBHAH) 号 人 CHO OHC (HT NH2 COOH: HOOC NH; CH2OH 人 CHaOH CH:OH D 或 R= 甘 油 本 LtS-i D 或 R- 丝 氨 酸 工 或 S- 丝 氨 酸 C COOH Non OH coon COOH + «COOH I : | GS ce bat aR i 1 [ mw HO®C H®&® C-¥ OH | ~@H cHoH H BC «<4 OH CH6H Bite: COOH COOH , Cc ’ HO C~e 1 5 BaF “OH COOH sais inated COOH Cit RF Be b) CHOH ch Sa 7 1 ous if COOH COOH 3R 3S ; aes Ize tet) pre hina ‘Ls&Dg, - (2R-,3R-) CA0H OH CS- > 38-) OH —y Wits Comet 5) 图 1-16 2B, C 相对 命名 系统 与 绝对 命名 系统 的 比较 (—) B.. Hwy ete 25am, C. HEM. (STHNERERS, HERB PM) 从 粗 对 命名 系统 和 绝对 命名 系统 比较 中 ， 可 以 看 到 ; 原来 选 定 的 几 种 标准 分 子 的 D 系 与 尺 系 相同， 而 工 系 与 S 系 相 同 》 歼 而 新 老 命名 法 基本 可 以 相互 对 应 ， 不 致 发 生 混 乱 。 另 外 ， 由 于 23 消除 了 旧 命 名 法 的 人 为 性 ， 更 可 以 减少 混乱 现象 。 例 如 ， 酒 石 酸 的 右 旋 体 (+) d- Ee Hk, 若 按 甘 油 醛 标准 ,由 于 C(3? 上 的 羟基 在 左 ， 则 应 属 工 系 (Lg 即 表示 根据 甘油 醛 的 标准 而 定 为 王 系 )》 但 车 按 丝氨酸 标准 ， 由 于 C(2) 上 的 羟基 在 右 ， 则 应 属 D 系 (Ds 即 表示 根据 丝 氨 酸 的 标准 而 定 为 DK); 而 左旋 体 (-)1- 型 的 光学 异 构 体 则 为 Ls 或 Dgs 现在 应 用 新 命名 规 则 得 知 ，d- 旋 光 异 构 体 的 C(2) 为 R，C(3) 亦 为 R， 故 称 2R, 3R-WAM, 而 1- 旋 光 异 构 体 则 为 2S、3S -酒石酸 ; 至 于 m- 内 消 旋 异 构 体 为 2R、3S- 或 2S、3R- 酒 石 酸 〈 详 见 图 1-10 之 G 或 图 1-16 之 C) 。 根据 这 个 命名 原则 ， 即 使 是 很 复杂 的 分 子 结构 ， 同 样 也 能 明确 表示 它 的 构 型 和 构象 。 例 如 天 然 吗 啡 的 结构 可 定 为 (5R，6S，9R，13S9，14R) -吗啡 。 (图 1-17) B Cs (OCH) Cu(CCHIH) O、 e Cy(CCC) “ | 2 H Cr (CCH) CHccyc& Cs (OCH) s | (OCH). HO, Cr (CCH) (HHC)Cy N Cis(CCC) C; (OCH) Cy(CCH) Cu(CCC) H ®: ee (NCH) (HCO); rca C | Cal GHEE Cs (CCH) * on (OCH) my Cia(CCC) oe &3 (CCH) 图 1-17 ”天 然 吗 啡 的 绝对 构 型 A。 结 构 式 及 碳 的 序数 B。 各 个 不 对 称 碳 原子 的 手 征 性 方向 。 有 时 分 子 中 的 某 个 非 不 对 称 碳 原子 虽然 暂时 不 表现 手 征 性 ， 因 为 它 上 面 接着 两 个 相同 的 原子 或 基 团 ， 特 别 是 两 个 氢 原 子 或 甲 基 ， 但 是 它 具 有 洪 在 的 手 征 性 ， 即 当 两 个 相同 的 原子 或 基 团 之 一 被 另 一 种 原子 或 基 团 取代 时 ， 就 会 成 为 新 的 手 征 中 心 。 它 上 面 的 两 个 原 手 或 基 团 中 ， 有 一 个 取代 后 使 碳 成 为 R 中 心 的 ， 即 称 为 前 R_ (pro-R) ， 另 一 个 取代 后 使 碳 成 为 S 中 A, WEES Cpro-S) 。 发 现在 生化 反应 中 酶 能 区 别 对 待 这 两 种 了。 例如 ,在 乙醇 酸 C (2) 上 的 2 个 中 ,一 为 前 R (Ha)， 一 为 前 S (HD ， 当 它 受 乙醇 酸 氧化 酶 或 乳酸 脱 氢 酶 作用 而 变 成 乙 醛 酸 时 ， 所 保留 的 是 Hs， 而 脱 去 的 是 Ha ， 故 证 明 此 两 酶 有 前 -2R 特异 性 当 它 受 乙 醛 酸 还 原 酶 作用 而 变 成 乙 醋酸 时 ， 它 所 保留 的 是 Hs， 而 脱 去 的 是 Ha ， 故 证 明 此 酶 有 前 -2S 特异 性 。 又 如 烟 酰 胶 磷酸 核 苷 【简称 NAD (P) ] 是 很 多 脱 氢 酶 的 辅酶 ,在 它 分 子 内 有 一 个 烟 酰 腕 〈 维 生 素 B 类 ) 的 吡啶 环 ， 此 环 第 4 位 C 上 的 五 能 可 逆 地 得 失 ， 它 就 是 借 此 机 制 来 传递 正 而 达到 辅助 脱 氢 酶 的 作用 。C(4) 上 的 两 个 H 有 潜 手 征 性 ， 即 成 为 HR 及 五 当 它 辅助 A 系列 脱氧 酶 而 递 所 时 ， 得 失 的 氢 为 HA， 而 辅助 B 系列 脱氧 酶 而 递 氢 时 ,得 失 的 24 所 则 是 H5。 具 有 前 R 特异 性 而 属于 A 系列 的 有 下 列 各 种 化 合 物 的 脱 氢 酶 ， 甲 酸 。 乙 醇 、 乙 RE. ZREM. |, 工 -乳酸 、D- 甘 油 酸 、 世 -苹果 酸 。Ds- 异 柠檬 酸 。 二 羟 乳 清 酸 。 二 羟 叶酸 GE 原 酶 ) % 甲 烯 基 四 氢 叶 酸 及 细胞 色素 bs (还 原 酶 ) 等 ;具有 前 S, 特 异性 而 属于 B 系列 的 有 下 列 各 种 化 合 物 的 脱 氢 酶 。 a- 磅 酸 甘 油 。 磷 酸 丙 精 、L- 谷 氨 酸 、D- 葡 萄 糖 ， 6- 磷 酸 葡萄 糖 酸 、 二 羟 硫 辛 酸 、 合 胱 甘 肽 〈 还 原 酶 ) 、L-B- 羟 基 丁 酰 . CoA。 二 磷酸 尿 划 葡萄糖、3-o- 产 基 固 醇 。17-B- 羟 基 固 醇 \ 细 胞 色素 c (还 原 酶 ) 和 转氨酶 等 。 甘 氨 酸 本 身 虽 无 不 对 称 碳 原子 ， 但 C(2) 上 的 两 个 气 有 潜 手 征 性 ， 当 H BOREAL DIRC ACI AeA RCD) = He CR 2H 取代 时 ， 则 为 S4L)- 丝 氨 酸 。 (图 1-18) 、 Hr+H ‘ys Tas -00C HO” “Hs SC—He of Hs+H os ages all ARTUR RAC 人-Hs + XH RNC +x CONHz 本 — {Hs (Bak) NH: TTT Bs Ra Pte ts ONH, -00C、 J, CH: OH Hy*N~ Hs ( a 208, ple S(L)- 丝 氨 酸 HSN New, OH: Nee RD)- HOH:C ‘OH A, S(L)- 甘 油 酸 . HOH2C ‘H si au "ro HsC N*Hs -0O9C N° pike a) eames Hse ae Se rem Al 1-18 45 F RB 39 F TE 4 A. Z2RB; B. @RR— (=) BRMRHCNAD(P)H); C. HARM; D. SZABR; E. AMR. R(D)- 丙 氢 酸 当 分 子 内 有 双 键 结构 时 ， 使 双 键 处 的 碳 原子 亦 呈 现 潜 手 征 性 ;因为 在 发 生 双 键 上 的 加 成 反应 时 ， 原 子 或 基 团 的 加 入 方向 决定 着 加 成 后 分 子 的 构 型 手 征 性 ， 双 键 处 碳 原子 与 它 直接 相 25 了 = 和 连 的 三 个 原子 起 基 团 形成 了 三 角形 ， 此 三 角形 所 处 的 平面 为 立体 异 构 面 ,根据 手 征 性 顺序 规 则 ， 委 直 于 立体 异 构 面 观察 碳 原子 周围 三 个 原子 或 基 团 的 排列 顺序 ， 若 为 顺 时 针 广 向 的 称 为 re, 落 为 道 时 针 方 向 的 则 称 为 si 面 。 原 子 或 基 团 从 re 面 方向 还 是 从 si MIM 结 谷 所 得 结果 是 不 二 样 的 ， 例 如 氢 从 si 面 进 入 闫 基 丙 酮 酸 ， 产 物 是 RD)- 革 油 酸 几 肥 re 面 进入 则 是 'S(EE)= 填 油 酸 ， 丙 酮 酸 还 原 加 所 反应 也 有 类 似 的 手 征 性 结果 ,如 图 -18 2 E, 潜 手 征 性 基 一 个 很 重要 的 生物 化 学 现象 ， 它 使 得 细胞 代谢 活动 中 ”能 利用 非 手 征 性 的 原 料 ， 制造 出 手 征 性 的 产物 来 ， 关 键 在 于 酶 是 具有 手 征 性 的 “机 器 ”， 酶 依靠 它 与 作用 对 象 直 接 发 生 作用 部 位 的 特殊 构 型 和 构象 ， 实 行 立体 化 学 方式 的 加 工 ， 并 卫 获 得 立体 异 构 的 效果 2.2 络 合 物 细胞 内 金属 元 素 除 以 离子 状态 存在 外 ， 常 和 有 机 成 分 形成 络 合 物 ， 它 们 在 生 驳 体 的 代谢 过 程 中 行使 重要 的 生理 功能 。 此 外， 一 些 污染 元 素 也 可 形成 络 合 物 而 危害 健康 。( 表 1-7) 表 1-7 生物 中 茶 些 络 合 物 的 成 分 hob mF | 团 存 在 Ma Pr om | FI ce Fe ~SH, ah, km eK, MMOH, UAB, KES Co bh ik 维生素 Bls Cu SN 2 CS ML el Mes ee Zn (-RS")2 | BE. PR, — kee Pb -SH 有 的 同一 种 金属 离子 能 形成 数目 不 等 的 配 位 键 ， 并 且 具 有 不 同 的 形状 。 如 铀 离子 可 以 形 成 1 价 或 2 价 配 位 键 ， 锌 离子 能 形成 4 价 或 6 价 的 配 位 键 。 即 使 是 同样 价 数 的 键 ， 也 可 生成 不 同形 状 的 络 合 物 ， 如 2 价 铜 就 能 形成 十 字 平 面 、 四 面体 或 正方 锥 等 九 种 形状 的 络 合 物 。 铁 则 在 细胞 中 主要 形成 八 面体 形 的 络 合 物 〈 如 血红 素 ) 。 (图 1-19 之 A) 有 机 分 子 与 金属 离子 有 多 种 络 合 方式 ， 如 半幅 氨 酸 能 用 三 种 方式 与 金属 络 合 ;细胞 内 的 金属 离子 往往 用 各 种 方式 与 氨基 酸 残 基 进行 络 合 而 结合 在 蛋白 质 上 (图 1-19 之 B), SRR 苷 也 有 几 种 方式 与 镁 等 离 予 形成 络 合 物 ， 这 种 结构 对 它 的 生物 化 学 反应 是 重要 的 【图 1-19 之 ©). 这 种 每 个 配 位 体 基 团 有 7 个 以 上 的 原子 同时 与 一 个 中 央 离子 结合 ， 所 形成 的 环 状 络 合 物 称 为 丈 合 物 。 有 些 络 合 物 中 ， 中 央 原 子 (离子 ) 既 以 主 价 键 与 配 位 基 团 相 联 ;又 以 副 价 键 与 配 位 团 相 连 ， 如 血红 素 、 叶 绿 素 、 维 生 素 BL. SH. CAI 1-20) 由 于 配 位 体 不 同 ， 即 使 配 位 键 价 相同 ， 也 能 使 同一 种 中 央 离 子 所 形成 的 络 合 物 改 变形 状 。 例 如 ， 血 红 蛋 白 内 血 红 素 中 心 的 铁 离 子 (Fe2+)， 它 除了 与 中 啉 环 的 四 个 氮 成 配 价 键 外 ， 当 处 于 非 氧 合 状 态 时 ， 它 还 与 蛋白 质 的 一 个 组 氨 酸 残 基 咪 唑 环 上 的 氮 形 成 第 五 配 位 键 ， 而 第 六 人 答 则 空缺 。 由 于 这 时 的 铁 离子 成 为 高 自 旋 态 ， 即 离子 外 轨道 上 的 电子 大 部 分 自 旋 方向 是 平 行 的 ， 铁 离子 的 体积 较 大 ， 无 法 进入 中 啉 环 中 心 的 空间 内 ,只 能 留 在 中 啉 环 的 一 侧 , 偏离 中 心 26 H vd ig NE mC h 站 3 Pag: \NHG+ NH2—C—H NH, : ee a te. < 腺 顺 叭 一 核糖 ae ae ee , oo. °o 70 s mo O o-?_o、 (0 a ee patois | mS — i 一 0 一 ?一 9 腺 嘎 叭 人 oO RS (c) (d) 1-19 络 合 分 子 的 形状 及 络 合 方式 的 变化 0 AL 禾 合 物 的 形状 ;，(a)》 BR (bd) 三 角形 ; (ce) EMMK, (dd) EBs (Ce) 正六 面体 CE TER Hey (8) 正八 面体 号 Ch) SME) Gi) RATE. Be FRR RSTRNT (Mt) 形成 的 络 合 物 : (a) 0, SHE, (b)O, NMA, (c)S, NBA. C. HRRRAS _ 三 价 阳 离子 形成 的 络 合 物 : (2) B, YRRBS, 《b) a, PRMAS, (c) a, B, yRRHA, (d) B，7 了 RRA MMMM, 的 距离 达 0.83A ， 而 当 处 于 氧 合 状态 时 , 氧 在 第 六 位 上 与 铁 离子 络 合 ， 使 铁 离 子 外 轨道 上 的 电子 自 旋 方 向 大 部 分 配对 ， 因 而 成 为 低 自 旋 态 ， 它 的 体积 缩小 《离子 半径 缩小 0512 有 入) ， 能 被 中 啉 环 中 心 空间 所 容纳 而 恢复 正八 面体 的 结构 “图 1-21)! 然而 当 铁 离子 的 第 五 配 位 键 处 结合 的 是 酷 氨 酸 的 酚 基 O 而 不 是 组 氨 酸 的 N 时 》 铁 被 氧化 成 Fes55 就 不 能 在 第 六 配 位 处 与 氧 络 含 ， 而 只 能 与 水 分 子 络 合 了 。 27 poo ft age tle oF Few 一 CH H,CH,CONH, 图 1-20 一刀 种 重要 的 生物 八 面体 络 合 物 和 A。 血 红 素 分 子 ; B。 叶 绿 素 分 子 : 〈 两 者 分 子 中 央 的 金属 离子 除 与 吡咯 环 四 个 氮 络 合 外 , 尚 余 两 键 可 与 它 物 络 合 ) C. HERBi2 分 子 。 同样 的 中 央 离 子 与 不 同 配 位 体 所 成 络 合 物 的 化 学 稳定 性 不 同 。 例如 血红 素 中 央 铁 离子 若 与 CO 或 CN - 络 合 时 ， 由 于 其 间 的 配 位 键 不 是 由 配 位 体 提供 电子 ， 而 是 由 铁 离子 提供 电 子 所 形成 的 “反馈 ” 键 ， 这 种 键 极为 稳定 ， 使 血红 素 失 去 了 可 逆 性 反应 的 能 力 ， 对 于 血红 蛋 白 中 的 血红 素来 说 ， 就 是 永久 失去 了 递 氧 的 能 力 ， 表 现 为 呼吸 作用 的 一 氧化 碳 中 毒 现象 ， 而 对 于 细胞 色素 中 的 血红 素来 说 ， 则 永久 失去 了 传递 电子 的 能 力 ， 表 现 为 氰 对 生物 氧化 过 程 的 抑制 作用 。 上 述 各 种 络 合 物 只 有 一 个 中 央 离 子 ， 故 都 属 单 核 络 合 物 ， 此 外 ， 还 有 各 种 含 一 个 以 上 中 上 央 离 子 的 多 核 络 合 物 。 细 胞 内 就 有 这 种 多 核 络 合 物 。 并 且 起 着 重要 的 生物 学 作用 ， 如 双 锰 络 合 物 对 光合 放 氧 作用 、 双 铀 络 合 物 对 生物 固氮 作用 以 及 双 铁 络 合 物 对 生物 氧化 还 原作 用 等 都 有 密切 的 关系 。 连 结 两 个 中 央 离 子 的 原子 、 分 子 或 基 团 称 为 中 继 基 。 例 如 ， :细胞 铁 硫 蛋白 两 28 aN S70 abe mee N ai 1-21 血红 素 中 心 铁 离子 的 位 置 与 血红 素 分 子 化 学 状态 的 关系 A。 铁 离子 的 位 置 : 〈a) Fe2* RAM, BHPRSEB, (b) Fes 遇 水 氧化 时 ， 靠近 中 央 空 用 (c) Fe?* AAR, EAR SE CORRE ERE ARE, 下 为 氧 分 子 ) 。 Be RATA OhwR SEH (AR) AU IS OER, DLA Hs RRO 最 上 面 Fe* 为 腊 氧 状态 时 的 位 置 ; Fes+ eG RAS RTE AE, Fe2* 氧 合 状 态 时 在 最 下 平面 内 。 eT i PRAEA TERRA TET I M E T 地 络 合 和 解 离 ， 并 借 此 起 递 氧 作用 ; SAB ERB AG gS SAY RSD! X90" Ty OT VLE Fe3+ Fe3+ 1 <1) it Fe8* [Fe3+ ee aso tee fT) CS AY Teco eRe A VAS STR BET 6 个 中 继 基 硫 所 组 成 的 多 核 络 合 物 ，: 它 成 为 铁 氧 化 还 原 体 的 活性 部 位 。 :出 于 生物 络 合 物 的 重要 生物 学 作用 ;从 七 十 年 伐 以 来 》 络 合 物化 学 向 生物 科学 渗透 ， 形 成 了 新 的 边缘 学 科 一 一 生物 金属 配 位 化 学 “或 生物 无 机 化 学 ) 。 生物 金属 配 位 化 学 ， 一 方面 研究 生物 体内 金属 酶 s 金属 辅酶 和 其 它 活性 物质 的 结构 和 作 用 机 理 吕 其 主要 实验 手段 是 用 较 简 单 的 金属 络 合 物 来 模拟 活性 物质 的 活性 中 心 结构 及 其 功 fo 例如， 血红 蛋白 对 氧 分 孚 的 结合 和 释放 /生物 膜 及 离子 载体 功能 的 模拟 ， 体 内 能 量 传递 和 氧化 还 原 过 程 中 的 电子 传递 ， 以 及 固 气 酶 的 固氮 功能 模拟 等 等 。 天 然 碱 金属 离子 载体 的 模 拟 进展 较 大 。 自 然 界 中 存在 某 些 抗菌 素 ; 如 拔 氨 霉 素 能 选择 性 地 和 某 些 碱 金属 离子 络 合 ， 并 共有 特异 地 输送 钾 离 子 透 过 生物 膜 的 功能 。 发 现 四 环 素 、 和 磺 胶 、 蜡 烟 有 ;阿司匹林 等 都 是 有 配 位 项 能 的 药剂 。 使 用 合宜 的 配 位 药剂 可 以 排除 体内 放射 性 多 和 骨 组 织 中 的 铅 。 生物 金属 配 位 化 学 的 另 一 个 方面 ， 是 研究 微量 金属 在 生命 活动 中 的 作用 和 体内 金属 离子 闻 的 平衡 ， 体 内 微量 元 素 失 调 与 某 些 慢性 病 的 发 生 有 关 ， 如 Cd 离子 过 量 与 高 血压 有 关 ，Li 的 缺少 和 精神 病 发 作 有 关 。 利 用 络 合 反应 可 补 入 体内 需要 的 元 素 或 帮助 排除 有 害 元 素 。 一 系 列 金 属 络 合 物 ， 特 别 是 铀 族 络 合 物 具 有 抗 瘤 或 抗 病毒 的 生物 学 活性 "医学 上 还 利用 放射 性 销 29 AY 7A EP os SE AY BS TdF PEF HE BT 0 2+3 SF oy OE HER 水 是 生物 体内 最 丰富 的 分 子 ， oy Mia HRA 7 S~ 85%, RLM AR a ROAM Fel 必要 条 件 ， 也 是 细胞 生命 活 劲 葬 内 环境 。 由 于 对 水 的 熟悉 ， 往 往 就 忽视 了 它 是 一 种 物理 和 化 学 性 质 都 十 分 特殊 的 物质 ， 又 因 水 对 人 体 没 有 腐蚀 作用 ， 以 及 我 们 周围 很 多 物质 和 水 不 进行 反应 ， 因 此 容易 忽略 水 所 具有 的 很 强 的 化 学 活泼 性 。 2.3 .1 水 的 物理 性 质 和 结构 “与 其 它 常 见 液体 相 比较 ， 水 的 燃点、 沸点、 汽化 热 、 比 热 、 熔 化 热 和 表面 张力 都 特别 高 。 这 些 性 质 表明 液态 水 分 子 有 较 高 的 内 育 力 。 液态 水 中 水 分 子 的 高 内 聚 力 是 由 它 的 偶 极 性 质 所 决定 ， 这 种 性 质 又 来 自分 子 中 氧 原子 和 氢 原 子 的 特殊 的 电子 排列 (图 1-22)。 氢 原子 的 1s 轨道 和 氧 原子 的 两 个 sp* 杂 化 轨道 交 迭 ， 氧 原子 的 两 个 电子 分 别 和 两 不 氧 原子 的 电子 形成 共有 电子 对 。 每 一 个 这 种 电子 对 的 1/3 具有 电价 性 ， 而 2/3 则 具有 共 价 性 。 依靠 驻 光 衍射 分 析 ， 测 得 水 分 子 的 键 角 与 键 长 ，H 一 O 一 了 的 平均 键 角 是 104.5°, H—O 的 键 长 平均 为 0.965A 。 KE HEHE MEN, TRYIN SURF EBM Bee 引 氧 原子 的 单个 电子 离开 质子 ， 因 而 每 个 氢 原 子 带 有 局 部 正 电 1-22 水 分 子 , RRK. BR 荷 〈 以 3+ 表示 ) ， 氧 原子 的 非 共 轨道 区 则 为 局 部 负电 荷 CO 角 与 范 德 华 尔 氏 半径 5- 表示) -， 结果， 整 不 水 分 子 成 为 偶 极 子 ， 因 为 虽然 从 整个 分 子 来 看 没有 净 电 荷 , 得 是 南 于 正 负电 荷 的 重心 不 在 一 起 ， 造 成 了 分 子 的 一 端 带 正 电荷 ;而 另 一 端 带 负 电荷 5 RAE 氢 原 子 约 带 :0.33 x 107! 静电 单位 , 而 氧 原子 约 带 -0.66 x 107 静电 单位 。 所 带电 荷 虽 不 算 强 “〈 与 离子 化 合 物 比 ) ， 但 已 经 足以 影响 水 分 子 的 各 种 理化 性 质 。”… 、 于 2.3。2 和 氢 键 ” 水 分 子 的 氧 原子 区 带 正 电荷 ， 可 以 吸引 相 邻 水 分 子 中 带 负 电荷 的 氧 原 子 区 。 这 种 静电 间 的 相互 作用 Ak I | FARM BASE EEN, Ce OEE HD | i YF ME BE, ROBERT FIL SR © EAR ITET ARE, RDA A ok oF Rs ES ree FE REA (122380 有 局 全 司 RE PATE T Ragyse OHH Wet ECO 2 cS BES , Wes ok ag CAE | Se 0 RM RE ABD) 4728405 S/R) Tak fetes meh vee THO 键 能 却 为 TI0 千 卡 / 摩 耳 -*。 氢 键 的 另 一 特性 是 共有 高 庆 的 方向 性 ,这 是 由 氢 、 氧 原子 成 键 轨 道 的 特殊 排列 所 决 Sit CPB 1-24) 6 环 同类 型 化 合 物 形成 的 气 键 键 长 不 同 ， 波 态 水 分 子 中 为 1.77 A。 氧 键 的 形 成 和 维持 需要 一 定 条 件 * 氢 键 不 是 水 所 独 有 的 ， 在 负电 性 较 强 的 原子 (OL NS) MBAS 另 一 个 负电 性 强 的 原子 形成 共和 维 键 的 氨 原 也 之 间 也 可 以 形成 氨 键 。 氢 键 可 以 在 分 子 间 形成 而 也 可 以 在 同一 分 活 的 不 同 部 分 之 间 形 成 。 生 物 学 上 重要 的 氢 键 如 图 1-25, 因为 周围 的 水 分 子 与 小 质 分 子 竞相 形成 很 多 氧 键 ; 相 比 之 下 浴 波 中 两 个 深 质 分 于 之 间 的 单个 氧 键 就 显得 很 弦 了 5 Ain, 当 两 部 分 结构 中 存在 很 多 氢 键 时 ， 断 有 裂 它们 需要 的 能 量 比 所 有 单个 氧 键 键 能 的 总 和 要 赤 得 多 ， 这 正 是 蛋白 质 和 某 些 核酸 分 子 在 水 中 异常 稳定 的 主要 原 30 Ale A WE 水 能 溶解 很 多 物质 ， 也 主要 由 于 水 是 偶 极 巴 。: 很 多 i 盐 和 离子 化 合 物 ， 由 于 分 子 中 含有 的 正 、 负 离子 间 静 电 引力 大 ， 分 开 这 些 离子 需要 相当 大 的 能 量 但 是 在 水 有 P, 水 偶 极 子 与 正 、 负 离子 间 产 生 较 大 的 静电 引力 ， 超 _- ”过 了 正 负离子 间 的 引力 ， 于 是 把 阳离子 和 阴离子 拉 开 ， /二 全 形成 了 很 稳定 的 水 化 离子 ， 盐 和 离子 化 合 物 就 这 样 地 被 B /@. HA AH 水 溶解 了 (图 1-26) 。 | n col nue no s i 1-24" Tabak hid ' 球 OA BRE, 1 eR, - Me “OREM-HRE, HRB. HOCH Zo Serena! 人 B Rye 水 ， 这 是 因为 水 偶 极 子 与 这 类 化 合 物 的 极 性 官能 团 〈 产 a £, REWART) 形成 氢 键 的 缘故 。 me 2.3 。 3， 朴 水 效应 “一 些 既 含 有 强 非 极 性 基 又 含有 人 强 极 性 基 的 化 合 物 ， 如 软 脂 酸 ， 在 水 中 可 以 形成 很 多 H 胶 束 ， 每 个 胶 束 内 含有 成 百 成 千 个 软 脂 酸 分 子 〈 因 电离 CH R 作用 ， 实 际 上 以 软 脂 酰 离子 存在 ), 极 性 的 头 部 伸 向 水 ; RSS SER 非 极 性 的 尾部 藏 在 胶 束 中 心 ， 相 邻 的 烃基 以 范 德 华 耳 斯 i t \ H 但 ~ % ‘of i | HARLAN hob x chs CH ‘Ne a eave AC、 pox Oat " OD H、 ae _N—H Cor EPG I | BR i NS DN i / N 一 CH / 1-26 “水 分 子 对 盐 类 分 子 的 解 离 和 溶解 作用 图 1-25 “生物 学 上 重要 的 氧 键 “， A. BEMKZM, B. RAAMKZ MM, C. 两 肽 链 间 ， D. DNA 中 互补 碱 基 对 之 间 。 31 力 相 互 吸 引 。 这 种 结合 现象 被 称 为 疏水 效应 ， 这 种 效应 的 方向 性 相当 小 ， 但 可 以 形成 高 度 稳 RABE. | (A 1-27) A Na* Re | O 0 ge | od 图 1-27 BR RH B mR MEARE “A” 部 ， 曲 线 示 非 极 性 “ 尾 ” 部 。 细胞 的 多 种 成 分 ， 特 别 是 蛋白 质 和 核酸 ， 也 可 以 用 类 似 的 方式 ， 形 成 局 部 茧 水 区 ， 以 葬 HH 53 1 t uO. Onn H H+_H Ca ? j 4s Go 3 er HA (CH 1-28 水 化 型 HsO+ 离 子 9 (100"C 时 仍 稳定 ) Ho 止 水 对 某 些 反应 的 于 扰 。 | 9 2.3。4 ”质子 的 传递 ”由 于 氢 原 子 的 质量 小 ， 在 水 分 子 中 它 é H 的 单个 电子 又 紧 紧 地 被 氧 原子 所 吸 住 ， 于 是 ， 氢 原 子 核 可 能 与 同 0” ”一 分 子 中 的 氧 原子 分 离 ，“ 跳 "向 以 氢 键 连接 的 邻近 水 分 子 中 的 氧 二 ， 原子。 这 样 就 生成 了 两 个 离子 ， 即 一 个 阳离子 CH,0 #4 阴离子 (OH-)。 在 25C 时 , 1 升 纯 水 中 ，H。O+ 离子 和 OH- 离 HE 子 的 数量 相等 ， 都 是 1,0 10-7 MEH epee - 水 的 离子 化 作用 可 简写 为 : OH- 129 BRE 实际 上 ,HsO*+ 并 不 能 独立 地 存在 于 水 中 ,而 是 与 三 个 水 分 子 以 所 键 结合 形成 水 化 离子 H,0,* (图 1-28). 32 由 于 质子 有 高 频率 的 跃迁 (1-29) , Alt, Ho AH Pe BER te Na By Ko 据 很 多 倍 。 这 是 生物 体系 中 的 一 个 重要 现象 。 生物 体 对 它们 的 水 环境 非常 适应 ， 并 且 已 经 有 效 地 利用 水 的 一 般 性 质 。 例 如 ， 水 的 比 热 高 ， 使 细胞 中 的 水 成 为 “ 热 缓冲 剂 >， 当 外 界 温度 波动 时 ， 细 胞 温度 可 相对 恒定 ; 水 的 蒸发 热 高 可 使 脊椎 动物 靠 汗 液 的 蒸发 带 走 热量 ;液态 水 的 内 聚 力 强 ， 使 高 等 植物 在 蒸腾 作用 中 把 溶 解 了 的 营养 物质 由 根部 带 到 叶 内 ， 冰 比 液态 水 密度 低 的 特性 ， 对 水 生生 物 的 生活 也 具有 重要 的 生物 学 意义 。 但 是 对 所 有 的 生物 来 说 ， 水 的 最 基本 的 生物 学 意义 是 它 与 细胞 内 大 分 子 化 合 物 〈 特 别 是 蛋白 质 和 核酸 ) 的 相互 作用 ， 因 为 很 多 重要 生命 活动 就 是 由 这 些 生物 大 分 子 和 有 周 转 介 质 中 的 水 分 子 相 互 作用 而 产生 的 。 Boh ED 太 分 下 组 成 细胞 的 有 机 物 主要 是 蛋白 质 、 核 酸 、 糖 类 和 脂 类 等 生物 大 分 子 化 合 物 。 其 中 ， 糖 、 蛋白 质 和 核酸 的 组 成 单 体 均 为 小 分 子 化 合 物 ， 故 称 为 分 子 型 大 分 子 化 合 物 ， 而 脂 类 则 直接 由 许多 原子 组 成 ， 故 称 为 原子 型 大 分 子 化 合 物 。 3"1 大 分 子 化 合 物 的 理化 特性 分 子 型 大 分 子 化 合 物 是 由 很 多 小 分 子 聚 合 而 成 的 分 子 量 很 高 的 分 子 ， 如 淀粉 由 200~ 1,000 个 葡萄 糖分 子 聚 合 而 成 ， 分 子 量 为 数 千 至 50 万 。 纤 维 素 由 300 一 6,000 个 葡萄 糖分 子 聚合 而 成 ， 分 子 量 为 5.0x 10 4 一 10"。 蛋 白质 由 51~ 一 336, 500 个 氨基 酸 分 子 聚 合 而 成 ,分 子 量 可 高 达 40,000,000， 核 酸 由 4x 10°~10° 对 核 苷 酸 组 成 ， 分 子 量 可 超过 2 x 109?。 无 机 化 合 物 中 也 有 大 分 子 类 型 ， 但 其 特性 与 有 机 大 分 子 不 同 ( 表 .1-8)。 表 1-8 有 机 大 分 子 与 无 机 大 分 子 特性 的 比较 | 组 成 单 体 | 机 械 性 能 | 结构 特点 | 化 学 性 人 能 | 有 机 大 分 子 | 小 分 地 有 机 化 合 物 后 站 天 塑性 或 粘性 | Se Ce am haha 原子 或 无 机 小 成 为 有 严格 周期 性 的 BK EF | LR ERS AR, Meo | RATTAN | RO BR 有 机 大 分 子 之 所 以 成 为 生命 的 结构 基础 ， 其 原因 是 : GC) 有 机 天 分 子 既 有 稳定 的 BS 华 构 ， 又 有 活跃 的 反应 能 力 *$ (2) 有 机 大 分 子 具 有 一 定 的 形态 构造 ,这 是 生命 系统 中 生化 反 应 严格 的 方向 性 、 顺 序 性 以 及 可 调节 性 的 基础 ， 有 机 大 分 子 链 上 有 规律 地 分 布 和 排列 着 生化 反应 的 活性 部 位 ， 使 细胞 内 各 种 生命 活动 可 以 进行 得 有 条 不 紊 ; (3) 有 机 大 分 子 能 形成 膜 性 化 构 ， 可 起 间隔 作用 ， 在 空间 上 为 各 种 生理 过 程 分 别 创造 特定 的 微 环 境 ， 以 免 相 互 干扰 。 大 分 子 的 形状 常常 影响 它 的 体积 ， 以 300 个 氨基 酸 组 成 的 蛋白 质 分 子 为 例 ， 当 多 肽 链 完 全 伸展 时 ， 长 约 100 毫 微米 、 粗 0.5 毫 微米 ; 当 卷 曲 为 螺旋 时 ， 长 45 毫 微米 , 直径 1.1 训 微米 ;成 为 双 股 纠 合 的 螺旋 结构 时 ， 长 约 21 毫 微米 ;如 为 三 条 非 -螺旋 结构 的 多 肽 &, 缠绕 成 三 股 螺旋 时 ， 长 约 29 毫 微米 如 折 县 成 片 状 ， 则 其 面积 为 7x7 毫 微米 ， 厚 约 0.5 毫 33 微米 ;如 卷曲 折合 为 球状 ， 直 径 约 4.3 20K; 如 旺 扁 球 形 , 则 为 5.4%2.7 SRK MEK 球形 ， 为 6.8x3.4 毫 微米 ;如 旺 正方形 ， 边 长 为 3.45 毫 微米 ;如 为 砖 块 状 ， 则 为 工 .38X356 X6.3 毫 微米 。 (A 1-30) nak 1-30 300 个 氨基 酸 组 成 的 蛋 自 质 分 子 的 大 小 和 形状 A. Ht, “ B。a- 螺 旋 (808); CC. RRRARY, D. 三股 螺 旋 线 卷 ; 下 ,有 B- 招 片 * F. 圆 球 状 ， G.。 扁 球状 ;HH。 长 球状 iT 立方体) J. BRR. 《图 中 数字 为 分 子 的 大 小 : 长 度 及 直径 、 长 径 及 短 径 、 长 x 宽 x 高 [ 厚 ]) 3-2 大 分 子 的 结构 程度 与 信息 含量 fee WA RNN2 MRA RR. eRe LE 则 的 联系 计 例 如 由 各 种 原 手 组 成 分 子 ， 又 由 小 分 子 单 体 组 成 大 分 和子。 FR RA SB el tk 乏 固 定 的 联系 ;而 是 相互 随机 地 分 布 在 一 起 。 因 此 ， 有 序 为 物质 的 有 结构 现象 四 无 序 为 物质 混乱 的 现象 5 有 序 与 混乱 为 一 对 相反 的 概念 。 有 序 度 越 高 ， 即 表示 混乱 度 越 低 绍 而 混乱 度 越 Bs AAA RRO. EWES UH BU IR ALE AD, RR, ZR aL Rew, MR, RHA). HMM, RELTSNAWRSE EM, SHRERB ARETARD RP CHEK: 在 碳 与 其 它 原子 组 成 的 各 种 化 合 物 内 ， 也 可 根据 它们 的 FR aL AT RA PEAR. AR, * 鞘 的 结构 比 葵 的 结构 程度 高 ， 共 的 结构 比 甲 烷 的 结 34 HERES) RHAHRE HARE) MAA, RREMALMER. MERA, EARMMHARRAN, HAR, —RER (4) 状态 中 的 物质 有 序 度 较 高 ， 而 气态 则 混乱 度 较 高 ， 如 水 的 三 相 箭 值 各 为 : 气相 一 45.106; 液 相 一 16.716; 固 相 一 11.456。《〈 表 1-9) | | ne: 19 MARE 碳 的 结构 形式 : | 站 而 本 | = 所 本 | oe 葵 荣 甲 门 酸 ee | me ERM CE / BE HE F)| 0.5829 | 1.3609 51 44.5°{ 41,411 物质 结构 的 复杂 程度 不 但 与 有 序 性 有 关 ， 而且 也 与 参加 物质 结构 单位 的 数量 和 种 类 有 关 4? 参 与 结构 的 单位 数量 和 种 类 越 多 ,物质 结构 就 越 复杂 % .由 少量 的 几 种 原子 所 组 成 的 分 隆 ， 结构 比较 简单 而 且 构 型 变化 也 不 多 # 由 大 量 和 多 种 原子 组 成 的 分 子 则 往往 结构 比较 复杂 ; 而 且 构 型 也 变化 多 端 。 例如 ， 有 机 碳化 合 物 各 种 类 型 的 蜡 构 现象 。 由 大 量 沙 分子 单 体 组 成 的 大 分 子 化 合 物 ， 虽 然 有 时 组 成 单位 的 品种 并 不 多 ， 得 是 因为 单 体 的 组 合 和 排列 的 不 同 立 能 形 成 无 数 种 类 的 高 分 子 。 例 如 ， 由 20 种 氨基 酸 组 成 的 直 链 150 肽 ， 就 可 能 生成 2015" 种 不 同一 级 结构 的 蛋白 质 ， 由 四 种 核 苷 酸 组 成 的 多 核 苷 酸 ， 若 每 条 多 核 音 酸 由 | 念 000 个 核 苷 酸 组 成 ， 就 可 能 生成 4 种 不 同一 级 结构 的 核酸 。 失 盆 子 内 单 体 的 组 从 和 排列 方式 的 变 北 代表 了 三 种 结构 信息 六 它 正 如 由 声音 符号 和 笔画 FSHASMHAERT BRACE, 也 能 表达 荣 种 意义 二 但 生物 大 分 子 表达 的 不 是 社 会 学 意义 而 是 某 种 生物 学 意义 。 例 如 ， 不 同一 级 结构 的 蛋白 质 分 子 能 分 别 执行 催化 ; ;调节 ! 各 护 、 运 输 避 营养 3 换 能 和 运动 等 各 种 村 物 学 功能 。 蛋白 质 分 子 的 结构 信息 一 般 能 够 直接 表 达成 某 种 特定 的 生物 学 意义 ,而 核酸 类 分 子 , 它 们 的 结构 信息 主要 是 起 了 传递 生物 学 信息 的 作 用 裔 有些 起 调节 作用 的 多 肽 这 激素 和 神经 递 质 ) 以 及 细胞 膜 表面 的 二 些 赛 糖 链 六 也 属于 信息 性 芬 孙 臣 一 切 荔 能 性 分 子 的 结构 信息 全 由 信息 性 分 子 所 提供 交 在 细胞 中 表现 为 蛋 自 质 和 多 糖 菌 三 级 结构 全 由 核酸 类 分 子 :(DNA 和 及 NA) 的 一 级 结构 所 决定 。 全 说 核酸 是 信息 性 类 分 子 , 因为 它 唯一 的 .更 确切 地 说 主要 的 功能 是 传递 生物 学 信息 ;但 并 不 排除 官 除了 通过 决定 蛋白 质 分 子 结构 的 作用 而 影响 细胞 的 生命 活动 外 去 还 具有 直接 调节 细 胞 活动 的 能 力 。 例 如 ;! 发 现 核酸 和 蛋白质 分 耶 之 问 有 活跃 的 信息 交流 寺 而 决定 何 时 开始 和 何 时 终止 核酸 (RNA)、 赔 氧 核糖 核酸 (DNA) 和 蛋白质 的 合成 过 程 , 也 是 直接 由 核酸 “发 布 命 令 ” 的 ， 有 时 核酸 还 能 引发 细胞 内 结构 的 装配 作用 ,1 这 时 核酸 又 成 了 功能 性 大 分 子 了 。 蛋 和 白 质 虽 说 主要 是 功能 性 天 分 子 ,| 因为 促 的 结构 信息 决定 它 特 定 的 生理 功能 ; 而 它 的 生理 功能 并 不 是 传递 结构 信息 ; .但 有 时 也 能 通过 它 的 特异 性 合成 作用 而 产生 其 它 的 信息 性 结构 。 例 如 ， 一 定 的 酶 系统 能 合成 具有 各 种 排列 花样 的 多 〈 寡 ) 糖 链 ; 在 这 类 糖 莲 中 ， 组 成 单 糖 的 种 类 和 数目 ， 糖 和 糖 相连 接 的 位 置 和 形式 ， 直 链 还 是 支 链 ， 糖 的 化 学 修饰 情况 〈 包 括 糖 酸 、 糖 胺 、 甲 基 化 、 乙 酰 化 、 硫 酯 化 等 ) "以 及 排列 顺序 等 ， 都 有 各 种 变化 ， 而 且 由 于 可 变 因素 比 核酸 和 EARS 〈 因 为 核酸 和 蛋白质 都 只 有 一 个 聚合 方式 ， 即 前 者 为 5 >3 磷酸 二 酯 键 ， 后 者 为 肽 键 ， 两 者 皆 为 直 链 ， 并 无 分 支 结构 ， 组 成 单 体 的 化 学 修饰 情况 也 很 少 ) ， 所 以 糖 链 变换 的 花样 可 能 比 核酸 和 和 蛋白质 有 过 之 而 无 不 及 。 FM: 2 个 相同 的 氨基 酸 (或 核 苷 酸 、 下 同 ) 35 只 有 出 种 排列 方式 ， 而 2 个 相同 的 单 糖 ( 己 糖 ) 就 有 11 种 排列 方式 ! 37> HMAHWAERLR 有 工种 排列 方式 ， 而 3 个 相同 的 单 糖 :已 糖 ) 就 有 176 种 排列 方式 3! 3 种 不 同 的 氨基 酸 具 有 6 种 排列 方式 ， 而 3 种 不 同 的 单 糖 ;( 己 糖 ) 可 达到 1,076 种 排列 方式 。 只 是 这 种 带 有 信息 的 糖 链 往往 仅 是 由 为 数 不 多 的 单 体 所 组 成 的 窒 糖 ， 故 而 每 分 子 内 含 的 信息 比 不 上 核酸 和 和 蛋白质 丰富 ， 发 现 这 类 窒 糖 分 子 对 细胞 之 间 传 递 信息 十 分 重要 反之， 高 分 子 量 的 多 糖 ， 如 淀粉 和 纤维 素 则 反而 组 成 十 分 单纯 ， 它 们 根本 不 是 信息 性 分 子 。 当 一 定 的 酶 在 合成 一 定 的 信息 性 寡 糖分 子 时 ， 这 种 酶 蛋白 不 是 也 成 了 能 够 传递 和 决定 结构 信息 的 信息 分 子 了 吗 ? 脂 类 的 结构 变化 表现 在 组 成 的 醇 是 甘油 还 是 其 它 、 成 酯 脂肪 酸 的 碳 链 长 得 和 饱和 程度 大 小 、 极 性 基 结 合 的 部 位 (ac. 8B 或 Y 位 》 和 种 类 等 。 但 是 脂 类 的 结构 变化 主要 影响 它 的 结构 性 能 和 生理 功能 ， 而 与 信息 传递 并 无 直接 关系 。 除了 结构 含有 信息 之 外 ， 构 型 和 构象 也 都 有 一 定 的 信息 含量 。 信息 含量 以 “ 毕 特 ” HM, ME KAR RRS RA = 10* Hy —H 500 页 的 书 为 之 5x 10° 毕 特 ， 一 个 藏书 1,000,000 HHA BEA ~ 10" 2H, TR eS 含 信息 之 105 毕 特 《 相 当 于 10 页 印刷 体 符号 ) 、 每 个 生殖 细胞 CARA) 10"! OC 420,000 册 书 》， 而 人 体 的 信息 含量 达 5x 1025 毕 特 ， 亦 即 一 个 人 的 自然 信息 量 超 过 了 了 全 世界 藏书 量 〈《5x 107 贡 》 记 含 信息 量 的 2x102 FF. 3'3 生物 大 分 子 的 结构 层次 除 脂 类 外 ， 生物 大 分 子 都 是 由 许多 单 体 小 分 子 化 合 物 以 共 价 键 连接 而 成 的 ， 在 此 基础 止 ， 再 进一步 以 不 同 的 方式 ， 形 成 不 同 层 次 的 高 级 结构 。 一 个 生物 活性 的 大 分 子 ， 常 对 于 每 STO EN RS EERE ee er Oe 四 个 层次 (第 1 一 4 级 结构 )。 3.3。1 一 级 结构 〈 基 本 结构 ) 一 级 结构 是 指 生 物 大 分 子 所 合 单 体 分 子 的 种 类 、 数 量 和 结合 方式 。 ARS RNR ANA FESR BRR GAD, MDA. AR. BRS APPLE. 甘露 糖 、 葡 萄 糖 胺 、 葡 萄 糖 硫酸 酯 、 甲 基 葡 萄 糖 、 乙 酰基 葡萄 糖 、 葡萄 糖 醛 酸 等 。 葡 萄 糖 单 体 之 间 以 糖苷 键 连接 ， 方 式 有 型 的 ， 如 淀粉 、 糖 原 、 糊 精 〈 分 子 量 较 淀 粉 小 大 HABA 的 ， 如 纤维 素 。 连 接 的 部 位 有 1-2、1-3、1-4、1-6 和 2-4 碳 等 各 种 类 型 ,因此 使 组 成 的 分 子 链 或 呈 直 链 或 有 分 支 ， 总 之 是 结构 变化 多 端 ， 但 地 气 是 多 者 不 繁 和 繁 者 不 多 才 不 致 于 在 细 胞 内 与 核酸 和 和 蛋白质 争 夺 “ 发 号 施 令 ” 和 站 A 图 1-31 多 糖 链 的 分 支 结构 A. WR; 了 B。 胶 淀粉 。《〈 箭 头 为 粳 链 的 还 原 端 ， 此 处 为 TI 一 6 相连 ， 白 较为 一 级 分 支 ， 黑 园 为 二 级 分 码 ， 白 三 角 为 三 级 分 支 ， 黑 三 角 为 四 级 分 支 ， 星 号 为 五 级 分 支 》 36 组 成 蛋白 质 的 单 体 为 20 PRR, RERLCAUKRMER. FAHARMREY AEB 以 不 同 的 排列 顺序 组 成 不 同 的 蛋白 质 。 估 计 地 球 上 全 部 生物 中 蛋白 质 的 种 类 可 达 10'°~10"". 蛋白 质 中 各 种 氨基 酸 的 数量 和 排列 顺序 就 是 蛋白 质 的 一 级 结构 。 蛋 和 白质 的 一 级 结构 是 直接 由 核酸 (RNA) ， 最 终 由 脱氧 核糖 核酸 (DNA) 所 决定 的 。 蛋 白质 的 一 级 结构 决定 了 它 高 级 层次 的 结构 。 组 成 核酸 类 高 分 子 的 单 体 是 各 种 核 兰 构 ， 单 核 苷 酸 由 戊 糖 .磷酸 和 含 氮 碱 基 一 一 叮 叭 和 喀 MAK: 单 核 苷 酸 间 以 磷酸 二 酯 键 相连 接 。 核 苷 酸 因 戊 糖 种 类 不 同 而 分 成 两 类 ， 含 有 核糖 的 称 为 核糖 核 苷 酸 ， 含有 脱氧 核 莉 的 称 为 脱氧 核糖 核 昔 酸 。 两 者 分 别 聚 合成 核糖 核酸 (RNA) 和 脱氧 核糖 核酸 (CDNA) 。 核 苷 酸 的 常见 含 氮 碱 基 有 腺 味 叭 CA). SUM (G) 、 胞 喀 喧 CC) 、 胸 喀 啶 〈 工 ， 只 在 DNA 中 有 和 刀 和 尿 喀 啶 (U， 只 在 RNA 中 有 7 核 苷 酸 按照 所 含 的 含 氮 碱 基 种 类 而 分 别称 为 腺 苷 酸 、 鸟 背 酸 、 胞 苷 酸 、 HERA REM. 2A RAK BRK HF BR 的 数目 和 排列 顺序 就 是 核酸 的 一 级 结构 。: (图 1-32) A ‘ NH, Niet 1 - i 3 een UN N” me Z C H b ‘or a! ie jon H nad 有 “a oN HN’ as ? HRTEM. (A) SE (G) NH re) 人 i I Nv GH 本 HN” 人-cH HN “CH on Ny AH 中 on Ny ot ot nyt H H Hue BE (C) 胸 咏 啶 (T) RRR BE (U) a B NH; a NA “CH O- f~o "KN 9 d du | HC | 0% “x7 O=P—-OCH, \ CCH or (: cr ven WE Nee ve! het bu. on OH OH 5/- RR 5’ HOFER (AMP) (CMP) O I ta tal ‘ HN” “CH Vr ay Or r 5 CH O=P—OCH, SC OnP-OGH, Oe Sa O N epee yee 也 o& Lo) j j Ne INV éu on OH OH 2 SR 5'-RRTR (GMP) (UMP) Al 1-322 A,B 了 碱 基 及 核 若 酸 A, RHE; B. KER. 37 DNA RNA A1-322C 多 核 苷 酸 链 片段 3'3。2 二 级 结构 ;大 分 子 链 本 身 具 有 一 定 的 构象 ， 如 线 状 、 带 状 、 押 和 琶 状 、 螺 旋 状 或 无 规 线圈 等 。 决 定 二 级 结构 的 原因 在 于 组 成 大 分 子 的 单 体 种 类 以 及 聚 合 键 的 性 质 等 ， 这 些 因 素 影 响 到 单 体 与 单 体 之 间 连 接 键 的 旋转 角度 变化 。 这 种 连接 键 包括 多 糖 的 糖苷 键 、 蛋 白质 的 肽 键 和 核酸 的 磷酸 二 酯 键 等 ， 38 ee Kk 刍 Be A — Mi ge (H) (H), (R) 4 (O°) sd 于 An Eee 0—C FF 人 1 An. 2 3/ 5’ H 4 4 个: 注 ， 式 中 粗 线 为 能 旋转 的 键 ， 键 上 的 人 表示 旋转 角度 符号 ， 有 ;* 号 的 原 矛 为 键 旋转 时 的 中 心 ; 有 括号 的 原子 spe mm mE, . ema, A C.-0 和 C.-O 两 个 键 旋转 ; BER, A Ca-N Cie) 和 ,C,-C GE BED Weiss MAME, AP-O (Cy’) 和 了 P-O) (Cs') 两 个 键 旋转 。 三 种 大 分 子 的 两 个 刍 中 ， 第 一 个 键 的 旋转 角 称 为 忆 中 ， 第 二 个 键 的 旋转 角 则 称 为 中。 糖 键 旋转 角度 的 计算 方法 ， 以 -1, 4- 糖 背 键 为 例 , 从 图 41-33 的 全 处 向 O-C, BZ, ADA HERB; AC, 上 向 着 赤道 面 氢 的 键 作为 基准 线 ， 测 量 Ci-O RL 9 为 轴 心 时 转动 的 角度 ;在 逆 时 针 旋 转 时 角度 为 正 〈+) ， 顺 时 针 旋 转 时 角度 为 负 (-) ， 即 获得 二 的 度数 和 符号 。 从 图 的 B 处 向 O-C, 键 看 去 ， 得 到 B' 的 投影 图 刀 用 ;CE 上 的 轴 疝 五 的 键 作 为 基准 线 ， 测 量 C,-O 键 以 © 为 畏 心 时 转动 的 角度 ， LER = 号， 即 得 的 值 。 :图 1-33 )。， ! 图 - 1-33 ”多糖 的 糖苷 键 (ac-l,4) 中 旋转 角度 的 测定 四 为 测量 人 时 的 情况 ; Ow WZ) 时 的 情况 。 全 有 引起 了 人 和 二 eo 级 结构 表 现 为 四 种 类 型 ， A 型 一 一 带 状 ， 具 有 这 种 构象 的 多 糖 有 : B-1,4- 葡 聚 糖 ( 纤 维 素 )、a-1l, 3- 葡 聚 糖 、_a-1， 3- 及 1,4- 半 乳 聚 糖 、ac-1,3- 及 B-1,4- 甘 露 聚 糖 、、 oa-1,3- 及 有 -1,4- 木 聚 糖 等 。 39 st HB 型 一 一 弯曲 及 螺旋 状 。 具 有 这 种 构象 的 多 糖 有 : a-1,4- 葡 聚 糖 Cie . B-1,3-BR 糖 、B-1,3- 及 1, 4-4 RRB. a-1,2-,0-1,4-R B-1, 3- 甘 露 聚 糖 、ia-1，4- 和 B=1，3- 木 聚 糖 等 。 C 型 一 断裂 及 焉 斜 状 。 具 有 这 种 构象 的 有 各 种 或 B-1,2- 相 连 的 多 糖 ; D 型 一 一 松 饥 接 合 和 伟 展 状 。 各 种 含有 a-1，6- 及 有 -1，6- 式 连接 的 多 糖 有 这 种 构象 。 (图 1-34) 即使 是 同类 型 的 多 糖 ， 形 状 亦 有 变 化 。 在 A 型 中 ， 有 平 带 状 的 纤维 素 ， 担 带 状 的 B-1,4- 木 聚 糖 、 皱 带 状 的 聚 葡萄 糖 醛 酸 及 又 扭 又 皱 的 类 型 ; EBM, 有 左 转 螺旋 状 的 淀粉 和 鹿角 藻 糖 ， 也 有 右 旋 的 B-1,3- 木 聚 糖 , 每 周 螺旋 的 单 糖 残 基数 可 以 有 -4~-8 个 不 等 , 螺 距 长 短 也 不 一 致 ， 而 且 还 有 双 体 和 三 体 螺 旋 的 结 合 形式 。 A 1-84 1 多糖 的 构象 类 型 ) - a A。 带 状 ，B。 螺 旋 状 ，C。 断 一 斜 状 ，D。 连 一 展 状 。! 肽 键 旋 转角 度 的 计算 方法 ， 先 从 图 1-35 之 A 处 对 着 C 一 N 键 看 去 ， 得 到 A: HRSA. 表明 C:、Cs、(C 一 9 及 N 一 瑞 等 原子 基本 上 处 在 同一 个 平面 上 , BU CN BAKER, 各 键 偏离 平面 的 角度 在 土 15 "范围 内 当 测 量 Cony, JA B 处 观察 N—C, 键 ， 得 到 B' 处 投影 A, UR, GC. 的 键 作 为 基准 线 ， 则 C—N 键 的 旋转 方向 以 逆 时 针 时 为 正 角度 ,而 顺 时 针 时 为 负 角 度 ; 从 人 处 观察 C—C, B, HC 处 投影 图 ， 同 样 以 信 :一 C， 键 为 基准 线 , 以 C 一 N 键 为 起 点 ， 角 度 的 正 、 负 号 亦 同 前 ， 就 能 得 到 一 WA. (A 1-35) ORORA KS Wid HB TF HH, 加 为 测量 忆 时 的 情况 ; @ 为 测量 2) 时 的 情况 ，A“、B“、 C“ 表 示 分 别 从 四 、@@、@ 处 观察 时 Hy ERA. A 1-35 多肽 中 肽 键 旋转 角度 的 测定 40 HF Zo RAV HB, SEAR RABRRAAANWBA. (1-10) 1-10 肽 键 的 旋转 角度 与 多 肽 三 级 结构 的 关系 Q- 螺 旋 ( 右 旋 ) a- Rie (Ate) | 胶原 (三 股 螺旋 》 二 级 结构 | wacHeD | BFR) | B-38 i G43) + 113° 4/135) ° | -180° -119° -139° - 60° +59° -60°+ ~+780° +140°+ 多 肽 链 内 各 种 氨基 酸 残 基 对 蛋白 质 分 子 二 级 结构 的 贡献 是 不 同 的 ， 例 如 ， 谷 、; 丙 、 亮 等 残 基 有 利于 形成 " -螺旋 ， 蛋 ; 统 和 蜡 亮 等 则 有 利于 形成 B- 近 片 ， 而 有 些 残 基 ， 如 甘 、 且 和 天 冬 酰 胺 等 则 常 存在 肽 链 转 折 处 ， 其 中 如 膊 氨 酸 具有 终止 〈 破 坏 ) 螺旋 结构 的 作用 。 天 然 蛋 下 质 的 二 级 结构 形式 以 & 及 有 两 种 构象 为 主 。 只 有 右 转 的 " -螺旋 构象 才能 适 合 L -氨基 酸 构 型 的 需要 。o- 螺 旋 使 蛋 自 质保 持 良 好 的 弹性 和 运动 能 力 , 使 之 在 一 定 的 条 件 下 ， 适应 功能 的 需要 而 改变 构象 〈 变 构 作 用 ) + B- 押 片 大 都 为 逆行 形式 ， 这 种 构 篆 有 利于 分 子 内 肽 链 各 段 之 间 形 成 多 量 的 氢 键 ， 因 而 肽 链 能 反复 抛 又 而 成 为 片 层 状 ， 使 蛋白 质 结 构 紧 姿 。 多 肽 链 的 二 级 结构 ， 主 要 依靠 分 子 内 部 各 基 团 之 间 形 成 的 氢 键 来 保持 稳定 , 如 ac- 螺 旋 中 ”第 n 位 上 残 基 的 -N 互 基 团 能 与 第 n -4 位 残 基 处 的 -CO RMAC MAR: 在 B- 斤 片 中 ， 互 相 平行 的 两 段 肽 链 间 ”几乎 所 有 的 -NH 都 与 所 有 的 -CO 形成 了 氢 键 。 (图 1-36) 核酸 类 分 子 的 构象 ， RNA 主要 以 单 链 状 态 存在 ， 于 低温 条 件 下 ; 由 于 磷酸 -核糖 主 链 不 能 弯曲 ， 而 碱 基 互相 倒 合 ， 使 分 子 呈 现 杆 状 ， 随 着 温度 升 高 ， 分 子 链 局 部 弯曲 ， 最 后 成 为 无 MAB; 有 的 单 链 RNA 分 子 ， 由 于 分 子 内 部 某 些 区 段 之 间 有 碱 基 配 对 现象 ,能够 形成 互补 双 链 片段 〈 发 夹 状 结构 ) ， 并 且 形 成 双 螺旋 构象 (如 单 链 的 RNA 病毒 基因 和 转运 RNA)， 而 含有 双 链 RNA 基因 的 病毒 内 ， 它 们 的 RNA 亦 有 与 DNA 相似 的 二 级 结构 : DNA 除了 在 某 些 病毒 内 有 单 链 状态 存在 外 ， 自 然 条 件 下 总 是 成 为 双 螺 旋 结 构 ， 因 此 ， 这 是 它 的 基本 构 象 。 DNA 分 子 的 双 螺 旋 结 构 有 如 下 的 特征 ; A, 它 由 两 条 多 脱氧 核糖 核 苷 酸 长 链 以 道 平行 的 方式 并 合 而 成 ， 即 一 条 多 核 音 酸 链 的 头 BS i) 与 另 一 条 多 核 苷 酸 链 的 尾部 (3 端 ) 相 对 ， 而 它 的 尾部 〈3' 端 ) 则 与 另 一 条 链 的 头 部 〈5/ ta) 相对 ， 组 成 双 螺 旋 的 两 条 多 核 苷 酸 的 碱 基 顺 序 并 不 相同 ， 两 者 之 间 没 有 对 称 和 对 映 异 构 的 关系 ， 而 只 有 结构 互补 的 关系 ， 就 是 它们 之 间 的 关系 犹如 铸件 和 模型 的 其 系 ， 即 只 能 配对 而 不 能 重合 ， 也 不 互 成 镜 象 (图 1-37)。 两 条 互补 的 多 核 苷 酸 链 依靠 每 两 个 配对 碱 基 之 间 的 氢 键 相连 结 ， 由 于 两 链 间 可 以 生成 非常 多 的 氢 键 ， 故 而 使 双 链 结构 十 分 稳定 。 B。 由 于 多 核 苷 酸 链 中 磷酸 二 酯 键 的 转动 ， 一 般 情况 下 .= 96°, Zb=- 46。， 所 以 使 多 核 苷 酸 链 绕 成 螺旋 ， 两 条 链 向 相反 方向 旋转 ， 但 是 都 成 为 右 转 的 螺旋 ; 形成 的 双 螺 旋 直 4] 径 为 20A ， 螺 距 为 34.6A ， 每 个 螺 距 内 包括 10 个 碱 基 EK RE A 3K 度 。 因 为 双 链 碱 基 配 对 时 ， 两 条 磷酸 核糖 链 在 碱 基 对 的 顺 位 上 ， 从 而 使 碱 基 对 一 侧 的 螺 沟 较 守 ， 称 为 小 沟 ， 而 对 侧 的 螺 沟 较 宽 ， 称 为 大 沟 。 大 沟 处 碱 基 侧 面 暴 露 于 环境 ， 易 受 外 界 影 啊 ， 腊 物 和 藤 入 亦 在 此 处 发 生 。 图 1-36 之 :从 :及 3: 多 肽 链 二 级 结构 与 氨 键 的 关系 Ay a- 螺 旋 结 构 :;.a 为 左旋 ; b Whey B。iB- 招 片 结构 : a WEG bw. (BRR Re) 42 < @ | 四 © |e © | & Sexe O fe) © [Sr] .@ IO] G fa) ee €5 Ret SO. LEON] "OD [OL Or SON i ON Ov’ [SOX] © es ® [SOX] Oo [NOX 0) [sO%}] ©. \o@% kQ@ ga -GO }CO RD fees ORS ESD Sahoo" 6 Oa] One BO OV] @ © |g oy ~) | @yn Nee nN@ 1G) 1B Vo. 一 80.6", 于 是 PET Zy. Za, 2 和 N 等 一 系列 的 相应 变化 ， A 型 双 链 就 变 成 了 B 型 双 链 , 真 可 谓 是 “ 牵 一 发 而 动 全 身 ”。 当 DNA 分 子 内 的 腺 味 叭 和 胸 喀 了 啶 碱 基 对 (A+T) 含量 较 多 时 ，, 往往 不 易 形 成 B 型 结构 ; ZY 一 一 碱 基 平面 与 轴 的 倾斜 补 胃 ;- Za 一 一 前 一 Beh OS ae 碱 基 与 后 一 碱 基 之 间 的 移动 角 ; Z i eon a 2 然 能 够 出 现 接 近 了 型 的 构象 。 可 见 核酸 的 一 级 结 上 、 下 上 距离 。( 杂 环 中 用 十 字 轿 大 示 氮 原子 fy 3/ 及 5/ 构 和 四 级 结构 都 能 影响 它 的 二 级 结构 。 表示 核糖 上 的 碳 原子 白 圈 为 氧 原子 , 双 圈 为 葡 原 子 ， 3.3。3 三 级 结构 “有 些 大 分 子 在 具有 二 级 i Ka DNA 双 螺旋 的 螺 轴 。 ) 结构 的 基础 上 ， 于 三 维 (长 、 宽 、 高 ) SAA, 仍然 保持 线 型 的 梅 象 ， 它 们 成 为 纤维 状 分 子 。 有 的 纤维 状 大 分 子 ， 它 们 的 侧 链 或 基 团 并 不 与 本 身 其 它 部 分 发 生 作 用 ， 而 是 和 其 它 分 子 进 行 联系 ， 以 致 直接 形成 四 级 结构 ， 即 分 子 间 的 复 合体 ， 例 如 ， 丝 心 蛋白 和 纤维 素 等 。 前 者 的 B- 押 片 构象 使 它 能 与 相 邻 的 同类 分 子 逆 平行 排 il, 依靠 氢 键 而 紧密 联结 ;后 者 的 A 型 带 状 分 子 亦 能 彼此 用 氢 键 相互 结合 而 形成 晶 格 排列 ， 于 是 两 者 都 能 组 成 柱状 构造 。 有 的 纤维 状 大 分 子 ， 在 具有 螺旋 状 的 二 级 结构 的 同时 ， 又 可 以 在 三 级 结构 的 水 平 上 出 现 超 螺旋 结构 。 例 如 ， 二 级 结构 为 左 转 &- 螺 旋 的 原 胶原 蛋白 ,形成 了 三 级 结构 为 右 转 的 超 螺 卷 ; 而 二 级 结构 为 右 转 -螺旋 的 角 蛋 白 《 其 中 的 低 硫 成 分 分 子 ) ， 却 形成 了 左 转 的 超 螺 卷 ;两 者 都 在 超 螺 卷 的 基础 凸 ， 进 一 步 组 成 了 四 级 结构 。 胶 原 为 三 条 原 胶 原 分 子 链 缠绕 成 的 原 胶 原 纤 维 , 而 角 蛋 白 为 两 条 分 子 链 绕 成 的 纤维 。 ”二 二 于 看 He RNA 可 以 形成 发 夹 状 三叶草 状 及 花 淋 状 构象 ， 分 子 内 除 配 对 碱 基 成 为 “ 干 ” 状 结构 外 ， 还 有 各 种 内 环 状 结构 。 单 链 ,.DNA 可 以 首尾 相 接 ， 成 为 闭环 状 结构 ， 它 还 可 以 出 现 各 种 连环 套 式 的 异 构 体 ,六 在 环 的 局 部 生成 双 螺 旋 构 象 。 双 链 的 DNA， id al 型 )， 也 可 以 首尾 相 接 而 成 环 状 。 若 只 有 双 链 中 一 条 链 的 5 端 与 本 身 3 端 实现 了 共 价 结合 而 另 一 条 链 的 首 和 尾 仍然 分 开 的 ， 则 成 为 开 环 状 (CI 型 ) ， 若 两 条 链 全 部 首尾 结合 的 话 ， 则 成 为 闭环 状 ( I 型 )。 在 闭环 中 的 DNA， 就 能 出 现 超 螺 旋 结 构 ， 一 般 由 300 个 核 苷 酸 对 为 一 周 。 每 个 病毒 内 的 双 链 DNA 环 上 ， 约 有 15 一 20 周 超 螺旋 。 柱 状 的 双 链 DNA 也 可 以 缠绕 在 球 蛋白 上 ， 同 样 生 成 超 螺旋 结构 。 如 真 核 细胞 中 的 染色 质 结构 。 (图 1-40) 在 一 个 闭环 状 及 长 链 的 一 个 两 端 封闭 区 段 内 ,， 它 的 二 级 结构 螺旋 转 数 (B) 和 三 级 结构 超 螺旋 转 数 (Ct) 之 和 为 一 常数 ， 称 为 图 形 几 何 学 转 数 (a) ， 即 cc=r+B。 只 要 这 个 环 和 链 不 抒 开 多 不 产生 改变 旋转 情况 ， 则 w 始终 是 不 变 的 ， 但 是 B 却 可 能 因为 各 种 条 件 ， 如 温度 、 湿度 和 pH 等 而 改变 。 BSFN/M, NY DNA 链 上 总 的 核 苷 酸 对 数 ， 而 M 为 每 周 螺旋 内 的 46 图 1-39 前 后 碱 基 之 间 的 空间 关系 BMT. Hlm—+ DNA RRA 990 对 核 苷 酸 组 成 ， 开 始 具 有 B 型 结构 ， 则 每 周 含 10 对 核 苷 酸 ,- 此 环 应 有 990/10 = 99 周 螺旋 ;若是 变 成 ADAH, USAF 11 MAHAR, Wh HR 减少 成 90 周 螺 旋 (990/11); 若是 变 成 C 型 结构 ， 则 为 990/9.3=106.3 周 。 开 始 当 处 于 了 型 时 ,如 果 此 环 没有 超 螺 旋 结 构 , 则 T=0，… ita=B, Bla=99; 而 当 DNA 变 成 A 型 时 ， 因 ax 不 变 ， 而 B 则 变 成 90， 和 代入 ARa=7+B, BH: 99=t4+90, t=99 D -90=9， 即 表明 在 此 情况 下 ,增加 了 9 个 超 螺旋 ， 而 且 二 级 螺旋 和 三 级 螺旋 的 方向 相同 ， 都 为 右 旋 《用 正 数 表示 ) 而 当 DNA eR CBA, MW, t= 99- 106.3= -7.3， 即 表明 此 时 生成 了 7.3 周 的 超 螺 旋 , 但 是 旋转 方向 与 双 螺旋 相反 ， 为 专 转 螺旋 《〈 用 负数 表示 ) 。 ERR 内 部 因 双 螺旋 引起 的 超 螺 旋 结 构 ， 称 为 内 因 性 超 螺旋 ? 在 二 级 结构 不 变 的 情况 下 ， 除 非 打 开 和 重 封闭 环 状 结构 ， 是 不 能 改变 内 因 性 超 螺旋 数目 的 。 但 是 ， 如 - 果 用 外 力 使 闭环 生成 超 螺旋 ， 一 种 方法 是 将 环 的 片段 缠绕 在 球状 体 或 柱状 体 上 ， 另 一 种 方法 是 将 此 片段 绞 合 起 来 ， 这 样 生 藉 的 外 因 性 超 螺旋 ， 都 能 改变 双 - 螺旋 的 周 数 。( 图 1-41) Pi DNA 分 子 超 螺旋 的 产生 和 变化 ， 5 染色 体 的 结构 \DNA 的 复制 和 RNA 的 转录 等 都 有 重要 关系 ， 因 为 有 些 核酸 合 成 酶 分 子 只 能 与 具有 超 螺 旋 结 构 的 DNA RAVER. SRR E A Ae A BK ERE Te ES 而 成 ， 结 构 上 并 无 严格 的 对 称 性 和 周期 3 入 四 e mn ne — IN 3 (Ba i Pr \ J 《 1 216S J 》 SS Mf {ease} | , ene i 29S Pen gat ak. O-—€@ i oe : i Uy Nanos? (1) 16S 图 1-40 BRS I Me A. KKK, WRARRAR, B。 三 叶 草 状 ， 三 个 顶端 EH; C. CER; D。 单 链 环 状 ; 五 。 =RER, F. 74 HR (SMARRE), G. AMR, 再 DNAMHWA © AH, [BHHAR, ROR RAW, PKTRS HR) (53S) 5 RBH (29S), [ BHF RR, BER, WR MEM 18S 团 状 ， 而 非 环 状 单 链 成 16S 团 状 ， 重 型 为 直线 状 ， 变性 时 形成 两 个 16S 的 团 状 。 性 ， 表 面 看 来 似乎 无 序 ， 但 是 ， 绝 大 部 分 的 功能 蛋白 〈 包 括 所 有 的 酶 ) 都 具有 球状 构象 。 依 人 靠 完全 无 序 的 分 子 来 控制 严格 有 序 的 生命 过 程 是 不 可 思议 的 事 ; 实际 上 ， 在 生理 状态 中 的 功 能 球 蛋白 ， 其 多 肽 链 的 空间 走向 、 各 个 功能 基 团 的 分 布 配 列 、 每 个 组 成 原子 的 确切 位 置 ， 以 致 于 电子 的 存在 状态 等 ， 都 有 严格 的 规定 和 要 求 ， 否 则 不 能 执行 正常 的 生理 功能 。 因 而 是 无 序 中 见 有 序 ， 并 且 是 更 高 级 的 有 序 ， 这 种 所 谓 非 周期 性 的 有 序 结构 ， 比 之 处 于 “凝固 ?状态 中 的 周期 性 结构 晶体 来 ， 显 然 要 “活生生 ”得 多 。 一 个 球 蛋白 往往 是 各 种 二 级 结构 成 分 的 组 合 ， 同 一 多 肽 链 上 可 以 兼 有 a- 螺 旋 .B- 押 片 、 47 不 是 真正 “无 规 的 ”无 规 线 卷 和 各 俱 转 HH (8-H) 等 区 有 段 。 根 据 这 些 构象 的 组 合 情 况 ， 可 将 球 蛋白 分 成 王 列 四 种 类 型 : 1 pk ger DI a= ~ BA ey E » fA. 各 螺旋 区 段 之 间 有 无 规 线 圈 区 段 相连 接 ， 如 肌 红 蛋白 和 秒 红 蛋白 等 。 a BER (一 种 含 铁 - 将 吕 AZ DS ADA. 4 Me x A 1a-—-Joa+ 8 tA Re Baik 图 1-41 双 链 DNA 环 上 外 因 性 超 螺旋 与 双 螺旋 的 关系 链 为 “7 螺旋 及 及- 招 片 混合 的 二 级 结构 MS geek Rw eS Bo ee Ce Ey 1575S La 绕 而 成 ) WD RUT, Co AHR CMTE) 增加 V RA a/B ARR, BORK Be TRE, D. AME RMMIRI, Jv, tee «OR oe BART A» Ae TE Rs Te RARE FEM HEHEHE) 。 央 为 了 -结构 ,而 肽 链 头 尾 两 端的 gc- 结 构 包 合 在 B- 结 构 的 两 侧 ; 这 类 分 子 如 羧 肘 i. BRE HERA. £200 FS HT I 些 外， sinlidialieiitiilli in ,而 两 糖 磷酸 异 构 酶 有 《Ba)。 的 构象 。( 图 1-42) 生物 大 分 子 的 二 级 、 = 级 结构 主要 是 由 它 的 一 级 结构 决定 的 ， Aisa Sica aus SN 决定 后 ， 大 分 子 链 就 可 以 自发 地 盘 曲 成 特定 形状 。 维 持 特殊 构象 的 力 是 单 体 侧 链 基 团 之 间 的 相 下 作用 力 ， 各 多 肘 链 上 氨基 酸 基 团 之 间 和 核酸 的 碱 基 之 间 能 产生 氢 键 ,分别 使 它们 形成 ao- 螺旋 。B- 氮 片 结构 以 及 双 螺旋 结构 等 。 多 肽 链 上 两 个 半 胱 氨 酸 基 团 之 间 形 成 的 三 硫 桥 ， 对 蛋白 质 的 结构 特别 重要 , 如 果 用 某 些 还 原 剂 使 二 硫 桥 还 原 成 为 两 个 半 胱 氨 酸 的 斑 基 ; 蛋白 质 的 三 级 结构 就 被 破坏 ， 同 时 丧失 它 应 有 的 生物 学 活性 。 此 处， elena gh 象 也 有 一 定 作用 。 (A 1-43) 3.3。4 四 级 结构 “分子量 超过 50,000 的 球 蛋 白 ee ee Te 这 种 大 分 子 与 大 分 子 之 间 以 非 共 价 键 形 式 而 相互 结 合成 的 复合 物 ， 称 为 它 从 的 四 级 结构 。 和 蛋 白质 和 炉 酸 都 有 它 的 四 级 结构 。 例 如 ， 牛 肝 谷 氨 酸 脱 氨 酶 (分子量 2:2x102) 有 8 个 分 子 量 为 280,000 的 较 大 的 亚 基 ;这 些 亚 基 又 是 由 分 子 量 约 为 50,000 的 几 条 多 肽 组 成 ; 鞭 中 每 条 个 别 的 多 肽 链 被 称 为 原 体 。 一 个 赛 聚 体 蛋白 的 功能 性 单位 被 称 为 亚 基 。 血红 蛋 据 是 由 两 个 x+bB ERP Re EAA AE 8 He EPL MRD UN SRR 链 数 目 见 表 1-12. [ 其它 大 分 子 化 合 物 形成 的 复合 物 ， 在 生物 学 上 也 有 重要 意义 .同类 大 分 地， 如 淀粉 分 子 聚集 成 淀粉 粒 而 贮存 等 维 素 分 子 并 合 交错 而 组 成 细胞 壁 。 不 同 种 类 大 分 子 ， 如 蛋白 质 与 述 酸 形成 核 蛋 自 ， 包 括 核糖 核 蛋 自体 核 仁 、 染 色 体 及 病毒 等 多 糖 与 蛋 和 白质 形 成 糖 蛋 自 如 :; 血型 物质 , :组织 抗原 、 血 桨 抗体 和 眼球 水 晶体 等 。 WA RRA. Bis. hhc iin ging . 48 KISS RHA, WhbBa & After — 2 ee 凡 种 蛋白 质 的 空间 走向 ， (149 fk) ; (ce) R®-(99-fkK) 〈 斜 线 圆 球 表 示 ) 相连 。 8B30 Deed c oO. eo (d) ange 1-422 A REAM = Res (a) 红色 铁 氧化 还 原 蛋白 (54K), 《by HORAK RE (d) WGK: 左 为 21 肽 从 链 ， 右 为 30 肽 卫 链 ， 两 链 经 双 广 键 49 MV 50 B1-422B 球 蛋白 的 三 级 结构 模型 磷酸 甘油 醛 脱 气 酶 蛋白 分 子 内 的 构象 组 合 : (a) NAD 结 合 区 ， (b) PLA. MRR Q- 螺 旋 区 ， 平 箭头 状 表 示 B- 押 片 区 。 SS NE F CE 7 用 CH, CH, a CH SS a | “HC "vcH\ ® } 3 ( 0% “o® @ \ y ‘ 四 ‘ ‘1 NHs \. CH, / H ! 1 3 ot CH, (CB), weft 1-43 维持 二 、 三 级 结构 的 几 种 化 学 力 (a) 气 键 8 (b) 二 硫 键 8 《〈c) RFR, (d) KKB. 表 1-12” 和 名 种 蛋白 质 的 分 子 大 小 与 亚 基数 Oe ee Mt t. $+ 晶 _. ， 氢 基 RH 组 成 多 肽 链 数 胰 岛 素 55733 51 2 核糖 核酸 酶 12,640 124 1 s ws 13,930 | 129 1 肌 红 蛋白 16,890 153 1 : a- Re AE Aw 22,600 241 3 血红 蛋白 64,500 574 4 AGRA 71,000 4 ek th SRG 92,000 2 己 糖 磷酸 激酶 96,000» . ~800 EARS RB 117,000 975 4 小 鼠 神经 生长 因子 140,000 ie 4% 4~6 丙种 球 蛋白 (抗体 ) 149,000 一 1;250 a 四 和 人 ERE A 180,000 6 组 氨 酸 脱羧 酶 190,000 . 10 血浆 高 密度 脂 蛋白 210,000 4 植物 光敏 色素 252,000 6 BE AE » 480,000 ) 20 甲 种 眼球 晶体 蛋白 810,000 | " : (30) Bi IE BE 9% ZENS 1,600,000 at | 60 谷 氮 酸 脱 氢 酶 2,000,000 8 血 绿 蛋白 2,750,000 : 12 HF MKRR AB 5,500,000 re neem 肝 乙 酰 辅酶 A BOB 8,300,000 2 烟草 花 叶 病毒 40,000,000 2,130 有 些 蛋白 质 ， 由 于 组 成 的 亚 基 不 同 ， 所 起 的 生理 作用 也 不 同 。 例 如 ， 四 季 豆 种 子 中 有 一 种 蛋白 质 ， 称 为 植物 凝血 素 (PHA ， 它 由 四 个 亚 基 组 成 , 亚 基 分 成 工 及 R 两 种 。 由 于 及 及 EL 的 比例 和 不同， 就 产生 了 不 同 的 作用 。 如 图 1-44 中 ,A 型 分 子 有 较 强 的 凝血 球 作 用 ,但 无 促进 细胞 有 丝 分 裂 的 作用 了 B 型 分 子 则 相反 ， 能 促进 有 丝 分 裂 ， 然 而 不 引起 血球 凝集 ，C 及 D 型 分 子 主要 起 凝集 红细胞 的 作用 ， 忆 型 则 丧失 了 促进 细胞 有 丝 分 裂 的 作用 。 〈 图 1-44) A B C D E Ca R[L R|R R| R R[R L | L | boleh R|L R | R BRA A +++ - + 十 十 凝集 红细胞 + 一 +++ +++ +++ 3 2 4} 38 a + >; ‘ * 1-44 了 PHA 的 亚 基 组 成 与 生物 学 活性 51 BLE TERN, LOMAATLESELLEL?, APLERLEAATD BF CE. ARM) 的 作用 而 使 催 化 亚 基 的 构象 发 生变 化 〈 这 种 作用 称 变 构 作 用 2 于 是 催化 亚 基 就 出 现 或 消失 催化 活性 。 还 有 些 酶 的 亚 基 是 各 种 作用 相关 的 酶 分 子 , 它 们 分 工 合作 ， 共同 完成 某 几 个 连续 的 生化 反应 。 生物 大 分 子 还 可 以 进一步 结合 起 来 ， 形 成 更 高 级 层次 的 结构 ， 出 现 细 胞 内 各 种 细胞 器 。 它们 形成 纤维 状 结构 ， 使 生命 物质 表现 运动 性 ;形成 网 状 结构 ， 使 分 子 链 间 发 生 错综复杂 的 相互 联系 ， 因 而 细胞 内 外 的 物质 、 能 量 和 信息 可 以 互相 传递 。 第 四 节 蛋白质 的 结构 和 功能 物质 的 性 质 决定 于 物质 的 结构 ， 生 物 大 分 子 也 是 这 样 。 蛋 白质 是 功能 上 最 为 多 样 的 生物 大 分 子 ， 因 为 细胞 的 主要 生物 学 活动 ， 绝 大 多 数 是 通过 各 种 具有 特殊 功能 的 蛋 和 白质 分 子 的 作 用 而 表现 出 来 的 ， 即 使 是 核酸 分 子 所 贮存 和 传递 的 遗传 信息 ， 最 后 也 必须 反映 在 控制 某 种 特 殊 功 能 蛋白 质 分 子 的 制造 上 。 因 此 ， 研 究 蛋 白质 的 结构 与 功能 的 关系 ， 对 3 igi 理解 细胞 的 生命 活动 是 很 重要 的 。 下 面 选 择 几 种 了 解 得 比较 清楚 的 蛋白 质 作 为 典型 ， 分 析 它 们 的 结构 与 它们 亡 执 行 的 生理 机 能 之 间 ， 究 竟 有 什么 联系 。 4.1 RSE 胰岛 素 是 人 们 最 时 了解 它 结构 的 蛋白 质 , 它 是 由 A (21 肽 ) B 30K) 两 条 肽 链 所 组 成 的 分 子 量 较 小 的 蛋白 质 。 不 同 动物 的 胰岛 素 A 链 8 一 10 位 氨基 酸 组 分 虽 有 差别 ,但 其 生理 作 用 却 非常 相同 。 (〈 表 1-13) 表 1-13 不 同 动物 的 胰岛 素 A 链 中 和 氨基酸 组 分 的 差别 种 8 位 9 位 10 位 + w & Si 猪 苏 丝 RR - a # | 马 pee 甘 KR % 鲸 苏 & x ， 人 苏 | 毕 异 - 亮 : 狗 苏 丝 异 亮 锡 苏 丝 | RK B 链 氢 基 酸 排列 中 O~8, 11~12, 15~16, 18~19,23~26 的 十 四 个 氨基 酸 肯 定 不 会 轴 为 种 族 不同 而 发 生变 化 ， 其 余 氨 基 酸 则 可 更 改 ， 但 功能 仍然 相同 。B 链 变化 见 表 开 1 胰岛 素 分 子 中 含有 氨基 、 服 基 、 咪 唑 基 、 羧 基 、 酚 基 和 羟基 等 官能 团 及 三 个 硫 - 硫 键 。 A, 的 氨基 积 B: 的 股 基 对 胰岛 素 的 生物 学 功能 是 很 重要 的 。 三 个 硫 - 硫 键 在 维持 胰岛 素 的 特 52 表 1-14 不 同 动物 的 胰岛 素 了 B 链 所 尖酸 排列 顺序 i | 氨基 酸 顺 序号 ayer tee 大 员工 | 下 a0 se I aa | i ade aes : 11 so | 以 a ( 丙 ) A 2. eae |. | a am |W 了 NE | wt 丝 | Ca) | 4 #-NH2 精 | ° et aah wl © 3 : 2h | | ® 甘 | : Dr) Cy) 9 丝 | | 10 组 | 天 冬 -NH2 @ x | 人 gi his | os bg aR oF at 4 | 45 14 A | 苏 @ ts : 17 | 丝 | ®@ ia ® 7 el 20 “t Ta 21 谷 天 冬 天 冬 22 St | RE | | 四 甘 | | @ | | | | ae. | a | 27 苏 | | FRE | # | 天 冬 -NHs | 丝 23 一 一 ia. | | 29 bs) 蛋 | | | | 30 丙 丝 丝 | 天 冬 | 2 sae =: ABRFRAFEHASR, 0 表示 在 氨 凋 多 增加 一 个 氨基 酸 ;括号 表示 未 完全 肯定 的 氨基 酸 。 定 空间 结构 ， 从 而 保持 其 活性 方面 所 起 的 作 衣 ， 并 不 是 完全 相同 的 ; 保留 Ai Al 硫 - 硫 键 ， 而 使 Av、Ai 转 变 为 5- 磺 酸 的 A 链 ,只 有 1 一 2%% 的 胰岛 素 活 性 [图 1245(b)1 玉 二 B1 BiTR 53 键 裂 解 后 ,再 羧 甲 基 化 ; 仍 有 40% 的 活性 (cC)。A;、B; 的 >- 磺 酸 型 胰岛 素 有 15% BHC). 裂解 入 链 内 硫 - 硫 键 * 有 -10% 活性 (e)。A 链 的 20 元 环 内 加 入 两 个 氨基 酸 ， 会 使 胰岛 素 表 失 70% 的 活性 (f)。 Sr ee aes ss A 千 “一 上 一 上 -一 一 一 一 一 一 < S S : a SiCH2COOH 红 S + SSO; S+SSO; conden Be ee EY ee ee 二 -- (a) (100%) (b) (1-2%) (c) (40%) | 一 一 ET H.C CH2 = ea hae a Tt A " " 3 。 SSO3 > ? 8 Ss S + SSO; § | S S S S « (d) (15%) (e) (10%) (f) (30%) 图 1-45 ” 硫 - 硫 键 和 胰岛 素 活 性 的 关系 《百分数 为 保留 活性 比率 ) 4.2 细胞 色素 < 细胞 色素 c 是 细胞 内 氧化 还 原 反 应 中 重要 的 递 电 子 体 ， 是 由 104 个 氨基酸 残 基 组 成 的 单 链 。 分 析 了 各 种 生物 细胞 色素 c 的 一 级 结构 ， 发 现 其 中 有 35 个 氨基 酸 残 基 是 绝对 不 变 的 ， 而 且 种 间 氨 基 酸 残 基 差别 数 和 生物 的 系统 发 生 有 密切 关系 。 例 如 ， 人 和 猴子 之 间 只 有 一 个 残 基 的 差别 ， 兰 椎 动物 和 酵母 之 间 却 有 43 一 48 个 残 基 的 差别 。 然 而 ， 从 生理 功能 看 ， 不 同 种 的 细胞 色素 < 的 作用 却 仍 然 是 相同 的 。 ( 表 1-15 及 图 1-46) 表 1-15 细胞 色素 c 和 氨基 酸 组 成 与 进化 的 关系 Al 的 残 基数 系统 发 生 差距 时 间 〈 百 万 年 ) 人 一 猴子 ] 50 一 60 人 一 狗 10 70 一 75 一 到 12 70—75 : 人 一 鸡 13 280 人 一 金枪鱼 21 490 A-KRE 31 750 人 一 酵母 44 1180 4.3 肌 红 蛋白 为 一 条 由 153 个 氨基 酸 所 组 成 的 多 肽 链 ， 含 有 一 个 铁 中 啉 环 。 它 的 结构 研究 得 比较 清 楚 ， 是 一 个 缠绕 得 很 紧 次 的 球 蛋白 ， 体 积 为 : 45x35x25A ， 分 子 内 部 几乎 没有 空隙 ;多 肽 链 上 大 约 有 75% 的 部 位 成 x- 螺 旋 结 构 ， 主 要 分 成 8 个 螺旋 区 ， 用 A、B、C、D、 正 、F、G 和 互 来 表示 ， 而 每 个 螺旋 区 中 的 氨基 酸 则 顺 次 以 A,，A:，As 及 * 或 于 等 来 表示 ， 在 两 个 螺旋 区 之 间 存 在 非 螺 旋 区 ， 则 标 以 AB、BC、CD、DE、EF、FG 和 GH 等 7 个 区 段 ， 54 ‘ # Ht ee Pee 2 Shika Noe GRNAK) ACh CR HC 区 ) MARR EK 5) BRR K PHRMA EA 1 十 Gily R § 1-46 细胞 色素 中 不 变 的 氨基 酸 残 基 酸 残 基 ， 此 外 则 受 苏 氨 酸 残 基 的 羟基 和 丝氨酸 残 基 的 产 基 所 影 响 。 分 子 的 内 部 主要 是 非 极 性 基 团 ， 包 括 亮 、 绩 、 蛋 和 葵 丙 等 氨 BRE, RAR. KERAGK. MANSABR, KH. BA 色 氨 酸 等 的 非 极 性 部 分 面向 内 部 而 极 性 部 分 则 朝 外 ， 最 终 只 留 两 个 组 氨 酸 的 极 性 基 团 一 一 咪唑 环 在 分 子 的 内 部 ;分子 的 外 表面 上 ， 则 极 性 与 非 极 性 基 团 此 有 。 (图 1-47) 血红 素 处 在 分 子 内 部 的 非 极 性 环境 中 ， 这 对 保证 铁 原 子 可 逆 性 地 结合 氧 分 子 是 重要 的 ， 否 则 ， 水 分 子 将 进入 内 部 ， 而 把 铁 原 子 不 可 逆 地 氧化 ， 就 会 丧失 输 氧 能 力 。 与 血红 素 接触 的 氨基 酸 为 C,>H,, (AMS 39-138), MAKE OHAAVWE 离 F (Fe**) ， 它 可 以 形成 6 PAR, Hs Poppe 图 1-47 肌 红 蛋白 分 子 的 构象 A. 三 级 结构 B. 螺旋 区 顺序 。 CA, B, Cc. Dy Ey Fy G, H&ma-weK, NA, AB, BC, CD,. DE, EF, FG, GH, HC RATER WER. ) KREAA, MRP H5 和 第 6 RUREBAT PRAT Ls 当 铁 原子 没有 与 氧 结合 时 ， Fe 与 Ps 的 组 氨 酸 配 位 于 第 5 位 上 ， 这 个 与 Fe 在 第 5 位 上 络 合 的 下 。 组 氨 酸 , 称 为 近 连 组 氨 酸 ， 而 面 对 着 Fe 的 第 6 MEM BMWE, 组 氨 酸 实际 上 并 未 真正 与 Fe 络 合 ， 但 它 亦 有 助 于 Fe SAMBA , 故 称 为 远 连 组 氨 酸 ， 氧 与 Fe 的 络 合 就 在 第 6 位 上 。 由 于 氧 和 铁 并 非 共 价 结合 ， 而 为 络 合 ,所 以 称 为 氧 合 :在 氧 合 过 程 中 ， 铁 并 不 变价 ， 始 终 是 下 e… 状态 。 氧 合作 用 有 很 大 WME, 故而 加 红 素 能 反复 进行 脱氧 和 氧 合 反应 。 (AH 1-48 及 表 1-16) 图 1-48 “ 肌 红 蛋白 氧 合 部 位 模式 图 A. MEM, B。 球 - 棒 模 型 。 表 1-16. 肌 红 有 蛋白 的 三 种 存在 状态 EERE | 铁 原 子 的 价 数 第 5 配 位 键 第 6 配 位 键 BANE +2 Fe AAR “3s 氧 合 肌 红 和 蛋白 +2 Fs ARR O2 RENAEA + 3 Fs AAR »H20 PRA MAK, NAEMABSARATEBWENE, BEAERCE BORNE, RAC 的 血红 素 ， 蛋 白质 容 易 变 性 。 (图 1-49) A。 除 去 血红 素 ， 加 尿素 ， 蛋 白质 变性 解 旋 B. RERK, ZARBAAR, C。 加 血红 素 ， 蛋 白质 “复活 ? 。 1-49 血红 素 与 肌 红 蛋白 结构 的 关系 56 44 血红 蛋白 的 结构 血红 蛋白 是 一 个 直径 为 55A 的 球 蛋白 ， 由 四 条 肽 链 组 成 ， 含 有 4 个 血红 素 , 因此 也 就 有 4 个 氧 合 位 。 在 4 条 肽 链 中 两 条 为 OR. AH 141 个 氨基 酸 残 基 组 成 凡 BAA BEE, 各 由 146 个 氨基 酸 残 基 所 组 成 。a 链 与 8 链 间 ,虽然 它们 的 三 级 结构 十 分 相似 ,但 是 一 级 结构 却 差 别 很 A; 在 wa 链 与 8 链 之 间 的 接触 及 结合 部 位 较 多 ,关系 密切 ,所 以 形成 一 个 a-B WHE, 而 在 两 个 a 链 以 及 两 个 B 链 之 间 , 则 关系 较 松 弛 。 尽 管 分 子 中 的 4 条 肽 链 都 是 功能 章 位 ,但 血红 蛋白 仍 然 被 认为 由 两 个 a-B 亚 基 所 组 成 。 将 肌 红 蛋白 、 血 红 蛋 白 的 wx 链 及 月 链 这 三 种 多 肽 链 相 比较 ,在 141 个 氨基 酸 残 基 中 ， 只 有 24 个 相同 的 氨基 酸 、 证 明了 即使 所 用 的 材料 是 不 同 的 ， 但 是 达到 的 生物 学 效果 却 是 一 致 的 。 根 据 20 多 种 不 同 结构 的 血红 蛋白 的 分 析 , 了 解 到 其 中 有 9 个 氨基 酸 残 基 对 分 子 的 生理 作 用 是 必须 的 ， 是 不 能 置换 的 。 (〈 表 1-17) Ri-17 - 血红 蛋白 分 子 中 功能 必需 的 氨基 酸 残 共 wk BEE AY KI RR 生 理 作 用 Fs 48 近 连 血红 素 的 铁 原子 ， 控 制 氧 合作 用 Ey 组 氨 酸 远 连 面 红 素 的 铁 原子 ， 辅 助 氧 合 作用 CD: HAAR iE MK Fe 亮 氮 酸 HE mee Be | # Am 使 B 区 与 E RRR, Sha THR Ce Be POM, MF Ah, BN TR HC2 LR HES FRAEE, RHREWRMEE Ce HAR x 定 Hio BAM x # 此 外 ， 分 子 内 部 的 非 极 性 基 团 可 以 有 所 变更 ， 但 总 是 要 求 非 极 性 的 ， 如 由 丙 氨 酸 换 成 异 亮 氨 酸 则 无 碍 它 的 作用 。 分 子 表面 的 变化 较 大 ， 一 般 不 影响 活性 ， 但 血红 蛋白 S 除外 。 4.5 ”血红 蛋白 的 作用 血红 蛋白 的 生理 作用 ,在 运输 氧 分 子 这 方面 是 与 肌 红 蛋白 相同 的 ,但 是 存在 着 下 列 差别 ， 血红 蛋白 除了 输 氧 外 ， 同 时 还 能 输送 CO. 及 H*+; 血红 蛋 自 的 氧 合 能 力 比 肌 红 蛋白 低 ， 而 且 受 环境 中 的 了、CO， 及 有 机 磷 化 合 物 “〈 如 二 磷酸 甘油 酸 ) 的 影响 血红 蛋白 与 氧 的 结合 (分 解 ) 曲线 为 3 形 ， 证 明 分 子 各 亚 基 间 有 互相 促进 的 作用 ,而 肌 红 蛋白 则 为 执 物 线形 。( 图 1-50) 由 于 血红 蛋白 亚 基 间 有 协同 氧 合 的 作用 ， 才 使 它 成 为 更 有 效 的 运 氧 分 子 。 因 为 在 不 同 的 外 界 氧 分 压条 件 下 ， 血 红 蛋 白 的 氧 合力 也 随 之 而 改变 。 若 设 动物 肺 部 的 氧 分 压 为 100 和 据 ， 而 组 织 中 毛细 血管 内 为 20 据 ， 血 液 中 血红 蛋白 半 饱 和 氧 合 时 的 氧 分 压 为 26 所 , 则 当红 细胞 在 肺 泡 中 时 ， 血 红 蛋 白 的 氧 合 饱 和 度 可 达 0.97， 而 流 至 组 织 细 胞 处 则 降 为 0.25,， 说 明 血 红 蛋 所 57 把 它 所 带 氧 的 (0.97 -0.25) X100% =72% 供 应 给 内 部 细胞 了 。 如 果 象 肌 红 蛋 白 那 样 , 它 在 1 毛 时 已 经 达到 氧 合 的 半 饱 和 程度 ， 在 肺 内 它 只 能 达到 0.77 的 饱和 度 ， 而 到 毛细 血管 时 仍然 保持 0.41， 则 它 能 运送 给 内 部 细胞 的 氧 只 有 (0.77- 0.41) x 100% =36% ， 这 个 数量 不 过 是 和 剑 红 蛋白 的 一 半 ， 故 而 血红 蛋白 的 这 种 特性 有 利于 它 提高 输 氧 效率 。 血红 蛋白 ASE ARERR) 4 60 8 1 p02 | Emmi) 《肺动脉 氧 分 压 》 图 1-50 ; 递 氧 蛋 白 的 氧 合 能 力 与 氧 分 压 的 关系 A。 肌 红 蛋 白 与 血红 蛋白 的 氧 合 能 力 比较 ; B。 运 动 肌肉 毛细 血管 内 与 肺泡 肉 血 红 蛋白 的 氧 亿 和 程度 比较 。 在 代谢 活跃 的 细胞 中 ，CO。 和 互 * 浓 度 升 高 ， 这 时 能 促使 血红 蛋白 释放 氧气 ， 而 在 肺 部 高 浓度 O，* 的 条 件 下 ， 则 促使 血红 蛋白 释放 CO; 。 在 红细胞 内 血红 蛋白 比 游离 血红 蛋白 的 氧 合力 低 ， 而 在 红细胞 内 发 现 有 与 血红 蛋白 等 当 量 的 二 磷酸 甘油 酸 (CPG) ， 如 将 血球 中 的 DPG 除 去 ， 则 血红 蛋白 的 氧 合 能 力 就 与 肌 红 蛋 Atel, DPG 只 能 与 脱氧 血红 蛋白 而 不 能 与 氧 合 血红 蛋白 相 结合 ， 表 明 DPG 与 9。 互相 有 排斥 作用 。 Hb-DPG + 402 === Hb(O2)4+ 了 PG 当 血 库 中 的 血液 虽然 处 在 良好 的 贮藏 条 件 下 ， 但 是 在 10 天 内 ，DPG 的 含量 由 .4.5->0.5 毫克 分 子 ， 因 而 使 血红 蛋白 的 半 饱 和 和 氧 分 压 由 26 -> 16 和 据 ， 红 细胞 的 氧 合力 增高 而 输 氧 能 力 就 降低 。 输 入 人 体 后 ， 这 种 红细胞 要 在 24 小 时 之 后 才能 恢复 它 原来 一 半 浓 度 的 DEFG， 事 实 上 耽误 了 对 病 大 的 抢救 。 在 贮存 的 血浆 中 外 加 ;iDPG 是 无 用 的 ， 因 为 它 不 能 进入 细胞 ;， 只 有 外 加 肌 苷 酸 ， 它 能 渗 六 红细胞 ,并 在 细胞 内 转化 成 DEFGy 故 能 保持 红细胞 的 输 氧 能 力 。 肺 气 肿 等 缺 氧 病人 ,由 于 呼吸 受阻 ,动脉 血 内 氧 分 压 降 至 50 毛 , 生物 体 的 代 偿 机 能 促使 红细胞 中 的 DPG 由 :4.5-8mM， 于 是 ， 血 液 的 氧 半 饱 和 分 压 达 31 据 ， 则 动脉 血 中 氧 饱 和 度 为 0.82， 而 静脉 血 为 0.49， 故 输送 的 氧气 能 有 33%， 若 红细胞 的 氧 合力 保持 原状 不 变 ， 则 只 能 输 氧 26%[(0.86= 0.60)x100% = 26%), 人 初 到 高 原 时 ， 在 一 天 之 内 ， 红细胞 中 的 DPG 含量 即 增加 ， 同时 降低 血红 蛋白 的 氧 合 A; 反之 ， 由 高 原 到 平原 时 ，6 小 时 后 血 内 DPG 含量 可 降低 一 半 。 胎 净 的 冻 红 蛋白 共有 较 高 的 氧 合 力 ， 这 是 因为 他 的 血红 蛋白 为 上 型 Cry.) ， 这 种 分 子 58 aoc ee ~ «Re DPG 的 能 力 较 弱 。 血红 蛋白 除了 运输 氧 之 外 ， 还 担负 着 输送 大 部 分 “60%) 二 氧化 碳 的 任务 。 主 要 依靠 有 氧 分 子 ， 它 的 结合 能 力 为 0.4 摩尔 CO:/ 摩 尔 血 红 素 ; 而 氧 合 分 子 仅 0 15 摩尔 CO:/ 摩 尔 血 红 素 。CO: 被 结合 在 分 子 氨 端 的 氨基 上 而 进行 运输 : R-NH2+COz2 =— R-NHCOO- + H* 而 H* 则 直 8 链 的 第 146 位 组 氨 酸 残 基 咪 唑 环 押 传递 ， R-NH2+H* = 一 R-NH9” 4.6 血红 蛋白 的 作用 机 制 这 个 蛋白 质 分 子 内 ，4 条 多 肽 链 之 间 的 相互 作用 ,影响 它 的 作用 特性 。 因 为 如 果 单 纯 的 a4 或 8.， 它 们 的 氧 合 能 力 都 和 肌 红 蛋白 相似 ， 而 只 有 在 az:B:[(a.B):] 的 状态 下 ， 才 产生 与 肌 红 蛋白 不 同 的 特性 。 在 分 子 的 x 链 与 B 链 间 有 两 种 接触 区 ， 例 如 ay 链 有 与 B, 链 的 接触 区 «181, URS B. BH 接触 区 apB: 。 当 分 子 由 氧 合 一 脱氧 时 ，aipBi Rk 内 两 肽 链 间 的 关系 改变 较 小 ,只 是 有 :旋转 4” (对 Qi 而 言 )， 肽 链 中 的 原子 约 移 位 1A; 然而 aiB， 区 内 两 肽 链 间 的 关系 改变 较 大 ,有 :旋转 13.5"( 对 ai 而 言 ) ， 其 中 各 原子 的 位 移 达 5.7A 。 看 来 ， HFoiB, 区 比 a:Bbi, 区 的 面积 小 , 而 且 又 比较 平 滑 , 所 以 使 两 亚 基 之 间 容 易 相 对 滑动 。 由 于 ap。 区 紧 靠 血红 素 ， 它 们 的 位 置 变化 必然 会 棕 涉 血红 素 的 存在 状态 。 因 此 ， 大 多 数 血 红 蛋 白 的 变异 并 一 不 改变 本 区 域内 的 氢 基 酸 成 分 ， 而 如 果 aiB: 区 榴 的 氨基 酸 残 基 发 生 突变 ， 就 会 明显 改变 血红 蛋 所 的 输 氧 能 力 。 (图 1-51) 血红 蛋白 分 子 中 的 4 条 肽 链 间 虽然 并 无 共 价 键 结合 ， 但 在 脱氧 状态 时 ， 依 靠 基 团 间 静电 力 的 EARS, BRS 8 Ssh: RMMEAAM, 于 亚 基 闻 的 相对 位 移 ， 盐 桥 被 打 断 ， 羧 端 就 成 为 游离 状态 ， 能 够 自由 转动 。, (图 1-52) 分 子 结构 的 这 种 变化 ， 完 全 是 由 于 氧 和 血红 iid . 素 中 的 铁 原 子 相 结合 而 引起 的 。 因 为 在 脱氧 状态 图 1-51 MARAT TAKE CAME XA ere TREE 0.88 KREBS RE Te emma, C. KOH oibs RUD 由 于 Fe** AYP BA ab OR HO SS ARR EK, 化 较 大 ，D。a 链 C-6 MAM SP ARMS MMs, 所 以 挤 不 进去 ， 但 是 当 Fe2+ 与 O, 结 合 后 ，Fe2+ Es RAMs He RIF RHC-3 AAR RTM, F。HC-2 酷 氨 酸 脱 氧 时 在 “ 口 级 ”中 ， 而 氧 合 时 则 的 体积 缩小 ， 就 能 进入 中 央 空 腔 内 同时， Fe:+ “排出 /1G; 氧 侣 时 alpy MMR. 59 ee 把 与 它 5 位 络 合 的 FE。 组 氨 酸 残 基 也 拉 离 原来 的 位 置 。 A Val 1, Arg 141a, SS NSNNS NS W Ws a 8, HERE TA B : Asp His s NH3 94 1467500 82 _ LArg Asp Lys vi Lys Asp Arg | NNT 40 126 Teo, 22 oa As coo*<— - : NH3* By 1-52 泪 红 和 蛋白 各 亚 基 间 的 关系 (图 1-53) 由 于 下 。 组 氨 酸 位 置 的 微小 变 动 ， 引 起 了 上 述 整 个 多 姑 链 的 一 系列 变形 。 二 磷酸 甘油 酸 之 所 以 能 够 降低 炸 红 和 蛋白 的 氧 合 能 力 ” 是 因为 它 能 加 强 亚 基 间 的 联系 。DPFSG 处 于 4 条 多 MK 链 对 称 中 心 的 空 腔 内 ，- 由 于 它 的 强 负 电 性 而 与 邻近 的 所 有 带 正 电 性 基 团 相 吸引 ， 这 些 基 团 包 括 两 条 了 链 的 氨 端 氨基 、EF 6 Bt 总 82) 及 开工 组 (总 143) 等 氨基 酸 侧 链 。 由 于 DPG 加 强 了 分 子 内 部 的 联系 ,使 它 不 容易 变形 ， 造成 了 对 氧 合作 用 的 附加 阻力 ， 所 以 降低 了 血红 蛋白 的 氧 合力 。 在 氧 合 时 ， 因 为 血红 蛋白 体积 紧 缩 ,分 子 中 央 空 腔 已 经 容纳 不 下 DPG 了 ， 而 且 由 于 所 端的 氨基 发 生 位 移 而 不 再 与 它 相连 ， 所 以 DPG 就 被 排出 EAT. ct Ae —— _—— A, 4 BK (01910032) 之 间 的 相对 位 置 ，Val yaa ah 2 | E 4 日 酸 ，Arg AHMAR, HAMAR, B。4 条 多 肽 链 之 间 形 成 的 盐 wih 20.2 条 肽 链 之 间 的 协同 作 桥 ， AspHRLAM, His AAR, Lys weam. cng PAROLE: 当 其 中 一条 肽 链 因 氧 合 而 WE, RI th HF 变形 时 ， 能 使 其 它 亚 基 更 容易 变形 而 进行 氧 合 。 例 如 当 一 分 子 氧 与 血红 蛋 白 的 第 一 个 肽 链 《如 xi) 结合 而 使 之 变形 后 ,ai TUB, BB, AmB, 容易 进行 氧 合 ; 氧 合 后 的 o RB, 同时 引起 了 ax RP. MRM, MET o. 及 B， 的 氧 合 过 程 。 这 就 是 血红 蛋白 为 什么 在 低 氧 浓度 时 氧 合力 弱 而 高 氧 浓 度 时 氧 合力 强 的 分 子 基础 。 (图 1-54) 1-53 血红 素 内 铁 原 子 位 置 的 变化 A. BARRA; B。 氧 合 状态 时 。 4.7 分 子 病 发 现 有 的 贫血 病人 具有 镰 刃 状 的 红细胞 ， 原 因 是 他 们 红细胞 中 的 异常 血红 蛋白 在 脱氧 时 60 TOSS, Soy | ee a Ve “a TK TERE CM IE FAY 1/25), Ab RARE | SS c | S \ oH 8 | - @) \ ey + \ ee 要 \S C2 oo] 、 国 江 N 江上 加 ea) W - | + BN WT 图 1-54 血红 和 蛋 自 亚 基 间 的 协同 作用 A。 第 一 不 亚 基 (a1) RETR, 了 B。 氧 合 亚 基 al 引起 第 二 个 亚 基 (B1) 的 变 构 ; C。B1 迅速 氧 合 ; D. ai, Bi Sl a2, Bo 的 变 构 ; E. a2b2 迅速 氧 合 。 (HR a WHE, HH Bw, 圆 形 示 非 活性 构象 ， 方 形 示 活性 构象 ; 黑 点 为 氧 分 子 .J) 下 “经 过 分 析 : 实际 止 这 种 病人 的 血红 蛋白 与 正常 相 比 ， 只 有 一 个 氨基 酸 残 基 的 差别 ， 即 血红 蛋 白 的 有 链 第 6 位 谷 氨 酸 被 顷 氨 酸 所 置换 了 。 由 于 原来 的 谷 氨 酸 是 AAR RENE A, MARR 则 明显 是 非 极 性 的 ， 所 以 大 大 改 变 了 分 子 表面 的 结构 。 这 种 异常 分 子 称 为 血红 蛋白 S GERRI RHR) ， 它 表面 上 有 一 种 烙 性 斑 结 构 ， 无 论 在 氧 合 时 还 是 脱 氧 时 都 存在 。 在 脱氧 状态 时 ， 血 ALAS 出 现 了 与 粘性 斑 相 结合 的 部 位 ， 使 蛋白 分 子 间 互 相聚 集 成 束 。 这 个 结合 部 位 在 氧 合 时 被 多 肽 链 的 其 余部 分 所 掩盖 而 不 起 作用 ， 只 有 当 血 液 缺 氧 时 ， 脱 氧 纤维 ( 微 管 ) 状 沉淀 ， 引 起 了 红细胞 的 收缩 ?有些 病人 的 红 细胞 中 ， 既 有 正常 的 也 有 这 类 异常 的 血红 蛋白 ， 他 们 只 要 不 “去 高 原 地 带 或 缺 氧 环境 ， 是 不 会 出 现 症 状 的 ， 因 为 在 正常 大 气 条 件 下 ， 血 中 脱氧 血红 蛋白 浓度 不 会 太 高 ;但 是 有 的 病人 只 有 一 种 这 样 的 异常 血红 蛋白 ， 则 他 们 容易 出 现 症状 ， 即 形 成 了 镰刀 状 的 红细胞 ， 经 常 使 血管 堵塞 ， 造 成 组 织 坏死 ; 同 时 变形 红细胞 还 易 受 机 械 损伤 而 破坏 ， 产 生 溶 血 现象 ， 患 者 多 数 活 不 到 成 年 。 (图 1-55) A 图 1-55 WERE ar A 5 RD AR en A. 正常 红细胞 ; B。 镰 刀 状 红细胞 。 全 全 全 全 全 全 会 PAPA PPR ERTS TIE SS ee ey aaa path sae Ae oer eat Ded + 50k 图 1-56 血红 蛋白 S 的 结构 变化 A 示 各 种 血红 蛋白 的 结构 比较 : Al 示 正 常 氧 合 血红 蛋白 没有 粘性 班 ; A 2 示 正 常 脱氧 血红 蛋白 A， 具 有 结合 位 ; A 3 示 异 常 氧 合 血 红 蛋 白 S， 具 AMEE; A 4 示 异 常 脱氧 血红 蛋白 S， 具 有 粘性 班 和 出 现 结合 位 。 B。 脱 氧 血 红 蛋 白 S 聚集 成 纤维 状 结构 。 C. 由 6 条 血红 蛋白 S 纤维 绰 绕 成 长 管状 结构 。 - D。C 的 横 切 面 。 61 血红 蛋白 S 浓 度 增 高 ， 才 出 现 结合 位 而 引起 凝聚 反应 。 有 时 ， 某 些 毛细 血管 处 会 暂时 发 生 局 部 鲜 氧 状 态 ,， 此 时 就 能 引起 红细胞 镰 状 化 ， 由 于 链 刀 状 红细胞 输 氧 力 弱 而 进一步 促使 更 多 的 MARR IC. TERT EH. (图 1-56) 由 血红 蛋白 S 引起 的 变化 ,说 明了 分 子 内 的 微细 改变 ， 就 能 引起 很 大 的 宏观 变化 ， HbA 基因 突变 初级 生化 变化 不 正常 珠 蛋白 + 血红 素 异常 血红 蛋白 〈HbsS) < ~-~---------------------=-----~--~-==--===------------- nn nnn a nee ne een cen ene nee RRR me we 7 AR AL =| ' i 红细胞 容易 破 红细胞 聚 成田， 堵塞 2 “beim 2, ii RG 血管 ， 妨 碍 血液 循环 BE 人 | ae ns a ' 次 级 生理 效应 贫血 缺 氧 供应 wait > + Bw Rh ww Bw ® 度 活动 扩 | ag UN Ae Oh) MS aes: Ween 5 Zoe ee, ana YF. er ee j i SR i a 精 体 心 9 = eee eee 发 神 质 力 i : EMER 育 发 # j 异 育 is 党 受 查 这 种 分 巴 病 在 非洲 某 些 地 区 的 发 生 率 可 达 全 人 口 的 40% 。 自然 选择 之 所 以 能 够 保留 这 种 遗传 性 ， 其 原因 是 : 虽然 纯粹 只 含有 血红 蛋白 > 的 病人 是 致命 的 ,但 是 兼 有 两 种 血红 蛋白 ( 即 AS) 的 人 却 对 当地 流行 的 恶性 闪 疾 有 抗 性 ， 并 原 虫 不 易 在 有 3 型 血红 蛋白 的 红细胞 中 繁 殖 ， 而 缺乏 血红 蛋白 > 的 人 却 常 因 患 恶性 并 疾 而 丧生 ， 因 此 ， 在 那些 地 区 ， 带 有 部 分 血红 蛋 AS 反倒 是 有 益处 的 。 现在 已 经 发 现 了 人 类 有 286 种 结构 异常 的 血红 蛋白 ， 并 且 还 在 不 断 报道 新 的 类 型 。 〈 表 1-18) 血红 蛋白 一 级 结构 异常 ， 除 了 表 1-18 所 示 的 单个 氨基 酸 置换 情况 之 外 ,近年 来 还 发 现 了 双 氨 基 酸 置换 、 氨 基 酸 缺失 、 氮 基 酸 增多 而 延长 多 肽 链 等 情况 的 异常 血红 蛋白 。 例 如 ，HbC 哈 伦 与 HbA 的 区 别 在 于 HbA 的 有 链 N 端 第 6 位 的 谷 氨 酸 被 顷 氨 酸 置换 ， 以 及 第 ,73 位 的 天 冬 酰 胺 为 天 冬 氨 酸 所 置换 ， 第 6 位 的 置换 情况 与 了 bs 同 ， 这 种 红细胞 也 能 发 生 镰 变 。Hb 康 斯 但 特 泉 是 一 种 多 肽 链 延 长 的 血红 蛋白 ， 由 一 个 31 肽 接 在 HbA ac 链 的 C 端 上 而 形成 的 ， 因 Ue, oo Ber 172 个 氨基 酸 组 成 。 我 国 广西 壮族 中 也 有 Hb 康 斯 但 特 泉 病变 。Hb eS My tk 失 了 有 昌 链 第 6 (7) 位 处 的 谷 氨 酸 。Hb 庚 海 尔 是 有 链 第 91~97 USAMA TATA, Fl 起 及 链 上 血红 素 的 脱落 。 血红 蛋白 异常 并 不 都 会 影响 其 正常 生理 功能 。 异常 血红 蛋白 钦 病 还 可 以 发 生 于 下 列 几 种 情况 :; 第 一 ,与 血红 素 有 接触 的 残 基 发 生 置换 ， 可 造成 血红 蛋白 结构 不 稳定 ， 在 红细胞 中 形成 沉 演 ， 甚 至 丧失 各 红 素 ， 即 使 是 发 生 在 非 极 性 氨基 酸 之 间 ， 由 于 分 子 大 小 略 有 不 同 ， 也 能 影响 血红 蛋白 稳定 性 ， 从 而 引起 某 种 溶血 性 贫 血 。 如 HbM 萨 斯 卡通 中 酷 氨 酸 取代 了 组 氨 酸 ， 血 红 素 被 固定 在 高 铁 状态 ， 不 能 运载 O:。 62 #e 1-18 sic aba bi alte shat 一 -一 一 一 一 一 一- 一 一 一 一 一 一 一 一 -一 一 一 一 | 一 -一 -一 一 一 一 一 一 -一 一 一 一 - -一 R fe HbA 中 的 不 正常 Hb 基 Hb 有 中 的 | 不 正常 Hb Bes FER tia | AE CEM) | 中 的 残 基 ER FRB 16 Mak 2 Cc 谷 | e | Gm@em .| 小 ， 6 S 谷 | 4 G 新 加 坡 3 从 of # 7 | GENE 4 甘 Ge 26 £ 谷 加 57 诺 福 克 甘 天 冬 63 M 萨 斯 卡通 | 58 波士顿 组 B MEF Fl 68 GAY 3 63 KR 组 精 SEE 2 | e 67 M 密 耳 瓦 基 i 谷 116 Ome . 全 赖 121 D Fit 3 从 it HbM HH Rah, BREN 端 第 67 位 的 中 性 氨基 酸 GD 为 带 负 电 的 谷 氨 酸 所 代替 ， 由 于 B63 AM RTE n- 螺 旋 上 药 转 了 一 圈 ， 谷 氨 酸 的 羧基 与 血红 素 Fez+ 形成 盐 桥 , 将 一 个 配 位 组 - 氨 酸 挤 出 络 合 物 。 第 一 ,血红 蛋白 多 肽 链接 触 区 残 基 发 生 了 置换 ， 如 发 生 于 «18. 接触 区 ， 可 影响 整个 分 子 对 氧 的 亲和力 以 及 血红 素 之 间 的 相互 作用 ， 由 于 与 氧 亲和力 增高 ， 对 于 在 组 织 中 氧 的 释放 不 利 ， 常 代 偿 性 地 出 现 红细胞 增多 症 。 第 三 ， 分 子 内 部 与 结构 或 功能 有 重要 关 系 的 部 位 发 生 置换 ， 有 的 能 引起 溶血 性 贫血 ， 有 的 能 引起 红细胞 增多 症 。 … .第 五 节 ”研究 细胞 成 分 的 方法 研究 细胞 成 分 常 需 先进 行 分 离 、 提 纯 ， 再 进行 分 析 和 测定 。 5.1 分 离 和 提纯 各 种 细胞 成 分 的 方法 、 ‘malt a 主要 根据 各 种 物质 分 子 的 体积 大 小 、 在 某 种 特定 溶剂 中 溶解 的 难 易 、 分 子 所 带电 荷 的 性 质 《 正 或 负 ) 及 强 弱 、 分 子 与 菜 种 特定 吸附 剂 的 素 和 程度 等 差别 ， 把 各 种 混合 在 一 起 的 物质 进行 分 离 和 提纯 。 (图 1-57) 5. 工 .1 利用 溶解 度 进行 分 离 和 提纯 “常用 盐 类 或 有 机 溶剂 分 离 或 提纯 细胞 组 分 。 用 盐 类 沉淀 细胞 组 分 被 称 为 盐 析 , 有 机 溶剂 提取 细胞 组 分 通常 有 沉淀 、 萃 取 和 分 配 层 析 等 方式 。 5.1 .11 ahi: 加 入 硫酸 铵 、 硫 酸 铜 、 氧 化 钠 等 盐 类 ， 使 成 一 定 浓度 的 盐 溶 液 。 由 于 正 、 负 离子 对 水 偶 极 子 的 静电 引力 ,生物 分 子 失去 周围 的 水 分 子 而 沉淀 。 改 变 盐 溶液 浓度 尚 可 ARPA Are Wy HL I ER Se SPE NEAT LYE. Sele 1-2 有 机 溶剂 沉淀 法 ;乙醇 和 丙酮 等 有 机 溶剂 分 子 有 二 一 定 极 性 ， 对 水 分 子 可 形成 气 键 而 相互 吸引 ， 因此; 大 量 有 机 深 剂 加 入 后 能 使 生物 分 子 脱水 沉淀。 Sele LoS 萃取 法 。 利 用 各 种 组 分 在 不 相 混 溶 的 两 种 溶剂 中 溶解 度 《其 比值 称 为 分 配 系 数 ) 不 同 而 进行 分 离 。 例 如 ， 烃 基 较 大 的 氨基 酸 在 水 中 溶解 度 较 小 而 在 有 机 洲 剂 中 洲 解 度 较 63 大 ， 相 反 ， 烃 基 较 小 的 氨基 酸 在 水 中 溶解 度 较 大 而 在 有 机 溶剂 中 溶解 度 较 小 ， 加 入 有 机 溶剂 就 可 使 这 两 类 氨基 酸 分 离 。 为 了 提高 分 离 效果 ， 常 重复 多 次 某 取 。 此 方法 被 称 为 逆流 分 配 法 。 近 来 又 发 展 了 应 用 一 种 水 溶性 非 离子 型 多 聚 体 提纯 酶 的 方法 ,如 用 聚 乙烯 乙 二 醇 企 EC) 从 水 溶液 中 提取 肾上腺 的 葡萄 糖 -6- 磷 酸 脱氧 酶 。 1-57 各 种 分 离 提纯 方法 原理 的 比较 A。 沉 淀 法 ， 中 心 有 点 圆 为 可 溶 分子 ， 白 圆 为 不 溶 分 子 。 召 。 吸 附 法 :“ 余 线 示 吸 附 剂 ， 票 点 为 可 吸 附 分 子 ， 和 白 圆 为 不 吸附 分 子 。C。 萃 取 法 : 黑 点 为 亲 脂 分 子 ， 白 圆 为 亲 水 分 子 ， 上 为 非 极 性 溶剂 ;下 为 Rte OK) A. 了 。: 离 子 交 换 法 ;， 正 号 示 阳 离子 ， 负 号 示 阴 离子 ， 大 圆 为 阴离子 交换 剂 。 正 。( 分 配 明了 析 法 : 黑 点 为 亲 脂 分 子 ， 白 圆 为 亲 水 分 子 ， 斜 线 示 支 持 剂 ， 附 着 在 支持 剂 上 的 为 固定 相 〔〈 水 站 站 j 而 流动 相 为 有 机 溶剂 。F。 电泳 法 : 负 号 为 明 离子 ， 正 号 为 阳离子 ， 双 正 号 为 强 阳离子 。.G。 Woe. ABB. 为 分 子 量 较 天 的 分 子 ， 小 形 国 为 分 子 量 较 小 的 分 子 ， 中 间 为 非 球形 分 子 。H。 凝 胶 过 滤 法 ， 小 加 为 能 进 ARR AMM, KMAKEEANMN, THHRBR OTH). TI。 亲 和 层 析 法 ;方形 为 与 未 和 载 ” 体 相 亲 和 的 分 子 ， 三 角形 为 不 相 末 和 的 分 子 ， 斜 线 为 亲 和 载 体 。 Selele4 分 配 层 析 : 原理 与 萃取 法 同 。 鞭 取 法 常 在 分 液 漏 斗 中 进行 ， 分 配 层 析 则 在 纸 上 或 柱 上 “充填 物 为 纤维 素 或 硅胶 等 ) 、 薄 板 上 “〈 用 硅胶 制 成 ) 进行 ， 分 别称 为 纸 层 析 ， 柱 层 析 以 及 薄 层 层 析 。 随 着 溶剂 在 支持 剂 中 的 毛细 管 孔 辽 内 扩展 ， 溶 剂 中 的 水 分 子 被 纤维 素 、 硅胶 等 吸附 而 不 能 移动 ， 成 为 固定 相 ， 有 机 溶剂 则 继续 扩展 向 前 ， 成 为 流动 相 ， 各 种 溶质 因 分 配 系数 不 同 而 在 两 相 之 间 进 行 连续 分 配 ， 当 分 子 量 差 别 不 大 时 ， 极 性 低 的 溶质 移动 速度 较 快 ， 极 性 高 的 速度 较 慢 ， 因 而 可 被 分 离 。 64 4 根据 层 析 的 方式 不 同 ， 可 分 为 上 行 或 下 行 ， 单 向 与 双向 等 。 (图 1-58 入 根据 不 同 的 测定 对 象 ， 选 择 特定 的 试剂 显 色 ， 如 氨基 酸 常用 节 三 酮 ， 还 原 糖 用 硝酸 银 的 氨 溶 液 等 。 jl .1.5 气相 色谱 : 这 也 是 一 种 分 配 层 析 法 ， 它 所 用 的 固定 相同 样 是 附着 在 固体 支持 物 上 的 溶液 晨 ， 但 是 所 用 的 流动 相 却 是 一 些 化 学 惰性 的 气体 ;如 氮气 等 。 因 此 ， 此 法 只 能 用 来 分 离 能 在 SOOT 以 下 挥 ， 发 成 气态 而 不 破坏 原 有 化 学 结构 的 物质 。 例 如 i 生 物 学 中 可 以 测定 炸 物 激素 乙烯 、 挥 发 油 类 和 昆虫 性 引诱 剂 等 ， 也 可 以 将 糖 或 氨基 酸 制备 成 它们 的 酯 类 ， 经 这 样 的 处 理 而 降低 了 沸点 后 ， 同 样 可 以 利用 气相 色谱 法 进行 分 离 。 本 方法 的 特点 是 分 析 速 度 快 ， 一 般 层 析 法 要 消耗 几 小 时 以 至 一 昼夜 的 过 程 ， 在 气相 色谱 仪 上 只 要 几 分 钟 即 能 完成 ， 缺 点 是 对 于 生物 学 方面 的 工作 来 说 ， 使 用 范围 有 限 。 Sel °1°6 高 速 液 相 色谱 ; 在 普通 的 分 Ae Ett 图 1-58 ”氨基酸 双 向 纸 上 层 析 图 谱 CHAE) 的 基础 上 PETIT AMEE, A yee Acoma Gly- tke 是 将 支持 物 的 颗粒 做 得 较 细 而 均匀 ， 这 样 就 增加 了 它 。Asp = 天 冬 氮 酸 ”Glu = 谷 所 县 ”His = 组 所 本 的 比 表 面积 ”每 单位 体积 层 析 柱 的 分 离 效 果 就 大 为 所 7 Thr = 苏 气 酸 Ala = 丙 气 酸 Tyr- MER 高 ,使 混合 物 在 通过 较 短 一 段 路 程 时 就 能 产生 耸 离 效 了 | irra 人 es 果 。 但 因为 支持 物 颗 粒 变 细 ， 因 而 引起 毛细 管 的 孔径 Cw po-mam. 同样 也 缩小 ， 于 是 液体 通过 时 阻力 增 大 而 流动 困难 ， EEO a EI CSE A RE I 通过 ， 以 达到 快速 分 离 的 效果 ， 这 是 第 二 个 改进 处 。 Ee HL dln Ae mya at dan shcoeae, HOCH TTA tine 数 或 装 液 容 量 来 连续 收集 ， 而 在 监测 流出 液 的 组 分 时 用 紫外 线 ,荧光 .电导 及 折射 等 探测 仪 ， 以 了 解 混合 物 中 各 种 组 分 在 流出 液 中 出 现 的 先后 次 序 和 数量 变化 等 情况 ， 并 作出 数字 或 曲线 记录 。 5-1-2 利用 电荷 进行 分 离 、 提 纯 ” 本 方法 包括 离子 交换 和 电泳 等 方法 。 5.1。2.1 离子 交换 ， 离 子 交换 是 指 离子 在 液体 和 固体 间 可 逆 交 换 ， 但 是 固体 结构 并 不 政变 。 离 子 交换 剂 是 各 种 带 有 不 同 正 、 负 离子 基 团 的 不 溶性 的 树脂 或 支持 物 。 带 有 阴离子 成 分 的 磺 酸 型 和 羧 酸 型 等 树脂 ， 它 们 能 吸引 阳离子 ， 故 称 为 阳离子 交换 树脂 。 带 有 阳离子 成 分 药 季 胺 型 和 伯 胺 型 树脂 ， 它 们 能 吸引 负离子 ， 故 称 为 阴离子 交换 树脂 。 分 离 生 物 分 子 常用 的 离子 交换 剂 还 有 二 乙 基 胺 乙 基 纤维 素 (DEAE) 攻 羧 甲 基 纤 维 素 〈CMC)， 它 们 的 交换 能 力 大 ， 性 质 温 和 ， 分 离 效果 好 。 有 时 在 操作 过 程 中 控制 溶液 的 DH, 使 样品 各 组 分 电荷 发 生 改 变 而 进行 分 离 。 例 如 ， 核 酸 的 水 解 液 中 有 4 种 核 奋 酸 ， 先 将 水 解 液 调整 pH 值 区 1.5， 王 阳 离子 交换 树脂 柱 ，AMP、CMP、GMP 因 带 正 电荷 ， 与 树脂 的 氢 离 子 进行 交换 而 被 结合 于 柱 内 ， 而 UMP 没有 解 离 基 团 , 不 进行 交换 ,因而 直接 从 柱 上 流下 。 每 次 用 无 离子 水 洗 脱 后 ， 不 断 改变 PH，GMP、AMP、CMP 因 分 子 中 关 基 或 氨基 的 陆续 解 离 而 分 别 按 一 定 上 顺序 洗 脱 FR. (AH 1-59) 5.1。2.2 电泳 : 溶液 内 带电 质点 在 电场 影响 下 向 相反 电荷 的 电极 移动 ， 被 称 为 电泳 。 65 带电 质点 除 胶体 颗粒 外 ， 还 有 氨基 酸 A B CG D E 及 核 苷 酸 等 小 分 子 物 质 以 及 病毒 、 细 .， pH2.0~3.0 1€13.0~4.0 胞 器 和 细胞 等 超 分 子 物 体 。 质 点 带电 YYy | 7 7 状态 与 泳 动 方向 和 泳 动 速度 有 密切 关 Ki 系 。 选 择 合适 的 缓冲 液 ， 使 各 种 质点 Le 带电 状态 不 同 ， 就 可 以 用 电泳 法 将 它 yy A1EAT A) RHR As BO HEE “1 i MAY 4} ABARAT, BRISA EK. AE UMP GMP, | CMP AMP 素 电泳、 凝 胶 电 泳 等 。 如 人 血清 用 滤 图 1-59 BRM | | 纸 电 泳 可 以 分 出 5 条 带 ，. 常 用 于 医学 A. AA RRR, BL EBERT pH ays 的 组 恰 别 诊断 。 (图 1-60) 9 冲 液 洗 脱 ， 得 UMP， 而 其 余 3 HOE Me, Cy 用 pH 2.0~3, 08% TY5。1 。 3 利用 体积 和 上 比重 进行 分 ;缓冲 液 洗 脱 ， 得 GMP， 其 余 二 种 仍 留 柱 ，D。 用 pH 3,0~4, of Re, gear MIRREN RAI ge, || RRR, CMP, 1 BH, E. Fe 5 fa Me S131 Seip), = EAN ) 凝 胶 是 具有 网 状 结构 的 多 和 孔 性 物质 ， 当 一 种 混合 物 通 过 它 时 ， 混 合 物 中 各 “一 :组 分 可 以 因为 分 子 大 小 不 同 而 进行 分 Ao BERET RRL, TEAL A ii 子 相 似 ， 混 合 物 中 体积 较 小 的 分 子 可 以 进入 胶 粒 网 孔 内 部 ， 所 以 最 不 易 被 洗 脱 ， 而 体积 较 大 的 分 子 则 因 不 能 透 eae 3 A 4 a, 8B 7 1-60. A ti 35 AS BS BR A Ee A a Ok | A. MARA; a1, a2, BRY WEHREA, 正 号 为 阳 i REDE, WIR. AIBOBL PTI 4 ELBE Dit ZEIGE BC BL A TB 实验 条 件 : BRN O.O7S M，pH 8.6,， BE2~10V/ TY PBEM, FMT PME. 这 种 分 离 Pde ° Bh RAE 层 析 方 法 称 为 分 子 第 层 析 * 又 叫做 北 DSLR) 党 用 的 天 然 高 对 物 比 胶 ， 如 这 粉 。 纤 维 素 、 琼 脂 及 天 脂 久 等， 分子 量 在 5,000 以 上 的 物质 ; 环 能 进入 淀粉 胶 粒 中 ; 分 子 量 60 一 1,000 的 物质 可 以 被 分 离 。 还 有 使 用 人 工 合 成 的 高 聚 物 凝 胶 ， 如 葡 聚 糖 凝 胶 、 聚 丙烯 酰胺 凝 胶 等 。 根 据 孔 网 大 小 ， 分 成 不 同型 号 ， 葡 聚 糖 凝 RAT) FORTS OA SEE i Be RT ace ae (#21-19) S!1 632 .离心 : 各 种 质点 在 离心 管内 受到 离心 力作 用 时 会 发 生 沉降 现象 。 质 点 的 沉降 加 度 有 均 于 质点 质量 。 密 度 、 形 状 及 与 周围 溶剂 间 的 吸附 力 ， 此 外 也 受 周围 溶剂 的 密度 、 粘 度 以 及 离心 力 的 影响 。 一 般 情 况 下 ， 质 点 越 重 ， 密 度 越 大 ， 形 状 越 近似 圆 球 ,， 越 不 易 与 周转 FEAR, FORMU RRR Rs ;同时 周围 溶剂 的 密度 越 小， 粘度 越 低 ， 而 离心 力 越 大 ， 质点 也 沉降 较 快 ， 反之， 则 沉降 较 慢 i 质点 在 离心 力作 用 下 沉降 速度 的 比较 以 沉降 系数 (S) 表示 ,，S 值 越 大 ， 表 明 这 种 质点 越 容易 沉降 ， 亦 即 表明 该 质点 较 重 ,密度 较 大 ,形状 比较 接近 球体 。 在 标准 条 件 下 ，S 值 可 用 下 式 计算 ; Soe a on, Oe AB 10NO X mF ats A MB EC 20°C KH = 《 转 数 /分 钟 )2X AN BTL 66 ee_rlee 表 1-19. 葡 聚 糖 凝 胶 的 常用 型 号 及 被 分 离 物质 的 范围 本 - 人 i AB G 10 ~700 | ~700 — . Gi5 ~1,500 ~1,500 G 25 ~5,000 ~2,000 1,500~20,000 - 500~5,000 30,000~70,000 1,000~20,000 40,000~150,000 1,000~ 50,900 5,000~ 400,000 1,000~100,000 5,000~800,000 1,000~150,000 | 心 10 分 钟 , 使 细胞 核 碎片 沉 于 离心 管 底部 ， 取 上 清 液 ， 于 10,000 x g 下 离心 10 分 钟 ; 线粒体 碎片 沉 于 管 底 。 上 清 液 用 100,000 物 ， 下 层 为 微粒 体 部 分 。( 图 1-62) 实验 测 得 各 种 生物 分 子 的 沉降 系数 : G rm 溶菌 酶 为 2.15S (分 子 量 17,000) ， 乙 醇 5.000 于 50000 BABE A 7.65( 分 子 量 150,000)， 过 氧化 con 600060 ibd ANG 11,3 S (分 子 量 250,000) tRNA 4.000 400,000 4.004 20,000 为 4.2S， 大 肠 杆 菌 3 种 rRNA 分 别 为 】 3,000+ 300,000 3,507 35,000 5.0, 16.0 123.05, AM tT BY MBH HK Je jpn eee Tey ABT, HH DNA 5% 62.0, 36.2 ， 1500+ 150000 | 及 325。 1,000+- 100,000 sisal Wiha 六 离心 力 的 大 小 ， 根 据 离心 机 的 转动 速 = iY | BE 5 以 转 数 / 分 钟 , (rpm). 表示 ] 和 离心 半 SP ao, 2,000, 20,000 径 5 以 离心 物质 离开 离心 机 轴 中 心 的 距离 人 n CHOK) 表示] 决定 (图 1-61)， 即 转速 越 Fe Bal NS 快 ， 离 心 管 与 轴 的 距离 越 远 ， 则 离心 力 越 下 1400+ 14,000 大 ; 离心 力 的 大 小 ， 以 大 于 重力 〈g) 的 信 ak ae pe ara 数 来 表示 ， 1,100+11,000) 80 8,000 ? ; CONE A Mea) = AEE? sc 离心 半径 g sm =i 应 用 离心 机 分 离 细胞 组 成 时 ， 先 用 人 Wi ESN aoj so 畦 速 以 沉降 9 值 较 大 的 颗粒 ， 然 后 逐步 加 ey On 700+ 7,00 大 转速 ,分 别 得 到 S 值 较 小 的 物质 。 例 如 ， 双 吕 如 UT gee 从 真 核 细胞 中 分 离 细胞 组 分 时 ， 可 将 细胞 late 置 蔗糖 溶液 中 制 成 匀 浆 , 先 在 600 xE 下 离 so 二 5,000 图 .1-61 离心 力 大 小 与 离心 平 径 和 转速 的 关系 R 为 离 必 半 径 ， 以 厘米 计 ，G 为 重力 ;以 地 心 引力 的 信 电 » > at 为 速 ， y x fo 9 5 xg Bb 30 分 钟 ， 分 成 两 层 , 上 层 为 悬浮 its rpm 为 转速 ， 以 转 数 / 分 钟 计 。〈 用 直 尺 对 准 所 用 的 半径 和 转速 ， 即 得 离心 力 相当 于 地 心 引力 的 倍数 。) 67 | 心 10 分 钟 1.17 1.18 ae 1.19 糖 op 120 8% ful: La) 42 BE | 二 22 :人 /本 123 -一 124 离心 3 小 时 碎片 rh 100,000xg 离心 30 分 名 | 100,000xg 8 ; 1.17 oye 118 1.19 BE 1.20 oe toss 121 8B %3 122 123 1.24 图 1-62 细胞 组 分 的 离心 分 离 步骤 从 1 至 4 得 细胞 核 ， 至 8 得 微粒 体 (内 质 网 碎片 ) ， 至 10 得 线粒体 和 溶 酶 体 。 在 进行 离心 分 离 时 ， 如 质点 沉降 速度 差别 不 大 ， 可 在 离心 管 的 溶剂 中 加 入 某 些 物质 ， 这 种 驳 质 未 身 应 该 对 于 分 离 颗粒 没有 任何 影响 ， 而 且 必须 使 这 种 物质 在 管内 的 密度 连续 或 不 连 续 增 高 ， 形 成 密度 梯度 ， 即 液 面 密度 最 小 ， 越 向 下 密度 越 大 ， 管 底 密度 最 大 。 常 用 的 成 分 为 甘油 ”蔗糖 及 盐 类 CANAL RAS) 。 各 种 需要 分 离 的 物质 在 受 离心 力作 用 而 沉降 的 过 程 中 ， 逐 步 遇 到 密度 越 来 越 大 的 溶 剂 “阻力 ”， 于 是 各 种 物质 就 因 体 积 、 形 状 和 密度 的 不 同 而 分 别 滞留 在 离心 管 的 不 同 深度 ， 形 成 几 个 区 带 ， 离心 一 次 ， 可 同时 分 离 几 种 成 分 〈 图 1-63) ; 5.1T。4 “利用 吸附 力 进行 分 离 和 提纯 ”包括 吸附 、 吸 附 层 析 和 亲 和 层 析 等 。 5.T。4*1 “吸附 ， 待 测 物 各 组 分 与 吸附 剂 因 亲 和 力 不 同 而 进行 分 离 和 提纯 。 常 用 的 吸附 剂 有 磷酸 钙 凝 胶 ， SSL PERM ES. MES It HMA+, RACKS AMM, 再 用 盐 洗 陪 下 来 。 又 如 活性 炭 它 能 特 异地 吸附 有 机 分 子 ， 故 能 用 来 脱 去 提 取 液 中 的 色素 ， 而 硅胶 能 特异 地 与 极 性 分 子 相 吸附 ， 故 用 来 脱 去 提取 液 中 的 水 分 等 。 5e1- 462 吸附 层 析 : 为 使 分 离 效 果 更 好 ， 常 将 吸附 剂 装 入 特定 的 玻 管内 ”含有 混合 物 的 样品 溶液 流 经 吸附 柱 时 ， 各 组 分 因 与 吸附 剂 的 亲和力 不 同 ， 可 以 分 别 分 布 在 吸附 柱 的 不 同 高 度 ， 因 此 能 达到 分 离 或 提纯 的 目的 。 5"1。4*3 RAT: 在 酶 和 底 物 〈 或 抑制 剂 ) ， 抗 原 与 抗体 ， 辅 酶 和 酶 蛋白 ， 激 素 、 神经 递 质 和 它们 的 受 体 之 间 ， 都 有 一 个 生物 大 分 子 之 间或 者 它们 和 小 分 子 配 基 之 间 特 异性 结 合 的 亲和力 ， 因 此 ， 只 要 把 它们 中 的 某 一 方 固 相 化 〈 连 在 一 个 不 溶性 载体 上 ) ， 就 可 以 从 深 液 中 特异 地 分 离 提 纯 另 一 方 ， 其 效果 特别 高 。 例 如 从 大 肠 杆菌 中 提取 天 冬 酰 胺 酶 ， 经 其 它 各 种 方法 反复 纯化 ， 仅 得 比 活 度 为 270 一 400 单位 /毫克 酶 ， 而 用 -氨基 -乙酰 -D- 天 冬 酰胺 - 琼 旨 糖 载体 作 亲 和 层 析 ， 一 步 就 可 得 到 比 活 度 为 1,000 单位 /毫克 酶 。 68 a» _ Poesy) 血小板 cereal) 9k) AUS CRS) de wee EI WL PS EES WLLL, He A HS a B FAI WHA 光 面 内 质 网 SR a 粗 面 内 质 网 “ 非 膜 成 分 MAAVVVVAVVNAAAY F | 高 尔 基体 成 分 MMT ANG 3 AUAVVAAAAAAAA FE 32% |1.13 10ml 1.14 10ml ® 37%h.16 10ml 2 人 小时 24,000xg 一 肝 匀 浆 24,000xg hat As I B1-63 KHZ REA EST SH A. ERRMAMRPSHARHAR, B. Ot RK BE eo} AY PSs, CaF SA BE D。 高 尔 基体 组 分 的 分 离 ， 已。 各 种 类 型 的 浓 差 梯度 : a. RBs b, MH; c, MM, d。 复 杂 型 。 == 5-2 分析 和 测定 除了 使 用 经 典 重量 法 和 容量 法 的 超 籁 化 技术 外 ， 主要 是 根据 各 种 分 子 对 不 同 波长 电磁 波 的 发 射 和 吸收 能 力 的 差异 来 进行 定性 和 定量 分 析 。 5.2。]1 超 微 量 分 析 可 精确 地 定量 分 析 细 胞 的 组 成 ,但 操作 麻烦 ,误差 较 大 。( 表 1-20) 表 1-20 各 种 超 微 量 分 析 法 的 比 四 | 方法 Zz £ # | 容量 法 es b & ， 法 Xn 8 | 石英 纤维 天 平 | 毛细 滴定 管 aie 显 微 分 光 光 度 计 | 10°58 克 R th 度 10°10 5% | 2x10°8 毫升 从 上 表 可 见 分 光 光 度 计 比 色 法 的 精确 度 比 经 典 的 重量 法 和 容量 法 都 要 高 。 5"2。2 物质 运动 与 电磁 波 ” 微 观 世 界 中 物质 的 运动 无 非 是 分 子 、" 原 子 、 原 子 核 或 电子 的 各 种 运动 ， 物 质 运动 与 电磁 波 的 关系 以 及 测定 仪器 ， 见 表 1-21。 表 1-21 ,物质 的 运动 与 电磁 波 的 关系 “ 波长 《厘米 ) 四 Tq e108 1074 26581078 0 | | 电磁 波 类 型 | 两 种 射线 X 射 线 人 六 全 远 红外 线 aa 元 线 电波 eaeee | 核子 跳动 | ABT ete hie a Bea ree OO | X 射线 衍射 仪 ag neon [ogee Fb sy eae BEM | - 红外 分 光 光度 计 mia See ty | MAR |x 射线 微 区 扫 扩 分析 仅 | 可 内 Rides 5.2。3 特征 吸收 和 发 射 ” 光 是 电磁 波 ， 不 同 光 源 发 射 的 光波 不 同 ， 阳 光 通 过 三 棱镜 的 分 光 作 用 可 以 产生 红 、 楼 、 黄 、 绿 、 青 、 蓝 、 紫 七 个 连续 的 彩色 光 带 ， 此 外 还 有 不 可 见 的 紫 外 光 和 红外 光 ， 这 样 的 光 带 通常 称 为 光谱 根据 物质 对 各 种 波长 光线 的 吸收 能 力 不 同 而 进行 分 析 的 方法 称 为 吸收 光谱 法 。 各 种 物质 在 一 定 条 件 下 能 够 发 出 一 定 波 长 的 光 ， 利 用 这 种 特性 进行 分 析 ， 则 称 为 发 射 光谱 法 。 5.2。3"1 可 见 光 和 紫外 光谱 光度 分 析 法 : 利用 可 见 光 光 谱 吸 收 进行 测定 ， 是 由 于 不 同 颜色 的 透明 澄清 溶液 吸收 可 见 光谱 中 不 同 波 长 的 光 的 能 力 有 差别 。 如 红色 溶液 强烈 吸收 绿 光 ， 蓝 色 溶 液 强烈 吸收 黄 光 。 在 固定 波长 条 件 下 ， 同 一 种 溶液 ， 在 一 定 范围 的 浓度 内 ， 对 光 的 吸收 程度 〈 以 光 密 度 衡量 ) 与 浓度 成 正比 。 根 据 最 大 吸收 光 带 (吸收 高 峰 ) 的 不 同 可 以 进 行 定性 或 定量 分 析 。 例 如 ,叶绿素 a 的 吸收 高 峰 在 660 和 430 毫 微米 处 ,而 叶绿素 b 的 吸收 高 峰 则 在 643 和 453 毫 微米 处 ， 这 样 ， 就 可 以 将 这 两 种 物质 区 别 出 来 。 对 溶液 无 色 的 物质 ， 可 以 加 入 适当 的 显 色 剂 ， 使 之 发 色 ， 然后 比 色 测 定 ， 如 氨基 酸 溶液 中 加 项 三 酮 后 ， 呈现 蓝 色 ， 就 可 用 黄 光 比 色 。 此 外 还 可 以 根据 同一 种 分 子 吸 收 光谱 的 变化 来 了 解 它 的 状态 。 例 如 ， 各 种 以 核 黄 素 为 连 70 = | | 基 的 脱 氢 酶 ， 当 它们 处 于 氧化 态 时 ， 在 450 5S ORME AR ea, (ASS A PRY ee 消失 。 细胞 有 的 成 分 对 紫外 光 有 吸收 能 力 ， 如 含 色 氨 酸 、 酷 氨 酸 及 葵 丙 氨 酸 的 蛋白 质 在 280 28 微米 处 有 吸收 峰 ， 而 核酸 类 化 合 物 在 260 毫 微米 处 有 吸收 峰 ， 这 些 成 分 可 用 紫外 分 光 光 度 计 来 测定 。 紫外 分 光 光 度 计 必 须 用 石英 玻璃 作 棱 镜 、 透 镜 和 透 光 容 器 ，` 因 为 普通 玻璃 能 强烈 地 吸收 紫外 光 。 此 外 还 要 有 一 个 合适 的 紫外 光源 。 5*2。3"2 红外 光谱 法 ， 红 外 光 包 括 0.1~1,000 微 米 这 一 段 电 磁 波 ,研究 较 多 的 是 20 微 米 以 上 的 近 红 外 光 部 分 。 近 红外 部 分 的 光子 被 分 子 吸 收 后 ， 使 分 子 中 的 原子 相互 发 生 振动 ， 在 光谱 中 呈现 吸收 谱 带 。 由 于 化 合 物 分子 结 构 不 同 ， 各 化 合 物 吸收 谱 带 也 不 相同 ， 因 此 可 用 以 鉴定 分 子 的 结构 ， 例 如 8 碳 烷烃 一 一 辛 烷 的 红外 光谱 随 结构 而 变化 。( 表 1-22) 表 1-22 辛 烷 的 异 构 体 与 红外 吸收 光谱 的 关系 ewe (HK) . 1.349 1,371 在 7.5~.13 微米 之 间 ， 许 多 化 合 物 有 一 系列 的 吸收 峰 ,彼此 不 同 ,可 以 根据 它 来 鉴定 化 合 物 ， 条 用 指纹 来 辨别 一 个 人 一 样 ， 故 称 做 “指纹 区 ”。 红 外 分 光 光度 计 要 有 红外 光源 、 特 殊 的 棱镜 “〈 如 着 盐 ) ER CUM MAR 〈 如 岩 盐 或 氧化 锂 等 ) ， 这 些 材料 的 共同 特点 是 能 透 红外 光 。 5.2.。3:3 ”激光 拉 曼 光谱 ， 拉 曼 散 射 光 谱 是 分 子 的 振动 和 移动 光谱 。60 年 代 激光 作为 光 源 ， 为 拉 曼 光谱 提供 了 高 光 强 、 高 光谱 分 辩 素 和 高 时 间 分 辩 率 的 激发 光源 ， 为 拉 曼 光谱 的 微 量 分 析 、 偏 振 性 的 研究 等 方面 创造 了 条 件 。 目 前 在 生物 大 分 子 和 生物 超 分 子 系统 的 构象 研究 中 ， 特 别 是 在 阔 波 中 的 空间 结构 与 功能 关系 的 动态 研究 中 ,激光 拉 曼 光 谱 已 成 为 很 有 发 展 前 途 的 一 门 新 技术 。 同 时 这 门 技术 也 开始 在 鉴别 肿瘤 细胞 与 正常 细胞 的 实际 应 用 中 发 挥 作用 与 其 它 方法 相 比较 ， 拉 蛇 光 谱 可 提供 较 多 的 结构 信息 ， 特 别 是 生物 梯 品 在 水 环境 中 的 结 构 信 息 和 活 细胞 的 结构 信息 。 | 5-24 ”磁性 分 析 利用 物质 在 磁场 内 的 运动 状态 变化 ， 测 定 它们 的 结构 和 性 能 ， 包 括 核磁 共振 和 顺 花 共振 等 。 5.2。4.I 核磁 共振 :利用 物质 在 磁场 中 吸收 一 定 波长 的 无 线 电波 而 进行 测定 。 特 别 对 于 H、:3C、'sN、?”O、P RF BARBER, THO BC 则 不 能 反应 , 所 以 生物 体 的 基 本 成 分 对 实验 不 会 发 生 干 扰 。 试验 时 ， 主 要 测量 该 原子 核对 某 部 分 无 线 电波 吸收 峰 的 位 移 ， 因 为 这 种 位 移 是 由 该 原子 71 ily 佼 在 化 合 物 中 的 结构 位 置 而 决定 的 ， 所 以 称 为 化 学 位 移 。 例 如 在 一 个 乙醇 分 子 中 一 共有 六 个 氨 原 子 ， 这 六 个 氨 原 子 在 结构 中 的 地 位 不 同 ， 如 氢 (1) ERE EL, AD) 及 (3) 在 甲 烯 基 bk, WA, (5) 及 (6) 在 甲 基 上 ， 所 以 它们 在 核磁 共振 吸收 波谱 上 的 位 置 就 不 同 ， 其 化 学 位 移 用 距离 标准 点 移动 了 多 少 ppm KA. (图 1-64) 核磁 共振 吸收 峰 强 度 之 比 〈 即 峰 下 面 的 面积 之 比 ) 约 为 1:2: 3 表示 ri 4 有 吸 | | 收 乙醇 中 处 于 三 种 不 同化 学 位 置 上 的 氢 。。 二 本 oe 原子 之 比 为 1.: 2 : 3。 由 此 而 可 以 确 [ila 定 乙醇 分 子 的 结构 式 。 根 据 这 个 原 理 ， 也 可 以 测定 各 种 分 子 的 结构 式 。 5.2。4*2， 顺 磁 共 振 : 凡 在 磁场 中 表现 磁性 ， 而 撤除 磁场 后 不 带 磁性 的 物质 ， 称 为 顺 磁 性 物质 ， 例 如 氧 就 是 ， 所 以 可 以 用 磁 性 测定 来 分 析 氧 的 含量 。 在 生物 化 学 中 ， 顺 磁 共 振 法 主要 用 来 研究 化 合 物 的 自由 基 。 例 如 ， 酶 反应 以 及 电离 辐射 产生 某 些 化 学 性 质 非常 活泼 的 中 间 产 物 ， 往 往 含 有 自由 基 。 顺 磁 共振 仪 就 是 主要 测定 自由 基 的 ， 有 自由 基 的 分 子 在 磁场 中 可 以 吸收 某 种 波长 的 微 波 。 因 此 ， 顺 磁 共 振 对 研究 酶 反应 、 放 射 生物 学 、 光 合作 用 、 呼 吸 作 用 中 的 电子 传递 作用 等 是 有 用 的 工具 。 磁场 强度 — 1-64 乙醇 分 子 中 氢 核 在 核磁 共振 四 的 表现 5"2。5 六 射线 分 析 利用 物质 成 分 发 射 特定 波长 的 入 射线 或 对 特定 波长 入 射线 的 征 射 而 测定 物质 的 成 分 和 结构 。 前 者 如 微 区 扫描 法 ， 后 者 如 叉 衍 射 法 。 又 射线 是 波长 很 得 的 电磁 波 ， 波 长 约 0.1~100 和 A ， 由 特制 的 广 射 线 管 产生 。 结构 分 析 时 常用 1A 以 下 波长 的 入 射线， 因为 此 波长 相当 于 分 子 中 原子 与 原子 之 间 的 距离 ， 所 以 能 够 用 来 测定 分 子 内 部 原子 的 排列 。X 射线 通过 试 样 (一般 为 结晶 体 ) 后 ,能 得 到 衍射 图 ,图 上 出 现 的 斑点 和 条 纹 ， 是 分 子 内 部 结构 的 反映 ; 分 子 结构 越 复杂 ， 所 呈现 的 斑 点 或 条 纹 就 越 多 。 根 据 各 点 的 亮度 、 距 离 和 角度 等 ， 通 过 一 定 的 计算 ， 来 推测 各 种 原子 的 相对 位 置 ， 从 分 子 的 不 同 层次 和 不 同 角度 上 进行 测定 ， 就 能 获得 分 子 的 空间 构象 〈 图 1-65) 。 比 如 每 个 肌 红 蛋白 分 子 ， 它 的 和 射线 衍射 图 上 有 25,000 个 点 ， 每 一 个 点 都 要 进行 复杂 的 计 算 。 为 阐明 肌 红 和 蛋白 的 空间 构 型 ， 人 们 前 后 几乎 花费 了 近 二 十 年 的 时 间 。 在 1957 年 时 ， 仅 得 到 400 P45 Ht RE 点 ， 对 分 子 结构 的 分 辩 率 为 6A 水 平 ， 因 此 只 能 了 解 其 肽 链 的 基本 走向 ;至 1959 年 时 ,计算 了 10,000 个 斑点 ， 获得 了 2A 的 分 辨 率 ; -1962 年 ， 测 定 25,000 个 点 后 ， 分 图 1-65 X 射线 衍射 方法 PERG 1.445 1972 年 时 ， 分 辩 率 精确 到 0.3A ,因此 和 A。X 射线 衍射 仪 的 基本 工作 原理 能 确定 这 个 蛋白 质 分 子 上 1,260 个 C、N、O 和 ”> 等 ( 除 B. Pea ie HH 外) 原子 中 1,200 个 的 确切 空间 位 置 。 质 的 衍射 图 。 近代 和 射线 衍射 仪 实现 了 自动 化 ， 仪 器 由 电子 计算 机 控制 ， 本 身 能 选择 最 优 条 件 进行 摄影 记录 ， 并 将 衍射 92e'"e，@Sa@" ee: @S @ee- ege@g 0 和 e.g@eee@@eo@sn Pwinl ke cee oe ee ecger@eOre Co 72 图 进行 运算 ， 作 出 大 分 子 的 立体 构象 图 。 5.2 。6 同位 素 示 踪 法 “ 凡 质 子 数 相等 而 中 子 数 不 同 的 元 素 称 为 同位 素 。 如 sO 、sO 、 0 所 含 的 质子 数 都 是 8 ， 中 子 数 分 别 为 8 、9 .10,， 20, .Ov 0 就 是 氧 的 三 种 同位 数 。 由 于 生物 细胞 不 能 区 分 同一 元 素 的 各 种 同位 素 ， 所 以 ， 同 位 素 能 参加 同样 的 代谢 过 程 。 常 以 自然 丰 度 ( 某 一 种 同位 素 在 自然 环境 中 占 该 元 素 总 量 的 百分比 ) 低 的 同位 素 作 标记 分 子 ， 引入 体 肉 ， 香 用 测定 同位 素 的 方法 ， 追 踪 此 物质 在 体内 的 变化 〈 包 括 物理 位 移 和 化 学 结构 的 改变 ) 情况 。 如 果 使 用 的 同位 素 为 稳定 同位 素 ， 测 定时 需要 用 质谱 仪 等 工具 ;如果 使 用 放射 性 同位 素 ， 测 定时 则 需要 用 计数 管 和 定 标 器 或 其 它 工具 。 3 14 24 32 35 42 常用 的 放射 性 同位 素 有 :HH awe AG: ( B), uNa(Byy), isP ( B), 1e(B), iK(BYy). el (Byy) 等 ， 常 用 的 稳定 性 同位 素 有 !H、;N 、0O 等 。 放射 性 局 位 素 示 踪 法 灵 丝 度 很 高 ; 达 107" 10-1a 训 ;实验 用 量 可 以 少 到 生理 剂量 以 下 ， 比较 合乎 生理 条 件 ， 不 必 经 过 提取 或 提纯 的 手续 ， 即 能 将 组 织 内 某 一 种 物质 进行 测定 ， 甚 至 可 以 失 体 外 测定 放射 性 物质 在 体内 的 踪迹 等 等 ， 优 点 很 多 。 但 在 使 用 上 也 有 局 限 性 ， 比 如 来 源 困难 ， 成 本 较 高 ， 操 作 需 经 特殊 训练 ， 更 为 重要 的 是 必须 预防 放射 性 物质 对 工作 人 员 的 伤害 。 稳定 性 同位 素 在 使 用 方面 一 般 不 如 放射 性 同位 素 方便 ， 进 行 测定 用 的 质谱 仪 是 相当 复杂 和 贵重 的 仪器 ， 操 作 比较 麻烦 。 稳 定性 同位 素 的 优点 是 稳定 ， 对 生物 无 损害 。 当 研究 对 放射 性 特别 敏感 的 系统 ， 例 如 有 关 遗 传 的 实验 或 正在 迅速 分 裂 的 细胞 时 ， 使 用 稳定 性 同位 素 比较 合宜 。 放射 性 同位 素 的 测定 可 根据 实验 要 求 及 条 件 选择 适当 的 方法 。 常 用 的 有 盖 革 计 数 管 一 一 定 标 器 ， 计 数 管 又 分 w 、B 、Y 等 数 种 ， 分 别 用 于 测定 放射 性 同位 素 发 射 的 c 、B 、Y 射线 。 另外 还 有 放射 自 显影 法 ， 利 用 放射 性 同位 素 能 使 照相 底片 感光 的 特性 直 样 品 本 身 自动 显影 以 追踪 放射 性 同位 素 的 变化 。 综合 放射 性 同位 素 和 稳定 性 同位 素 两 种 方法 的 优点 ,发展 成 活化 法 。 这 种 方法 首先 使 用 稳定 性 同位 素 作 示 攻 材料， 最 后 使 它 活化 为 某 种 放射 性 同位 素 而 测定 结果 。 如 用 :8O (稳定 AL) 作 实验 ， 最 后 使 它 活化 成 3F， 因 为 2F ABORT, 所 以 容易 测定 ;或 者 是 制造 半 误 期 较 得 的 示 踪 物 ， 如 又 击 4B 制 得 N, BN 制 得 8O， 虽 然 它 们 的 半衰期 很 得 ， 如 NAO 只 有 10 分钟 ， 但 是 仍 可 获得 满意 的 结果 。 活 化 的 方法 是 用 立 射线 ， 质子 或 中 子 等 REMAP HR WD ; 使 它 变 成 放射 性 同位 素 。 活 化 的 设备 如 小 型 的 加 速 器 或 短 半 误 期 间 位 素 发 和 器 。 附 ， 莫 斯 鲍 尔 光谱 ; 由 于 原子 核 之 间 的 能 量 水 平 与 立 射线 光子 的 能 量 水 平 儿 乎 相等 (104¢~nx 105 电 子 伏特 ) ， 应 用 固体 金属 “ 推 ” 住 原子 ， 原 子 核 会 吸收 闻 射线 的 光子 "同时 能 级 升 高 。 利 用 相应 仪器 可 记录 原子 核 吸 收 Y 射线 光子 情况 的 曲线 图 谱 ， 该 图 谱 即 为 莫 斯 鲍 尔 光 谱 *。 化合 物 因 原子 排列 形式 或 者 元 素 电 价 发 生变 化 ， 造 成 电场 分 布 不 均 ， 这 种 情况 可 以 在 莫 斯 鲍 尔 光谱 上 灵敏 地 反映 出 来 ， 因 此 ,可 用 此 测定 分 子 中 某 些 元 素 的 存在 状态 ; 并 可 鉴定 化 合 物种 类 以 及 测定 某 些 元 素 的 含量 等 。 CREP EB) 73 第 二 章 微观 生物 世界 物质 世界 无 论 从 广度 和 深度 方面 都 是 无 穷 无 尽 的 。 从 天 文学 家 的 望远镜 中 看 去 ， 天 外 有 天 ， 而 现代 大 型 加 速 器 的 实验 证 明 ， 基 本 粒子 之 中 ， 还 有 更 “基本 ”的 粒子 。 人 类 依靠 自己 的 感官 所 能 直接 了 解 的 范围 属于 宏观 世界 ， 超 过 这 个 范围 的 称 为 宇 观 世 界 ， 而 小 于 这 个 范围 的 就 称 为 微观 世界 。 和 凭借 望远镜 、 显 微 镜 和 各 种 研究 工具 ， 克 服 了 人 类 天 然 感官 获得 外 界 信 息 能 力 的 局 限 性 ， 就 能 不 断 地 扩大 我 们 的 知识 领域 ， 加 深 对 自然 规律 的 理解 ， 有 助 于 更 好 地 利用 和 改造 自然 。 生物 界 是 整个 物质 世界 的 一 个 组 成 部 分 ， 它 也 有 一 个 大 与 小 的 问题 。 根 据 已 知 的 科学 事 LRA: 从 生物 的 分 布 来 说 ， 它 不 但 遍布 在 我 们 的 地 球 上 ， 还 有 可 能 分 布 于 宇宙 空间 。 从 生 物 的 组 成 来 看 ， 分 子 、 原 子 和 基本 粒子 都 是 它 的 结构 基础 。 在 这 里 ， 我 们 着 重 讲 一 下 生物 世 界 的 微观 方面 。 第 一 节 ,生物 世界 的 大 和 人 小 物质 世界 有 结构 层次 ， 生 物 世 界 同样 也 有 它 自己 特有 的 结构 层次 。 1.1 生物 世界 的 结构 层次 地 球 上 现存 的 生物 世界 是 由 大 约 100 万 种 动物 、30 万 种 植物 和 几 万 种 微生物 所 组 成 , 还 有 已 经 灭绝 了 的 古生物 约 170 万 种 。 这 些 生物 在 地 球 上 有 规律 地 分 布 着 ， 并 且 互 相 结集 成 特 殊 的 生态 群落 ， 彼 此 间 存 在 涛 颜 闫 或 协调 的 关系 。 从 每 一 个 生物 体 来 看 ， 它 们 都 是 由 细胞 所 组 成 的 。 最 简单 的 生物 ， 愉 由 二 个 细胞 组 成 ， 而 高 等 生物 都 是 由 许多 细胞 组 成 。 一 个 复杂 的 生物 体 ， 组 成 它 身体 的 细胞 数目 可 以 达到 天 文 数字 ， 如 我 们 人 的 身体 ， 据 估计 大 约 由 4~6 x 10° (BMIL+ AZ) 个 细胞 所 组 成 。 小 小 的 轮 虫 , 虽然 身体 只 有 40 微米 大 ， 却 也 有 958 个 细 胞 。 组 成 多 细胞 生物 的 细胞 ， 它 们 的 构造 和 功能 并 不 都 是 相同 的 ， 而 有 着 生物 学 上 的 分 工 。 例如 ， 最 原始 的 多 细胞 植物 ， 象 某 些 藻类 或 真菌 只 有 2 种 细胞 ;最 原始 的 多 细胞 动物 一 一 海 绵 由 3 一 4 种 细胞 组 成 ;上 述 的 小 轮 虫 则 已 有 较 复 杂 的 结构 。 因 此 ， 各 种 不 同 结构 和 功能 的 组 胞 分 别 组 成 了 身体 的 各 种 组 织 、 器 官 和 系统 。 例 如 ,在 轮 虫 的 958 个 细胞 中 ,有 251 个 细胞 组 成 了 神经 系统 ， 由 301 个 组 成 了 皮肤 ， 咽 头 组 织 含 有 167 个 细胞 ， 消 化 管 有 76 个 细胞 , 港 殖 系统 有 43 个 细胞 ， 另 外 还 有 120 个 肌肉 细胞 。 低 等 动物 的 细胞 不 但 产生 分 工 ，, 而 且 各 种 类 型 细胞 数目 非常 恒定 ， 就 称 为 细胞 恒 数 现象 。 单 从 一 个 细胞 而 论 ， 它 也 有 自己 的 结构 层次 。 每 个 细胞 都 由 各 种 细胞 器 所 组 成 ;组 成 细 胞 的 细胞 器 体积 有 大 有 小 、 数 目 有 多 有 少 ， 其 中 以 细胞 核 为 最 大 ,数目 最 少 , 一 般 只 有 一 个 ， 但 是 ， 实 际 上 ， 细 胞 核 本 身 又 由 其 它 的 细胞 器 组 成 ， 即 核 膜 、 染 色 体 和 核 仁 等 。 最 小 的 细胞 74 a i i le 器 要 算是 核糖 核 蛋白 体 了 ， 但 它 也 是 由 几 个 RNA 分 子 和 .50 多 种 蛋白 质 分 子 所 组 成 的 。 核 糖 - 核 蛋 自体 在 每 个 细胞 中 可 达 102 个 ,虽然 它们 也 算是 一 种 细胞 器 ,但 它 往往 附着 在 内 质 网 上 ， 两 者 共同 发 挥 作用 。 还 有 人 认为 tRNA 才 是 最 小 的 细胞 器 。 各 种 细胞 器 都 是 由 生物 大 分 子 所 组 成 ， 包 括 各 种 蛋白 质 、 脂 类 和 糖 类 分 子 ， 有 的 还 有 核 酸 类 分 子 。 由 于 组 成 的 分 子 种 类 不 同 ， 或 则 组 装 情 况 不 同 ， 而 使 各 种 细胞 器 分 别 执行 不 同 的 机 能 。 每 个 大 分 子 由 许多 小 分 子 化 合 物 聚合 而 成 ,例如 最 简单 的 胰岛 素 分 子 中 含有 51 个 氨基 栈 单 体 ， 这 些小 分 子 单 体 又 由 共计 725 个 原子 所 组 成 。 当 然 这 是 最 简单 的 蛋白 质 ， 较 为 复杂 的 如 血红 蛋白 则 由 近 一 万 个 原子 所 组 成 。 因此 ， 细 胞 是 一 个 “庞大 ”的 原子 和 分 子 的 集团 ， 是 原子 和 分 子 按照 特定 的 形式 结合 而 成 的 复杂 系统 。 例 如 ， 一 个 最 简单 的 细胞 一 一 大 肠 杆 菌 的 结构 中 共有 102 (Fie) 个 原子 ， 除了 2.5xI0"〈 百 亿 ) 个 水 分 子 外 ， 其 余 的 2x10" 个 原子 处 在 细胞 的 固体 结构 中 , 其 中 C 原子 为 583 x103 (十 亿 ) 4%, HRFH 9.38x10° 个 ，O 原子 为 2.67 xl102 个 ，N 原子 为 1.55x10" 个 ,此 外 还 有 4.8x107” (FH) 个 ?和 6.9x10"*( 亿 ) 个 了 P。 至 于 真 核 细胞 则 更 为 复杂 ， 以 组 成 的 分 子 总 数 计 ， 就 在 百 万 亿 (na x10:4) 个 数值 范围 , 其 中 至 少 有 几 十 万 (an x105) 个 蛋白 质 分 子 和 上 百 亿 (1x10) 个 其 它 各 种 大 分 子 有 机 化 合 物 。 一 个 人 的 身体 含有 各 种 元 素 的 原子 数目 约 为 1027 (FIZZ) 个 。 1:2 “各 种 生物 学 科 领 域 及 其 不 同 的 研究 方法 向 宇 观 方面 的 发 展 ， 生 物 科 学 出 现 了 宇宙 生物 学 这 样 的 新 学 科 ， 不 但 能 运用 各 种 类 型 的 天 文 望 远 镜 和 分 析 仪 器 来 探测 太空 ， 而 且 可 以 派出 宇宙 飞船 到 其 它 星 球 上 去 ， 依 靠 有 人 或 无 人 操纵 的 设备 实地 考察 星球 的 生命 迹象 ， 并 与 宇宙 i 人 进行 了 通讯 的 尝试 。 对 于 我 们 地 球 上 的 生物 界 ， 由 于 现代 化 的 交通 工具 ， 缩 小 了 时 间 和 空间 的 差距 ， 便 于 全 面 地 考察 和 研究 ， 更 由 于 地 球 资源 人 造 卫 星 的 运用 ， 关 于 全 球 生物 界 与 环境 之 间 的 动态 关系 ， 积 累 了 更 丰富 的 资 料 ;， 同 时 也 探索 了 人 类 社会 对 全 球 自然 环境 的 影响 ， 从 而 为 环境 保护 的 必要 措施 提供 了 理论 依据 。 生 物 科 学 中 的 形态 学 、 分 类 学 、 生 理学 和 解剖 学 ， 是 人 类 研究 生物 世界 的 起 点 ， 是 生 物 科 学 中 历史 最 悠久 的 学 科 ， 因 而 经 验 最 丰富 ， 是 生物 科学 的 基础 ;这些 学 科 也 正在 实现 实 验 手段 和 方法 的 现代 化 。 从 组 织 学 以 下 ， 就 属于 微观 生命 的 研究 领域 了 。( 表 2-1) 细胞 学 本 身 虽 然 并 不 是 一 门 新 兴学 科 , 但 是 由 于 实验 技术 的 发 展 ,特别 是 显微镜 的 改进 ， 提高 了 肉眼 的 分 辨 能力 ， 因 而 使 人 们 对 细胞 结构 和 功能 的 认识 从 显 微 水 平 飞跃 到 超 微 水 平 ; 又 由 于 生物 物理 学 和 生物 化 学 的 最 新 研究 成 果 ， 使 生物 学 的 研究 达到 了 分 子 水 平 ; .更 由 于 量 子 物 理化 学 的 方法 和 观点 活 入 生物 学 领域 ， 为 了 研究 生物 分 子 内 的 电子 运动 状态 对 细胞 生命 活动 的 影响 ， 量 子 生 物 学 就 诞生 了 。 75 这 PUN De 2-1 He ER ORR OE TRS EE HH RRB | ' 可 7 » tpt 3 ee ee _ 生物 地 理学 陆 、 海 、 空 远程 交通 万 公里 左右 《10;000 千 米 Awe 环境 保护 学 ,工具 及 人 造 地球 卫 星 ple ‘ : ate 7 2 Hy Me a | Ri, MEE SH ABEA 1F=1,000K) | > Be tin BE Ba SE ; veh mit A th SEE Sex ah ti ON Bay 形态 学 A i 米 左右 K=1,0008) 生 移 个 体 的 整体 Wadd sh ae te 生理 学 ves ee aa 解剖 学 A oR | fabs = it ， : | 0.1 = 100 eke as 器 官学 Cit 天 镜 ) Ss: Ba i aiid wR =1,0008). ABATE BOR 0.1. OK = Nee 也 这 总 tan Hel ron Pier tsa 普通 显微镜 BM GR WY 4 生物 超 徽 结构 学 生物 化 学 埃 (有 从) 左右 生物 大 分 子 分 子 生物 学 特殊 理化 分 析 仪器 量子 生物 学 (1 埃 =0.1 毫 微米 ) | ORES ca IHR) Pics SB oh =) 二 op es “Lyn ot 76 1°3 WMMEMERHADRE Bb SOWA wDHAWADAE 15~70RKEHZA. UARKA, FRA 138~ 25 MOK, 骨 细 胞 为 35 微 米 , me PA A 25 微米 ， 单 核 细胞 为 15 ROK, MEE Als 但 也 有 很 大 或 很 小 的 ， 很 大 的 如 糊 莫 前 角 运 动 神经 元 轴 突 长 达 15000,000 微米 (1 米 为 然而 它 的 细胞 体 亦 仅 20~60 微米 ;口腔 粘膜 上 皮 细 胞 为 75 微米; 孵 细 胞 达 .200 微米 ; 平滑 般 细 胞 为 20~500 微米 长 ;形成 血小板 的 巨 核 细 胞 为 50 一 60 微米 ,最 大 可 达 300K; BH 肌 为 1,000~40, 000 微米 ， 甚 至 长 达 150, 000 微米 〈15 BK), 但 它 是 许多 细胞 融合 而 成 的 合 胞 体 。 很 小 的 如 血液 中 的 红血球 和 小 淋巴 细胞 为 7 微米 左右 ， 精 子 头 部 仅 5 微米 ,， 但 有 一 丰 长 约 304 一 50 微 米 的 昆 部 刀 最 小 的 为 水 神经 胶 质 细胞 和 大 脑 皮 层 星 状 细胞 ， 只 有 和 于 微 米 。 在 动物 界 ， 最 大 的 细胞 要 算 驼 总 的 卯 ， 其 卯 黄 ( 细 胞 体 部 分 ) 有 ,50,000 微米 〈5 BOK)s BARBS, GBI 19x28.5 BK, WRBDwA 100, 000 微米 (10 BK) WK. 〖 厢 物 界 最 长 的 细胞 也 许 是 巴西 橡胶 树 的 无 节 乳 管 ; 可 长 达 几 米 甚至 几 十 米 , 但 严格 地 说 它 不 是 单个 细胞 ,而 是 志 单 个 细胞 生成 的 多 细胞 融合 体 ! 茧 本 植物 的 导管 细胞 有 的 有 几米 长 ; 芝麻 纤维 有 220, 000 微米 〈22 厘米 ) 长 ， 棉 花 纤维 是 种 皮 上 的 毛细 胞 ,最 长 的 有 65, 000 微 米 (6.5 BK) ; RA PAAR ALE KE: “苏铁 的 卵细胞 有 4, 000 微米 大 ;一 般 种 子 “植物 的 木质 纤维 细胞 长 1;000~37000 微 米 西 乓 及 其 它 浆 果 的 果肉 细胞 ; 浆 汁 植物 的 茎 ; oF 细胞 和 一 般 通 部 薄 壁 细胞 都 有 1, 000 微米 左右 大 小 ， 为 肉眼 可 见 ; 普通 基本 组 织 的 落 壁 细胞 仅 有 10~100 微米 大 。 电子 显微镜 范围 光学 显微镜 范围 肉眼 可 见 范围 对 数 尺 度 下 10A 100A i i ’ ! : g.-2 =. @) ast nt YS. Thy 由 动物 体 产 生 的 单个 细胞 的 大 小 范 国 a om 图 2-1 原子、 分 子 与 微生物 ;动物 和 植物 细胞 大 小 的 比较 《包括 与 细胞 器 和 小 生物 体 的 比较 ) 77 单 细胞 生物 的 大 小 ;原生 动物 中 如 眼 虫 藻 为 500 微米 ; 草 履 虫 为 250 OK; 大 变形 虫 达 1,000 微米 。 最 大 的 是 16,000 微米 〈1.6 BOK) WR, RANE 1.5 X38 RAK BAK F, 两 者 都 属于 孢子 虫 类 。 单 细胞 藻类 中 ， 硅 菠 长 100 微 米 ; 伞 营 可 长 3 一 4cme 原核 生物 的 细胞 比 土 述 的 真 核 生 物 细胞 要 小 ， 蓝 菠 的 单 细胞 为 10 微米 ,相当 于 最 小 的 真 核 生 物 细胞 ; 细菌 中 最 小 的 球菌 为 0.5 微米 ， 最 长 的 线 状 菌 20 微米 :大肠 杆 菌 为 4x 工 微米 ; 立 克 次 体 仅 0.25X 工 微米 ; -支原体 是 最 小 的 细胞 生物 ， 仅 0.1 微米 。 病毒 是 最 简单 的 生命 物质 形态 ， 但 是 不 能 独立 生活 ， 最 大 的 如 瘟 苗 病毒 ， 为 0.25 微米 (250 毫 微米 ) 3 最 小 的 如 pX174 噬菌体 ， 只 有 0.024 微米 “〈24 SHR) 与 上 述 的 各 种 细胞 相 比 ， 一 般 真 核 细胞 内 细胞 器 的 大 小 分 别 为 : 细胞 核 10 微 米 士 【从 1 一 5 微米 到 30 BOK) ， 核 仁 4 微米， 染色体 1xa 微米 ， 叶 绿 体 2x 4 微米 ， 线 粒 体 0.5X2 微 米 ， 核 糖 核 蛋白 体 0.016 x 0.023 微米 (16 x 23 BRK) © 作为 比较 ， 几 种 有 关 化 学 分 子 的 大 小 如 血红 蛋白 为 0.004x0.006 TK (4x 6 BRK); 核糖 核酸 酶 为 0.0033 微米 (3.3 SHOOK) ;胰岛素 为 0.002 微米 (2 毫 微米 ) 5 AERA 0.0005 微米 《5 及 ) 氢 原 子 为 0.0001 微 米 C1 A) 。( 表 2-2,. A2-1) 表 2-2 几 种 生物 分 子 和 细胞 成 分 大 小 的 比较 A A R 5 89 葡 萄 OR 7 180 x km = SD 750 肌 红 蛋白 〈 小 的 蛋白 质 ) 36 16,900 血红 蛋白 〈 中 等 大 的 蛋白 质 ) 68 65,000 肌 效 蛋白 〈 大 的 村 状 蛋白 质 ) 1,600 470,000 . | SeRam (AxmREA) 130 (B®) 1,000,000 — — Kit we 230 (H&) - 2,800,000 9X174 (大 肠 杆 菌 噬菌体 ) a 250 (B®) 6,200,000 . ) 烟草 花 叶 病 毒 ( 杆 状 ) 3,000 40,000,000 9% eet CAF SI) 15,000 1x19 ee A FF aa i 20,000 2 10°12 克 mr SR CBESEMT ) . 80,000 1.310710 % ie a 200,000 2 x 1079 克 a eee eee HED He Bey FE IL ARS AA MAE Py AREA AAD th, ERAS Sn AE AK AAD; meee EMIS KR. MRD REA (—-AHR) WH 150,000 HK (15 B 米 ) 高 ;最 小 的 哺乳 动物 〈 飞 翔 性 地 鼠 ) W 40,000 微米 〈4 厘 米 ) K; BDHS (HR) 只 有 30,000 微米 〈3 厘米 大 大 ;最 小 的 肴 椎 动物 〈 一 种 热带 小 蛙 ) 只 有 15,000 微 米 (1.5 悍 米 ) Ks 跳蚤 为 4, 500 微米 (4.5 毫米)3 最 小 的 昆虫 和 小 轮 虫 为 40 微米 ( 百 分 之 4 BRK). 78 1.4” 分 子 装配 成 细胞 的 过 程 细胞 由 无 数 有 机 大 分子 和 小 分 子 装 配 而 成 。 所 有 的 有 机 分 子 ， 归 根 结 蒂 都 是 来 自 环 境 中 比较 简单 的 无 机 分 子 前 体 ， 这 些 前 体 有 CO:*、 互 :O FN, 等 ,经 过 细胞 的 同化 作用 变 成 有 机 小 分 子 ， 如 单 糖 、 氨 基 酸 和 核 苷 酸 等 ; 再 由 它们 联合 成 具有 高 分 子 量 的 生物 大 分 子 ， 如 蛋白 质 、 核 酸 和 多 糖 等 。 高 一 级 层次 的 组 合 是 由 不 同类 型 的 大 分 子 相 互 缔 合 ,形成 超 分 子 化 合 物 ， 如 脂 类 与 蛋白 质 缔 合 为 脂 蛋 白 ， 核 酸 与 蛋白 质 缔 合 为 核糖 体 等 。 更 高 层次 的 组 合 则 是 由 不 同 类 型 的 超 分 子 化 合 物 进一步 装配 成 细胞 器 ， 最 后 由 细胞 器 组 合成 细胞 。 〈 图 2-2) 细 细胞 、 细胞 器 细胞 器 ( 及 其 它 主要 的 细胞 构造 ) 图 2-2 H8hwH RR YT eB 单 细 胞 生物 的 细胞 是 一 个 完全 独立 自主 的 生命 系统 。 根 据 近 代 的 资料 证 明 ， 即 使 是 多 细 胞 生物 体 中 的 每 一 个 细胞 ， 它 们 仍然 程度 不 同 地 保留 着 自己 完整 的 新 陈 代谢 和 遗传 机 构 ; 其 至 有 的 细胞 器 ， 如 线粒体 和 叶绿体 ， 都 有 相对 独立 的 自我 更 新 和 自我 复制 的 能 力 。 那 么 ， 究 竟 需 要 多 大 规模 的 分 子 系统 ， 才 能 表现 最 低 限 度 的 生命 现象 呢 ? 根据 分 子 生 物 学 的 知识 分 析 : 一 个 最 基本 的 生命 系统 ， 它 的 “分 子 量 ” 应 为 : (920,000 x n + 20,400,000) HAR 上 式 中 的 ma 表示 这 个 系统 中 全 部 生化 反应 所 需要 的 酶 数 且 。a 数值 的 大 小 决定 了 系统 的 复杂 程度 。 如 果 系 统 的 同化 作用 一 切 从 头 开始 , 即 利用 太阳 能 来 把 二 氧化 碳 、 水 和 简单 的 氮 化 物 等 无 机 原料 合成 本 系统 的 组 成 成 分 时 ， 则 系统 内 包含 的 生化 反应 就 复杂 得 多 ,而 an 的 数值 就 要 大 一 些 ， 反 之 ， 若 是 从 一 些 有 机 分 子 的 单 体 ,， 如 葡萄 糖 、 氨 基 酸 和 核 苷 酸 等 出 发 ， 以 合 系统 的 组 成 ， 则 需要 的 酶 就 少 一 些 ，n 值 也 较 小 。 79 一 个 以 葡萄 糖 为 外 源 物 质 的 生物 体 ， 估 算 它 的 分 子 量 约 在 三 亿 个 道 尔 顿 左右 ， 大 小 范 国 接近 一 类 能 够 独立 进行 “自我 更 新 ”的 系统 一 一 支原体 。 对 这 种 系统 当然 还 能 进一步 简化 ，， 使 它 从 利用 已 经 活化 了 的 单 体 开 始 ， 例 如 ， 以 磷酸 化 或 核 苷 化 糖分 子 、 与 转运 核糖 核酸 结合 的 氨基 酰 和 三 磷酸 核 苷 等 出 发 进行 多 糖 、 多肽 和 多 核 苷 酸 的 合成 时 ， 整 个 系统 可 以 缩小 一 些 。 如 果 把 所 有 的 酶 系统 以 致 于 蛋白 质 合成 系统 都 取消 ， 而 由 外 界 提供 多 部 的 蛋 自 质 《包括 酶 六 时 ， 则 这 样 的 系统 是 不 能 独立 生活 的 ， 因 为 它们 必须 依靠 其 它 的 生物 存在 才能 生存 ， 病 毒 和 喉 菌 体 就 属于 这 类 系统 。 因 此 ， 人 它们 并 不 能 算 作 真 正 的 生命 系统 。 下 面 ， 我 们 具体 地 测算 一 个 基本 生命 系统 的 形成 过 程 。 根据 分 子 生 物 学 的 知识 分 析 :， 为 了 表现 最 低 限 度 的 新 陈 代 谢 现象 ， 至 少 要 有 100 A 2k 其 相应 底 物 ， 这 些 分 子 形成 了 一 个 直径 为 400A 的 球体 。 但 是 为 了 使 这 些 酶 分 子 的 遗传 信息 储存 和 表达 ， 还 需要 含有 相等 数量 基因 的 DNA 分 子 以 及 有 关 的 RNA GF. ARR 子 、 底 物 、DNA 分 子 和 上 NA 分 子 加 合 起 来 ,就 成 了 直径 约 为 500A 的 球体 。 界 膜 是 把 细胞 从 它 的 环境 中 区 别 出 来 的 一 个 必要 条 件 。 最 小 的 生物 也 应 该 具备 一 层 厚 度 为 75A 的 原生 质 膜 ， 因 此 ， 直 径 再 增加 150K, Bey 6504 的 球体 。 6504 的 球体 应 含有 3 , 000, 000~4, 000, 000 ARF, BL 75, 000~100, 000 个 有 序 排 列 的 氨基 酸 及 核 苷 酸 ， 也 即 有 150 一 200 个 蛋白 质 和 核酸 的 分 子 。 650A 为 大 多 数 病毒 体 直径 的 大 小 范围 ， Fe EAS BI Ea Ne (如 支原体 及 小 立 克 次 体 ) 直径 的 二 半 。 为 了 避免 生活 中 可 能 发 生 的 误差 ， 光 有 一 套 机 煌 是 不 够 的 ， 需要 留 有 “后 备 力量 ”， 以 便 适 应 条 件 的 变化 ， 才 能 取得 稳定 的 生存 状态 。 因 此 ， 小 于 1, 000A rb ee 现 真正 的 完整 的 生命 活动 ， 诸 如 病毒 就 是 这 样 的 不 完整 的 生物 分 子 系统 。- (A 2-3) 图 2- 4 ADA eile sacra mh aria ale . ANG SDF». ALAA OR, ARS AL. Hea Oh FAR 织 不 成 分 子 生物 系统 的 。 只 有 种 类 党 多 的 分 子 ， 才 能 千变万化 地 塑造 出 各 类 各 样 的 结 杨 ， 才 能 表现 复杂 的 生命 现象 ， 例 如 组 成 大 肠 杆 菌 细 胞 的 蛋白 质 就 有 3,000 多 种 ,RNA 有 1,000 多 种 ， 糖 类 有 50 多 种 ， 脂 类 有 40 多 种 ， 其 它 的 小 分 子 化 合 物 有 500 多 种 ， 即 使 无 机 离子 ， 也 有 12 种 以 上 的 主要 成 分 ，DNA 分 子 虽然 只 有 一 条 双 链 有 时 还 有 一 些小 段 分 子 链 四 ， 值 量 其 长 无 比 ， 如 果 要 把 每 个 基因 算 作 一 个 “分 子 ”的 话 ， 那 么 DNA 就 是 一 个 南 成 千 飞 如 原 榴 细胞 》 上 亿 (如 真 核 细胞 指 分 子 所 连接 成 的 超大 分 子 。 80 第 二 节 ,细胞 的 构造 ETE EME TTT PETIT Ce y ece Mt, PHRMA Rk. LWKOFREBERHED, REE RS, 但 本 身 并 没有 生命 。 所 以 说 ， SHIT AAI N.S A: eS er BEN 最 小 单位 。 2.1 细胞 的 近代 概念 Epson EAE CY MALI) IES CHD 、 生理 (功能 ) MAW Gk 传 ) 的 基本 单位 。 下 e161 SE Es ME a a yc = wT SHWE, FSMMART—EHAR, LPARART-EHREME RRA, B 而 形成 了 整体 。 过 去 曾 有 人 把 细胞 比 喉 为 建筑 生物 体 大 厦 的 砖 瓦 ， 其 实 并 不 恰当 ， 不 如 比喻 为 “装配 ”成 《生命 机 器 ”的 “零件 ”。 细 胞 是 生物 体 的 “ 青 辑 > 和 “螺丝 钉 ”》 而 且 这 税 “此 轮 ?和 “螺丝 钉 ” 本 身 也 处 在 不 断 地 变化 的 状态 中 。 20142 细胞 是 生物 体 符 理 活动 的 基本 单位 “每 个 细胞 都 有 一 定 的 代谢 、 感 应 、 生 长 、 分 化 、 繁 殖 、 衰 老 和 死亡 等 生理 活动 能 力 。 但 是 ， 在 多 细胞 生物 条 中 的 每 个 细胞 ， 其 上 生理 活 动 方面 的 独立 性 受到 很 大 限制 ,因为 各 个 细胞 的 活动 都 要 由 整体 来 调节 和 控制 , 而且 生物 整 打 的 某 种 生理 活动 的 全 过 程 ， 往 往 需 要 由 许多 细胞 以 至 几 种 不 同 的 细胞 群 共同 协作 才能 完成 。 2.1。3 细胞 是 生物 体 的 发 育 单位 “无 论 从 系统 发 育 角 度 ， 还 是 从 个 体 发 育 角 度 来 看 ， 生物 体 都 来 自 单个 细胞 。 原 始 单 细胞 生物 是 一 切 复杂 生物 的 祖先 。 任 何 生物 个 体 都 是 由 一 个 单 细 胞 一 一 受精 卵 〈 合 子 ) 经 过 一 系列 发 育 而 来 。 生 物体 的 生长 ， 无 非 玫 现 为 组 成 身体 的 细 胞 数目 和 体积 的 增加 ; 生物 体 的 发 育 ， 无 非 表 现 为 组 成 身体 的 细胞 形态 和 机 能 的 分 化 。 在 发 育 过 程 中 ， 生 物体 的 种 族 特异 性 同样 要 依靠 细胞 内 的 特殊 遗传 机 构 ， 通 过 繁殖 过 程 而 传递 和 表现 出 来 的 。 2.2 细胞 的 绍 胞 器 每 一 个 细胞 ， 并 不 只 是 一 个 装着 各 种 分 子 混 合 物 的 豆 ， 也 不 是 各 组 成 物质 的 机 械 的 组 合 或 者 各 种 元 素 的 化 学 的 组 合 o- 细 胞 中 的 物质 ,如 和 蛋 和 白质、 核酸 、 脂 类 和 糖 类 等 大 分 子 ， 都 首 先 按 一 人 MeL Fy AS Bh He BE ZY SE (EO) BAD 表 2-3 细胞 器 的 相对 大 小 与 数量 Sen BMIBAE doch ope oe pened te re hoa 1 100,000,000 1,000,000 700 15,000,000 100 | 200,000;000 | EDF 1 a a ee | | 相 “对 容 WB BM WR | iim deo a | | +S ¥ a iP mt MS FF 表 2-4 细胞 器 的 生理 功能 与 成 分 细胞 器 名 称 生 理 作 - 有 二 | “a Ro F es & i 纤维 素 . 半 纤 维 素 、 psc ale 细 RP, KH BB. 运 ! ns * KKH. HK * 细 胞 腊 | 保护 、 运 输 、 识 别 | Wik, HA. SO : 磷脂 、 蛋 白质 、 核 糖 核酸 、 网 及 核糖 体 合成 蛋白 质 和 脂 类 | ARE A RE HR Sy aera | BRIG REI OF OR EB eR 的 氧化 与 释放 能 量 est * | tk = ERM R ATP 酶 Rig, BGR, BB. | 叶 绿 体 有 机 物 的 光合 成 、 贮 备 能 量 光合 传递 体 , 光 合 色素 、 绿色 植物 有 | 碳 同化 酶 系 、ATP 酶 Big. ZAR, WWE .高尔基 体 《内 网 器 2 省 os AR ah AO 类 代谢 酶 系 -细胞 微 管 细胞 分 裂 、 运 动 、 支 持 、 感 觉 | 和 蛋白质、 供应 能 量 的 酶 系统 植物 较 简 单 (FE MELE OK) tos 控制 核 ` 质 间 物 质 交流 、 下 xz oR | Bie, EAR / og We 3 Hy 8 Kale 染色 质 〈 染 色 体 ) 传递 遗传 信息 与 控制 细胞 脱氧 核糖 核酸 、 和 蛋白 质 “rane 生命 活动 BOE | 产生 核糖 体 | 核酸 、 核 糖 核酸 、 蛋 白质 | sais 核 OR a 核酸 代谢 | 合成 核酸 的 酶 系统 | BET: 各 种 细胞 器 根据 它们 起 源 上 的 统一 性 、 结 构 上 的 相似 性 和 机 能 上 的 相关 性 ， 大 致 可 分 成 三 个 系统 ， 即 : 微 膜 系统 、 微 梁 系 统 和 微 体 系统 。 2.3 BRS 在 生命 起 源 初 期 ， 原 来 溶解 于 水 中 的 蛋白 质 和 核酸 等 多 分 子 系统 ， 由 于 产生 了 脂性 的 膜 而 和 外 界 环境 相隔 开 ， 使 生命 的 物质 有 了 相对 的 独立 性 和 稳定 性 。 这 是 细胞 起 源 中 的 重要 一 步 。 2.3。1 微 膜 构造 ” 膜 的 基本 结构 为 由 兼 性 脂 类 物质 和 蛋白 质 分 子 所 组 成 的 单位 膜 构 造 。 随 着 膜 的 生理 机 能 不 同 , 在 膜 上 带 有 各 种 特殊 的 蛋 和 白质 (如 酶 、 抗 体 和 载体 .- 受 体 等 ); 82 这 些 蛋白 质 往往 形成 里 粒状 ， 并 成 为 膜 的 结构 成 分 ,它们 或 在 膜 外 表 , 或 在 膜 内 表 ， BY HE EIR AY. A 2.3。2 “ 微 膜 组 成 的 细胞 器 “比较 复 杂 的 动物 病毒 ， 已 有 脂 质 参 加 构造 的 外 膜 ， 但 这 是 它 借用 寄主 细胞 膜 材料 所 组 成 的 ， 不 完全 是 它 自 己 合成 的 产物 ;最 简单 的 原核 生物 二 一 支原体 已 有 细胞 质 膜 ， 但 是 膜 系统 没有 分 化 ; 真 细菌 的 膜 系统 中 ， 除了 细胞 的 原生 质 膜 ， 还 产生 了 由 原生 质 膜 向 细胞 内 陷 而 成 的 片 层 状 、 圳 状 、 分 枝 小 管状 或 泡 状 的 结构 ， 称 为 间 体 ， 数 量 从 1 到 几 十 个 不 等 ， 它 是 细菌 体 很 重要 的 细 胞 器 。 真 核 生 物 的 细胞 ,有 复杂 的 内 膜 系统 ， 0 村 0 a aes 9, x 0 0 0 XY .) \) 9 Me. 5, K) <) A \) \) ) 0 xy a) Ss Ly) FO) RRR) OO eae .\ SC 图 2-5 细胞膜 的 形态 及 结构 A. 超 微 结 构 : 1。 膜 蛋白 显 粒 ! 2。 去 除 膜 蛋 白 后 的 空 穴 ; 3 及 4 。 膜 脂 质 分 子 的 极 性 部 分 :5。 膜 脂 质 分 子 的 非 极 性 部 分 。 B。 分 子 结构 ; 工 。 膜 脂 质 的 厚度 2。 膜 脂 质 分 子 的 非 极 性 部 分 3。 膜 脂 质 分 子 的 极 性 部 分 4 及 5 。 膜 蛋白 分 子 。 图 2-4 细胞 微 膜 系统 的 进化 A。 大 病毒 和 支原体 B。 细 菌 和 蓝 菜 ， C。 真 核 细胞 ，D。 真 核 细 胞 的 微 膜 系统 与 有 关 的 细胞 器 。 它 包括 了 除 细胞 质 膜 之 外 的 粗 面 和 光 面 内 质 网 、 高 尔 基体 、 线 粒 体 、 叶 绿 体 、 核 膜 和 各 种 微 胞 ( 液 胞 , 溶 酶 体 、 过 氧 小 体 吞噬 胞 和 分 沁 胞 等 )。 (图 2-4) 细胞 的 原生 质 膜 为 包围 在 细胞 质 最 外 围 的 一 层 膜 ， 是 细胞 体 与 外 界 环 境 的 交界 面 。 这 层 膜 是 连续 而 封闭 HW, PHRARRAE. RABE RA 50~300K 范围 ， 象 免 红 血球 膜 为 215 一 230A;， 也 有 厚 达 6004 AY. (图 2-5) 其 它 的 膜 都 属于 细胞 的 内 膜 系 统 。 细胞 质 内 部 ， 在 无 定形 的 胞 浆 中 有 着 一 种 由 厚 约 50~120A 的 膜 所 围 成 的 扁 囊 状 、 管 状 或 泡 状 的 结构 ， 它 83 (MEAER, ANLETERE, MARE. ERVGLARRAM ROM, Har PA. AEE ANAM , AEAEAIALME, PMG. GHAR, 270 物质 里 痊 阶 着 , 称 为 光滑 型 内 质 网 ,简称 光 面 内 质 网 ， 而 有 的 内 质 网 ， 弄 表 面 附着 很 多 大 修一 臻 的 颗 董 ， 使 重 面 变 得 粗糙 不 平 》 故 称 为 粗糙 型 内 质 网 ， 简 称 粗 而 内 质 网 。) (图 2-6) ，， 全 » # RY 7 - 了 ee ° ‘Sm 26 Ak WM MW BOR ‘ Yd by 。 全。 为 立体 训 视 ， 1, MA, 2. RMA, 3. MBA 4. RES 5, ae BL ARMM: 1. WMARNM, 2. KRKEAK, AAREMAARARHABs BRE : fi | (ELBA RHR. x vane a 84 核 区 的 外 面 ， 与 细胞 质 的 其 余部 分 之 间 ， 有 核 膜 包围 ， 核 膜 分 内 、 外 两 层 ， 每 层 膜 厚 70 一 80A ， 内 膜 与 外 膜 间 有 相距 约 200~400A 的 间 腔 ， 称 为 围 核 用 。 核 膜 上 开 有 直径 约 500 ~1,000 有 的 核 膜 孔 ， 可 以 使 核 内 外 物质 互相 交流 as 核 膜 外 膜 的 外 表面 常 附着 小 颗粒 ,如 同 粗 面 内 质 网 的 样子 ， 而 且 核 膜 的 外 膜 经 常 与 胞 质 中 的 肉质 网 相连 接 ， 因 此 关系 密切 。( 图 2-7) ee te +e ay. e eo ee OMe OS So SOF Pah 四 ea es ‘Bork Rw 8 A 1, HARA, 2. RRA, 3. RRWR, 14. SRMREAR, 5. BRA 6. BRAAM, 7。 核 膜 内 膜 ; .8。 附 于 内 膜 的 染色 质 。 高 尔 基体 是 由 几 种 膜 结 构 物 质 组 成 的 复合 体 ， 包 括 微 泡 、 小 管 和 扁 吉 。 一 般 在 高 尔 基体 AUSSIE 60A 、 直 径 400~800A 的 微 泡 ， 内 层 是 许多 小 管 MAM NSA 成 网 ， 中 心 为 直径 约 1 微米 、 腔 厚 为 100 一 150 有 和 的 扁 囊 ,每 一 个 扁 囊 连 着 它 周围 的 小 管 网 和 分 散 的 徽 泡 ， 称 为 一 个 内 网 体 。 细 胞 的 一 个 高 尔 基体 可 以 由 2 一 7 个 、 有 时 多 达 20 个 以 上 的 内 网 体 ， 彼 此 间隔 250 一 300 和 的 距离 ,互相 平行 琶 合 而 成 。 靠 近 细胞 核 一 面 的 内 网 体 称 为 形成 面 ， 因 为 这 里 的 内 网 体 显然 是 由 胞 质 内 的 分 散 微 泡 逐渐 融合 ， 先 形成 管状 ， 再 联 成 网 状 ， 最 后 合成 扁 历 状 而 形成 的 ; 在 向 着 细胞 质 膜 的 一 夯 ， 称 为 成 熟 面 ， 因 为 这 里 的 内 网 体 表 现 为 逐 渐 离散 的 状态 ， 即 由 中 央 的 扁 训 分 成 管 网 和 小 管 ， 再 由 小 管 分 成 微 泡 。 〈 图 2-8) 线粒体 是 一 种 具有 双 层 膜 结构 的 独立 小 体 ; -通常 大 小 为 0.2~5 微米 ， 它 的 外 膜 厚 约 60 一 70A ， 外 膜 与 内 膜 间 有 一 厚 为 70A 的 间 腔 ， 是 为 线粒体 的 外 腔 ，. 在 内 膜 以 内 还 有 一 个 内 距 ， 常 称 为 衬 质 腔 。 内 膜 往 往 向 衬 质 腔 内 突起 ， 形 成 管状 、 泡 状 或 片 状 的 上 。 贱 内 的 腔 即 与 线粒体 的 外 腔 相 通 。 内 膜 的 厚度 常 有 变化 , 性 它 的 组 成 成 分 有 关 《图 2-9) 在 植物 绿色 细胞 内 还 有 一 种 具有 双 层 膜 结构 的 细胞 器 , 即 叶绿体 。 它 除了 和 象 线粒体 那样 有 Aly 外 二 层 嵌 外 ， 在 它 内 部 称 为 间 质 的 无 结构 区 域内 出 现 许 多 由 85 肘 厚 的 膜 所 围 成 的 小 遍 囊 ， 称 为 类 襄 体 。 人 它们 的 内 腔 宽 100 一 200Ay 而 且 在 间 质 的 某 些 部 位 ， 由 数 十 个 类 达 体 间隔 基体 WH BS 尔 图 2-8 高 微 泡 。 3。 2。 ya oF Es 小 管 ; 1. 〈 图 50 人 A 而 又 合 成 一 种 称 为 基 粒 的 结构 ， 在 基 粒 与 基 粒 之 间 ， 被 一 些 穿 过 间 质 的 膜 相 连接 。 2-10) my 此 外 ， 细胞 质 内 还 有 许多 由 膜 围 成 的 分 散 微 泡 ， 有 的 膜 较 薄 , 约 66A， 如 过 氧 小 体 及 微 小 体 等 ;有 的 障 较 厚 ， 约 90 人 入， 如 致密 体 及 多 泡 体 等 ;有 的 为 双 层 膜 结构 ， 如 自 叭 胞 等 。 这 86 AB J TB Hd A A AK AA SR MIR RE » A 2-10 + RK .的 - 形 态 23°3 ， 膜 的 相互 转化 “组 成 各 种 细胞 器 膜 的 具体 成 分 虽然 有 差别 ， 但 是 基本 结构 相 似 ， 而 且 各 种 由 微 膜 所 组 成 的 细胞 器 之 间 经 常 发 生 互 相 的 转化 ， 因 此 整个 微 膜 系 统 呈 现 出 活 跃 的 动态 景象 。 PAY SPUR REESE eke, 产生 新 的 内 质 网 ;内 质 网 的 膜 不 断 地 带 着 它 所 合成 的 蛋 白质 和 脂 类 物质 ， 形 成 由 膜 包 围 成 的 徽 泡 ， 补 充 到 高 尔 基体 膜 系统 上 去 ; 在 高 尔 基体 的 形成 面 'X 人 靠 向 着 细胞 核 的 一 面 》 处 与 高 尔 基体 扁 圳 相 融 &; 高 尔 基体 的 成 熟 面 〈 向 着 细胞 质 膜 的 一 面 ) 则 不 断 地 带 着 它 所 改造 成 的 蛋白 质 . 糖 类 和 脂 类 分 子 ， 成 为 具有 膜 结构 的 分 泌 胞 而 迁移 到 细胞 表面 去 ， 与 细胞 膜 融合 而 将 内 含 物质 排 到 细胞 外 面 ， 同 时 分 沁 胞 的 膜 物质 补充 到 质 膜 上 去 。 这 是 细胞 的 微 膜 系统 由 内 向 外 的 逐步 转化 。 细 胞 微 膜 系统 由 外 向 内 的 逐 步 转化 表现 在 ， MMS ALY DF Fs eB Ha 形式 ， 在 携带 着 入 胞 物质 的 同时 ， 将 膜 物 质 送 进 内 膜 系统 中 去 ， 当 细胞 分 裂 结束 时 ， 在 分 裂 过 程 中 曾 经 消失 了 的 核 膜 》 :由 残存 的 内 质 网 来 重新 建成 ; ' 细 胞 质 膜 还 能 不 断 地 欢 外 界 摄取 组 成 膜 的 建筑 材料 ; 或 由 膜 上 酶 系统 自行 合成 ， 然 后 供应 细胞 内 部 膜 系 统 建设 的 需要 。( 图 2-11) 线粒体 和 叶绿体 则 常 能 自行 繁殖 ， 在 细胞 其 它 部 分 的 配合 下 ， 增 大 自己 的 体积 ， 并 通过 分 裂 的 方 式 ， 增 加 自己 的 数目 ， 因 而 具有 艺 定 的 自主 性 ; B 外 ， 也 能 在 一 定 的 外 界 条 件 影 响 下 ， 由 细胞 酶 系统 供应 建筑 原料 ， 重 新 形成 ， 如 氧气 诱导 线粒体 产 生 ， 光 照 诱 导 叶 绿 体 产生 等 。 由 质 膜 内 陷 折 毒 ， 可 图 2-11 ”细胞 微 膜 系统 各 细胞 器 之 间 的 转化 途径 A。 核 膜 突 起 而 成 内 质 网 ， B。 内 质 网 生成 MAM TARA, C。 高 尔 基 体 产生 分 泌 胞 而 补充 质 膜 ，D。 质 膜 通过 吞 只 胞 而 补充 内 膜 系 Ks; E. REARMRBER, 上 。 质 膜 合成 构 筑 膜 的 材料 。 87 以 组 成 新 的 线粒体 和 叶绿体 。 但 是 ， 近 年 来 关于 线粒体 和 叶绿体 的 重新 合成 问题 的 实验 证 明 越 来 越 少 。 (图 2-12) 2:3°4 膜 的 分 工 与 合作 ”组 成 各 种 细胞 器 的 微 膜 ， 依 靠 组 成 膜 的 和 结合 在 膜 上 的 各 个 具有 特殊 生物 学 活性 的 蛋白 质 ， 执 行 各 种 特定 的 生理 机 能 。 细胞 膜 能 控制 物质 出 六 细胞 。 细 胞 新 陈 代 谢 所 需要 的 原料 , ,如 CO:、HzO、 无 机 离子 、 含 氮 化 合 物 以 及 Di; 等 都 要 经 过 细胞 噶 而 进入 细胞 ， 需 要 的 有 机 养料 亦 是 ;细胞 的 代谢 产物 (包括 废物 ) 亦 经 膜 排 出 。 些 外 细胞 膜 还 能 感 受 环境 的 刺激 而 引起 细胞 的 反应 。 叶绿体 能 够 进行 光合 作用 ， 将 无 机 物 制 造 成 有 机 物质 。 线粒体 能 够 氧化 有 机 物质 ， 利 用 所 厅 放 的 能 量 合成 ATP. “ 流 胞 能 够 暂时 贮存 同化 作用 所 合成 的 养料 和 异化 作用 所 排 浊 的 废物 。 图 2-12 线粒体 由 质 膜 形 成 的 可 能 机 制 A. TRA, Be 连续 式 t. 管状 ; :tm HRA 粒 体 5 M。 线 粒 体 5 P。 质 腊 凸 起 ，“" RRMK 弓 面 夫 质 网 信和 六 上 附着 的 核糖 术 可 和 体 等 构造 ， 成 为 细胞 内 从 成 了 和 质 拘 场所 而 光 ARAM ERS RRS RDM. RRA NLT” » EMA MCAT IIRC 过 形成 分 泌 胞 的 形式 ， 分 沁 到 细胞 外 面 去 。 at, A MONE RA TA IAAT 2a) 1, ABR, a SS A BM 3. Le 4.4 MLM) Pd OF Ay BR TEL 5. AMAR Ms 6. GT PSR Py RM 7, RRR ES St BK | | : Hie Mm. AI of oy 2 2-13 各 种 膜 性 细胞 器 的 生理 功能 与 相互 配合 88 2-4 微 梁 系统 在 上 述 的 各 种 “有 形 的 交 膜 性 细胞 器 以 外 ， 还 有 所 谓 “ 无 定形 ”的 细胞 质 部 分 。 这 种 细 胞 质 ， 表 面 上 看 来 是 粘 称 的 胶 态 液体 ,但 是 实际 上 也 不 是 完全 “无 定 形 ” 的 ， 在 液态 的 细胞 浆 中 间 ， 有 着 许多 纤维 状 的 结构 ， 有 时 甚至 密布 如 网 / 有 时 严格 排列 为 结晶 体 ， 有 时 聚集 成 束 ， 有 时 编织 成 带 或 膜 5 它们 与 细 胸 的 很 多 生命 活动 有 关 人 如 和 运输、 运动 、 生 长 、 分 化 和 感 应 等 。 ee “ees 2.4.1 ANGOLA A PR” Ze a BR Ra, Bs A 2 A TBE BERRE DF ee TE EI A ARES RI) FL 50, 000~60, 000, 成 为 直径 约 5 毫 微米 左右 的 题 粒 ;# 但 是 组 成 微 丝 的 球 蛋白 为 类 肌 动 蛋白 ， 与 肌肉 细胞 中 的 细 了 肌 丝 成 分 相似 ;而 组 成 微 管 的 则 是 管 蛋 自 , 它 有 两 种 类 型 的 亚 基 ， 即 "和 B 。 微 丝 是 由 类 肌 动 蛋白 颗粒 串 连 成 的 一 条 粗 约 5 一 7 毫 微米 的 长 丝 ， 有 时 可 以 由 两 条 微 丝 缠绕 成 束 ， 或 者 五 ， 条 长 丝 合 并 成 一 根 直径 为 17 毫 徽 米 药 管子 。 微 区 具 有 收 第 作用 ， 因 而 好 象 是 细胞 的 “肌肉 ”。 MEH 2 BEES MAHAR, Mea, By al Bl el Bieta, 8 Ra 1 条 管 AKASH RR BY 24 训 微米 的 管子 ， 中 心 留 有 直径 13 一 15 毫 微米 的 孔 腔 ， 管 辟 -厚度 即 等 于 管 蛋白 的 粗细 〈4 一 5 SACK). HFRS, A, MERA 明显 的 支持 和 定形 作用 ， 所 以 ， 被 认为 是 细胞 的 “骨骼 >” 。 (图 2-1421,. 1) 这 个 微 梁 系统 ， 由 于 微 丝 和 微 管 的 配合 ， 在 各 种 细胞 生物 学 过 程 中 发 挥 重 要 的 作用 。 2. 于 ”2 分散 微 梁 系 统 比较 均匀 地 分 散在 细胞 质 中 的 微 梁 能 对 细胞 内 的 物质 运输 、 细 胞 器 的 运动 和 细胞 质 改变 形状 起 作用 。 很 多 细胞 的 细胞 质 有 原生 质 环流 现象 ， 如 植物 细胞 的 细胞 质 ， 可 以 在 中 央 大 液 胞 与 细胞 壁 之 闻 的 一 层 空间 内 ， 以 一 定 方向 围绕 着 液 胞 而 流动 ， 草 履 虫 经 胞 口 乔 只 后 形成 的 食物 胞 ， 按照 一 定 的 路 径 在 细胞 内 环行 ， 最 后 到 达 肛 点 处 排出 细胞 外 。 这 种 环流 ， 主 要 依靠 微 毕 的 收 缩 和 微 管 的 相对 滑动 。 在 原生 质 环 流 时 ， 它 可 以 带动 内 部 的 溶质 以 及 细胞 器 进行 胞 内 运输 和 rr 运动 。 图 2-427 he WR EF 人 A。 管 蛋白 分 子 ，B。 原 纤 丝 ;， C。 原 纤 丝 合并 ! D. RAHM, E. MEW, 89 SEA 2 Sy by» es: A 入 nC ok ch CORR Aer Saar ee Ce" > Lee'e @ ‘ See > Ys xX) ry OD > 0 e (7 +, A2uUuzl ae FH WAM 过、 程 A~DHAAREAWEARHAE. A. 13; B. 15; C. 12; D, 11; E. C¥; F. #RARF %, G。 原 纤 丝 双 体 的 松弛 螺旋 ， H. 三 条 原 纤 丝 卷 在 一 根 正常 的 微 管 外 (装饰 性 微 管 ) Tv AEH 始 装 配 时 的 环 状 结构 J. RMNMERBRAH, K, 管 蛋白 形成 带 福 的 大 面积 薄片 结构 。 1 当 微 丝 及 征管 这 引 着 特定 的 细胞 成 分 或 细胞 器 时 ， 可 以 在 不 影响 其 余部 分 细胞 质 的 情况 Fy 带动 这 种 特定 的 成 分 和 细胞 器 定向 运动 。 例如， 细胞 膜 上 各 种 膜 蛋白 的 分 散 与 集中 。 隐 藏 或 显露 ， 叶 绿 体 在 叶肉 细胞 内 的 趋 光 反应 及 黑色 素 细胞 内 色素 颗粒 的 分 散 与 集中 而 引起 动 物体 色 的 改变 等 ， 都 是 由 于 微 丝 和 微 管 的 作用 。 as 微 梁 系统 能 使 细胞 体 变形 ， 如 变形 虫 的 伪 足 运动 、 肌 肉 细胞 的 伸 长 缩短 和 人 红细胞 的 保 持 双 四 盘 状 等 ;血球 的 形状 依靠 微 梁 系统 的 收缩 作用 而 维持 , 当 在 血库 中 和 久 贮 而 血球 内 A TP 耗 尽 后 ， 微 梁 系 统 因为 缺乏 能 源 而 无 法 再 保持 细胞 的 特定 形态 ， 所 以 血球 变 成 圆 球状 。 上 皮 细 胞 游离 面 上 伸 出 的 微 绒毛 中 含有 微 丝 ， 它 能 使 微 绒毛 伸 长 和 缩短 妖 以 适应 细胞 喇 收 功能 的 改变 。 (2-15) aa 2.4。 3 集合 微 丝 ” 微 丝 可 以 聚集 成 束 状 ， 在 原生 动物 细胞 内 形成 类 肌 丝 结构 ， 为 粗 达 几 个 微米 的 纺锤 状 长 束 ， 如 在 喇叭 囊 的 围 口 缘 ， 类 肌 丝 好 比 环 状 括约肌 ， 而 柄 部 、 体 部 及 品 盘 部 的 纵 行 微 毕 好 比 纵 行 肌 ， 能 使 细胞 迅速 收缩 变形 。( 图 2-16) 在 动物 肌肉 细胞 中 ， 微 丝 结构 达到 了 更 高 级 的 阶段 ， 它 的 收缩 作用 不 但 使 细胞 体 本 身 变 形 ， 而 且 引起 了 整个 动物 体 的 运动 。 它 的 结构 与 功能 在 另 章 详 述 。 2.4。4 集合 微 管 ” 从 一 个 植物 细胞 不 同 的 发 育 时 期 中 微 管 的 行为 ， 可 以 看 出 微 管 的 集 中 过 程 所 起 的 生理 作用 。 一 般 在 停止 生长 的 细胞 中 ， 微 管 走向 与 细胞 的 长 轴 平 行 ， 当 细胞 忌 在 生长 时 ， 微 管 即 聚集 于 壁 下 ， 并 沿 着 胞 壁 增 厚 和 纤维 素 分 子 堆 积 的 部 位 和 方向 有 规则 地 排 列 ， 细 胞 开始 分 裂 前 ， 微 管 环绕 未 来 的 细胞 赤道 外 围 , 似 与 指导 染色 体 排列 在 赤道 面 上 有 关 # 90 O2 CO2z 图 2-15 物质 在 细胞 内 的 运动 和合。 膜 蛋白 的 运动 与 膜 内 表 微 丝 : B。 黑 色素 细胞 内 色素 颗粒 的 集散 现象 ? 王 常 的 双 止 盘 状 。 右 为 异常 的 圆 球状 ) s D。 微 绒毛 中 的 微 丝 系统 。 C。 红 细胞 变形 〈 左 为 91 图 2-16 喇叭 虫 的 变形 与 类 肌 丝 结构 A. EW, B。 细 胞 横 切 面 ， 表 示 类 肌 丝 ， 玉 为 纵 行 类 肌 丝 ，M 为 口 缘 类 肌 丝 。 细胞 分 裂 时 ， 大 约 由 3,000 根 微 管 组 织 成 一 个 纺锤 形 的 细胞 分 裂 器 ， 将 染色 体 分 组 而 引 回 绍 胞 两 极 ; 分 裂 后 期 ， 留 在 赤道 面 上 的 微 管 与 微 泡 组 成 了 成 膜 体 ， 决 定 细胞 壁 的 产生 ， 然 后 使 两 个 子 细胞 分 开 。 “图 2-17)》 图 2-17 植物 细胞 内 微 管 的 集散 状态 与 细胞 的 生物 学 活动 A。 微 管 分 布 于 细胞 外 围 及 胞 壁 下 面 ; B。 环 绕 未 来 的 细胞 赤道 四 周 ; C。 形 成 纺锤 形 的 细胞 分 裂 器 ? D。 成 为 染色 体 的 牵引 丝 : 正 。 带 动 染 色 体 到 达 细 胞 两 极 ; 下 。 密 集 细 胞 赤道 面 上 ， 参 加 成 膜 体 的 组 成 。 微 管 在 有 的 细胞 中 可 以 并 行 排列 ， 到 集 成 束 ， 如 昆虫 卵巢 合 胞 滋养 层 细 胞 的 管状 突起 ， 虽然 直径 只 有 15 微米 ， 但 其 中 密集 了 并 排 的 微 管 达 30, 000 根 。 神 经 细胞 由 胞 质 突起 而 生成 的 长 轴 突 内 ， 亦 有 许多 微 管 延 伸 ， 这 种 排列 ， 有 利于 胞 内 物质 的 运输 。 单 细 胞 动物 滴 虫 有 轴 柱 结构 ， 由 30 排 微 管 所 组 成 ， 每 排 有 150 根 ,排列 成 三 角形 晶 格 。 它 是 细胞 的 “ 肴 粱 ”， 又 能 帮助 细胞 体 扭曲 运动 。( 图 2-18) 92 RP 以 ate’ 全 六合 we! ie) ates © 从 so, & & os fo Patate o, \ /AZ e = 0, G / 3 7, \ J a , © 7, \/ « \ / * &, 3 ? \ J 多 Be ~ \ g 2 € .? 2 7, so, © ‘ 2, if 党 ©, 6 LA % \ &) \ Ze x at yt) @ o> 地 fe) C4 oe eal @ a on fe 3 a4 全 Oa es 0 全 党 6, & 从 \ $ 7, \ o QQ 7 3 (-) a @ ) -) 图 2-18 滴 虫 的 轴 柱 及 其 结构 A。 滴 虫 细胞 内 的 轴 柱 ; B。 轴 柱 的 横 切面 ， 示 微 管 的 排列 。 有 的 原生 动物 能 伸 出 轴 足 或 触手 ， 它 是 虫 体 伸 出 的 伪 足 状 细 长 突起 ， 使 细胞 进行 浮游 和 捕食 ， 其 中 有 轴 丝 结构 ， 由 有 规则 排列 的 微 管 组 成 ， 它 起 支撑 和 辅助 动作 的 作用 。 篮 CA) - 虫 的 咽 头 篮 亦 有 复杂 的 微 管 结 构 ， 它 能 起 吞咽 食物 的 作用 。 (图 2-19) 图 2-19 几 种 由 微 管 聚集 而 成 的 细胞 器 A. 太阳 虫 轴 足 中 的 轴 毕 结构 : 左 图 为 轴 足 末梢 一 段 ， 右 图 为 上 、 下 两 个 横 切 面 : B。 为 化 〈 纤 ) 虫 的 咽 头 伐 ， 左 图 为 咽 头 的 横 切 面 ， 表 示 咽 头 篮 的 整体 结构 ， 右 图 为 部 分 结构 ， 表 示 1、2、3、14 四 种 不 同 的 微 管 C。 吸 管 虫 触手 中 的 轴 丝 : 左 图 上 及 下 为 两 种 不 同 吸管 虫 的 触手 横 切 面 ， 右 图 为 扔 手 的 摄食 过 程 。 93 2.4。5 BSREAP OK ARME RAHA, KA-KR-KAE, SMLERAS 外 的 10 条 管 蛋白 长 丝 并 合 到 原 有 的 一 根 微 管 上 ， 而 两 根 微 管 间 合 用 3 条 管 蛋白 长 丝 ， 所 以 是 由 23 条 长 丝 组 成 一 个 二 联 微 管 :， 依 此 类 推 ，33 条 管 蛋 白 长 丝 可 以 形成 三 联 微 管 。 (图 2- 20 Zz A) 所 有 动物 细胞 和 低 等 植物 细胞 都 有 中 心 体 这 种 细胞 器 , 它 是 由 一 对 0.15 微 米 x0.3 一 0.5 微米 的 柱状 的 中 心 粒 所 组 成 ;两 个 中 心 粒 互 相 垂直 排列 ， 每 个 中 心 粒 为 一 中 空 的 短 管 ， 管 壁 由 9 个 三 联 微 管 围 成 ， 每 个 三 联 微 管 沿 着 内 腔 圆周 的 切线 方向 排列 。 中 心 体 在 细胞 内 往往 处 于 高 尔 基 体 与 细胞 核 之 间 的 部 位 。( 图 2-20 之 B) eee ee ee ee ee meee ee ee 图 2-20 三 联 微 管 与 中 心 粒 的 结构 A。 三 联 微 管 横 切 面 ; B。 中 心 粒 的 纵 、 横 切面 。 中 心 体 的 第 一 个 作用 是 推动 细胞 分 裂 。 当 细胞 分 裂 开 始 前 ， 中 心 体 先行 “繁殖 ”， 在 每 个 原来 的 中 心 粒 一 端 ， 能 引起 管 蛋白 在 此 密集 ， 逐 渐 形 成 与 原来 “母体 ”中 心 粒 相 垂直 的 原 中 心 粒 ， 于 是 每 对 原来 的 中 心 粒 “ 诱 导 ” 产 生 了 一 对 新 的 中 心 粒 。 两 对 中 心 粒 在 细胞 分 裂 前 首先 分 别 迁 移 到 细胞 两 极 ， 在 两 极 处 由 每 对 中 心 粒 再 度 诱导 管 蛋 白 在 其 周围 聚集 ， 但 不 是 形 成 新 的 中 心 粒 ， 而 是 形成 辐射 排列 的 微 管 ， 即 星 状 体 。 两 极 之 间 星 状 体 的 “光芒 ” 微 管 彼 此 相 接 ， 即 成 为 一 个 纺锤 状 的 微 管 结构 。 在 纺锤 体 的 微 管 中 ， 有 些微 管 是 相 接 通 的 ， 称 为 连续 4%, 有 的 微 管 连 接 在 每 个 染色 CH) 体 的 着 丝 点 上 ， 成 为 带动 染色 体 向 两 极 移动 的 牵引 丝 ; 还 有 些 短 段 的 微 管 聚 集 在 赤道 附近 ， 以 后 成 为 成 膜 体 的 一 部 分 。 中 心 体 的 另 一 个 重要 作用 是 成 为 细胞 鞭毛 或 纤毛 结构 的 原始 体 。 当 形成 甘 〈 纤 ) 毛 时 ， 中 心 体 中 的 一 个 中 心 粒 移 近 细胞 膜 ， 它 的 一 端 向 细胞 表面 逐渐 伸 长 生长 ， 而 细胞 膜 亦 随 着 产 生 突 起 ， 始 终 包 在 生成 的 微 管束 外 面 ， 生 长 到 一 定 长 度 ， 即 成 为 凌 〈 纤 ) 毛 ， 而 诱导 生成 蒜 (4) 毛 的 中 心 粒 就 成 为 鞭 CAR) 毛 的 基体 。 (图 2-21) 94 2.4。6 鞭毛 和 纤毛 ”鞭毛 和 纤毛 的 结构 基本 相同 ， 粗 细 亦 相近 ， 为 200 毫 微米 左右 ; 只 是 长 度 和 数目 不 同 ， 一 般 鞭 毛 长 些 ， 而 每 个 鞭 ( 纤 ) 毛 虽 由 中 心 粒 衍生 而 来 ， 但 它 的 结 构 并 不 完全 与 它 的 “母体 "一 样 ， 它 成 为 特殊 的 ma AS (9x2) +2 结 构 ， 即 : 由 9 根 二 联 微 管 组 成 站 TEC OES TN MOLL CLT Ue mon We SERN 但 外 周 有 畏 状 结构 。 在 外 围 的 二 联 微 管 中 ， 有 A。 一 对 中 心 粒 ，B。 一 个 中 心 粒 移 近 细 胞 膜 ; C. 中 “一 根 称 为 AR (或 A 亚 丝 ) ， 它 是 一 根 完全 和 答 MS—hRh BS RBM), 是 一 根 不 完全 的 微 管 ， 因 为 它 管 壁 上 的 管 蛋白 纯 丝 中 有 三 条 是 < 借用” A 管 的 ， 在 A 管 纵 长 上 每 隔 17 毫 微米 的 距离 即 附 有 两 个 辟 状 突起 ， 是 由 动力 蛋白 所 组 成 ， 动 力 蛋白 是 一 种 ATP Me, CAROL CA) 毛 运动 时 需要 的 能 量 。 A 管 与 中 央 征管 间 有 轮 辐 状 连接 ， 连 接 间 还 有 微 纤维 状 的 次 级 丝 。 图 2-22) A 7 了 ene 细胞 的 数量 少 些 ， 往 往 只 有 一 根 或 数 根 ， 长 度 Uj BS 在 20 微米 以 上 ， 有 的 甚至 长 达 几 毫 米 〈 如 动 te 物 精子 的 尾部 ) ;纤毛 一 般 短 些 ， 而 每 个 细胞 B - Hie 的 数目 多 些 ， 如 每 个 草 履 虫 有 3,000 RAE, 山 ARE 纤毛 长 度 在 20 WOKE, AAA 1~2 微米 Uy Ke A 2-22 @ (fF) £ wh KH 人 A。 横 切面 B. WARM. CA) GRAD AN Me. RECAP) ERY “RK” SHE, TOTEM ISAs 如 原生 动物 的 鞭毛 虫 类 以 及 很 多 动物 、 低 等 植物 的 动 配 子 体 ， 都 靠 鞭 毛 运动 原生 动物 中 的 纤毛 虫 类 、 银 杏 、 苏 铁 的 游 动 精子 以 及 多 细胞 动物 中 的 轮 虫 和 日 本 住 血吸虫 毛 几 等 都 靠 纤 毛 运动 。 95 某 些 纤毛 虫 类 的 纤毛 ， 在 细胞 表面 集合 成 一 些 特殊 结构 ， 如 一 列 编排 紧密 的 纤毛 形成 波 ， 动 膜 ,而 2~3 列 纤毛 则 排 成 为 膜 板 ,在 胞 口 处 与 捕食 运动 有 关 ; LIWURKRESKH RE, 使 原生 动物 能 币 甸 运动 。( 图 2-23) aaa Lid ee 核 图 2-23 具有 壮 毛 与 纤毛 的 细胞 A。 阴 道 滴 贝 ， B。 竺 胃 红 毛虫 C。 人 精子 ，D。 银杏 游 动 精子 ; 下 。 日 本 住 血吸虫 的 毛 蚁 (0 示 部 分 关 动物 精子 的 尾部 是 一 种 特 化 了 的 鞭毛 ， 不 但 特别 巨大 〈 达 几 毫 米 长 ) ， 而 且 结构 也 与 一 般 蒜 毛 不 同 。 在 精子 的 鞭毛 内 常 有 线粒体 存在 ， 直 接 供应 精子 凌 毛 运动 的 能 量 ; 上 鞭毛 的 中 央 微 管 数目 可 增加 、 减 少 或 消失 ， 而 保留 外 围 的 9 根 二 联 微 管 ， 但 在 这 些 之 外 还 有 另外 的 粗 微 管 或 微 丝 束 !， 有 时 二 联 微 管 数目 大 量 增加 ， 并 伴随 有 很 多 单 离 微 管 。〈 图 2-24) Oe (2h) 毛 除 了 能 使 细胞 体 〈 相 对 于 环境 ) 运动 之 外 ;对 于 有 些 本 身 位 置 固定 的 细胞 ， (A) 毛 可 以 使 外 界 环境 中 的 物质 (相对 于 细胞 体 ) 运 动 ; 例如 纤毛 虫口 沟 处 的 纤毛 划 动 ， 可 使 食物 进入 胞 口内 ;海绵 动物 的 领 细胞 生 有 鞭毛 ， 能 驱动 水 流 带 着 食物 通过 体内 孔 腔 ， 人 类 气管 内 纤毛 上 皮 细 胞 ， 依 靠 纤 毛 的 颤动 ， 能 够 排除 异物 等 。 〈 图 2-25) A Hate B 管 结构 变化 A。 石 释 蛾 精子 鞭毛 横 切 面 上 有 线粒体 ， 除 (9x22+2 ws, AM IMM BRR OR; B。 豚 鼠 的 精子 ，(9x 2) +2 外 周 有 9 束 微 丝 集合 体 ; C. WHT, PRA, A 围 有 很 多 (2+1) 的 微 管 集合 ， 上 侧 为 线粒体 。 鞭 《 纤 ), 毛 能 够 感受 细胞 内 外 的 刺激 而 改变 它 的 运动 方式 ， 已 知 传导 刺激 是 通过 它 的 膜 进行 的 ， 正 如 肌肉 细胞 的 肌 丝 收缩 运 劲 ， 受 它 细 胞 膜 传导 来 的 神经 冲动 所 支配 的 情况 。 有 些 蒜 毛 ( 或 它 的 变形 物 ) 它 们 丧失 了 原 有 的 运动 能 力 ， 但 是 却 保 留 了 传导 刺激 的 特性 。 如 着 椎 动物 眼睛 中 具有 两 种 感光 细胞 一 一 视 杆 和 视 锥 细胞 ， 这 两 种 细胞 的 外 节 是 鞭毛 的 变形 图 2-25 固着 型 细胞 的 纤毛 使 外 界 物质 运动 A。 钟 形 虫 B。 气 管 纤毛 上 皮 细 胞 。 96 物 ， 是 细胞 感受 光 刺 激 的 部 位 ;在 外 节 中 已 无 微 管 构 造 ， 但 在 外 节 与 内 节 的 交界 处 ， 仍 然 保 留 鞠 毛 基 体 的 构造 ， 有 9 根 外 周 微 管 ， 而 缺少 中 央 微 管 ， 它 是 细胞 感受 的 光 刺 激 传 入 细胞 体 以 至 传 入 感觉 神经 的 唯一 的 狭窄 通道 。 类 似 的 情况 A 见 之 于 海 扇 〈 软 体 动物 ) 的 眼 、 昆 虫 的 听 党 器 官 和 meat oS juni 鱼 类 的 脑 部 。 bi ty 还 有 一 类 存在 于 内 耳 中 与 听觉 和 平衡 感觉 有 关 ie er， 的 细胞 ， 它 们 生 有 一 种 不 能 运动 的 纤毛 ， 但 当 它 们 的 纤毛 受 外 力 而 变动 位 置 时 ， 就 会 产生 冲动 而 传导 至 神经 细胞 和 感觉 中 心 ， 因 此 ， 在 这 里 ， 情 况 正 好 与 运动 鞭 ( 纤 ) 毛 的 章 遇 相反 ， 不 是 冲动 引起 运动 ， 而 是 运动 引起 冲动 。( 图 2-26) 2.4。7 其 它 类 似 的 结构 “前 已 讲 到 ， 微 丝 的 成 分 类 似 于 肌肉 中 的 肌 动 蛋白 ， 肌 肉 中 另 一 种 成 分 一 一 肌 凝 蛋白 在 其 它 细胞 中 虽然 存在 ， 但 没有 聚合 成 为 电子 显微镜 下 可 见 的 结构 ;在 粘膜 上 皮 细 胞 近 游离 端 刷 状 缘 处 ,有 一 种 由 纤维 交织 成 的 中 网 结构 ， -可 能 为 肌 凝 蛋白 所 组 成 。 图 2-26 #8 (74) 毛 结构 与 细胞 感觉 的 关系 在 动物 细胞 与 细胞 之 间 的 连接 复合 物 〈 如 桥 粒 A. BAT SR B。 内 耳 听 毛 细胞 ，C。 内 耳 平 衡 感 党 细胞。 或 密 接 等 ) 处 ， 常 有 纵 行 或 横行 的 张力 纤维 存在 ， 它 的 主要 成 分 不 是 肌 动 蛋白 和 肌 凝 蛋白 ， 而 是 角 蛋 白 ， 它 含有 较 多 的 双 硫 键 〈 胱 氨 酸 ) ， 与 角质 层 细胞 内 含 的 成 分 相同 。 而 在 角 化 细胞 〈 如 表皮 、 角 、 爪 、 齿 、 蹄 、 羽 、 鳞 及 甲 等 结构 中 的 细胞 ) 内 ， 张 力 纤维 大 量 堆积 ， 代 替 了 全 部 生命 部 分 的 地 位 ， 细 胞 死亡 后 ， 仅 留 下 富 含 角 蛋 白 的 躯壳 。 另 外 还 有 的 纤维 状 结 构 ， 如 胶原 纤维 和 弹性 纤维 ， 则 是 细胞 外 间 质 中 的 结构 成 分 。 细菌 也 有 睦 毛 和 纤毛 ， 同 样 也 是 由 球 蛋 白 亚 基 堆 僵 成 的 管状 结构 ， 但 与 真 核 细 胞 的 蒜 (Ff) 毛 的 结构 和 蛋白 质 成 分 都 不 同 。 各 种 细菌 细胞 表面 的 鞭毛 数目 和 长 得 不 同 ， 如 大 肠 杆 菌 有 6 RAAT WORK ME, 3 布 位 置 不 定 ， 奥 肯 氏 红色 硫 细菌 则 有 40 多 根 ， 集 中 分 布 在 细胞 的 一 端 ， 长 度 可 达 25 微米 。 它们 是 细菌 的 运动 细胞 器 。 细菌 的 鞭毛 没有 外 膜 包 围 ， 从 纵 长 方面 可 分 三 部 分 ; 毛 丝 、 毛 猩 和 毛 基 。 毛 丝 由 一 种 分 子 量 为 50,000~60, 000, 称 为 鞭毛 蛋白 的 球状 蛋白 所 组 成 ， 它 先 连接 成 长 丝 状 ， 然 后 再 并 合 成 管状 ， 管 壁 由 11 个 鞭毛 蛋白 亚 基 所 围 成 ， 外 径 13 .5 毫 微米 ， 内 孔径 6 毫 微米 ， 毛 丝 可 长 达 20 微米 ; 毛 钩 由 另 一 种 与 鞭毛 蛋白 氨基 酸 成 分 相似 但 分 子 量 较 小 (42,000~43, 000) 的 球 蛋白 组 成 ， 亦 成 管状 ， 比 毛 丝 略 粗 些 ， 直 径 为 17 毫 微米 ， 长 约 45 毫 微米 ， 在 鞭毛 基部 还 有 一 个 毛 基 。 革 兰 氏 阴 性 细菌 的 毛 基 包 括 一 个 中 央 的 毛 杆 (24x10 毫 微米 ) 和 它 上 面 套 着 的 四 个 毛 环 ; 《而 革 兰 氏 阳 性 细菌 基体 的 毛 杆 要 得 些 ， 而 且 只 有 两 个 毛 环 ); 最 里 面 的 M 环 浸没 在 细胞 质 近 膜 处 ， 而 S 环 则 贴 合 在 细胞 质 膜 的 外 表面 上 ， 最 外 面 的 两 个 毛 环 (PRL) 则 分 别 贴 在 细 了 胞 外 膜 的 内 表面 和 外 表面 上 。 (图 2-27) 细菌 的 纤毛 与 鞭毛 的 结构 与 功能 都 不 相同 。 有 的 纤毛 ， 如 I 型 纤毛 主要 起 吸着 作用 ， 使 97 细菌 能 粘 附 、 凝 集 在 寄主 细胞 上 ， 如 发 现 淋 病 和 脑膜 炎 等 炎症 的 病原 体 一 一 奈 氏 双 球 菌 的 感 染 能 力 ， 与 它 细 胞 表面 有 无 纤毛 有 很 大 关系 。 有 的 纤毛 则 能 在 细菌 细胞 之 间 传 递 遗传 物质 ， 例如 下 纤毛 能 传递 与 细菌 的 可 育 性 有 关 的 遗传 物质 ， 而 工 型 纤毛 则 传递 与 细菌 的 抗 药性 有 关 的 遗传 物质 。 这 种 能 传递 遗传 物质 的 纤毛 ， 称 为 性 纤毛 。“〈 图 2-28) {> 人 Wi Ae) ay ee ted LLLLSAS ef Lt ae! nace TALI ob LI fL foal fade? Bane ibe 2.3 nm Zi 7.0 nm A ne wu = 3 = YL LE a 图 2-27 AME Ae 图 2-23 细菌 纤毛 的 结构 与 其 它 微 纤 维 类 结构 的 比较 A, MEZHARMENEE, A, ABHREFSE: B。 肌 动 蛋白 组 成 的 细 肌 丝 ; B。 更 毛 的 结构 部 分 ， 上 为 革 兰 氏 A C. MMM, D。 烟 草花 叶 病毒 。 性 菌 一 一 大 肠 杆 菌 的 鞭毛 ， 下 为 革 兰 氏 阳性 菌 一 一 枯草 杆菌 的 骆 毛 。 纤毛 由 一 类 称 为 纯 毛 蛋白 的 亚 基 记 组 成 ， 如 了 纤毛 蛋白 ， 分 子 量 为 11,800， 分 子 中 含 有 2 个 磷酸 基 和 .1 分 子 葡萄 糖 ， 多 肽 链 中 含有 较 多 的 芷 水 氨基 酸 (42.7% ) ， 由 纤毛 蛋白 串 成 长 丝 , 再 由 这 条 长 丝 向 右 盘 卷 而 成 中 空 的 螺 管 , 每 卷 约 由 3 + (1/8) 个 亚 基 围 成 。 各 种 纤毛 的 粗细 和 长 短 不 同 。 (# 2-5, 图 2-28) 表 2-5 细菌 纤毛 的 形态 比较 | PR 种 类 每 细胞 数目 (个 ) | te BE (微米 ) | 直径 (A) “He | F x 1~4 | 0.5 一 8( 一 般 为 1。2 一 1.3) 75~135 (FH 85 一 95) I xX 数量 很 多 | ~2.0 | 60~120 (F470) mas et oT TER 一 -一 二 -一 -一 一 一 一 一 一 一 2 i 2 | 100~200 | | | 45~100 98 WM Ba TAC HS EDA PA PEA ES. IK, SP PRS BOK att i POF 毛 组 成 蛋白 的 远 端面 有 DNA RAMA i, To MT RNA 噬菌体 的 结合 位 。 2.5 微 球 体系 统 细胞 内 的 核 粒 和 核糖 核 蛋白 体 属于 这 个 系统 。 核 粒 是 染色 体 的 结构 单位 ， 存 在 于 细胞 核 内 ， 它 由 DNA 和 和 蛋白质 所 组 成 ; 核糖 核 蛋 白 体 存在 于 细胞 质 内 ， 往 往 附 着 于 内 质 网 上 ， 形 成 粗 面 内 质 网 ， 但 是 它 来 源 于 细胞 核 , 核 仁 是 它 合 成 的 原始 产地 , 它 的 化 学 成 分 主要 为 RNA 和 蛋白质。 因此 ， 微 球体 系统 和 细胞 核 的 关系 十 分 密切 。( 图 2-29) & A RK : \ 粒 一 > RER —> KEK 脱氧 核糖 核酸 & A KR } emma ~ 核 仁 KR 核酸 信子 基板 | 超 微 结 构 mh 结 构 图 2-29， 微 球体 系统 的 结构 层次 微 球体 系统 的 生物 学 意义 在 于 传递 和 表达 细胞 的 遗传 信息 。 细 胞 在 分 裂 繁 殖 时 通过 合成 和 分 配 遗 传 物质 的 方式 ， 把 亲 代 细胞 的 遗传 性 传 给 子 代 细胞 ; 又 依靠 遗传 物质 控制 细胞 内 蛋 白质 合成 的 数量 和 质量 的 变化 ， 借 此 调节 细胞 的 各 种 生命 活动 。 因 此 ， 微 球体 系统 是 细胞 的 信息 系统 和 控制 系统 。 由 于 细胞 核 与 这 个 系统 直接 有 关 ， 所 以 细胞 核 在 细胞 生命 中 的 作用 显 得 特别 重要 。 2.5。1 微 球 体系 统 的 进化 ”在 两 种 主要 的 遗传 物质 DNA 和 RNA 分 子 中 ， 病 毒 只 能 有 其 中 的 一 种 ， 它 们 或 者 有 DNA 而 无 RNA， 或 者 有 RNA 而 无 DNA, 不 能 兼 而 有 之 ; 而 且 它 们 在 生活 的 很 多 方面 要 依赖 寄主 细胞 ， 包 括 生活 所 需要 的 能 量 供应 和 自身 组 成 蛋白 质 的 合成 ， 因 为 它们 缺乏 各 种 与 物质 代谢 和 能 量 代 谢 有 关 的 酶 ， 也 没有 核糖 核 蛋白 体 ; 病毒 的 蛋 白 成 分 都 要 由 寄主 细胞 的 核糖 核 蛋白 体 代 为 加 工 ， 甚 至 连 病 毒 自己 的 遗传 物质 也 要 依靠 寄主 细胞 的 酶 系统 来 帮助 它 合成 。 原核 细胞 虽然 没有 成 形 的 核 和 内 质 网 的 构造 ， 但 是 ， 即 使 是 最 原始 的 原核 细胞 ， 它 们 都 有 完整 配套 的 遗传 物质 ， 兼 有 DNA 和 NA， 还 都 有 自己 的 核酸 和 和 蛋白质 合成 的 酶 系统 ， 已 经 有 小 型 的 核糖 核 蛋白 体 〈70 3) 。 因 此 ， 它 们 能 够 独立 地 进行 遗传 信息 的 传递 和 表达 。 真 核 细 胞 的 这 套 机 构 更 为 复杂 和 完善 。 它 们 有 更 多 的 遗传 物质 ， 表 明 能 贮存 更 多 的 遗传 信息 ， 有 了 大 型 的 核糖 核 蛋 白 体 (80 3S) ， 并 且 还 有 一 整套 控制 调节 的 机 构 ， 例 如 有 了 染色 体 、 核 仁 、 核 膜 和 粗 面 内 质 网 等 结构 。 图 2-30、 表 2-6) 蛋白 质 Se RNA A B Ase 图 2-30 细胞 的 遗传 物质 和 表达 遗传 信息 机 构 的 比较 A. WB; B. 4s C，、 真 核 生 物 。 99 表 2-6 细胞 的 遗传 物质 及 表达 遗传 信息 机 构 的 比较 细 胞 种 类 | 代谢 能 量 供应 蛋白 质 合成 核糖 核 蛋白 休 性 OR a : SS See : = Whe? = 病 毒 DNA 或 RNA | 工 .8 一 160x108 | 不 能 自给 | 依赖 寄主 细胞 | Fe - | 支原体 | DNA #MRNA 6.6108 | 不 能 自给 自力 更 生 By. Ae 原核 细胞 | 立 克 次 体 | DNA 和 RNA 能 自 给 自力 更 生 有 、 小 型 | 细 ww | DNA 和 RNA 3x109 eas | BARE 有 、 小 型 eee Te ee | | | x w& | DNA 和 RNA 1.3x1010 a 能 自 给 自力 更 生 有 、 大 型 真 核 细胞 | wm | DNA MRNA 1.2x 101! 能 自 给 自力 更 生 有 、 大 型 | | 人 类 | DNA 和 RNA 3x1012 fe 自 给 自力 更 生 a. Km 在 真 核 生 物 细胞 的 线粒体 和 叶绿体 中 ，DNA 分 子 也 呈 环 状 ， 而 且 具 有 一 定 的 遗传 自主 ， 性 ， 故 而 现在 认为 这 些 细胞 器 由 原核 生物 内 共生 而 起 源 。 2.5。2 染色 体 ” 真 核 细 胞 核 内 的 DNA 在 细胞 分 裂 间 期 〈 即 静止 期 ) 成 为 分 散 状 态 的 染色 质 ， 它 们 的 分 散 程 度 并 不 均匀 ， 有 的 仍然 簇 集 成 团 ， 经 当 色 以 后 ， 在 显微镜 下 可 以 看 到 诸如 染色 质 岛 〈 较 大 染色 质 团 ) 、 染 色 质粒 〈 较 小 染色 质 团 ) 、 外 周 染 色 质 《附着 于 核 膜 内 膜 上 的 染色 质 团 ) 和 核 仁 相关 染色 质 〈 附 着 于 核 仁 上 的 染色 质 团 ) SBA, 有些 染 色 质 则 分 获得 比较 彻底 ， 要 用 高 倍 电子 显微镜 才能 看 到 它 的 存在 。 (图 2-31) 图 2331 细胞 分 裂 间 其 时 的 细胞 核 结构 (特别 表示 染色 质 前 存在 状态 ) 在 细胞 分 裂 的 前 期 细胞核 内 的 染色 质 浓缩 凝聚 ， 成 为 具有 一 定形 状 和 数目 的 染色 体 。 典型 的 染色 体外 形 为 : 一 个 染色 体 由 两 个 染色 单 体 组 成 ， 两 个 染色 单 体 由 中 间 的 着 丝 点 相连 接 ， 着 丝 点 把 每 个 染色 单 体 分 成 两 段 ， 一 端 较 长 的 称 为 染色 体 长 臂 ， 一 端 较 短 的 称 为 染色 体 得 臂 。 整 个 染色 体外 并 无 外 膜 包 围 。 CI 2-32 2A) 100 染色 体 由 核 丝 经 反复 盘旋 缠绕 而 成 ， 核 丝 由 核 粒 串 连 而 成 。 每 个 核 粒 的 中 蔚 为 蛋白 质 分 ， 对 组 成 的 球状 体 ， 而 DNA 的 双 螺 旋 则 绕 在 球状 体 的 外 面 。 在 静止 的 细胞 核 中 ， 染 色 质 就 是 以 未 经 盘旋 缠绕 的 、 伸 展 状态 的 核 丝 存在 ; 这 才 是 遗传 物质 执行 功能 时 的 状态 。 (A 2-32 B) 图 2-32 ”染色 体 和 核 粒 的 形态 和 构造 A， 染 色 体 模式 图 ; 了 B。 核 粒 与 核 丝 片段 。 2.5。3 Bi 只 有 真 核 生 物 细胞 有 这 种 细胞 器 ;在 分 裂 间 期 存在 ， 而 在 分 裂 时 消失 。 细胞 分 裂 后 期 ， 由 某 一 或 几 个 特定 染色 体 上 的 核 仁 组 织 者 〈 次 弱 处 ) 重新 生成 。 核 仁 为 球状 构造 ， 外 周 无 膜 ， 有 四 种 结构 成 分 ， 外 周 的 粒 状 部 分 为 前 核糖 核 蛋白 体 ; 中 央 的 丝 状 部 分 为 OD Bow > BRAMMER BIR Pane ab Te 的 DNA 分 子 链 ， 它 在 RNA 聚合 酶 的 作用 下 > Ke NE #8 RIB MER, TESTERS) Ho HE AL ANU SSS 的 衬 质 9 〈《 图 2-33) SN 内 3 SSS 25-4 BRB HBA SR SS 核糖 核酸 加 上 特定 的 几 十 种 蛋白 质 分 子 组 成 ， 经 核 膜 孔 而 进入 胞 质 。 每 个 核糖 体 由 一 个 小 亚 Lagat PLORRIET 中 ， 但 大 部 分 附着 于 胞 质 中 的 内 质 网 上 ， 而 使 ame Cke, GHA NCTM, ERY), 这 种 内 质 网 成 为 粗糙 型 的 内 质 网 。 当 它 在 进行 蛋白 质 合 成 活动 时 ， 往 往 由 mRNA 分 子 长 链 连 接 几 个 以 至 几 十 个 单 核糖 体 而 形成 多 核糖 体 的 长 串 。《 图 2-34) | 2.5.5 微 球体 系统 的 分 工 与 合作 ” 核 粒 上 的 DNA 分 子 贮存 有 遗传 信息 , 它 依靠 DNA 合成 酶 系统 而 合成 与 原来 分 子 的 结构 相同 的 DNA 分 子 ， 这 种 过 程 叫做 复制 ，DNA 分 子 借 101 2-33” 核 仁 的 构造 及 其 与 染色 体 的 关系 ales pt shh ok ee oOo a 一 个 中 rRNA ”20 多 种 蛋白 质 ay \ 一 一 一 一 日 Ooo 目 贸 8 日 - HoVo oo00.. | CEENA? 05 核糖 体 大 亚 基 单 核糖 体 图 2-34 核糖 核 蛋白 体 的 组 成 和 结构 这 种 方式 ， 将 遗传 信息 传递 给 下 一 代 细 胞 ， 它 又 能 依靠 NA 合成 酶 系统 而 合成 与 自己 相互 补 的 RNA 分 子 ， 并 借 此 把 自己 所 贮存 的 遗传 信息 传递 给 RNA, 这 种 带 有 从 DNA 分 子 上 传 来 遗传 信息 的 RNA 分 子 称 为 信使 RNA, fo mRNA， 这 个 过 程 叫 做 转录 mRNA 在 核 糖 核 蛋 白 体 上 ， 依 靠 蛋 白质 合成 酶 系统 ， 合 成 特定 的 蛋白 质 分 子 ， 这 种 过 程 ， 叫 做 翻译 ， 亦 即 表示 核酸 分 子 所 带 的 遗传 信息 ， 转 变 成 为 蛋白 质 多 肽 链 的 结构 信息 。 mRNA 在 指导 合成 蛋白 质 的 过 程 中 ， 还 需要 另外 两 种 RNA 的 配合 ,一 个 是 核糖 核 蛋 白 体 RNA， 简 称 rRNA， 它 起 着 组 织 核糖 核 蛋 白 体 的 作用 ， 使 核糖 核 蛋 白 体 成 为 有 效 的 合成 蛋白 质 的 “分 子 机 器 ”;， 另 一 个 是 转运 RNA， 简 称 tRNA， 有 几 十 种 不 同 的 tRNA， 它 们 分 别传 送 20 多 种 不 同 的 氨基 酸 ， 如 丙 氨 酰 -tRNA 专门 携带 丙 氨 酸 , 甘 氨 酰 -tRNA 专门 携带 甘 氛 酸 等 ， 它 们 各 自 把 特异 运输 的 氨基 酸 送 到 核糖 核 蛋 白 体 上 去 ， 供 应 蛋白 质 合成 的 原料 。 因此 ， 蛋 白质 的 生物 合成 ， 需 要 有 DNA、 三 种 RNA (mRNA、rRNA 和 tRNA) 以 及 许多 蛋白 质 因 子 的 参加 ， 是 一 个 十 分 复杂 的 生物 学 过 程 。 (图 2-35) 染色 丝 染色 体 细胞 核 核 膜 细胞 质 核 仁 RNA Ree 人 me | 和 < axa 核糖 体 | LA | DNA { | | Ore i ! +) Rae | aK 07 多 核糖 休 结构 基因 1 和 : ia. Oe DNA 结构 基因 IT 人 NA apy Rr Sth es 14 结构 基因 也 生路 可 (复制 过 程 》 ” 《转录 过 程 ) (翻译 过 程 ) 图 2-35 真 核 细胞 微 球 体系 统 在 传递 遗传 信息 和 蛋白质 生 物 合成 中 的 分 工 与 合作 (AZM) 102 PHB Han ke AA aR 生命 是 处 于 一 定 发 展 阶段 物质 〈 蛋 白质 和 核酸 复合 物 ) 的 属性 。 现 代 地 球 上 的 生物 都 是 具有 细胞 结构 的 ， 细 胞 可 以 认为 是 具有 自我 装配 和 自我 复制 能 力 的 有 机 分 子 〈 主 要 为 蛋白 质 ABE) 复杂 系统 。 前 面 已 经 讨论 了 细胞 的 结构 层次 及 其 组 成 的 化 学 成 分 。 本 章 要 讨论 的 问 Mie: 有 机 分 子 怎样 在 地 球 上 出 现 ? 蛋白 质 与 核酸 生物 大 分 子 怎 样 通过 非 生物 途径 合成 ? 原 始 细胞 怎样 诞生 ? 为 什么 有 机 物质 和 生物 分 子 具 有 自我 装配 的 能 力 ? 第 一 全 生命 起 源 从 古 希 腊 时 代 起 ,一 直流 行 着 生命 起 源 的 自然 发 生 说 ,认为 生命 一 一 包括 现代 复杂 的 生物 体 ， 如 蝇 、 萤 、 甚 至 哺乳 动物 老鼠 都 能 从 无 机 界 直 接 产生 。 虽 然 十 七 世纪 后 半 叶 ， 意 大 利 医 生 弗 朗 西 斯 科 。 雷 迪 用 实验 证 明了 : 蝇 不 是 腐肉 本 身 产 生 的 ， 而 是 由 产 在 腐肉 上 的 蝇 卵 艇 化 发 育成 的 。 这 是 对 生命 自然 发 生 说 的 第 一 次 冲击 。 但 微生物 的 自然 发 生 说 却 继 续 流行 了 将 近 一 百年 ， 直 至 1861 年 巴 斯 德 在 一 系列 著名 实验 之 后 ， 证 明细 菌 来 自 细菌 , 即 生物 起 源 说 ， 原 始 形式 的 生命 自然 发 生 说 才 彻 底 破产 。 其 实 ， 巴 斯 德 的 实验 只 是 证 明了 现存 的 生物 来 自 现存 的 生物 ， 所 有 现存 的 任何 简单 的 生物 都 不 可 能 一 下 子 从 非 生命 物质 中 直接 产生 ， 实 验 并 没有 涉及 原始 生命 如 何 发 生 的 问题 。 因 此 ， 恩 格 斯 在 总 结 十 九 世纪 中 叶 自 然 科学 的 三 大 发 现时 ， 提出 了 需要 解决 的 一 个 重要 问题 一 一 “生命 是 怎样 从 无 机 界 发 生 的 ? " 即 生命 起 源 问题 。 1.1 物质 世界 的 发 展 总 过 程 不 久 以 前 ， 探 索 生命 起 源 还 认为 纯 属 空谈 。 近 年 来 ， 由 于 对 宇宙 学 、 地 质 学 、 比 较 生 物 化 学 、 细 胞 学 以 及 寒 武 前 纪 (30 亿 年 前 ) 的 古生物 学 和 十 生物 化 学 的 研究 , 为 生命 原始 产生 ， 的 途径 提供 了 很 多 资料 ， 勾 划 出 生命 起 源 的 轮廓 ， 有 关 生物 分 子 和 细胞 起 源 的 某 些 细节 也 有 了 一 些 眉目 。 目前 广大 科学 家 承认 ， 地 球 上 生命 的 起 源 是 整个 宇宙 物质 世界 发 展 到 一 定 阶 段 必然 要 出 现 的 现象 ， 完 全 是 合乎 自然 规律 的 过 程 。“ 生 命 y 这 个 范畴 并 不 是 宇宙 的 基本 范畴 ， 它 不 能 与 “物质 ”、“ 时 间 ”、“ 空 间 ” 和 “能 量 ” 并 列 ， 因 为 生命 不 过 是 物质 的 高 级 组 织 形式 ， 亦 即 是 具有 特定 结构 的 物质 所 表现 的 属性 ， 是 在 一 定 的 时 间 、 空 间 和 能 量 水 准 的 合适 条 件 下 ,物质 所 能 达到 的 一 种 存在 状态 。 科 学 证 明了 : 即使 是 组 成 分 子 的 元 素 也 不 是 永恒 的 ,因为 原子 本 身 亦 在 不 断 发 展 中 ， 原 子 并 不 是 物质 世界 发 生发 展 的 起 点 。 由 元 素 组 合 的 分 子 以 及 表 现 生命 现象 的 分 子 组 合 系统 也 不 可 能 一 开始 就 存在 ,生命 一 定 有 它 的 发 生发 展 过 程 ,生命 发 展 史 只 是 物质 世界 发 展 历史 长 河中 的 一 个 段落 。 很 多 迹象 表明 :， 地球 不 是 具有 生物 圈 的 唯一 天 体 ， 然 而 ， 原 始 地 球 却 是 生命 起 源 的 理想 环境 。 已 经 找到 了 有 效 的 方法 去 科学 地 解决 地 球 上 生命 起 源 问题 ,这 些 方法 之 一 是 考察 原始 地 球 上 和 太空 中 其 它 天 体 上 的 自然 条 件 , 并 且 在 实验 103 35 PRET RISC, ERA HE BER AS SE A EY AR AE, 9 By DA 开 大 门 。 另 一 个 方法 ， 就 是 利用 化 学 、 特 别 是 分 子 生 物 学 的 成 就 ， 进 行 生物 大 分 子 物 质 的 人 工 合成 与 生命 物质 结构 的 重 装配 ， 借 以 阐明 由 非 生命 物 质 向 生命 物质 转化 的 规律 。 地 球 大 约 是 在 四 十 五 亿 年 前 形成 的 ， 地 球形 成 后 的 十 至 十 五 亿 年 间 ， 发 生 着 多 种 多 样 的 化 学 变化 ， 无 机 分 子 形成 了 低 分 子 有 机 化 合 物 ， 后 者 又 相互 反应 形成 生物 大 分 子 ， 再 由 生物 大 分 子 装配 成 多 分 子 系统 ， 最 终 发 展 成 为 原始 的 生命 体 。 通 常 将 出 现 生 命 现 象 以 前 的 变化 称 为 化 学 进化 ， 出 现 生 命 现 象 以 后 的 称 为 生物 进化 。 最 近 在 南非 斯 威 士 兰 系 的 古老 堆积 岩 中 发 现 了 200 多 个 在 显微镜 下 可 以 清楚 看 到 的 微生物 化 石 ， 它 们 与 原核 藻类 非常 相似 ， 据 估计 该 化 石 年 龄 约 为 34 亿 年 。 由 于 它们 已 经 是 完全 成 形 了 的 细胞 形态 的 生命 物质 ， 因 此 , 生命 应 起 源 于 更 古老 的 时 代 。 从 三 十 亿 年 前 至 十 亿 年 前 这 有 段 期 间 ， 原 始 单 细胞 生物 在 结构 与 功能 方面 逐步 复杂 化 和 完 善 化 ， 原 核 生物 进化 成 真 核 生物 ， 然 后 ， 单 细胞 生物 向 多 细胞 生物 演变 。 从 十 亿 年 前 至 现代 生物 界 ， 进 化 步伐 越 来 越 迅 速 ， 大 约 二 百 万 年 前 ， 人 类 就 诞生 了 。 ( 表 3-1) 表 3-1 化 学 进化 和 生物 进化 时 间 表 me RK XR 人 哺乳 类 、 乌 类 陆 生 生物 植 物 fa & 10 1% 年 前 mw ARK | TFS HE 多 细胞 生物 真 核 生物 好 气 细菌 200) Ke AB He 生物 进化 30 亿 年 前 第 一 个 生物 化 石 最 早 的 光合 作用 原核 细胞 原始 细胞 等 HAR, BRM, IK, oR SRE, GR, MEL EMR 地 球 上 形成 HzO、NHz .CHX ae 40 亿 年 前 化 学 进化 104 GTS 1:2 ”有 机 化 合 物 的 非 生物 起 源 现在 自然 界 的 有 机 化 合 物 都 是 生物 体 生命 活动 的 产物 ， 主 要 来 源 于 绿色 植物 的 光合 作用 和 微生物 的 固氮 作用 。 所 有 形形色色 多 达 六 百 万 种 、 远 远 超 过 无 机 化 含 物 的 种 类 的 有 机 化 合 物 ， 都 是 在 生物 体 有 关 酶 系统 的 作用 下 ， 由 这 两 个 作用 的 原始 产物 所 衍 变 而 来 。 有 机 化 合 物 是 一 切 生 物体 的 必要 而 且 主 要 的 组 成 成 分 。 生 物 的 生命 活动 正 是 在 体内 有 机 化 合 物 相 互 转化 的 基础 上 呈现 出 来 的 。 究 竟 是 有 机 物 形成 在 先 还 是 生物 体 出 现在 前 ? 在 很 长 一 段 时 间 里 成 了 循环 论证 式 的 问题 ， 直 到 本 世纪 初 ， 尿 素 的 人 工 合 成 才 证 实 了 有 机 化 合 物 有 可 能 非 生物 起 源 的 问题 。 近 年 来 ， 天 文学 的 进展 也 不 断 提供 了 有 机 化 合 物化 学 起 源 的 证 据 。 1.2。1 宇宙 空间 考察 的 证 据 ”地球 和 其 它 天 体 都 由 星际 物质 演化 而 来 。 对 太空 进行 光 谱 学 的 考查 ， 早 就 发 现 宇 宙 中 碳 的 分 布 很 广 ， 烃 类 及 其 衍生 物 也 是 这 样 。 太 阳 大 气 的 温度 平 均 为 6,0007C 左右 ， 虽 然 根本 不 可 能 有 生命 ， 可 是 那里 大 部 分 碳 已 处 于 与 氢化 合 的 状态 。 无 论 在 宇宙 的 “酷热 ”区 ， 还 是 温度 接近 于 绝对 零度 的 “严寒 ”地带 ， 都 有 碳 氢 化 合 物 存在。 而 且 ， 这 些 简 单 的 有 机 分 子 ， 目 前 还 在 宇宙 的 各 种 天 体 上 不 断 地 发 生 。( 表 3-2) 表 3-2 地 球 外 宇宙 中 的 碳化 物 和 化 学 进化 的 原料 所 在 地 物 质 星际 空间 CH，HCHO，CN，NHs，H，HzO，O AMWKAB CH, CHz, CHe, CO, COs, CN, He, S, H, Na 金星 的 大 气 层 ; COz, H20, Oz, CO 土星 、 木 星 的 大 气 层 CHa, NHs 天 王 星 、 海 王 星 的 大 气 层 CHa SBWHKAR Ca, CH, CH*, CH, CO, CN, NH, OH, N2 地 球形 成 之 后 ， 包 围 地 壳 的 原始 大 气 层 和 现在 大 气 层 的 成 分 完全 不 同 ， 当 时 没有 游离 的 氧 分 子 ， 而 主要 成 分 是 水 蒸汽 、 甲 烷 、 氮 气 、 氨 、 二 氧化 碳 和 一 部 分 氧气 ， 另 外 还 有 和 氰 化 氧 、 硫化 所 等 。 这 些 气体 在 外 界 高 能 量 自然 力 〈 例 如 闪电 、 紫 外 辐射 、 宇 宙 射 线 等 ) 的 作用 下 ， 就 有 条 件 合 成 一 系列 有 机 化 合 物 ， 最 重要 的 是 合成 了 一 些 将 成 为 组 成 生物 大 分 子 的 单 体 分 F, GRABER. BTR. BH. Hi, RS. 组 成 现代 生物 体 结 构成 分 的 单 体 分 子 种 类 很 多 。 由 支原体 的 化 学 成 分 分 析 推 测 , 地 球 上 的 原始 细胞 至 少 要 由 30 种 不 同 的 生物 分 子 组 成 ， 这 些 分子 也 被 称 为 基本 生物 分 子 , 其 中 包括 二 十 种 氨基 酸 、 五 种 含 氮 的 芳香 族 碱 基 ， 一 种 脂肪 酸 、 两 种 单 糖 以 及 甘油 和 胆 碱 。 二 十 种 氨基 酸 为 甘 、 丙 、 纺 、 亮 、 异 亮 、 丝 、 蛋 、 苏 、 葵 两 、 酷 、 色 、 半 胱 、 且 、 天 冬天 冬 栈 腕 、 谷 、 谷 氨 酰 胺 、 组 、 精 . 雹 〈《 有 人 推测 原始 细胞 只 需要 十 五 种 氨基 酸 ); 五 种 含 氮 碱 基 为 ， 尿 喀 啶 、 胞 喀 啶 、 胸 喀 啶 、 腺 嘎 叭 、 鸟 便 味 叭 ;一 种 脂肪 酸 为 软 脂 酸 ， 两 种 糖 为 w-D- 葡 萄 糖 、a-D- 核糖 。 这 些 生物 分 子 可 以 相互 转化 ， 如 葡萄 糖 的 部 分 结构 可 以 转变 为 丙 氨 酸 和 天 冬 氨 酸 的 碳 于 ， 也 可 以 转变 为 软 脂 酸 的 碳 干 。 这 些 生物 分 子 也 可 以 通过 其 它 化 学 途径 转变 为 现 有 的 全 部 105 生物 分 子 ， 如 当今 生物 界 发 现 的 氨基 酸 总 共 约 一 百 五 十 种 ， 几 乎 都 是 组 成 蛋白 质 的 二 十 种 党 见 氨基 酸 分 子 的 衍生 物 ， 七 十 多 种 单 糖 都 来 源 于 葡萄 糖 ， 脂 肪 酸 种 类 也 很 多 ， 不 同 的 脂肪 酸 全 由 软 脂 酸 转变 而 来 。 由 于 原始 地 球 大气 中 氧 含量 极 低 ， 没 有 a 。 臭 氧 层 ， 照 到 地 球 表面 上 的 紫外 线 辐 射 〈 特 别 是 高 能 的 短波 部 分 ) 比较 强烈 ， 经 常 电 闪 edu, 雷 又 ,火山 爆发 也 十 分 频繁 ,这 种 环境 有 利于 无 机 分 子 以 及 简单 的 有 机 分 子 不 断 通过 化 学 I 反应 形成 各 种 生物 分 子 。 这 些 有 机 化 合 物 随 Mae 雨水 下 降 ， 经 由 湖泊 和 河流 最 后 汇集 在 原始 : 进 水 “海洋 里 。 经 过 长 期 积累 ， 原 始 海洋 中 不 仅 含 有 由 河水 溶解 和 冲刷 带 来 的 大 量 无 机 盐 类 ， 而 且 还 含有 大 量 不 同 种 类 的 有 机 化 合 物 ， 成 -含有 机 物 的 水 “为 营养 丰富 的 “ 肉 汤 ” (类 似 于 培养 微生物 ray 的 培养 基 ) 区 图 3-1 米 勒 的 实验 装置 12-2 实验 室内 的 人 工 合成 模拟 原 始 地 球 条 件 ， 对 有 机 化 合 物 的 非 生物 合成 进 行 了 多 次 实验 ， 表 明 这 种 可 能 性 是 完全 存在 的 。 第 一 个 成 功 的 试验 : 1953 年 美国 学 者 米 勤 等 进行 第 一 个 成 功 的 模拟 实验 。 他 们 在 烧 瓶 中 装着 甲烷 〈20 毫 米 Hg) . A 〈20 毫 米 Hg) . AR C1008 KHE) 和 水 蒸汽 ， 将 烧瓶 加 热 ， 使 内 容 物 保持 沸腾 ， 在 反应 器 中 放电 (~60 TK, 模拟 原始 时 代 的 雷电 和 高 温 条 件 ) ， 生 成 物 经 冷凝 管 冷却 ， 通 过 TU 形 管 环流 到 烧瓶 中 。 一 周 后 鉴定 反应 产物 ， 发 现 产生 了 丙 氨 酸 、 甘氨酸 等 氨基 酸 和 乳 酸 等 羟基 酸 。 分 析 仪器 中 的 气体 时 ， 发 现 除 未 反应 的 气体 外 ,还 产生 了 CO,, CO, N,MHCN, (A 3-1) 米 勤 认为 HCN 是 重要 的 中 间 产 物 ， 由 NH, 和 CH, Am); HCN 与 醛 [也 是 中 间 产 物 ， 由 CO 和 NHs 合成 (2)] 及 氨 反 应 形成 氨基 县 ， 再 被 水 解 而 成 为 氨基 酸 (3)， (1) CH4+NH3s 一 一 HCNT+3H2 (2) CO+NHs ——> HCN +H20 ; H20 (3) R—CHO+NHs3+HCN 一 一 > Re ach 一 -一 > BR NHez NH Ex 氰 化 氢 A FE Hit A FER 米 勤 的 实验 证 明了 氨基 酸 可 以 由 简单 的 有 机 物 和 氨 产 生 ， 并 说 明 在 原始 地 球 大 气 中 ， 当 发 生 放电 现 象 如 雷电 ) 时 ， 有 可 能 出 现 生 物 大 分 子 单 体 一 一 氨基 酸 等 化 合 物 。 人 工 合成 生物 分 子 的 进展 : 继 米 勤 实验 成 功 之 后 ，20 多 年 中 经 过 很 多 实验 室 的 工作 , 有 机 化 合 物 非 生物 合成 的 模拟 实验 进一步 取得 不 少 进展 。 下 面 分 别 阐述 各 种 生物 分 子 人 工 合成 的 实验 进展 。 氨基 酸 ， 一 是 模拟 原始 地 球 还 原 大 气 的 组 成 ， 借 助 于 各 种 能 源 〈 如 放电 、 紫 外 线 、 冲 击 波 、 高 温 等 ) 以 及 某 些 无 机 化 合 物 的 表面 催化 作用 而 进行 ,大 体 上 已 经 合成 了 组 成 蛋白 质 的 二 十 种 氨基 酸 的 全 部 。 氨 基 酸 合成 除了 上 述 的 方式 外 ， 还 模拟 了 原始 海洋 的 微 碱 性 条 件 ， 通 过 106 HCN 聚合 物 的 水 解 ， 产 生 甘 、 天 冬 、 两、 谷 . 异 亮 等 氨基 酸 ， 例 如 两 分 子 HCN RAR ACN RK: 2 HCN 一 一 H—C=NH C=N HCN 二 聚 体 可 水 解 生成 甘氨酸 eel 2H20 一 一 > HC—NH2+NHs CN COOH 甘氨酸 二 聚 体 也 可 再 加 HCN 生成 三 聚 体 : oh ag HCN | HG=NH ——> H—C—NHa CN CN =e fk oA B-ARM. a, B- 一 氨基 两 酸 ， 或 再 与 了 CN 作用 生成 四 聚 体 ,后 者 水 解 生成 天 冬 氨 酸 : i | HCN 2H20 H—C—NH2 一 一 > H—C—NH2 ——>. K*£ AMR | 和 CN C=N mk, BATA. HCN 聚合 后 ;经 过 -系列 过 程 ,可 以 生成 各 种 厌 叭 和 喀 啶 碱 基 : 2 -脱氧 核糖 可 用 柴 外 光 作 用 于 围 本 而 形成。 ohaphapieatigiaalataat rast H2N Lees 2NHs 一 -一 > rere H HC—NHa2 Mit A= RA HeN—C=NH 2- Re i A = DK GE) 甲 胶 - C= MCE) BHI ey wn’ HN=C + HN=C—H ——> HN=C + 2NH3 HC—NHez H2N HC 一 Ny | | PCH HeN—C=NH H2N 一 atone’ = (45) BK BK 4- DK CHE) - 5 - SUSE pk ei me pis H-—C=NH + bain 一 -一 > Te +, 2NH3 HC—N HC C--N | Scu ¢ (ou>or HzN—C—N C—N H H Hip BA 4- BK C2E )-5- at RM 107 单 糖 的 模拟 合成 ， ~CHO CHOH CH20H HCHO HCHO HCHO 2HCHO 一 一 > CHO 一 一 > | Hie —— > Tara woe CH20H vasa 乙醇 醛 C=O 甲醛 核 苷 的 模拟 合成 产 率 很 低 ， 原 始 地 球 条 件 下 核 苷 形成 的 途径 还 不 清楚 。 核 苷 酸 的 模拟 合成 ， 核 苷 和 聚 磷酸 在 紫外 辐射 下 可 以 生成 核 苷 酸 ， Fw Rae ee Be 产 率 。 路 啉 的 模拟 合成 : ;生物 进化 中 至 少 有 两 个 阶段 需要 路 啉 参加 ， 一 个 是 有 吉 于 时 绿 素 的 光 合作 用 的 进化 阶段 ,大 约 在 2x10* 年 以 前 ; 另 一 是 有 赖 于 血红 素 的 有 氧 呼 吸 作用 的 进化 阶段 ， 至 少 在 6x 10° 年 前 。 原 始 地 球 条 件 下 ， 中 啉 由 甲醛 和 吡咯 作为 前 体 而 合成 ， mE 形成 ， 在 合成 吡咯 前 先 合 成 为 中 间 产 物 半 乳糖 二 酸 。 其 它 生 物 分 子 ， 如 脂肪 酸 和 芒 酰 胺 等 的 合成 工作 也 己 有 所 报道 。 1:3 生物 大 分 子 的 合成 必须 由 许多 有 机 分 子 单 体 进一步 聚合 才能 成 为 生物 大 分 子 。 sat 1301 聚合 作用 与 条 件 LAM)DAFERGWREBRZA, | ATR Dia — 35 KERN KADA RR, HEEWKAF. SHEDDAFRREDKS FH Bet 相似 的 ， 例 如 ， 多 个 葡萄 糖分 子 形成 淀粉 ,多 个 氨基 酸 分 子 生 成 蛋白 质 , 多 个 核 苷 酸 分 子 生成 核酸 ， 合 成 过 程 共同 的 特点 ， 都 是 在 两 个 相 邻 的 前 体 小 分 子 间 移 去 一 个 水 分 子 。 (图 3-2) A。 磷 脂 的 合成 : CH2--OH H:0OC—R’ «>, CH2—-O0C—R’ CH OH + H!00C—R”’ SHS cH ee eR Page CHe+OH H:0 #RIEW CH2—O BF Pe He ia fs B。 双 糖 的 合成 iz eet eS - H20 HO-#3%—OH + Hi;O- 单 糖 -OH > HO- #4 #f-O- 24 8f-OH ta] C. ~KHAK R R’ R R/ A, ree et H | if | | H2N 一 CH 一 CO;OH + H'N—CH—COOH =H20.. 1.N—CH—CO+NH+ | chan bnew mewn wen nee 5A 3 PRA 氨基 酸 B 3? 有 3-2 “有 机 小 分 子 单 体 聚合 成 大 分 子 时 的 脱水 缩合 反应 108 移 去 水 分 通常 可 用 两 种 方式 。 一 是 在 无 水 环境 中 进行 反应 ， 为 此 ;必须 使 反应 温度 高 于 水 的 沸点 ,使 水 容易 化 汽 而 逸 去 ， 二 是 反应 中 有 化 学 凝聚 剂 参加 ， 就 可 以 吸附 反应 生成 的 水 。 脱水 可 以 改变 上 述 反 应 的 平衡 方向 ， 有 利于 聚合 过 程 的 进行 ,两 种 脱水 方式 所 需要 的 条 件 原 始 地 球 都 是 具备 的 。 在 原始 海洋 中 生物 小 分 子 ， 如 氨基 酸 \ BHRSES, 不断 积累 ， 经 蒸 发 、 冰 冻 解 融 、 潮 汐 运动 ， 被 浓 集 在 无 机 矿物 形成 的 粘土 颗粒 上 ， 在 凝聚 剂 和 合适 的 金属 离 子 (iy Cu**, Ni**, Zn?*) BHP, 分 别 缩合 形成 原始 的 蛋白 质 和 核酸 分 子 。 原 始 地 球 上 的 凝聚 剂 大 都 是 氰 的 衍生 物 ， 如 碳化 二 亚 胺 (CHN 一 C 一 NH) 、 和 氰 酸 盐 CMOCN), MA [(CN),，] 、 和 氰 乙烯 磷酸 (N=C—CH=CH—OPO,;) MAZARH (N=C—C=CH) ; 另 wh, ARB C—O—PO,- - (0 二 PO:-)..O 一 PO, -一 0 一 ] 等 。 原始 地 球 高 于 水 沸点 的 情况 也 是 存在 的 。 火 山 爆发 喷 出 的 熔岩 横 溢 所 及 处 ,以 及 局 部 地 表 热 区 ( 比 现 在 多 ) 的 温度 ,都 可 能 达到 并 超过 水 的 沸点 ,为 生物 大 分 子 原 始 合成 提供 了 条 件 。 据 推测 ， 开始 时 所 生成 的 蛋白 质 和 核酸 分 子 结构 比较 简单 ， 有 序 程度 比较 低 ， 功 能 也 不 够 专 一 。 经 过 若干 亿 年 的 继续 进化 ， 才 逐渐 完善 起 来 。 1.3。2 “人工 合 成 生物 大 分 子 的 模拟 实验 生物 大 分 子 合成 的 模拟 实验 进行 较 多 ， 也 取 得 不 少 成 效 。 多 肽 的 合成 : Me 1965 年 我 国 第 一 个 人 工 合成 了 具有 生物 活性 的 牛 胰岛 素 《由 5 PE 酸 组 成 ) 以 来 ， 国 外 也 相继 合成 了 含有 124 个 氨基 酸 的 牛 胰 核 糖 核酸 酶 。 其 理论 依据 为 ; RH ARB: 该 理论 的 要 点 是 原始 地 球 上 产生 的 甲醛 和 氨 与 HCN 反应 ， 生 成 氨基 己 县 ， 后 者 聚合 后 ， 亚 氨基 被 水 解 ， 生 成 聚 甘氨酸 。 HCHO+NHs+HCN ——> HeNCH2CN +H20 a 3 ZH NH 有 4 - nHeNCH2CN——> (—NHCH2C—).-* 2420 > (一 NHCHsCO 一 )。+ nNHs eH REAR SERRA WMBRRER MW, ARS AERA OE. RH A 氨 酸 残 基 与 甲醛 或 乙 醛 作用 ， 变 成 了 丝氨酸 或 苏 氨 酸 的 残 基 ， 与 丙烯 或 丁 烯 -2 作用 , A ese 氨 酸 或 亮 氨 酸 的 残 基 ， 与 芳香 醛 结合 ， 生 成 苯 丙 氨 酸 残 基 等 。 因 为 所 有 的 蛋白 质 都 可 以 看 作 是 聚 甘氨酸 的 多 元 取代 物 ， 聚 甘氨酸 wx- 五 的 被 取代 就 能 形成 不 同 的 多 肽 和 和 蛋白质。 7 1 了 上 | a Ret —NH—CCONHCCONHCCONHCCO— —NHGCONHCCONHCCONH GCO— i XH AR a 质 (1) 49 ARAYA MK: —HNCHCO— + CH—CHs “一 一 > —(NHCHCO)— H CHe oe 丙烯 CHs AR 109 (2) 丝 、 半 胱 、 天 冬 氨 酸 的 生成 ， ‘HCN +H20 —HNcHCO~ *HCHO... —HcHco -=H#0.. —HINCCO———>—HNCHCO— > —HINCHCO Mi CHs011 bits . CH2 六 EEC HAR 丝氨酸 Wi AR Am mei pea [is ARGU RAR —HNCHCO— CEESH RB (3) 亮 氮 酸 的 生成 : (4) 异 亮 氨 酸 的 生成 : —HNCHCO— + CHs — —(NHCHCO)— --HNCHCO— +CHs 一 一 > — (NHCHCO)— Cacti Ctl 4 cu CH—CHs CHs CH 一 CHs CH—CHs CaHes_ ST it CHs ii 亮 氨 酸 丁 烯 -2 AT LR (5) 鸟 、 谷 、 精 氨 酸 的 生成 : 还 原 NH2CN —(NHCHCO)— +CHz—>— eat nat 一 一 一 > 一 eee 一 一 一 一 ~ 一 ee a H Cr CHs2 CHz CHsz bn bits bits bits Z Fit Hit dn bits bits | Ne NH 一 4NHCHCO) 一 : ZAR | nee _ bets r 3 \He ’ i Ol te 有 coon 1 et 2 sch go 谷 氢 酸 (6) 赖 氨 酸 的 生成 : —(NHCH2CO)— —(NHCHCO)— —(NHCHCO)— —(NHCHCO)— —(NHCHCO)— CHe bite CH 2 bits bits by 一 一 > bits bea CH bite 709 wah bits wao HOH Hts CHe CHs _(NHCHaCO) 一 _NHCHco)- —(NHCHCO) — HaNCHCOOH H2NCHe i Am 110 — a eh tee Or (7) 芳香 族 氨基 酸 的 生成 : —(NHCHsco)— + {CHO —-> = (NHCHCO) — —> —(NHECO) — —> = (NHCHCO) — | CH-OH CH CHs dats Maen read) NZ ‘7 V7 HE Hk oe AR PAB Se PE BAN RAR AZ. SE. RA WA A, OM. Of. AA. a S. SAG. tH. Ms. 按照 这 个 观点 ， 除 甘氨酸 外 ， 组 成 蛋白 质 的 其 它 所 基 酸 都 应 形成 在 蛋白 质 (多 肽 ) 之 后 ， 从 现代 生物 化 学 知识 看 来 ， 似 乎 不 合 逻 辑 。 | 类 蛋 自 的 合成 : 美国 学 者 福克斯 CS. Fox) 创造 了 固态 氨基 酸 的 热 缩 合法 ， 标准 方 法 是 用 一 份 天 冬 氨 酸 、 一 份 谷 氨 酸 和 一 份 蛋白 质 常 有 的 十 六 种 其 它 氨 基 酸 的 等 克 分 子 混 合 物 ， 在 无 水 条 件 下 ，1707T 高 温 加 热 6 小时， 得 到 淡 琥 珀 色 的 透明 产物 ， 性 质 与 蛋白 质 相似 , 所 以 称 为 类 蛋白 。 后 来 ， 他 又 进一步 模拟 原始 地 球 条 件 ， 将 热 的 熔岩 与 “原始 的 肉 汤 ” 相 接触 ， 使 汤 液 沸腾 ， 原 始 汤 液 中 的 氨基 栈 也 能 形成 标 色 粘 笛 的 类 蛋白 。 类 蛋白 与 天 然 蛋 白 相 比较 ， 相 似 处 有 : “GD) 类 蛋白 分 子 量 训 高 达 4,000 一 20,000。 (2) 氨基 酸 组 成 较 完 全 ， ILE RRO AREAS (3) 溶解 性 相似 ， 可 深 于 水 、 稀 酸 、 稀 碱 和 稀 盐 溶液 。 (4) 类 蛋白 可 被 高 浓度 中 性 盐 析 出 ， 可 被 蛋白 试剂 “〈 磷 钓 酸 等 ) 沉淀 。 (5) 者 的 类 蛋白 有 酶 活性 或 激素 活性 ， 已 知 的 类 蛋白 能 催化 丙酮 酸 及 草 酰 乙酸 脱羧 、 葡 GA w BR RI CO, ,a- faye 酸 与 谷 氨 酸 之 间 的 相互 转变 ; 己 知 类 蛋白 有 促 黑 色 素 细胞 激素 活性 。 不 同 处 有 : (1》 疆 构 上 上， 类 蛋白 内 氨基 酸 之 间 虽 然 主要 是 以 肽 键 相 连 ， 但 由 于 聚合 时 氨基 酸 间 的 不 正常 交 联 “〈 谷 氨 酸 的 Y- 羧 基 、 KA ABA P-FREM MARA e-RH) 以 及 聚合 过 程 中 赔 氮 和 脱羧 的 未 知 产物 挨 入 到 聚合 物 中 ， 因而 组 成 很 复杂 ， 对 蛋白 水 解 酶 很 不 敏感 即使 使 用 广 详 蛋 白水 解 酶 水 解 ， 甚 至 用 酸 水 解 ， 氢 基 酸 回收 率 都 很 低 ， 有 的 样品 只 达 20% 。 由 此 可 见 ， 这 知 类 蛋白质 还 不 是 真正 的 蛋白 质 ， 分 子 中 除 有 一 定量 的 肽 键 外 ， 尚 存在 着 相当 大 量 其 它 各 种 类 型 的 化 学 键 。 | (2) 生物 学 活性 很 低 。 酶 是 活 细 胞 产生 的 生物 催化 剂 ， 激 素 是 生物 体内 产生 的 代谢 调节 剂 ， 而 某 些 类 蛋白 能 呈现 这 些 生 物 学 活性 ， 可 以 推测 它们 可 能 出 现在 有 生物 以 前 的 地 球 上 ， 将 会 起 促进 真正 的 生命 物质 系统 的 发 生 和 发 展 的 作用 ， 这 是 十 分 有 意义 的 。 因 为 从 无 机 催化 向 有 机 催化 的 转变 是 生命 起 源 过 程 的 一 个 转折 点 。 遗 憾 的 是 它们 呈现 的 生物 学 活性 很 低 ， 往 往 仅 比 某 些 含 氨 基 酸 的 多 聚 物 高 些 ， 而 且 酶 活性 多 为 降解 活性 ， 而 进化 上 最 有 意义 的 应 该 是 聚合 酶 活性 的 名 现 。 最 近 报 道 ， 革 些 碱 性 类 蛋白 和 微 球 体 一 起 ， 能 够 催化 ATP 形成 少量 三 聚 腺 苷 酸 ， 似 乎 表现 出 一 定 的 核酸 聚合 酶 活性 : ET 11} 这 里 ， 还 需 讨 论 类 蛋白 组 成 的 氨基 酸 顺 序 问 题 。 我 们 知道 ， 蛋 白质 生物 合成 的 氨基 酸 顺 序 是 由 mRNA 的 核 苷 酸 顺 序 决定 的 。 从 纯 数 学 观点 来 看 ,固态 氨基 酸 热 缩合 成 的 类 蛋白 ,可 以 形成 无 数 类 型 的 类 蛋白 ， 而 实验 结果 形成 的 类 蛋白 种 类 却 是 有 限 的 。 福 克 斯 试图 用 类 蛋白 对 组 成 氨基 酸 有 不 同 的 选择 性 ， 以 及 处 于 生长 中 的 肽 链 末 端 存在 特定 的 氨基 酸 来 解释 类 蛋白 中 氨基 酸 顺 序 的 非 随机 性 。 例 如 ， 类 蛋白 中 ， 很 多 是 以 谷 氨 酸 开始 的 ， 这 可 能 由 于 谷 氨 酸 在 聚合 时 首先 形成 焦 谷 氨 酸 ， 以 焦 谷 氨 酸 为 起 点 开始 肽 链 的 延长 : rs ple HOOC—CH2z—CH—COOH 一 一 > G CH—COOH re ie NHaz Od oN H AR REAR PRs 站 GHo 一 CHNz zt C CH—COQOH + HN—CH—COOH ——>C CHCQO—N—CH—COOH PROS H PN US. H BER SA AB ik 由 此 推论 ， 原 始 蛋白 中 决定 氨基 酸 排列 顺序 的 信息 不 是 别 的 ， 而 是 氨基 酸 本 身 的 选择 性 反应 能 力 。 这 样 就 过 分 简单 地 解释 了 当 没有 酶 和 遗传 密码 存在 时 ， 原 始 蛋白 的 顺序 性 来 源 问 题 。 从 小 分 子 单 体 本 身 的 反应 选择 性 来 寻求 其 多 聚 体 中 单 体 组 成 的 非 随机 性 ， 有 可 取 之 处 。 但 从 统计 学 概念 出 发 ， 这 种 非 随机 性 很 难 象 福克斯 所 说 的 那样 能 同 天 然 蛋 白 的 顺序 性 相 比 拟 。 对 于 化 学 进化 中 ， 多 聚 物 的 有 序 性 出 现 这 一 关键 ， 还 必须 从 更 多 方面 予以 探索 。 氨基 酸 多 聚 物 的 热 缩合 成 虽 已 在 很 多 实验 室 中 得 到 证 实 ， 产 物 类 蛋白 与 天 然 蛋 自 也 具有 很 多 共同 点 ， 然 而 ， 由 于 天 然 蛋 白质 的 热 不 稳定 性 ， 因 此 能 否 在 高 温 条 件 下 合成 真正 的 蛋白 质 ? 并 且 目 前 所 知 各 种 蛋白 质 都 在 细胞 内 的 有 水 环境 中 合成 ， 和 王 热 缩合 反应 的 条 件 似乎 巴 盾 。 因 些 ， 类 蛋 和 折合 成 是 否 能 代表 原始 蛋白 起 源 ， 开 始 时 有 些 争 议 。 近 年 来 由 于 细胞 学 和 生 化 学 等 学 科 的 进展 ; 认为 蛋白 质 生物 合成 和 类 蛋白 的 原始 合成 一 样 ,， ie EB SEP 行 的 。 至 于 蛋白 质 热 不 稳定 性 尚 有 下 列 情况 ， 即 蛋白 质 的 水 溶液 在 加 热 时 容易 变性 ， 但 是 加 热 干 蛋白 质 时 ,变性 作用 要 慢 得 多 ;， 而 且 类 蛋白 是 在 相对 无 水 的 条 件 下 产生 的 , 肽 键 形 成 时 产 生 的 水 处 在 沸点 以 上 ， 不 可 能 作为 催化 蛋白 质变 性 的 溶剂 水 ， 因 此 ， 类 蛋白 不 会 迅速 变性 。 虽然 如 此 ， 合 成 类 蛋白 的 条 件 过 于 剧烈 ， 是 否 确实 为 原始 蛋白 合成 的 主要 方式 尚 待 研究 。 使 用 凝聚 剂 合成 聚 氨 基 酸 KES): 常用 凝聚 剂 为 前 已 述 及 的 聚 磷酸 、 氰 化 氮 、 碳 化 三 亚 胺 及 其 衍生 物 ; 反应 条 件 较 缓和 ， 如 用 聚 磷酸 为 凝聚 剂 ， 氨 基 酸 在 50~ 600 MAT A KEG. KSAT RRMA (或 粘土 ， 都 是 凝聚 剂 ) 所 加 强 ， 如 有 Curt, Nit* 存在 ， 反 应 将 更 为 加 速 。 ai 此 外 ;也 有 用 氨基 酸 的 活性 化 合 物 一 -氨基 栈 腺 苷 酸 为 原料 进行 聚合 ， 来 模拟 蛋白 质 生 物 合 成 ，pH 9.0 时 ， 常 温 下 可 生成 高 分 子 量 的 类 蛋白 。 多 聚 核 苷 酸 的 合成 多 聚 核 音 酸 人 工 合成 的 工作 进展 较 多 肽 要 慢 ， 无 论 在 纯化 学 合成 广 面 ， 还 是 在 模拟 实验 方面 。1978 年 3 月 我 国 报道 人 工 合成 了 到 16 BM, SSUES 112 RAB 31M (AA). , LMR ATE ARAL I, MDNR «1000 A TT ARS, 4 50~SO CHARM, TUARSRREM. AXLADEARMER, oF 量 为 1 OE an Cl eat ap ey apt ae 背 酸 ， 它 与 天 然 核酸 结构 一 样 ， 含 有 3 ,5/ 磷酸 二 酯 键 。 近 来 报道 ， 在 碱 性 条 件 下 用 1;2- 二 氨基 乙 烧 作 催 化 剂 ， 可 使 2' ,3' - 环 化 单 磷酸 腺 童 在 常温 下 聚合 ， 得 到 可 观 数量 的 多 聚 物 , HE ANE 13~14, BAH, RA AEMALTLI RAEN, Zo" 能 促进 聚合 反应 。 SERERMMEDEREE, AWEARTA-BERNRS » TR BEER AI SMELT M.A Mh — BEE RAY NR ERI I SA 总 之 ， 模 拟 原始 地 球 条 件 ， 如 何 使 小 分 子 单 体 实现 聚合 ， 是 目前 化 学 进化 研究 的 关键 问 题 ， 至 今 尚未 得 到 令 人 满意 的 结果 。 如 果 这 一 关键 问题 有 所 突破 ， 对 于 了 解 生命 起 源 的 规律 将 是 一 个 决定 性 的 推动 。 原始 地 球 条 件 下 ， 由 无 机 物 、 生 物 小 分 子 组 成 生物 高 分 字 的 进化 途径 概括 在 图 3-3 中 。 -4 ， 多 分 子 系统 与 非 细 胞 形态 生命 的 出 现 1.4。1 多 分 子 系统 与 非 细 胞 形态 生命 出 现 的 假设 OAT FRB 化 学 进化 到 生物 进化 的 转折 点 。 生 物 大 分 子 如 何 形成 多 分 子 系统 ? 非 细 胞 & 形态 生命 如 何 出 现 ? 人们 作 了 很 多 研 究 。 但 是 自然 界 中 发 生 的 这 一 转变 过 程 ， 目 前 还 没有 得 出 很 好 的 模型 ， 还 不 能 在 实验 室 中 验证 和 重复 。 为 解决 这 些 问 题 ， 还 得 进行 大 量 工作 。 多数 科 学 家 认为 生命 起 源 于 原始 海洋 。 蛋 白质 、 核 酸 、 多 糖 和 脂 类 等 重要 的 生物 大 分 子 ,， 在 原始 海洋 中 不 断 积累 ， 浓 度 不 断 增加 〈 由 于 蒸发 、 吸附 和 冰冻 等 条 件 ), 在 水 溶液 中 相互 作用 ， 聚 集成 多 分 子 系统 ， 与 水 环境 之 间 形 成 了 “界面 ”， 成 为 相对 独立 于 环境 的 物质 系统 ， 出 现 了 自我 更 新 与 自我 复制 现象 ， 非 细胞 形态 的 生命 就 在 原始 地 球 条 件 下 诞生 了 由于 原始 地 球 表 面 环境 的 多 样 性 ， 有 机 物质 所 遭遇 的 命运 是 不 同 的 。 有 的 地 方 有 机 物质 (特别 是 氨基 酸 和 它 的 聚合 物 ) 分 解 了 ， 有 的 则 参与 了 聚合 并 进一步 复杂 化 。 即 使 是 发 生 了 分 解 的 情况 ， 由 于 环境 条 件 的 改 变 ， 例 如 由 于 两 水 而 被 冲 走 ， 离 开 了 破坏 它们 的 短波 紫外 辐射 或 别 的 能 源 ， 已 分 解 的 产物 可 能 重新 合成 复杂 的 有 机 分 子 以 至 原生 体 。 因 此 在 同一 时 间 里 ， 生 命 起 源 的 过 程 在 地 球 的 各 个 地 方 必然 处 于 不 同 的 发 展 阶段 。 距 今 34 亿 年 以 前 “可 能 更 早 )- 的 地 球 上 ， ,生物 大 分 子 、 多 分 子 系统 和 原始 生命 类 型 同时 存在 ， 这 一 时 期 可 能 延续 至 无 氧 大 气 告 终 (18 一 14 亿 年 前 》 时 才 结束 。 在 这 么 长 久 的 并 存 时 期 里 ， 生 命 多 次 地 在 许多 地 方 连续 地 或 词 断 地 发 生 。 在 原始 地 球 条 侍 下 ， 富 于 复杂 有 机 物质 的 局 部 水 域 中 ， 各 种 类 型 的 原始 生命 体 ( 原 生体 ) 113 S P Mg Cu Mo Fa a— 7 7 real | : FR 辅酶 oi mx RAK Aa og i 3+3 egg te at eso 普遍 地 、 大 规模 地 发 生 了 。 各 种 原生 体 由 于 本 身 化 学 组 成 和 结构 不 同 ， 它 们 的 稳定 性 也 是 不 辣 的。 稳定 性 差 的 类 型 在 形成 以 后 停 沾 不 前 甚至 发 生 解体 现象 ， 稳 定性 较 好 并 有 发 展 可 能 的 类 型 不 但 保持 下 来 ， 而 且 能 进一步 增长 和 发 展 。 有 人 认为 自然 选择 对 原生 体 的 发 展 也 是 起 作 用 的 ， 而 且 对 原生 体 进化 到 原始 生命 类 型 具有 决定 意义 。 通 过 这 样 的 选择 作用 ， 原 生体 结构 中 开始 形成 原始 的 适应 性 。 适 应 性 差 的 原生 体 发 生 解 体 成 为 “碎片 ”， 这 些 碎片 或 者 重 又 聚 集 形成 新 的 原生 体 ， 或 者 被 进化 中 较为 高 级 类 型 的 原生 体 吸 收 而 加 以 利用 。 在 自然 选择 的 作 用 下 ， 原 生体 组 旬 地 进化 ， 前 进 过 程 中 不 可 避免 地 伴随 着 许多 倒退 、 失 误 和 反复。 然而 ， 一 旦 以 蛋白 质 二 核酸 系统 为 基础 的 原生 体 由 于 出 现 了 多 核 音 酸 与 多 肽 之 间 的 密码 关系 ， 它 们 的 稳定 性 和 适应 性 显著 提高 ， 因 而 得 到 优先 发 展 ， 繁 育 了 众多 的 后 代 ， 成 为 地 球 上 所 有 曾 出 现 过 的 生命 类 型 的 唯一 优胜 者 。 原 始 生命 类 型 的 许多 平行 进化 路 线 ， 除 了 这 一 支 外 ， 都 在 不 同 时 期 中 断 ， 代 表 这 些 进 化 路 线 的 所 有 生命 类 型 都 先后 灭绝 了 。 图 中 I 为 化 学 进化 ， 原 始 地 球 表面 上 和 大 气 审 各 种 AMKAWMELEDER, CEMARMWAUMLA BY HL, WR aM LA ah ke AL BUR. 1.2, 3 Sp He ROLL DUE I. AE RR ws 青 的 大 分 子 化 合 物 ， 而 不 能 再 进一步 变化 。T 为 让 化 学 进化 向 生物 进化 过 渡 。 各 水 域 中 各 种 类 型 原生 体 的 形成 和 原生 体 的 进化 。 图 中 左边 的 原生 体 表 示 册 单一 种 类 的 聚合 体例 如 多 肽 组 成 的 ， 其 它 分 别 为 多 肽 一 类 脂 ， 或 糖 一 类 脂 ， 或 甚至 是 由 今日 生物 体 中 不 存在 的 有 机 化 合 物 | 所 组 成 的 。 只 有 图 的 中 间 所 表示 的 原生 体 〈 由 多 肽 一 多 40 多 亿 年 前 核 昔 酸 所 组 成 的 ) 在 生存 斗争 中 是 唯一 的 优胜 者 ， 然 后 图 3-4 具 命 将 发 生 和 进化 示意 图 进化 为 今日 一 切 物 种 的 共同 远 祖 。 其 它 的 原生 体 都 灭绝 Lweete, Leheeena: . SA PRTWRRRR. PRE. BAH 物 进化 过 渡 ， 重 为 生物 进化 远 祖 类 型 ， 以 统一 的 蛋白 质 一 核酸 生化 系统 为 基础 ， 进 行 达尔 文 式 的 趋 异 进化 。 使 后 物 的 形态 和 结构 愈 来 愈 复 杂 和 多 样 化 。( 图 3-4) 模拟 原始 地 球 条 件 组 成 “多 分 子 系统 ”获得 较 大 成 效 的 有 Mak: “ 微 球体 ” 两 种 模型 ， 分 别 介绍 如 下 。 1.4。2 团聚 体 苏联 学 者 奥 巴 林 提 出 ， 原始 细胞 〈 也 称 为 原生 体 ) 是 由 一 个 或 多 个 有 具 催化 活性 的 大 分 子 〈 和 蛋白质) 围 以 界 膜 而 形成 的 ， 能 使 细胞 成 分 精确 复制 的 遗传 机 构 ， 则 是 在 生物 进化 中 后 来 才 出 现 的 东西 。 他 认为 原始 “ 肉 汤 ” 中 大 分 子 化 合 物 在 适宜 的 环 进 条 御 下 ， 缔 合 为 多 分 子 系统 ， 溶液 形成 界面， 成 为 形状 不 规则 的 征 滴 -团聚 体系 统 ， 它 就 是 现 代 细胞 的 前 身 。 除了 一 种 或 几 种 蛋白 质 可 以 形成 团聚 体外 ， 蛋 白质 一 RNA、 蛋 白质 一 DNA、 蛋 外 质 一 糖 炎 、 蛋 自 质 一 核酸 一 糖 类 等 等 ， 在 一 定 的 水 溶液 条 件 下 都 可 以 形成 团聚 体 。 奥 巴 林 多 年 以 前 就 混 台 了 天 然 的 或 人 工 合成 的 多 肽 和 多 核 苷 酸 溶液 ,在 一 般 的 温度 和 P 瑟 条 件 下 ， 从 稀 溶 液 中 分 离 出 在 显微镜 下 能 看 到 的 多 分 子 复 台 物 一 一 团聚 体 小 滴 。 当 聚合 物 浓 度 达 到 10% 以 上 时 ， 聚 合 物 几 乎 全 部 从 周围 溶液 转 入 小 滴 中 。 奥 巴 灯 把 它 看 作 原 生体 的 模型 ， 他 认为 发 生 在 原始 水 域 中 的 有 机 物 反 应 是 杂乱 无 章 的 ， 114 | Ta A PR HG EI MIA 身 是 处 于 动态 平衡 状态 中 的 化 学 开放 系统 ， 即 外 界 物 质 不断 地 进 六 团聚 体 ) 并 在 其 中 进行 从 学 反应 ， 生 成 物 又 不 断 排 鞋 外界。 系统 内 的 化 学 变化 直 于 物质 的 进出 速度 均衡 ， 而 把 整个 系统 维持 在 一 定 水 平 药 稳 定 状态 上: (FA3-5) | ST PEST OEE L,I EMER AB I A A Ht, RMA AIM MET EUR. BEB A BI A 二 系列 化 学 反应 的 进程 。 根 据 比 较 生物 化 学 的 资料 ， 这 些 变化 是 建立 新 陈 代谢 原始 过 程 的 基础 。 没 有 例外 》 所 有 现代 生物 都 具备 这 些 基 本 的 过 程 。 paper OCT YT iin; eae a mS A ARK 1 i 当 将 葡萄 糖 转 化 酶 〈o) 和 B- 演 粉 酶 《B)3 加 在 小 渍 内 时 ， 团 聚 体 可 将 溶液 中 的 1 入 吸收 进去 ， 并 合成 淀粉 ， 又 将 演 基 水解 为 才 菠 糖 ， 排 到 尝 液 中 : 2 AOE ny % 省 tee, gf Key, fae wa Oe > Ven iB" ta ey Py: < fet, Se ， oe BS M By i | Ca) (Bp) 1- 磷 酸 葡 萄 精 一 一 > 1-BRH BH 一 一 > 了 人 woe | 7 | | HsPO« 这 样 ， 物 质 就 不 断 地 流 经 小 滴 ， 并 且 进 行 了 转化 ， 于 是 最 简单 的 新 陈 代谢 模型 就 建成 了 ;如 果 a 和 8 反应 速度 相 平衡 时 ， 物 质 积 能 量 的 交换 不 断 进行 ， er aa ee MR a 的 反应 速度 大 大 超过 有 的 速度 ， 小 滴 就 能 增加 体积 和 重量 。 又 如 ， 将 细菌 多 核 苷 酸 磷 酸化 酶 加 入 到 由 了 RNA 和 组 蛋白 结合 成 的 团聚 体 小 滴 中 去 ， 结 果 溶 液 中 的 ADP 就 能 在 小 滴 中 合成 聚 腺 苷 酸 ， oo nADP x HR = sn a Sa, tile T-BAR NADH 脱 氢 酶 的 团聚 体 。 这 样 的 团聚 体 可 以 使 外 部 进入 的 NADH 的 电子 转移 给 氧化 型 染料 (MR) ，NADH 被 氧化 为 NAD+， 氧 化 型 染料 转变 为 还 原型 染料 (MRE, GRE REIS} MP NADH——> NADH +MR-—>» NAD* +MRHs —>MRHe | Ay MR NAD+ %, MR 一 氧化 型 染料 ， MRH2s 一 一 还 原型 染料 115 Fash, FLY AREA A BUST PED ADF GA AT TE, LE RET CFR, 2K 种 “ 芽 ? 在 一 定 条 件 下 脱落 ,成 长 为 类 似 母 体 大 小 的 子 团 聚 体 ”, SS Fe HH A 由 上 面 看 来 ， 把 团聚 体 作为 原生 体 模 型 是 有 一 定 依据 的 ， 然 而 制备 团聚 体 的 原料 大 多 数 是 现代 生物 体 合成 的 大 分 子 物 质 ， 它 们 关 不 是 原始 地 球 条 件 下 的 化 学 进化 产 物 王 邹 外 天 外 力学 观点 看 ， 团 聚 体 也 是 不 稳定 的 ， 这 是 本 学 说 的 弱点 。 1.4。3 ”类 蛋白 微 球体 ”福克斯 等 人 加 热 浓 缩 类 蛋白 溶液 ， 然 后 缓慢 地 冷却 一 至 两 个 旺 期 ， 在 合适 的 pH 和 一 定 浓度 的 盐 溶液 环境 中 ， 形 成 无 数 的 球状 微粒 。 可 遍 泊 卫 入 二 全 日 微 球 体 。 福克斯 曾经 用 固态 氨基 酸 热 缩合 法 所 得 到 的 类 蛋白 一 一 聚 天 冬 氮 酸 - wy RRS AB Bi AUR RA ABR-RAR. RKAAR-BAR. RKZAR- FARRAR. RGAR -HAR. RAAR-KAB-SAR-HAR-—ALR-R- AAW. ZRAARSKE YE 7K BRB, BET A FR EA HER A. AT AB HAS: AY THER A ETE, FT I HK 然后 小 心地 倒 出 ， 使 其 静 置 冷却 AERA 5 HADES PAC A, PRET 却 ， 这 样 就 能 获得 形象 清晰 的 微 球体 。( 图 3-6) 微 球体 是 一 类 质地 比较 均一 的 小 球 ， 有 时 小 球 可 连 成 串 ， 直 径 为 0.5 一 7 .0 微米 ， 体积 党 受 NaCl 浓度 影响 ， 当 NaCl 浓度 为 1% 时 ， 直 径 最 大 。 微 球体 较 团 聚 体 的 稳定 性 高 。 :图 3-6 :单个 和 成 患 的 微 球体 图 3-7 BEA: 示 界 膜 双 层 结构 和 接合 现象 ” 微 球 体 的 结构 需 用 电镜 观察 。 提 高 固定 液 的 pH， 用 钱 酸 固定 和 染色 ， 界 膜 呈 现 双 层 结 构 (图 3-7) ， 微 球体 进行 格 兰 氏 染 色 时 ， 酸 性 微 球体 呈 阴 性 ， 可 进行 固定 、 离 心 浓缩 和 制 作 切 片 ， 在 高 活 或 低 涂 溶液 中 ， 微 球体 相应 地 收缩 或 脱 胀 ; 微 球 体 具 有 选择 性 屏障 ， 多 糖 的 扩散 远 较 单 糖 慢 ， 直 径 大 的 微 球 体 ， 在 电镜 下 常 可 见 到 双 体 ， 出 现 类 似 细菌 分 裂 的 各 种 状态 (图 3-8) 5 ATP 加 于 含有 含 锌 类 蛋白 微 球体 的 溶液 中 ， 可 以 看 到 微 球体 在 显微镜 下 移动 ， 也 可 算是 生物 运动 的 征兆 ;类 蛋白 微 球体 放置 于 42C 的 母液 中 , 也 可 见 到 类 似 于 酵母 的 出 芽 生殖 过 程 ， 这 些 “ 芽 ”离开 母体 微 球 ， 在 溶液 中 “长 成 ” 微 球 的 第 二 代 。 微 球体 之 间 还 能 接 合 ， 彼 此 内 容 物 互相 沟通 ， 微 球体 内 部 的 小 颗粒 可 由 一 个 微 球 移 向 另 一 个 微 球 ， 很 象 细 胞 的 116 生殖 过 程 。 (图 3-9) 图 3-8 ” 微 球体 双 体 图 3-9 向 球体 “出芽 生 殖 ? 微 球体 还 可 以 由 酸性 类 蛋白 和 碱 性 类 蛋白 加 上 其 它 成 分 而 组 成 ; 含 卵 磷 脂 的 微 球体 有 明 显 的 球体 内 分 隔 ; 复合 成 分 的 微 球体 对 pH 变化 更 为 稳定 ， 由 碱 性 类 蛋白 和 多 核 苷 酸 组 成 的 WOR, A PRE ERs BOR ATE RADE BAUR ROL REBT RMR ARK, WR 苷 酸 易于 与 富 赖 氨 酸 的 类 蛋白 形成 微 球体 ， 聚 鸟 苷 酸 易于 与 富 精 氨 酸 的 类 蛋白 形成 微 球体 。 微 球 体 是 由 模拟 原始 地 球 在 高 温 条 件 下 所 产生 的 成 分 自发 形成 的 ， 作 为 前 生体 的 模型 有 一 定 的 价值 ;然而 ， 微 球体 没有 代谢 作用 ， 也 缺乏 遗传 系统 ， 把 微 球体 作为 具有 一 定 活性 的 生物 大 分 子 系统 ， 或 者 看 成 是 连接 化 学 进化 与 细胞 形态 的 生命 物质 的 中 间 环 节 ， 恺 怕 还 比较 勉强 。 第 二 节 -细胞 起 源 与 进 北 原生 体 是 前 细胞 形态 的 生命 特质 ， 它 应 该 继续 进化 而 成 为 细胞 形态 的 生命 物质 : 只 有 出 现 了 细胞 ， 牺 质 世界 才 真 正 跨 进 了 生命 的 “大 门 "。 然后 是 细胞 结构 的 进一步 完善 ， 终 于 成 为 现代 二 切 生 物体 的 形态 、 机 能 和 发 育 的 基础 。 2.1 细胞 起 源 | | 原始 生命 虽然 具有 生命 的 主要 特征 ， 即 自我 更 新 和 自我 复制 ， 但 还 不 具备 细胞 结构 ， 因 此 ， 它们 的 生命 活动 是 极 有 限 的 。 原 生体 要 成 为 原始 细胞 ,必须 配备 一 个 界 膜 . 一 套 催 化 剂 和 一 个 遗传 模板 系统 。 这 些 必 需 的 生物 学 “装备 ”是 怎样 起 源 的 呢 ? 2eLel 原始 膜 的 形成 ”由 非 细 胞 形态 生命 演化 为 细胞 的 过 程 中 , 膜 的 形成 是 极其 重要 的 一 睫 。 有 了 膜 ， 多 分 子 系统 才能 从 原始 海洋 中 分 化 出 来 ;不 再 与 环境 混 为 一 体 。 它 作为 相对 独立 自主 的 生命 系统 ， SAME it HR A ESE 这 样 就 提高 了 生命 活动 的 效率 。 团聚 体 小 满 与 介质 间 也 有 明显 的 界限， 微 球 体 在 适当 条 件 下 呈现 双 层 膜 结构 ， .都 被 作为 原始 膜 形成 的 模型 。 但 与 现代 细胞 膜 相 比 ， 主 要 的 区 别 是 它们 不 含 脂 质 。 有 关 含 脂 质 的 膜 如 何 原始 形成 的 问题 ， 有 下 列 假说 :, 原始 海洋 中 有 机 质 非常 丰富 ， 极 性 脂肪 〈 以 磷脂 为 主 ) 在 117 风 表面 单 分 子 层 基本 生物 分 子 聚合 物 | td Tes Vy SN ly AYATAYA ATA TATA PUY UU ey a 图 3-10 脂 质 膜 形 成 的 假设 A。 极 性 脂 分 子 在 原始 海洋 水 面 上 形成 单 分 FR; B。 极 性 脂 分 子 与 其 它 分 子 形成 春 泡 ; C。 训 泡 与 水 面 单 分 子 脂 层 相 接触 ! D。 春 泡 陷 入 水 内 而 成 双 层 脂 分 子 的 脂 质 体 。 水 面 上 可 以 自发 地 以 单 层 分 子 排列 ; 极 性 基 在 水 中 5 政 水 的 烃基 游离 在 空气 中 。 由 于 水 的 波动 , 单 层 排列 的 脂 类 分 子 可 以 包 有 一 些 多 分 子 系统 而 形成 囊 泡 ， 再 受 外 力作 用 ， 陷 进 水 层 ， 形 成 双 分 子 脂 膜 训 状 结 构 。 (3-10) 2.1。2 生物 催化 剂 的 出 现 ”生物 的 自我 更 新 和 自我 复制 都 离 不 开 各 种 酶 系统 的 协调 作用 。 从 现 代 生 物 学 的 观点 来 说 ， 酶 是 活 细胞 产生 的 生物 催化 剂 ， 而 从 生命 发 生 的 过 程 来 说 ， 在 生物 没有 产生 以 前 ， 酶 的 活性 却 已 经 呈现 了 ， 不 仅 如 此 ， 村 骆 大 分 子 未 出 现 于 原始 地 球 时 ， 最 原始 的 俱 共 剂 早 就 在 化 学 进化 过 程 中 行使 职能 了 。 最 原始 的 催化 剂 就 是 水 分 子 解 离 而 产生 的 H+ 和 OH-， 它 们 能 够 加 速 很 多 化 学 反应 的 速度 。 这 个 “ 酸 - 碱 ” 催 化 原理 ,至 今生 物 细胞 仍然 在 应 用 着 。 Pari H+ 和 OH- 能 催化 狭义 的 酸 - 碱 反应 。 后 来 , 当 原始 地 球 上 出 现 了 有 机 酸 和 有 机 碱 ， 它 们 催化 广义 的 酸 - 碱 反应 。 原 始 海洋 底层 的 金属 或 在 火山 活动 处 产生 的 不 溶性 金属 盐 ， 如 磷酸 盐 或 硅 酸 盐 , ) 又 提供 了 多 相 催化 的 可 能 性 。 当 原始 蛋白 质 出 现 以 后 ， 由 于 它 装 配 着 多 种 官能 团 以 及 具有 立体 结构 的 特点 y 在 催化 的 发 展 史上 出 现 了 新 的 飞 牙 ， 随 着 时 间 的 推 移 ， 它 的 结构 和 功能 日 趋 完善 。 从 最 简单 的 催化 剂 H+ 和 OH- 到 以 蛋白 质 为 化 学 基础 的 酶 ,催化 效率 越 来 越 高 , 底 物 特异 性 也 越 来 越 高 。 例 如 广义 的 酸 - 碱 俊 化 反应 没有 作用 对 象 特 异性 ， 只 要 求 反应 中 有 质子 得 失 ， 反 应 速度 仅 提 高 几 倍 5 现代 酶 促 反应 对 底 物 要 求 严 格 ， 反 应 速度 可 以 提高 108~10? 倍 。 2.1.3 模板 系统 的 建成 生物 进行 有 效 的 自 我 更 新 与 自我 复制 必须 具备 模板 系统 ; :模板 系统 由 信息 性 大 分 子 组 成 。 生 物体 中 的 信息 性 大 分 予 包 括 核酸 与 蛋白 质 两 类 。 分 子 生 物 学 的 成 就 表明 :记载 并 复制 信息 的 大 分 子 是 核酸 ,最 基本 的 为 PNA。 DNA 通过 碱 基 配 对 复制 自己 或 转录 出 信使 RNA， 再 由 信使 RNA 转译 成 不 同 结构 的 各 类 蛋白 质 。 生 命 起 源 过 程 中 ， 在 化 学 进化 转变 为 生物 进化 之 后 ,生存 斗争 和 趋 异 进化 十 分 明显 ， 那些 结构 和 功能 上 适应 于 它们 环境 的 前 生物 被 保留 下 来 ， 并 繁殖 其 后 代 。 正 是 由 于 模板 系统 记载 和 复制 了 这 些 有 利于 生存 的 信息 ， 生 物 才 能 继续 进化 。 然 而 ， 原 始 的 模板 系统 是 核酸 还 是 蛋白 质 ,' 至 今 尚 有 争议 。 2.1。3*1 核酸 模板 : 主张 原始 模板 系统 是 核酸 的 ， 主 要 根据 :中 现代 细胞 的 信息 流向 是 由 DNA-~>RNA-~> 蛋 白质 。@ 病 毒 感染 时 ,核酸 进入 寄主 细胞 ， 蛋 白质 被 留 在 细胞 外 。 寄 118 主 细胞 按 蔽 毒 核酸 指令 合成 病毒 蛋白 质 ， 再 装配 成 病毒 。@) 核 酸 的 碱 基 配 对 十 分 严格 二 而且 容易 实现 ， 这 对 信息 的 记载 和 复制 很 有 利 。 相 反 ， 蛋 白质 分 子 的 氨基 酸 残 基 间 未 发 现 严 格 的 配对 情况 。 碱 基 配 对 现象 不 仅 在 多 核 苷 酸 链 问 或 链 内 ， 而 且 在 不 含 戌 糖 磷 酸 的 野 叭 或 嘱 啶 衍 生物 间 也 同样 存在 。 例 如 ,混合 腺 野 叭 CA) ARMM CU) 衍生 物 洲 波 ， 这 两 种 分 子 可 借 氢 键 形成 A-U 复合 物 ， 并 在 一 定 条 件 下 结晶 析出 。C 和 也 能 形成 复合 物 。A 和 已 以 及 局 和 G 虽 能 形成 复合 物 ， 但 极 不 稳定 。 这 种 没有 戊 糖 和 磷酸 的 碱 基 配 对 与 核酸 双 螺 旋 中 的 碱 基 对 相 比 ， 稳 定性 要 差 得 多 。 由 于 碱 基 的 自发 配对 倾向 ， 稀 溶液 中 的 游离 核 苷 酸 单 体 就 能 结合 到 溶液 中 单 链 多 核 苷 酸 的 配对 碱 基 上 去 。 Hl, BBA AMP SR U 链 混 合 时 ，A MU 对 ”而 且 人 在 U 链 上 聚合 而 形成 聚 A 链 ， 因 此 进一步 转变 成 两 条 碱 基 互 补 的 多 核 苷 ' 酸 双 链 ， 盘 曲 成 螺旋 。 该 过 程 中 并 没有 酶 的 参与 。 2s1 .3*2 蛋白 质 模板 : 主张 原始 模板 系统 为 蛋白 质 的 ， 主 要 根据 ; @@ 由 于 逆转 录 酶 的 RB, Mi RNA 信息 可 以 传 给 DNA， 虽 然 没 有 证 据 证 明 信 息 可 以 由 蛋白 质 传 给 核酸 ， 但 这 种 可 能 性 不 能 排除 。@) 近代 研究 表明 : 聚 氨 基 酸 的 -螺旋 可 以 选择 性 地 结合 一 定 的 单 核 苷 酸 。 例 如 ， 人 工 合成 的 聚 工 - 精 氨 酸 和 聚 荆 - 赖 氨 酸 能 强烈 地 结合 鸟 音 酸 与 腺 苷 酸 ， 而 与 胞 苷 酸 结合 很 弱 。 由 分 子 模型 来 看 , 聚 氮 基 酸 的 wa- 螺 旋 结 合 游离 核 苷 酸 而 形成 类 似 于 螺旋 的 结 构 ， 其 中 三 个 单 核 苷 酸 相 应 于 一 个 氨基 酸 。 如 果 核 苷 酸 之 间 后 来 以 共 价 键 连 接 ， 多 肽 键 中 的 筑 基 酸 顺 序 就 能 转变 成 核 音 酸 三 联 体 顺 序 ， 记录 在 多 核 苷 酸 的 分 子 链 中 ， 因 此 认为 原始 模板 系统 可 能 由 蛋白 质 组 成 。 图 细菌 体内 某 些 多 肽 的 合成 ， 没 有 核酸 参加 ， 而 以 某 种 蛋白 质 作 为 模板 。 比 较 成 熟 的 例子 是 短 杆菌 肽 和 酷 杆 菌 肽 ， 它 们 都 具有 十 个 氨基 酸 残 基 。 短 杆菌 肽 的 多 ， 肽 链 上 只 有 五 种 毛 基 酸 ， 经 头 尾 相 接 ， 反 方向 缩合 而 环 化 成 十 肽 ， 它 的 分 子 结构 如 下 : D-* i —M —- %— 8 —% AMINO 酷 杆 菌 肽 的 多 肽 链 上 有 有 九 种 氨基 酸 ， 结 构 如 下 : D- #75 Mi — # i —D-#— KAM &— 9— 4 — me — oamm 这 两 种 多 肽 在 体内 通过 两 种 酶 的 作用 而 合成 。 步 骤 如 下 : (1) ATP + #0) 一 -> AMP~ 375 ), LBES2" ~ Mp + ~S~an (2) ATP +h +> AMP~ fifi : ~~ lash) App ePesln (3) BU ~S~#N+ m1 ~S~M 一 -> 1 ~S~M-*# +m -SH (4) BI ~S~M-AABABIEN, SHAME T OREM ER, MSH, Rt the Sa FT BK A ah FE a BY BF NHe D-H p-* A NHz NHe NHs tt NHe NH2 BG Ae fey ge RR He ome bed Lo deo Co x0 Cao li gh i Leben ts sis | | | marcia. iv byt km 时 snr see 人 (SAR, KARREKELHTES SARA) 119 Rela, 3) 7) RS EP he te OK Oe eR TK eS O HsN—D-# 7M —a—9—2—C—S— | 1 | | 可 I | SHCpR SBM —D-# PFN O LH ERRAKSAEBECKAMARH. KEAWAKRUEPHAUBBEARRES 加 反应 ，18 .种 氨基 酸 聚 合成 分 子 量 为 10,000 的 类 蛋白 ， 数 学 推算 , AEH 10° 种 不 同 的 类 蛋白 ， 而 根据 实验 资料 分 析 ， 类 蛋白 组 成 却 比 较 恒 定 ， 种 类 也 有 限 。 有 天 解释 产生 这 种 现象 的 原因 是 由 于 各 种 氨基 酸 形态 不 同 所 造成 ， 假 如 有 三 种 氨基 酸 AL BL C, BRE M 同 的 ， 组 成 的 三 肽 其 氨基 酸 顺序 可 以 有 六 种 ， 即 ABC,ACB,BAC, BCA, CAB, CBA, _ABC NH2 coai| oa COOH NHz COOH CBA 假如 这 三 种 级 基 酸 的 形态 《包括 分 子 的 外 形 。 分 子 表面 电 交 的 分 布 、 分 子 所 带 基 团 的 投 性 和 SbF BS BRAS): 不 一 Hs GEER ARERR ee OS ee em ee Ai 只 形成 一 种 多 肽 abc， 而 了 能 形 威 三 种 多 肽 ;图 3-11) .- eS B oe | . - Te ee) fae 了 5 图 3-11 不 同 气 基 酸 有 序 排列 组 合 的 可 能 情况 2.1。3.3 EBL: 与 上 述 两 种 主张 不 同 ， 鉴 于 实验 中 发 现 ， were PDAs AA AY AR DE AS VAT UT DA ER PE EAT A, LT LR 苷 酸 传 向 聚 氨 基 酸 ， 所 以 有 人 提出 第 三 种 主张 。 他 们 认为 信息 包括 一 个 分 子 或 系统 与 其 它 分 子 或 系统 进行 反应 的 选择 能 力 。 推 测 生 物 分 子 的 信息 在 原始 地 球 条 件 下 也 是 双向 传递 的 。 所 酰基 腺 苷 酸 栈 是 蛋白 质 生物 合成 中 的 一 个 中 间 产 物 ， 它 对 决定 原始 蛋白 的 氨基 酸 顺序 120 A-ZKEH. SREHRERASRHRA ~ 成 的 微粒 时 ， 各 种 氨 酰 基 腺 苷 酸 酬 的 缩合 会 Zam, 目前 已 经 进行 的 实验 中 找到 了 它 们 之 间 的 密码 关系 。 氨 酰基 腺 苷 酸 酬 能 够 进 六 核糖 体 的 前 体 中 ， 这 时 ,多核 苷 酸 的 碱 基 逐渐 按照 现代 遗传 密码 规定 选择 相应 的 氨基 酸 ， 而 氨 酰 基 也 在 “寻找 ” 它 所 适合 的 碱 基 组 。 他 们 认为 密码 并 不 是 一 种 偶然 事件 ， 它 似乎 表示 分 子 之 间 的 选择 性 ， 这 种 选择 性 是 yA AA ES, mee WE ESE HE MAA AEH SW MBIA RR, | 随 着 进化 发 展 才 逐 渐 固定 下 来 ， 建 立 起 严格 3s125 | SUBSE BF BB apart) (43-12) 4) 细胞 起 源 的 装配 次 序 ， 原始 细胞 的 三 大 主 件 : 即 界 膜 : se CE tape deprenvinmmabiepil SB. ABR A WH, EAEEN OWS RORAKER ARMA TS WARMER, ROH, 在 崩溃 着 的 星 前 分 子 云 昌 的 无 机 侍 到 颗粒 表面 ; 结合 了 一 层 次 看 高 度 复杂 有 机 分 子 的 焦油 样 外 膜 ， 后 来 让 这些 颗粒 相互 碰撞 ， 形 成 1 一 10 微米 大 水 的 颗 Fi. AAV: 膜 内 颗粒 中 的 无 机 分 子 经 复杂 的 化 学 途径 ,形成 具有 生命 特征 的 物质 结构 ， 于 是 起 为 原始 细胞 。 然而 ;这 种 论点 未 见 实验 证 据 。 A AE LA I AE AR, GEA 5} BK pay EKG BRI AOD. 奉命 首先 开始 于 ARN MED AY EA By SE SL ARAMMBSOED, MTB RRA. WU SREKEARRRA, MRRAMRLR 统 都 是 进化 的 后 一 时 期 才 建立 起 来 。 论 据 来 自 病毒 的 分 子 结构 和 自我 复制 的 现代 知识 、 蛋 自 质 生物 谷 成 中 核酸 的 作用 ( 见 第 六 章 )。 ,以 及 现代 细胞 中 核 苷 酸 类 化 合 物 广 泛 的 生物 学 功能 。 越 来 越 清楚 让 单 核 音 酸 除 作 为 DNA 和 RNA-: 结 梅 的 单 体外 ， 有 些 核 并 酸 及 其 衍生 物 还 作为 REM) MM ATP AGT. 等 ;有些 可 作为 递 氧 体 或 递 电子 林 ， 如 NADINADP.FMN 和 了 AD 等 ,用 些 可 作为 灶 的 传递 体 ,如 UDP 等 ,有些 作 为 脂 类 物质 的 传递 体 , 如 ,CDP 等 ; A Be Hey EAB A PE, tn S- 腺 苷 酰 蛋氨酸 和 在 模板 系统 中 的 作用 相 比 ;这 些 核 苷 酸 在 狗 质 代谢 和 能 量 转换 中 的 作用 也 很 重要 ， 提 示 了 细胞 内 很 多 重要 代谢 活 动 和 遗传 机 构 都 要 由 核 苷 酸 的 帮 用 所 决定 。 如 果 原 生体 单纯 赴 核酸 构成 ， 这样 的 原生 体 订 以 自我 复制 ，: 也 能 催化 某 电化 学 反应 的 进 。 例 妇 , 在 没有 酶 的 情况 汞 ,原始 的 核酸 可 以 借 非 生物 合成 凝聚 剂 的 作用 而 进 符 自我 复制 ; eee meleic teed rik Dee CHERRIES INLINE Oe Oe A HY EH IR A EA, FC] — 7} RE BE EE TAR. BK, 没有 蛋白 质 而 单纯 由 核酸 组 成 的 原生 体 是 可 以 存在 的 。 但 是 ， 由 于 没有 蛋 自 质 ( 特 别 是 酶 )， 不 本 能 有 多 大 的 进化 前 途 。 而 且 ; 核 琉 与 类 核酸 物质 在 原始 地 球 条 件 下, 非 生物 合成 难以 进 行 ， 至 今 ， 模 拟 实验 尚未 得 到 高 分 子 量 的 类 核酸 物质 。 主张 蛋白 质 的 出 现 要 早 于 核酸 的 见解 ， 则 认为 类 蛋 由 物质 可 中 在 原始 地 球 的 初期 阶段 上 121 成 。 生 成 的 类 蛋白 物质 具有 催化 作用 ， 还 能 形成 象 微 球体 那样 独立 的 多 分 子 系统 六 WARE 白 具 有 变化 多 端的 适应 性 ， 它 们 在 化 学 -物理 反应 能 力 上 能 表现 细胞 或 原始 细胞 的 各 种 生物 学 作用 。 因 而 可 以 在 不 具备 核酸 的 条 件 下 形成 原生 体 。 然 而 ， 没 有 核酸 的 参加 如 蛋白 质 对 于 信息 的 储存 和 复制 是 低 效 的 。 目前 ， 较 为 普遍 的 设想 是 ， 象 类 避 白 微 球 体 那 样 的 多 分 子 系统 经 过 选择 而 得 到 发 展 让 成 为 具有 各 种 催化 剂 的 化 学 反应 系统 的 原生 体 ， 接 着 把 核酸 吸收 进来 ， 成 为 更 完善 的 多 分 子 系 统 。 2.2 细胞 的 进化 原生 体 的 外 面具 有 了 膜 的 结构 ， 膜 内 又 有 各 种 机 能 蛋白 质 分 别 执行 着 各 种 生物 学 机 能 ， 而 且 还 有 了 专门 传递 信息 的 核酸 分 子 ， 这 样 ， 第 一 个 原始 的 细胞 就 诞生 子 。 但 这 种 细胞 的 确 是 非常 原始 的 ， 因 此 ， 细 胞 还 要 继续 进化 ， 从 “低级 ”的 变 成 “高 级 ”的 5 2.2。1 细胞 代谢 机 构 的 改进 “由 于 原始 地 球 的 还 原 性 大 气 和 海洋 中 营养 丰富 的 “内 汤 ”， 通 常 推 测 原 始 生 命 是 厌 氧 的 ， 又 是 异 养 的 这 不 仅 与 当时 的 环境 条 件 相 适应 ， 而 且 也 与 厌 氧 、 异 养 方 式 的 原始 性 一 致 。 因 为 进行 异 养 和 厌 氧 生活 方式 只 需要 比较 简单 的 生命 机 器 ”， 即 参加 代谢 过 程 的 酶 和 各 种 因子 都 比较 少 ， 而 自 养 和 好 氧 的 生活 方式 则 要 求 远 为 复杂 得 多 的 生命 “机 器 ”， 那 是 只 有 在 进化 到 更 高 级 阶段 时 才能 办 到 的 事 ; 因此 ， 原 始 细胞 就 只 能 依靠 它们 的 简单 “机 器 ”进行 异 养 和 厌 氧 的 生活 。 对 于 依赖 游离 氧 为 生 的 大 类 来 说 喜 需 氧 的 呼吸 类 型 似乎 是 “正常 ”的 。 事 实 上， 对 于 那些 缺乏 预防 措施 的 生物 来 说 游 离 氧 是 去 种 剧 毒 的 东西 ， 它 常 可 以 使 专 性 厌 氧 生物 〈 即 原始 类 型 的 细胞 ) 致死 5 而 我 们 作为 二 种 好 氧 生 物 ， 只 是 依靠 了 我 们 细胞 中 有 一 套 复杂 的 生物 氧化 酶 系统 “〈 见 第 四 章 ) ， 才 能 在 高 度 氧化 的 环境 中 生活 。 这 套 酶 系统 保护 了 每 个 细胞 ， 使 它 免 受 氧 这 种 非常 活泼 的 元 素 的 毒害 。 当 然 ， 自 养 生物 还 需要 一 套 能 够 利用 光 能 和 无 机 化 学 反应 能 来 自行 制造 有 机 物质 的 酶 系统 , 而 在 有 机 物质 极为 丰富 的 原始 海洋 里 ， RARER EARS A SO 及 建立 起 来 。 随 着 原始 生命 的 发 展 和 繁荣 ，“ 肉 汤 ” 中 的 有 机 化 合 物 日 益 被 生物 厚 食 而 消耗 列 尽 ， 利 FL CO, 作为 碳 源 而 自 养 的 原始 光合 成 细胞 于 是 应 运 而 生 了 。 原 始 水 域 中 有 杭 氮 化 合 物 的 耗竭 也 促使 某 些 原始 细胞 尝试 着 把 游离 氮 作 为 合成 原料 ， 于 是 固氮 作用 的 机 构 愈益 精巧 。 代 谢 士 适应 原始 海洋 条 件 进 行 固氮 的 同时 ， 能 固定 二 氧化 碳 的 蓝 色 细菌 获得 了 发 展 的 机 会 ,它们 可 以 在 完全 缺乏 有 机 碳 和 和 氮 化 合 物 的 条 件 下 生活 。 光合 作用 细胞 的 出 现 ， 使 大 气 中 游离 氧 的 浓 度 逐 渐 增 加 ， 当 氧 浓度 达到 现在 大 气 浓 度 的 1% 时 ， 才 出 现 了 有 氧 呼吸 作用 。 由 于 有 氧 呼吸 释放 有 用 的 生物 化 学 能 量 比 无 氧 发 酵 要 大 得 多 ,因为 一 分 子 葡 萄 糖 有 氧 呼吸 时 产生 ;36 一 38 分 子 的 丰 IP， 无 氧 呼 吸 时 上 只 产生 2 分 子 的 太 ITP 好 氧 生物 细 胞 在 生存 斗争 中 占 了 优势 。 呼吸 作用 和 氧化 磷酸 化 作用 的 不 断 改 进 ， 逐 步 完 善 了 产生 有 效能 的 代谢 机 构 。 虽 然 关 于 蜡 养 与 自 养 的 顺序 似乎 比较 容易 确定 "; 但 没有 模拟 实验 可 作 依 据 ， 因 此 ， 并 不 能 排除 自 养 生物 早期 就 出 现 的 可 能 性 ， 而 且 ， 南 非 最 古老 的 生物 化 石 〈34 亿 年 前 ) 与 原核 藻类 (KAA IER. 相似 的 事实 ， 也 更 难以 解释 。 2*2"2 细胞 器 的 起 源 ALS 34 亿 年 前 就 有 了 原核 生物 ， 而 最 初 的 真 核 生 物 在 .10 ~16 亿 年 前 才 开始 生存 在 地 球 上 。 可 见 , 由 原核 细胞 结构 到 真 核 细胞 结构 ， 自 然 界 足 足 花费 了 25 亿 年 的 时 间 ， 经 历 了 漫长 的 进化 道路 。 122 由 于 真 核 细胞 的 模板 系统 和 换 能 机 构 的 完善 ， 才 为 细胞 “组 织 起 来 ”形成 多 细胞 系统 的 生物 提供 了 物质 基础 。 由 原核 细胞 演化 为 真 核 细胞 ， 结 构 上 骨 显 的 区 别 是 出 现 了 细胞 器 。 有 关 细 胞 器 的 起 源 与 演化 至 今 尚 无 统一 认识 。 一 般 认 为 : 细胞 核 的 形成 可 能 是 细胞 内 核 物 质 由 分 散 到 集中 的 结果 ， 至 于 核 外 细胞 器 的 起 源 与 演化 至 今 有 各 种 说 法 ， 其 中 有 内 共生 说 、 内 分 化 说 、 细 胞 器 转化 和 分 裂 说 等 。 〈 图 3-13) 内 共生 说 〈 即 寄生 说 ) 认为 细胞 器 由 进入 宿主 细胞 内 的 寄生 细胞 演变 而 成 ，A 为 细胞 器 单 膜 结构 模式 演化 图 ， 细 胞 器 膜 来自 寄 生 细 胞 ;3B 为 细胞 器 双 膜 结构 模式 演化 图 ， 细 胞 器 内 膜 来 自 寄生 细胞 ， 外 膜 来 自 宿主 细胞 。 细胞 内 分 化 说 认为 细胞 器 由 细胞 内 物质 分 化 而 成 : C 表示 细胞 器 单 膜 演化 ， 细 胞 器 由 原生 质 膜 局 部 内 陷 成 球 ， 与 原生 质 膜 脱离 接触 而 成 ;了 D 表示 细 胞 器 双 膜 演化 ， 细 胞 器 由 局 部 原生 质 膜 两 次 反 回 四 陷 而 形成 。 其 它 细胞 器 建成 说 王 认为 新 的 细胞 器 由 原来 的 细胞 器 经 不 均等 分 裂 而 形成 。 细胞 器 分 裂 说 F 认为 两 个 新 型 的 细胞 器 由 原 有 细胞 器 均 裂 而 成 。 2。2。2。1 寄生 -内 共生 说 :， 寄生 -内 共生 说 ， 在 各 种 学 说 中 具有 代表 性 ， 认 为 细胞 器 来 源 于 代谢 共生 。 原 始 细胞 有 不 同 的 代谢 类 型 ， 如 不 需 氧 的 、 需 氧 的 和 光合 作用 的 等 等 。 不 需 氧 的 细胞 吞 入 图 3-13 细胞 器 起 源 的 模式 图 〈 核 省 略 未 画 ) 图 中 五 为 宿主 细胞 ，3 为 寄生 的 细胞 ，HM 为 宿主 细胞 的 原生 质 膜 ，SM 为 寄生 细胞 的 原生 质 膜 。A、B。 内 共生 说 。C、D。 表 示 细 胞 内 分 化 说 。 已。 其 它 细 胞 器 建成 说 。 F. MSR 说 。 了 光合 成 细胞 与 需 氧 细 胞 时 ， 后 两 者 成 为 代谢 上 的 内 共生 体 ， 整 个 细胞 具有 糖 酵 解 能 力 和 寄 生 者 的 光合 作用 与 有 氧 呼 吸 的 能 力 。 这 些 内 共生 体 分 别 代 表 着 原始 的 叶绿体 和 线粒体 ， 它 们 利用 太阳 光 能 合成 有 机 物 ， 并 提高 了 转换 有 机 物 能 量 的 效率 ， 使 整个 的 细胞 大 大 提高 了 生活 能 力 。( 图 3-14) CMT 有 关 的 比较 生物 化 学 资料 计 绿 体 可 能 起 源 于 蓝藻 或 光合 成 细菌 : 叶绿体 中 DNA 分 子 虽然 呈 双 螺旋 结构 ， 但 在 生活 周期 中 并 不 出 现 染 色 体 样 的 高 级 结构 ， 而 眼 虫 药 等 叶绿体 的 DNA 且 呈 环 状 结构 ， 这 种 性 状 与 原核 生物 相同 ; 叶绿体 的 DNA SRSA RRA AE 叶绿体 的 DNA 中 不 能 检 出 -5- 甲 基 胞 喀 院 ;与 原核 生物 类 似 ; 123 hy pagal 般 与 组 蛋白 绪 合 ， 而 叶绿体 中 未 发 现 组 蛋白 绿 体 的 核 糙 体 的 大 小 与 原核 生物 类 似 ， 也 是 70S 而 不 是 8055 全 人 和 让 内 和 aia 生物 的 细胞 质 蛋白 质 合成 抑制 剂 所 阻 害 ， 叶绿体 DNA 指导 的 RNA 育 合 酶 可 受 抑制 原核 生物 DNA 转录 的 抗菌 素 所 抑制 ， 杂交 实验 表明 ， 叶 绿 体 DNA HES r-RNA 有 较 高 的 亲和力 。 线粒体 可 能 起 源 于 好 气 性 细菌 ， 线粒体 中 DNA 的 存在 形式 与 叶绿体 一 样 同属 细菌 型 ， 生 活 周期 中 不 旺 染 色 体 样 的 高 级 构造 ， 不 存 在 组 蛋白 ，DNA 分 子 以 环 型 为 主 ; 线粒体 的 核糖 体 为 70S 型 ， 构 成 成 分 的 r-RNA 分 子 量 也 与 细菌 相同 ， 线粒体 r-RNA 的 碱 基 组 成 与 细胞 质 r-RNA 不 同 ; 线粒体 含有 特有 的 DNA RAMA DNA 指导 的 RNA RAB, 线粒体 的 蛋白 质 合成 系统 受 细菌 蛋白 质 合成 抑制 剂 所 抑制 。 而 不 被 真 核 生物 的 蛋白 质 合成 抑制 剂 所 抑 制 mRNA 半衰期 与 原核 细胞 相似 ， 较 真 核 生物 为 短 ; 线粒体 的 内 膜 和 外 膜 上 酶 的 分 布 不 同 ， 内 膜 与 原核 生物 的 膜 相似 。( 表 3-8) 表 3-3 真 核 生 物 的 细胞 器 与 原核 生物 在 各 种 生化 性 质 上 人 药 比 较 生化 性 质 | Be 7 . ee a | DNA 分 子 形态 asome. war) 环 状 、 线 状 | meant oo. | ox & DNA 存在 形态 染色 体 ， 染 色 线 细菌 型 细菌 型 细菌 型 I Hy DNA 含量 〈 克 /每 细胞 》 10-14 一 10-17 10-16 一 10-17 | 19°14~10°15 | 10-14 一 10-15 10 15 CCR FED 组 蛋白 的 存在 + ae Ls = ree = DNA # 5-3 Heme Be +, = seria ke C1 ” ， -80S | T0~80S 70S 70S | ee eh SUE oe eh a PR eee ga C8 Hane | MB 素 F lay i) be. a 3 i wi - : # RAMA | RR + eae Bice cg 220292 寄生 -内 共生 说 的 弱点 : 现在 还 有 不 少 问题 不 能 为 内 共生 说 解释 。 线粒体 叶绿体 之 外 的 细胞 器 ， 如 核 、 内 质 网 和 高 尔 基 体 等 常 被 认为 由 细胞 内 分 化 而 成 ， 为 什么 只 有 线粒体 、 叶 绿 体 是 内 共生 起 源 的 ? 厌 氧 方式 比 好 氧 方式 原始 ， 为 什么 好 氧 的 细胞 反而 为 厌 氧 细胞 所 吞食 ? 线粒体 和 叶绿体 为 什么 只 能 合成 自身 的 小 部 分 蛋白 质 ， 其 余 大 部 分 还 需要 由 绸 胞 质 核 糖 体 合成 ? 线粒体 和 叶绿体 除 自行 分 裂 外 ， 有 时 还 能 新 生 ， 并 且 可 以 由 膜 系 统 的 其 它 部 分 转变 而 成 。 有 人 把 酵母 菌 培 养 在 有 氧 环境 中 ， 发 现 由 细胞 的 简单 的 内 质 网 膜 系 转变 为 有 DH “AU” 的 原始 线粒体 ， 该 实验 结果 当 如 何 解 释 ? 可 见 ， 关 于 细胞 起 源 的 研究 仅仅 只 是 开始 。 总 之 ， 由 于 有 关 学 科 的 发 展 ， 生 命 起 源 的 轮廓 图 已 清晰 地 展示 在 我 们 面前 。 越 是 前 期 ， 论据 越 充分 ， 越 近 后 期 ， 论 据 反 显 不 足 。 由 生物 大 分 子 组 成 多 分 子 系统 ， 以 及 由 多 分 子 系统 124 组 成 原始 生物 体 至 今 尚未 得 到 令 人 满意 的 结果 。 生 命 起 源 中 有 关 密 码 起 源 、 各 种 能 源 与 化 学 进化 的 关系 以 及 生命 起 源 有 关 的 原始 地 球 条 件 等 问题 尚 待 从 理论 和 实践 上 进一步 研究 。 (A 3-15) ARRAAEY fo: pi Gi 6 修了 气 细菌 图 3-14 细胞 器 起 源 的 寄生 说 简 图 5 附 ] 地 质证 据 @ 南非 斯 威 士 兰 系 的 古老 堆积 岩 中 ， 发 现 200 多 个 在 显微镜 下 可 以 清楚 看 到 的 非常 类 似 原 核 藻 类 的 微 小 生物 化 石 。 生 存 年 代 约 34 亿 年 前 ; @ 南非 德 兰 十 瓦斯 威 士 兰 系 的 欧 弗 瓦特 正统 岩层 中 ， 发 现 微小 的 类 化 石 结构 物 , 典 型 的 是 直径 为 106 微 米 的 球状 体 ， 还 有 纤维 状 体 。 生 存 年 代 约 32 亿 年 前 ; @ 南非 德 兰 土 瓦 东部 斯 威 士 兰 系 的 无 花 果 树 统 ， 发 现 微小 的 类 化 石 结构 物 ， 球 状 或 纤维 状 , 直径 20 ik 米 以 内 。 生 存 年 代为 31 亿 年 以 上 ; @@ 津巴布韦 的 布 拉 瓦 约 地 区 白云 石 统 石灰 岩 中 的 沉淀 物 ， 经 检定 为 藻类 的 遗迹 。 生 存 年 代 在 27 亿 年 Bis © 我 国 东北 靶 山 群 含 铁 岩 层 中 发 现 的 类 细菌 化 石 。 生 存 年 代 24 亿 年 前 ; 加 拿 大 安大略 枪 机 煤 石 铁 组 的 黑色 燃 石 中 ， 发 现 了 类 型 多 样 的 微 体 化 石 ， 大 部 分 是 营 光 合作 用 的 蓝 药 类 生物 遗迹 ， 从 形态 上 可 区 分 为 八 个 “ 属 ” 和 十 二 个 “种 2” 。 年 龄 约 为 20 亿 年 。 〈 图 3-15) 125 图 3-15 “地质 钟 玫 明 含有 生命 遗迹 的 各 古老 沉积 物 ， 原 始 无 氧 大 气 向 有 氧 大 气 转变 的 时 间 以 及 各 种 生物 的 出 现 ， 待 确定 的 时 间 以 炭 线 表示 ， 时 间 单 位 十 亿 年 〈 以 距 今 1，2，3，4 x109 FRR). c。 散 山 群 类 细菌 化 石 。 b。 布 拉 瓦 约 白云 石 统 3 a。 无 花 果 树 统 (Fi FA BED 126 第 二 部 分 gy fe, OH SOS ”细胞 代谢 的 分 于 工具 Be 酶 是 活 细胞 产生 的 有 机 催化 剂 ， 醇 的 化 学 本 质 是 蛋白 质 。 酶 是 蛋白 质 中 种 类 最 多 ， 生 物 学 作用 高 度 专 一 的 成 员 。 酶 催化 细胞 中 几 千 个 生物 化 学 反应 ， 细 胞 则 通过 改变 酶 的 数量 和 种 类 来 控制 生命 活动 ， 而 酶 的 数量 和 种 类 的 变化 又 是 由 遗传 基因 所 控制 的 。 酶 是 基因 的 产物 ， 也 是 基因 表达 的 主要 手段 。 ”目前 已 发 现 1,500 多 种 酶 ， 其 中 有 150 种 以 上 达到 了 提纯 结晶 。 人 们 对 于 酶 在 代谢 过 程 中 的 作用 早 有 了 解 ， 而 对 酶 在 遗传 方面 的 作用 却 是 近 二 十 多 年 来 才 逐 渐 认识 的 ， 如 酶 合成 的 遗传 控制 、 酶 系统 自我 调节 的 本 质 以 及 酶 在 发 生 和 分 化 中 的 作用 等。 本 章 将 对 醒 促 反应 的 动力 学 、 酶 的 结构 与 功能 等 方面 进行 讨论 ， 有 关 栈 的 其 它 内 容 拟 于 后 面 有 关 章 节 内 令 述 。 第 一 节 二 酶 是 生物 催化 齐 对 于 在 热力 学 下 可 能 进行 的 反应 ， 酶 和 非 酶 催化 剂 一 样 ， 能 够 改变 它 进 行 反应 的 速度 ? 如 昌 酶 所 催 伦 的 化 学 反应 为 可 着 反 应 ， 则 与 非 酶 催化 一 样 ， 只 能 改变 达到 平衡 的 时 间 ， 而 不 能 改变 可 逆反 应 的 平衡 点 ; 酶 与 非 酶 催化 剂 一 样 ， 它 们 之 所 以 能 够 改变 反应 速度 ， 也 是 由 于 噬 低 了 反应 所 需 活化 能 二 毅 化 学 反应 的 活化 能 ， 约 在 10 一 100 千 卡 7/ 克 分 子 之 间 ， 而 大 多 BH 15~60 FE / 54d, 如 果 活 兹 能 涉 于 10 千 卡 / 克 分 子 ， 则 化 学 反应 几乎 能 在 Ose 成， 速度 快 到 不 易 测定 ;如 果 大 于 30 千 卡 / 克 分 子 ， 则 反应 速度 就 非常 缓慢 ， 实 际 上 等 于 不 能 进行 了 。 | AN RCE SARE ALATA. 有 着 显著 的 区 别 。 1°1 酶 的 特点 1.T 工人 和 健 化 效率 高 ”例如 ， 过 氧化 氢 是 细胞 呼吸 时 产生 的 毒物 ,需要 把 它 转变 成 水 和 氧 而 排出 或 再 利用 : 2H202——__ > 2H20 + O2 } LRA CRS 2, ENRMMIMN A Mee Re.” san Fee 存在 ， 可 促进 分 ff, 一 个 高 铁 离 子 在 0 吕 时 每 秒 内 只 能 催化 107° FH.0. 4, 若 用 人 氯 化 血 红 素 代替 Fes+， 册 速度 提高 一 千 倍 ， 即 每 分 子 氧化 血红 素 每 秒 可 催化 分 解 10 “分子 本 :0O。; 若 用 过 氧化 气 酶 催化 ,每 秒 每 分 子 可 催化 分 解 5 分 子 HxO，， 效 率 提高 竟 达 一 百 亿 稿 (10:") , 换算 为 重量 关系 ，1 .42 殉 酶 《过 氧 伦 氢 酶 分 子 量 为 247， 500) 的 催化 能 力 居然 与 20 Imi AY (AMS. Min, RRR FAIR ‘ meee DIRK fe H2COs —H20+CO2 ROR RI. APRESS HE 0 C 时 每 秒 钟 内 也 能 催化 分 解 105 个 H,CO, 分 子 。 1.1. 2 特异 性 强 “一般 无 机 催化 剂 作用 的 特异 性 不 强 ， 往 往 同一 种 催化 剂 可 以 同时 作 P27, 用 于 各 种 对 象 ， 如 铁 离子 既 能 催化 氨 的 合成 ， 又 能 催化 过 氧化 氢 的 分 解 ; 氢 离 子 则 可 以 催化 很 多 反应 〈 酸 - 碱 催化 反应 );， 而 同一 种 物质 也 可 以 受 不 同 种 催化 剂 的 作用 ， 如 础 化 氢 的 分 解 反应 〈 活 化 能 为 44 千 卡 ) ， 既 可 受 金 的 催化 〈 活 化 能 为 25 千 卡 / 克 分 子 )_， 也 可 受 铝 的 催 化 《活化 能 为 10 千 卡 / 克 分 子 ) 。 但 是 ， 无 机 催化 剂 中 也 有 具 一 定 特异 性 的 ， 即 一 种 催化 剂 只 能 加 速 一 种 或 几 种 反应 ， 而 不 能 催化 一 切 反 应 ; 有 时 同一 反应 物 如 用 不 同 的 催化 剂 ， 就 会 得 到 不 同 的 生成 物 ， 如 CO 与 也 :反应 ， 当 用 铜 作 催化 剂 时 得 到 CH:OH ， 当 用 Ni 作 催 化 剂 时 得 到 CH, AH.O, 无 机 催化 剂 的 特异 性 还 与 反应 的 条 件 有 关 ; 如 乙醇 用 Al:O。 脱水 ， 在 250 立时 得 到 乙醚， 而 在 350 一 360 立 时 主要 得 到 乙烯 。 酶 的 特异 性 一 般 比 无 机 催化 剂 要 强 得 多 ， 不 同 的 酶 能 特异 地 使 某 一 类 化 合 物 、 某 一 种 分 子 、 某 一 个 分 子 异 构 体 或 某 一 个 化 学 键 ， 进 行 某 一 种 特定 的 变化 。 根 据 特异 性 的 程度 不 同 ， 可 分 为 绝对 与 相对 的 特异 性 。 绝对 特异 性 :一 种 酶 只 能 催化 一 种 底 物 起 反应 。 若 底 物 分 子 结构 上 稍 有 改变 ， 就 不 能 被 酶 所 催化 。 如 三 磷酸 腺 苷 酶 只 能 水 解 三 磷酸 腺 苷 上 的 磷酸 基 而 不 能 水 甫 三 磷酸 鸟 代 上 的 磷酸 基 团 。 不 同 的 酶 对 同一 种 底 物 的 作用 不 同 ， 如 乙 醛 酸 还 原 酶 能 使 乙醇 酸 第 2 碳 上 的 “左旋 my (ls) ” 2A 生得 与 失 的 反应 ， WOR 氧化 酶 则 使 “ 右 旋 (HR) ”和 氢 产 生得 SR 的 反应 〈 图 4-1 之 A) 。 又 如 在 高 粱 和 五 村 的 叶 细胞 内 都 有 过 氧化 物 酶 ， 但 是 它们 作用 于 L- 酷 所 酸 的 产物 却 不 同 ， 高 梁 能 产生 S 型 PORTS a BE, 因而 与 葡萄 糖 成 为 叶 下 珠 苷 ; 而 石 档 则 产生 R 型 的 对 羟 扁 桃 睛 ， 因 而 与 糖 成 为 毒 叶 素 ， 其 原因 就 是 因为 两 者 加 氧 和 脱氧 的 位 置 不 同 而 致 (图 4-1 之 B) 。 相对 特异 性 ， 某 些 酶 能 作用 于 同一 类 化 、 Vp! MERMGCM = Sy, (ATER AE, | 二 catm 其 中 之 一 具有 高 度 的 甚至 是 绝对 的 特异 性 ， ES SN 些 蛋 白水 解 酶 所 表现 的 族 特 异性 (图 42 ) Ree \ oH Sou F2 OH y see ae Dw 有 些 酶 对 所 作用 键 两 端的 基 团 都 只 有 相 "than ) 78S 对 特异 性 ， 如 酯 酶 能 催化 酶 类 的 水 解 ， 但 对 Ot a FRR Ri WR, 都 没有 特殊 的 要 R, 称 为 有 键 特 4-1 了 酶 的 立体 化 学 特异 性 异性 ， 即 只 作用 于 酯 键 ， 而 不 管 它 是 由 件 笃 A. 乙醇 酸 的 分 子 结构 与 不 同 酶 所 作用 的 部 位 B。 过 氧化 物 栈 作用 于 对 产 酚 乙 脐 的 产物 。 基 团 之 间 形 成 的 ; O I ri Ri—C—O—Ra + H20—>RiCOOH +HORs 128 R Bs we F BEAR Ri =i, ft hs eat Cea aes Cool MAHAR: -*#5, &. B = : 本 4 Ry a Pt ee a es WEAM Ra-#A, &. M. #. RS, 4 胰 凝 乳 蛋 白 酶 弹性 蛋白 酶 ”RIR2= 中 性 小 分 子 氨基 酸 HAs ; 弹性 蛋白 酶 4-2 各 种 蛋白 酶 水 解 部 位 的 比较 还 有 的 酶 只 对 某 一 类 腊 构 体 有 催化 作用 ， 而 不 论 分 子 的 具体 结构 如 何 ， 这 些 酶 具有 立体 特异 性 。 如 工 - 氨基 酸 氧 化 酶 能 作用 于 所 有 的 工 - 系 氨基 酸 ， 对 D- 系 氨 基 酸 则 全 无 作用 反之 ，D- 氨基 酸 氧化 酶 只 作用 于 D- 系 氨基 酸 。 1:1°3 对 反应 条 件 敏感 CSAIL, 已 知 所 有 的 酶 都 是 蛋白 质 ， 因此 酶 和 蛋白 质 一 样 ， 不 耐 高 温 ， 也 不 能 忍受 强酸 和 强 碱 的 影响 ， 在 高 温 、 强 酸 和 强 碱 条 件 下 会 因 和 蛋白 质变 性 而 丧失 催化 活性 。 酶 发 挥 最 大 的 催化 效率 时 ， 需 要 一 定 的 温度 和 pH 等 最 适 环境 ， 正 常生 理 状态 的 细胞 内 通常 具备 这 样 的 条 件 。 酶 能 够 在 常温 、 常 压 和 生理 溶液 等 条 件 下 发挥 它 最 大 的 催化 效率 ， 这 也 是 它 的 特点 。 因 为 无 机 催化 剂 往 往 需要 在 高 温 、 高 压 、 高 浓度 反应 物 等 极端 条 件 下 才能 正常 作用 ， 例 如 无 机 铁 催化 剂 要 在 300 大 气压 和 400 一 520 立 的 条 件 下 ， 而 且 需 要 比较 纯净 的 高 浓度 的 氮 和 和 氢 ， 才能 有 效 地 将 氮气 和 氢气 催化 合成 为 气 。 相 比 之 下 ， 固 氮 酶 能 够 在 细胞 内 的 生理 环境 中 效率 更 高 地 进行 同样 的 作用 。 但 是 ， 最 近 发 展 了 过 渡 金 属 有 机 络 合 物 作为 催化 剂 ， 可 以 使 原来 依靠 无 机 催化 剂 时 ， 只 能 在 高 温 高 压条 件 下 的 催化 反应 ， 变 成 在 缓和 条 件 〈 较 低 药 温度 和 压力 )》 下 也 能 进行 ， 如 刍 的 有 机 络 合 物 应 用 于 甲醇 的 痰 基 合 成 乙酸 的 反应 中 ， 可 把 原来 的 反应 条 件 600~700 大 气压 降 到 几 个 大 气压 。 按 所 催化 的 反应 类 型 分 为 六 类 ， 见 表 4- 1。 表 41 RH AAAR A R 1。 氧 化 还 原 酶 《氧化 还 原 反 应 ) | te Fi F —CH—OH 1+1 MCR RAB | 1-2 作用 于 一 C= O 如 乳酸 脱 氢 酶 1' 3 作用 于 一 CH = CH 一 如 '3- 3258 Wi CoA BAR | 1 4， 作用 于 一 CH 一 NHs: 如 谷 氨 酸 脱 气 酶 | 1-5 作用 于 一 CR 一 NH 一 如 且 氨 酸 还 原 酶 1-6 作用 于 NADH 或 NADPH 如 NADH R&S 2。 转 移 酶 〈 转 移 功能 团 ) 2-1 一 碳 单位 tn FF aE HG 129 | | 2 . 2 ”隆基 或 二 多 in $f ERE | 2 . 3 酰基 如 酰基 转移 也 、 气 甲 酰 转移 本 | 2-4 MH MALE, RLSM | 2-7 WMH ORREEH. KARHOM 2-8 &S#H 如 硫 转 移 酶 、 CoA KEE 3。 水 解 酶 〈 水 解 反 应 ) 3-1 mx ae ME 3-2 Saree ie eB, HE 3 .4 AKER 如 胃 和 蛋白酶、 二 肽 酶 3 .5 其 它 的 C 一 N 刍 nhs, AE 3 .6 REF inf e OM, ATP Me 4, BAB (MEMBE) et Pade ine a 1-2 =C=0 如 硕 乌 头 酸 酶 Cen nO ek: bs 5. SRA CSR RM) . 5-3 “分子 内 氧化 还 原 NRO Ae ) 6。 合成 酶 〈 键 的 生成 与 ATP .断裂 相 偶 联 》 ry. 6-1 C—O. in 3% -tRNA SR Ro" he) 6.3 C—s i ZH CoA 合成 酶 人 6-3 C—N 如 谷 氨 酰 胶合 成 酶 gia Cc , in Fi te CE) BRAWN, HRW 国际 生化 会 议 酶 学 委员 会 的 报告 。 1°3 酶 反应 的 动力 学 畴 反应 动力 学 以 化 学 动力 学 为 基础 ， 目 的 在 于 研究 栈 促 反应 速度 和 反应 过 程 的 关 荐 。 杀 究 酶 的 反应 速度 ， 对 于 了 解 酶 反应 的 本 质 、 ppinner ie: 的 。 因 为 仅仅 知道 某 个 合成 代谢 或 某 个 分 解 代谢 能 否 在 细胞 内 进行 不 足以 确定 细胞 与 个 体 的 生物 学 状态 ， 同 时 还 必须 了 解 合成 代谢 进行 的 速度 是 否 足够 提供 生物 体 同 化 作用 所 需要 的 原 料 ， 分 解 代谢 进行 的 速度 是 否 足够 及 时 地 排除 有 害 物 质 ， 以 免 损 伤 细胞 或 个 体 。 无 论 是 合成 产物 “供不应求 ”或 “供过于求 ”以 及 代谢 废料 过 度 积累 ， 都 可 以 引起 代谢 紊乱 。 与 非 酶 催化 剂 相 比 ， 酶 更 明显 地 降低 反应 所 需 的 活化 能 ， 因 此 酶 的 催化 效率 较 非 酶 催化 剂 高 得 多 。 例如 在 没有 催化 剂 的 情况 下 ， 分解 1 摩 耳 过 氧化 氢 所 需 的 活化 能 为 18,000 卡 ，” 用 胶 质 包 作为 催化 剂 时 降 为 11,700 卡 ， 而 用 过 氧化 氢 酶 催化 时 仅 需 1,700 -&, BE H,O, 分 子 活化 时 所 需要 的 活化 能 仅 为 无 机 催化 剂 的 1/10 。 酶 促 反 应 受 许多 因素 的 影响 ， 主 要 是 酶 、 底 物 、 辅 酶 、 抑 制剂 、 激 活 剂 . 氢 离 子 和 人 金属 离子 的 浓度 以 及 温度 等 。 其 中 ， 酶 与 底 物 是 最 基本 的 因素 ， 它 们 的 性 质 、 数 量变 化 及 相互 关 系 对 于 酶 反应 速度 具有 很 大 的 影响 。 1.3 .1 化 学 反应 速度 ”一 个 最 简单 的 化 学 反应 ， 至 少 包 含 发 生 反应 前 的 反应 物 以 及 反 应 后 的 生成 物 ， 即 反应 物 通过 一 定 的 反应 过 程 而 变 成 了 生成 物 ; 130 ET SE A SY a ee a ee A (反应 物 ) —>B (生成 物 ) 化 学 反应 速度 的 表示 方法 ， 可 以 用 单位 时 间 内 反应 物 消 失 的 数量 来 表示 ， 即 : 反应 物 消失 量 /时 间 ， 也 可 以 用 单位 时 间 内 生成 物产 生 的 数量 来 表示 ， 辑 ， 生成 物产 生 量 / 时 间 。 (图 4-3) 从 图 中 可 以 看 到 随 着 反应 的 进行 ， 反 应 物 的 浓度 不 断 降 低 ， 而 生成 物 的 浓度 则 不 断 升 高 ， 表 明了 反应 物 逐 渐 转 化 成 生成 物 的 过 程 。 直到 最 后 ， 全 部 反应 物 都 变 成 生成 物 ， 反 应 即 “ 完成 。 从 反应 速度 来 分 析 ， 刚 开始 时 (时 间 to)， 反应 速度 最 快 ， 因 为 这 时 在 表示 反应 物 和 生成 物 浓度 变化 情况 的 曲线 上 所 作 切 线 的 斜率 最 大 ，a。 及 LB。 最 大 即 表示 物质 浓度 改变 的 te te te 趋势 最 大 ; 到 ti 时 斜率 减 小 ， 反 映 浓度 改变 图 4-3 ”化 学 反应 过 程 中 反应 物 与 生成 的 趋势 较 小 ， 到 最 后 在 tn 时， 斜率 降 到 最 低 ， 物 数量 (浓度 ) 的 变化 甚至 Cu 及 B。 成 为 0。， 物 质 浓 度 终于 停止 改变 ;反应 过 程 结束 。 可 见 , -在 一 个 反应 的 进 行 过 程 中 ， 反 应 速度 是 有 变化 的 ， 上 述 的 例子 玫 明 开始 快 而 逐渐 减 慢 。 因 此 SHAR MH 度 时 所 取 的 时 间 间 隔 是 越 得 越 好 ， 如 秒 、 毫 秒 等 ， 这 样 才能 反映 当时 的 真实 情况 ， 用 分 式 表 mR, BE dt 为 尽 可 能 小 的 时 间 间 隔 ,- 在 这 样 短 的 瞬间 内 所 发 生物 质 浓度 的 微量 变化 以 da 或 db 表示 ， 则 真正 的 反应 速度 应 为 ; a es AP a 表示 反应 物 A 的 浓度 ，b 表示 生成 物 B 的 浓度 ， 由 于 反应 物 在 反应 过 程 中 浓度 不 断 降低 ， 故 采用 负 号 ， 而 生成 先 的 浓度 则 不 断 升 高 ， 故 取 正 号 。 如 果 化 学 反应 是 可 逆 的 ， 则 反应 式 表示 为 : ki A= G ke 式 中 下 1 表示 由 人 一 了 的 速度 常数 ， 即 当 A 的 浓度 a 为 1 个 单位 时 的 反应 速度 ， Vg S> Ghia 当 a = 1 时 ， Vip =ki. 同 理 ， 若 也 的 浓度 为 1 SEM, WM: ic 4 b=18;, Vin =k2e oT MEN A eA TE, IDLE RR, I RE 的 速度 常数 作 分 子 ， 逆 反应 的 速度 常数 作 分母 ， 即 得 到 平衡 常数 的 数值 ; Ein. Es Ke Ke 2m 4R WMA RARE 1 时 ， 正 反应 速度 为 逆反 应 速度 的 倍数 5 1"3，。 2 酶 反应 速度 ”在 生物 化 学 的 酶 反应 中 ,一 般 将 反应 牺 称 为 底 物 ， 而 生成 物 称 为 131 产物 。 并 且 由 于 有 酶 或 催化 剂 参 加 ， 使 反 应 过 程 变 得 复杂 起 来 ; Kh @ ko 中 间 产 物 产物 从 式 中 可 以 看 到 ， 酶 能 与 底 物 合成 中 间 产 物 ， 然后 再 分 解 成 产物 和 酶 ， 因 此 酶 并 非 不 参 加 反应 ， 而 是 酶 参加 反应 的 最 终结 果 并 不 改变 它 的 化 学 本 质 和 原 有 数量 。 (4 从 图 中 可 见 : 酶 和 底 物 都 作为 反应 物 参加 反 应 ， 但 生成 的 中 间 产 物 不 会 大 量 积累 ， 而 是 很 快 地 转变 成 为 产物 ， 同 时 酶 分 子 则 不 断 重 新 游离 而 反复 ， SMA. MAME MM, AMAR RS 上 ky Uk, ， 而 且 还 有 中 间 产 物 分 解 成 产物 与 游离 酶 的 速度 常数 下 sz， 它 的 平衡 常数 要 用 下 式 计算 : ke + ks ki wt =Km Km PHKEER, CMM IDL A wa 用 ， 因 为 根据 实验 测定 ， 在 某 种 底 物 浓度 条 件 时 ， 4 酶 反应 过 程 中 各 种 物质 数量 酶 反应 速度 可 用 下 列 米 氏 公式 计算 ; 浓度 的 变化 | __V_ 《最 高 反应 速度 ) x 1S OR Y《〈 酶 反应 速度 》 = ORR) +S 《〈 底 物 浓度 ) 若 设 为 最 高 反应 速度 的 一 半 ， 即 v =, RAE 则 Km= 9， 即 米 氏 党 数 = 底 物 浓 度 〈 以 克 分 子 浓 度 计 算 ) 用 底 物 浓度 对 反应 速度 作 图 ， 得 图 4-5 。 图 中 的 曲线 表明 酶 反应 的 速 订 随 底 物 浓 度 的 升 高 而 加 快 ， 但 是 加 快 的 趋势 在 .天 mm 值 以 后 和 以 前 有 着 明显 的 区 别 。 在 Km 以 后 的 曲线 逐渐 af 接近 于 一 条 平行 直线 ， 表 现 为 零 级 反应 的 特征 ， 因为 零 级 反应 时 ， 反 应 速度 并 不 随 反应 物 浓度 而 改变 。 当 然 ， 在 开始 时 ， 例 如 底 物 浓度 只 有 开 m 的 2、3 和 4 倍 时 ， 曲 线 与 最 高 速度 的 界限 直线 间 还 有 较 大 的 距离 ， 但 是 随 着 浓度 的 增加 ， 曲 线 图 45 WE SMR NEMA le RR ER aI, Bl 10 x Km 时 ， 酶 反应 与 零 级 反应 的 误差 只 有 9%， 而 达 100xKm 时 ， 则 仅 < 1 % 的 误差 了 。 HR, 在 天 mm 以 前 的 一 段 曲线 ， 接 近 于 典型 的 一 级 反应 ， 并 且 底 物 浓度 越 低 ， 越 是 接近 一 条 具有 一 定 斜率 的 直 线 ， 如 3 = 1/100Km 时 ， 与 一 级 反应 的 误差 <1% ， 而 当 9 = 1/10Km 时 , 则 误差 为 <<10%。 米 氏 常数 的 用 处 在 于 鉴别 各 种 酶 与 底 物 的 亲 和 性 和 反应 能 力 ， 酶 的 米 氏 常数 数值 越 小 ， 表明 这 种 酶 对 该 底 物 的 亲 和 人 性 越 高 ， 催 化 底 物 反应 的 能 力 越 强 。 ( 表 4-2) 132 “Km 2km ska AD SKm 6Km 7Km 6Km ye ip Bi 底 物 Km(M) | is 底 ® | Km(M) HRY ALS ay 3.4 1077 淀粉 酶 淀粉 ~5x 1078 氨基 酰 -tRNA 合成 酶 | tRNA 4x 10-7 | PEAR 乙酰 -= 色 氨 酰胺 5x 10-3 WH RA BER 5x 1077 | J CAR BS kB 5x 1078 WZRtRNAG RH) HAR 3x 107° | 碳酸 栈 酶 Co: $x 10-s 溶菌 酶 -NZRRE WAM! 6x10? | BReaw 酷 蛋 白 2x 10-2 WORM <2 BBR 5x 10-8 | ae Sm 过 氧化 所 2.5x 10-2 AMBRE ATP 6x 10-8 | Bee RR 2.5% 1072 精 氨 酰 tRNA 合成 酶 | ATP 3x10°4 } AS ZRTR >3x 1072 AM RQRILB mR sx10-4 | REE fe m4 x 1072 MRR HCOs" 1x 10-8 四 蛋白 本 OP i HE 4.5 1072 MEN 甘油 磷酸 本 <3x1l0-s | = ak it MBAR ~5x 1072 B- 半 乳糖 苷 酶 Ae 4x 1078 o. - 7 23 HH 甲 基 x-D 和 葡萄 糖苷 | ~5x« 1072 当 酶 的 总 浓度 已 知 时 ， 由 于 : V( 最 高 反应 速度 ) = 上 sx 酶 的 浓度 Ait, it V 可 以 计算 一 个 酶 的 转换 率 。 例 如 ， 当 -I0-*M 碳酸 酝 酶 完全 被 底 物 饱和 时 ， 每 秒 可 催化 生成 0.6 MH,CO,, SRB ky 是 6x 10-5/ 秘 ;这 个 速度 常数 上 也 被 称 作 转 换 率 。 一 个 酶 的 转换 率 是 指 酶 被 底 物 饱和 时 ， 单 位 时 间 内 每 个 酶 分 子 能 够 将 底 物 分 子 转变 成 产物 的 数目 。 碳 酸 栈 酶 的 转换 率 为 600,0007 秒 ， 是 已 知 的 酶 中 转换 率 最 高 的 一 个 。 催化 的 每 个 周 期 所 需 时 间 为 1/k。 ， 碳 酸 酬 酶 为 1.7 微 秒 。 大 多 数 酶 对 其 生理 底 物 的 转换 率 在 1 一 104/ 秒 范 围 内 。 ( 表 4-3) 表 4-3 几 种 BH RK HR 率 i 转换 . 率 〈 转 变 底 物 分 子 数 /每 秒 /每 个 酶 分 子 ) RRS 600,000 乙醚 胆 碱 酯 酶 25,000 HERB 2,000 乳酸 脱 氢 酶 1,000 了 胰 凝 乳 蛋 白 酶 100 DNAR GH I 15 & ARA RB 2 溶菌 酶 0.5 米 氏 方程 式 是 定量 地 描述 酶 促 反应 过 程 的 基础 。 但 是 ， 必 须 注 意 : 多 数 酶 表现 的 动力 学 行为 ， 远 比 我 们 采用 的 理想 化 情况 要 复杂 得 多 。 米 氏 方程 式 是 基于 酶 促 反 应 中 生成 一 个 酶 - 次 物 中 间 产 物 的 简单 情况 ,实际 上 ,多 数 的 酶 促 反 应 包含 两 个 或 更 多 酶 = 底 物 中 间 产 物 ， 如 : 133 E+ S = ES = EZ == EP =— E+ P HH EZ RAEWTERAWL SH, EP 则 是 酶 -产物 复合 物 。 何 况 ， 在 很 多 酶 促 反应 中 底 物 站 子 常 不 止 一 个 ， 产物 分 子 也 不 止 一 个 。 例如 ， 反 应 中 有 两 个 底 物 S: 和 S: 参加 时 ， 酶 - eeA ee LH: BD ES,, ES, 和 了 ES,S,， 每 种 复合 物 的 形成 都 有 各 自 的 速度 党 数 。 这 样 就 增加 了 酶 促 反 应 动力 学 分 析 的 复杂 性 。 当 酶 反应 中 同时 有 两 个 底 物 和 有 两 个 产物 时 ， 情 况 更 为 复杂 。 在 有 两 个 底 物 的 情况 时 ， 酶 先后 与 两 个 底 物 结合 ， 成 为 三 联 体 ， 然 后 使 两 个 底 物 间 发 生 反应 。 在 有 两 个 产物 的 情况 下 ， 酶 先后 释放 两 个 产物 。 在 有 两 个 底 物 和 两 个 产物 的 情况 下 ， 则 反应 的 方式 有 四 种 : a 顺序 式 , 酶 先 与 第 一 个 底 物 形成 中 间 产 物 , 再 与 第 二 个 底 物 形成 中 间 产 物 。 win 6 磷酸 葡萄 糙 脱 复 酶 在 作用 时 先 与 第 一 个 底 物 NADP 结合 ， 成 为 第 一 个 复合 物 ， BESIDE 6- 磷酸 葡萄 糖 结合 上 去 ， 成 为 一 个 三 联 体 复合 物 ， 这 时 ， 酶 将 葡萄 糖 上 的 氢 转 移 给 NADP， 使 之 成 为 NADPH， 然后 将 脱 氢 后 的 6- 磷酸 葡萄 糖 〈6- 磷酸 葡萄 糖 酸 ) 游离 , 最 后 将 NADPH 游离 。 (图 4-6 ) E EA EAB(EPQ) EQ. E: 和 i ‘%. ¥ NADP wis & yt ; = 图 4-6 i FR BR | E. Ms A. 第 一 底 物 ，B， 第 二 底 移 ; EA。 酶 与 A 的 复合 物 ; EAB。 底 物 - 酶 三 联 体 复合 物 ? P， 第 一 产物 ，Q,。 第 二 产物 ，EQ。 匡 与 第 二 产物 的 复合 物 ， EPQ。 产 物 - 酶 三 联 体 复合 物 。 ERM, Fo RRM RAM RII. b .特殊 式 ; 反应 情况 基本 上 与 顺序 式 相同 , 但 第 二 底 物 与 酶 的 接触 时 间 极 得 ; 它 几 乎 立即 恋 成 产物 而 离开 本 ,例如 乙醇 脱氧 酶 , 它 的 第 一 个 底 物 是 NAD ， 第 二 个 底 物 芯 醇 与 酶 接触 后 立即 变 成 乙 醛 而 游离 ， 反 应 几乎 在 瞬间 完成 〈1,000 次 / 秒 ) 。( 图 4-7 ) A B P Q E EA EQ E A478 KK BR (字义 同 4-6 图 注 ) c ,任意 式 ; 酶 可 以 先 与 第 一 个 底 物 结合 , 亦 可 先 与 第 二 个 底 物 结合 ,对 反应 结果 不 发 生 影 nf. 例如 葡萄 糖 激酶 是 二 个 磷酸 转移 酶 ， CHAN Him ATP ) Beas, i 134 ee ATP 上 的 一 个 磷酸 基 转 移 到 葡萄 糖分 子 上 去 ， 然后 先后 释放 6- 磷酸 葡萄 糖 或 ADP。 CA 4-8 ) an @Le Bebe A4-8 fF & HBR MY (字义 同 4-6 图 注 ) dBRL. 酶 先 与 第 一 个 底 物 结合 ;并 且 发 生 反应 而 释放 第 一 个 产物 ,然后 再 与 第 二 个 底 物 发 生 反应 而 释放 第 二 个 产物 。 例 如 羧基 转移 酶 ， 先 与 草 酰 乙酸 结合 ， 酶 的 畏 基 将 草 酰 乙 酸 的 羧基 取 下 ， 使 第 一 底 物 变 成 两 柄 酸 而 释放 之 ， 然 后 再 与 第 二 个 底 物 一 两 酰 辅酶 人 结合 ， 结合 时 将 羧基 转移 给 它 而 变 成 甲 基 丙 二 酰 辅酶 A 而 厅 放 之 。 (图 4-9 ) 了 E FB. (EQ). @) ®& fg é B49 % 2 RM 反 应 7 FE 为 变化 后 的 酶 分 子 -字义 余 同 4-6 图 注 ) ” 1.3. 3 酶 的 活力 测定 ” 除 米 氏 常 数 外 ,测定 酶 的 活力 (催化 效率 ) 还 以 各 种 方式 表达 ， A CU): 国际 上 统一 规定 酶 的 活力 单位 ， 定义 为 在 最 适宜 条 件 〈pH 和 温度 ) 下 ， 二 分 钟 内 催化 二 个 微克 分 子 数 〈 微 摩 耳 ) 底 物 反应 的 酶 量 ， 为 一 个 酶 活力 单位 ， 亦 称 一 个 国际 酶 单位 〈《U) 。 但 实际 使 用 时 ， 常 按 习惯 规定 一 些 其它 的 酶 活力 单位 。 其 它 还 有 ; 酶 比 活力 = 酶 单位 /毫克 酶 蛋白 = 产物 微克 分 子 数 /分 钟 /党 过 酶 蛋 百 酶 总 活力 = 酶 比 活力 X 酶 蛋白 总 量 = 醇 单位 总 数 纯化 程度 = 比 活力 《处 理 后 ) / 世 活 力 〈 处 理 前 ) “得 率 = 总 活力 〈 处 理 后 ) /总 活力 【处理 前 ) 催化 常数 = 产物 产生 量 / 分 钟 / 纯 酶 克 分 子 数 周转 数 * = 催化 常数 /活性 部 位 数 “一 般 酶 约 为 10: 一 108 范围 。 TT “一 | | 第 二 节 酶 促 反 应 的 机 制 前 已 述 及 酶 的 高 度 催化 活性 ， 是 由 于 酶 促 反 应 大 幅度 降低 了 反应 所 需 的 活化 能 ， 而 酶 使 RISA, 常 认为 是 通过 酶 与 底 物 形成 复合 物 ， 以 及 该 复合 物 迅 速 转 变 为 反应 产 物 ， 并 释放 出 酶 而 实现 的 。 酶 - 底 物 复合 物 是 如 何 形成 的 ? ” 酶 - 底 物 复合 物 为 什么 能 迅速 转 变 为 反应 产物 ?- 底 物 是 怎样 浓 集 在 酶 周围 的 ? 产物 又 是 怎样 离开 酶 的 ? 这 些 锁 有 兴趣 而 且 极 为 重要 的 问题 ， 近 年 来 由 于 蛋白 质 结构 与 功能 的 研究 取得 了 不 少 进展 ， 但 认识 还 很 肤浅 ， 很 多 问题 还 停留 在 “假说 ”阶段 。 2-1 催化 理论 为 了 说 明 酶 的 催化 原理 ， 首 先 要 了 解 催化 作用 的 基本 物理 化 学 原理 ， 因 为 酶 的 活动 离 不 开 这 个 基础 。 Tr 一 个 放 能 反应 ， 按 热力 学 原理 应 该 能 够 自发 进行 ， 但 是 在 一 般 情况 下 却 并 不 进行 忆 原 因 是 由 于 分 子 首先 必须 活化 ， 就 是 提高 某 些 分 子 的 能 量 ， 当 这 种 含 存 较 高 能 量 水 平 的 活化 分 子 在 有 机 会 相互 碰撞 时 ， 才 能 进行 反应 ， 而 一 些 能 量 水 平 比较 低 的 未 活化 分 子 ， 则 即使 发 生 碰 撞 ， 也 还 是 不 能 发 生 反 应 。 (图 4-10 ) E: 右 图 表示 一 个 反应 A 一 > B 的 能 量变 化 ， 由 于 这 是 个 放 能 反应 ， 故 了 上 A ORM A 的 平均 能 量 水 平 ) 较 EB 〈 生 成 物 B 的 平均 能 量 水 平 ) 为 高 ， 但 是 A 分 子 的 能 量 必须 要 提高 到 E, 的 水 平 ， 才能 发 生 反 应 ;好 比 卫 : 是 A 分 子 反应 时 遭遇 到 的 一 种 能 峰 ， 只 有 那些 能 够 克服 这 种 能 量 障碍 的 A 分 子 ， 才 能 顺利 地 到 达 B 的 状态 。 升 高 温度 能 增加 分 子 的 活化 能 ， 提 高 浓度 能 增 加 分 子 的 碰撞 机 会 ， 因 而 都 能 加 速 化 学 反应 。 See | ET 化 学 反应 不 是 只 通过 分 子 之 间 的 简单 碰撞 就 能 4-10， 一 个 化 学 反应 前 后 的 能 量 完成 的 ， 而 是 要 经 过 一 个 中 间 的 过 渡 状 态 ， 即 反应 变化 以 及 活化 能 的 关系 物 分 子 在 互相 接近 的 过 程 中 ， 先 被 活化 而 形成 活化 络 侣 物 。 例 如 : A+C - BS CAcw Co BI—> A- B+ C 式 中 A、C、B 各 代表 一 个 原子 或 基 团 ， 当 A 接近 C 一 B 分 子 时 ， 促使 B 和 C 之 间 的 键 逐 渐 断 开 ， 同 时 又 促使 A 和 B 之 间 的 键 逐 渐 形成 ， 而 在 这 个 过 程 未 完成 之 前 ， 存在 着 一 个 过 渡 状 态 ， 在 过 渡 状 态 中 ， 旧 键 既 未 完全 断裂 ， 新 键 又 未 完全 建成 ， 形成 了 类 似 络 含 物 的 构 型 ,5A ……C……BD]， 称 为 活化 络 合 物 ， 亦 即 中 间 产 物 。 这 种 中 间 产 物 极 不 稳定 ， 一 方 面 它 能 变 回 为 原来 的 反应 物 ， 另 一 方面 它 又 能 分 解 成 生成 物 ， 而 一 般 能 够 进行 的 反应 中 ， 形 成 活化 络 合 物 是 一 种 快 步骤 ， 活 化 络 合 物 分 解 成 生成 物 是 一 种 慢 步骤 ， 而 且 前 一 步 双 的 速度 旺 后 一 步骤 的 速度 要 快 得 多 ， 这 样 ， 反 应 物 和 活化 络 合 物 之 间 一 直 维 持 着 热力 学 平衡 ， 而 活 化 络 合 物 分 解 成 生成 物 则 是 决定 整个 反应 速度 的 控制 步骤 。 136 | — ay ee ee eee 当 催 化 剂 加 入 溶液 后 ， 由 于 催化 剂 参与 了 化 学 变化 过 程 ， 因而 改变 了 反应 原来 的 途径 。 例如 原来 反应 途径 为 : Ar+B 一 一 > 人 = B 而 加 入 催化 剂 Cla, EA: ® A+B+C— >A—-C+B @ A—C+B—>A-—-C-—B ©) A-C—-B—>.C+ A—B 这 样 ， MEALS) PAE EU RE BE I AE EEG RL, AM NG IR, ERLE 活化 能 较 低 的 反应 步骤 来 完成 。 (图 4-11) 图 中 表示 ， 由 人 A 与 C 的 结合 、A - C 与 了 B 的 结合 ， 以 及 A - C - B 的 变 成 A - B ， 这 三 个 反应 步骤 所 需要 的 活化 能 四 、 四 、 轩 都 要 低 于 类 来 的 活 ， 化 能 E, ， 因此 ， 催化 剂 与 反应 物 形 成 的 中 间 产 物 ， 或 活化 络 合 物 就 能 加 快 反应 的 速度 。， 上 述 的 是 均 相 催化 的 原理 ， 即 反应 物 和 催化 剂 OF 都 均匀 地 分 散在 同一 个 溶液 中 时 的 情况 。 酸 - 碱 催化 可 以 作为 溶液 中 均 相 催化 最 重 要 的 例子 ， 有 机 反应 有 许多 可 用 酸 或 碱 催化 。 例 如 , we 翌 水 解 成 果糖 和 葡萄 糖 、 酯 的 水 解 、 淀 粉 和 纤维 素 的 水 解 等 反应 ，H+ 都 可 作 催 化 剂 。 反 应 速度 还 往 “图 4-11 催化 剂 改变 化 学 反应 途径 以 降 往 与 催化 剂 H' 的 浓度 成 正比 。 由 于 这 类 反应 中 本 Peele Cees KAN 的 得 失 ， 因 些 ， 互 ” 参加 化 学 反应 ， 是 符合 质量 作用 定律 的 。 这 时 的 催化 作用 也 是 通过 中 间 产 物 实现 的 。 酸 - 碱 催化 的 特点 是 在 反应 过 程 中 质子 《了 ) 的 转移 。 同 其它 化 学 键 的 断裂 相 比 ， 质 子 之 所 以 易于 转移 ， 是 因为 质子 不 带电 子 ， 半 径 很 小 ， 电 场 强 度 大 ， 易 接近 其 它 极 性 分 子 的 带 负 电 一端 ， 形 成 新 的 化 学 键 ， 在 转移 过 程 中 又 不 受 分 子 电 子 云 的 排斥 ， 因 而 仅 需 较 小 的 活 化 能 的 缘故 。 有 大 认为 : 质子 的 加 入 和 除去 分 为 两 步 进行 ， 慢 的 一 步 决 定 催化 速度 。 如 果 质 子 的 加 入 是 慢 速 步骤 ， 就 是 酸 催化 反应 ， 如 果 质 子 的 除去 是 慢 速 步骤 ， 就 是 碱 催化 反应 。 耐 有 些 反 应 ， 如 酯 的 水 解 等 ， 既 可 用 酸 催化 ， 又 可 用 碱 催 人 化。 另外， 未 电离 的 酸 或 碱 有 时 也 同 H* a OH” 一 样 有 催化 作用 ， 称 为 广义 的 酸 - 碱 催化 反应 。 如 果 反 应 物 处 在 溶液 中 ， 而 催化 剂 为 固态 分 子 ， 则 形成 复 相 (多 相 ) 催化 反应 系统 。 在 复 相 催化 反应 中 ， 催 化 作用 与 固态 催化 剂 的 表面 结构 有 密切 的 关系 。 在 反应 发 生 时 ， 反应 物 首先 必须 吸附 到 催化 剂 表面 ， 开 始 时 只 是 简单 的 物理 吸附 ， 主 要 依靠 分 子 间 的 引力 ， 不 形成 新 物质 ， 是 一 种 不 稳定 、 可 逆 和 选择 性 不 强 的 吸附 ， 温度 升 高 时 ， 这 种 吸附 量 减 少 ; 然后 进一步 形成 不 可 逆 的 化 学 吸附 ， 它 是 由 分 子 内 化 合 价 力 的 剩余 力量 所 引起 的 ， 是 一 种 松懈 的 化 学 结合 ， 与 物理 吸附 相 比 ， 它 比较 稳定 ， 而 且 选 择 性 较 强 。 与 物理 吸附 相反 ， 温 度 升 高 ， 在 一 定 范围 内 能 使 化 学 吸附 量 增多 。 由 于 催化 剂 表面 是 超 微 炙 凸 不 平 的 ， 表 面 各 处 化 合 价 力 不 饱 和 程度 不 同 ， 化 学 吸附 常 发 生 在 化 合 价 力 不 饱和 程度 大 的 地 方 ， 即 角 上 、 棱 上 137 及 不 规则 晶 面 上 的 突起 部 分 /而 不 是 均匀 地 分 布 在 整个 表面 上 ， 这 些 容易 发 生化 学 吸附 的 部 位 称 为 催化 剂 的 活性 部 位 ， 它 往往 只 占 催 化 剂 总 表面 积 中 的 极 小 部 分 。 例 如 * BRAK 化 剂 ， 活 性 部 位 约 占 总 面积 的 0.1 % ， 无 机 催化 剂 活性 部 位 的 数量 还 与 催化 剂 制备 条 件 及 方 法 有 关 。 在 活性 部 位 上 ， 反应 归 变 吸附 、 赤 形 并 活化 ， 即 旧 键 松 弛 ， 失 去 正常 的 稳定 效 灾 ， 而 易 于 发 生 反应 。 根 据 活化 络 合 物 原理 看 来 ， 催 化 剂 的 活性 部 位 也 是 一 种 反应 物 ; 它 参与 化 学 反 应 ， 与 反应 物 形成 中 间 产 物 ， 然 后 再 反应 而 产生 生成 物 ; 而 且 由 于 催化 剂 表面 具有 一 定 的 几 何 整齐 性 ， 对 反应 物 能 形成 多 位 吸附 ， 当 活性 部 位 的 排列 距离 与 吸附 反应 物 分 子 的 结构 能 互 相 适 应 时 ， 即 能 形成 多 位 活化 络 合 物 ， 而 使 反应 按 一 定 的 方向 进行 ,如 果 两 者 不 相 适应 ， 就 难于 发 生 催 化 作用 。 DINER (ND 卖 面 进行 着 乙 抉 分 子 形成 多 聚 体 的 情况 ,， 当 乙 炊 分 子 吸附 在 晶体 表面 上 间距 为 3.5& 的 镍 〈Ni) 原子 上 时 ,能够 加 氢 并 与 邻近 的 同类 分 子 聚 合 ， 不 断 生 长 而 成 多 聚 物 。 (A 4-12) 时 4-12 沁 抉 分 子 在 镍 晶体 表面 上 的 聚合 反应 a / 白 贺 为 Ni 原子 ， 黑 图 为 C 原子 ; WLRMARHAT, A, 每 个 乙 决 分 子 的 双 点 吸附 ; Be 第 一 AZPSF MAT RELECRS, 并 儿 它 未 配对 电子 与 邻近 乙烯 分 子 聚 合 ; Gs WRB RAR AS Ft FR; D. MAMI IL RF. | 2.2， 邻 近 效应 和 定向 效应 降 在 发 挥 催化 活性 时 ， 同 祥 也 遵循 一 般 俱 化 剂 的 原理 。 由 于 酶 是 到 白质 ， 它 是 -种 大 分 予 物 质 ,与 水 可 以 形成 大 分 子 溶液 , 它 在 作用 时 既 有 均 相 催化 的 特点 ,又 有 复 相 催化 的 特点 ,而 以 后 者 为 主 。 作 为 大 分 子 的 酶 ， 在 溶液 中 与 水 相 之 间 形 成 了 界面 ， 酶 能 够 以 它 的 表面 吸附 底 BPE. 使 底 物 分 子 向 酶 移动 ， 而 且 由 于 酶 分 子 不 断 地 把 底 物 分 子 转变 成 产物 ， 在 酶 的 作用 | 部 位 处 ， 底 物 浓度 始终 保持 最 低 ， 所 以 底 物 分 子 根据 浓 差 梯度 而 源源 不 断 地 向 酶 分 子 扩散 ; 当 底 物 分 子 与 酶 分 予 发 生 碰撞 时 ， 只 要 它 的 反应 基 团 正好 落 在 酶 作用 部 位 “活性 部 位 ) 的 势 力 范 围 内 ， 以 及 碰撞 的 动能 大 于 它 和 酶 分 子 相 结合 所 需要 的 能 量 时 ， 它 就 和 酶 分 子 相 结合 ， | 开始 时 也 是 单纯 的 物理 吸附 ， 后 来 才 逐 渐变 成 化 学 吸附 ， 以 至 化 合成 为 酶 与 底 物 的 中 间 产 I 物 。 当 底 物 结合 在 酶 分 子 上 时 ， 底 物 分 子 的 反应 基 团 就 以 最 适宜 的 方式 配置 在 一 定 的 空间 位 置 和 确切 的 方向 上 ， 使 之 容易 发 生 反 应 ， 常 将 底 物 分 子 移 向 并 贴近 酶 表面 的 作用 称 为 邻近 效 Hl 应 ;| 而 将 底 物 趋向 于 在 酶 表面 上 排列 为 最 有 利于 受 酶 催化 的 立体 化 学 结构 ， 称 为 定向 效 应 (A 4-13) | 酶 催化 过 程 中 的 邻近 效应 和 定向 效应 ， 常 以 简单 的 有 机 化 学 反应 作为 酶 模型 进行 研究 。 | in, 酯 的 水 解 用 羧 酸 离子 (了 COO-) AREA, 7ARRERE ARIF RCOO” 离子 的 法 | BK, KLE PRREUEHAREATAARERRMOT, ATKRLASKD ESS 合 A 4-14 表 明 在 几 个 可 以 作 比较 的 分 子 内 模型 中 ,， 催化 基 团 -COO- 对 酯 键 水 解 的 邻近 138 人 al RY, FM SE PY RCL ATT CA 414 ras : Ch. its 4a; F 4-13 WSF GIR SSF A SSH Hs DL BH A. BY EMORY (ASRRE, AMET), B. 酶 周围 环境 中 底 物 分 子 的 波 差 梯度 CA 密 表示 淡 庶 高， 点 稀 表 示 浓 度 低 ) ，'C。 底 物 分 子 与 酶 的 矶 撞 时 动能 大 小 与 结合 的 关系 《箭头 表 RAM 大 水 ， 钼 者 才 示 动能 大 ， 细 者 表示 动能 小 ) ; D。 ROTTS MAM, 反应 基 团 与 酶 的 活性 部 位 相遇 的 情况 ，a 在 活性 部 位 作用 势力 范围 内 可 以 结合 ，b 在 范 国外， 故 不 能 结合 。 在 这 些 分 子 内 模型 中 ， OA RREE COO” HEATER ~ 1 CH 一 C 十 -二 化 剂 ， 栈 键 为 底 物 。 R 为 对 省 醒 基 。 酯 的 分 解 过 程 中 aoe il 伴随 有 环 化 作用 。 ae) EM, PASE RRS AAR, RERET Ma fbr 1 AGS. MMR RARE LE TIARM A f 新 键 形 成 的 速度 ， 后 者 又 是 多 种 因子 综合 作用 前 结果 。 gy AM -GtOR Ga O : 20 2-3 BSRMTMEAHLEA aN Hs 5 DE OSSD ARE LED, OD rs 静电 引力 、 氢 键 和 范 德 华 耳 斯 引力 。 far FoR 23-1 LS BRM F LOT | Gh / 230 RAPEDIEAS iin. SIRE A CREAT | Rim RE) 作用 于 甘氨酸 -L-BAR, Roepe ST 肘 形 成 中 间 产 物 时 ， 就 是 依靠 酶 与 底 牺 相应 基 团 间 的 甫 fo- 电 引力 ， 即 二 肽 底 物 次 端 的 负电 荷 与 酶 分 子 精 氨 酸 残 基 。 67 0) 53.000 和 和亲 相配 取 引 *: 卫 东阳 立 同事 纪 为 rcoo- | 2.8A6 | | " , “yy 图 4-14 ”催化 基 团 的 邻近 效应 对 反 Hav—t—m—cK NC Nc CH 而 EY CRA RK ® ORT ESS i Rm Oe 解 的 相对 速度 ) 。 一 个 带 负电 的 底 物 可 以 与 带 正 电 的 赖 氨 酸 或 精 氨 酸 残 基 组 成 的 侧 链 形成 电价 键 。 如 果 介 PH 值 较 低 ， 醇 分 子 的 组 氨 酸 残 基 和 先端 氨基 也 带 正 电 荷 ， 则 可 以 与 带 负 电 的 底 物 相 结 合 。 酶 分 子 带 负 电 的 基 团 ， 如 天 冬 氮 酸 和 谷 氨 酸 的 羧基 以 及 多 肽 链 的 末端 羧基 ， 可 以 与 带 正 电 的 底 物 相 结合 。 139 2.3. 2 氢 键 ”很 多 不 带电 的 底 物 通 过 氢 键 和 酶 分 子 结合 ， 多 数 带电 的 底 物 也 可 通过 氢 键 和 酶 分 子 结合 。 事 实 上 CARP, 一 个 氢 原 子 被 两 个 其 它 的 原子 所 共有 ， 通 常 把 与 氢 结 合 较为 紧密 的 原子 称 为 供 氨 体 ， 另 一 原子 称 为 受 氨 体 。 氧 键 的 键 长 约 在 共 价 键 和 范 德 华 耳 斯 引 力作 用 上 距离 之 间 ， 如 :0 一 H…O 键 长 2.70A ， 0 一 再 …N 2,884, N—H--0 3.04A， N 一 H…N 3.10A 。 氢 键 的 重要 特征 是 具有 高 度 方向 性 。 氢 键 在 酶 与 底 物 相 结合 过 程 中 的 作 用 ， 可 用 胰 核 糖 核酸 酶 与 RNA 的 尿 喀 啶 部 分 之 间 的 结合 来 说 明 。 CH 4-15) jie N~ CN, ae bes Cc HC N 入 pS eiatnc aoe 9 所 43 村 A 20 ta, —CH, 图 4-15 IEWHRNA MAA: 中 间 产 物 有 三 个 氢 键 ” 1. 屎 喀 啶 环 的 一 个 CHO 基 和 肽 主 链 的 N 一 菇 形成 氢 键 ; 2, 尿 喀 啶 环 的 一 个 N—-H 2A ki AM -OH 形成 氢 键 ; 3。 RAE BER 3 — 4+ C=O 基 与 肽 的 丝氨酸 -OH BRA. A 为 酶 的 苏 氮 酸 侧 链 ;B 为 酶 的 毕 氨 酸 侧 链 ; C 为 底 物 的 尿 喀 喧 环 。 组 成 蛋白 质 的 二 十 种 氨基 酸 中 有 十 一 种 可 以 通过 它们 的 侧 链 形成 氢 键 。 例如 ， oR #5 RM GE PT VA PE AE A BE oT (Hd NG) WINS (H) | (HD ‘ N | Hees ee | oo N= C==== N—-—G&) (H) 色 氨 酸 的 供 氢 体 A AR ys HE 天 冬 酰胺 、 谷 氨 酰 胺 、 anlar nics 既 可 作 氧 键 供 体 ， Se ) 可 作为 气 键 受 体 in a= 一 CN 一 (二 二 谷 氨 酰 胺 和 天 冬 酰胺 的 氢 键 受 体 和 供 体 ; 赖 氨 酸 “和 未 端 氨基 ) 、 天 冬 氨 酸 、 谷 氨 酸 和 末端 羧基 ) . Me 的 能 力 随 环境 的 pH 而 不 同 。 这 些 基 团 在 一 定 pH 条 件 下 可 以 同时 作为 氢 键 的 受 体 和 供 体 》 而 在 其 它 pH 值 时 只 能 作为 氢 键 的 受 体 。 | 可 作为 氢 键 供 体 天 冬 氨 酸 和 谷 氨 酸 情况 如 下 ， PO Me BREN —CHa~c¢ (质子 型 天 冬 氨 酸 或 谷 气 酸 ) O]H< tt St Bt tk O … < —cH—c€ - Liisi Grae ecm om Op 140 a a 293° 3 范 德 华 耳 斯 引力 ”任何 两 个 原子 相距 I~ 4 及 时 即 具 有 非特 异 的 吸引 为 ， Ht 形成 的 键 叫 做 范 德 华 耳 斯 键 。 与 电价 键 和 氢 键 相 比 ， 范 德 华 耳 斯 键 的 强度 要 低 得 多 ， 而 且 缺 乏 特 异性 ， 但 在 生物 学 中 ， 特 别 是 酶 的 催化 过 程 中 ， 它 并 非 完 全 不 起 作用 。 因 为 在 酶 促 反应 过 程 中 ， 当 底 物 的 大 量 原 子 同 时 与 酶 的 大 量 原子 接近 时 ， 所 有 这 些 原子 范 德 华 耳 斯 力 的 总 和 就 能 起 一 定 的 吸引 作用 ， 而 底 物 和 酶 分 子 中 大 量 原子 接近 的 条 件 是 底 物 和 酶 在 立体 化 学 上 的 互补 ， 亦 即 两 者 在 空间 构象 上 的 相互 适合 。 因 此 形成 单个 范 德 华 耳 斯 键 虽 然 没 有 特异 性 ， 但 当 大 量 的 范 德 华 耳 斯 键 同 时 形成 时 却 有 高 度 特异 性 。 2-4 与 酶 催化 有 关 的 有 机 化 学 反应 酶 所 催化 的 反应 多 数 可 以 根据 有 机 化 学 反应 的 一 MIU SEL 294-1 酸 - 碱 与 有 机 催化 作用 “i 酸 和 碱 是 有 机 反应 中 最 普遍 和 最 常见 的 催化 剂 。 有 机 反应 的 酸 - 碱 催 化 作用 可 以 分 为 三 种 专 要 类 型 , 即 简单 的 酸 - 碱 催化 作用 、 广 义 的 酸 - 碱 催化 作 用 和 路 易 斯 酸 〈 或 碱 )》 的 催化 作用 。 简单 的 酸 - 碱 催化 作用 ， 从 酸 - _ 成 的 离子 论 册 发 ,认为 反应 速度 的 增加 只 是 与 H* & OH™ ”浓度 相关 的 。 在 有 机 反应 中 ， 这 类 催化 不 甚 重要 。 已 知 的 酶 中 没有 一 个 可 以 单纯 地 因 介 质 中 游离 的 H* 或 OH” 浓度 变化 而 提高 其 催化 活性 的 。 广义 的 酸 - 碱 催 化 作用 ,从 酸 - 碱 的 质子 论 油 发 ,认为 反应 速度 的 增加 是 与 广义 的 酸 ORT 供 体 ) 和 广义 的 碱 〈 质 子 受 体 ) 的 浓度 相关 的 。… 大 多 数 酶 所 催化 的 反应 中 都 包含 有 广义 的 酸 - 碱 催化 作用 。 例 如 关 基 加 水 反应 、 羧 酸 酯 和 磷酸 醋 的 水 解 、 消 去 反应 、. 重 排 反应 以 及 取代 反应 中 都 有 广义 的 酸 - 碱 俱 化 。 酶 分 子 中 含有 数 个 能 作为 广义 酸 QM WHER, i 氨基 、 羧 基 、 琉 基 、 栈 氨 酸 酚 羟 基 以 及 组 氨 酸 咪唑 基 : 在 被 广义 酸 (或 碱 ) 催化 的 反应 中 ， 催化 剂 在 催化 循环 的 某 些 点 上 作为 质子 的 受 体 或 供 体 。 对 于 酶 促 反 应 的 机 制 来 说 , 单 用 酸 - 碱 的 离子 论 和 酸 - 碱 的 质子 论 都 不 能 很 好 地 说 明 ,还 必 须 用 现代 酸 - 碱 的 电子 论 进行 解释 , 即 路 易 斯 酸 或 碱 的 催化 作用 。 酸 - 碱 的 电子 论 认为 酸 是 具有 电子 结构 未 饱和 的 原子 、 分 子 、 原子 团 或 离子 ， 可 以 接受 外 来 电子 对 ， 又 被 称 为 电子 对 受 体 ; 碱 则 是 含有 可 以 给 予 电子 对 的 分 子 、 原 子 团 或 离子 ， 故 又 称 电 子 对 供 体 。 有 机 化 学 中 常 把 电子 对 受 体 称 为 亲 电 子 基 ， 把 电子 对 供 体 称 为 亲 核 基 。 酶 中 金属 离子 如 Met) Mn2+、 Fes+ 等 是 亲 电 子 基 ， 而 蛋白 质 分 子 多 肽 链 中 的 主要 的 亲 电 子 基 为 NHs+ 基 ， 它们 都 有 空 的 电子 轨道 。 蛋 白质 分 子 重要 的 亲 核 基 有 丝氨酸 羟基 、 半 胱 氨 酸 药 基 和 组 氨 酸 咪唑 基 等 ， 它 们 都 含有 孤 电 子 对 。 亲 核 基 很 易 与 亲 电 子 基 作用 。 2.4。2“ 亲 核 取代 反应 “ 亲 核 取代 是 酶 促 反 应 中 常见 的 类 型 ， 是 一 个 简单 的 取代 过 程 ， 即 一 个 亲 核 试剂 〈 碱 ) 接近 一 个 电子 未 饱和 的 碳 或 灵 原 子 ( 亲 电 子 中 心 ) ,形成 化 学 键 ， 同 时 取代 了 一 些 其 它 原子 ， 通 常 有 O、N 或 S51 被 取代 的 原子 带 着 它 的 成 键 电 子 对 以 及 其 它 的 基 团 离开 了 底 物 ， 同时 来 自 酶 的 某 个 酸性 基 团 释放 的 五 * 或 水 中 的 Ht 加 到 被 取代 下 来 的 基 团 的 O、N 或 S 床 子 上 去 ， 这 对 完成 酶 促 反应 来 说 通常 是 必要 的 条 件 。 Reb, wR 核 基 团 自 底 物 的 易 反 应 的 碳 原 子 上 取代 了 一 个 取代 基 ， 此 时 ， 酶 与 剩余 的 底 物 分 子 形成 共 价 化 合 物 。 后 者 极 不 稳定 ， 易 分 解 生 成 产物 。 因 此 该 过 程 又 常 被 称 作 共 价 催化 作用 。 酶 的 碱 基 Bee Hs em Mise BH 经 酶 促 反 应 移 去 一 个 质子 而 产生 的 。 亲 核 取代 反应 根据 发 生 于 取代 基 的 情况 可 分 为 四 类 ， 即 分 别 为 在 一 个 人 饱 和 的 碳 原 子 上 ， 141 ARR , 磷酸 基 上 和 硫酸 基 上 的 取代 ;如 图 4-16 bia. 1 D. B+ ee g ve 7 anms ‘ff 4-16 四 种 KR BRR RW AL “iam BUR F Lame Cee IEE, SEM 5. B。 RGRBEREE LAR (REE, KD ; (Ci RRELAKR ARM. RRA, RRR) 5, 9 -gryaset 、 De, 硫酸 基 上 的 取代 《硫酸 栈 酶 ) 。 二 tie (Rh BHRRER, PH—MAF: ERED Flin, RRB RRR BT A CRT LA © Se 2s RC me Be soe , ! a on 4417 Pp. AS | “Tit Bel 相知 -好 Hibs 8 0 Hag PE Mee aR AS Se SF UN I MA SAF RE RIF CCr) DL BY REA, AER ED SAISON. ae ., SM 复合 物 CHEM) ， 然后 糖苷 键 断裂 ,于 释放 第 一 个 产 牺 二 一 果 精 Bot Ob) ) B-EBSSDSRME A, BBOF PR PMB UHRRT EM RDBA .， PWR THE Cr 形成 c- 配 位 键 ， 酶 被 释 出 ， 得 到 第 二 不 产物 二 二 下 BERR THAT, | BEAL 1 RA HA WB tL 5 Hk a a wD i" t igh ahaa cS cae lec ge a Reo ew KF 1 | * en AL GHIE % CARRS (CH, rage O 一 SNDa 作 模 <— 3 拟 底 物 。; 当 反应 环境 在 pH 4 时 ,能 迅速 释放 对 - 硝 基 基 i's Bhs RANE PALA, IRede PH 4 时 水 解 很 “图 .417 i a CAL SE RERSAR eben ENR R met: (FR A SRP A} thst FE 4 ah Ae A. R CANOSYE Ad 2g ' ‘ me ey ‘ | a ee ee | 2 BC =o Ha dow. pKELRY i | | oe | kil | | 142 机 Gee RNA 也 可 分 为 两 步 ， 第 一 步 (a) ， 核糖 环 2"C 上 的 羟基 与 酶 的 第 12 位 组 氮 酸 残 基 作 用 ， 组 氨 酸 借 咪唑 环 上 氮 原 子 的 孤 电子 对 与 产 基 也 以 配 位 键 结合 ，H-O 断 A, BROMRBHBEP, 与 P 间 形 成 共 价 键 ， 同 时 了 的 负电 荷 又 移 往 另 一 个 与 核 业 环 上 5C' 相连 的 O0 ， 该 O 与 酶 第 119 残 基 组 氮 酸 〈 质 子 化 的 羚 基 ) 作用 ， 了 P-O 断裂 ， B 成 的 产物 为 环 -2 ，--3' 核 苷 二 磷酸 ， 第 二 步 ( b )， 在 水 分 子 的 参与 下 ， 水 解 成 3 BAR, 撤离 醇 而 游离 。 (图 4-18 ) 2.4。3 加 成 反应 和 消去 反应 “ 除 直 接 的 亲 核 天 代 外 ， 酶 催化 最 普遍 的 过 程 是 将 原子 (原子 团 ) 加 * 在 双 键 两 侧 的 C 上 ， 或 者 相反 ， 从 每 个 相应 C 上 消 SRF ORF A). 而 使 底 物 形成 双 键 。 -加 成 反应 有 三 种 类 型 ， A ;加 在 有 极 性 的 双 键 上 ， 如 >C 二 0 和 一 pHCG ， | >C 一 X-， 该 反应 常 出 现 于 半 缩 醛 、 半 缩 酮 、 灶 ， 缩 硫 醇 、 氨 基 甲 醇 的 酶 促 过 程 中 : 站 MB + C—O + H'—> ®-B-C—OH ( 变 放 本) 4-18 核糖 核酸 酶 的 酶 促 机 制 B, m+ >C 一 0 或 > C 一 N- 共 本 的 双 键 上 ， 靖国 oe 酶 -B-: + > C=C—C =0-> -B— CGC O (MAE-CoAKAaM, EMRMM, KLAR) + H* 5 CC。 加 在 孤立 的 双 键 上 ， 如 油 酸 水 合 酶 。 消去 反应 ， 该 反应 是 较 复杂 的 酶 机 制 中 的 常见 步 又。 例如 脱羧 消去 ; | si il 7 oes KT — VY +C =C\ +CO2 - 醛 缩 酶 酶 促 反 应 的 第 一 、 二 步 中 ， 酶 的 特定 赖 氨 酸 残 基 上 的 =NH， TUM AREA 哟 作用 ， 打 开 兰 基 双 键 ， 形 成 氨基 甲醇 复合 物 ， 后 者 脱水 转变 为 亚 胺 。 该 过 程 中 第 一 步 为 加 成 反应 ， 第 二 步 为 消去 反应 : O 3<-"H OH | -再 20 人 H H Hi aig H (氨基 甲醇 - 酶 复合 物 ) ( 亚 胶 - 酶 复合 物 ) 又 如 延 胡 索 酸 酶 可 逆 地 催化 延 胡 索 酸 水 合成 苹果 酸 ， 该 反应 属于 一 种 与 痰 基 共 思 双 键 的 加 成 反应 。 用 重水 〈D:O ) 所 作 的 实验 表明 ， 非 酶 催化 或 酶 促 反 应 时 H 和 OH 加 在 相反 方 响 的 情况 较 同 侧 为 多 。 现 又 发 现 酶 促 反应 过 程 中 生成 了 正 碳 离 子 的 中 间 产 物 ! 由 苹果 酸 生 成 正 正 离 子 的 速度 慢 ， 由 正 碳 离子 生成 延 胡 索 酸 的 速度 快 。 (图 4-19 ) a 148 RE A 4 B Cc *H OO- 和 BE H a H b v4 ; y syr+ I OOC ‘OH OH O0C. iH H “4 1 图 4-19 HEAR RY HE AE BL itl A. ¥3R, B. ERAT; C. CMAR. 第 三 个 例子 ， 5- HRM PR RRHEAR SRY MRALR MY. 消去 反应 通常 包括 丢失 一 个 与 亲 核 基 团 〈 如 -OH ) (cH (如 -COO-) Bik, —* C-C HEAT B i Exe CO, (和 末 核 基 团结 从 下 而 断裂 。 5- 焦 磷 酸 甲 送 戊 酸 转变 为 异 戊 烯 焦 磷 酸 的 反应 是 类 异 戊 二 烯 化 合 物 生 物 侣 成 中 的 关键 性 反 应 ， 括 号 中 的 磷酸 酯 可 能 是 中 间 产 物 。 (A 4-20) HO, CH; SM Am app | :too cH _-CH; 人 CH, ss | - : CH, ne Mare Ha Te ra) OP,0,.H2~ CH; 0 天 so OP2OcH2- A B ae HPO,4- CH; )- CH, CH; CH,OP,0,H a= Ce 4-20 Se tA AR RR BY AEB BL i A. S-RRRPHRRM, BMW PEW, C. RM RAM. 2-404 酶 催化 的 其 它 反应 : 见 表 4-4 表 4-4 ; 酶 催化 的 其 它 反应 类 型 反 应 | 例 ¥ CS See ee we’ & 365 WE A PS BH EH TE: O 0 o- 1 | ry py lL. (形成 烯 醇 胃 离子 ) 六 a ees Cou 1 | 2. OE RMR) —C -ce O OH HO OH OH O | Lo ba st bo | 3. (RRB) —C—G-—>—C #C — <> —c—c~ wi 5H : H 144 | 4, SL th, 6.9} % 的 中 世 续 前 表 )， Oo H fe) , hele. Lesa ? Lies c ake pe he so H < |). Sa oe 二 —C C=C C 一 | | >< 省 烯 醉 困 离 子 作为 亲 核 试剂 ， C-C ay ER CB 缩合 ) Ge i 基 上 +4 ih = 号 时 : (¥ =—S—CoA) aa + H* —»—C—C—C+YH* _ ee ee a wj 2。 加 在 淡 基 上 的 醛 醇 缩合 : Pine} «: 1 wo we as KER BE Bee Ree * = a ae foe: 柠 样 酸 合成 酶 3。 加 在 三 氢化 碳 上 (8 Rit) | AES = BERS ; Bake prt] St Re aS v SS TPS i 机 ee eee RB, VAS ROMER aden d dad a RRR 6 slehidadalblalcted de — = Bini E Oss 5 ERR TARA . 一 些 异 构 反应 和 分 子 重 排 反应 ai | 1, MARR EM: s Pry | ee ad EER . ti bet aC > Cee pe aa 4 ak oh | fw | H. 4H H i i te} Taha 1 2。 带 缩合 作用 的 烯 丙 基 重 排 ; enS iL ee el | | = : SB j KR 一 “ss CHa CR 一 一 > 有 TCF 一 CBE =C—+HY =H EM AAR MAR LEK He H Ratt ya SS} SHB FE RRNA HE, 3。 烷 基 式 气 化 物 离子 移动 的 重 排 , ME ; R - | : LN | NADH: 9 Bea RAG Gumnaecr see Re | ERR ASU EH A RIE Hu O O OH OH OH 用 H H | + GSH ly? (a) | Tah aa Fig 12s Ae fr +H? : — > ae 9, OH O-- H* ee (GSH: 4 BEH) | (b) iil Gs-¢ a G—CHs —> D- 乳酸 .+ GSH | | OH 145 (& hil 2%) 4. 羊毛 省 醇 合 成 中 的 复杂 重 排 作 用 ， Soy WN ay a a AMM TER, ES ER IC. FREE Be 些 特 性 ? 酶 对 其 底 物 特异 性 的 基础 是 什么 ? 为 解决 这 些 问 题 就 先 要 了 解 结 含 部 位 的 概念 。 一 个 蛋白 质 分 子 的 表面 具有 可 以 可 逆 地 结合 小 的 溶质 分 子 或 离子 的 区 域 , -借用 有 机 金属 化 学 的 术语 ， 这 些 溶质 分 子 被 称 为 配 位 基 ， 酶 的 底 物 、 辅 酶 或 辅 基 ， 以 及 各 种 调节 因子 等 ， 都 可 以 成 为 配 位 基 。 在 一 个 蛋白 质 分 子 表 面 上 通常 有 多 个 配 位 基 结 合 的 部 位 ， 但 每 一 个 结合 部 位 往 往 只 能 结合 一 定 种 类 的 配 位 基 ， 这 是 由 该 部 位 的 氨基 酸 侧 链 的 三 维 结构 以 及 带电 特性 和 葡 水 (或 亲 水 ) 程度 等 因素 决定 的 。 很 长 时 期 内 ， 认 为 酶 催化 反应 时 必须 在 物理 学 上 与 底 物 缔 合 生成 酶 - 底 物 下-S》 复合 物 ， 结 合 部 位 与 底 物 有 互补 的 特征 。 然 而 ， 结 合 部 位 并 非 为 酶 所 特有 。 例 如 ， 迎 浆 清 蛋白 特 异地 结合 脂肪 酸 和 其 它 脂 类 物质 ， 并 通过 血液 进行 运送 :血红 蛋白 能 结合 并 输送 氧 ; 阻 遏 蛋 白 能 结合 辅 阻 过 物 或 诱导 物 。 由 于 结合 的 专 一 性 ， 人 们 设想 即使 是 某 些 非 酶 蛋 自 也 莫 有 与 其 配 位 基 结 构 上 互补 的 结合 部 位 。 作为 具有 体 化 功能 的 酶 分子 的 特点 是 在 结合 部 位 之 内 或 其 邻近 处 大 在 条 化 基 团 ， 后 者 能 与 结合 部 位 所 结合 的 底 物 相互 作用 并 催化 化 学 反应 的 进行 一 类 酶 由 简单 蛋白 质 组 成 ， 如 淀粉 酶 、 蛋 白 酶 、 wR aie 类 酶 由 复合 蛋白 质 组 成 ， 即 让 蛋白 质 和 对 热 稳定 的 小 分 子 所 组 成 ， 如 谷 氨 酸 转氨酶 、 乳 酸 脱 氢 酶 、 过 氧化 氢 酶 等 。 下 面 主要 说 明 酶 的 活性 部 位 的 构造 、 酶 的 构象 与 催化 作用 的 关系 、 1h 并 举 几 个 实际 例子 说 明 酶 催化 作用 的 分 子 机 制 。 有 3'1 活性 部 位 i Pik Se Sc Dv, as BE Bt Dis “Oy PAR SE wT SR tes» TEL BN te ao) Vad ny 2a Gas BA hla A BBE | 这 种 现象 表明 催化 作用 只 是 在 酶 分 子 的 某 些 部 位 上 进行 ， 这 些 部 位 被 称 为 酶 的 活性 部 位 。 活 | 性 部 位 的 结构 因 不 同 酶 分 子 和 不 同 催化 反应 类 型 而 变化 ， 活 性 部 位 由 多 肽 链 中 某 几 个 特定 的 氨基 酸 基 团 所 组 成 ， 有 时 还 有 金属 离子 、 小 分 子 有 机 化 合 物 参 加 组 成 活性 部 位 可 分 为 两 个 i 功能 部 分 。 其 一 为 结合 部 位 ， 即 连结 底 物 的 地 方 ; 其 二 为 催化 部 位 ， 就 是 使 底 物 分 子 发 生 键 146 NN at Mm ss TT Na ee Ay AE ae AT AB ie, TE HERR ee ae BE te 如 ,， 用 DIPF (二 异 丙 基 氟 代 磷酸 )” 测 定 很 多 蛋白 质 水 解 酶 活性 部 位 的 氨基 酸 顺 序 。 DIPF 是 毒性 极 大 的 化 合 物 ， 因 为 它 是 一 种 强力 的 酶 抑制 剂 ， 它 可 以 和 丝氨酸 羟基 反应 。 当 用 一 分 子 DIPF 与 一 分 子 酶 作用 时 ， 各 种 电 氨 酸 型 履 白 水 解 栈 的 活 竹 完全 天 失 。( 图 4-21) He hs hab ght HsC — C—Cts,. Hs ¢ = Cis , E~CihOH + F— Po 0, > Ecile+0~ pao.+ HE Cres eA Sen He Pa HsC — C:—@Hs H3sC;—,C —CHs, Fin. ieee aE H é et ‘DIPF F fi Hise. we 4-21 DIPF BL EE BA CE yi) “ARBRE EAE 28 个 些 所 国王 基 中 只 有 一 个，(195 位 ) 号 DIPE ema HERE HEY 可 见 T95 位 丝 氛 酸 残 基 是 胰 凝 臣 蛋 白 酶 活性 部 位 的 组 成 成 分 。 由 于 DIPF 与 丝氨酸 之 间 形 成 的 半价 键 是 稳定 的 ; 在 部 分 酶 解 的 蛋白 质 衍生 物 的 水 解 液 中 ， 可 以 从 离 出 含 活性 部 位 丝氨酸 kes Be ABER MRP wi DIP, 二 在 分 离 含有 活性 部 位 丝氨酸 的 肽 有 段 时 特别 有 效 。 分 离 后 还 可 测定 这 有 段 肽 链 的 氨基 酸 顺 序 * 了 经 研究 ， 发 现下 列 蛋白 水 解 芯 的 催化 部 位 均 有 丝 氢 酸 组 分 ， 这 些 蛋白 水 解 酶 在 生理 过 各 中 起 着 重要 作用 。 ( 表 4-5) 表 4-5 各 种 丝 气 酸 型 蛋白 质 水 解 太 的 泉源 与 功能 人 ee, STE ras I 4S a | om 厌 | i | ) Le tomeam RAE | me mR Seon =| le | WARS 2 Bre a 产道 作用 | 一 oe Ete 可 能 与 细胞 恶变 有 关 血浆 素 所 有 疹 椎 动物 血清 溶解 血栓 RKB 许多 组 织 及 体液 PHEW NK, RPI, PAE ERE 补体 系统 ae Soe I PA TE 顶 体 蛋 白水 解 酶 | ORE DUR FER LO foe $28 Bh 消化 毛发 角质 素 BERS | EER 消化 胶原 纤维 蛋白 FEMA TE | 动物 细胞 、 植 物 根 部 细胞 更 新 防御 入 侵 微生物 Pa | 。 Rha A AS HE AR FE o- AK kon ea | 5 iE BS | -= the % AS RI bE HBR AB ee ee | | | 147 基 后 ,， 活 性 重新 恢复 ， RHP RAM RIUM BEER, RZ, B- ewe 的 氨基 经 己 酰 化 后 活性 不 受 影响 ， 表 明 这 些 氨 基 并 非 活性 基 团 。 又 如 六 对 氧 示 苯 甲 酸 是 对 芝 基 的 特异 变性 剂 ， 也 可 以 用 来 鉴定 酶 的 活性 琉 基 sj |， 鉴定 酶 中 小 分 子 有 机 化 合 物 是 否 为 酶 的 活性 部 位 ， 常 用 透析 法 试验 ， 经 透析 的 酶 如 果 失 去 催化 活性 ， 则 可 推断 此 小 分 子 有 机 化 合 物 为 该 酶 的 活性 部 位 组 分 。 经 测定 ， 很 多 酶 的 活性 部 位 氨基 酸 残 基 常 有 数 个 ， 这 些 氨 基 酸 残 基 在 一 级 结构 顺序 上 也 许 相距 甚 远 ， 但 在 三 维 空间 上 却 靠 在 一 起 ， 例 如 胰 凝 乳 蛋白 酶 是 活性 部 位 为 丝氨酸 的 一 类 酶 中 研究 得 比较 清楚 的 酶 。 如 下 图 所 示 :， 丝氨酸 -195 为 结合 部 位 ， 而 天 入 所 酸 习 02 ， 及 组 氨 酸 -57 为 催化 部 位 ， 它 们 在 空间 构象 上 以 氧 键 相 连 ， 这 个 “ 微 环境 区 ”， 组 成 所 谓 “ 电 荷 接力 ”系统 ， 有 利于 和 底 物 结合 。 (图 4-22) 虽然 酶 的 活性 部 位 仅 由 儿 个 氨基 酸 残 基 组 成 ， 但 并 非 酶 分 子 的 其 余部 分 都 是 不 必要 的 。 实 际 上 酶 的 多 肽 链 上 某 些 部 分 可 能 对 酶 的 活性 是 无 用 的 ， 但 某 些 部 分 却 是 不 可 仙 少 的 ， 当 将 这 些 部 分 的 氨基 酸 除 掉 后 凡 酶 的 活性 会 下 降 其 又 如 ， 用 烯 酮 (CH: = CO) 使 胃 蛋 白 酶 进行 乙酰 化 ， 该 酶 即 形 失 活 性 ,但 当 移 去 乙酰 | BCL 大 1 小) 分 开 时 都 没有 活性 ;两 者 痊 并 又 恢 复活 4-22 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 活性 部 。 性， 去 掉 大 的 片段 上 次 端的 两 个 氨基 酸 时 引 活 性 不 变 让 但 全 和 者 和 电 丰 吉 汶 条 再 去 两 个 氨基 酸 时 则 活性 儿 乎 全 部 次 失 5 CHE AMG ) 的 村 一 生 二 条 丙 二 人- 天 一 商 一 人 » — H— COOH 118 119 120 | wl 122 123 124 | 活力 丧失 活力 不 变 活性 部 位 以 外 的 酶 活性 所 必要 的 基 团 被 称 为 活性 部 位 外 必需 基 ， eRe he 催化 功能 的 立体 构象 。 表 4-6 某 些 酶 活性 部 位 的 氨基 酸 组 分 % | ，， 气 基 酸 总 数 | 活性 中 心 及 其 在 分 子 中 的 位 置 牛 号 核糖 核酸 酶 124 4112, 441119, 41 溶菌 酶 129 谷 35， 52 胰 凝 我 蛋白 酶 原 245 4157, #195, 102 | 胰 蛋 白 酶 原 229 组 46， 丝 183， ”天 90 | At EA 240 4146, #188, 93 用 木瓜 蛋白 酶 212 半 胱 25， 41159 中 枯草 杆菌 蛋白 酶 275 464, 4221 4 #8 ik 307 4270, 245 i 组 196 一 Zn 一 组 69 ! | 至 全 部 丧失 。 例 如 核糖 核酸 酶 可 被 分 解 成 两 部 分 天 两 个 片 二 活性 部 位 除 氨基 酸 侧 链 外 ,有 时 也 有 金属 离子 或 其 它 基 团 参加 组 成 。( 图 4-22 ) 这 些 基 暑 可 以 作为 酸 (或 碱 )、 亲 核 试 剂 (供电 子 闪 亲 电 试剂 ( 受 电子 ), 或 作为 酶 = 底 物 络 合 物 的 中 心 原 子 ， 分 别 在 酶 与 底 物 的 结合 或 底 物 转变 为 产物 的 键 合 、 键 裂 过 程 中 发 挥 它们 的 辅助 作用 。 3-2 酶 分 子 构象 与 催化 作用 … 酶 的 蛋白 质 分 子 构象 与 催化 作用 的 关系 十 分 密切 。 为 了 解释 酶 所 催化 反应 的 底 物 有 高 度 的 选择 性 ,可 应 用 “主体 -客体 ”化 学 的 概念 。 在 两 个 分 子 相 互 起 作用 时 ,， 较 大 的 一 个 称 为 主体 ， 较 小 的 一 个 称 为 客体 。 主 体 分 子 通 过 结合 “识别 ”最 合适 的 客体 分 子 。 下 图 用 平面 图 象 的 空间 和 电荷 关系 来 说 明 这 个 观念 。 如 果 物 体 A 是 主体 ,并 且 有 一 个 如 图 所 示 的 空 腔 ， 电荷 和 偶 极 矩 分 布 于 空 腔 的 边缘 ， 则 具有 B: 才 能 作为 客体 。 它们 之 间 空 间 相 容 ， 离子 - 离 FT. AF BRE, 偶 极 矩 - 偶 极 矩 都 相 五 匹配 因此 这 些 作 用 力 把 A 和 BR Rw 抓 到 一 &. MACH BMRA, 由 于 空间 原因 不 能 进入 空 腔 ,物体 了 在 空间 上 的 要 求 是 符合 的 ， 但 在 静电 结合 上 不 合适 。 物 体 下 ， 静 电 结合 位 置 虽 然 对 头 (ADEM. MRE, 形状 与 空 腔 相 似 ， i on pie a te (图 4-23 ) QOS PEO FA. 4-23 主体 -客体 分 子 间 的 空间 和 电荷 的 关系 + | 二 代表 促 极 子 例如 胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 特异 结合 部 位 是 一 个 分 子 表面 的 “口袋 ”， 其 内 环境 是 疏水 的 。 由 于 这 个 酶 选择 地 作用 于 大 型 芒 水 性 氨基 酸 残 基 ， 所 以 这 个 “日 袋 ” 能 够 作为 酷 、 色 、 共 两 等 氨基 酸 残 基 的 接 受 者 ， 并 有 助 于 使 这 些 底 物 残 基 对 着 酶 而 定向 ， 使 之 靠近 活性 部 位 ; 另外 的 蛋白 水 解 酶 则 有 不 同性 质 的 “口袋 ”， 如 弹性 蛋白 酶 的 “口袋 ”很 小 ， 只 能 het ee ee 容纳 最 小 的 氨基 酸 〈 丙 及 甘 ) ， 而 胰 蛋 白 酶 的 “ 口 goo 三 种 蛋白 水 解 酶 的 结合 部 位 “ 口 袋 ” 的 背部 有 一 个 天 冬 氨 酸 单位 ， 它 带 负 电荷 ， 因 人 稚 ”: 绪 构 及 及 特 民 结合 的 氨基 酸 残 基 种 类 此 带 正 电荷 的 赖 氨 酸 和 精 氨 酸 残 基 才 能 进入 。 (图 人 太 。 胰 诈 乳 蛋白 酶 ! 了 B。 胰 蛋白 酶 ; 4-24) C.. HAE HE a Ba TS Fe HS I Si FAY FT REY 认为 是 一 种 锁 -钥匙 机 制 或 模板 作用 。 近年 来 的 研 149 究 证 明 酶 与 底 物 的 结 含 决 不 是 一 种 简单 的 静态 过 程 ， 而 是 引起 酶 整个 梅 象 改变 ， 因 而 活性 也 改变 的 动态 过 程 。 某 些 特定 的 小 分 子 结构 物质 〈 即 客体 分 子 或 配 位 基 ， 和 包括 底 物 、 挤 制剂 、 激活 剂 等 ) 结合 于 蛋白 质 表 面 的 特异 部 位 时 ， 那 些 可 以 披 此 形成 氢 键 或 疏水 反应 的 基 团 ， 这 时 与 被 结合 的 配 位 基 反 应 ， 引 起 维持 酶 分 子 构象 的 平衡 力 发 生变 化 ， 使 酶 分 子 构 象 更 适合 于 与 配 位 基 结 合并 催化 反应 的 进行 ， 这 就 是 “诱导 契合 假设 ”。 该 很 设 认 罗 秽 灯 于 全 称 基 结 从 时 ， 酶 的 结合 部 位 并 不 与 配 位 基 精 确 地 互补 。 然 而 ,一旦 “ 抓 住 ” RAS, 基 统 绕 起 来 ， 越 来 越 紧密 地 与 配 位 基 连 接 ， 直 至 该 部 位 与 配 位 基 相 互 吻 合 ,， 该 过 程 写 天 穿 衣 ROEHL, RL ORE) 和 人 体 GSE) SORIANO, SAPS Ee ik (RIMEFI) Wt, ARE GRA”. FX fn YF, RR AER AL LAE BR | HR 似 牺 被 结合 于 酶 的 活性 部 位 上 时 ， 酶 的 三 维 结构 确实 发 生 轻 微 改变 。 AA REGRESS AMIN 4-25 PAR: E 图 4-25 与 底 物 诱导 契 人 台 的 表现 A。 和 葡萄 糖 激酶 的 结 台 部 位 与 催化 部 位 ; B。 当 两 个 底 物 同时 结合 到 酶 上 时 ， 催 化 部 位 变化 而 利于 反应 进行 C. 当 仅 有 一 个 底 物 结合 到 酶 上 时 ， 盟 有 另 一 个 磷酸 根 受 笨 一 一 水 分 子 ， 但 不 能 发 生 反应 。 3.3 辅酶 和 辅 基 有 小 分 子 组 分 的 酶 ， 蛋 白质 和 小 分 子 合 称 全 酶 $ 蛋白 质 部 分 而 做 酶 蛋白 ， 小 分 子 组 分 叫 做 辅 基 或 辅酶 。 酶 蛋白 与 辅 基 或 辅酶 以 不 同 的 亲和力 相 结合 。 通 常 把 与 酶 蛋白 结合 牢固 并 且 透析 不 能 除去 的 小 分 子 组 分 叫做 辅 基 ， 如 含有 血红 未 或 核 黄 素 的 氧化 还 原本 与 酶 蛋白 结 合 比较 松懈 、 容 易 被 透析 除去 的 叫做 辅酶 ne i 酶 与 辅酶 的 关系 ， 全 酶 = See + Mat GND . CEI He 靖 时 机 酶 的 克 分 子 不 是 1 ， 酶 活力 就 不 足 ， 大 于 1 则 活力 也 不 再 增高 。 FRAME, 酶 的 圣 异 性 决定 于 酶 蛋白 部 分 ;因为 往往 同一 种 小 分 子 化 合 物 可 以 成 为 起 完全 不 同 的 德 北 反 应 的 酶 的 辅酶 ， 例 如 杰 酸 吡 哆 醛 ， 既 可 作为 氨基 酸 转 氨 酶 的 辅酶 ， 也 可 作为 氨基 酸 脱 关 酶 的 辅酶 8 辅酶 与 底 物 的 关系 ,在 酶 促 反 应 中 ， 实 际 止 某 些 辅酶 也 参与 反应 ， 亦 可 看 帮 为 底 驳 这 类 辅酶 把 两 个 俱 化 反应 联结 在 一 起 〈 特 别 是 在 基 团 的 转移 反应 中 )》 ， 而 构成 二 个 酶 系统 。 这 时 ， 一 个 酶 把 第 一 个 底 物 中 的 某 一 基 团 转 移 给 辅酶 ， 而 另 一 个 酶 又 把 它 从 辅酶 分 子 传递 给 第 二 个 底 物 。 这 样 ; 对 整个 酶 系统 来 说 ， 这 个 辅酶 是 真正 的 辅酶 ， 因 为 它 在 反应 前 后 并 没有 发 生变 化 ， 但 对 酶 系统 中 某 一 个 酶 来 说 ， 它 却 起 着 底 驳 的 作用 * Uk. ORE RR “RR 底 物 ”。 辅 酶 1 (NAD7 . #81 (NADP) 、 辅 酶 A 及 ATP 等 都 属于 这 种 类 型 。 36391 辅酶 的 组 成 “ 酶 的 种 类 很 多 ， 但 辅酶 的 种 类 却 不 多 。 大 体 可 分 为 三 类 ; 150 DBAS LS RET, WKN ARM BEAR AEE (Zn°*), sR RES, 酰 北 酶 中 含有 外 (Cot) ,但 它 与 酶 蛋白 成 不 可 逆 结合 ， SARA A AH Cott 除去 后 即使 再 重新 加 入 ， 活 力 亦 不 恢复 ， 说 明 此 金属 不 仅 参与 本 的 活性 部 位 组 成 ”而 且 对 维持 酶 有 活性 的 构象 有 关 。 1 ， 辅酶 是 金属 有 机 化 合 物 ， 如 命 锯 血 红 素 和 钻 肪 素 含 Co 的 维生素 了 。 | 辅酶 是 不 含 金 属 的 有 机 化 合 物 ， 其 中 主要 是 B 族 维生素 。/ GET). ae 4-70 a GHD, WHR, 结构 及 其 作用 站 SA PRCA ST) well ae ye 一 一 一 一 作 BRR ORE) | (ee jaws’ a. sem oe Soman ca | - 竹 与 氧化 远 原 | 7 KTH HO- gis ae} Co? Ss sqm e 7 | matrices PHO LBL Zn?” Cen RRKRRE AMHR IK. RRA toe | Mg?" LIMg-ATPHU AER ME | RRM, MEER wate Mra2+ | SAMR MB RA 站 a a K， Va aR RR ee Wes on sk ve Nat % BLATP HE ies "Be Ni ANZ22* fe BAKE ob EB ALL iB “ i Se HF ha EAP REM SS I eR) ETE RL AIL 2 fs oo 二 8 Mo 传递 电子 |] RSCG, BL é AIS SN | ites Heme! (+2 nha HL ERR DE Mh & ec wan S| | F erty Bi-P-P AA BE BRN p SAMBA] PMN Ba—s’—P 氧化 还 原 反应 中 递 所 黄 本 ve FAD FMN—AMP 氧化 还 原 反应 中 递 所 气 基 酸 氧化 酶 3g MBH Cod >) | NAD ASEM R-BeM-RAR-AMP | 氧化 还 原 反应 中 递 所 BAL 中 ABET (oI) NADPNAD-wR8 氧化 还 原 反应 中 递 氢 BAB eee BoP 转 氨 基 反应 He MHA) | CoA ema sZ mm-ADP-m | 转 酷 基 反 应 乙酰 化 本 aan de hig | 转 甲 基 反应 一 些 合成 酶 ieee 村 转移 COs | UCT, IE = | aa HER EHR AE | e057 mR | 08-1 |UDPGUDP- AW a a “A — Wh 8 | 转化 本 et | | wee BLS Re 658- = EM 与 氧化 还 原 丙酮 本 脱氧 本 人间 欧 ”|GSH | URE RE CARH C= BK if BQ Po 泛 本 衍生 物 氧化 还 原 反应 中 递 所 aa 维生素 K Vit. KAM Hk EWR RAL ha (AE HD 151 3°3+2 辅 基 或 辅酶 的 作用 .机 iil 辅 基 、 辅 酶 中 金属 离子 常 可 作为 鳌 合剂 ， 通 过 配 位 键 将 底 物 和 酶 结合 成 络 侣 物 ， 或 者 成 为 酶 活性 部 位 的 组 分 ， 起 辅助 催化 作用 。B3 族 维生素 及 其 它 化 合 物 常 可 作为 载体 底 物 ， 传 递 电子 、 质 子 、 原 子 或 原子 团 。 下 举 数 例 说 明 其 作用 和 机制 。 磷酸 吡 哆 醛 ， BERNER Rib hh BBA, SSR. MA. BOR. 消 旋 等 反应 。 当 它 未 与 酶 蛋白 结合 时 ,磷酸 吡 哆 醛 也 能 独立 地 催化 转 氨 以 及 其 它 与 氛 基 酸 代谢 有 关 的 反应 ， 与 酶 蛋白 结合 后 成 为 该 酶 活性 部 位 的 组 分 ， 催 化 效率 得 到 很 大 提高 。 根 据 早 期 研 究 ， 发 现 磷酸 吡 哆 醛 的 醛 基 很 容易 和 氨基 酸 可 逆 地 生成 复合 物 ， 并 使 后 者 转变 为 反应 产物 。 mina Y 脱羧 作用 消 旋 作 用 醛 基 起 催化 作用 的 条 件 是 它 必 须 成 为 强 的 亲 电 子 基 团 ， 因 和 而 吡啶 环 上 的 N 应 该 处 在 邻 位 或 对 位 上 ; 醛 基 邻 位 的 -OH 可 大 大 提高 催化 活性 ，5-CH:OH 与 磷酸 成 酯 ， 这 是 催化 所 必须 的 结构 。 通常 磷酸 吡 哆 醛 和 酶 的 赖 氨 酸 残 基 组 成 酶 的 活性 部 位 ， 当 与 氨基 酸 作用 时 ， 磷 酸 吡 哆 醛 和 氨基 酸 生 成 醛 亚 胺 复合 th, 赖 氨 酸 残 基 的 s-NH， 游 离 出 来 ,此 时 , 由 于 酶 蛋白 的 不 同 ， 连 接 醛 亚 胶 N 的 C 上 三 个 键 中 有 一 个 不 稳定 ， 即 转氨酶 使 H-C 不 稳定 ， 脱羧 酶 使 C-COO -不 稳定 ， 人 醛 缩 酶 使 R-C 不 稳定 。 如 果 酶 蛋白 为 转氨酶 的 蛋 白质 ，(1) 键 断 裂 ， 分 子 内 电 荷 重新 分 配 而 形成 亚 胺 ， 后 者 水 解 成 酮 酸 及 磷酸 吡 哆 胺 。 反 应 中 酶 的 赖 氨 酸 残 基 或 其 它 合 适 位 置 的 碱 基 作为 容纳 电子 的 场所 ， 促 进 醛 亚 胺 - 亚 胺 的 转 变 。 当 有 合适 的 酮 酸 存在 时 ， 酮 酸 与 磷酸 吡 哆 胺 脱水 缩合 成 亚 胺 化 合 物 ， 后 者 结合 质子 成 为 醛 亚 胺 ， 酶 的 赖 氨 酸 残 基 从 醛 亚 胺 化 合 物 中 置换 出 新 的 氨 基 酸 ， 重新 产生 酶 -磷酸 吡 哆 醛 复 台 物 。 (图 4-26 ) 5’ — 脱氧 腺 苷 酰 Bi., EAR Bi, ERED 5’ -脱氧 腺 苷 酰 B，* 的 形式 参与 催化 作用 。( 图 4-27) APRA AKAs Bee mii FHPSH RCTs SHI ASE AIF ORM. GHD AY SE ER 系统 中 四 + Co-N 键 几 乎 都 是 相等 的 ， 正 电 荷 平 SN 均 分 配给 围绕 销 的 氮 原 子 。 B,. 辅酶 参与 催化 的 反应 类 型 见 下 表 :;( 表 4-8) Bz 图 ,4-27，Blz 和 5/- 脱 氧 腺 音 栈 Bis 简 图 表 4-8 Bes WERK MRA | — C= 号 1A | | | ix. Hi i awe H H H bio vic bax pA vere walt oo. HsC — 下 OH |——> CH3 — C= 0 IOHI H OH ' ‘ . i ne me = OH>—> cr- c -en 二 CHs—C =0+NHs NHe H NHe NH2 NHz NHa2 * GlcuacHaCicncoou<=® ciadHchy cuCHaCooH ) rag ‘age = CHa — Ci — COOH 1 or He2N , a NH2 - 永 苏 式 B- 甲 基 -L= 天 冬 氨 酸 sn CoA—S—C |—CH2 — CH2—COOH—> HsC 一 C sees COOH | 0 0C_o | (及 ) 一 甲 基 丙 二 酰 CoA —CHz — CH2 —COOH——> HsC — CH — COOH C_cHi coon a H2C RE—K MEH OH! . H*S\ Camm) + HS/R— (脱氧 核糖 核 音 酸 ) 普通 反应 CHAM). 二 元 醇 脱氧 本 ZEB BL A L-B-#i RRB (D -a- MAME Bi Sam eee) 4 SABE (i BS FA EA BECoA ZS (i Bt — FF Aas SE — BRE fe By. RE—BRMKR—H , | DR+ HOH 核糖 核 背 酸 还 原 酶 用 同位 素 标记 法 研究 二 元 醇 脱水 酶 的 反应 机 制 ,认为 Co 的 配 位 结合 是 反应 中 的 重要 步 又 ， 其 过 程 如 图 4-28, 153 fey. Pees 1 ney 一 C | *H H eH, (5’- anes) "OH Ns pou _l pou CH: 一 CH.— co — 3 CH: 一 CHO 图 4-28 二 元 醇 脱 水 酶 的 反应 机 制 a。 丙 二 本 与 脱氧 腺 苷 辅酶 作用 ，Co-5“ -脱氧 逐 背 酰 键 断 裂 ,“H 移 至 脱氧 腺 背 上 ， 钻 胺 素 与 丙二醇 相 结合 ，b.。 底 物 - 钻 胺 素 复 合 物 在 二 元 醇 脱 水 酶 作用 下 ，“O 了 再 作 分 子 内 转 B, c。 “再 由 脱氧 腺 背 转 移入 醇 分 子 内 ， 销 胺 素 重 与 脱氧 腺 背 形 成 脱氧 腺 苷 辅酶 d。 二 元 醉 脱水 生成 醛 。 下 面 以 溶菌 酶 、 胰 凝 乳 蛋 白 酶 、 羧 肽 酶 A 以 及 以 吡啶 核 背 酸 为 辅酶 的 脱 氢 酶 为 例 ， 进 一 步 探讨 酶 的 结构 与 功能 之 间 的 关系 。 3.4 SEB 溶菌 酶 可 以 分 解 某 些 细菌 细胞 壁 的 多 糖 成 分 ， 细 菌 细胞 壁 被 分 解 后 ， 由 于 无 壁 原生 质 租 常 容易 破裂 ， 细 菌 细胞 即 溶解 。 细菌 细胞 壁 多 糖 由 两 类 单 糖 组 成 ， 即 N- 乙酰 葡萄 糖 胺 CNAG) 和 -乙酰 膜 酸 (NAM) 两 种 单 糖 交替 以 B-1,4 葡 萄 糖苷 键 相连 接 ， 各 多 糖 链 的 NAM 残 基 上 又 和 一 些 短 的 肽 链 相 交 联 。 溶 菌 酶 水 解 NAM 的 C-1 和 NAG 的 C-4 之 间 的 糖苷 键 。 (图 4-29) NAG NAM NAG NAM CH;OH CH;OH CH;OH CH;OH 0. O rare fe) OH OR O Koon O Kor | | | i 5) Sea ga ia ec eee ot | ae CH, H, CH, CH, no CH,OH CH,CH CH;OH CH,OH 0. Q on 0 O | OH 9 OR OH 9 OR HO | | | NH N—H N—H N H aan zi es CH; CH; CH, CH, NAG NAM NAG NAM 图 4-29 洲 菌 酶 水 解 NAM 和 NAG 间 的 葡萄 糖苷 键 154 鸡蛋 卵 清 溶菌 酶 是 由 129 个 氨基 酸 组 成 的 小 型 酶 分 子 ， 分 子 量 14,600, TAAL 5-5 键 交 联 ， 结 构 稳 定 而 紧 炭 ， 体 积 为 45x 30x 30A_ 。 与 肌 红 蛋白 和 血红 蛋白 相 比 ，a- 螺 旋 很 少 ， 在 某 些 部 位 肽 链 伸展 ， 另 一 些 部 位 肽 链 曲折 迁 回 ， 以 氨 键 相 联 系 ， 和 丝 蛋 白 中 有 B- 片 状 折 县 结构 相似 。 溶 万 酶 分 子 内 部 完全 是 非 极 性 的 基 团 ， 朴 水 效应 对 维持 它 的 正常 构象 有 着 很 大 作用 。( 图 4-30 ) 图 4-30 ”鸡蛋 卵 清 溶菌 酶 的 分 子 结构 A, 氨基酸 顺序 及 硫 桥 位 置 ，B。 三 维 空间 分 子 走向 。 用 三 聚 -N- 乙酰 葡萄 糖 胺 《和 A-B-C) 作 竞 争 性 抑制 剂 ， 发 现 101 位 天 冬 氨 酸 的 送 基 同 时 与 A 和 了 糖 残 基 以 氢 键 连接 之 外 , 酶 分 子 还 与 C 糖 残 基 有 四 个 氨 键 连接 ， 即 62 位 色 气 酸 与 C-6 上 羟基 的 氧 原子 间 、63 位 色 氨 酸 与 C-3 上 羟基 的 氧 原子 之 间 、 糖 残 基 侧 链 N- 乙酰 基 上 的 C= O 45 8 位 天 冬 酰胺 处 主 链 之 间 以 及 N- 乙酰 基 上 的 H-N 与 107 位 丙 氨 酸 处 主 链 之 155 间 的 氢 键 。 = -N- 乙酰 基 葡 萄 糖 和 酶 分 子 因 构象 运 合 ， 故 尚 有 大 量 的 范 德 华 耳 斯 力 相 吸 5. (图 4-31 ) +E 图 4-31 三 聚 -NAG 和 溶菌 酶 间 形 成 的 氢 键 氢 键 以 箭头 表示 由 X 光 晶体 衍射 法 与 三 聚 -NAG 的 结合 图 象 推测 : 酶 分 子 表面 有 一 条 辽 颖 ， 三 聚 -NAG 图 4-32 AR-NAG 与 溶菌 酶 结合 的 模型 C(BHRRAAR-NAG: A—B—C—D—E—F; 黑 球 表示 酶 活性 部 位 的 氨基 酸 残 基 》 156 只 能 充填 它 一 半 的 空间 ， 因 为 三 聚 -NAG 作为 抑制 剂 与 酶 之 间 的 相互 作用 ， 和 底 物 与 酶 的 相互 作用 有 相 类 似 的 地 方 。 理 论 上 计算 生成 一 个 有 活性 的 底 物 - 酶 复合 物 ， 还 需 增加 三 个 粮 残 基 使 阶 缝 全 部 填 满 ， 实 验 中 用 六 ;=NAG 为 底 物 ， 确实 能 被 酶 迅速 水 解 。 后 加 上 的 三 个 糖 Bes) WA DEF, 与 原来 的 三 个 残 基 A、B、C 一 起 充填 在 酶 分 子 辽 颖 中 ， 如 图 4-32 所 示 。 (图 4-32 ) RREMF 在 阶 甸 中 很 合适 ， 有 和 氢 键 和 范 德 华 耳 斯 力 与 酶 结合 。 然 而 残 基 DPMS, CH C-6 和 .O 原子 与 附近 的 酶 上 几 个 基 团 靠 得 太 紧 , BORE RHA 构 象 变形 焉 斜 ， 因 此 糖苷 键 的 稳定 性 减低 ， 键 就 容易 从 这 里 断裂 。 CH 4-33) A PR f : ne 4-33 BRAKMH WSR ft A. #2; B. 半 椅 式 ，C。 HR AH z= 为 碳 原子 ， 黑 较为 氧 原子 溶菌 酶 : 使 椅 式 一 -> 半 椅 式 ， RGB: 使 椅 式 二 -> 船 式 。 c >: C2 用 低 聚 全 -乙酰 葡萄 糖 胺 所 作 的 实验 表明 ;水解 的 相对 速度 和 糖 的 聚合 度 有 关 。( 表 4-9) 表 全 9 N- CRMSRRHRORS AMBRE XA es 物 水 解 的 相对 速度 (NAG)2 0 (NAG)s 1 (NAG)4 8 (NAG)5 4,000 (NAG) ¢ 30,000 (NAG) s 30,000 由 表 可 见 : 少 于 5 PHBA SR My 7K A ERE REDS, Te (NAG), 至 (NAG)。 水 解 速 度 迅猛 增加 ， 至 (NAG)。 进 一 步 增加 ， 而 糖 基数 目 由 6 一 >8 没有 变化 。 这 种 情况 与 结晶 X 衍 射 结果 相 一 致 ， 表 明 活 性 部 位 的 阶 颖 完全 被 六 糖 残 基 充填 以 后 ， 酶 活性 即 已 达到 高 峰 。 酶 完 竟 在 六 聚 糖 的 何 处 开始 水 解 反应 的 ?” 由 于 三 聚 -NAG 的 稳定 性 CE BEB 3 157 > , (ANAM 对 酶 的 CMmKRUARAD, PRGA, Ai KR Bia Ae D-E CA. (Al 4-34) 溶菌 酶 催化 水 解 反 应 的 活性 基 团 由 52 结合 部 位 位 的 天 冬 氨 酸 和 35 位 的 谷 氮 酸 残 基 组 成 。 [afefefofele] 两 个 残 基 分 别 在 糖苷 键 的 两 侧 ， 天 52 位 ast >| ae TAP PB TEAS ESE FES ARIS HE seed a So Coe (由 _. 不 可 能 中 作为 氨 键 的 受 体 ， 而 谷 35 则 位 于 非 极 TS-NAGBE) 性 区 内 ， 以 未 电离 的 -COO 于 型 存在 。 这 和 不 可 能 《由 些 酸性 基 团 与 糖苷 键 最 靠近 的 氧 原子 之 间 | TN AMM CHAK) 的 距离 约 3A NAG—NAG—NAG—NAG—NAG—NAG 可 能 的 水 解 部 位 水 解 时 ， 底 物 的 变形 是 很 重要 的 ， 步 4-34 “D 和 也 之 间 的 糖 背 键 是 溶菌 酶 作用 的 部 位 骤 可 能 如 下 : 第 一 步 ， 谷 35 的 羧基 给 出 一 个 H*, 引起 D 环 的 C-1 和 糖苷 键 内 氧 原子 之 间 的 键 断裂 ， 生成 正 碳 离子 中 间 产 物 。 (图 4-35 之 A ) SoH, h E-F 残 基 组 成 的 二 聚 体 离开 酶 表面 。 第 三 步 ， 正 碳 离子 中 间 产 物 后 来 与 环境 溶液 中 的 OH RM (图 4-35 之 B ) ， 由 A-B- C-D 残 基 组 成 的 全 NAG 离开 酶 分 子 。 而 H* 加 在 谷 35 侧 链 上 使 酶 活性 部 位 恢复 原状 。 《图 4-35 )。 酶 与 底 物 结合 时 D 环 旦 半 椅 式 ，C 原子 1、2、5 和 和 氧 原子 在 同一 平面 上 ， 促 使 图 4-35 溶菌 酶 的 反应 机 制 A。 打 断 糖苷 键 ， 生 成 正 碳 离 子 中 间 产 物 ， B。 中 间 产 物 转变 成 水 解 产物 。 158 C-1 与 成 环 氧 原子 带 正 电 ， 天 冬 氨 酸 52 以 带 负 电 的 羧 酸 形 式 与 D 环 C-1 的 正 电荷 静电 吸引 * ， 使 正 碳 离子 得 以 相对 稳定 。 3.5 o- RRA SRR o- 胰 凝 乳 蛋白 酶 是 在 小 肠 内 水 解 蛋白 质 的 一 种 蛋白 酶 ， 由 241 个 氨基 酸 残 基 所 组 成 ， 三 条 多 肽 链 以 两 个 链 间 二 硫 键 连接 ) 分子 量 25,000。 2 人 分 辩 率 表明 酶 的 三 维 结构 是 51Xx40x40A 大 小 的 紧凑 燃 球 。 除了 催化 中 起 关键 作用 的 三 个 带电 基 团 之 外 ， 其 余 的 带电 基 团 都 在 分 子 的 表面 上 。 分 子 折 笃 复 杂 。 与 血红 蛋白 、 MARA, o- 胰 凝 乳 蛋 白 酶 中 a- 螺旋 含量 甚 少 。 相 邻 的 肽 链 片段 间 以 氨 键 相连 ， 形成 平行 折 县 片 状 结构 。 此 外 尚 有 反 将 平行 的 折叠 片 状 结构 。 (A 4-36) Vas 4, * 图 4-36 “ca- 胰 凝 乳 蛋白 酶 的 三 维 结构 模型 工 及 工 为 局 部 二 重 对 称 轴 ，*a、b、c 为 三 维 空间 座 标 ，NHas*(A)、(B)、(C) 及 CO2z- (A), (B). (C) SHAA, BL, CHAM AMRRM: SHAAFREMMAIE WM, 17122, 42-58, 136-201, 182-168 191-220 之 间 为 双 硫 键 。 ca- 胰 凝 乳 蛋白 酶 水 解 的 肽 键 ， 其 羧 侧 必 须 有 酷 氨 酸 、 色 氨 酸 或 葵 丙 氨 酸 的 芳香 侧 链 久 及 蛋氨酸 提供 的 大 型 下 水 残 基 。 催 化 过 程 中 底 物 与 酶 形成 共 价 的 中 间 产 物 。 根 据 久 光 结 晶 学 和 化 学 数据 ， 酶 促 机 制 可 能 如 下 : (1 ) 酶 分 子 有 与 底 物 特异 结合 的 非 极 性 “口袋 ”， 底 物 多 肽 链 芳 香 族 氨基 酸 或 蛋 氨 惟 159 MVEA “OB”, MMS KAM KE BEM Tis Mik, Beach Milne. (2) 酶 分 子 中 丝氨酸 195、 组 氨 酸 57 及 天 冬 氮 酸 102 K=t+ ARRREAMT Bie 位 ， 在 反应 中 主要 依靠 这 三 个 残 基 对 底 物 起 作用 ， 其 中 直接 起 作用 的 是 丝氨酸 ， 余 两 者 起 协 同 配合 作用 ， 但 特别 重要 的 是 天 冬 氮 酸 必须 是 解 离 状态 的 ， 否 则 活性 下 降 坟 涯 忆 (3) B##AB LMR (-OH) 把 它 的 氢 离 子 或 质子 CH*) 转移 到 邻近 的 组 气 酸 57 下 去 (组 5 自己 的 质子 则 转移 到 近 旁 的 天 102 上 去 )， 而 与 底 物 的 痰 基 砚 结合 而 形成 共 价 键 ， 氧 就 带 有 负电 荷 ， 而 碳 键 从 原来 的 平面 状 变 成 了 四 面体 结构 。 这 种 四 面体 结构 本 来 应 该 是 三 种 短 寿 命 的 中 间 产 物 ， 但 由 于 它 与 丝 195 的 氧 形成 了 共 价 键 ， 以 及 它 带 负电 荷 的 氧 与 醇 上 其 它 基 团 间 形成 了 氢 键 ， 因 而 才能 保持 相对 稳定 。〈 见 图 4-37 Bea) CA) 由 丝 195 给 出 的 质子 很 快 从 组 57 上 转移 到 底 物 多 肤 链 的 >2N-H 上 去 ， 当 这 个 贤 原 子 取得 了 质子 后 , 氮 与 碳 之 间 的 键 就 变 得 不 稳定 了 ,从 而 断裂 肽 键 ， 第 一 个 产物 就 离开 酶 而 解 脱 ， 同 时 ， 仍 然 结 合 在 酶 上 的 底 物 部 分 则 分 子 内 重 排 而 成 为 酰 化 中 间 产 物 ， 碳 恢复 了 平面 结 构 。 组 氨 酸 的 质子 供给 了 第 一 产物 后 ， 它 重新 又 从 天 冬 氨 酸 取 回 原来 的 质子 。 CLA 4-37B zb) . (5) 从 周围 溶液 环境 中 取得 一 个 水 分 子 进 入 反应 。 (6) 水 分 子 的 羟基 与 底 物 的 碳 原子 结合 ， 立刻 重新 形成 四 面体 中 则 产物 ， 它 如 同上 面 所 说 那样 产生 带 负 电荷 的 氧 原子 而 被 氨 键 所 稳定 。 同 时 组 氨 酸 从 水 分 子 上 接受 质子 并 把 自己 另 一 侧 的 质子 又 送 给 天 务 氨 酸 。 〈 见 图 4-37B 之 c ) (7) 在 此 情况 下 ， 天 冬 氨 酸 把 所 受 质子 还 给 组 氨 酸 ， 组 氨 酸 则 把 质子 还 给 丝氨酸 ， 这 时 就 引起 了 底 物 的 碳 原子 与 丝氨酸 氧 原子 之 间 的 共 价 键 断 裂 ; 于 是 生成 了 反应 的 第 二 个 产 物 ， 酶 分 子 的 活性 部 位 恢复 原状 。-( 见 图 4-37B 之 d ) (8) 第 二 底 物 在 离开 酶 以 前 ， 它 的 羧基 解 离 ， 因 而 带 有 负电 荷 ， 受到 活性 部 位 解 离 状 态 天 冬 所 酸 的 负电 荷 排斥 力 而 脱离 酶 ， 游 离 到 环境 中 去 。 此 时 酶 的 活性 部 位 及 特异 结合 部 位 完全 空 出 位 置 ， 并 准备 接受 第 二 个 底 物 ， 继 续 进 行 催化 作用 。 3°6 HeRABBA PRK ME A 是 水 解 多 肽 链 羧 端 肽 键 的 一 个 消化 酶 。 当 羧 端 残 基 具 有 芳香 族 或 大 的 脂肪 族 侧 链 时 ， 水 解 更 为 迅速 。 羧 肽 酶 A 的 催化 反应 明显 的 特点 : 一 是 诱导 契合 ， 即 当 与 底 物 结 合 时 ， 酶 的 结构 有 很 大 的 改变 ;二 是 电子 应 变 ， 即 酶 活性 部 位 的 Zn 原子 和 其 它 基 团 引起 底 物 电子 分 布 的 重 排 ， 更 利于 水 解 的 进行 羧 肽 酶 A 为 含有 307 个 氨基 酸 残 基 的 一 条 多 肽 链 ,结构 紧凑 ， 体 积 约 为 50x 42x38A。 该 酶 含有 38% AY o- 螺旋 区 和 17% 的 B= 片 状 折 和 玛 。 有 一 个 牢固 结合 的 Zn2+* ， 而 它 是 酶 的 活性 所 必需 的 Zo 位 于 靠近 酶 分 子 表 面 的 醒 沟 中 ， 与 两 个 组 氨 酸 侧 链 、 一 个 谷 氨 酸 侧 链 和 一 个 水 分 子 配 价 结合 ， 因 此 ， 以 Zn 原子 为 中 心 ， 与 各 有 关 基 团 成 为 四 面体 排列 ， 接 近 Zn2+ 处 有 一 个 大 的 口袋 ， 它 容纳 底 物 肽 的 侧 链 。 (图 4-38 一 39 ) 活性 部 位 的 各 个 成 分 都 各 有 其 特定 的 作用 ， 精 145 特异 地 与 底 物 肽 链 的 羧 端 结合 栈 248 作为 一 般 的 酸 催化 剂 而 使 底 物 氨基 处 肽 键 断 裂 ; 谷 270 既 直 接 作为 亲 核 试剂 而 作用 于 肤 键 ， 也 作为 碱 催 化 剂 而 帮助 H.O 对 底 物 进行 亲 核 反应 ; Zn 有 剩余 的 电荷 +1， 能 与 敏感 肽 键 上 的 羧基 配 位 ， 增 加 痰 基 碳 对 亲 核 试剂 作用 的 敏感 性 。 160 H 人 《 r 组 ot a 57 H » : ; Se ae 0 一 丝 195 102 HL 一 组 和 «(67 B ro Pam Pet Be as ae EH , 2 195 R’ ss 本 AR —CH,—-9 OFF 一 ch 一 of pw 一 CH: 一 H R-N—-H : R—N—H Ht b | A) = pds H ‘ N—CH : H —CH " ne | 组 57 人 ye N 一 了 GH, H oH 酰基 酶 中 间 产 物 mike NTR RR 0. ’ -0 ® 他 人 人 4 \ ZR ‘ce 3 ( f Ta Tele e © ei 证 一 二 CH 一 0 ,0o=f on ape cH,-O Nog | Ma ri fer 83. a 下 ng | 4a, © a H . hoe ‘N he 4-37 BRABANT oil | 人 A。 活 性 部 位 的 “电荷 接力 系统 》”》: a。 质 子 从 天 102>457> 4195, b. MFM4195>A57>K102, B。 酶 反应 的 基本 机 制 : a。 底 物 与 活性 部 位 的 丝 195 结 合 而 成 四 面体 过 渡 状 态 ; b, 第 一 产物 从 组 57 处 获 得 质子 即 游离 而 去 ， 留 下 第 二 产物 与 酶 的 丝 195 形成 酰基 化 - 酶 中 间 产 物 ; c. 酰 基 化 - 酶 中 间 产 物 加 水 而 成 四 面体 过 渡 状 态 ， d. #195 从 组 57 获得 质子 而 释放 第 三 产物 。 底 物 与 羧 肽 酶 A 结合 后 能 诱导 酶 活性 部 位 的 结构 发 生 较 大 的 变 化 , 如 用 甘 氨 酰 酷 氨 酸 fHRM, RR: a, HAAS SA RR TE a HY A a PRE 5 A 145 的 带 正 电 侧 链 间 互 相 发 生 静 电 吸 引 作用 ， b。 底 物 的 酷 氨 酸 侧 链 结合 在 酶 的 非 极 性 口袋 中 ; 161 图 4-38 JiR A 三 维 结构 图 图 4-39 WM A 活性 部 位 简 图 Zn2* 与 两 个 组 氨 酸 侧 链 以 及 一 个 谷 氨 酸 侧 链 配 价 结合 ， 配 位 水 分 子 未 画 出 ,黑色 为 底 物 。 c。 肽 键 处 NH 中 的 氨 稍 偏离 氨 而 与 酷 248 的 OH BE MAR; d。 肽 键 的 痰 基 氧 离开 基 团 而 与 Zn 配 位 e。 底 物 的 末端 氨基 通过 水 分 子 与 谷 270 的 侧 链 形成 氢 键 。 酶 结合 甘 氨 酰 酷 氨 酸 时 伴随 着 活性 部 位 结构 的 重 排 。 事 实 上 ， 酶 催化 部 位 的 有 关 基 团 被 结合 在 酶 上 的 底 物 所 诱导 而 正确 定位 。 精 145 的 肌 基 和 和 谷 270 的 羧基 各 移动 了 2A， RBH 羧基 结合 到 Za? * 上 ， 置 换 了 一 个 结合 的 水 分 子 ， 当 底 物 的 酷 氨 酸 侧 链 进入 非 极 性 的 口袋 中 时 ， 至 少 有 4 个 水 分 子 被 置换 。 构象 上 最 大 的 变化 是 酶 分 子 酷 248 的 酚 产 基 移 动 了 12A， 该 距离 约 等 于 蛋白 质 直 径 的 1/4 ， 使 它 从 分 子 的 表面 转移 到 底 物 肽 链 附近 。 这 种 基 团 运动 主 BRET KEL C-C 键 的 旋转 而 实现 。 移动 的 结果 主要 是 使 活性 部 位 的 “口袋 ”收拢 并 使 原来 被 水 充填 的 “口袋 ”内 部 转变 成 疏水 区 。 这 样 就 为 催化 作用 造成 了 有 利 的 反应 环境 。 羧 肽 酶 A 催化 时 的 电子 应 变 ， 图 4-40 中 a 表示 酶 - 底 物 中 间 产 物 ， 酷 248 供应 一 个 质 子 给 肽 键 的 NH， 谷 270 的 羧基 作为 亲 核 试剂 而 被 加 到 肽 键 的 痰 基 C 原子 上 ， 使 肽 键 断裂 。 b、c 表示 谷 270 和 底 物 形成 的 酸 本 被 水 解 ， 产 物 肽 链 脱离 。 图 中 d、e 表示 根据 X 衍射 资料 ， 提 出 可 能 有 另 一 种 反应 机 制 ， 谷 270 活 化 了 一 个 水 分 子 ， 产 生 的 O 孔 -直接 作用 于 已 被 活化 的 肽 键 痰 基 碳 原子 。 同时 酷 248 提供 一 个 质子 给 肽 键 的 NH 基 ， 结 果 肽 键 断裂 。 催化 过 程 中 锌 的 作用 : 它 的 主要 作用 是 在 非 极 性 环境 中 增强 偶 极 性 。' 由 于 肽 键 上 的 C=O 具有 极 性 ， 它 被 活化 后 转向 Zn?+ ， 因 而 状 基 C 更 易 受 亲 核 试剂 的 作用 而 发 生变 化 s Zn** 提高 了 诱导 偶 极 性 的 作用 六 增加 了 有 效 电 荷 。 邻近 谷 270 上 负电 荷 也 起 了 增 大 痰 基 偶 极 性 的 诱导 作用 。 这 样 ， 羧 肽 酶 A 引起 底 物 电 子 应变 ， 促 进 了 催化 作用 。 162 ey a, A od 了 HO cH Ho CH,—C—H HO CH,—C—H Ae it \H | oH N 一 H Zn " NS “uy eo Zn oH ee ‘Oo — ZnO O- aa ‘ AAA aa oO fe) cH, ll H,0 ele S77 i ro a Ad e) AN bi rij < S 2 N—H (2 es 茵 到 | (=m) | 图 4-40 RAK BE A 催化 时 的 电子 应 变 底 物 引起 羧 肽 酶 .A 的 诱导 契合 ， 是 一 个 很 有 意思 的 生物 化 学 现象 。 酶 促 反 应 过 程 中 ， 当 接触 底 物 后 ， 酶 活性 部 位 的 有 关 基 团 立 即 能 动 地 把 底 物 包 在 中 间 ， 这 对 于 催化 的 进行 十 分 有 利 。 这 就 要 求 酶 分 子 有 足够 的 能 动 性 ， 否 则 ， 反 应 时 底 物 不 能 进入 催化 基 团 的 包围 圈 ， 反 应 后 产物 也 不 能 离开 酶 分 子 。 从 进化 观点 看 ， 一 个 “随机 应 变 ” 的 酶 比 一 个 “顽固 不 化 ”的 酶 具有 更 大 的 催化 效能 ， 因 此 在 自然 选择 过 程 中 被 保留 了 下 来 。 此 外 ， 诱 导 契 合 在 酶 与 底 物 的 动态 识别 过 程 中 也 很 重要 ， 作为 羧 肽 酶 A 的 底 物 必须 具备 一 个 末端 羧基 ， 因为 只 有 它 才 可 以 和 酶 的 精 145 形成 盐 键 ， 这 是 “触发 ” 酷 248 移入 催化 性 活性 位 置 的 必要 条 件 。 如 果 没 有 未 端 羧 基 存在 ， 就 不 会 出 现 上 述 变化 ， 酶 也 就 没有 活性 。 此 外 ， 这 种 现象 也 可 以 看 作 是 生 物体 应 激 性 的 分 子 模型 ， 一 个 分 子 接受 刺激 后 ， 能 产生 一 定 的 运动 和 变形 ， 对 刺激 作出 相应 的 反应 。 3-7 吡啶 核 苷 酸 辅酶 和 脱 氨 酶 吡啶 核 苷 酸 辅酶 有 NAD* (辅酶 I ,尼克 酰胺 腺 叮 聆 二 核 苷 酸 ) 和 NADP* (HARE IT, Je 克 栈 腕 腺 味 叭 二 核 苷 酸 磷酸 ), 都 能 作为 氢 的 传递 体 , 是 脱氧 酶 的 辅酶 (图 4-41 )。 两 种 辅酶 主 要 通过 吡啶 环 交 替 氧 化 还 原 而 传递 A. 。 它 们 可 以 通过 酶 促 或 用 连 二 硫酸 钠 非 酶 促 而 还 原 : S2042> + NAD* + Ht 一 > NADH + 2SO2 & SLAB HA FEA 20,000~ 40,000 HILAR ARORA, 还 有 更 大 的 类 型 。 角 获 乳酸 脱氧 酶 的 结构 已 达 2A 分 辨 率 ， 该 酶 为 分 子 量 为 140,000 的 四 体 。 辅 酶 卷 缩 在 蛋白 质 “C” 构 象 一 端的 辽 颖 里 。 实 验 中 用 NAD*- 丙酮 酸 缀 合 物 代替 NAD+*， 可 推断 酶 的 活性 部 位 ， 当 H* RHBBNAD* 的 A 侧 时 ， 可 以 见 到 工 - 乳酸 的 生成 。 这 时 乳酸 的 羧 酸 离 163 子 被 精 109 的 肌 基 夹 住 并 被 它 中 和 ， 组 195 作为 一 个 广义 的 碱 催化 剂 而 吸引 底 物 羟基 的 一 个 质子 。 尼克 酰胺 LO Nx | ERA qos O. | _- 8 -arHe ane 9 \ OH OH DBE NH SS wp L1G sate HES 四 TEN NAD+ MW = 663 OH OH 二 一 NADP” 另 含 一 个 磷酸 基 团 于 2'- 羟 基 处 图 -4-41 NAD* 和 NADP*+ 结构 图 NADP* 是 NAD* 分 子 中 腺 苷 酸 的 D- 核糖 2′ 位 OH 与 另 一 分 子 磷 酸 以 酯 键 结合 的 产物 另外 ， 酶 本 身 的 基 团 之 间 也 有 很 多 重要 的 反应 。-. 如 ， 谷 140 羧 酸 侧 链 的 负电 荷 中 和 了 NAD”* 的 正 电荷 。NAD- 的 焦 磷 酸 基 和 精 氨 酸 101 侧 链 肛 基 相 吸 引 。 腺 味 叭 环 的 氨基 和 通 BORA, FASE A BO RAR, METER Te Rot AE, Af -NI 向 着 溶剂 。( 图 4-42 ) arma o=c G66} “ 1 fof 2 On H NAD A i H | 站 和合 ， H7 7. H #140 /O ~p-0.,? Pi “ , H ug Wo HN Ber Th ig, tn H.-H D + ia Neto 精 109 ‘i #4101 4-42 乳酸 脱 氢 酶 活性 部 位 结合 NAD* fi L- 乳酸 的 简 图 脱氧 酶 中 结构 已 经 清楚 的 尚 有 萃 果 酸 脱 氢 酶 、 非特 异性 的 醇 脱 氢 酶 和 3= 磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 。 这 些 脱氧 酶 结构 相似 ， 都 是 由 六 股 平 行 的 有 B- 片 层 和 一 些 o- 螺旋 区 组 成 的 。 与 底 物 结合 的 辅酶 可 以 特异 地 适合 与 NAD-” 相互 反应 。 某 些 脱 氢 酶 〈 如 肝 醇 脱氧 酶 ) 164 含有 必要 的 Zn ， 后 者 可 能 与 底 物 醇 的 羟基 或 醛 的 痰 基 用 配 价 结合 。 醛 氧 化 成 酸 是 明显 的 放 能 反应 ， 通 常 可 通过 中 间 产 物 硫 酯 键 的 分 解 作 用 而 与 ATP 合成 作用 相 偶 联 ， 这 类 反应 对 细胞 的 能 量 代谢 很 重要 。 以 3- 磷酸 甘油 醛 脱 氢 酶 为 例 ， 醛 与 它 的 共 价 水 合 物 形成 化 学 平衡 : joo R_cL + Hz0 == R 一 C 一 OH 一 2 >~R- cf" H \ OH me * seta tn 酸 共 价 水 合 物 脱 氢 而 产生 一 个 酸 。 然 而 ， 在 这 种 反应 内 并 未 表明 反应 中 存在 能 量 的 有 效 转 换 。 实 际 上 磷酸 甘油 醛 脱 氨 酶 有 一 个 特异 的 琉 基 ， 在 反应 的 第 一 步 中 加 在 底 物 痰 基 上 生成 一 个 复合 物 〈 药 基 半 缩 醛 ) ， 然后 被 NAD* Ait, 因此 复合 物 成 为 酰基 -3- 酶 的 状 态 。 通 过 置换 C 原子 上 无 机 磷酸 的 氧 原 子 ， 底 物 - 酶 复合 物 被 同一 个 酶 分 解 ， 这 时 ， 酶 的 瑟 基 被 释放 ， 同 时 酰基 础 酸化 合 物 1,3 -二 磷酸 甘油 酸 ) 生成 ; 然后 ， 酰基 础 酸化 合 物 的 1 位 酰 磷 基 转移 给 ADP， 产 生 3- 磷 酸 甘 油 酸 和 ATP。 这 就 是 一 分 子 醛 氧化 成 羧 酸 的 反应 偶 | 联 着 一 分 子 ADP 合成 ATP 的 反应 。( 图 4-43 ) 3-8 o- BIR ht S ae wig o-3 pte ain ai ne nc a- KARR SRE 催化 o~ 酮 酸 的 氧 ,再 RPE 化 脱羧 作用 ， 即 o- MARA ZERG HN TEIE ace B Patek ih 下 脱 去 CO,， 并 转变 成 酰基 -CoA。 E 一 SH oa- 柄 酸 脱氧 酶 是 分 子 量 为 1 一 9x 10° 的 复合 酶 ， 并 且 含有 焦 磷酸 硫 胺 素 (TPP) , NAD, FAD, #2 有 D 酸 、 辅 酶 A 等 五 种 辅助 因子 。 大 肠 杆 r 菌 的 丙酮 酸 脱 氢 酶 和 a- 酮 成 二 酸 脱 氧 ADP 酶 研究 最 多 。 这 里 以 丙酮 酸 脱氧 酶 为 eo 例 ， 它 的 酶 复合 物 由 三 种 酶 成 分 的 数 十 个 单 体 有 规则 地 排列 而 成 ， 外 形似 EH. BARA BOM 〈 也 R-o CE Pi AMG), SCAB) LE AE LEK 3 容易 解 离 ; ”第 二 种 成 分 为 黄 素 蛋白 4-43 ATP 的 产生 与 醛 氧化 相 偶 联 (二 氢 硫 辛 酰 脱 氨 酶 六 ， 其 辅助 因子 A. EGF; B. EW-BAAD; C. THETA H, 为 FAD ， 结 合 牢固 ; 第 三 种 成 分 为 卫 。 栈 基础 酸 ; E. RM, 芯 子 酶 〈 二 氧 硫 辛 酰 苇 乙酰 酶 ) ， 辅 助 因子 为 硫 辛 酸 。 丙酮 酸 脱氧 酶 亚 基 排列 如 图 4-44 所 示 。 SFR 〈 分 子 量 ~1.7Xx10") 含有 分 子 量 为 7,000 的 24 个 亚 基 ， 每 个 亚 基 结合 一 个 硫 辛 酰基 。 在 正 立 方 体 的 六 个 面 的 中 央 各 有 一 个 黄 素 蛋白 (二 氢 硫 辛 酰 脱 氢 酶 ) 二 聚 体 ， 分 子 量 为 112,000。 正 立方 体 的 12 条 边 上 有 12 SRM OAR) FER, 分子量 为 192,000。 每 企 亚 基 的 活性 部 位 在 亚 基 接 触 处 相互 紧 靠 。 丙酮 酸 的 氧化 脱羧 很 复杂 ， 分 步 反 应 如 图 4-45 。 A 4-44 ”丙酮 酸 脱 氢 酶 亚 基 排列 简 图 A。 酶 复合 物 的 结构 总 图 。 B。 各 亚 基 的 排列 方式 ，a。 含 有 焦 磷酸 硫 胶 素 的 脱羧 酶 - 脱 氢 酶 二 体 ， 排列 在 6 个 二 重 对 称 轴 上 ，b。 含 有 硫 辛 酸 的 芯 子 蛋白 亚 基 排列 在 4 个 三 重 对 称 轴 上 ;， c。 黄 素 蛋 白 〈 二 氢 硫 辛酸 脱 氢 酶 ) 二 体 ， 结 合 在 每 个 正方 形 面 的 四 重 对 称 轴 上 。 第 一 步 反 应 由 丙酮 酸 脱 氢 酶 〈 图 中 卫 ;-TPP) 所 催化 ， ,丙酮 酸 经 反应 转变 为 与 酶 结合 的 焦 磷 酸 硫 胺 素 ( TPP EMA EW ROR EW, BOHR, E,-TPP-CHOH-CH, 复合 物 的 羟 乙 基 转 给 以 共 价 键 方式 结合 于 二 氢 硫 辛 酰 转 乙酰 酶 ( 王 : ) 上 的 硫 辛 酸 的 环 三 硫 基 上 ， 转 移 时 伴随 有 氧化 还 原 反应 ， 产 乙 基 失 去 互 原子 成 为 乙酰 基 ， 同 时 ， HERR 被 还 原 为 硫 醇 形 式 ， 第 三 步 ， 乙 酰基 被 酶 促 转移 ,离开 二 氢 硫 辛 酰 转 乙酰 酶 的 硫 辛 酰基 ,与 辅 酶 A 相 结合 形成 乙酰 -CoAy 第 四 步 ， 还 原型 二 氢 硫 辛 酰 转 乙酰 酶 在 二 氢 硫 辛 酰 脱 氢 酶 〈《 卫 s -FAD) 催化 下 重新 被 氧化 ， 卫 :- 了 AD 含有 一 个 紧密 结合 的 辅酶 -FAD,， 后 者 作为 受 氧 体 ， 还 原 成 FADH:， 仍 与 酶 结合 〈 卫 :-FADH: ) ; HA, E,-FADH, 被 NAD- 氧 化 ， 重 新 生成 卫 :-FAD，NAD- 则 还 原 为 NADH, 166 I Il E,—TPP — CHOH—CH, E,—TPP * + CH,COCOOH E, | ; s—s E,—TPP— CHOH—CH, | + E,—TPP co, oF E, S SH — CH; i 3 re) CoA—SH ’ Et) | S 一 8 oF Bo) E;—FADH, SH SH + CH;CO—S—CoA a-s5 “丙酮 酸 氧 化 脱羧 步骤 a- 酮 酸 氧化 脱羧 反应 中 硫 辛 酸 所 起 的 作用 是 很 有 趣味 的 。 硫 辛 酸 为 含有 两 个 -> 也 的 辛 酸 ， 结 构 简 单 ， 官能 团 为 长 臂 末 端 摇摆 的 二 硫 环 。 V E;— FADH， 一 NAD+ | _E: 一 FAD =e NADH + H* 硫 辛 酸 在 细胞 体内 并 不 是 游离 存在 的 ， 而 是 与 世子 酶 的 一 个 赖 氨 酸 残 基 的 侧 链 以 肽 键 相连 。 人 硫 辛 酸 和 酶 的 结合 由 特异 的 酶 催化 ， 亡 需 能 量 由 ATP 提供 。 (图 4-46) 图 4-46 CH,—SH 硫 辛酸 与 酶 蛋白 的 结合 A, ~ABER, B. MARR, C. Ke. 氧化 脱羧 反应 中 ， 硫 胺 素 -活性 乙 醛 分 解 时 ， 酸 相 结合 。 酮 酸 经 氧化 脱羧 而 生成 的 酰基 与 二 氢 硫 六 Gt RE BERT BEL, BHA 长 “ 臂 ” 的 转动 而 在 各 个 酶 亚 基 之 间 传 递 作用 基 团 ， 首 先 它 伸 展 到 一 个 脱羧 酶 亚 基 的 焦 磷 酸 硫 胺 素 处 ， 打 开 硫 一 硫 桥 ， 把 酰基 携带 167 回 到 芯 子 酶 所 结合 的 CoA 上 去 。 这 时 ， 酰基 与 CoA 结合 成 KoA- 酰 基 ， 二 氢 硫 辛酸 又 由 长 臂 送 到 黄 素 蛋 白 亚 基 上 ， 受 酶 的 作用 ， 将 五 原子 传递 给 NAD-， 本 身 被 氧化 ， 重 又 形成 硫 一 硫 键 ， 准 备 进行 下 一 轮 的 反应 循环 。 这 是 一 种 分 子 水 平 上 的 自动 流水 作业 线 ， 既 出 产品 一 一 乙酸 基 ， 又 出 能 量 一 -NADH-。( 图 4-47、 NAD+ Sl 1 *H FAD NADH + ee ~ —_ Oo : \ ll | CoA-S-C-R ! 1 / 4 酰基 CoA “中 心 "? 亚 基 cr- 柄 酸 脱 氢 酶 催化 时 硫 辛 酸 的 作用 图 4-47 底 物 和 产物 用 方 框 表 示 ， 酮 酸 氧化 途径 用 粗 箭头 玫 示 ! 硫 辛 酸 “ 头 ”由 附着 点 转向 CAR ARR “iF” Wit, 168 SHS 细胞 代谢 的 控制 新 陈 代谢 是 一 切 生 命 活动 的 基础 。 生物 体 与 外 界 环境 之 间 进 行 着 活路 的 物质 和 能 量 交 换 ， 而 且 在 体内 又 进行 着 一 系列 复杂 的 转化 。 在 新 陈 代谢 过 程 中 ， 生 物体 不 断 地 利用 新 的 物 质 来 更 换 和 代替 原来 的 组 成 成 分 ， 并 且 利 用 外 来 的 能 量 推动 了 这 种 变革 。 新 陈 代 谢 ， 即 使 是 局 限于 一 个 细胞 内 所 进行 的 新 陈 代谢 ， 也 具有 十 分 错综复杂 的 图 景 。 但 是 ， 整 个 新 陈 代 谢 ， 甚 至 每 一 步 具 体 的 反应 ， 也 都 在 细胞 的 严格 控制 之 下 ， 这 才 使 细胞 的 新 陈 代谢 成 为 有 秩序 而 高 效率 的 活动 。 第 一 他 细胞 代谢 的 特 氮 生物 体 的 新 陈 代谢 具有 明显 的 建设 性 ， 它 不 但 使 生物 体 赖 以 生存 ， 而 且 使 生物 体 获得 发 展 的 可 能 。 生物 体 的 新 陈 代谢 无 论 在 量 和 质 上 都 是 可 以 发 生变 化 的 ， 代 谢 活动 量 的 差异 就 是 代谢 强 度 的 高 低 ， 质 的 差异 就 是 代谢 类 型 的 分 歧 。 1.1 生物 热力 学 生命 的 重要 特征 和 基本 性 质 是 新 陈 代谢 。 但 是 ， 新 陈 代谢 是 宇宙 的 普遍 规律 ， 不 但 生物 界 有 ， 非 生物 界 同 样 也 有 新 陈 代谢 。 因 此 ， 只 有 明确 区 别 生命 物质 与 无 生命 物质 的 新 陈 代 谢 在 本 质 上 有 何 差异 ， 才 能 冰 明 “生命 是 什么 ? ”这 样 的 重大 问题 。 无 生命 物质 新 陈 代谢 的 终局 往往 是 它 的 破坏 和 毁灭 ， 生 命 物 质 新 陈 代谢 的 结果 则 通常 是 它 的 存在 和 发 展 。 其 根本 原因 是 由 于 两 者 属于 不 同 的 热力 学 系统 ， 具 有 不 同 的 热力 学 结构 ， 处 在 不 同 的 热力 学 状态 之 下 。 1*"1。1 热力 学 的 系统 、 状 态 、 过 程 和 结构 ”研究 物质 和 能 量变 化 基本 规律 的 科学 是 热 力学 ， 它 从 纷 绒 繁 杂 的 物理 学 、 化 学 和 生物 学 等 现象 中 抽象 和 概括 出 其 共性 的 东西 ， 并 预测 变化 的 可 能 性 、 方 向 及 结果 。 热力 学 用 一 些 专门 的 范畴 来 规定 研究 对 象 ， 这 些 范畴 有 : 系统 和 环境 、 状 态 和 过 程 等 。 “系统 ”是 人 们 为 了 便于 研究 而 从 物质 世界 中 划分 出 来 具有 一 定 边 界 的 空间 和 物质 。 包 围 着 系统 并 直接 与 系统 发 生 相 互 作用 的 空间 和 物质 则 称 为 该 系统 的 环境 。 因 此 ， 按 照 研 究 的 目的 ， 系 统 可 以 划 定 得 很 小 ， 也 可 以 划 定 得 很 大 。 例 如 ， 在 生物 学 中 ， 小 到 一 个 细胞 、 一 个 细胞 器 、 以 至 一 个 生物 分 子 ， 大 到 一 个 生物 体 、 一 个 生物 群体 、 一 个 生物 种 、 一 个 生物 群 落 、 以 至 全 地 球 的 生态 群体 ， 都 能 成 为 我 们 所 研究 的 对 象 一 系统。 热力 学 根据 系统 与 环境 的 关系 ， 把 系统 分 成 三 种 类 型 ;孤立 系统 与 环境 间 ， 既 无 能 量 交 换 ， 又 无 物质 交换 ;封闭 系统 与 环境 间 只 有 能 量 交 换 ， 而 无 物质 交换 ; 开放 系统 则 与 环境 间 不 但 有 能 量 交 换 ， 同 时 也 有 物质 交换 。 (图 5-1 ) 169 A. eae 境 Gy 孤立 系统 环 UR z #8 ns G; D. a 开放 系统 图 5-1 各 种 类 型 热力 学 系统 与 环境 的 关系 在 一 定 的 时 间 和 环境 条 件 下 ， 系统 总 是 具有 各 种 确定 的 物理 量 和 化 学 量 ， 这 些 量 CS 数 ) 就 表示 了 系统 所 处 的 “状态 ”。 当 一 个 系统 的 宏观 状态 在 一 定 的 环境 条 件 内 ,不 随时 间 而 变 化 的 叫做 平衡 态 ， 宏 观 状态 随时 间 而 变化 的 则 称 非 平衡 态 。 怕 立 系统 和 封闭 系统 的 非 平衡 态 是 不 稳定 的 ， 它 们 会 自发 地 趋向 于 平衡 态 。 开 放 系统 则 可 以 保持 接近 平衡 态 和 远离 平衡 态 。 从 一 种 状态 转变 成 另 一 种 状态 称 为 “过 程 ”。 有 可 逆 过 程 和 不 可 逆 过 程 ,其 差别 在 于 : 可逆 过 程 中 ， 系 统 可 以 从 新 的 状态 恢复 成 原 有 状态 而 不 在 环境 中 留 下 任何 痕迹 ;需要 环境 对 系统 作 功 、 提 供 能 量 或 物质 ， 或 系统 对 环境 作 功 、 释 放 能 量 或 物质 才能 使 两 种 状态 互相 转变 时 ， 就 是 不 可 逆 过 程 。 可 逆 过 程 是 一 种 理想 的 过 程 ， 由 于 存在 着 摩擦 力 ， 所 以 它 实际 上 是 不 存在 的 ， 至 多 只 有 近似 的 可 逆 过 程 。 (图 5-2) we > A 状态 | BRS alae ain 图 5-2 热力 学 系统 的 状态 与 过 程 “结构 "是 系统 内 各 组 成 单元 之 间 在 时 间 、 空 间 和 机 能 等 方面 的 相互 关系 。 当 有 着 严格 确定 的 秩序 和 相对 位 置 时 ， 称 为 有 序 ; 处 于 混乱 而 纯粹 随机 变化 的 状态 中 时 ， 则 称 为 无 序 。 有 序 和 无 序 不 是 绝 然 分 明 的 ， 其 间 有 程度 的 不 同 ， 有 序 程度 的 高 低 可 以 用 系统 的 箭 值 来 衡量 ， 高 焙 表 示 有 序 度 低 ， 而 低 箭 则 表示 有 序 度 高 。 反 之 ， 系 统 的 内 能 越 高 ， 则 其 有 序 度 越 高 。 因 此 入 与 内 能 是 互补 的 。 在 同样 的 自由 能 水 平 上 的 平衡 态 孤 立 或 封闭 系统 ， 究 竟 是 有 序 还 是 无 序 ， 决 定 于 系统 的 温度 。 这 是 因为 ， 系统 的 自由 能 = 内 能 -温度 x 科 如 果 温 度 降 低 到 一 定 国 值 以 下 ， 系 统 的 “内 能 ”起 主导 作用 ， 它 就 能 以 有 序 的 晶体 固态 结构 存在 ,组 成 分 子 呈 长 程 有 序 或 短程 有 序 地 排列 , 保持 着 一 种 稳定 的 结构 ， 这 时 ， 系 统 内 的 热 运 动 只 能 使 分 子 在 平衡 位 置 附近 振动 ， 而 不 能 破坏 系统 整体 的 有 序 状 态 。 但 是 ， 随 着 温度 的 升 高 ，“ 温 度 x 箭 ”这 一 项 的 作用 将 增 大 ， 终 于 因 分子 热 运动 而 破坏 稳定 的 有 序 结构 ， 系 统 产 生 相 变 ， 例 如 晶体 变 成 液体 ， 再 变 成 气体 ， 整 个 系统 就 转变 成 无 序 的 混乱 状态 。 因 此 ， 任 何 孤立 系统 总 是 自发 地 由 非 平衡 态 转化 为 平衡 态 ， 系 统 的 焙 值 越 来 越 大 ， 而 最 后 趋 于 极 大 ， 结 构 由 有 序 变 为 无 序 ， 而 最 后 变 成 极度 的 混乱 。 1.1。2 ， 耗 散 结构 但是， 现代 发 现 ， 一 个 非 平衡 的 开放 系统 ， 在 一 定 的 条 件 下 ， 它 能 170 够 通过 与 环境 交换 物质 和 能 量 ， 保 持 本 身 的 有 序 结构 ， 而 且 在 远离 平衡 态 的 条 件 下 ,通过 : 稳 定 一 > 不 稳定 一 > 新 的 稳定 这 样 的 过 程 ， 产 生 新 的 . 《更 高 级 的 ) 有 序 结构 ,这 种 非 平衡 态 的 有 序 结构 ， 就 称 为 “ 耗 散 结构 ”。 稳定 而 有 序 的 耗 散 结构 ， 是 一 种 “ 活 ” 的 结构 CER 断 地 吐 故 纳 新 ， 即 不 断 地 从 环境 中 吸收 物质 和 能 量 ， 并 把 物质 和 能 量 发 散 到 环境 中 去 ， 才 能 维持 以 致 提高 它 的 有 序 状态 。 反 之 ,前 述 的 稳定 有 序 的 平衡 结构 则 只 是 一 种 “ 死 ”的 结构 ， 它 不 需要 依靠 外 界 供应 物质 和 能 量 来 维持 。 开放 系统 之 所 以 有 可 能 维持 自身 的 有 序 性 ， 是 因为 系统 的 稍 变化 不 但 取决 于 系统 内 部 的 简 产生 ， 而 且 还 由 于 环境 与 系统 之 间 的 箭 流 : FARM (dS) = MB (deS) + RA CdiS) 当然 ， 系 统 内 部 因为 进行 着 不 可 逆 过 程 ， 其 焙 值 总 是 增加 的 ， 故 “ 焙 产生 ”一 项 永远 是 正 值 ， 但 是 焙 流 则 因为 环境 提供 了 能 量 和 具有 丰富 内 能 的 物质 ， 因 而 可 以 成 为 负 值 ， 故 而 出 现 T “RRR” . RPAH TRMTWIARAA HE. 4AM TY HS TP EBT, AGRA — TIRE FG RERS HED 的 有 序 结构 ; WRATH AEA Hr, WAAR RMRERASA MRD, DI BABI— Aaa A ES ie BY fa EAR 态 ， 这 就 是 耗 散 结构 的 特性 : (1) ds = - deS + dS (开放 系统 的 特点 ) (2) # |deS| = 1dS| 则 dS =0 Gea) (3) 车 [dS] > |dS1 则 dS<0 ( 耗 散 结构 状态 ) 1.1。3 作为 热力 学 系统 的 生物 体 生物 体 是 一 种 具有 耗 散 结 构 而 远离 平衡 态 的 开放 系 统 ， 它 必须 不 断 地 从 外 界 取得 食物 ， 或 依靠 外 界 的 能 量 而 自行 制造 食物 ,并 把 “废物 ”和 “ 废 热 ? 排 到 环境 中 去 。 食 物 虽然 也 是 生物 系统 物质 流 的 源泉 ,因为 它 补充 了 生物 体 的 建筑 材料 ， 但 是 它 更 是 能 量 的 载体 ， 生 物 依靠 来 自 食 物 的 连续 不 断 的 能 流 而 维持 其 生存 。 食 物 由 于 它 富 SH Hs, MOS “CAM”, AEDRARRAEWMMREAT AMM, ARETEIRA RA 造成 的 “生命 危机 ”， 也 即 生物 体 用 自己 的 自由 能 作 功 以 对 抗 平 衡 态 ， 这 就 是 生物 新 陈 代 谢 对 生命 的 意义 。 一 旦 新 陈 代谢 停止 ， 例 如 由 开放 系统 变 成 孤立 系统 或 封闭 系统 ， 则 生物 体 必 将 由 非 平衡 态 转化 为 平衡 态 ， 系 统 的 焙 值 必 将 趋 于 极 大 ， 结 构 和 机 能 将 由 有 序 变 成 无 序 ， 死 亡 就 要 来 临 。 因 此 ， 生 物 的 一 生 所 作 的 基本 努力 ， 与 其 说 是 为 了 物质 和 能 量 ， 不 如 说 是 为 了 箭 而 斗争 ， 为 了 同 自身 不 断 产 生 的 混乱 作 斗 争 。 在 这 个 斗争 中 ， 生 物体 不 但 能 保持 低 箭 而 生 存 ， 并 且 总 是 能 进一步 降低 总 炉 值 ， 这 就 意味 着 生物 体 进 行 生 长 、 发 育 、 繁 殖 和 进化 。 生物 体 是 一 类 极为 复杂 的 耗 散 结 构 ， 在 它 的 新 陈 代谢 系统 中 ， 不 但 包含 了 各 种 〈 生 物 ) 化 学 反应 和 输 运 过 程 ， 而 且 还 包含 了 在 各 级 水 平 上 对 这 些 反应 和 过 程 的 调节 作用 ， 这 种 调节 作用 的 水 平 同 样 也 可 以 用 简 来 表示 ， 炉 值 表示 “无 知 ” 的 程度 ， 入 的 减少 代表 着 “知识 ”的 增加 ， 因 此 ， 系 统 内 补充 了 负 焙 就 等 于 提高 了 系统 的 信息 含量 。 一 个 系统 的 信息 含量 高 反映 了 它 的 结构 水 平 高 ， 反 应 过 程 的 复杂 化 以 及 调节 能 力 强 。 于 是 ， 随 着 物质 流 和 能 量 流 而 来 的 信息 流 ,， 同 样 是 作为 耗 散 结 构 的 生物 体 所 藉以 存在 和 发 展 的 条 件 。 (A 5-3) | Fen 能 量 qi 生物 体 ”一 一 > 物质 图 5-3 ”通过 生物 系统 的 三 种 流 1-2 ”生物 新 陈 代谢 与 非 生物 新 陈 代谢 的 区 别 耗 散 结构 并 非 生 物体 所 特有 ， 在 各 种 自然 现象 中 都 能 产生 耗 散 结构 ， 因 些 有 力学 的 、 物 理学 的 、 化 学 的 、 天 文学 的 和 地 学 的 耗 散 结构 ， 还 有 工程 技术 和 社会 的 耗 散 结构 。 如 果 没 有 无 生命 自然 界 的 耗 散 结构 ， 那 么 生命 就 不 会 起 源 ， 前 生物 的 化 学 进化 也 不 可 能 进行 ， 而 现代 的 生物 界 也 无 法 生存 下 去 ， 因为 它 毕 竟 是 处 在 地 球 这 样 的 一 个 耗 散 结构 的 宇宙 体 表面 上 的 啊 ! 至 于 社会 的 耗 散 结构 则 是 生物 群体 的 现象 ， 而 工程 技术 的 耗 散 结构 则 纯 属 智能 的 产物 ， 因为 最 精巧 的 机 器 也 是 人 造 的 。 生物 代谢 的 特点 是 它 的 主动 性 、 复 杂 性 和 高 效率 。 1.2"1 生物 代谢 的 主动 性 ”表现 在 生物 体 有 高 度 的 自 组 织 能 力 。 所 谓 自 组 织 就 是 依 靠 系统 本 身 的 机 制 ， 在 无 序 中 形成 有 序 的 能 力 。 SR, 无 生命 的 耗 散 结构 也 都 有 自 组 织 能 力 ， 例 如 有 些 均 匀 相 中 的 化 学 反应 ， 能 够 发 生物 质 和 能 量 的 不 均匀 分 布 ， 并 出 现 有 规则 的 空 间 图 案 和 周期 性 的 化 学 振 功 。 其 原因 在 于 化 学 反应 存在 自 催 化 和 上 自 调 节 作 用 。 当 反应 的 产物 能 加 速 本 身 的 生成 反应 时 即 为 自 催化 作用 ， 而 当 反应 的 产物 能 阻止 本 身 的 生成 反应 时 即 为 自 调节 《〈 反 馈 抑 制 ) 作用 。 在 一 般 情 况 下 ， 这 种 作用 与 产物 的 浓度 有 关 ， 当 产物 浓度 低 于 某 一 定 靖 值 时 ， 它 往往 具 自 催化 作用 ， 而 高 于 这 一 靖 值 时 ， 则 往往 具有 自 调 节 作 用 。 (图 5-4 ) A. 产物 浓度 低 时 ; i Bet A f > B 4 | B。 产 物 浓 度 高 时 : lil = bl ia t SS 4 | C。 出 现 化 学 振 葛 ; AB ----3 > Ap>aB>Asp>aB~>Ap--> 图 5-4 化 学 耗 散 结构 系统 内 出 现 的 化 学 振 划 现象 A 为 反应 物 ，B 为 反应 产物 ， 字 母 大 小 表示 物质 的 相对 浓度 高 低 由 于 这 种 自 组 织 作用 ， 引 起 了 系统 各 组 成 分 子 的 浓度 发 生 周 期 性 的 变化 ， 而 且 这 种 变化 象 波 动 一 样 有 确定 的 频率 和 振幅 ,因此 称 为 化 学 振 划 。 最 著名 的 例子 为 ,在 一 个 主要 含有 两 二 酸 、 溴 酸 钊 和 试 亚 铁 灵 (二 所 杂 菲 离子 ) 的 反应 系统 内 (图 5-5 )， 溴 酸 离子 ( BrO。- ) 能 产生 亚 省 BR CHBrO,.) ， 它 是 一 个 “ 换 向 ”中 间 产 物 ， 因 为 它 可 以 与 Br- 起 反应 ， 也 可 以 与 BrO-， 起 反应 。 当 它 与 Br 反应 时 ， 能 使 丙 二 酸 氧化 ， 同时 引起 试 亚 铁 灵 中 的 铁 还 原 而 成 Fe2+， 因而 溶液 呈现 红色 ， 是 为 反应 的 Awe, 当 它 与 BrO。 反应 时 ,由 于 自 催化 作用 而 生成 更 多 的 了 BrO。 ， 同 时 引起 试 亚 铁 灵 中 的 铁 氧 化 而 成 Fe** ， 因 而 溶液 呈现 蓝 色 ， 是 为 反应 的 B 途 径 。Br 和 BrO。 在 反应 中 互相 竞争 也 BrO:， 为 化 学 竞争 作用 ， 但 是 ， 反 应 的 途径 主要 受 Br 的 浓度 所 控制 ， 在 Br 丰富 的 情况 下 ， 反 应 循 A 途径 进行 ，Br- 的 浓度 低 时 ， 则 倾向 于 172 B 途径 ， 故 Br -为 “控制 ”性 中 间 产 物 。 试 亚 铁 灵 的 Fe 则 为 “再 生 ” 性 中 间 产 物 ,因为 它 可 以 随 着 反应 途径 的 转换 而 迅速 再 生 ; Fe:+ 又 是 催化 剂 ,并 成 为 反应 途径 宏观 可 见 的 指标 , 由 于 它 的 存在 状态 而 反映 了 系统 的 反应 方式 ， 亦 即 出 现 蓝 色 的 氧化 态 C Fe NA BRE, i 红色 的 还 原 态 ( Fe** ) 时 为 A 途径 。 本 系统 尚 有 明 显 的 自 组织 作 用 。 设 想 在 反应 开始 时 ,由 于 HBrO， 的 自 催化 作用 而 生成 了 大 量 HBrO， 的 同时 ， 也 积 累 较 多 的 Fes+ ，Fes+ 是 使 BrCHCCOOH)，* 氧 化 而 生成 Br- 的 催化 剂 ， 于 是 Br- 大 量 产生 。 大 量 的 Br 发 挥 其 控制 作用 ， 一 方面 促使 HBrO, vA 径 反 应 ， 另 一 方面 还 抑制 HBrO,W BRB, 于 是 生成 了 较 多 的 Fe’*. Ra, REN Fe 重新 催化 百 BrOs 的 B 途 径 反 应 ， 就 这 样 导致 了 下 一 轮 的 反应 周转 ， 如 此 每 隔 一 定时 间 的 周而复始 ， 形 成 了 化 学 振 功 。 在 一 个 培养 下 的 浅 层 溶液 中 ， 当 反应 ” 物 的 浓度 分 别 为 0.275〈 丙 二 酸 ) 、0.0625 GRE 钾 ) 和 0.0006〈 试 亚 铁 灵 ) M 时 ， 这 种 化 学 波动 、 的 出 现 周 期 约 为 5 一 10 秒 钟 ， 在 不 补充 反应 物 的 情 图 5-5” 丙 二 酸 一 溴 酸 钾 一 试 亚 铁 灵 况 下 ， 化 学 振 蔓 可 持续 50 一 60 分 钟 之 久 。 更 有 趣 ”反应 系统 中 的 主要 反应 途径 及 其 相互 关系 的 是 ， 溶 液 可 以 出 现 红 蓝 相 间 的 同心 圆 或 旋 开 式 螺 ， A 途 径 用 粗 箭头 才 示 ，B 途 径 用 空 箭头 玫 示 ， 线 状 的 图 案 ， 并 随时 在 草 延 扩展 ， 这 是 由 于 不 同 反 ， 虚 箭 头 表示 控制 作用 。 正 号 为 促进 ， 负 号 为 应 物 在 空间 内 作 有 规则 的 不 均匀 分 布 所 造成 的 结 抑制 。 果 。 这 个 现象 充分 说 明了 非 生命 系统 的 自 组 织 作 用 。 (图 5-6) 生物 自 组织 的 基础 是 亚 细 胞 水 平 上 生化 系 统 的 自 组 织 作 用 ， 即 使 是 最 简单 的 生化 系统 ， ATLAS RH RARE, HAAR 水 平 也 达到 了 新 的 高 度 。 例 如 ， 糖 酵 解 系统 中 各 成 分 的 浓度 经 常 在 105 到 10-*M 之 间作 周 期 性 变动 ; 在 酵母 菌 提 取 液 中 ， 其 周期 约 为 5 Sh, KEM RW, AAPL Hl Ra 说 明 。 生物 还 有 更 为 复杂 的 自 组 织 现象 ， 例 如 ， 组 成 生物 体 的 主要 大 分 子 一 一 蛋白 质 和 核酸 都 能 够 从 环境 中 有 选择 地 取 用 它 所 需要 的 单 体 一 一 20 种 所 基 酸 和 4 RR, 并 严格 按照 原来 大 分 子 的 模样 进行 自 催化 合成 。 由 于 合成 图 5-6 ”两 二 酸 一 省 酸 钾 一 试 亚 铁 灵 化 学 反 ”的 不 是 象 晶体 那样 单调 重复 的 周期 性 结构 ， 而 应 的 时 间 -空间 图 案 是 一 种 特殊 的 “ 非 周期 性 晶体 ”， 即 在 大 分 子 链 上 的 单 体 有 着 确切 的 排列 顺序 〈 一 级 结构 ) 和 在 三 维 空间 内 的 确切 位 置 “ 三 级 结构 ) ， 并 且 这 些 组 织 特点 正 是 这 类 大 分 子 执行 正常 功能 所 必需 。 再 加 之 这 类 大 分 子 的 合成 过 程 中 又 存 在 着 核酸 -> 蛋白 质 一 核酸 一 蛋 白质 ~~， 这 样 的 生物 超 循 环 ， 更 使 生物 的 自 组 织 现象 在 分 子 水 173 CH: (COOH): LA x 区 - esas |-- 必 BrCHCCOOH)s D)[é ee cewceen- B---= BrOs’ Sennen n= awe 1 1 1 -再 i 1 4 1 8 NA 平 上 就 已 经 显得 十 分 复杂 。 生 赵 的 自 组 织 过 程 中 ， 不 断 地 贮存 着 信息 ， 保 持 着 对 本 身 进 化 历史 的 “记忆 > ， 并 根据 它 的 过 去 来 决定 它 现在 的 “生活 方式 ”， 并 选择 它 将 来 的 “生活 道路 ”， 因 此 ， 生 物 并 不 是 被 动 地 对 环境 的 影响 作出 反应 ， 而 是 依靠 它 的 高 度 自 组 织 能 力 ， 去 主动 适应 和 争取 它 所 要 求 的 生存 条 件 。 例 如 ， 生 物 出 现 主动 吸收 的 机 构 ， 能 从 环境 中 富 集 它 所 需要 的 稀有 成 分 ， 绿 色 植物 伸展 最 大 药 叶 面积 以 获得 充足 的 光 能 等 。 1.2。2 代谢 的 复杂 性 ”生物 体 的 结构 是 有 层次 的 ， 从 分 子 ~ 大 分 子 一 超 分 子 二 细胞 器 -> 细胞 -> 个 体 一 群体。 结构 是 由 于 组 成 成 分 空间 的 不 均匀 分 布 所 造成 ， 因 而 引起 了 各 种 结构 的 功能 分 工 : 生物 的 生理 活动 也 有 其 特殊 的 时 间 上 的 变化 ， 从 以 分 钟 计 的 代谢 振 葛 ， 以 小 时 计 的 细胞 周期 ， 以 日 计 的 生活 县 夜 周 期 、 到 以 年 计 的 个 体 生活 史 和 以 世代 计 的 生物 进化 。 代 谢 作 用 ， 也 在 各 种 等 级 水 平 上 展开 ， 例 如 ， 在 细胞 层次 ， 以 组 成 大 分 子 的 复制 、 转 录 、 翻 译 和 周转 更 新 为 标志 ， 在 个 体 层次 ， 以 组 成 细胞 的 增生 、 分 化 、 死 亡 和 和 剥落 为 标志 ， 在 群体 层 次 ， 以 个 体 药 蒙 殖 午 吉 亡 为 标志 。 通常 ， 下 一 级 层次 的 代谢 活动 是 上 一 级 层次 代谢 的 基础， 如 果 没 有 大 分 子 的 复制 、 转 录 和 翻译 ， 细 胞 是 不 可 能 本 长 和 分 裂 的 ， 而 没有 细胞 的 增殖 和 分 化 ， 个 体 发 育 也 是 无 法 实现 的 。 上 一 级 层次 的 代谢 活动 反 过 来 指导 着 下 一 级 层次 的 代谢 活动 。 生 态 系统 左右 着 每 个 生物 体 的 生存 ;个体 统 一 调度 着 身上 各 部 分 细胞 的 协同 活动 ;细胞 内 的 各 个 细胞 器 之 间 也 有 着 分 工 合作 ， 即 或 在 二 个 细胞 器 内 的 各 个 互相 关连 的 酶 系统 ， 也 是 衔接 和 耦合 得 十 分 精致 巧 抄 的 ， 往 往 在 细节 上 稍 有 差错 ， 就 会 危害 整个 “生物 大 厦 ” 的 存在 稳定 性 。 1.2。3 代谢 的 高 效率 “生物 体 的 自我 更 新 通过 同化 作用 和 异化 作用 这 两 个 相反 相 成 的 过 程 而 实现 。 广义 的 同化 作用 ， 顾 名 思 义 是 化 异 已 为 自己 ， 亦 即 化 无 序 为 有 序 ， 意 味 着 把 环境 的 无 序 成 分 转变 成 生物 体内 的 有 序 成 分 ， 在 化 学 意义 上 ， 生 物体 内 的 合成 〈 原 子 组 成 分 子 ) 、 又 合 “〈 小 分 子 组 成 大 分 子 ) 、 装 配 〈 大 分 子 组 成 超 分 子 结构 ) 、 还 原 和 贮 能 都 属于 同化 作用 。 生物 同化 作用 的 起 点 有 远 有 近 ， 自 养生 物 可 以 从 原子 或 无 机 分 子 开始 ， 异 养生 物 则 只 能 从 有 机 小 分 子 的 单 体 开 始 。 同 化 作用 除了 完成 构造 身体 的 任务 之 外 ， 还 有 贮存 能 量 的 任务 。 广义 的 异化 作用 ， 顾 名 思 义 是 化 自己 为 异己 ， 亦 即 化 有 序 为 无 序 ， 意 味 着 把 生物 体 的 有 序 成 分 转化 成 为 无 序 成 分 而 排 到 环境 中 去 。 在 化 学 意义 上 ， 生 物体 内 的 分 解 〈《 有 机 分 子 成 为 无 机 分 子 或 原子 ) 、 解 聚 〈 大 分 子 成 为 小 分 子 ) 、 拆 散 〈 超 分 子 分 成 大 分 子 ) 、 氧 化 和 放 能 都 属于 异化 作用 。 异化 作用 对 生命 活动 之 所 以 必要 ， 除 了 为 自我 更 新 清除 地 盘 之 外 ， 更 重要 的 是 为 同化 作用 提供 能 量 ， 并 且 也 是 所 有 生物 功 的 能 源 。 反映 自我 更 新 效率 的 指标 为 生物 学 周转 率 。 1.2*。4 新 陈 代谢 系数 “ 即 生物 学 周转 率 ， 表 示 生 物 系 统 内 物质 和 能 量 的 更 新 速度 。 它 与 通过 系统 的 物质 流 和 能 量 流 的 速度 有 关 ， 也 与 系统 的 容量 有 关 ， 即 ; 周转 率 = 流 速 / 容量 如 果 系 统 的 容量 相同 《或 不 变 ) ， 则 不 同 的 流速 引起 不 同 的 周转 率 。 设 系统 的 容量 为 10 单 位 ， 若 每 秘 钟 通过 系统 的 物质 为 2 单位 ， 则 周转 率 为 : 2/10=0.2， 即 表示 在 每 秒 钟 内 ， 系 统 中 的 物质 更 新 了 20%; 但 若 物质 流速 为 100 单 位 / 秒 ， 则 周转 率 为 100/10= 10 ， 即 表示 每 秒 钟 系统 内 物质 全 部 更 新 了 10 次 。 在 流速 相等 的 情况 下 ， 如 果 系 统 的 容量 改变 ,， 也 能 改变 174 悦 转 率 。 如 上 例 中 ， 若 系统 容量 由 10-~>50 4, MARR (100 单位 / 秒 ) 所 得 到 的 周转 率 为 100/50= 2， 而 不 是 10 了 : ” 输 入 | 系统 容量 | 输 出 周转 , 率 7 2 一 一 > 10 一 一 > 2 2/10=0,2 (2 34 tw) 2. 100 -一 一 10 一 -一 > 100 100/10 =10 (改变 流速 》 3. 100 Bie g 50 —»> 100 100/50 =2 《改变 容量 ) 一 个 生物 体 的 周转 现象 反映 在 三 个 结构 水 平 上 ， 即 细胞 、 分 子 和 原子 。 组 成 生物 体 的 细 胞 可 以 不 断 地 更 新 ， 组 成 细胞 的 分 子 〈 包 括 生物 大 分 子 ) 可 以 不 断 地 更 新 ， 而 组 成 分 子 CE 物 大 分 子 ) 的 原子 也 可 以 不 断 地 更 新 。 根 据 更 新 速度 的 差别 ， 可 以 将 生物 体 成 分 区 别 为 生物 .学 活性 部 分 和 情 性 部 分 。 在 细胞 水 平 上 ， 有 长 寿命 的 功能 性 细胞 〈 如 神经 元 ) 、 休 了 眼 性 细胞 (微生物 的 芽孢 、 植 物 的 种 子 和 潜伏 芽 细 胞 ) 以 及 结构 和 功能 性 死 细胞 (如 植物 木质 部 导 管 和 木质 纤维 ) 等 ;在 分 子 水 平 上 ， 有 细胞 表面 的 保护 成 分 〈 角 蛋白 、 黄 化 甲壳 质 、 纤 维 素 和 木质 素 等 ) ; 在 原子 水 平 上 ， 则 有 机 分 子 碳 架 和 大 分 子 主 链 上 的 原子 比 功 能 团 和 侧 链 上 的 原 子 要 稳定 得 多 ， 不 易 与 环境 中 的 同类 原子 相交 换 。 这 些 就 是 生物 学 情 性 成 分 ， 其 余 容 易 更 新 的 细胞 、 分 子 和 原子 都 是 活性 成 分 。 当然 ， 所 谓 活 性 与 惰性 也 是 相对 的 ， A RY SEE RSP SER ERT A aR, REAR AS. 易 和 难 之 分 。 它们 并 未 真正 退出 “生活 的 舞台 ”， 而 仅 是 “和 暂 居 幕后 ”，“ 伺 机 而 动 ”; 或 者 是 把 代谢 活动 降 至 低 一 级 结构 水 平 上 表现 。 例 如 ， 不 更 新 的 神经 细胞 难道 就 没有 活跃 的 代谢 活动 了 吗 ? DNA 虽然 在 分 子 结构 水 平 上 是 相当 稳定 的 ， 否 则 不 足以 保持 遗传 信 息 的 连续 性 ， 但 能 保证 它 在 原子 水 平 上 不 与 外 界 进行 交换 吗 ? 为 了 对 细胞 〈 生 物体 ) 活跃 的 新 陈 代谢 有 -- 个 具体 的 形象 概念 ， 列 举 下面 事 例 说 明 : 一 个 细菌 体内 的 mRNA (信使 核糖 核酸 ) 分 子 ， 在 几 分钟 内 即 更 新 了 一 半 。 细胞 内 ATP 〈 腺 三 磷 ) 中 的 磷 原 子 ， 在 2 一 20 秘 钟 内 即 更 新 了 一 半 ;. 蛋白 质 分 子 则 每 小 时 更 新 3% ，20 小 时 更 新 50% ， 而 至 80 小 时 后 则 超过 90% 是 新 合成 的 分 子 。 人 体内 红血球 的 生存 期 为 120 天 ， 皮 肤 细胞 寿命 为 十 几 天 ， 消 化 道内 壁 粘膜 上 皮 细 胞 仅 几 十 小 时 ， 人 体 上 每 日 更 新 细胞 数目 ， 肠 壁 为 300 亿 个 ， 皮 肤 为 5 亿 个 ， 血 球 为 2,000 亿 个 ， 在 50 年 中 ， 总 共 周 转 了 90,000,000 亿 个 细胞 ， 相 当 于 每 年 全 身 细 胞 要 全 部 更 新 四 回 ， 真 所 谓 是 “脱胎 换 骨 ”了 。 在 新 陈 代 谢 中 ， 既 有 物理 变化 〈 位 移 和 相 变 等 ) ， 又 有 化 学 变化 〈 转 化 ) 。 有 时 以 物理 变化 为 主 ， 如 水 分 代谢 ， 出 入 生物 体 的 水 分 子 大 部 分 未 变 结构 ， 但 可 能 有 汽 - 液 之 别 。 有 时 则 以 化 学 变化 为 主 ， 如 进入 生物 体 的 有 机 分 子 ， 只 有 很 少 情况 下 是 不 参加 生物 化 学 反应 的 。 系统 内 外 系 统 内 系统 内 外 rr 转化 人 吸收 合成 分 小 一 一 一 -一 个 —— = A “GEm) AY 了 - AES ss HEF 降解 摄取 图 5-7 生物 体 新 陈 代谢 中 的 物质 转化 和 运输 过 程 在 图 5-7 中 ,A 表示 无 机 物 或 简单 的 有 机 物 , 而 B 表示 有 机 物 或 复杂 的 有 机 物 ， ABA’ 及 了 B 与 B' 为 相似 的 物质 ， 只 是 物理 位 置 或 状态 有 差别 。 当代 谢 流 的 方向 由 左 向 右 进行 时 (AGL) ， 为 自 养 型 的 生物 系统 ， 而 由 右 向 左 进行 时 〈 即 细 箭 头 所 示 ) ， 为 异 养 型 的 生物 系统 。 1.3 代谢 类 型 每 种 细胞 都 有 它 一 定 的 代谢 类 型 ， 包 括 利 用 哪些 物质 作为 代谢 的 原料 、 经 过 怎样 的 代谢 途径 、 又 产生 了 什么 生理 生化 以 至 形态 构造 上 的 效果 。 1.3。1 代谢 原料 根据 代谢 的 最 初 原料 是 有 机 物 还 是 无 机 物 ， 分 成 异 养 和 自 养 两 种 代 谢 类 型 。 蜡 养生 物 只 能 利用 有 机 物质 作为 新 陈 代谢 的 碳 源 、 毛 源 和 能 源 ， 而 自 养生 物 则 能 直 接 利 用 无 机 物 作 为 新 陈 代 谢 的 碳 源 、 毛 源 和 能 源 。 化 能 合成 细菌 是 利用 无 机 化 合 物 的 化 学 反 应 取得 能 量 ， 光 合生 物 是 依靠 太阳 的 光 能 。 当 然 ， 在 绝对 自 养 与 绝对 异 养 之 间 ， 也 有 各 种 中 间 类 型 。 (图 5-8 ) FFD : Sir ea es emer 自 养性 1 2 3 4 5 5 7 8 oOREERN GO 二 国 Sate TEE aes ae, ‘ 自 养 型 / 图 5-8 各 种 细菌 的 自 养 和 蜡 养 程度 比较 A。 自 养性 的 等 级 : 1 光合 细菌 上; 2 硝化 细菌 ;3 硫化 细菌 4 铁 细菌 ;5 Rs 6 一 氧化 碳 细菌 、 7 甲烷 及 其 它 碳 氢化 合 物 细菌 ; 8 固氮 细菌 ; 9 能 利用 NH4、NO2- 、NO3 的 细菌 10 能 利用 NH4、NO2-、NOs - 的 细菌 ， 但 氨基 酸 更 好 ;11 利用 氨基 酸 作 氮 源 ， 需 有 限 的 生长 因子 ! 12 B 求 更 严 ， 尚 不 知道 全 部 生长 因子 的 寄生 细菌 〈 1 为 自 养 性 最 强 ，10 为 异 养 性 最 强 ) 。 了 B。 自 养生 物 的 特征 :”@ 以 CO? 及 碳酸 盐 为 碳 源 ; @ 以 NHs 或 无 机 氨 盐 为 氮 源 ;加 需要 无 机 离子 图 不 需要 生长 因子 。 C。 蜡 养生 物 的 特征 : 四 以 有 机 物 为 碳 源 ， 但 有 利用 CO2 的 能 力 ; @ 有 的 能 利用 简单 形式 的 氮 〈 如 氮 气 、 狠 及 硝酸 、 亚 硝酸 盐 等 ) ， 但 大 部 分 需要 氨基 酸 及 复杂 有 机 氮 化 合 物 ; @@ 需 要 无 机 离子 :! OF 的 需要 生长 因子 @@ 腐 生 型 的 以 死 的 有 机 物 为 养料 ， 营 养 条 件 要 求 较 低 ! 寄生 型 的 以 活 的 生物 体 为 宿主 ， 营 养 条 件 要 求 较 高 。 1:3°2 代谢 途 径 ”参与 代谢 的 物质 ， 经 过 一 系列 前 后 连贯 的 反应 ， 转 化 成 为 某 种 新 的 物质 ， 这 个 过 程 称 为 代谢 途径 。 WM, 细胞 内 糖 原 或 葡萄 糖 经 过 若干 步 反 应 ， 变 成 了 丙酮 酸 ， 这 个 代谢 途径 ， 称 为 糖 酵 解 途径 ， 丙酮 酸 经 过 若干 步 反 应 ， 产 生 了 还 原型 辅酶 工 或 I， 并 放出 C9:， 这 个 代谢 途径 ， 称 为 三 羧 酸 循环 途径 ， 还 原型 辅酶 [或 I, 经 过 若干 步 反 应 ， 产生 了 腺 三 磷酸 腺 苷 〈《ATE ) ， 这 个 代谢 途径 ， 称 为 生物 氧化 和 氧化 磷酸 化 途径 。 在 细胞 进行 有 氧 呼 吸 时 ， 和 葡萄 糖 完全 经 历 这 三 个 途径 ， 称 为 有 氧 分 解 过 程 ， 而 在 无 氧 呼吸 情况 下 ， 只 经 历 酵 解 途径 ， 则 称 为 无 氧 分 解 过 程 。 同一 种 物质 ， 可 以 进入 不 同 的 代谢 途径 ， 获 得 不 同 的 结果 ， 如 葡萄 糖 是 细胞 的 基本 代谢 原料 ， 能 通过 不 同 的 途径 参加 细胞 内 的 新 陈 代谢 。 这 种 类 型 的 代谢 途径 ， 称 为 发 散 途 径 。 (图 5-9 ) 176 zie 一 一 KBR ”< 一 乙醇 -~ 乙 卫 一 ~ CO,+H,0+ATP 图 5-9 葡萄 糖 经 过 不 同 代谢 途径 后 的 产物 反之 ,不同 的 物质 也 可 进入 同一 种 代谢 途径 ， 得 到 相同 的 结果 。 例 如 ， 糖 、 脂 肪 和 和 蛋 钙 质 ， 都 可 变 成 乙酰 辅酶 A MHASH RBM, Fe ATP, CO. 和 吾 :O 。 这 种 类 型 的 代谢 途径 称 为 收敛 途径 。 (AH 5-10) TTT Re coo ee 图 5-10 各 种 有 机 物质 的 异化 作用 统一 途径 另外 ， 还 有 一 种 环 式 的 代谢 途径 ， 就 是 它 的 代谢 底 物 和 产物 是 周而复始 地 循环 着 的 。 这 种 途径 ， 主 要 是 用 来 反复 再 生 各 种 代谢 传递 体 的 ， 如 作为 递 所 体 的 NAD 及 NADP， 传 递 电子 的 细胞 色素 ， 传 递 甲 基 的 四 氧 叶酸 ， 传 递 氨 基 及 羧基 的 鸟 氨 酸 等 。 〈 图 5-11 ) 三 羧 酸 循环 表面 上 看 来 比较 复杂 ,但 实质 上 是 使 经 过 糖 酵 解 后 降解 成 的 三 碳化 合 物 (丙酮 酸 ) 继续 降解 成 为 CO。 和 吾 :9 的 过 程 。 在 此 降解 过 程 中 ， 首先 脱 去 一 个 羧基 而 成 为 和 畏 Be A 相连 的 乙酰 基 ， 然 后 进入 循环 。 在 这 个 循环 中 ， 需要 有 一 个 四 碳 〈 二 羧基 ) 化 合 物 作 为 传递 体 。 它 接受 这 个 二 碳 基 团 〈 乙 酰基 ) 而 成 为 一 个 六 碳 〈 三 羧基 ) 化 合 物 ， 于 是 再 逐步 地 脱 去 羧基 和 和 氧 。 先 脱 去 一 个 羧基 而 成 为 一 个 五 碳 〈 二 羧基 ) 化 合 物 ， 进 一 步 再 脱 去 一 个 羧 基 而 成 为 一 个 四 碳 〈 二 羧基 ) 化 合 物 ， 这 时 恢复 了 循环 开始 时 的 状态 。 四 碳化 合 物 又 可 接受 一 个 乙酰 基 而 再 次 进入 循环 。 (A 5-12) 1"3。3 .代谢 网 络 各 代谢 途径 之 间 是 相互 串 连 的 ， 它 们 交错 联结 ， 形 成 代谢 网 络 ， 党 可 把 这 种 代谢 途径 的 相互 关系 绘制 成 代谢 图 ， 以 便 研 究 和 分 析 。 从 代谢 图 中 ， 可 以 看 到 生物 体 细胞 内 的 代谢 活动 错综复杂 ， 有 时 发 散 ， 有 时 收 人 ， 但 是 大 都 是 异 途 同 归 ， 有 着 一 个 统一 的 途径 ， 并 且 往 往 集 中 到 一 个 中 心 ， 又 从 这 个 中 心 分 别 转 向 特殊 的 代谢 途径 。〈 图 5-13 ) 177 NADH+H* >, _ e: ( ER BI ) NADPH+ H* 还 原型 细胞 色素 wae ss PRPS Rall eH 氧化 型 辅酶 ears mBGK Ere? aie TKDABER NHs CO,,NH; mm) Cae Sie Pea ys Hi mo _C=NH,* aR 图 5-11 几 种 循环 式 代谢 途径 A。 脱 氢 酶 辅酶 传递 氢 的 循环 ? B。 细 胞 色素 传递 电子 的 循环 ; C。 四 氢 叶 酸 传递 甲 基 的 循环 ; D. 乌 氨 酸 传递 氨基 及 羧基 的 循环 。 b-6-¢ (AMR) eo & C.-C (ZB) a seme em c-c ut s iene Pre (FRR) c—cC ——t (cx -十 上 友 二 酸 ) 图 5-12 三 羧 酸 循环 中 乙酰 基 受 体 一 一 草 酰 乙 酸 的 再 生 过 程 * 为 经 标记 的 丙 丁 酸 中 碳 原子 ， 有 框 碳 原子 为 即将 成 为 COz 的 羧基 。 178 ects 一 -一 上 一 一 © 乙酸 酸 途 径 es ar, RRC he -| NTP 《2 ) wmReRE 区 一 人 AIM Line OMe. cere | 1 | aera amt /一 ′ 一 -一 可 逆反 应 一 一 ATM 氨基酸 5-13 糖 类 的 代谢 总 图 第 二 和 酶 反应 的 控制 细胞 内 的 代谢 活动 是 由 无 数 个 酶 促 反 应 相 联 而 成 的 。 要 了 解 整个 代谢 的 控制 ， 首 先 需要 分 析 单 个 酶 反应 的 控制 。 任何 一 个 酶 反应 ， 基 本 上 包括 底 物 、 酶 和 产物 三 个 因 了 于 。 即 : ae ee 现 就 这 三 个 因子 分 别 说 明 控制 酶 反应 的 方式 。 2.1 底 物 供应 酶 反应 的 进行 需要 底 物 的 供应 。 若是 供应 来 自 细胞 之 外 ， WAT “HH” 5 MR” HK 系 ， 运 输 以 及 膜 的 透 性 等 问题 ; 若 在 细胞 内 ， 则 有 个 “代谢 库 ? 的 问题 。 2.2。1 底 物 的 “ 源 ” 与 “ 移 ” “ 源 ” 与 “ 移 ?” 分 别 是 生物 体内 物质 流 的 起 点 与 终 点 。“ 源 ”是 物质 的 制造 或 贮存 细胞 ， 是 底 物 的 供应 者 ; “ 完 ” 是 物质 的 吸收 和 转化 细胞 ， 是 底 物 的 消耗 者 。 例 如 ， 在 高 等 植物 体内 ， 供 应 葡萄 糖 底 物 的 “ 源 ” 是 叶子 的 绿色 同化 组 织 细胞 或 块 蕉 等 贮存 组 织 细 胞 ， 而 消耗 葡萄 糖 的 “ 移 ?”， 则 是 生长 中 的 幼 芽 或 发 育 中 的 种 子 等 。 {Axe “HR” 5 YR” 的 关系 并 非 固 定 ， 它 随 着 生物 体 生 理 条 件 的 改变 而 发 生变 化 ， 以 致 本 179 ey “He” WRT MEN “RM” , MICA “SR” MRI SAS “HR”. HIM, MK PAR 2B Om” 而 不 是 “ 源 ”， 萌发 中 的 种 子 胚 乳 细胞 是 “ 源 ” ， 以 有 机 物 供应 幼苗 生长 这 个 Gm” 。 (图 5-14 ) 2.1.2 物质 运输 近 上 距离 的 细胞 靠 扩散 作用 而 传递 物质 ， 远 距离 的 依靠 生物 体内 的 输 导 系统 ， 如 高 等 植物 的 馆 管 和 导管 ， 动 物 的 体液 循环 。 植 物 的 有 机 物质 主要 在 第 (本 ) 一 人 ( 色 ) 管 的 细胞 质 内 运输 ， 运 输 的 形式 主要 是 蔗糖 ， 也 有 单 糖 、 三 糖 、 四 糖 和 有 机 酸 。 氨 基 酸 是 含 所 有 机 物 的 主要 运输 形 ”图 5-14 在 细胞 间 物 质 供应 的 式 。 有 机 物 在 韧 皮 部 中 运输 的 速度 是 相当 快 的 ， 一 般 要 比 an” 和 塞 ” 扩散 作用 快 2~…4 万 倍 。 在 运输 过 程 中 需要 消耗 能 量 。 动物 体 的 体液 中 常 党 有 各 种 细胞 所 需要 的 营养 物质 。 游 离 葡 萄 糖 和 氨基 酸 溶 于 血浆 中 ; 血 浆 中 有 的 蛋白 质 能 特异 地 结合 某 些 物质 进行 运输 ,如 脂 蛋白 能 携带 游离 脂肪 酸 , 运 铁 蛋 白 能 传 递 铁 ， 运 铀 蛋白 能 传递 铜 。 在 节肢 动物 、 环 节 动 物 和 软体 动物 的 体液 中 有 游离 的 血红 蛋白 、 血 绿 蛋白 以 及 血 蓝 蛋 白 ， 高 等 动物 的 红血球 中 有 血红 蛋白 ， 它 们 都 起 着 传递 分 子 氧 的 作用 。 2.1。3 ， 膜 的 透 性 ” 膜 对 各 种 物质 有 不 同 的 透 性 。 各 种 物质 依靠 不 同 的 机 构 ， 经 过 膜 而 运输 ， 进 入 细胞 内 。 膜 的 透 性 对 调节 酶 的 作用 有 重要 意义 。 例 如 ， 当 葡萄 糖 进 入 细胞 内 参加 酵 解 过 程 时 ， 首 先 形成 磷酸 化 的 分 子 ， 并 以 磷酸 化 分 子 的 方式 进行 各 步 反 应 。 由 于 胞 质 膜 和 线粒体 膜 都 不 能 透 过 磷酸 化 的 分 子 ， 因 而 保证 了 它们 局 限 在 细胞 质 的 胞 浆 内 受 各 个 酵 解 有 关 酶 的 催化 。 当 某 种 代谢 物质 不 能 透 过 膜 时 ， 这 种 物质 经 过 一 定 途径 变 成 另 一 种 能 透 过 膜 的 物质 而 运 输 ， 然 后 再 行 复原 。 例 如 ， 糖 酵 解 时 产生 的 NADH 以 及 脂肪 代谢 时 生成 的 脂肪 酸 必 须 进 入 线粒体 才能 被 氧化 ， 但 是 线粒体 膜 却 都 不 让 通过 ， 于 是 需要 经 过 一 定 的 运输 机 制 ， 然 后 再 进 入 生物 氧化 过 程 。 详 细 情 况 见 后 面 有 关 细 胞 内 运输 部 分 。 2.1。4 RAE “在 酶 反应 时 ， 细胞 内 底 物 的 贮备 量 要 足够 大 ， 才能 维持 反应 不 断 进 行 ， 这 种 底 物 的 贮备 ， 就 称 为 代谢 库 。 例 如 ， 合 成 蛋白 质 需要 有 较 大 的 氨基 酸 库 ， 呼 吸 作用 时 需要 有 较 大 的 葡萄 糖 库 ， 两 者 都 需要 有 充足 数量 的 三 磷酸 核 苷 〈XTP ) 库 ， 以 保证 磷酸 化 的 条 件 。 因 此 ， 凡 是 暂时 贮存 而 又 易于 立即 动用 的 物质 分 子 数量 ， 称 之 为 “代谢 库 ” 。 这 是 它 不 同 于 贮存 物质 的 地 方 ， 因 为 贮存 的 有 机 物质 一 般 是 大 分 子 化 合 物 ; 如 淀粉 、 蛋 自 质 及 脂肪 等 ， 细 胞 不 能 直接 利用 ， 必 须 经 过 一 系列 降解 作用 才能 进入 反应 。 (图 5-15 ) 在 高 等 动物 体内 ， 糖 原 (动物 淀粉 ) 贮存 在 肝脏 细胞 内 ， 脂肪 贮存 在 脂肪 组 织 细胞 ae BERR eye 内 ,而 蛋白 质 则 主要 贮存 在 肌肉 细胞 内 。 当 代谢 时 ， 首 先 动用 糖 原 ， 糖 原 转变 成 葡萄 糖 进 入 血 [xT Pa | 液 循环 ， 供 应 给 需要 的 细胞 ， 糖 原 贮存 耗 尽 ， woe sg 风 动 用 脂肪 的 贮存 ， 成 为 游离 的 脂肪 酸 ， 最 后 Lyin lade 动用 肌肉 中 的 蛋白 质 ， 成 为 游离 的 氨基 酸 。 有 EIT 的 细胞 不 能 够 直接 利用 脂肪 酸 作为 代谢 底 物 ， 图 5 -15 “代谢 库 与 代谢 作用 的 影响 ”如 脑 细 胞 ， 则 需要 经 过 肝 细 胞 的 加 工 ， 使 脂肪 酸 成 为 酮 体 (乙酰 乙酸 、B- 羟 基 丁 酸 及 丙酮 等 )， 才 能 被 利用 ， 而 肌肉 细胞 则 能 直接 利用 脂 肪 酸 及 酮 体 。 从 这 里 就 可 以 看 出 : “ 源 ” 与 “ 乞 ”，“ 代 谢 库 ” 与 有 机 贮存 之 间 的 相互 关系 180 T. (图 5-16 ) CO:,+H:O CO,+H,0 5-16 在 代谢 底 物 供求 关系 中 的 “ 源 ” 与 “ 塞 ”，“ 代 谢 库 ” 与 有 机 贮存 之 间 的 转化 2-2 醇 的 状态 ”主要 表现 在 对 现存 酶 分 子 活力 的 调节 以 及 对 新 酶 分 子 合成 的 影响 。 WAR 为 激活 及 抑制 作用 ， 包 括 酶 原 转变 成 活性 酶 、 酶 亚 基 缔 合 状态 的 影响 等 。 后 者 称 为 诱导 及 阻 歇 作 用， 将 于 “细胞 的 遗传 ”中 详细 讨论 。 2.2"1 酶 原 的 激活 “很 多 酶 在 刚 合 成 时 无 活力 ， 被 称 为 酶 原 ， 后 来 因 一 个 或 多 个 特异 的 肽 键 断裂 而 激活 。 水 解 蛋 白质 的 消化 酶 都 是 以 酶 原形 式 合成 于 胃 和 胰 内 相应 的 腺 细胞 Hh, (# 5-1) 5-1 明和 胰 所 产生 的 酶 原 up 3 a 序 | 酶 原 a4 & &@ KH 胃 i AR HEAR Bi 胰 凝 乳 蛋白 酶 原 胰 凝 乳 蛋 白 酶 胰 膜 蛋白 酶 原 胰 蛋 白 酶 Bi 羧 肽 酶 原 KB Bi 弹性 蛋白 酶 原 弹性 蛋白 酶 胰 凝 乳 蛋白 酶 原 活化 为 酶 的 过 程 研究 较 多 ， 很 多 细节 已 经 清楚 。 众 所 周知 ， 该 酶 为 在 小 跌 中 水 解 蛋白 质 的 一 个 消化 酶 ， 酶 原 合成 于 胰 脏 的 腺 细胞 中 ， 从 内 质 网 运往 高 尔 基 体 ， 在 那 里 将 覆盖 上 由 蛋白 质 和 脂 类 组 成 的 膜 ， 积累 于 腺 细胞 的 项 部， 受 激 素 或 神经 冲动 信号 的 刺 WM, ABA iia, HATTIE. 胰 凝 乳 蛋 白 酶 原 是 由 245 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 一 条 多 肽 链 ， 分 子 中 有 五 个 二 硫 键 相交 联 。 当 精 15 APR 16 之 间 的 肽 键 被 胰 蛋 白 酶 等 分 解 时 ， 生 成 有 活性 的 酶 ， 即 x- 胰 凝 乳 蛋 白 酶 。 后 者 ，13-14 肽 键 断 裂 并 分 解 出 147-148 二 肽 ， 成 为 - 胰 凝 乳 蛋 白 酶 ， 结 构 Be. (图 5-17) 181 eee ar oy cat dae maa 丝 一 精 和 苏 — KB 14° 157 147 148 o-KRRLERB (活性 ) 亮 OF 栈 Fw Ag BSS Cét A5-17 RRARABRHAK 胰 凝 乳 蛋白 酶 原 分 子 中 15-16 肽 键 断 裂 ， 引起 酶 分 子 构象 发 生 重 大 变化 ， 组 57 、 天 冬 102 和 丝 195 靠 在 一 起 ， 形 成 “电荷 接力 ”中 心 ， 因 而 显示 催化 功能 。 胰 蛋 白 酶 原 的 活化 也 很 有 趣 ， 它 是 含有 223 个 氨基 酸 残 基 的 一 条 多 肽 链 ， 没有 催化 活 性 ， 因 为 它 的 特异 结合 部 位 被 盖 住 ， 无 法 与 底 物 结合 ， 但 当 被 切 去 开端 的 15 个 氨基 酸 后 ， 就 开始 起 催化 作用 。 在 第 一 批 被 活化 了 的 胰 蛋 白 酶 出 现 后 ， 它 可 以 回 过 头 来 活化 胰 蛋 白 酶 BR. 这 种 现象 称 为 自 活 化 过 程 ， 于 是 越 来 越 多 的 活性 胰 和 蛋白酶 分 子 就 产生 出 来 了 。 (A 5-18 ) 2°2° 2 酶 的 激活 剂 和 抑制 剂 ” 凡 是 能 提 高 酶 活力 的 简单 物质 〈 原 子 或 离子 ) 都 称 为 酶 的 激活 剂 。 辅 酶 虽然 也 可 以 说 是 一 种 激活 剂 ， 但 它 与 一 般 激 活 剂 有 以 下 的 区 别 : 〈1) 酶 对 激 活 剂 的 要 求 往往 是 非特 异性 的 ， 能 被 类 似 物 所 下 RS; 〈2) 激 活 剂 虽 能 提高 酶 的 活力 ， 但 在 没 有 激活 剂 时 酶 仍 能 表现 一 定 的 活力 ， 而 缺乏 畏 ” 酶 时 则 酶 完全 没有 活力 。 激 活 剂 很 多 是 金属 离 子 ， 如 Na Kt. Mg?*, Gare. TREE Cu2+、Fe2z+、Co2+ 及 Ni2+ 等 ， 如 锌 是 磷酸 图 5-18 胰 和 蛋白 酶 原 的 活化 过 程 二 酯 酶 的 激活 剂 。 阴 离子 的 激活 作用 比较 少见 ， 如 Cl" 对 au- 淀粉 酶 有 显著 激活 作用 。 激活 剂 为 何 能 够 提高 酶 的 活力 ?一 般 认 为 可 能 由 于 :激活 剂 与 酶 形成 了 活性 更 强 的 复合 物 (图 5-19 之 A) 提高 了 王 > 复合 物 的 分 解 速度 (A 15-19 之 B) ; 激活 剂 〈 特 别 是 某 些 金属 离子 ) 作为 纽带 ， 使 酶 与 底 物 密切 联系 起 来 ， 因而 底 物 更 容易 受 酶 的 作用 ， (图 5-19 ZC) ;激活 剂 先 与 底 物 结合 为 易 被 作用 的 复合 物 (图 5-19 之 D ) ; 激活 剂 与 酶 反应 产物 生成 某 种 复合 物 ， 使 产物 易于 从 反应 平衡 中 移 去 ， 从 而 加 速 反 应 的 进行 (图 5-19 2E). 凡 能 使 酶 蛋白 中 必须 基 困 〔〈 活 性 部 位 功能 团 以 及 维持 活性 酶 构象 的 功能 团 ) 引起 化 学 改 变 ， 导 致 酶 活性 降低 或 丧失 的 分 子 FRET) 称 为 酶 的 抑制 剂 。 有 些 抑制 剂 的 作用 可 借 加 入 其 它 物 质 或 用 某 种 方法 消除 而 使 酶 活性 恢复 。 例 如 ， 抗 坏 血 酸 对 于 酵母 蔗糖 酶 有 强烈 的 抑制 作用 , 当 加 入 半 胱 氮 酸 后 ,这 种 抑制 即 完全 消失 。 这 种 抑制 叫做 可 逆 性 抑制 。 反 之 ， 酶 被 182 ee e ww wee， . Previa GRRL, ROR TMH, Bl . aes fH xerRaKewMMRRAHAR +O (CY 化 物 对 黄 味 叭 酶 的 作用 等 。 可 逆 抑 制剂 又 可 分 为 竞争 性 抑制 剂 与 非 竞 争 性 抑制 剂 。 竞 争 性 抑制 剂 主要 是 一 些 底 物 的 8 Taree 类 似 物 ， 经 典 的 例子 是 两 二 酸 和 其 它 二 次 酸 对 珑 珀 酸 脱 氢 酶 的 抑制 作用 。 琥 珀 酸 脱 氢 酶 的 正 a J DESIR, WE OR LS EE “C20 —C 油 中 每 个 亚 甲 基 上 各 被 移 去 一 个 氨 原 子 。 加 入 丙 二 酸 等 底 物 类 似 物 时 ， 开 珀 酸 脱 氢 反 应 减 慢 ， | SMR, IRATE. Bem 2 O(_) 二 ‘C)—C ais We VBI) RUE FARA 相对 浓度 ， TARR TAAL HR 度 。 这 就 表明 底 物 和 竞争 性 抑制 剂 竞 相 与 酶 的 ‘(Ro @: & 同一 部 位 结合 。 因 而 推测 在 琥珀 酸 脱 氢 酶 的 活 性 部 位 有 两 个 以 一 定 距 离间 隔 的 正 电 荷 基 团 ， 图 5-19 激活 剂 的 作用 机 制 能 够 作用 于 底 物 的 两 个 带 负 电荷 的 羧基 。 当 有 大 图 表示 酶 ， 中 园 表 示 底 物 〈 斜 线 表 示 产 物 ) ; 小 适当 受 氢 体 存在 时 ， 底 物 即 能 脱氧。 竞争 性 抑 。 图 表示 激活 剂 制剂 丙 二 酸 等 因 分子 结 构 与 底 物 相似 ， 也 能 与 酶 的 活性 部 位 结合 ， 但 不 能 或 不 易 脱氧 ， 这 些 化 合 物 阻塞 了 酶 的 活性 部 位 ， 所 以 抑制 正常 反应 的 催化 作用 。 非 竞 争 性 抑制 与 竞争 性 抑制 不 同 ， 它 不 受 底 牺 浓度 的 影响 ， 而 决定 于 酶 浓度 、 抑 制剂 浓 度 和 K，( 酶 -抑制 剂 复 合 物 的 解 离 常数 ) 的 大 小 。 抑制 剂 可 以 和 游离 酶 结合 ， 也 可 以 和 ES 复合 物 结合 : E+I1=~ El ES + 1=~— ESI El fl ESI MBAR EN. FRSEMNASMHASTUEERRMHAARiL, 也 可 以 在 其 它 部 位 上 引起 酶 构象 的 改变 ， 因 而 使 酶 失去 催化 能 力 。 非 竞争 性 抑制 反应 典型 例子 是 基 试剂 对 某 些 酶 的 可 逆 结 合 。 半 胰 氨 酸 残 基 的 > 互 基 是 脲酶 、ATE 酶 、 转 氨 酶 等 活性 所 必需 的 。 重金 属 离子 (Cu’*, He?*MAg*) RELA Shem) SH 基 生 成 硫 醇 盐 ， 并 建立 化 学 平衡 : E-SH+ Ag 一 一己 -S-Ag+H+ 所 产生 的 E-S-Ag 等 酶 的 硫 醇 盐 衍 生物 是 无 活性 的 ， 因 此 ， 酶 被 抑制 。 AY, 某 些 需要 金属 离子 活化 的 酶 ， 可 以 被 能 够 结合 这 些 必要 的 金属 离子 的 试剂 非 竞 He Hy 争 性 地 抑制 。 例 如 ， 和 氰 化 物 、 硫 化 氢 、 一 氧化 碳 等 均 能 和 铁 “OOCCH: 六 习 CHsco0- 路 啉 酶 类 的 铁 结合 成 稳定 的 络 合 物 ， 从 而 使 这 些 酶 失去 活 Ho“. cu, te. Rin, MAH EDTA fe wy Beis Me** 和 其 它 二 价 gett to tty | 阳 离子 ， 因而 抑制 了 需要 这 些 离子 呈现 活性 的 酶 “图 5-20 ~21) 。 图 5-20 EDTA 的 Mg2+ 束 合 物 183 2.2。3 酶 的 失 活 作用 “对 蛋白 水 解 酶 类 ， 有 一 种 蛋白 质 分 子 的 抑制 剂 ， 称 为 抗 酶 或 抑 酶 。 它 们 与 酶 有 类 似 处 ， 其 作用 有 特异 性 ， 即 对 某 些 蛋白 质 水 解 酶 类 起 抑制 作用 ， 并 有 类 似 酶 活性 部 位 的 反应 部 位 ， 它 依靠 这 里 氨基 酸 残 基 与 酶 起 作用 。 如 大 豆 种 子 中 的 一 种 抗 胰 蛋白 酶 为 181 个 氨基 酸 组 成 的 蛋白 质 分 子 ， 反 应 部 位 有 精 氨 酸 ， 它 与 胰 蛋 白 酶 活性 部 位 锡 丝 氨 酸 起 反应 而 使 酶 失掉 活性 。 豆 科 、 麦 类 种 子 以 及 马铃薯 块茎 中 都 含有 抗 胰 和 蛋白 酶 、 抗 胰 凝 乳 蛋白 酶 等 抑 酶 ， 它 们 在 种 子 休眠 时 保存 蛋白 质 贮 备 而 不 使 降解 ， 并 防御 害虫 或 病菌 的 侵犯 。 动物 的 胰腺 可 分 泌 胰 蛋白 酶 的 抑 酶 ， 以 防止 胰 和 蛋白 酶 原 在 肠 道 之 外 的 活化 及 发 生 有 害 的 消化 作用 ， 当 此 抑 酶 量 不 足 针 ， 会 生 胰 腺 炎 等 疾病 。 母 体 初 乳 中 的 蛋白 抑 酶 ， 能 防止 幼 罗 消 化 道中 的 酶 破坏 由 母体 哺乳 时 供给 幼儿 的 免疫 球 蛋 白 ? 精液 中 的 蛋白 抑 酶 能 保护 精子 免 受 吞 鸣 细 胞 的 攻击 ， 并 限制 精子 顶 体 酶 〈 一 种 蛋白 水 解 酶 ) 的 过 早 失效 ， 便 于 留待 精子 PRED Rex bet fet 1 5-21 “竞争 性 与 非 竞争 性 抑制 作用 的 比较 与 卵 接触 时 发 挥 作用 ， 血液 中 的 抑 酶 能 调节 凝血 、 溶 血 以 及 A， 非 竞争 性 抑制 ，B。 竞 争 性 抑制 。 免疫 反应 的 水 平 ， 因为 凝血 、 溶血 以 及 许多 免疫 反应 如 吞 ” 纵 座 标 为 反应 速度 ， Rew! RMR 噬 、 补 体 、 炎 症 等 都 有 蛋白 酶 参加 。( 图 5-22 ) 另外 还 有 一 种 能 使 某 一 种 酶 失去 活性 的 酶 ， 称 为 失 活 作用 酶 。 它 主要 能 根据 酶 的 辅酶 不 同 而 特 录 性 地 作用 于 某 一 类 酶 。 例 如 ， 以 核 黄 素 为 辅酶 的 酶 类 、 以 辅酶 I (NAD ) 为 辅酶 的 酶 类 以 及 以 吡 哆 醇 类 为 辅酶 的 酶 类 ， 它 们 都 各 有 专门 的 失 活 作用 酶 。 当 这 些 酶 在 具备 辅酶 时 不 易 被 失 活 ， 而 当 动 物 因 维生素 缺乏 而 丧失 其 应 有 的 辅酶 时 ， 这 些 酶 就 会 被 它 特异 的 失 活 作用 酶 所 攻击 ， 切 去 其 应 带 辅酶 处 的 一 小 段 肽 链 而 失 活 ， 并 且 接 着 由 普通 的 蛋白 水 解 酶 进 一 步 降解 成 氨基 酸 。 (图 5-23 ) 5-22 抑 酶 对 蛋白 水 解 酶 的 抑制 及 失 活 作用 A。 活 性 酶 起 正常 的 催化 反应 : B。 酶 受 抑 酶 作用 而 改变 其 活性 部 位 的 性 能 ， 因而 不 能 与 底 物 结合 而 发 生 反应 。 184 XADH mie | NADH wi 图 5-23 基 团 特异 性 失 活 作 用 酶 的 作用 原理 根据 同位 素 示 踪 方法 测 知 ， 各 种 酶 分 子 在 细胞 内 以 一 定 的 速度 被 分 解 ， 同 时 又 以 一 定 的 ”速度 被 合成 。 一 半 酶 分 子 被 更 新 的 时 间 ， 称 为 该 酶 的 半衰期。 细胞 内 各 种 酶 的 浓度 ， 就 是 由 它 的 降解 速度 和 它 的 合成 速度 所 决定 的 。 由 于 各 种 细胞 内 不 同 酶 分 子 的 周转 率 不 同 ， 就 造成 了 不 同 的 酶 浓度 ， 以 适应 细胞 的 不 同 生理 需要 。 一 般 说 来 ， 凡 是 对 控制 某 种 物质 的 代谢 速度 有 关 的 酶 ， 半 衰 期 较 短 ， 表 明细 胞 很 容易 通过 改变 此 酶 的 数量 来 控制 代谢 过 程 ; 反之 ， 对 控 制 代谢 速度 不 太 重 要 的 酶 ， 则 半衰期 较 长 ;而 大 多 数 酶 的 半衰期 在 2 一 3 天 左右 。( 表 5-2 ) 表 5-2 KBP Ae ae ae TA 酶 * = RW CA 村 她 5 ARRAS s-AZCRARA RB 032 RNA #48 [ ie a1.3 0,33~1,1 Bi SAR He SG 2,0 5 5 Rt % AB BK ve 葡萄 糖 激酶 RNA R48 I 3- BRR EY th RE Bi 2.5 4,0 4.3 12,0 oo Co co | for) oOo. ~ wo Ss mw . . 站 . . . . . 由 12,0 ry o . 15,0 20294 MEN ”有些 酶 有 两 种 存在 状态 ， 一 种 为 活化 状态 〈 了 R) ， 另 一 种 为 非 活化 RS (T) ， 两 种 状态 在 一 定 条 件 下 可 以 互相 转化 。 转化 的 条 件 :， 有 的 是 依靠 某 些 酶 或 有 机 分 子 使 酶 分 子 结构 产生 改变 ， 这 种 现象 称 为 酶 的 变 构 现 象 ， 具 有 变 构 作用 的 酶 ， 称 为 变 构 酶 〈 或 调节 酶 ; 。 变 构 现象 在 多 亚 基 酶 中 较为 普遍 〈 见 下 节 ) ， 单 体 酶 也 有 变 构 现 象 。 如 下 图 所 示 ， 一 个 含有 分 别 与 底 物 、 抑制 剂 和 激活 剂 结合 部 位 的 酶 ，T 态 时 容易 与 抑制 剂 结合 而 不 易 与 确 物 或 激活 剂 结合 ， 人 态 时 容易 与 激活 剂 和 底 物 结合 而 与 抑制 剂 结合 困难 。 酶 状态 185 的 转变 就 象 “ 开 ”与 “ 关 ” 那 样 对 变化 了 的 情况 作出 反映 。 当 细胞 内 抑制 剂 物质 浓度 高 时 ， 它们 被 结合 在 工 态 的 酶 上 ， 当 抑 制剂 浓度 足够 高 ， 实际 上 所 有 的 酶 都 处 于 工 态 ， 该 酶 活性 几乎 全 部 被 “关闭 ”。 相 反 地 ， 存 在 高 浓度 激活 剂 时 ， 由 于 激活 剂 固定 在 了 型 上 ， 酶 活性 被 “7 Fr”.. CH 5-24) 图 5-24 酶 的 两 种 状态 变 构 酶 的 活化 剂 和 抑制 剂 分 别称 为 正 与 负 效 应 子 GT) 。 只 有 一 个 效应 子 的 变 构 酶 是 单价 的 ， 具 有 两 个 或 两 个 以 上 效应 子 的 是 多 价 的 变 构 酶 。 变 构 酶 通常 为 多 酶 催化 反应 中 的 第 一 个 酶 或 反应 途径 中 分 支点 上 的 酶 。 在 细胞 内 ， 变 构 酶 催化 的 反应 往往 是 不 可 逆 的 。 变 构 酶 可 分 为 三 种 主要 类 型 同位、 异 位 、 同 位 - 异 位 。 同位 变 构 酶 中 ， 底 物 分子 既 作 为 底 物 ， 也 作为 调节 物 ， 酶 的 催化 活性 随 底 物 浓度 而 增加 。 异 位 变 构 酶 则 被 一 个 特异 的 天 然 调节 物 〈 不 同 于 底 物 的 分 子 ) 促进 或 抑制 。 同 位 - 异 位 变 构 酶 中 , 底 物 是 该 酶 的 两 个 或 多 个 调 节 物 中 的 一 个 。 同位 变 构 酶 被 认为 对 底 物 含有 两 个 或 多 个 结合 部 位 ， 其 中 至 少 有 一 个 部 位 具 有 催化 作 As 有 蜡 位 变 构 酶 对 底 物 不 但 有 一 个 结合 〈 或 催化 ) 部 位 ， 而 且 还 有 着 一 个 在 物理 学 上 与 众 化 部 位 相 分 开 的 第 二 个 部 位 ， 后 者 可 结合 调节 物 分子 。 还 有 些 酶 的 变 构 作 用 比较 特殊 ， 如 蛋白 激酶 ， 它 能 起 激活 其 它 酶 的 作用 ， 但 它 自 己 需要 由 3’, 5’ PARE CcAMP) 来 活化 。 当 cAMP 与 它 的 调节 亚 基 结合 时 ， 催 化 亚 基 就 和 调节 亚 基 分 开 ， 这 时 ， 催 化 亚 基 脱离 了 调节 亚 基 的 抑制 作用 ， 开 始 表现 酶 活性 。 此 外 ， 通 过 对 酶 的 化 学 修饰 作用 ， 也 可 以 调节 酶 的 活性 状态 。 这 种 化 学 修饰 作用 ， 并 不 发 生 酶 蛋白 分 子 的 肽 链 断 裂 ， 而 只 是 对 其 某 些 基 团 发 生 一 定 的 化 学 变化 ， 有 时 甚至 不 形成 共 价 键 ， 而 只 有 配 价 键 的 连接 ， 因 而 这 种 变化 往往 是 可 逆 的 。 例 如， eT RN SARE-R 酸 核糖 焦 磷酸 转 氨 基 酶 分 子 内 的 Fe** 如 果 被 氧化 ， 则 酶 失 活 ， 被 还 原 后 即 又 “复活 ”;， A 的 酶 在 结合 一 个 磷酸 基 团 而 磷酸 化 时 成 为 活化 状态 ， 如 肝 细 胞 的 蛋白 激酶 、 磷 酸化 酶 激酶 及 葡萄 糖 磷酸 化 酶 等 ， 但 有 的 酶 在 磷酸 化 时 失 活 ， 而 待 磷酸 酶 除去 它 分 子 上 的 磷酸 基 团 后 才 重 现 活性 ， 如 肝 细胞 的 糖 原 合 成 酶 和 红色 链 抱 霉 的 丙酮 酸 脱 氢 酶 ; ARH CARA me 酶 ， 它 的 一 个 特定 的 酷 氨 酸 残 基 的 酚 羟 基 上 ， 如 果 受 酶 催化 而 接 上 一 个 AMBE 时 ， 酶 就 失 活 ， 而 使 谷 氨 酰 胺 合成 酶 腺 苷 化 的 酶 本 身 又 可 以 因 发 生 尿 苷 化 而 失 活 ， 它 们 都 必须 依靠 磷酸 酶 将 其 核 苷 酯 键 打 断 ， 才 能 成 为 活化 酶 ， 球状 红色 极 毛 杆菌 柠檬 酸 裂 解 酶 的 一 个 琉 基 上 ， 必 须 连 接 一 个 乙酰 基 才 能 显示 活性 ， 而 当 此 酶 在 无 氧 条 件 下 照 光 时 ， 此 酶 因为 失去 乙酰 基 而 失 186 活 ! FFP EEE FF Bt RAY AL BE A, CANS RE BE A RE ay ah PG BH TTD BH 失 活 。 (图 5-25 ) 图 5-25 动物 肝 细胞 内 糖 原 代 谢 酶 系统 各 酶 的 活性 与 磷酸 化 的 关系 2.3 ”产物 的 反馈 产物 对 酶 促 反 应 的 反作用 ， 称 为 反馈 作用 。 反 应 产物 促进 酶 促 反应 的 叫 正 反馈 作用 ， 这 种 情况 极 少 ， 反 应 产物 抑制 酶 促 反应 的 叫 负 反 馈 作 用 ， 实 例 很 多 。 前 者 如 1，6- 二 磷酸 果糖 对 磷酸 果糖 激酶 的 促进 作用 ， 后 者 如 6- 磷酸 葡萄 糖 对 已 糖 激 酶 的 抑制 作用 。 常 称 为 反馈 抑制 作用 。 tA Hi, 多 酶 系统 的 负 反 一 般 代 谢 过 程 往 往 需要 通过 多 种 酶 的 联合 作用 才能 实 现 ， 反 应 的 最 终 产 物 或 中 间 步 骤 的 反应 产物 常 对 催化 前 面 反应 步骤 的 酶 产生 抑制 作用 。 万 馈 抑制 对 维持 细胞 的 正常 代谢 ， 经 济 地 利用 代谢 原料 都 是 十 分 重要 的 。 细胞 内 反馈 抑制 方式 较 多 ， 可 分 为 下 列 数 种 类 型 ; 2"3。1 反应 顺序 中 无 分 支 ， 通常 ， 应 ， 通 式 : 被 Z 抑制 反应 最 终 产物 (2Z) 抑制 第 一 步 《A->B) 反 A 一 | | —> B—> 一 一 > D———> E —> Z 例如 ， 大 肠 杆菌 中 由 苏 氨 酸 合成 异 亮 氨 酸 时 ， 蜡 亮 氨 酸 为 第 一 步 反 应 中 苏 氨 酸 脱 氨基 酶 的 抑 制剂 : | NHs* | O Hc-co0-.. +. c—Cop- pee heal lant ts ois J IB a-MTR ——_—— ee ee ee ey 不 论 是 了 还 是 Z ， 含 量 高 时 ， 都 能 完全 抑制 第 一 个 公共 的 步骤 〈A- 一 >B) 。 因 此 ，Y 的 高 含量 将 阻止 Z 的 合成 ， 即 使 在 完全 没有 2 的 情况 下 ， 2 的 生成 仍然 受阻 ， 只 有 当 Y RE 下 降 后 ， 才 能 开始 Z 的 产生 而 2 的 浓度 较 高 时 ， 则 又 抑制 工 的 。 分 支 代谢 途径 的 反馈 控制 有 :， 顺 次 、 多 重 、 协 作 和 累积 等 方式 。 2.3。2 .1 酶 的 顺 次 反馈 控制 :第 一 个 公共 步骤 (A—>B) 并 不 直接 被 和 2 所 抑 制 ， 最 终 产 物 Y 和 2Z 分 别 抑制 分 支点 后 的 反应 步骤 C 了 和 C-~ 了 下 ， 引 起 了 C 的 积累 ， 而 高 浓度 C 的 反馈 作用 抑制 了 A-~>B。 因 此 ， 只 有 当 两 个 最 终 产 物 都 过 剩 时 ， 第 一 个 公共 步骤 才 会 受阻 : 三 一 一 一 一 一 一 一 一 村 -— D——FE VY Y (2) (1) 上 < 一 下 一 一 e G ——~ 7 光 | 站 4 注 ， 式 中 (1) 被 C 抑制 (DHRYMHM, (RZ 抑制 。 顺 次 反馈 控制 见于 枯草 杆菌 的 芳香 族 侧 链 氨 基 酸 生物 合成 中 。 AA, 酷 和 色 氨 酸 等 的 合成 酶 系统 都 能 被 相应 的 最 终 产物 抑制 。 如 果 三 种 芳香 氨基 酸 都 过 量 ， 分 支 酸 和 预 葵 酸 积 累 。 这 些 分 支点 的 中 间 产 物 本 身 又 抑制 了 整个 反应 中 的 第 一 个 公共 步骤 一 一 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 与 4- 磷酸 赤 殉 糖 的 缩合 作用 〈 详 见 下 章 ) 。 2.3。2。2 酶 的 多 重 反馈 抑制 ， 该 方式 的 特点 是 : B-TORDR (A>B) RH 不 同 的 酶 催化 ， 一 个 酶 被 Y 抑制 ， 另 一 个 被 Z 抑制。 这样， 工 和 2 必须 同时 以 高 浓度 存在 才能 完全 阻止 A 转变 为 B 。 另 外 两 个 控制 点 CC>D, CHF) 分 别 受 工 或 2 的 抑制 ， Cr — eee ee ee ee es ee ee ee | als 1 1 ! t y 1 : a8) (3) I pH D——+ E——_ + y Lj, L}—+F Care 4 注 : 式 中 (1)(3) 被 抑制 ，(2)(4) 被 Z 抑制 。 例如 : 大肠 杆菌 中 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 和 4- RR AERA TA I BY Be 催化 的 。 一 个 受 葵 丙 氨 酸 抑 制 ， 另 一 个 受 酷 氨 酸 抑制 ， 第 三 个 受 色 氨 酸 抑制 。 分 支 酸 转变 为 预 苯 酸 有 两 个 不 同 的 酶 催化 ， 分 别 被 苯 丙 氨 酸 和 了 酷 氨 酸 所 抑制 〈 见 下 章 ) 。 2.3。2。3 协作 反馈 控制 只 有 当 工 和 2 的 浓度 都 高 时 ， 第 一 个 公共 步骤 (A>B) 才 直 接 被 抑制 。 分 支点 后 的 抑制 如 下 : 188 注 ， 式 中 (1) 被 (YY+Z ) Mads ORY 抑制; (3) 被 Z 抑制 。 例如 天 冬 氮 酰 激酶 被 最 终 产 物 苏 氨 酸 和 赖 氨 酸 协作 反馈 抑制 。 2.3。2。4 累积 反馈 控制 ; 第 一 个 公共 步骤 〈A-~>B) 部 分 地 被 各 个 最 终 产物 抑制 。 每 个 最 终 产 物 的 作用 是 独立 发 挥 的 。 假 定 : PR PREERY Y (Hf AB 速度 从 100% 降低 至 60%， 高 浓度 的 Z 使 A—B 速度 从 100%6 降低 至 40% ， 则 同时 存在 高 浓度 的 A 和 B 时 ，A-~~B 速 度 为 24%6 〈0.6x0.4x100%6 ) 。 大 肠 杆 菌 谷 氨 酰胺 合成 酶 活性 的 调节 是 累积 反馈 抑制 作用 的 一 个 突出 的 例子 。 谷 氨 酰 胺 HEAR. NH, 和 ATE 合 成 〈 见 下 章 ) 。 谷 氨 酰 胺 的 酰胺 基 是 色 氮 酸 、 组 氨 酸 、 AA 酰基 础 酸 、6- 磷酸 葡萄 糖 胺 、 CTP 和 AMP 等 化 合 物 生 物 合成 过 程 中 的 氮 源 。 谷 氨 栈 胺 合 成 酶 被 谷 氨 酰 胺 代谢 的 每 个 最 终 产物 以 及 丙 氨 酸 和 甘氨酸 所 累积 抑制 。 酶 对 这 些 抑 制剂 中 的 每 一 个 均 有 特异 的 结合 部 位 。 当 八 个 最 终 产物 全 部 与 酶 结合 时 ， 谷 氢 酰 胺 合成 酶 的 酶 促 活 性 Sm “XA”. Sop HSM AZAN KA 细胞 中 的 酶 参与 代谢 活动 时 并 非 彼此 无 关 ， 而 是 相互 协调 、 共 同 合作 ， 前 后 搭配 ， 有 条 不 率 地 发 生 作用 的 。 3.1 ZEB 有 很 多 酶 ， 并 不 是 由 一 条 多 肽 链 ， 而 是 由 几 条 多 肽 链 组 成 ， 这 些 酶 分 子 中 的 每 条 多 肽 链 就 成 为 酶 分 子 的 亚 基 。 组 成 一 个 酶 分 子 的 亚 基 可 以 是 完全 相同 的 或 基本 相同 的 ， 也 可 以 是 完 全 不 同 的 。 如 活性 强 的 糖 原 磷 酸化 酶 由 4 个 相同 的 亚 基 组 成 ， 亚 基 分 子 量 为 92,000， 每 个 亚 基 上 有 单 体 之 间 相互 结合 的 聚集 部 位 、 化 学 修饰 部 位 〈 磷 酸 基 团 与 这 里 的 丝氨酸 残 基 结合 ) 、 辅 基 (5- 磷酸 吡 哆 醛 ) 结合 位 、 调 节 〈《AMP 结 合 ) 部 位 以 及 底 物 CHR. BER) 结合 和 产物 生成 部 位 〈 即 催化 活性 部 位 )。( 图 5-26 ) 磷酸 化 酶 也 有 变 构 现象 , 它 在 细胞 中 以 两 种 形式 存 在 ， 即 有 活性 的 磷酸 化 酶 a 和 无 活性 的 磷酸 化 酶 b 。 磷 酸化 酶 a 主要 以 四 体 状 态 存在 ， 磷 酸化 酶 Dm, 酸化 酶 b 每 个 亚 基 上 特异 的 丝氨酸 残 基础 酸化 就 转变 为 图 5-26 磷酸 化 酶 单 体 上 的 磷酸 化 酶 a , HEAL TAR PAY A — RP EY BS, BBE RAL, 各 种 结合 部 位 189， 酶 激酶 。 糖 原 磷酸 化 酶 除 活性 部 位 外 ,还 有 一 个 调节 部 位 。 无 活性 的 磷酸 化 酶 b Se dae PE FA 1 酸化 时 ， 或 在 调节 部 位 上 接受 一 个 AMP 时 ， 都 会 发 生变 构 作 用 ， 成 为 有 活性 的 酶 。 AMP 为 该 酶 的 变 构 正 效应 子 ， ATP 在 同一 部 位 与 酶 结合 ， 为 酶 的 变 构 负 效 应 子 。 磷酸 化 酶 脱 磷酸 酶 与 激酶 的 作用 相反 ， 能 使 结合 在 丝氨酸 残 基 上 的 磷酸 脱落 ， 因 而 磷酸 化 酶 由 a 型 重新 变 为 b 型 。 (图 5-27 ) AMP( 有 活性 OTROS ree) 图 5-27 PRL a 及 b 的 转化 过 程 和 变 构 现象 LABMLBUM, 2HRRLGRARM, 3 HRLRRKHAABs 4 为 活性 部 位 ;5 为 调节 部 位 。 实际 上 ， 糖 原 磷 酸化 酶 的 变 构 现象 ， 不 但 反映 在 一 级 至 三 级 结构 的 变化 ， 而 且 还 表现 为 它 的 四 级 结构 变化 。 这 个 酶 的 b 型 是 由 两 个 相同 的 亚 基 所 组 成 ， 当 它 磷 酸化 而 成 为 a 型 时 ， 则 变 成 由 四 个 亚 基 所 组 成 的 分 子 了 (图 5-28 ) : 2 FER EBL Re bb + 4ATP —> P- 糖 原 磷酸 化 酶 a + 4ADP . 脱 磷酸 酶 0 HI ” 一 Bers LL G6P G6P au bau | AMP G1P G'P Er 本 图 5-28 ”磷酸 化 酶 复合 体 的 结构 及 变 构 模 型 “圆圈 ”表示 无 活性 型 ，“ 方 框 ” 表 示 有 活性 型 ，“ 和 白色” 表示 未 磷酸 化 ， “黑色 ”表示 已 磷酸 化 。 RAABA PREM CATCH) 催化 天 冬 氮 酸 和 氨 甲 醋 磷 酸 反应 而 生成 N= 氨 甲 栈 天 冬 氨 酸 ， 后 者 经 多 步 反 应 产生 终 产物 三 磷酸 胞 苷 ( CTP )。 该 酶 也 是 变 构 酶 ， 由 两 种 不 同 的 亚 基 所 组 成 。 ATC 酶 沉降 系数 为 11.63 ， 两 种 亚 基 分 别 为 2.8S 和 5.8S 。 大 亚 基 为 催 化 亚 基 ， 具 有 催化 活性 ， 单 独 存在 时 并 不 受 该 酶 调节 物 ATP 和 CTP 影响 。 小 亚 基 为 调节 亚 基 ， 没 有 催化 活性 ， 但 具有 对 CTPMATP 特异 的 结合 部 位 。 催化 亚 基 由 三 条 多 肽 链 组 je AEA FB 35,000 ) ， 调 节 亚 基 由 两 条 多 肽 链 组 成 《〈 每 条 分 子 量 17,000) 。 190 当 混 合 两 种 亚 基 时 ， 它 们 之 间 能 自行 迅速 结合 ， 产 生 的 复合 物 具 有 与 天 然 酶 同样 的 结构 和 变 构 特 性 ; 3R2 + 2Cs —— ReCe X 射线 结晶 衍射 研究 〈5.5A 分 辨 率 ) 表明 两 个 催化 三 tk (Co) 分 别 在 酶 的 上 面 和 下 面 ， 三 个 调节 双 体 在 中 间 。 酶 分 子 的 特点 是 它 含 有 一 个 大 的 水 腔 ( 一 2.5x5.0x 5.0 毫 微米 ) 与 6 个 直径 1.5 毫 微米 的 模 沟 相通 ， 酶 的 活性 部 位 在 腔 里 。 (图 5-29 ) 当 CTP 浓度 增高 时 ， 该 酶 对 天 冬 氨 酸 亲和力 降低 ， 这 时 如 加 入 ATP, 可 减弱 CTP 的 影响 。 CTP 为 该 酶 的 负 效 应 子 ， 而 ATP 虽然 不 是 正 效应 子 ， 但 它 与 调节 亚 基 结 合 后 能 阻止 CTP 与 MHS. ATC 酶 每 个 调节 亚 基 有 两 种 存在 状态 ， 一 为 非 抑制 态 ，CTP 的 结合 部 位 未 被 结合 GRE ATP 结合 ) ; 一 为 抑制 态 ; 结合 部 位 被 CTP 充填 。 催 化 亚 基 同 桩 也 有 两 种 存在 状态 一 个 有 活性 而 b 另 一 个 没有 活性 。 在 完整 的 ATC 酶 分 子 中 ， 调 节 亚 基 结合 一 分 子 各 让 于 CTP 后 酶 就 被 “固定 ”在 抑制 态 中 ， 然后 通过 物理 方式 把 抑制 效 baa dai: 应 传导 给 一 个 相 邻 的 催化 亚 基 ， 使 之 “固定 ”在 失 活 状 态 。 加 入 对 RU BREA RTRABURLAMN BNA, KER RAEN 种 亚 基 解 离 ， 酶 就 对 它 的 变 构 调节 物 “ 脱 敏 ” ， 表 现 出 酶 的 全 部 活 图 5-29 ATC 酶 示意 图 性 。 上 面 与 下 面 为 催化 部 分 ， 各 对 不 同 来 源 的 ATC 酶 作 了 比较 , 发 现 调节 的 方式 是 相似 的 ,但 由 三 个 亚 基 组 成 ， 中 间 为 调 细节 上 不 完全 相同 。 例 如 ， 大 肠 杆 菌 和 产 气 气 杆菌 中 负 效 应 子 是 PF ANTE EAR. CTP; 荧光 杆菌 中 ， 主 要 的 负 效 应 子 是 UTP ; 一 些 高 等 植物 中 为 UMP 。 另 外 ， 在 某 些 生物 中 〈 如 B 枯草 杆菌 ) ， ATC 酶 不 被 上 述 化 合 物 抑 制 ， 因此 可 能 该 酶 缺乏 调节 亚 基 。 有 些 酶 由 不 同 的 亚 基 所 组 成 , 因而 彼此 间 某 些 物 理化 学 特性 有 差别 ,但 是 它们 的 催化 活性 却 是 相同 或 近似 的 ,被 称 为 同 工 酶 。 例 如 ,人 的 乳酸 脱 氢 酶 有 五 种 同 工 酶 ， 它 们 分 别 有 两 种 不 同 的 亚 基 M HAMAS) RH (心肌 细胞 内 多 ) 所 组 成 的 四 联 体 ， 由 于 M 及 五 的 比例 不 同 而 形成 五 种 酶 ， 在 电泳 时 可 以 明显 地 区 分 出 五 条 不 同 的 带 。 细 胞 产生 同 工 酶 是 有 生 理 意义 的 ， 同 工 酶 有 着 不 同 的 动力 学 参数 ， 对 完成 各 种 功能 是 有 利 的 。 例 如 ， 不 同 组 织 间 、 线粒体 、 核 和 细胞 质 之 间 ， 个 体 的 不 同 发 育 阶 段 ， 底 物 浓度 可 以 变化 很 大 。 肝 乳 酸 脱 氢 酶 以 互 亚 基 为 主 ， 可 被 乳酸 的 氧化 产物 丙酮 酸 所 抑制 ， 这 种 机 制 对 处 于 氧气 供应 充足 环境 中 的 细 胞 〈 如 肝 细 胞 ) 是 有 用 的 。 因 为 ， 在 正常 速度 的 酶 反应 时 ， 肝 中 丙酮 酸 能 够 及 时 地 被 氧化 而 移 去 ， 但 当 酶 活性 过 高 时 ， 可 引起 丙酮 酸 积累 而 产生 底 物 对 酶 的 负 反馈 ， 从 而 避免 无 效 的 反 应 。 然 而 ， 骨 骼 肌 乳 酸 脱 氢 酶 以 M 亚 基 为 主 ， 该 亚 基 不 受 丙酮 酸 抑 制 ， 这 对 处 于 强烈 收缩 状态 中 的 肌肉 细胞 有 利 。 因 为 ， 暂时 的 缺 氧 条 件 能 使 丙酮 酸 大 量 积累 ， 这 时 酶 不 但 不 被 抑 制 ， 而 且 根据 质量 作用 原理 ， 酶 能 可 逆 地 把 丙酮 酸 迅速 转变 为 乳酸 。 (图 5-30) 在 本 章 第 一 节 中 ， 已 经 提 到 鸟 氨 酸 循环 的 代谢 途径 ， 它 在 动物 体内 是 控制 细胞 氮 素 代谢 的 重要 环节 ， 当 细胞 内 含 氮 物 质 过 剩 时 ， 通 过 这 个 循环 ， 能 将 多 余 的 氮 素 转化 成 尿素 而 排出 细胞 。 在 这 个 循环 中 ， 有 两 个 关键 性 酶 ， 一 个 是 鸟 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 ， 它 处 在 循环 的 起 点 ， 能 将 所 和 二 氧化 碳 结合 在 鸟 氨 酸 上 而 成 瓜 氨 酸 。 另 一 个 是 精 氨 酸 酶 ， 它 处 在 循环 的 终点 ， 能 将 191 MABEL HBA RRA THR PR. MME BARA S ABE. KRM ese ha A RECT, 4RRREN, BPAMRBHUHRARA, BREA PRAM PE, 12 不 能 过 度 迅速 ， 以 免 造 成 细胞 氮 库 耗竭 。 这 种 OA J 国 图 ciacuze la| G1 LL 3 2 eal | 调节 虽然 也 属于 反馈 调节 ， 但 却 是 通过 酶 之 间 Wy 的 相互 作用 来 实现 控制 的 。 细 胞 内 氨 源 丰富 ， Boos 4 鸟 氨 酸 含量 较 高 时 ， 鸟 氨 酸 作为 鸟 氨 酸 转 氨 四 酰 酶 的 底 物 ， 不 但 与 酶 的 活性 部 位 结合 ， 而 且 人 E9 纵 上 图 | 还 有 一 定数 量 的 分 子 与 酶 的 调节 部 位 结合 。 这 Bs Sal 些 作为 效应 子 的 鸟 氨 酸 ， 能 使 酶 发 生变 构 ， 引 上 YZ bo 8 起 此 酶 上 的 聚集 部 位 暴露 。 此 部 位 能 与 精 氨 酸 BA, MITT HRM. AME iG MOI a & SRG, 当 它 的 活性 部 位 与 它 的 底 物 结合 | OC: 时 ， 酶 构象 发 生变 化 ， 使 得 它 的 聚集 部 位 暴 图 5-30 人 人 体 乳 酸 脱 揽 酶 同 工 酶 的 组 露 ， 因而 与 鸟 氨 酸 转 氨 甲 栈 酶 的 结合 更 为 紧 成 及 电泳 表现 密 。 这 种 结合 方式 又 引起 了 鸟 氨 酸 转 氨 甲 酰 酶 A。 同 工 栈 的 亚 基 组 成 ， 有 介 线 的 为 M 型 亚 基 ， 自 的 变 构 ， 从 而 使 后 者 失 活 。 从 这 里 可 以 看 到 ， 色 方 格 为 H 型 亚 基 。 两 个 不 同 的 酶 之 间 ， 可 以 互 为 调节 亚 基 ， 先 由 BB ALeW KAR, CARH ARS BRIE (EA, 而 B 酶 反 过 来 又 能 人 和 调节 A 酶 的 活性 。 (A 5-31) 甲 酰 酶 之 间 的 相互 调节 作用 和 fe) ete sgn a : © Ci Vara 3 O 〇 8 wg A 5-31 BARBS SARKRA a, b, cASARHAF RB EM RRBils O SAR @ AK O | a’, b’,c’ 为 精 氨 酸 酶 上 相应 的 聚集 部 位 。 © 精 — ° ABABA O O 站 WA 有 {© Stage - \ 两 酶 强烈 结合 192 8-2 多 酶 系统 在 生活 细胞 中 ， 有 些 相 关联 的 酶 之 间 按 照 披 此 作用 的 前 后 顺序 ， 组 织 成 连贯 的 酶 系统 。 在 一 个 酶 系统 中 ， 常 常 是 前 一 个 酶 的 反应 产物 ， 成 为 后 一 个 酶 的 作用 底 物 。 作 为 这 个 酶 系统 的 最 原始 底 物 一 一 前 体 ， 经 过 若干 个 酶 的 作用 ,形成 了 不 同 的 中 间 产 物 ,最 后 才 成 为 终 产物 。 因此 ， 从 前 体 到 终 产物 ， 是 整个 酶 系统 内 所 有 酶 共同 作用 的 结果 。 多 酶 系统 按 组 织 的 复杂 程 度 可 分 为 三 类 。 (图 5-32 ) 在 最 简单 的 多 酶 系统 中 ， 个 别 的 酶 作为 独立 的 单元 存在 于 细胞 浆 中 ， 在 它们 作用 的 任何 时 候 彼此 在 物理 学 上 并 不 直接 发 生 关 系 ， 而 依靠 底 物 分 子 的 扩散 作用 相互 联系 。 由 于 小 分 子 的 底 物 具有 较 高 的 c 扩散 速度 ， 因 而 能 由 上 一 个 酶 分 子 非常 迅速 地 “ 找 到 ”下 一 个 酶 分 子 。 属 于 这 种 类 型 的 酶 系统 ， 如 酵 解 过 程 中 催化 葡萄 糖 转 变 成 丙酮 酸 的 10 个 有 关 的 e ” 酶 ， 都 分 散 溶解 在 细胞 浆 中 。 这 个 酶 系统 内 各 种 酶 Zi, 只 有 化 学 作用 上 的 相关 性 ， 而 无 结构 上 的 相关 性 。 第 二 类 多 酶 系统 组 织 程度 较 高 ， 其 中 个 别 的 酶 图 5-32 SBA RHA 在 物理 学 上 是 缔 合 的 ， 在 功能 上 作为 酶 的 复合 物 。 A. 游离 分 获 的 多 酶 系统 和 扩散 的 中 间 产 物 如 上 章 介 绍 的 丙酮 酸 脱 氢 酶 系统 ， 由 3 种 亚 基 、5 B. BRAK, C. FFERLNBA ZX. PRAT. 42 个 酶 单位 组 成 了 一 个 酶 复合 物 ， 进 行 五 步 反 应 。 又 如 ， 酵母 脂肪 酸 合成 酶 系 统 ， 也 是 一 个 酶 复合 物 ， 它 催化 小 分 子 前 体 合 成 脂肪 酸 ， 组 成 复合 物 的 各 个 组 成 分 子 排列 成 7 个 紧密 相连 的 串珠 状 结构 。 该 复合 物 不 易 解 离 ， 而 解 离 后 的 酶 分 子 则 是 无 活性 的 。 由 于 梭 关 作用 的 酶 分 子 结合 成 一 个 酶 复合 体 ， 使 各 酶 的 活性 部 位 之 间 的 距离 缩短 ， 并 依靠 某 种 辅助 因子 ， 在 各 活性 部 位 间 用 物理 方式 直接 传递 反应 底 物 ， 这 样 就 避免 了 底 物 的 扩散 过 程 ， 节 约 了 时 间 ， 加 快 了 整个 酶 系统 的 反应 速度 ， 提 高 了 催化 效率 ， 因 而 是 一 种 进化 的 适应 性 。 多 酶 系统 组 织 程度 最 高 的 是 与 有 形 的 超 分 子 结构 如 膜 或 核糖 体 等 细胞 器 发 生 联系 。 例 如 生物 氧化 酶 系统 〈 详 见 第 12 章 ) ， 它 的 主要 作用 是 从 底 物 上 传递 电子 给 氧 ， 各 个 酶 分 子 有 规则 地 排列 在 线粒体 内 膜 上 ， 形 成 了 一 条 电子 传递 链 ， 并 成 为 内 膜 结 构 的 组 成 部 分 ， 因 而 比 一 般 的 酶 复合 物 有 更 高 的 催化 效率 。 蛋 白质 生物 合成 的 酶 系统 更 为 复杂 ， 酶 系统 内 各 成 员 之 间 的 关系 亦 更 为 密切 〈 详 见 第 6 章 ) 。 有 的 多 酶 复合 体内 各 个 酶 分 子 之 间 ， 由 原来 的 非 共 价 结合 转 变 成 以 共 价 键 相 结合 ， 这 种 : 真正 合成 一 体 的 酶 称 为 多 功能 酶 。 这 种 酶 分 子 上 有 不 同 的 活性 区 ， 分 别 具 有 可 以 对 不 同 的 底 物 起 催化 作用 的 活性 部 位 。 例 如 ， 大 肠 杆 亡 氨 匣 酸 合成 酶 的 四 个 亚 基 共 价 结合 (a-a-B-B), 此 酶 能 够 催化 两 个 连续 的 反应 步骤 : aA AE > apB (1) 谷 氨 酰 胶 + 分 支 酸 一 > AMR+FAR+ AHR (2) AU + AB-BM-MRB——> BR-ME CH + 多 功能 酶 中 也 有 同时 能 催化 两 个 完全 无 关 的 反应 ,如 枯草 杆菌 的 分 支 酸 异 构 酶 (ao-a-a-a):s 193 (1) 磷酸 - 烯 醇 式 AMR + HR R-RR— MAR ARARBRR-KR (2) 4X R—»> FRR 多 功能 酶 与 广泛 特异 性 酶 的 区 别 在 于 : 前 者 一 个 酶 上 有 几 个 不 同 的 活性 部 位 ， 而 后 者 一 般 只 有 一 个 活性 部 位 ， 但 这 一 个 活性 部 位 能 对 几 种 底 物 起 作用 。 多 功能 酶 与 同 工 酶 相反 ， 前 者 为 同一 结构 的 分 子 能 起 不 同 的 催化 作用 ,， 而 后 者 则 为 不 同 结构 的 分 子 能 起 相同 的 催化 作 用 。 多 功能 酶 的 产生 是 进化 过 程 的 简 并 作用 所 造成 的 。 生 物 细胞 的 酶 系统 由 各 赴 分 离 的 酶 分 子 到 形成 多 酶 复合 体 ， 再 进一步 出 现 多 功能 酶 ， 可 能 有 提高 催化 效率 的 利益 。 3°3 BRB EM A 各 种 酶 系统 在 细胞 内 往往 定位 在 某 些 细胞 器 内 ， 与 其 它 酶 系统 间 有 跷 性 结构 隔 开 ， 以 免 互相 于 扰 。 (图 5-33) 一 遍 膜 。 与 物质 运输 有 关 的 酶 = PRGA: HBR. RRS OH ak aR BREE: BEA. HOR, AMAR -中 心 体 : ATP 线粒体 膜 。 生 物 氧化 。 脂 肪 酸 代谢 、 氧 化 磷酸 化 酶 系 AUK SRA. 氨基 酸 代谢 酶 系 is, DNA 及 RNA 的 合成 与 转化 酶 系 细胞 浆 ， 糖 酵 解 酶 系 叶绿体 膜 :- 光合 磷酸 化 酶 系 KE: KARR HEAR: BAAR 光 面 内 质 网 : 脂肪 合成 酶 系 : 图 5-33 ” 酶 在 细胞 内 的 定位 现象 参与 呼吸 作用 的 酶 系统 中 ， 与 糖 酵 解 有 关 的 酶 处 于 细胞 浆 内 ， 与 三 羧 酸 循环 有 关 的 酶 在 线粒体 内 腔 衬 质 中 ， 而 与 生物 氧化 有 关 的 酶 系统 则 在 线粒体 的 内 膜 上 ， 参与 光合 作用 的 酶 系 统 中 ， 使 光 能 转化 成 化 学 能 ， FAR ATP A NADPH HMEMARANRERRE, 而 有 关 CO: 固定 和 糖 的 合成 酶 则 在 叶绿体 基质 中 。 DNA RAM (Bim) MRNA RAB H RM) 系统 都 在 核 内 。 消 化 性 的 水 解 酶 类 在 溶 酶 体 中 。 蛋 白质 合成 的 酶 系统 中 ， 连 接 肽 键 的 酶 在 粗 面 内 质 网 的 核糖 核 蛋白 体 上 ， 而 活化 氨基 酸 单 体 的 酶 则 在 细胞 浆 中 。 合成 多 糖 、 固 醇 、 磷 脂 及 其 它 脂 类 的 酶 系统 在 光 面 内 质 网 和 高 尔 基 体内 ， 内 质 网 上 还 有 氧化 各 种 脂 类 物质 的 酶 系统 和 硫 代谢 的 酶 系统 。 至 于 磷酸 戊 糖 循环 、 脂 肪 酸 合成 、 路 啉 合成 和 谷 胰 甘 肽 合成 等 酶 系统 则 在 细胞 浆 中 。 因此 ， 可 以 根据 各 种 细胞 器 所 特有 的 某 几 种 酶 作为 这 种 细胞 器 的 指示 酶 ， 借 以 鉴别 细胞 器 。 例 如 ， 用 人 NA 聚合 酶 和 NMN- 腺 苷 转移 酶 来 检 别 细胞 核 ;， 用 琥珀 酸 脱氧 酶 $ 细胞 色 素 氧 化 酶 、 天 冬 氨 酸 转氨酶 、 谷 氮 酸 脱 氢 酶 、 腺 苷 激酶 、 单 胺 氧化 酶 和 肉 毒 碱 -棕榈 酰 CoA 转移 酶 等 来 检 别 线粒体 :用 过 氧化 氢 酶 来 检 别 过 氧化 小 体 ; 用 脂 酶 、 淀 粉 酶 、 核 糖 核酸 酶 、 D- 氨基 酸 氧 化 酶 和 神经 氨 酸 酶 等 检 别 溶 酶 体 ; 用 葡萄 糖 -6- 磷酸 酶 、 细 胞 色素 bs 、 脂 肪 过 194 氧化 酶 等 来 检 别 高 尔 基 体 和 内 质 网 ， 而 氨基 栈 -tRNA @ AR. CBE -CoA 羧 化 酶 、 磷 酸 果 糖 激酶 、 乳 酸 脱 氢 酶 和 转 醛 醇 酶 等 则 是 细胞 浆 的 特征 。 有 时 同一 类 酶 ， 在 不 同 的 细胞 中 处 于 不 同 的 细胞 器 中 。 例 如 ， 药 麻 胚 乳 细胞 中 胆 碱 磷酸 转移 酶 主要 在 内 质 网 而 不 在 线粒体 ， 但 是 菠菜 叶 细 胞 除 内 质 网 外 ， 还 有 少量 〈21% ) 在 线 粒 体 ， 而 原生 动物 四 膜 虫 则 主要 在 线粒体 内 。 猪 肝 细胞 的 胞 苷 转移 酶 主要 存 于 内 质 网 ， 酵 母 主要 存 于 线粒体 ， 而 植物 则 两 处 此 有 。 ATP 酶 分 处 细胞 膜 、 微 管 、 肌 丝 、 线 粒 体内 膜 内 面 和 叶绿体 内 类 面体 膜 外 表面 ， 它 们 也 各 有 “专长 ”， 例 如 : 细胞膜 上 的 主要 与 物质 运输 有 关 ， 微 管 及 肌 丝 上 的 主要 与 运动 有 关 ， 它 们 都 是 用 水 解 ATP 而 供应 能 量 ， 使 细胞 能 做 各 种 EDFA; 而 线粒体 和 叶绿体 的 ATP 酶 则 以 合成 ATP 而 提供 能 量 为 主 。 在 不 同 细胞 器 内 同类 酶 的 性 质 亦 有 所 不 同 。 如 磷酸 酶 在 线粒体 内 的 是 适 于 碱 性 条 件 下 活 动 的 〈 碱 性 磷酸 酶 ) ， 而 在 溶 酶 体 中 则 是 适 于 酸性 条 件 下 活动 的 〈 酸 性 磷酸 酶 ) 。 碱 性 酸 酶 受 Ca 的 促进 ， 而 酸性 磷酸 酶 则 受 Ca 的 抑制 。 3-4 酶 的 限 速 和 加 速 (生化 放大 ) 作用 在 一 个 酶 系统 中 的 各 个 酶 ， 它 们 的 反应 速度 并 不 都 是 相同 的 ， 而 其 中 反应 速度 最 慢 的 那 个 酶 ， 往 往 是 决定 整个 酶 系统 反应 速度 的 限制 因子 。 酶 系统 的 调节 作用 只 有 对 这 个 限 速 酶 实 行 控 制 〈 加 速 或 减 慢 ) 才 对 全 过 程 有 意义 。 如 表 5-3 中 可 以 看 到 ,在 所 有 的 组 织 细 胞 内 ， 以 开始 几 个 酶 的 反应 速度 最 慢 ， 因 而 整个 糖 酵 解 过 程 的 反应 速度 就 受 它 们 的 限制 ， 提 高 这 些 酶 的 活性 ， 就 能 加 速 整个 糖 酵 解 过 程 。 这 种 限 速 酶 经 常 是 属于 调节 酶 ， 它 们 通过 变 构 作 用 而 改 变 活 性 。( 表 5-3 ) 表 5-3 糖 酵 解 酶 系统 中 各 酶 的 相对 活性 《以 己 糖 激酶 活性 为 17 酶 | 脑 | 心脏 | 骨骼 肌 | 红血球 CRAs 1 1 1 1 磷酸 葡萄 糖 异 构 酶 5 9 117 19 磷酸 果糖 激酶 2 2 37 6 Bas 1 4 52 2.5 RRAGKHASB 28 83 1,768 323 HE -3- 磷酸 脱 氢 酶 74 | 19 295 57 BRT MRA 41 | 10 113 85 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 8 | 3 67 28 Ms BEL 3 | an 105 5 Ps a a ' 11 | 21 258 15 ARKAS yi 55 | 244 67 调节 酶 在 活化 过 程 中 ， 具 有 一 定 的 放大 作用 ， 表 现在 当 调节 物 CERAM) 的 浓度 稍为 提高 ， 就 能 大 大 增加 酶 的 活性 。 原 因 是 酶 的 各 个 组 成 亚 基 之 间 有 协同 作用 ， 在 其 中 一 个 亚 基 被 激活 后 ， 其 余 的 亚 基 就 更 容易 被 激活 。 例 如 ， 一 个 具有 协同 作用 的 多 亚 基 酶 ， 在 调节 物 浓 BEA 5% 时 ， 酶 活性 为 最 大 活性 〈 设 为 1)》 的 0.1， 而 只 要 把 浓度 增 为 19.6% ， 即 能 使 酶 活 195 性 升 高 到 0.9， 即 提高 了 8 倍 ， 而 调节 物 浓度 增加 还 不 到 4. MRREDAE, ARE 的 活性 从 0.1 升 高 到 0.9 时 ， 则 需 调 节 物 浓度 增加 90 倍 C0.1>9.0%) 。 (图 5-34) 过 全 ~ 全- 、 人 ~ 人 \. ge +-ge E+ -89--- 885-88 WPwKE 图 5-34 HARMS AE A. 无 协同 作用 的 变 构 酶 ， 当 调 节 物 引起 酶 的 各 亚 基 变 构 时 ， 并 不 影响 其 它 亚 基 的 构象 B. AM 同 作用 的 变 构 酶 ， 当 调节 物 引起 酶 的 亚 基 变 构 时 ， 能 引起 相 邻 亚 基 的 活化 而 易于 变 构 ; C, 图 中 曲线 A 为 无 协同 作用 酶 的 活性 与 调节 物 浓 度 的 关系 ， 为 抛物 线形 ， 曲 线 B 为 有 协同 作用 酶 的 活性 与 调节 物 浓度 的 KA, ASHER. 调节 物 还 通过 对 “ 底 物 循环 ”的 调节 ， 发 挥 生物 化 学 放大 作用 。 例如 ， AMP 对 果糖 -6- BB (F-6-P) 和 1,6- 二 磷酸 果糖 CFDP) 之 间 的 可 闭 转 化 反应 起 调节 作用 ， 即 促 进 正 反应 而 抑制 着 反应 ， PFK & AMP jn F-6- 了 = 一 一 一 一 FDP FDP Bs AMP 3 iil 催化 正 反应 的 酶 为 磷酸 果糖 激酶 CPFK) , Bs AMP 所 激活 ， 催化 逆反 应 的 酶 为 果糖 -1,6- 二 磷酸 酶 (FDP 酶 ) ， 它 受 AMP 作用 而 失 活 。 因 此 ， 当 AMP 尚未 出 现时 ， 由 于 FDP 酶 的 活性 比 PFK 高 ， 所 以 其 净 结 果 是 没有 FDP 生成 ， 直 至 AMP 浓度 增高 ， 足以 使 PFK 酶 的 活性 超过 EDP 酶 时 ， 才 开 始 有 FEDP 的 积累 ， 然后 只 要 增加 少量 的 调节 黎 CAMP) ， 即 可 大 大 增加 产物 CFDP) 的 生成 量 。 例 如 ， 当 AMP 的 浓度 从 2.5 个 单位 提 高 到 3.0 个 单位 ， 虽 然 只 提高 了 1/6 倍 ， 但 FDP 却 从 原来 的 0.2 单位 上 升 为 6.5 单位 ， 增 加 T 32.5%; AMP 浓度 提高 到 4.0 单位 时 ， FDP 上 升 为 24.1， 增加 了 120.5 倍 。 C# 5-4) 如 果 一 个 酶 的 底 物 是 另 一 种 酶 时 ， 也 可 以 起 生化 放大 作用 。 例 如 ， 有 些 激酶 能 对 其 它 的 酶 进行 化 学 修饰 作用 ， 使 之 磷酸 化 、 腺 苷 化 或 乙酰 化 等 而 改变 其 活性 ;有 的 激酶 能 使 某 些 酶 原 经 过 肽 链 内 有 限 的 裂解 作用 而 变 成 活性 酶 。 例 如 ， 胰 蛋白 酶 的 自 活 化 过 程 ， 它 能 对 自己 的 酶 原 起 有 限 水 解 作 用 ， 从 而 使 越 来 越 多 的 酶 原 被 活化 ; 凝血 系统 中 各 种 凝血 因子 大 都 为 丝 氮 酸 型 蛋白 酶 ， 往 往 第 一 个 因子 活化 后 ， 接 二 连 三 地 活化 后 面 的 各 个 因子 ， 形 成 阶 式 反应 。 如 果 设 每 一 个 亚 因 子 能 活化 10+ NAF, WET NAF RAB 10 个 因子 的 情况 下 ， 反 应 的 规模 就 放大 了 100 倍 (10x10) 。 依 次 类 推 ， 若 经 第 六 阶 反 应 放大 ， 可 达 10 万 倍 的 放大 196 效果 ， 即 由 一 个 因子 所 开始 的 反应 ， 最 后 达到 了 十 万 个 因子 的 规模 。 (A 5-35) 表 5-4 AMP 浓度 对 几 种 酶 促 反 应 影响 的 理论 计算 EERE) EM CERT OO) | CERO | HE CRA CD) | RM-16-—amere 0,0 0,000 0,0 10,0 0.0 1,0 0,010 1,0 9.9 0.0 2.0 0,050 5.0 9.5 0.0 2.5(1x ) 0,093 953 9.1 0.2(1x ) 3.0(1.2x) 0,150 15,0 8.5 6.5(32.5x ) 4.0(1.6x ) 0.310 31.0 6.9 24.1(120.5x ) 5.0(2.0x ) 0.470 47.0 5.3 41.7(208,5% ) 6.0(2.4x ) 0.6000 60,0 4,0 56.0(280.0x ) $,0(3,.2x) 0.770 77.0 2.3 | 74.7(373.5x ) 12.0(4.8x ) 0.890 89,0 | | 87.9(439,5x ) 18,0(7.2x ) 0,940 94,0 0.6 | 93.4(467,0x ) 20,0(8,0x ) 0,950 95,0 | 0.5 | 94,5(472,5% ) BOs Katte -一 一-- 第 一 阶 (1X) 细胞 内 代谢 过 程 的 调节 十 分 复杂 ， 这 是 因为 细 wwOATS 一 rae HEeKESMAAKARAOE, RUS 多 ， 参与 反应 过 程 的 酶 种 类 也 愈 多 。 前 已 提 及 葡萄 pe 第 三 阶 (100X) 糖 转 化 为 丙酮 酸 需要 10 种 酶 参加 ， 另 如 丙酮 酸 经 三 羧 酸 循环 而 转化 成 3 个 CO. FRE 9 HHS 庆贺 的 四 加 ， 乙 酸 合成 胆固醇 需要 28 种 酶 参加 。 而 且 ， 由 | 于 多 酶 途径 中 某 个 过 程 产 生 的 中 间 产 物 或 反应 产 一 ---- 一 第 五 阶 (10000X)》 物 ， 可 以 成 为 另 一 过 程 某 种 酶 促 反应 的 底 物 或 变 构 一 第 六 阶 (100000X ) 酶 的 调节 物 ， 使 多 条 途径 联接 起 来 ， 相 互 影 响 ， 组 霹 “ 代 谢 网 ”。 代 谢 过 程 的 复杂 性 又 导致 了 代谢 调 图 5-35 凝血 过 程 中 的 阶 式 反应 节 的 复杂 性 。 表示 逐 级 生化 放大 效果 : 圆圈 中 罗马 字 表示 各 个 凝血 因子 ， 假 设 每 阶 的 放大 效率 为 10。 4.1 三 种 调节 水 平 就 酶 的 调节 而 言 , 从 原核 细胞 到 真 核 细胞 〈 包 括 人 类 细胞 ) , 现 已 证 明 是 通过 酶 的 诱导 或 阻 遇 ， 变 构 及 共 价 键 激 活 等 三 级 调节 来 实现 的 。 (图 5-36 ) 4"1"1 一 级 调节 主要 表现 在 酶 的 活性 状态 和 非 活性 状态 之 间 的 变 构 转换 ， 这 种 调节 速度 很 快 ， 数 秒 钟 内 即 可 完成 ， 因 此 能 对 反应 条 件 的 改变 及 时 地 调整 代谢 过 程 ， 如 6- 磷酸 果糖 激酶 、 己 糖 激酶 等 。 197 二 调节 基因 一 -| 操纵 EH Bee HE DH | frrbtene re ele eae ake RNA Xe 个 人 [GO 非 活性 酶 IH | 变 构 活化 gan / a 4 . Zona ngioaes 庶 物 + RAT —~ B -和 C 一 一 产物 Wy COMMIT isa yy 5-36 酶 活力 三 级 调节 示意 图 4*1*2 二 级 调节 ”通过 酶 的 变换 来 调节 催化 活性 。 这 些 酶 时 常 参与 丝氨酸 侧 链 磷酸 化 或 脱 磷酸 作用 ， 而 这 些 作 用 可 以 改变 蛋白 质 的 聚集 状态 。 与 一 级 调节 相 比 ， 这 些 酶 的 激活 或 执 制 反应 速度 比较 缓慢 ， 需 要 数 分 钟 时 间 。 酶 的 共 价 变换 可 使 蛋白 质 亚 基 结 构 发 生变 化 ， 从 而 引起 催化 活性 的 改变 。 二 级 调节 用 于 代谢 过 程 的 “精密 ”调节 ， 激 素 对 代谢 途径 的 作用 往 往 通过 这 种 方式 的 调节 。 如 甘油 三 酯 酶 是 人 类 脂肪 细胞 中 甘油 三 酯 分 解 的 限 速 酶 ， 甘 油 三 酯 用 由 非 活化 型 转变 为 活化 型 时 ， 通过 儿 茶 酚 胺 、 3 ,5“- 环 状 单 磷酸 腺 昔 和 蛋白 激酶 的 作 用 ， 使 此 酶 活性 部 位 的 基 团 磷酸 化 〈 详 见 第 四 章 ) 。 甘 油 三 酯 酶 激活 机 制 如 有 人 缺陷 ， 将 引起 脂肪 细胞 中 甘油 三 酯 分 解 代谢 降低 ， 因 而 呈现 甘油 三 酯 蓄积 证。 4"1"。3 三 级 调节 “可 通过 酶 蛋白 的 合成 或 降解 速度 变化 来 调节 酶 的 活性 。 它 是 通过 DNA 转录 和 mRNA 指导 下 酶 分 子 新 合成 的 开始 和 终止 来 实现 的 。 这 种 调节 反应 速度 更 为 绥 慢 ， 常 需 等 待 数 小 时 至 数 日 ， 是 长 期 调节 或 “ 粗 ” 调 节 ， 如 羟 甲 基 友 二 酸 草 酰 -CoA 还 原 Be (HMG-CoA 还 原 酶 ) 为 胆固醇 生物 合成 途径 中 重要 的 限 速 酶 。 NEE HMG-CoA 转变 成 1- PMB, 此 反应 是 许多 细胞 中 胆固醇 合成 的 第 一 个 关键 步骤 。 此 酶 的 合成 受 血 液 中 胆固醇 浓度 的 反馈 控制 。 当 胆固醇 浓度 低 时 ， 能 诱导 细胞 合成 较 多 的 HMG-CoA 还 原 酶 ， 因 此 引起 胆固醇 分 子 大 量 合成 ， 以 补充 血液 中 胆固醇 量 的 不 足 ， 而 当 血 液 中 胆固醇 含量 高 时 ， 应 该 阻 过 细胞 内 HMG-CoA 还 原 酶 的 产生 ， 但 是 有 的 人 细胞 膜 有 缺陷 ， 不 能 感知 血 液 内 胆固醇 含量 的 变化 ,因而 在 胞 外 体液 高 浓度 胆固醇 的 情况 下 ， 仍 然 大 量 合成 了 MG-CoA 还 原 酶 ， 致 使 过 多 的 胆固醇 分 子 分 泌 到 血液 中 ， 并 沉积 在 皮下 、 肌 妥 和 动脉 管 壁 等 处 ， 造 成 患 病 后 果 。 如 上 所 见 ， 酶 活性 调节 发 生 缺 陷 ， 可 引起 病理 变化 。 一 种 遗传 性 的 缺陷 如 仅 影 响 酶 的 变 构 部 位 而 并 不 涉及 催化 部 位 ， 虽然 可 使 催化 功能 保持 正常 ， 但 此 酶 对 变 构 调 节 物 的 反应 失 灵 ， 如 发 生 在 生物 合成 途径 中 某 一 决定 速度 〈 限 速 ) 的 步骤 ， 则 终 产 物 的 反馈 调节 将 失去 作 用 ， 引 起 某 些 疾病 ， 由 于 有 些 生化 遗传 病 患者 出 现 频率 较 大 ， 如 脂肪 过 多 症 为 1:100 ， 已 引 起 临床 医学 的 重视 。 198 细胞 的 主要 营养 物质 是 糖 类 , 糖 代谢 提供 了 大 量 的 细胞 有 效能 , 糖 代谢 的 一 些 中 间 产 物 又 是 细胞 代谢 的 枢纽 物质 。 因 此 ， 下 面 将 以 糖 代谢 为 例 ， 曾 明细 胞 中 代谢 过 程 的 调节 作用 。 由 “于 三 级 调节 涉及 神经 、 激 素 对 基因 表达 的 作用 ， 拟 在 遗传 部 分 内 解说 ， 本 章 只 限于 一 、 二 级 ”水平 的 调节 。 3-RBY He / ian 2P: © 2NAD* --~~=== NS = 0. OH 2NADH ------ 1? OH oH H 0=co® it OH 2 HCOH D-H cH0® i 1,3- —BRH HR hal on 2ADP ie Re 2ATP ‘4 Oo OH COOH : = H 2x HCOH 二 OH Stee | OH 3-RBH HR 1 1 Son | | 2x HCO® ChO® ! 和 0 2,3- 二 磷酸 | ! oN 08 COOH 甘油 酸 | | _OH/*CH.0H 2x HCO® 4 OH CH.0H 1 F6 P 2-BRH wR | 1 ATP 1 Sn PP it COOH | 1 er 8 CH 1 K, on 7 SRRARA AR i Ske = 2ADP | V6 > 2ATP 1 1 F-1, 6-—#R coo CHs 1 1 CH:OH CHO 丙酮 酸 i } 2X C=0 ©. 2x HCOH D H Snir 2NAD* -------" CHO® CH20®) CH 磷酸 二 将 丙酮 3-BRHHE ab Ween | COOH 乳酸 图 5-37 酵 解 反应 途径 @ 己 糖 激酶 ， Ow ---RRS, @@ 磷 酸 己 糖 异 构 酶 ; 四 磷酸 果糖 激酶 OL KRACK 酸 BS, ©OFAS, ORRARFHS, ©3-RRUMERAS, 四 磷酸 甘油 酸 激酶 ; ORME MH RES, OERLS, @ 丙 酮 酸 激酶 ， OBARKAM, OHFRRILH, 四 磷酸 葡萄 糖 变 位 酶 。 4:2 糖 酵 解 的 调节 4-2°1 酵 解 过 程 ” 酵 解 作用 是 大 多 数 生物 在 缺 氧 情况 下 由 葡萄 糖 或 其 它 有 机 分 子 中 到 得 化 学 能 的 过 程 。 从 生命 起 源 来 看 ， 最 古老 的 生物 是 在 缺 氧 的 大 气 中 产生 的 ， 无 氧 发 酵 是 生 物 以 有 机 分 子 作为 能 源 的 最 简单 和 最 原始 的 生化 途径 ， 现 在 的 好 氧 生物 中 大 多 数 还 保持 着 这 种 “原始 ”的 能 力 ， 但 是 已 将 这 种 原始 途径 作为 它们 用 氧 进一步 氧化 发 酵 产 物 的 准备 阶段 。 醇 解 过 程 的 基本 变化 ， 就 是 6 碳 的 葡萄 糖分 子 降 解 成 两 分 子 3 碳 的 乳酸 ， 并 且 在 反应 过 程 中 ， 通 过 一 些 磷酸 化 的 中 间 产 物 ， 产 生 少 量 AITP 。 很 多 细菌 和 大 多 数 高 等 生物 (Hi AD) 都 能 进行 酵 解 。 一 些微 生物 以 及 高 等 植物 可 将 6 碳 的 葡萄 糖 降解 为 两 分 子 2 碳 的 乙醇 和 两 分 子 CO:， 有 的 能 生成 丙酮 、 丁 酸 等 其 它 化 合 物 ， 常 称 为 发 酵 ， 发 酵 与 酵 解 基本 过 程 相似 ， 两 者 的 差别 只 是 由 于 最 后 几 步 反应 中 的 酶 不 同 ， 因 而 得 到 不 同 的 最 终 产物 。 酵 解 的 反应 顺序 以 及 所 需 的 酶 和 辅助 因 了 于 如 图 5-37、 表 5-5 所 示 。 群 解 总 反应 式 如 下 ， CeHlz0e + 2Pi + 2ADP 一 -> 2CHsCHOHCOOH + 2ATP +2H20 i 5 乳 B 5-5 B@ ff W KR Bw om 反 应 酶 | i 助 因 子 am 1 | 葡萄 糖 + ATP ——> 6-3M-HAR + ADP + Ht 己 糖 激酶 Mg?* | a 2 |6-RM-wat = 6-BM-Rw BOGS “|Mg2+ 或 Mn2+ | 4 3 ”6- 磷 酸 -果糖 + ATP 一 > 1,6- 二 磷酸 - 果 精 +ADP+H+ | 磷酸 果糖 激酶 ”|Mg2- aa 4 1,6-=8R-2H—AR-—BAM +e | lee Znaz+ 或 Ca2+、Fea+ K+ 细菌、 酵母 真菌 ) 5 BR-—RAR—=3-BR-H UE ROAR | | 6 |3-RB-th aR + Pi+NAD*—"1,3-=BMi wR 3- RMR HE ih RE BE SL | | f +NADH+H* | 7 |1,3-— BMH MR +ADP——3-FeM-t M+ ATP RB- ith Wwe id 8 3-RR- Hmm ——2-Rw-HR BEM thnk BIE Mg2* RMn2* : 9 2-RR-t mR — RM- MBM +H 烯 醇化 酶 Mg2+ 或 Mn2+ | 10 [BR AR- WERT + ADP + H*——> M+ ATP AMM Mg2+ 或 Mn2+、K+ | a 11 mR + NADH+ HY —-am +NaD" [La Be | d 注 : aARRLES, 为 磷酸 基 移 位 ; < 为 异 构 化 反应 ; d 为 脱 所 反应; eAMBGR, [ASR 化 偶 联 的 磷酸 化 作用 。 4.2。2 BRK ”催化 酵 解 途径 的 有 关 酶 中 ， 磷 酸 果糖 激酶 的 活性 对 酵 解 的 速度 具 有 决定 性 作用 。 已 糖 激 酶 〈 或 糖 原 磷 酸化 酶 ) 、 丙 酮 酸 激酶 也 是 酵 解 的 控制 点 。 磷酸 果糖 激酶 ， 该 酶 为 变 构 酶 ， 与 大 多 数 变 构 酶 一 样 ， 酶 分 子 量 较 高 (360,000) . 所 催化 的 反应 : 6-H QR + ATP 一 一 > 1,6- 二 磷酸 果糖 +ADP+ 歼 ” 该 反应 为 不 可 逆反 应 。 该 酶 可 被 AMP、ADP 和 Pi 激活 ， 被 ATIP 和 柠檬 酸 抑制 ， 因 此 是 多 价 变 构 酶 。 200 当 细 胞 能 量 水 平 较 低 时 ， 亦 即 LATP]/CADPI 降 低 时 ， Be TREE Sh, BE AL “tse” , 葡萄 糖 加 速 降解 。 而 当 [ATP]I/CADPI] 升 高 时 ， 该 酶 以 非 活性 形式 存在 ， 酵 解 枢纽 “关闭 ”， 葡 萄 糖 消耗 减少 。 柠檬 酸 是 该 酶 特异 的 负 调节 物 。 葡 萄 糖 在 进一步 氧化 过 程 中 产生 的 柠檬 酸 ， 经 线粒体 膜 特异 的 柠檬 酸 载体 系统 的 转运 而 进入 细胞 浆 中 。 柠 檬 酸 含量 增高 时 ， 抑 制 了 磷酸 果糖 激酶 活 性 ， 酵 解 速度 于 是 下 降 。 己 糖 激酶 :该 酶 催化 下 列 反应 ; ATP + é-D: gan ADP + a-D-6-8 Wi 4% : 该 反应 为 酵 解 的 第 一 个 反应 ， 此 酶 也 是 变 构 酶 ， 酶 活性 受 其 产物 a-D-6-PE AM Hl 当 人 酵 解 速度 很 快 时 ， 已 糖 激酶 的 酶 促 反应 可 以 成 为 限 速 反应 。 己 糖 激酶 还 以 同 工 酶 方式 调节 各 组 织 的 葡萄 糖 代谢 。 例如 ， 在 脑 中 该 酶 的 Km 值 很 低 (0.05mM)-， 因 此 ， 甚 至 当 葡萄 糖 浓度 很 小 时 ， 还 能 使 葡萄 糖 磷酸 化 而 成 为 脑 代谢 的 有 用 底 物 ; 而 在 肝 中 ， Km 高 得 多 (~10mM), 因此 ， 可 以 大 量 转移 血 中 高 深度 的 葡萄 糖 《 正 常情 况 含 一 55mM) 进入 肝 细 胞 。 糖 原 磷 酸化 酶 ， 酵 解 如 从 糖 原 开 始 《〈 肝 和 肌肉 组 织 中 ) ， 第 一 步 反 应 为 糖 原 磷 酸化 酶 催 化 糖 原 磷 酸 解 为 1- 磷酸 葡萄 糖 。 该 酶 也 是 醇 解 过 程 中 的 一 个 控制 点 ， 当 细 胞 内 高 能 化 合 物 含量 降低 时 〈 即 ATP| ，AMP1+) ，AMP “打开 ” 该 酶 ， 使 糖 原 转变 为 1- 磷酸 葡萄 粮 的 反应 加 快 ， 因 而 酵 解 速度 增加 当 ATP. 含 量 升 高 时 则 抑制 反应 速度 。 磷酸 甘油 酸 激酶 和 丙酮 酸 激酶 ;它们 也 有 调节 作用 ， 两 酶 都 需要 ADP 作为 磷酸 受 体 ， 兼 性 厌 氧 细胞 在 有 氧 情况 下 , 由 于 线粒体 对 入 DP 的 亲和力 高 于 上 述 两 酶 ,竞争 的 结果 ，ADP， 大 部 分 优先 进入 线粒体 ， 故 酵 解 速度 可 因 缺 少 磷酸 受 体 而 下 降 。 D200 4:3 Mm ML BIA Om ERT 好 氧 细胞 主要 靠 呼吸 作用 取得 能 量 。 细胞 内 呼吸 实际 上 就 是 电子 随 有 机 “燃料 ”中 脱 下 的 氨 转 移 给 氧 的 过 程 。 好 氧 细胞 在 氧 含量 不 足 的 情况 下 ， 酵 解 过 程 中 3- 磷酸 甘油 醛 氧化 时 REP RSE NAD*, #4 KR NADH, REAR AMRAAR, AANRALA NAD*, NAD* 反复 作用 于 3- 磷酸 甘油 醛 的 氧化 反应 。 在 氧气 供给 充分 的 情况 下 ， NADH 上 的 氢 可 通过 “穿梭 机 制 ” 进入 线粒体 经 呼吸 传递 体 ， 最 终 与 氧 结合 为 水 。 此 时 ， 酵 解 生成 的 丙酮 酸 不 再 被 还 原 为 乳酸 ， 而 经 丙酮 酸 脱氧 酶 催化 〈 见 第 四 章 》 ， 进 行 氧化 脱羧 ， 转变 为 乙酰 -CoA。 在 动物 肝脏 、 肾 用 和 酵母 中 ， 丙 酮 酸 还 可 受 线粒体 中 羧 化 酶 〈 生 物 素 作为 辅 基 ) 催化 ， 与 一 分 子 C9， 结合 ， 生 成 草 酰 乙酸 : Mg2* 生物 素 - 酶 +ATP+HCOs -三 CO2-4WHK-M+ADP+Pi Mn2* CO2:- 生 物 素 酶 + 丙酮 酸 三 -生物 素 - 酶 + 草 酰 乙 酸 此 反应 需要 ATP 和 Mg**, Res FH) 650,000， 为 多 亚 基 变 构 酶 ， 天 然 酶 有 4 个 催化 亚 基 ， 乙 酰 -CoA 作为 该 酶 的 正 调节 物 。 当 乙酰 -CoA 含量 高 时 ， 促进 丙酮 酸 羧 化 而 生成 更 多 的 草 酰 乙酸 ， 因 而 能 循环 氧化 更 多 的 乙酰 -CoA。 高 等 动物 的 心脏 和 肌肉 组 织 中 出 现 其 它 类 型 的 丙酮 酸 次 化 作用 ， 如 : 201 HM +CO:+NADPH+H* SL RRM + NADP* (FAM BRS CE Me RR EHS BOM) 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 +CO2 +IDP (—BRUF) 一 草 酰 乙酸 +ITP (三 磷酸 肌 苷 ) 丙酮 酸 氧化 脱羧 产物 乙酰 -CoA 和 丙酮 酸 羧 化 产物 草 酰 乙酸 缩合 为 柠檬 酸 ， 经 过 _ 系 列 酶 的 催化 作用 ， 脱 下 四 对 氨 原 子 ， 又 生成 草 栈 乙酸， 循环 往复 ， 乙 酰 -CoAi 不 断 进入 循环 而 氧化 成 CO 和 水 。 因 循环 中 有 柠檬 酸 等 三 羧 酸 人 参加， 被 称 为 三 次 酸 循环 或 柠檬 酸 循环 。 三 羧 酸 循环 是 细胞 代谢 的 中 心 环节 。 它 提供 了 大 量 能 量 ，- 与 酵 解 比较 ; 葡萄 糖 一 -> 2 乳酸， 释放 47.0 千 卡 能 量 ， 净 得 2 克 分 子 ATP i i+ 602 一 一 > 6CO2 + 6H2O, Hi 686.0 千 卡 能 量 ， 净 得 36 一 38 克 分 子 ATP 可 见 ， 为 了 得 到 等 量 的 有 效能 量 (ATP) ， 细胞 在 缺 氧 时 消耗 的 葡萄 糖 为 有 氧 时 的 18 一 19 倍 。 此 外 ， 脂 类 、 蛋 白质 的 异化 也 要 纳入 三 羧 酸 循环 的 轨道 ， 才 能 彻 底 氧 化 。 同 时 ， 三 羧 酸 循环 中 一 系列 中 间 产 物 把 糖 、 脂 类 、 蛋 白质 代谢 密切 联系 在 一 起 ， 交 织 成 代谢 网 络 。 4*3。1 三 羧 酸 循环 的 代谢 途径 ， 三 羧 酸 循环 见 图 5-38 ， 会 与 丙酮 酸 氧 化 脱羧 和 三 状 酸 循 环 的 酶 和 辅助 因子 见 表 5-6 。 H,0 H,O c Rleig S oe CoA—SH 和 ee aah CC 一 Ho—c—coon f CCH {te [ co, ] ie He HG— COOK 5 -fr ee: COOH HO CH 一 区 CH,COSCoA RR SAB . bath bs | as COOH FATE a o-HR—R j 章 酰 乙酸 人 CH, COOH 5-38 三 羧 酸 循环 注 ， 由 a- BROMERRAMM AWA MSR, WH 5-6 中 的 5 及 6。 三 羧 酸 循环 的 总 反应 如 下 : CHsCOCOOH + 5[OJ+15ADP +15Pi——> 5CO2 +17H20 +15ATP 糖 的 需 氧 分 解 有 精巧 的 调节 机 制 ， 具 体 表 现在 丙酮 酸 脱 所 和 三 羧 酸 循环 过 程 中 几 个 主要 调节 酶 的 活性 变化 。 202 表 5:6 AMRAKKARALRREN 4 aR 反 “应 w ) we 因 子 类 型 Jey ee hth 二 ; : = 总 =. =f, 2 | | Se ee eee 1 [RM +CoA +NAD*—> ZH-CoA +COz +NADH 丙酮 酸 脱 氢 酶 复合 体 - NAD", CoA € | | . ER. FAD 2 ZB-CoA +R ZR +H20-——> # MM + CoA+H* BRRARK CoA P 3 FRR——MSXLM+ HO FH RM |S Fe?* bye 4 RRR +NAD* +CoA=—=a-BR—-M+CO2+NADH [SHRM BAB NAD’, Met CR doe _ n 5 la RoW + NAD? + CoAS=—= WHE -CoA+CO2 + NADHia-MR—BMAB INAD*, CoA, TPP, | dre | 复合 体 1 | 硫 辛 酸 、FAD 6 Ber CoA + Pit GDP=—> RAR +GTP +CoA | 琥珀 酰 -CoA 合 成 酶 eee | f 7 SRR + PAD GRRE) <== ERM +FADH2 GW) BE i WS USS FAD e : ORR HO eaR 点 - 延 胡 索 酸 酶 | Ener ig 2 IL: -# RM +NAD* == KHZ +NADH+H?* | RMA ib e KPa 为 缩合 反应 ; b 为 脱水 反应 ; 为 加 水 反应 i d AMR RMs e HRA, ERA PER Tt 403-2 se RO = AIR TR IRAN IRM OK 中 I, 都 有 控制 点 : 丙酮 酸 脱氧 酶 复合 体 的 调节 : ” 糖 的 需 氧 分 解 中 ， 由 丙酮 酸 生成 乙酰 -CoNA 是 代谢 中 关 键 性 的 不 可 逆 步 又 ， 丙 酮 酸 脱氧 酶 复合 体 是 可 调节 的 ， 以 三 种 方法 控制 (GD 产物 的 抑制 作用 :丙酮 酸 的 氧化 产物 乙酰 -CoA 和 NADH 能 抑制 酶 复合 体 的 活 性 ， 乙 酰 -CoA 抑制 芯 酶 〈 转 乙酰 基 酶 ) 成 分 ， 而 NADH 抑制 二 硫 辛 酰 脱 氢 酶 成 分 这 些 抑制 剂 的 效应 可 对 应 地 被 CoA 和 NAD* BFR, Ak, ZBE-CoA/CoAMNAD*/NADH 两 者 的 值 对 酶 活性 起 调节 作用 。 (2) BARN RAT: 酶 复合 体 的 活性 由 细胞 的 能 量 水 平 控制 ， 特 别 是 丙酮 酸 脱氧 酶 成 分 被 GTP 抑制 并 被 一 磷酸 腺 昔 (AMP ) 活化 。 因 此 , 当 细 胞 富 于 直接 有 用 的 能 量 时 ， 酶 复合 体 的 活性 降低 。 (2) 三 共 价 化 学 修饰 的 调节 作用 :， 当 丙酮 酸 脱 氢 酶 组 成 上 一 个 特定 的 丝氨酸 残 基 被 ATP 磷酸 化 时 ， 酶 复合 体 活性 丧失 “这 种 抑制 作用 可 以 被 丙酮 酸 和 ' ADP 解除 ) 。 当 它 特 异 的 磷酸 酶 移 去 酶 上 的 磷酸 基 时 ， 酶 复合 体 才 恢复 活性 。 三 凑 酸 箱 环 的 调节 : ”三 羧 酸 循环 的 速度 按 细胞 对 ATP 的 需要 程度 而 被 精确 控制 ， 循 环 中 有 3 个 控制 点 : DOFERG RE: 该 酶 催化 草 酰 乙酸 和 乙酰 =CoA 合成 柠檬 酸 。 它 是 变 构 酶 , 由 它 所 进 行 的 反应 在 哺乳 动物 的 肝 和 其 它 组 织 中 为 三 羧 酸 循环 的 限 速 步骤 。 在 大 多 数 生 物 细胞 中 ， AIE 是 该 酶 的 变 构 负 效 应 子 。 人 TBP 的 效应 是 增加 了 酶 对 乙酰 -CoA ny Km, ATP 含 量 提 高 时 ,， 则 降低 了 酶 与 乙酰 -CoA 的 亲和力 ,因此 合成 的 柠檬 酸 也 减少 了 。 在 大 肠 杆 菌 中 NADH 为 其 抑制 剂 。 (2) 弄 柠檬 酸 脱 气 酶 :该 酶 催化 异 柠檬 酸 脱 去 B- 羧 基 并 氧化 成 gx- 酮 戊 二 酸 。 动 物 组 织 中 它 203 被 ADP 变 构 激活 。 当 异 柠檬 酸 浓度 低 时 ADP 的 效应 最 大 ， 已 发 现 ADP RAATRH A 节 部 位 ， 降低 了 对 异 柠檬 酸 的 Km， 从 1.5mM 降 为 0.15mM ， 因 而 提高 酶 与 底 物 的 亲和力 约 10 倍 ， 但 并 不 改变 逆 的 最 高 速度 ， 如 图 5-39 所 示 。 ATP AM NADH 通过 对 NAD+ 的 竞 争 性 作用 ， 影响 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 的 活性 ， 在 任何 情况 下 ， 只 要 细胞 中 ADP 浓度 升 高 〈 例 如 生物 耗 能 反应 中 水 解 ATP 时 的 情况 ) ， 就 会 自动 地 促进 异 柠檬 酸 的 氧 化 。 三 羧 酸 循环 反应 速度 的 增加 将 引起 电子 传递 速度 的 Mn, 并 因 之 而 加 速 氧 化 磷酸 化 作用 ，ADP 迅速 转变 为 ATP。 因 此 ， 细 胞 中 ATP 浓度 增加 和 ADP 浓度 降 低 的 结果 就 “关闭 ”了 异 柠檬 酸 脱氧 酶 。 同 样 ， 线粒体 camo =P NADH 的 积累 也 可 以 “关闭 ” 异 柠 檬 酸 的 氧化 作 图 5-39 人 ADP 对 异 柠 樟 酸 脱 气 酶 。 用 ， 当 过 剩 的 NADH 被 呼吸 作用 消耗 时 ， 异 柠 榜 酸 所 Se LG 化 的 抑制 作用 将 逐渐 消除 。 牛 心 线粒体 的 异 柠檬 酸 脱 氨 酶 〈 用 NAD fe SHR) 以 单 体 〈 分 子 量 330,000 ) 或 二 体形 式 存在 。 正 效应 子 ADP 可 使 单 体 聚 合成 二 体 ，_ ADP 的 诱导 聚合 可 被 负 效 应 于 NADH fH 断 。 虽 然 单 体 和 二 体 都 有 酶 促 活 性 ， 但 二 体 在 ADP 低 浓 度 下 活性 显然 较 单 体 为 高 。 不 同 生物 或 同一 生物 的 不 同 组 织 中 ， 三 羧 酸 循环 的 调节 机 制 存在 差别 ， 例 如 ， 在 哺乳 动 物 的 肝 胜 和 其 它 组 织 中 ， 柠 檬 酸 合成 酶 的 反应 被 认为 是 主要 的 控制 点 ， 异 柠檬 酸 脱 氢 酶 的 反 应 则 是 第 二 控制 点 。 然 而 ,在 某 些 昆虫 的 飞翔 肌 中 ， 异 柠檬 酸 脱氧 酶 却 是 三 羧 酸 循环 中 最 主 要 的 控制 点 。 (3)a- 酮 戊 二 酸 脱氧 酶 .该 酶 催化 o- 酮 成 二 酸 氧 化 脱羧 而 生成 琥珀 酰 -CoA ， 为 三 羧 ， 酸 循环 中 的 第 3 控制 点 。&- 酮 成 二 酸 脱 氢 酶 结构 与 丙酮 酸 脱 氧 酶 复合 体 类 似 ， 调节 控制 机 制 也 类 似 。 co-=- 酮 戊 二 酸 脱 氧 酶 被 其 酶 促 反应 产物 琥珀 酰 -CoA 和 NAD 也 抑制 。 ig 该 酶 也 被 细胞 内 高 含量 的 高 能 化 合 物 所 抑制 。 简 言 之 ， 二 碳 片断 进入 柠檬 酸 循环 以 及 循环 的 速度 ， 在 几 个 环节 上 都 受到 细胞 能 量 水 平 (CATP/[ADP].CAMP]I)、 氧 化 还 原 程度 (CNAD*/NADH)) 和 原料 供应 载体 状态 (CZ BE-CoA/CoA)) 的 控制 ， 其 总 的 结果 ， 达 到 细胞 能 量 代谢 的 收 支 平 衡 ， 既 不 会 供不应求 ， 引起 细胞 的 能 量 “ 恺 慌 ”， 又 不 致 供过于求 ， 造 成 代谢 原料 的 无 谓 浪费 ， 是 符合 “生物 经 济 学 ”原则 的 。 4.3。3 有 和 氧 呼 吸 对 无 氧 呼吸 的 调节 作用 (ee) 法 国生 物 学 家 巴 斯 德 观察 到 ， 发 酵 作 用 与 氧 的 浓度 成 反比 ， 即 在 厌 氧 条 件 下 ， 酵 母 可 以 发 酵 糖 ， 但 当 引 入 氧气 时 ， 发 酵 即 停止 ， 并 出 现 氧化 反应 。 这 一 现象 不 但 在 酵母 中 出 现 ， 而 且 在 极 大 多 数 生 物体 中 都 能 发 生 ， 称 为 巴 斯 德 效应 。 目 前 的 研究 表明 ， 这 种 效应 的 主要 原因 在 于 酵 解 路 线 和 柠檬 酸 循环 对 ADP 和 Pi 的 竞争 作用 。 在 厌 氧 条 件 下 ， 由 于 有 氧 代谢 时 产生 较 多 的 ATP, Alt, BRE 多 的 受 体 ADP 及 Pi ， 从 而 减少 了 对 于 酵 解 的 供应 。 有 和 氧 代谢 中 产生 的 大 量 ATP 和 柠檬 酸 是 磷酸 果糖 激酶 的 负 效 应 子 ， 该 酶 的 正 效应 子 ADP 又 被 线粒体 “ 捷 足 先 得 ”， 因 此 它 往 往 处 于 失 活 状 态 。 另 外 ， 由 于 6- 磷酸 果糖 积累 6- 磷酸 葡萄 糖 也 增多 ， 反 馈 抑 制 了 磷酸 已 糖 激酶 ; 由 于 ADP 优先 进入 线粒体 ， 磷 酸 甘油 酸 激酶 和 丙酮 酸 激酶 因 缺 乏 磷 酸 基 团 受 体 而 反 应 受阻 。 总 的 结果 是 有 氧 呼 吸 抑制 了 无 氧 呼吸 。 这 表明 了 细胞 在 能 够 更 有 效 地 进行 能 量 代谢 时 ， 就 宁可 “关闭 ” 低 效 率 的 代谢 途径 ;而 呼吸 的 有 氧 阶段 对 呼吸 的 无 氧 阶段 各 反应 进行 调 204 节 ， 是 实现 呼吸 作用 全 过 程 前 后 衔接 ， 步 调 均衡 ， 按 需 供应 的 生化 基础 。 5-40 ) Pit a 6 ST ae A 6- 磷 酸 果 糖 a4 ) AN 严 加 … ATP iy ere ©) wer Piste opie ondyonsvencntsscaboogdcbosrssupieneg pstiatdare, \ % 1,0" \ © i : 1,6- BERR RE mu CERES) 2 yA : NADH + Ht — gry oe ees 人 ae © oe ae px TER Z mame PEP if. O43 pia: NAD*_ i TZ Bde - ram , ens 本 oT 交 | eR 全 ae 图 5-40 ”丙酮 酸 氧化 脱羧 和 三 羧 酸 循环 的 控制 粗 黑 箭 头 为 葡萄 糖 氧化 分 解 途 径 ;- 粗 虚 箭头 为 葡萄 糖 合成 途径 ， 细 虚 箭头 为 分 子 的 运输 过 程 ! 点 线 为 调节 作用 ， + 表示 促进 ; -表示 抑制 8 CHR AAR 205 第 六 章 细胞 组 分 的 合成 细胞 的 有 机 组 分 ， 包 括 大 分 子 的 多 糖 类 、 脂 类 和 和 蛋白质， 核酸 以 及 它们 的 单 体 和 衍生 和 欧 ， 如 何在 细胞 内 合成 ， 这 是 细胞 代谢 中 的 一 个 重要 方面 。 由 于 所 和 氧 的 来 源 比 较 方 便 ， 本 章 将 讨论 碳 素 同化 和 和 氮 素 同化 。 由 于 含 氮 化 合 物 是 细胞 内 主要 的 生活 物质 基础 ， 而 碳 素 同化 和 光合 作用 则 有 专 章 讨论 ， 故 本 章 重 点 为 氮 素 同化 ， 探 讨 氨 基 酸 的 合成 与 转化 ， 蛋 白质 生物 合成 以 及 核 苷 酸 和 核酸 的 合成 等 。 第 一 节 碳 素 同化 绿色 植物 和 自 养 细菌 可 以 由 CO: 合成 它们 所 需要 的 全 部 碳化 物 ; 异 养 的 生物 可 以 由 简 单 的 碳化 物 ， 如 甲酸 、 乙 酸 、 丙 酮 酸 、 乳 酸 等 合成 它们 押 需 要 的 其 它 碳 化 物 。 同化 作用 〈 生 物 合成 ) 的 途径 通常 是 和 异化 作用 〈 生 物 降 解 ) 途 径 相 平行 的 。 (图 6-1 ) e.My al | €---afrSs Hl J OO © O-CH; or ‘, CH, , CH , tf OH ae {XS X/ S-cob HO OH a! CHe CHe OH . HBR ACOA TTA > 1 NA a N — oe ae a ene A 6-1 主要 代谢 途径 FAY BARE 图 中 粗 线 表 示 蜡 化 作用 HILAR, MRR Ly 生物 合成 途径 ， 图 中 标 出 “ATP,CO; ATP 的 合成 与 使 用 以 及 还 原 型 递 Sk Cm NADH, NADPH 和 FADH2 等 ) 的 产生 与 消耗 。 - - — ‘ ,MA t 4 #7 ScH-0-® | 8 »{ 由 ADP+Pi | 电子 Site | leases A resis x | ! ‘ ! 1 H 7 | 了 O 206 异化 作用 开始 于 大 分 子 的 水 解 ， 所 生成 的 单 体 进一步 分 解 成 为 更 小 的 二 《和 三 上 片段 同化 作用 开始 于 较 小 的 片 朋 合成 为 单 体 ， 再 由 单 体 合成 大 分 子 。 通 常 同 化 作用 和 有 异化 作用 个 别 反应 的 机 制 虽然 是 相 平行 的 ， 例 如 ， 同 化 作用 中 C-C 键 的 形成 与 异化 作用 中 C-C 键 的 新 裂 相对 应 ， 小 分 子 的 脱水 缩合 是 大 分 子 加 水 分 解 的 道 过程， 但是， 在 大 多 数 情况 下 ， 却 有 明 显 的 差别 。 生 物 合 成 途径 ， 虽 然 可 以 看 作为 异化 途径 的 逆转 ， 但 常常 分 别 由 不 同 的 酶 系统 催 化 。 与 有 机 物 分 解 不 同 ， 细胞 内 生物 合成 是 耗 能 的 过 程 ， 需要 消耗 ATP 或 其 它 高 能 化 合 物 。 生 物 合成 过 程 基本 上 为 还 原 过 程 ， 需 要 供给 充足 的 还 原 剂 ， 主要 为 NAD(P)H; HF 化 作用 则 主要 是 氧化 反应 ， 能 够 产生 和 积累 还 原型 的 辅酶 。 11 糖 的 生物 合成 在 大 多 数 细 胞 中 ， iPM AMMAR PRE. eg 的 逆 过 程 ， 即 由 丙酮 酸 转 变 为 葡萄 糖 ， 恰 恰 也 是 单 糖 和 多 糖 生 物 合成 中 最 重要 的 公共 途径 。 HIP RAE RE, ERMA: 一 是 CO: 还 原生 成 葡萄 糖 ， 二 是 三 羧 酸 循环 的 中 间 产物 通过 各 种 反应 转变 为 丙酮 酸 。 前 者 为 自 养生 物 所 独 有 ， 后 者 则 为 所 有 生物 共有 ， 被 称 为 ”葡萄 糖 异 生 作用 。 由 生物 合成 中 心 途径 产生 的 6- 磷酸 葡萄 糖 可 形成 :游离 葡萄 糖 、 糖 原 或 淀粉 、 其 它 单 糖 及 衍生 物 、 二 糖 和 低 聚 糖 以 及 纤维 素 、 木 聚 糖 、 胞 壁 酸 、 膜 素 等 细胞 壁 和 细 胞 外 被 的 成 分 。( 图 6-2 ) 游离 葡萄 糖 糖 原 、 淀 粉 < 6- MM-MaH -一 3-Be <_WMABR<—__ARZR<~__MR+__APB ys | 甘油 酸 AM 酸 = i <—— ; cea Ge. 三 羧 酸 循环 < 某 些 氨基 酸 hana roe 图 6-2 2 yoy Se GALA Ek Ps RI HEH HS Lele] 由 丙酮 酸 生成 磷酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 Py ab a et OB ROR Mis BE SX PUP , Ub 757 A Md JRA BOL A HP BOK PEP ILA BR BB 5 Ko 反应 中 ， EB CR: 乙酰 - CoA 丙 坪 酸 + CO2 + ATP. RZ ADP +Pi RRR HI, LIER T CIR-CoARL, SAME, ILA 乙酸 在 线粒体 内 被 NADH RRAERM: 1 NADH + Ht + 草 栈 乙酸 一 NAD+ + 苹果 酸 苹果 酸 经 扩散 作用 由 线粒体 进入 细胞 浆 ， 被 苹果 酸 脱氧 酶 (NAD 为 辅酶 ) 催化 ， 重 新 氧化 残 为 细胞 浆 草 酰 乙 酸 ， 苹果 酸 + NAD* 三 - 盖 草 酰 乙 酸 +NAD 卫 二: 草 酰 乙酸 经 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 激 酶 作用 而 生成 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 ， 该 反应 中 GTP (或 ITP) 作为 磷酸 供 体 ; 草 酰 乙酸 .+ GTP Met + RAT + CO2 + GDP 该 酶 发 现 于 大 鼠 和 小 鼠 肝 的 细胞 浆 中 、 兔子 和 小 Sf Se PD BERS 中 。 207 总 反应 式 为 : 丙 责 酸 + ATP + GTP =H RMMAAMR+ ADP + GDP + Pi 由 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 生 成 丙酮 酸 时 只 能 产生 一 个 高 能 键 ， AREER 而 由 丙酮 酸 生 成 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 时 却 要 消耗 两 个 高 能 键 。 这 种 情况 在 生物 合成 中 是 很 普遍 的 ， 往 往 形成 一 个 共 价 键 时 ， 消 耗 高 能 磷酸 键 的 数量 ， 比 同样 的 键 在 裂解 时 所 能 产生 的 高 能 磷酸 键 数目 要 多 出 一 倍 以 上 。( 图 6-3 ) 该 反应 的 进行 与 CNADH ]/[CNAD+* DO] 有关。 线粒体 内 两 者 比值 相当 高 ， 因 而 在 这 里 草 酰 乙酸 容易 还 原 成 苹果 RB; 反之， 细胞 浆 中 比值 特别 低 ， 所 以 线粒体 外 的 苹果 酸 容易 再 氧化 成 草 酰 乙 酸 。 1.1。2 和 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 转 变 为 葡萄 糖 .， 经 酵 解 的 逆 过 程 ， 磷 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 容易 转变 为 1，6- 二 磷酸 果糖 ， 由 烯 醇化 酶 起 至 醛 缩 酶 的 作用 为 止 ， 反 应 过 程 如 下 : SRRBARER+ HiO 燃 醇化 梅 、、?_ 磷 本 甘油 酸 6-3 ABRSRRRRt 2-REM Ht th @—_—>3- BMI 酸 的 相互 转变 ATP + 3- 磷 酸 甘 油 酸 一 一 > ADP+1,3- 二 磷酸 甘油 酸 1,3-— BRM WR + NADH+H* ——>3-BRMH WHR + NAD+ +Pi 3-BMiwe——BR— BAM 3-RRH WE +RR-—KRAM—— 1,6-—BRRE 1,6- 二 磷酸 果糖 进一步 变化 则 与 酵 解 不 同 ， 不 是 由 磷酸 果糖 激酶 而 是 由 另 一 个 酶 一 二 磷酸 果糖 磷酸 酶 〈 又 称 果 糖 二 磷酸 酶 ) 催化 ， 进 行 不 可 逆 的 水 解 ， 生成 6- 磷 酸 -果糖 ; 16- 二 磷酸 果糖 + H2O—— 6- 磷酸 果糖 + Pi 该 酶 为 调节 酶 ， 含 有 4 (或 更 多 ) 个 亚 基 ， 可 被 负 效 应 子 AMP 强烈 抑制 。 该 酶 具有 3 (或 更 多 ) 个 结合 AMP 的 部 位 ， 而 且 不 在 底 物 的 结合 部 位 上 。 当 AMP 浓度 低 而 ATP 浓度 高 时 该 酶 活性 最 高 ， 有 利于 葡萄 糖 的 生物 合成 。 下 一 步 反 应 由 磷酸 已 糖 异 构 酶 催化 ， 生 成 6- 磷酸 葡萄 糖 ， 6- 磷 酸 果糖 一 6- 磷酸 葡萄 糖 在 多 数 细胞 中 ， 糖 类 蜡 生 作 用 时 生成 的 6- 磷酸 葡萄 糖 被 用 来 合成 储藏 性 多 糖 、 和 葡萄糖 DSP. HU RMAs RBH RK. RESET. FA) BER SMA, 可 以 脱 磷酸 而 生成 游离 葡萄 糖 。 肝 是 血液 葡萄 糖 最 主要 的 “ 源 ”。6- 磷酸 葡萄 糖 不 能 被 已 糖 激酶 逆 方 向 催化 为 葡萄 糖 ， 催 化 6- 磷酸 葡萄 糖 生成 游离 葡萄 糖 的 酶 为 葡萄 糖 -6- weed 6- 磷 酸 葡萄 糖 + H2O—— 7 3 + Pi 该 酶 存在 于 糊 椎 动物 肝 和 肾 细 胞 的 内 质 网 上 ， 其 活性 有 赖 于 膜 的 脂 类 和 膜 的 结构 。 葡萄 糖 -6- 磷酸 酶 并 不 存在 于 肌肉 或 脑 细 胞 中 ， 因 此 肌肉 和 脑 不 能 供给 血液 以 游离 葡萄 糖 。 由 丙酮 酸 生 成 游离 葡萄 糖 的 总 方程 式 为 : 2CHsCOCOOH + 2NADH + 2H* + 4ATP + 2GTP + 6H20 一 一 > 葡萄 糖 + 2NAD+ + 4ADP +2GDP + 6Pi 生成 每 个 葡萄 糖分 子 需要 消耗 6 个 高 能 磷酸 键 和 两 分 子 NADH ( 作 还 原 剂 ) ， 整 个 反应 是 吸 能 的 ， 而 其 逆 过 程 一 一 醇 解 则 是 放 能 的 。 208 由 丙酮 酸 生成 葡萄 糖 反应 途径 中 的 控制 点 见 图 6-4。 和 大 多 数 生物 合成 途径 一 样 ， 第 一 步 是 被 一 个 调节 酶 催化 ， 它 是 主要 的 控 制 点 。 该 反应 由 丙酮 酸 羧 化 酶 催化 ， 乙酰 -CoA 为 酶 的 正 效 应 子 。 当 线 粒 体 中 乙酰 -CoA 作为 细胞 燃料 供应 有 余 时 ， 促使 葡 萄 糖 合 成 。 第 二 控制 点 是 二 磷酸 果糖 磷酸 酶 催化 的 反应 ， 被 AMP 抑制 而 被 ATP 促进 。 两 个 控制 点 的 总 结果 是 : 使 丙酮 酸 生成 葡萄 糖 的 活动 随 呼吸 燃料 并 乙 酰 -CoA ) 的 水 平 以 及 系统 能 量 水 平 的 变化 而 变动 (图 6-4 ) 除 丙酮 酸 外 ， 细 胞 内 其 它 化 合 物 也 能 生成 葡萄 糖 。 例 如 ， 三 羧 酸 循环 中 的 中 间 产 物 可 经 苹果 酸 生成 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 ， 植 物 和 很 多 微生物 由 脂肪 酸 经 乙酰 -CoA 生成 琥珀 酸 ; 2 乙酰 -CoA+NAD+*+2H20 一 一 > 琥珀 酸 +2CoA+NADH+H”* 再 经 草 酰 乙酸 转变 为 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 。 动 物 中 蛋白 质 的 组 成 氨 基 酸 ， 除 亮 氨 酸 外 ， 都 能 生成 葡萄 糖 ， 植 物 和 很 多 微生物 中 ， 包 括 亮 氨 酸 在 内 的 20 种 组 成 氨基 酸 都 能 生成 葡萄 糖 。 1"1。3 二 氧化 碳 还 原 和 光合 生成 已 糖 ”光合 作用 过 程 的 光 反应 中 ， 光 能 转变 为 ATP 的 磷酸 键 能 和 NADPH， 在 暗 反 应 中 ATP Al NADPH 被 用 来 还 原 CO:， 生 成 葡萄 糖 和 其 它 还 原 产 物 ， 反 应 过 程 复 杂 。 CO. 首先 被 固定 在 二 磷酸 核 酮 糖分 子 上 ， ATP, 乙酸 -CoA mm “( 绒 粒 体 ) 6-4 “丙酮 酸 生成 65 友 酸 葡 萄 糖 途径 中 的 控制 点 图 6-5 COs2 经 卡尔 文 循环 生成 葡萄 糖 DHAP = #R—# AM X5P = 5- 磷 酸 木 酮 糖 Ru5P = 5- 磷 酸 核 酮 糖 G3P =3- 磷 酸 甘 油 醛 E4P = 4-B RR aE 糖 R5P= 5- 磷 酸 核 粮 3PG =3- 磁 酸 甘油 琶 F6P = 6-BRRR S7P =7-R RRM FDP =1,6- 二 磷酸 果糖 SDP =1,7-— RRR we RuDP=1,5-— RRM 209 经 多 步 反 应 生成 葡萄 糖 ， 二 磷酸 核 酮 糖 重 又 生成 。 该 机 制 被 称 为 卡尔 文 循 环 。“《 图 6-5) 二 磷酸 核 酮 糖 固定 CO， 的 反应 由 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 催化 ， 反 应 产物 为 两 分 子 3- 磷酸 甘油 酸 : CH2O8] CH2OR% R Coo" 6 =O HCOH HCOH HCOH + COz + H20 一 一 > COO” + CH208R HCOH CH2zORR 1,5-—BREM 3-H RH th RW 3- 磷 酸 甘油 酸 按 图 6-5 (1)(2) 中 所 述 的 途径 转变 为 6- RRM, 需要 注意 的 是 ; & 色 植 物 中 催化 3- 磷酸 甘油 酸 为 3- 磷酸 甘油 醛 的 是 3- MHRA, 它 所 连接 的 辅酶 以 NADP 为 主 ， 而 动物 细胞 则 以 NAD 为 主 。 SR 卡尔 文 循环 中 除 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酶 外 ， 尚 需 糖 合成 途径 中 的 7 个 酶 ; (1)(2) 以 及 其 它 5 个 酶 。 后 者 催化 的 反应 如 下 AM: HARA RRER, WOMMAARR, Mc’ 活化 ， 催化 3- 斐 酸 甘 油 RE, 6- 磷 酸 果糖 和 O-BEMR AREER. 4- BEARS Ae. CHAOH 9HaOH 8， C=O CHO 了 eb CHO ; | | HCOH | HOCH HCOH + CHOH i Ad Bi | - HCOH | = HCOH HCOH CH208B HCOH CH208 BR CH208R CH20H 6--RRRM 3-RRine 5- RRA A BE 4- BRR ARSE HR 也 催化 5- 磷酸 木 酮 糖 、5- 磷酸 核糖 与 7- 磷酸 庚 酮 糖 、3- 磷酸 甘油 醛 之 间 的 互 变 ; CH20H CHO CH20H 二 Heor C=O CHO Hogi” = «+= HCO CS GOH «CHO HCOH HCOH HCOH CHO. , CH208R CHR HCOH 3- oe RET Hh ME 5- BF ALA TB 5- BRK BE __HCOH CH208 BR 7- Be RR Be 转 醛 酶 ; 作用 于 7- 磷酸 庚 酮 糖 和 3- 磷酸 甘油 醛 ， 催化 7- BRR — AAS (相应 于 .7- RRR Ci.) 转移 给 3- 磷 酸 甘 油 醛 ， 形 成 一 个 六 碳 糖 一 “6- BRR, 本 身 成 为 四 碳 糖 一 一 4 磷酸 赤 琴 糖 ， 210 C=0 C=O CHO | HOCH CHO | HOCH wees e------- | 6 EW HCOH opens HCOH + HCOH — | +. HCOH | HCOH . | HCOH CH2053 | HCOH | CH20ORR nam | CH2O®@R CH2O#¢ 7- BE pe MBE 3- BEAR Hah 4-BRQ AB 6-RRRR ORE Ee SERGE: Gtk 5- 磷酸 核 酮 糖 和 5- 磷酸 木 酮 糖 之 间 的 互 变 ， CH20H CH20H | Da. ie C=O # C=O | 53 | HCOH — HOCH HCOH poy CH208: CH2O#R 5- BRK 5- Bh AQ A 磷酸 戊 糖 异 构 酶 :催化 5- 磷酸 核糖 和 5- 磷酸 核 酮 糖 互 变 ， i HaGOH HCOH rit Qh -cHO (7 5 =O COH _-) -HCOH HCOH HCOH HCOH | ; HCOH a HCOH RORY. HOOH CH20 BR CH20% ® CH208R 5- BER a tt PEL HL SREB HE Bi APRS. RL 5- 磷酸 核 酮 糖 转 变 为 1,5 -二 磷酸 核 酮 糖 ， 反应 中 需 有 ATP 参 im: | | 5- 磷 酸 核 酮 糖 + ATP ——> 1,5-—BRMKMH+ ADP 整个 卡尔 文 循环 中 的 各 步 反应 及 其 参与 的 酶 类 见 表 6-1 。 表 6-1 CO， 经 卡尔 文 循环 生成 葡萄 糖 途径 中 的 反应 和 有 关 酶 1 i. 6CO2+6 (1,5-— RMR MY 一 -> 12 (3-BRAWM) “二 磁 酸 核 酮 糖 次 化 本 2 | 12 ( 3- 磷 酸 甘 油 酸 ) +12ATP—>12 (2-2 RMR 磷酸 甘油 酸 激酶 人 (153-2 RM MW) + 12NADPH +12H* > 12 (3-BQH AWRE) +12NADP* we ane 4 | 5 (3-RRAME) ——> 5( 磷 酸 二 羟 丙酮 ) | 53 WTA WES He a ea (3-BRRH ME) +3 (RRMOBAM) —>3 (1,6-— GRR) RE aS 6 | 3 (1,6-— BRAY) 一 一 >3 (6-BMIRM) +3Pi 果糖 二 磷酸 酶 7 “| 。 6- 磷酸 果 精 一 -> 6 - BE RDA AY HH 磅 酸 己 精 异 构 酶 8 | 6- BF AD i 25 Ht ——> Wi 29 BY + Pi Wii 25 98 6- BF ALG ——“—-—---- —_— — - ——-- — ee. 〈 续 前 ) 步 又 | R 应 3 9 | 2 (6- 磷 酸 果 糖 ) +2 (3- 磷 酸 甘 油 醛 ) 一 一 > +: 1 2 (5-BRAM HE) +2 (4-RRKRB) 10 2 (4-BRB RAB) +2 (磷酸 二 羟 丙 酮 ) 一 一 > Bas 11 2 (1,7- 二 磷酸 庚 酮 糖 ) 一 一 >2 ( 7-BEMA BRM) +2Pi 磷酸 酶 12 2 (7- 磷 酸 康 酮 糖 ) +2 (3- 磷 酸 甘 油 醛 ) 一 一 > + id 2 (5- 磷 酸 核糖 ) +2 (5-RRA MH) 13 | 2 (5-BERB HE) —>2 (5- 磷 酸 核 酮 糖 ) 异 构 酶 14 | 4 (5-BER ARH) —>4 (5- 磷 酸 核 酮 糖 ) = i Fy Lo a 6 (5-BERK MH) + 6ATP 一 一 > 磷酸 核 酮 糖 激酶 6 (1,5- 二 磷酸 核 酮 糖 ) + 6 ADP 总 反应 式 : 6COz + 18ATP + 12NADPH + 12H -一 -> 己 术 (Ce) +18Pi+ 18ADP +I2NADP+ 1:1°4 多 糖 的 生物 合成 ”由 '6- 磷酸 葡萄 糖 开始 的 生物 合成 途径 能 迅速 生成 糖 原 和 演 稻 。 第 一 个 反应 由 磷酸 葡萄 糖 变 位 酶 催化 ， 反 应 如 下 : 6- 磷酸 葡萄 糖 王 1- 磷酸 葡萄 糖 试管 中 ， 糖 原 磷 酸化 酶 可 催化 糖 原 的 合成 和 降解 ， 但 在 细胞 中 ,“ 只 能 催化 糖 原 的 降解 。 由 1- 磷 酸 葡萄 糖 生 物 合成 糖 原 和 其 它 多 糖 、 低 聚 糖 、 二 糖 的 反应 途径 中 都 需要 消耗 5“-NTP 而 先 合成 二 磷酸 核 苷 酸 糖 基 酯 (图 6-6 )， 然 后 再 行 聚 合 。 动物 中 糖 原 合成 的 第 二 步 反 应 是 由 UDPE- 葡萄 糖 焦 磷酸 酶 催化 的 : 1- BER Mi BH + UTP——=UDP - 葡萄 糖 +PPi 然后 由 糖 原 合成 酶 催化 , UDP- 葡萄糖 的 葡萄 糖 残 基 被 三 加 在 多 聚 葡萄 糖 链 的 非 还 原 端 ,在 被 加 入 的 葡萄 糖 残 基 C-4 和 该 链 末 端 葡 萄 糖 的 C-1 羟基 之 间 生 成 -1， 和 全 eee, mmm ay 并 UDP- 葡 萄 糖 + (4035 HE) n—> UDP + 《葡萄 糖 ) nya oe pny ‘i 精 原 合成 酶 需要 至 少 含有 4 AERA -1, 全 SH 一 葡萄 糖 作为 “引子 ”， 如 以 长 链 多 聚 葡萄 糖 为 “引子 ”时 活性 更 大 。 在 高 等 动物 组 织 中 ，UDE- 葡萄 糖 是 活性 最 高 的 葡萄 糖 基 供 体 ; ADP- 葡萄 糖 活 性 约 为 前 者 的 一 半 。 然 而 ， 低 等 生物 中 ， ADP~ 葡萄 糖 是 糖 原 合成 酶 更 好 的 底 物 。 Al 6-6 UDPE- 匡 萄 糖 的 分 子 结构 糖 原 分 支 处 的 wx-1,6 键 是 由 糖 原 分 支 酶 催化 合成 的 ， 该 酶 存在 于 很 多 动物 的 组 织 中 ， 催化 6 或 7 个 葡萄 糖 残 基 的 低 聚 糖 片段 由 糖 原 主 链 的 末端 转移 至 同一 糖 原 链 (或 另 一 糖 原 链 ) ”的 一 个 葡萄 糖 残 基 6- 羟基 上 ， 生 成 一 个 ac- 1, 6 键 ， 并 因此 而 产生 一 个 分 支点 。 “图 6-7) 植物 组 织 中 淀粉 合成 途径 与 糖 原 类 似 ， 不 同 点 在 于 所 催化 的 酶 为 直 链 淀粉 合成 酶 ， 而 且 多 数 植物 中 ADP 比 UDP 作 葡 萄 糖 供 体 更 为 有 效 。 2 之 图 6-7“ 糖 原 合成 中 分 支 酶 的 作用 图 左 为 直 链 葡 聚 糖 的 第 7 位 葡萄 糖 残 基 ， 带 着 其 余 六 个 残 基 所 组 成 的 赛 糖 链 ， 移 至 第 10 位 的 葡萄 糖 残 基 上 ， URa-1, 6 键 ， 饼 右 为 已 形成 分 支 的 糖 链 ， 在 自由 的 还 原 未 奖 AAD) 处 可 以 然 续 聚 合 而 生长 。 ATP + a-1- Bm BH —— ADP- FW BH + PPi ADP- 葡 萄 糖 + 〈 葡 萄 糖 )a 一 > ADP + 〈 葡 萄 糖 )n+1 第 一 个 反应 是 由 ADP- 葡 萄 糖 焦 磷酸 酶 催化 的 ， 该 酶 为 变 构 酶 ， 3- 磷 酸 甘 油 酸 和 1,6-— Be 酸 果糖 为 其 正 效应 子 。 1-2 脂 类 的 生物 合成 在 大 多 数 生 物体 中 ， “由 葡萄 糖 生 物 合成 脂肪 的 过 程 是 重要 的 代谢 途径 ， 尤其 是 高 等 动 物 ， 因 为 它们 储藏 多 糖 的 能 力 很 有 限 ， 摄 六 的 糖 类 食物 除 供给 代谢 所 需 以 及 少量 储藏 于 肝 细 胞 中 外 ， 多 余 的 主要 转变 为 脂肪 酸 并 进而 合成 甘油 三 酯 ， 大 量 储 藏 于 脂肪 组 织 细胞 中 。 植 物 种 子 主要 的 储藏 物质 也 是 脂肪 。 在 大 多 数 细胞 中 细胞 膜 兼 性 脂 分 子 的 代谢 周转 也 与 脂 类 生物 合成 有 密切 关系 。 甘油 三 酯 由 甘油 和 脂肪 酸 组 成 ， 甘 油 可 由 o- 磷酸 甘油 经 磷酸 酶 催化 生成 六 -脂肪 酸 合 成 比较 复杂 。 1-2-1 脂肪 酸 的 生物 合成 ”脂肪 酸 是 在 细胞 浆 中 合成 的 ,催化 该 过 程 的 主要 酶 系 为 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 ， 所 合成 脂肪 酸 的 全 部 碳 原子 最 终 来 自 细胞 浆 的 乙酰 -CoA。 由 于 线粒体 膜 不 能 透 过 乙酰 -CoA ， 所 以 线粒体 内 的 乙酰 -CoA 需要 通过 间接 的 途径 进入 细胞 奖 。” 线 粒 体 乙 酰 -CoA 的 乙酰 基 首 先 转移 给 草 酰 乙酸 而 生成 柠檬 酸 ， 柠檬 酸 可 以 通过 载体 的 作用 而 由 线粒体 进入 细胞 浆 。 在 细胞 浆 中 ， 柠 檬 酸 受 柠檬 酸 裂 解 酶 的 作用 ， 生 成 乙酰 -CoA : 柠檬 酸 + ATP + CoA 一 一 > 乙酰 -CoA + ADP + Pi+ 草 酰 乙 酸 细胞 浆 中 ， 乙 酰 -CoA 受 乙 酰 -CoA 羧 化 酶 催化 而 与 CO， 合成 两 二 酰 -CoA , 该 酶 畏 基 为 生物 素 ， 后 者 羧基 与 酶 分 子 一 个 特定 赖 所 酸 残 基 的 游离 氨基 以 肽 键 相 连 。 (图 6-8 ) 两 二 酰 -CoA 的 合成 反应 分 为 两 步 : HCOs + ATP + 生物 素 - 酶 三 -CO2 一 生物 素 - H+ ADP+Pi CO2> 一 生物 素 — B+ ZB -CoA—— = H=M -CoA+ AWK - 大 肠 杆菌 乙 酰 -CoA 羧 化 酶 可 以 解 离 为 三 个 部 分 : 一 是 生物 素 羧基 载体 蛋白 质 OF 量 =22,000)， 它 与 生物 素 共 价 相 连 ， 二 是 生物 素 羧 化 酶 (分 子 量 =100,000， 双 体 ) ， EH 化 载体 蛋白 质 上 生物 素 分 子 的 羧 化 ; 三 是 转送 酶 〈 分 子 量 = 90,000， 也 是 双 体 ) ， 它 催化 已 213 活化 的 CO. 由 羧 化 生物 素 转移 给 乙酰 -CoA。 转 羧 酶 中 有 结合 Coot 乙酰 -CoA 的 部 位 ， 该 酶 催化 羧基 ， AMOR T CH 转 给 乙酰 -CoA 而 生成 丙 二 酸 。. 生物 素 与 载体 蛋 白 间 连 接 的 长 度 (1.6 毫 微米 “ 辟 ") 和 连接 的 柔 说 性 ， 容许 连接 在 生物 素 分 子 上 ie AYE RAE Be EA ON — EB, CB 6-8 ) poe 乙酰 -CoA 次 化 酶 的 活性 是 变 构 调节 的 ，“ 它 是 脂肪 酸 合成 < | mo 速度 的 限制 步骤 。 符 样 酸 和 异 柠 样 酸 可 使 酶 活性 增 大 15 倍 ， 可 一 能 是 由 于 改变 了 生物 素 辅 基 附 近 的 构象 所 致 。 鸡 肝 乙酰 -CoA 羧 化 酶 以 两 种 形式 存在 ， 一 为 无 活性 的 原 B 体 ， 二 为 活性 的 多 聚 体 。 无 活性 的 原 体 ， 质 点 重 约 400,000 道 尔 顿 ， 沉 降 系数 为 203 ， 由 四 分 子 重 约 100,000 道 尔 顿 的 小 亚 基 H Oo A 组 成 。 每 个 原 体 具 有 底 物 乙酰 -CoA 和 效应 子 异 柠 样 酸 的 结合 站 部 位 。 当 异 柠檬 酸 存在 时 ， 原 体 聚 合成 质点 重 为 4,000,000 道 尔 ed 顿 的 活性 多 聚 体 。 它 形 如 狭长 的 细 丝 〈4,000 及 x1004 ), 是 由 忆 片 状 原 体 分 子 抢 成 的 链 状 结构 。 当 异 柠 榜 酸 浓度 很 低 时 ， 多 聚 体 Ch 解 离 为 无 活性 的 原 体 。 Me 脂肪 酸 合 成 的 中 间 产 物 是 连结 在 一 个 酰基 载体 蛋白 (ACP ) ey 上 的 。 大 肠 杆 菌 的 ACP 较 小 (分子量 为 10,000) ，- 并 是 热 稳 定 bs, 的 蛋白 质 ， 为 一 条 由 77 个 氨基 酸 组 成 的 多 肽 链 ， ACP 的 丝 36 CH, 羟基 与 4- PM MBIE CER. (图 6-97 cr 由 于 乙酰 转 栈 酶 和 丙 二 酰 转 栈 酶 的 催化 ， 乙 栈 -CoA AIK 让 -。 BE -CoA 的 酰基 分 别 地 结合 在 两 个 酶 的 靓 基 上 ,并 顺 次 转移 到 N ACP 的 琉 基 上 去 。 反 应 如 下 ; ZB—S—CoA + ACP—SH==> ZB—S—ACP + CbA 一 SHI 图 6-8 生物 素 与 乙酰 -CoA 丙 二 酰 一 5 一 CoA + ACP—SH=—> A=M—S—ACP + CoA 一 SH | 次 化 酶 的 结合 接着 ， 本 基 - 丙 二 酰 -ACP 缩合 酶 催化 乙酰 -ACP 与 两 二 本 人 .生物 素 ! 了 .生物 素 与 本 -ACP 反 应 生成 乙酰 乙酰 -ACP: 的 蒋 氨 酸 残 基 的 s- 氨基 相 乙 栈 一 ACP + 丙 二 酰 一 ACP 一 一 > ZH ZM—ACP + CO2 + ACP—SH 全 所 生成 的 乙酰 乙酰 -ACP 经 过 还 原 、 脱 水 、 再 还 原 而 成 为 丁 栈 -ACP， 反 应 如 下 : B- 配 酰基 -ACP- 还 原 酶 2B GB—S—A CP +NADP 下 + 二 一 一 全 D- B-32T &—S—ACP + NADP* Mi RS BE -ACP Bi KBB D—B—#T R—S—ACP—_________. —-> JT #§Bi—S—ACP +H20 丁 烯 酰 -ACP 还 原 酶 丁 烯 酰 一 9 一 ACP + NADPH + 一 一 一 一 全 丁 本 一 ?一 ACP+NADP” 然后 ， 丁 酰 -5-ACP 继续 与 丙 二 酰 ->-ACFE 缩合 ， 再 经 还 原 Bik. BR, 成 为 已 酰 -ACP。 如 此 循环 往复 ,直至 Cie 酰 -ACBE 形成 为 止 。 因 后 者 不 是 缩合 酶 的 底 物 ， 所 以 脱 离 ACP 而 成 软 脂 酸 。 合成 软 脂 酸 的 总 方程 式 为 : 214 8 乙酰 -CoA+7 ATP +14 NADPH ——> 4x35 M +14 NADP* +8 HS~CoA+6 H20+7 ADP +7 Pi 脂肪 酸 的 合成 是 在 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 上 进行 的 。 酵母 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 是 由 ACP 和 循环 的 六 个 酶 所 组 成 的 ，4“- 磷酸 泛 酰 殉 基 乙 胺 的 半 个 分 子 作为 一 只 可 旋转 的 “ 臂 ”， 把 脂肪 酰基 直 一 个 酶 传送 给 另 一 个 酶 。 (图 6-10 ) ACP 的 多 肽 链 人 一 G 一 = BR x= a— x 6~9 ACP 辅 基 的 结构 6-10 ”酵母 脂肪 酸 合成 酶 复合 物 ty 图 下 为 ACP fi4/-PERIE MAES RM es 细胞 中 游离 脂肪 酸 含量 很 小 而 且 不 能 积累 ， 因 而 脂肪 酸 生 物 合成 的 速度 决定 于 甘油 三 酯 和 磷脂 的 生成 速度 。 细胞 浆 脂 肪 酸 合成 酶 合成 的 脂肪 酸 碳 链 最 多 只 能 达到 Cie ， 超 过 Cie 的 长 链 脂肪 酸 在 线粒体 和 光 面 内 质 网 上 的 两 种 酶 系统 作用 下 进一步 合成 。 两 种 情况 下 ， 均 用 加 入 二 碳 单位 来 延长 碳 链 。 高 等 生物 中 ， 光 面 内 质 网 的 酶 可 将 双 键 引入 长 链 酰 基 Co 丸 中 。 例 如 ， 一 种 利 用 氧 分 子 和 NADH (或 NADPH) 的 氧化 酶 可 使 硬 脂 酰 -CoA 转变 为 油 酰 -CoA， iE BE -CoA +NADH+H* +02 > wh BE-CoA +NAD* +2H20 ia EAS Hea 8 SR AK FL RZ ENB RE C。 处 形成 双 链 的 酶 ， 不 能 合成 亚 油 酸 和 亚麻 酸 ， 因 此 这 两 种 烯 酸 是 哺乳 动物 的 必需 脂肪 酸 ， 只 能 由 食物 中 供应 。 1.2.2 甘油 三 醋 和 磷脂 的 生物 合成 ”高 等 植物 细胞 ， 哺乳 动 物 的 肝脏 和 脂肪 细胞 都 大 量 合 成 甘油 三 酯 作为 储藏 脂肪 。 虽 然 大 多 数 细菌 仅 含 极 少 量 的 甘油 三 酯 ， 但 它们 也 有 合成 脂 肪 的 能 力 。 甘油 三 酯 合成 时 需要 两 种 主要 原料 ， 3- 磷酸 甘油 和 脂肪 酰 -CoA。 3- 磷酸 甘油 的 前 体 为 磷酸 二 羟 丙 酮 和 甘油 。 甘油 三 酯 的 合成 过 程 如 下 ， 215 O H2C—O—C—R te ary HCOH 一 一 ~ ar cs _o_p H2—-0-P 脂肪 酰 -CoA 3- 磷酸 甘油 L- wR L- 磷脂 酸 + Hz20 一 一 > 二 酰基 甘油 + 了 Pi RCO-S-CoA + = # 4 th —~ # ith = MH + CoA-SH 磷脂 合成 与 甘油 三 酯 相仿 ， 由 工 - 磷脂 酸 起 有 了 分 此 ， 过 程 大 体 如 下 ， 己 醇 磷脂 个 己 醇 CTP | 丝氨酸 -CO2 3CHs- Fig B—> CDP- 二 酰基 甘油 一 一 > 磷脂 酰 丝 氨 酸 一 一 > 克 脂 酰 > 5B Ris 乙醇 胶 磷酸 甘油 tal RM di | -Pi 了 磷脂 酰 甘 油 | stam aly BE AB 1.2.3 固 醇 的 合成 ” 固 醇 的 生物 合成 很 复杂 ， AMAL DIEDRARRBYRKAS 该 ， 而 每 个 乙酸 的 甲 基 CARE C 在 碳 架 上 的 位 置 也 是 固定 不 变 的 。 (图 6=11 ) 乙酸 BERR 图 6-11 胆固醇 碳 架 的 碳 原子 来 源 黑 图 表示 来 自 甲 基 ， 三 角 表示 来 自 羧基 ， 白 圈 表 示 氧 原子 。 生物 合成 的 大 体 过 程 是 :乙酸 首先 转变 为 甲 基 二 羟 戊 酸 ， 再 由 甲 基 二 羟 友 酸 转变 为 劾 ti, Fila He hth Pe Be HB IAG OH Saati Cc Be ie OF CHs FA 3 — SR CHs GH CHs CH3 CHs—C=C—CHz—CH2—C =C—CH2—CH2— C =C—CH2z—CHz— C=C— CH2z—CHz— H H H H a ws C=C—CH2—CH2z—C= C— CHs H H % % 216 第 二 节 : 氮 基 酸 的 合成 与 转化 氨基 酸 是 合成 蛋白 质 的 单 体 ， 在 生物 体 中 它 是 由 更 为 简单 的 前 体毛 合成 的 。 生 命 有 机 体 合成 氨基 酸 的 能 力 方 面 是 显著 不 同 的 ， 他 们 可 利用 的 氨 的 形式 也 是 不 同 的。 高 等 脊椎 动物 不 能 合成 全 部 的 常见 氨基 酸 。 例 如 ， 白 鼠 只 能 合成 蛋白 质 中 常见 20 种 氨基 酸 的 10 种， 不 能 合 成 的 叫做 必需 氨基 酸 ， 要 由 外 界 供给 。 高 等 动物 可 以 利用 氨 作 为 合成 非 必需 氨基 酸 的 氮 源 ， 但 不 能 利用 亚 硝酸 盐 、 硝 酸 盐 或 N* 。 反 刍 动物 能 利用 亚 硝酸 盐 和 硝酸 盐 ， 但 还 是 需要 被 瘤 胃 细 菌 还 原 为 所 之 后 才能 利用 。 高 等 植物 的 氮 源 更 为 多 样 ， 可 以 用 氨 或 硝酸 盐 来 制造 合成 蛋白 质 所 需要 的 全 部 氨基 酸 。 BRON ARR PERE, RAEN. 成 为 氮 ， 然 后 再 用 于 氨基 酸 合成 。 微生物 合成 氨基 酸 的 能 力 是 十 分 不 同 的 ， 许 多 细菌 和 真菌 可 利用 氮 、 亚 硝酸 或 硝酸 盐 。 有 的 细菌 必需 供给 混合 氨基 酸 ， 否 则 不 能 生长 。 20 种 不 同 的 氨基 酸 可 以 依靠 20 种 多 酶 系统 合成 。 氨基 酸 的 合成 途径 大 部 分 不 同 于 其 降 解 过 程 。 站 利用 氮 的 还 原 态 化 合 物 。 氨基 酸 的 生物 合成 是 在 调节 酶 的 作用 下 和 反馈 控制 之 下 进行 的 。 而 且 ， 催 化 氨基 酸 合成 的 酶 ， 其 合成 作用 也 在 控制 之 T， 如 果 供 给 细胞 的 能 源 不 足 或 氨基 酸 充足 ， 它 们 的 合成 可 以 被 抑制 。 2'1 合成 氨基 酸 的 基本 反应 氨基 酸 由 相应 的 有 机 酸 碳 架 和 氨基 组 成 ， 细 胞 内 氨基 酸 的 碳 架 有 的 直接 来 自 三 羧 酸 循环 的 中 间 产 物 (如 谷 氨 酸 和 天 冬 氨 酸 等 )， 有 的 经 复杂 程度 不 同 的 反应 历程 ， 由 代谢 中 间 产 物 变 化 而 来 ; 《如 顷 氨 酸 和 蛋氨酸 等 ) ， 下 面 将 较 详 细 地 进行 讨论 。 氨基 参与 有 机 酸 结构 的 基本 反应 ， 一 为 还 原 加 所 反应 ， 二 为 转 氨 反 应 。 2-151 -还原 加 所 反应 ”氨基酸 脱 氢 酶 可 催化 酮 酸 还 原 加 氮 而 生成 氨基 酸 : NHs + a-M@ +NADPH + H* ===L-& 2M +NADP* +H20 因为 细胞 内 L- 氨基 酸 脱 氢 酶 活性 很 低 , L- 氨基 酸 不 能 直接 通过 上 述 反应 生成 。 然 而 , 谷 氨 酸 脱 氢 酶 活力 较 强 ， 可 催化 o- 酮 成 二 酸 和 所 生成 工 - FAM, O taNRs NHs + Hooc=c —CHz—CHz—COOH + NADPH + H* == HOOC—CH—CHz2—CHz—Co0H +NADP* + H20. 真 核 细胞 中 ， 谷 氨 酸 脱 氢 酶 主要 存在 于 线粒体 中 ， FHSRARMAMH 6 PRAM, 亚 基 的 分 子 量 为 56,000， 约 含 500 个 氨基 RE. GTP MATP 为 变 构 抑制 剂 ，GDP 和 ADP BWA. 大 肠 杆 菌 和 很 多 其 它 细菌 中 合成 谷 氨 酸 依靠 另 一 个 酶 ; ， 即 谷 氨 酸 合 eae. MENA 的 Km 很 小 ， 主要 催化 谷 所 酰胺 与 'o- 责成 三 酸 反 应 生成 两 分 子 谷 氨 酸 ， 217 O HOOC-CHNH2-CHz-CH2-CONH2+ HOOCECHsCH:COOH 一 > 2HOOC-CHNH2CH2CH2COOH 谷 氨 酰胺 o-HR—M SAR 大 肠 杆菌 中 谷 氨 酸 合成 酶 是 分 子 量 芍 8005000 HABEA RM, SARK. KMS*-(1:4:4), Rr NADPHARRA. 和 - 酶 ， 铁 氧 还 蛋白 可 作为 高 等 植物 的 还 原 剂 ， 20192 FRM Ot PL Hil DLS PGE) a 2b — PABA ML 反应 为 转 氨 反 应 六 催化 些 反应 的 酶 为 转氨酶 。 1 y N85. :人 了 O O NHs* Ri—CH—COO- + Rac —CO00; ==Ri—C t. —CQ0- + Re—CH—CO0- 转氨酶 中 谷 氨 酸 转氨酶 最 为 重要 ， 该 酶 可 逆 地 催化 谷 氢 酸 与 w- 2 SAR + a- MR =>o- BRB + a- AER FIA Rt A FB NA 转 给 o- AK 酸 形成 谷 氨 酸 。 aS AE AAR FA, 可 由 各 种 酮 酸 生 成 相应 的 氨基 酸 。 So AF RE HF I A :但 是 ， 它们 之 问 在 物 理化 学 性 质 上 有 所 区 别 。 ryt 2.1.3 FARM KA RHE 两 个 栈 胶 除 作为 看 自 质 的 组 分 外 还 能 储存 氨基 。 rrr 是 细胞 的 有 毒物 质 , 通常 硅谷 氨 酰 胺 合成 酶 《或 天 冬 酰 胺 合成 酶 ) WHEAT, SAAR (或 天 冬 氨 酸 ) 反应 生成 谷 氨 栈 腕 〈 或 天 冬 酰 胺 ) 。 谷 所 酰胺 还 是 植物 和 微生物 氮 素 同化 时 的 最 Mi, 当 细 胞 接受 无 机 所 时 ;; 放 先 结合 在 谷 氨 酸 上 而 成 谷 氨 酰 胺 ,然后 再 经 谷 氨 酸 合成 酶 的 作用 而 将 氨基 转 给 Iar 酮 成 三 酸 - 栈 胺 化 合 物 又 是 氨基 的 短 距 离 运输 形式 小 《长 矩 离 为 精 Am) ， 原因 是 有 较 低 的 C/N， 如 谷 氨 酰胺 和 天 冬 酰胺 分 别 为 5:2 及 4:2， 而 精 氮 酸 为 6:4， 即 在 运输 时 需要 动用 的 有 机 碳 原子 数目 较 少 ， 每 一 个 氮 原 子 只 结合 2.5 ( 4 2.0 (天 ) 和 1.5 GH) 个 碳 原子 ， 所 以 比较 经 济 。 合 成 过 程 中 需要 消耗 TPs. |. BAM+ NMS + ATP—_> 4 SR R+ ADP+ Pi+H* (0° UP) RRB NH? + ATP——> RA MB + ADP +Pi+H* ,3 Lea 动物 中 以 谷 氮 酰胺 为 主 ， 植 物 中 以 天 冬 酰 胺 为 主 。 所 了 的 叶 这 天色 本 ae 甲 酰 磷 酸 、 6- BERR AAU RE. CTP 和 AMP 等 的 氮 的 来 源 。 大 肠 杆菌 谷 氨 酰 胺 谷 藉 酶 由 12 个 亚 基 组 成 ， 每 个 亚 基 分 子 量 约 50000， 局 菲 列 成 双 层 六 角形 ， 酶 分 子 含有 12 个 结合 底 物 和 ATP 的 部 位 ， 也 有 十 二 个 结合 抑制 剂 AMP 和 色 氢 酸 的 部 位 。 两 层 间 上 下 两 亚 基 中 心 相 虐 4: 5 和 ， 每 层 中 相 邻 亚 基 中 间 相 距 也 为 外 gin 45 ABW Co LRA PE, ETT. OH. RRB. CTP4 AMP、 氨 甲 酰 磷酸 、6- 磷酸 葡萄 糖 胺 等 八 个 化 合 物 累 积 反馈 抑制 。 天 了 肠 杆 菌 中 谷 氨 酰 胺 合成 酶 的 另 一 个 重要 特征 是 : 其 活性 可 被 可 逆 的 共 价 修饰 所 改变 。 与 糖 原 磷 酸化 酶 的 情况 类 似 ， 4 它 每 个 亚 基 中 一 个 特定 酪 氨 酸 残 基 的 羟基 上 共 价 连接 一 个 AMP 时 汪 即 成 为 腺 苷 酰基 - 酶 ， 这 时 它 比 没有 腺 苷 化 时 的 酶 对 积累 反馈 抑制 更 为 敏感 腺 苷 酰基 转移 酶 催化 AMP meh, Bia BEERS AEE AMP 与 酶 脱离 。 谷 所 酰胺 活 化 腺 苷 酰基 转移 酶 并 抑制 脱 腺 苷 酰基 酶 ， 而 'x- ROBE AAR. 如 果 活 性 氨基 的 供应 水 平 低下 ， 则 腺 苷 酰基 转移 反应 被 抑制 而 脱 腺 苷 酰基 作用 增强 ， a on ae 反馈 抑制 的 敏感 性 降低 。 (图 6-12 ) 218 7 ee Ld 2. re Ms IB RIM AAS AL eee een EM 本 2-2 非 必需 氨基 酸 的 生物 合成 ATP PP, ’ < 合成 。 这 类 氨基 酸 生物 合成 的 特点 为 : SRI SN ae es AAI em HE ea MN OO A 致 相同 。 二 EM He 谷 氨 酸 、 谷 氨 酰 胺 、 天 冬 酰 胺 的 合成 前 已 述 及 。 下 面 讨论 其 它 非 必需 所 基 酸 的 生物 合 BO? 人 人 大 人 人 和 成 。 _ | NY - af 2'2.1 ARSC ALES MASA WRU re AR ER TT a NRA See NADH i 原 成 谷 氨 酸 Y- BRE. FRE BEAK TE RA’ -吡咯 -5- 羧 酸 ， RAR. (A 6-13) as “AVC TA tH BS 8 pawn WARREN RE FD HS oo .| 2.2.2， 丙 氨 酸 和 天 冬 氨 酸 ”大 多数 生物 可 通过 转 氨 反 应 ;， 使 丙酮 酸 和 人 草 酰 乙酸 相应 地 转变 为 丙 握 酸 和 天 冬 氨 酸 : 9 | 谷 氨 酸 + ARH MROR+ HAR | b BRR TE SAR + ERZLR— a -MRo M+ KAM | 多数 生物 还 出 现 酸 性 氨基 酸 与 酰胺 之 间 的 酰胺 基 交 换 作 用 : 谷 氨 酰 胶 + KZAR—— FAM PRAM HL Act a AB 2:23 BRR HARRB LM EAT # 丙 氨 酸 而 本 4 UM + NADPH + H* + 0z 一 -> 酷 氨 酸 +NADP++ H20 Pk ge 2-2-4 ERR MSL ARTO. A | Be 6-14) 主要 反应 有 三 个 : 首先 , 蛋氨酸 脱 去 甲 基 生成 同型 半 4 r We RAR I LPOG) s ARS, ALLE WE SR 2 SE rere 醚 合成 酶 催化 下 生成 胱 硫 醛 ， 最 后 ， 经 胱 硫 醋 酶 作用 而 产生 6-13 MARNEWSRUE 游离 的 半 胱 氨 酸 。 总 反应 式 为 : L-§ARM+ ATP+ 甲 基 受 体 +H2O+ 丝氨酸 一 一 > 甲 基 化 的 受 体 + RA + a- MT R+ NHst+ FR AR+ PPi+ Pi 2:2°5 丝氨酸 和 甘氨酸 动物 组 织 中 丝氨酸 合成 的 主要 途径 如 下 ， pe CHO RR CHARA, CHORR 43 9H2OH ere Se a CxO RR CHNHas Ace eases we sppitei yy GOOH ny oe. COOH COOH COOH | SS ART 3: ARM 3- distill Cet ae 丝氨酸 为 甘氨酸 的 前 体 ， 故 两 个 氨基 酸 的 生物 合成 放 在 一 起 讨论 。 毕 氨 酸 转 变 为 甘氨酸 的 反应 由 一 个 需要 磷酸 吡 哆 醛 作为 辅酶 的 酶 所 催化 ， 反 应 中 四 氢 叶 酸 ( 上 卫 4 ) 作 为 丝氨酸 B- 碳 原 手 的 受 体 ,由 丝氨酸 移 去 的 碳 原子 在 四 氢 叶 酸 的 入 Al N° 中 问 形 成 一 个 亚 甲 基 桥 ， 总 反应 式 为 : 丝氨酸 +FH4- > 甘氨酸 + N5,N10- 亚 里 基 FH4 219 RAM 六 COOH 网 ae S-RE READ day, heted COOH NE 了 AP H—C—NH, DEBE Re Stk IES He CHNH, boou : . F om DEBE RES. SBSH RO pe emp f —- Giictcocoows | | SH x: HEN, H hoor meet *-- RAR bus, | | hi meme | pan | 43 : Dt Sti Re 图 6-14 由 蛋氨酸 合成 半 胱 氨 酸 的 途径 - 同型 半 胱 氨 酸 又 称 高 半 胱 氨 酸 ， 为 半 胱 氨 酸 往 架 上 多 一 个 一 CH 二 ;其 余 的 同型 化 含 物 亦 按 此 理 ，， 如 同型 丝氨酸 、 同 型 柠 样 酸 等 。 四 氨 叶 酸 是 一 个 活性 甲 基 的 传递 体 ， 它 能 在 生化 反应 中 往返 传递 一 碳 单位 ， 例 如 它 接受 丝氨酸 的 有 - 碳 ， 而 在 合成 蛋氨酸 时 又 可 将 碳 加 到 同型 丝氨酸 上 去 。 (图 6-15~16 ) 2.3 必需 氨基 酸 的 生物 合成 在 大 多 数 细菌 和 高 等 植物 中 ， 必 需 氨基 酸 生物 合成 的 途径 是 相同 的 或 是 相似 的 。 然 而 ， 有 时 在 个 别 步骤 上 有 种 族 差异 。 合 成 必需 氨基 酸 的 途径 较 非 必需 氨基 酸 为 长 而 复杂 ， 通 常 超 过 五 步 。 并 且 反应 的 许多 中 间 产 物 往往 能 作为 其 它 各 种 生物 分 季 的 前 体 。 220 OH a fe eerie er nak - ra\) es —N ‘= < J me, ’ N aig x 六 yo CH,—COOH ， Nn? | F \ HAN=Cy, 人 rE a 对 气 基 茶 甲 本 谷 氨 酸 | SPRL AES eer ert PE ee ee eee TOT SRM A MRCP RR) Oo H - ° hor Ag eT Yok ¢-cH,CH/—COol ” x Pie ia, ke ig ite ro 2g oF 6-15 叶酸 和 四 氢 叶 酸 的 结构 H HO—CH,—C— COOH 入 ”丝氨酸 十 Ni HAR N8,N'°- FB 2 py Se Of BR 8-16 ”由 丝氨酸 生成 甘氨酸 和 Ns,N1o- 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 2.3 .1 蛋氨酸 和 苏 氨 酸 ”这 两 个 必需 氨基 酸 的 碳 架 都 来 自 同型 丝氨酸 ， 后 者 为 丝氨酸 的 四 碳 同系 物 。 同 型 丝氨酸 的 碳 链 则 来 自 天 冬 氨 酸 的 碳 架 。 由 天 冬 氨 酸 合成 同型 丝氨酸 有 数 步 反 应 ， 这 些 反 应 不 能 在 哺乳 动物 细胞 中 进行 。 反 应 过 程 中 天 冬 氢 酸 的 B- 羧 基 还 原 为 醛 基 ， SRM + 1,3- 二 磷酸 甘油 酸 还 原 为 3- 磷酸 甘油 酸 的 反应 相似 。， 第 一 阶段 中 生成 的 同型 丝氨酸 ， 在 ATP 的 参与 下 ， 转 变 为 同型 丝氨酸 磷酸 ， 后 者 在 苏 氨 酸 合成 酶 (辅酶 为 磷酸 吡 哆 醛 ) 的 催化 下 转变 为 苏 氨 酸 。 RRM, CMC 处 消去 磷酸 而 形成 A* * WH, RWWA’? 双 键 ， 水 解 生 成 苏 氨 酸 。 终 产物 苏 氢 酸 为 酶 系 中 第 一 个 酶 一 一 天 冬 栈 激酶 的 负 效 应 子 。 COL 6-17) i] REAR ARAM. FM, RARE CoA 所 带 的 琥珀 酰基 转移 到 同型 丝 氨 酸 上 ， 生 成 O- 琥 珀 酰 同型 丝氨酸 。 接 着 ， “由 9- 琥珀 酰 同型 丝氨酸 和 半 胱 氨 酸 生成 胱 硫 221 BaD RAR -ERAR. AMBANH, . HRM ERRT NAMEN UTA—H 方式 的 分 解 ， 即 前 述 的 哺乳 动物 中 蛋氨酸 转变 为 半 胱 氨 酸 时 的 反应 。 大 肠 杆菌 中 同型 半 胱 氨 酸 按 下 列 友 应 转变 为 蛋氨酸 ; Bie Sih N5- 亚 甲 基 四 氢 叶 酸 + 同型 半 胱 图 酸 一 四 氢 叶 酸 + FAR 合成 途径 见 图 6-18 5 So. bu, CH,OH HONE, boon KAR HE-NH, 同型 丝氨酸 OOH + a wie | fe) ashi | cH,—o—t | i HN a 人 Loon p- Amen boo “ | | 0- 璃 珀 酰 同型 丝氨酸 RE bolo fea c=0 | | Spit tv bu, PLD Ge Men Hb 一 Nt Rs Ge 5 boon : boon 6-48 H BEBE | 上 MR + NHs 1 CH2OH : | i H fbn ae. boon 同型 丝 气 酸 pore 1 GA HC—NH, | | OOH ”同型 半 胱 氢 酸 eae a ee i bic ABLARAR hasta Bia Ath | ape wm eee 图 ;6-17 ， 苏 氨 酸 生物 合成 途径 图 -6-18， 和 蛋氨酸 生物 合成 途径 2.3 .2 赖 氨 酸 “ 赖 氨 酸 生物 合成 有 两 条 斌 要 途径 ， 细菌 和 高 等 植物 中 主要 为 二 氨基 度 二 酸 途 径 ， 尖 多 数 真 菌 中 主要 为 x- 氨基 已 三 酸 途径 。 二 氨基 入 三 酸 途径 :; 开 始 击 天 冬 半 醛 和 丙酮 酸 脱水 缩合 ,产生 环 状 中 间 产 物 一 ?33 一 222 _ ee AMEE, HAA IRL, L.-a) c+ SARE MR, AAW AME CD, L-) BL, 2 后 脱羧 而 成 卫 - BAM. 氨基 已 二 酸 途 径 :， 开 始 于 乙酰 sn 病友 二 酸 合 成 同型 异 检 樟 酸 ， 然后 转变 为 a- 氨 基 已 二 酸 ， 最 后 还 原 成 工 - 赖 氨 酸 。 (图 6-191 二 拟 基 庆 二 酸 途 径 (细菌 ) AMM + KALB . 1 Be ae MRE M) | -2D | COOH TH | 23- 二 所 吡啶 次 酸 a- BRR o- 坪 已 二 酸 | 了 酰 -CoA [ex : ;COOH 局 <4 3a oem BAER be ee sh | jhe ATP | NADPH : | aeaimt-CoA ie ee | ' es HO—C—COOH a= 氨 基 己 二 酸 半 醛 | | CH, pee | COOH — 同型 柠檬 酸 SAB { H.N—OH a H H | H,C—NH—C—COOH 4 cm by — Na COOH i 人 H N-RSB-L,L-aye- Wel oh tha t —AZR—R | CH, H : ,| BY i HON H WAR Het—COOH | MER HO—CH ro COOH iy .{NAD* eG soon BARR eee Be ian | CH;—NH, HC—N iad L,L-a,e~ —R#R—B COOH Le 天 be | Hh—Coow HC—NH, 消 旋 -a,e 二 氨基 庚 二 本 OOH RAR T ext C 一 O 〇 一 ce 一 + * oa LA & Saas COOH by fe CH, CH, HG—NH, bu, a- 酮 已 二 酸 ‘ H 人 ee L-RiAR boon 6-19 MARHEMAR 223 2°3:3. FEAR. RARARAR 三 个 氨基 酸 合成 的 起 点 均 为 丙酮 酸 ， 它 们 都 具有 分 支 的 芳香 族 烃基 。 蜡 亮 氨 酸 和 顷 氨 酸 合成 途径 相似 ， 都 由 活性 乙 醛 开始 ,活性 瑟 醛 接受 两 酮 酸 或 wu- 酮 丁 酸 ， 经 数 步 反应 ， 生 成 w- 酮 异 戊 酸 或 w- 酮 -B- 甲 基 戊 酸 ; gi epee FE i i BR ER EAR. «6 (图 6 -20~21) 苏 氨 酸 GH: 一 C 一 COOH 2 > | wa Fag, 和 aa oo DT > | x0 o-RAT x | CH,—C—C—COOH._, i H 2 ! 人 o- 乙酰 乳酸 ! ( fag. [no bu, a- ZB -a- BTR CH, H ch 二 COOH | CH; H OH a,B-— 33 FRR il i CH,;CH,— —C_coon TOO 806 SS BES Set SOES FS ESSHU UME SSD | i OH OH a,8- =33 . H 有 - 甲 基 异 友 酸 CH, | 4 “ ch-_c_coon : | 人 人 o- FRB CH, CHCl 7 -G--CODH | RA H a “Ap ARR hae | : cu,—tH—C—Coon | HR H | NH; CHs ise BAR 1 CH 一 CH 一 CH 一 人 -cooH NH; Paes 3 异 亮 所 本 图 6-20 顷 氨 酸 的 生物 合成 途径 图 6-21 蜡 亮 氨 酸 生物 合成 途径 亮 氨 酸 的 合成 开始 于 由 丙酮 酸 衍生 而 来 的 乙酰 -CoA 与 - 酮 异 戊 酸 缩合 ， 经 数 步 反应 生成 "- 酮 异己 酸 ,再 转 氨 产 生 亮 氨 酸 : CHs oO. CHs NH2 CHs—CH—CH2z—C—COOH CHs—CH—CH2—CH—COOH o-M ROR , AR 2.3。4 组 氮 酸 ”组 氨 酸 合成 途径 复杂 ， 过 程 中 有 很 多 不 常见 的 中 间 产 物 。 第 一 步 尤其 特殊 ， 即 1- 焦 磷酸 -5- 磷 酸 -核糖 与 ATP RM, 丧失 其 焦 磷 酸 基 而 5- 磷 酸 核糖 和 ATP MHA N’ 形成 一 个 人 - BR. 用 示 踪 法 表明 5- 磷 酸 核糖 提供 了 组 氨 酸 三 个 侧 链 碳 原 子 和 咪唑 环 的 两 个 碳 原 子 。 咪 哗 环 的 一 个 -N = C- 来 自 ATE REM, 环 的 另 一 个 氮 原 子 来 自 谷 所 酰胺 的 酰胺 氮 。 同时 ,从 ITP 的 其 余部 分 可 以 重新 合成 叮 叭 。 另 一 个 特点 是 : 组 氨 酸 的 羧基 由 相应 的 wx- 氨基 醇 氧 化 生成 ， 其 它 所 有 氨基 酸 的 羧基 则 几乎 都 来 自 相 应 224 ——— 的 ac- 酮 酸 。( 图 6-22 ) 反应 的 第 一 步 由 磷酸 核糖 焦 磷酸 - -ATP 磷酸 化 酶 所 催化 ， 该 酶 为 调节 酶 ， 受 终 产物 组 氨 酸 抑制 。 转 氨 H: Y Cc: ‘ < 一 一 来 自 ATP HOOC—CHNH:—CHa—C.. y CH ee ae os 来 自 5-RMRB ui TN KAS ABR A MR 一 图 6-22 组 氨 酸 的 结构 和 来 源 2.3。5 芳香 族 氨基 酸 ”芳香 族 氨基 酸 的 芳香 环 常 由 脂肪 族 合成 ， 莽 草酸 是 关键 性 的 中 间 产 物 ， 而 4- 磷 酸 丁 糖 和 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 则 为 合成 莽 草 酸 的 原材料 。 莽 草 酸 与 AIP、 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 反应 成 为 分 支 酸 。 然 后 分 为 两 支 ， 一 条 经 氨 匣 酸 而 生成 色 氢 酸 ， 另 一 条 生成 茶 丙 酮 酸 ， 后 者 经 转氨酶 催化 而 形成 葵 丙 所 酸 ， 茶 丙 氨 酸 经 羟 化 酶 催化 即 成 为 酷 氨 酸 。 (图 6-23 一 24 ) Aisi a) NH | re ; : OH OH N-(S'- RRA ER) COOH Cy | OH OH N—CH=C—C—G_CH,OPO,I 图 6-23 “芳香 族 氨基 酸 的 生物 合 " ‘ev i 成 途径 之 一 SOL PaO -3- HY By AR 225: 5-RMF TR COOH b_o—Po,H, : Be Bae. HB | eae CHO on OOH £ eet, 4- PET BEE | Ti 3 一 (一 HCOH LW? >< SH “Ta H OH CH,OPO,H, 3-JR RRP MR 5- RR | iy 3- 脱 氧 -0 CH, Cae HOCH 阿拉伯 庚 酮 糖 酸 7-RR coo :本 sd - ; HCOH ae HEOH 7CH,OPO,H; = O COOH ‘a H H | 羟基 化 Hojo] Con 5 二 相关 bo oH . ! 图 6-24 芳香 族 氨 基 酸 的 生物 合成 途径 之 二 2.3.6 “氨基酸 的 前 体 作 用 ”氨基酸 是 很 多 具有 生物 学 功能 的 生物 分 子 的 前 体 ， 这 些 生 物 分 子 有 激素 、 维 生 素 、 辅 酶 、 生 物 碱 、 中 啉 、 抗 菌 素 、 色 素 和 神经 递 质 。( 表 6-2 1) 226 _ 表 6-2 ERAS A AEA HAR | 5 AR | 色 氨 酸 RE Rh FE ER Hg 丝氨酸 5-2 天 冬 氨 酸 Ht Ze RE RRE 喀 啶 BAR 5] WE 谷 氨 酸 FE RK ome 7s eH Bk 去 甲 肾上腺 素 We] WE Z, HAR 甲状 腺 素 AR mM ME 遍 多 酸 (泛酸 ) 4 eH tk 黑色 素 青霉素 BU 墨 斯 卡 林 #AB eee a RE PRE 组 氨 酸 和 -可 待 因 a ir FE in os mat ea ARAM PAH | COOH 2 5- 氨 基 乙 酰 丙 酸 ， gpsttcon K ii CH > 2H,0 O=(-S—coA ms Hoof CH 一 coot CH: 一 NH: HAR CH, CH, | toon 站 上 oc ti CoA Gu, -、N tin, COOH . ‘i mn 胆 色 素 原 bs, a- it -B-M OX | “=o 天 一 NB CH, CH=CH, COOH rs CH—*c. ——CH co, 人 yt | GE C=C—CH, Ss GOGH . oi | pe HN “| 5 in; Sty is a C=C—CH=CH, 6 etoon # pS aD raw CH, CH; NH; shes eooH JAap AK PE6-25 NOK SR YA AR ARH RRFAWhit RF. 227 BER HB EP ie ER MAE Dae, A Obey ee A. Ai te 素 和 叶绿素 结构 的 主要 成 分 。 甘 氨 酸 是 叶 啉 生物 合成 的 一 个 主要 前 体 ， 甘 氨 酸 先 与 琥珀 酰 畏 酶 A 酶 促 合成 a- 氨基 -B- 酮 已 二 酸 ， 再 经 多 步 反 应 生成 原 中 啉 。 铁 是 后 来 结合 进去 的 卢 铁 的 结合 需要 一 个 酶 一 一 血红 素 合成 酶 或 铁 苑 合 酶 ， 该 酶 位 于 线粒体 中 。 (图 6-25 ) 第 三 节 ， 核 共 酸 及 多 核 莫 酸 的 生物 合成 31 单 核 音 酸 的 生物 合成 核糖 核 苷 酸 和 脱氧 核糖 核 苷 酸 的 生物 合成 是 一 个 重要 的 过 程 ， 因 为 核糖 核 华 酸 和 脱氧 核 糖 核 苷 酸 分 别 为 RNA 和 DNA 的 直接 前 体 ， 而 且 也 是 核 苷 酸 类 辅酶 的 前 体 。 单 核 苷 酸 上 第 物 合成 的 中 心 是 其 碱 基 一 一 味 叭 和 喀 啶 的 形成 。 除 少数 细胞 外 ， 几 乎 所 有 生物 都 能 由 很 简单 的 Bi A IS AE OE SE : tas 一 一 单 核 苷 酸 生物 合成 的 一 个 重要 特征 是 该 途径 中 有 几 个 变 构 控制 系统 ， 合 成 过 程 受到 严密 调控 。 细 胞 利用 氢 源 和 中 间 产 物 十 分 经 济 ， 除 重新 合成 外 ， 很 多 细胞 还 可 以 再 度 利用 核 苷 酸 水 解 时 产生 的 游离 厌 叭 和 喀 喧 。 后 同位 素 实验 表明 ， Wo ME RUA EAC I RAEN. CO, AURAL 3-1-1 ROBTBHEDSR BOW MARKET HRRHREA, CRHAB AMIE, TGC’ 是 甘氨酸 的 o- 碳 。N: 来 自 天 冬 氨 酸 (或 谷 氨 酸 ) 的 氨基 。 N° MN HARB. C* 和 C 来 自转 酰 四 氢 叶 酸 的 甲酸 基 ，C" 由 CO， 而 来。 原 叭 核 中 个 别 原子 的 来 源 可 用 图 6-26 表示 。 6-26 RRB HS ART WR 叭 核 苷 酸 的 合成 不 是 首先 形成 叮 吟 环 ， 然 后 连接 核糖 与 磷酸 ;而 是 先 形 成 一 个 开 环 的 REBAR, 然而 再 闭环 生成 味 吟 核 苷 酸 。 哇 叭 生物 合成 的 前 体 为 糖 代 谢 的 中 间 产 物 核 糖 -5- 磷 酸 ， 经 十 多 步 反 应 生成 鸟 味 叭 核 背 酸 和 腺 味 叭 核 苷 酸 。 (图 6-27) 叮 叭 核 苷 酸 生 物 合成 的 调节 主要 在 反应 (1)、(2)、(12)、(14)。 反应 (1) 由 5- 磷酸 核糖 焦 磷 酸 (简称 PRPP ) 激酶 所 催化 ， 该 酶 被 AMP、GMP 和 IMP 反 馈 抑 制 。 反应 (2) HEARN 3 -磷酸 -核糖 -5 - 焦 磷 酸 栈 胶 转移 酶 所 催化 ， 被 很 多 嗓 叭 核糖 核 苷 酸 反 馈 抑 制 ， 该 反应 为 叮 叭 核 昔 酸 生物 合成 的 限 速 步骤 。 反应 (12) 由 腺 味 吟 核 苷 酸 琥珀 酸 合成 酶 (5AMP 酶 ) 催化， 反应 (14) BRAY BE 酸 (IMP ) 脱 氧 酶 催化 。 这 两 个 反应 的 冶 物 均 为 IMP， 它 们 分 别 为 其 终 产 物 AMP 和 GME 所 228 ti A 4 -WWANX (31) MEMdNI (FI) 6 WW (Sl) MWEANVS (21) MAMAN (IT) «FE We CH MWh W-p-HW-S)AVOIV (Ol) = a PE He HEM Au (6). AS CO Ge (SE YEN) With B-p-FEW-SIUVOIVS (8) WABUIV (2) MWY (WHA MMEW-S)UIV (9) A WWAVD-Wh (GS) MEWHAUVD (7) MWSCALAWHHUVD (©) MAHWWddid (2) ‘MM ddUd) Wey HAW M-S (1) AEWA THARM WY MEAWMM RE “¢€ REWARAWMERWOMARBH -V ARUSARPALAwm 17-9 国 : WG a ; : ween = NW NH MeN NAN oHo .ED SANS oe . CT NTH 2 Ba «J NH One” Ser 'dd‘dW ak 7 了 iat BHA wwe Toe = ~ A 4 'a'dave—\ .. 法 a tk | I 天 (9 六 “aise ; dh "" sha 在 4 | : dV Ar N 了 HN. NH , N H Bey 4 | | ? "HN one Ls. OH o OH ‘'d'dav dlV if HAWN (ST) ie ie (PT) a ‘dav | wee -QVN (S) 3A GHEY WA Hs R-d z ‘ 3 y% «a q- ea ， OF elvan (21) - 1 | ha d~ 洲 举 N Ny Ha Weh-otN'sN "HA ce ° £3.83 Awey e+ © | NH - s 3 和 daaD “daLD (¥) OHD、 wt? H-0 一 H 中 4 H'OD 机 Oo OH ‘amy > H a5 a -zH?0Id0 ante 229 反馈 抑制 〈 图 6-28). AMP(- ) 下 > Bx +f BEBE HA BR—>» AMP 核糖 5- 磷酸 一 一 I 一 一 > patti EVER Sack Tes IMP te hai - | — 3088 BF BB —> GMP M IMP. AMP, GMP oo ae (-pF (-) PL 6-28 mE Ay A REE 3"1 "2 AME ARE RAYE Pree MEE A RAE Hy we LOE A, Te 叭 核 苷 酸 不 同 ， 喀 啶 环 由 其 开 链 前 体 合成 后 再 连接 核糖 磷酸 。 同位 素 实验 证 明 ， 喀 啶 环 的 前 体 是 天 有 委 氨 酸 、 CO, 和 NH。， 侣 成 途径 经 实验 证 明 如 图 6-29。 tt Nee Bias fa | ee RRR . CH CO eS Ni C—O a. ~ Sh ee en! ae | eu Pe gio. od a 5- ab 2 BL 迹 酸 核糖 彰 1- 焦 磷酸 g 3 i NH, Hi Wis a 6-29" “REDE A PP, 425 ‘ Hooc—cr,—cn COOH ‘ . 物 合成 途径 Oo , 天 冬 氨 酸 ances KRAB HN7“Ncy (DRLABE RH OB (2) 转 氨 甲 本 本 0 一 cc 一 CO0H (3) 二 氢 乳 清 酸 酶 a on (D2 ALR Ho. 9 er ie C5). RE A — A ey 0 Nees wf 6) FLY REG HES” - RR AL ei eee” H H oa c- 人 BC-cooH ts Mis | | N Jane 乳 清 酸 核 昔 5 ee +10 || -no 二 气 乳 清 酸 本 atime: (a) | > ~BRBUR Ibm e Neo ee “CH, 3 < o= 以 BC 一 COOH | +o Sta eee HN ~cH (4) O=C_ CH ie ||“? —scna meu OF HO—P—O- CH, 0. , if H H HN“ CH H H O=C. -©—COOH OH OH 4 aim 尿 喀 啶 核 茸 5 '— BARD 230 RERAMWHRARA, 五 应 中 承 苷 酸 首 先 转变 为 UIP， 然 后 加 氮 生 成 CIF。 能 量 由 ATP 供 给 ， 氨基 供 体 在 大 肠 杆 菌 中 为 游离 氨 ， bph Secs aadighcepist pte RMA: UMP + ATP=UDP + ADP UDP + ATP=—UTP + ADP UTP +NHs + ATP——>CTP+ADP+Pi =~ WEE EE PRA Do CR EES Hd BO RA BF CATC Re) ， 大 肠 杆 a ae Hh MEE TT A LR CTP 抑制 ， CTP 的 抑制 幅度 因 底 物流 度 而 异 ， 最 高 FE 00%, ATP 为 酶 的 活化 剂 ， 酶 和 底 物 的 亲和力 可 因 全 TP 而 升 高 。 ATP 和 CTP 竞争 meat ATC 酶 的 调节 部 位 止 ， 由 于 高 浓度 的 ATP 可 把 结 合 在 酶 上 的 CTP 取 代 下 来 ， 因而 不 能 显示 CTP 的 抑制 效应 。 和 1 六 TP 活化 ATC 茸 的 生物 学 意义 是 双重 的 。 第 一 ， 它 有 助 于 协调 味 叭 与 喀 啶 这 两 类 核 和音 酸 生 成 的 相对 速度 ， 便于 在 核酸 合成 时 均衡 地 供应 必需 的 四 种 核 苷 酸 ， 第 二 ， ATP 还 可 DH a REE AEE PR AE in Pw HE EA PE UMP 磷酸 化 为 可 了 反应 中 都 需 ATE， 如 果 这 些 反 应 加 速 了 ， ATC MIR ARMA mM, A AE Pe BEE | 棕 核 酸 的 香 成 ， 因 此 机 TP 对 ATC 酶 的 活化 可 调整 整个 合成 过 程 的 运行 速度 。 末 下 3， 赔 氧 核糖 核 董 酸 的 生物 合成 作用 ”脱氧 核糖 核 苷 酸 与 核糖 核 苷 酸 的 区 别 在 于 前 者 含 脱氧 核糖 ， 后 者 含 核糖 。 同位 素 示 踪 的 实验 表明 脱氧 核 烽 核 音 酸 正常 时 是 由 相应 的 核糖 Be BAR Co 直接 还 原 而 成 。 核糖 核 苷 酸 的 直接 还 原 有 两 条 途径 。 一 是 大 肠 杆 菌 途径 : MPR CADP, GDP、UDP、 和 CDP ) 都 能 直接 还 原 成 相应 的 脱氧 核糖 核 背 酸 ADP, dGDP, dUDP 和 dCDP) ， 分 别 由 四 个 不 同 的 酶 所 催化 ， 而 整个 氧化 还 原 过 程 需要 四 种 不 同 的 酶 蛋白 全 加 ， 即 疲 氧 还 蛋白 、 硫 氧 还 蛋白 还 原 酶 : BRA Bi MBL. 还 原 时 需要 的 氧 最 终 由 NADPH 供给 ， 但 直接 的 电子 供 体 不 是 NADPH, 而 是 硫 氧 还 蛋 身 ， 它 由 .108 个 氨基 酸 残 基 所 组 成 ， 含 有 两 个 游离 的 SH 基 ， 能 被 可 逆 地 氧化 还 原 。 硫 氧 还 蛋白 还 原 酶 分 子 量 为 68,000， 为 含 两 分 子 FAD 的 黄 素 蛋白 。 Bi 和 B。 被 认为 是 核糖 核 童 酸 还 原 酶 的 不 同 亚 基 ， 可 能 参 与 核糖 核 苷 酸 的 变 构 调节 作用 5 AT RM 3 A OS 下 六 氧 还 蛋白 《上 + NADPH + 于 一 一 wie 4 -(SH)2 + NADP? y AALS «GERD (WHER ASH): +NDP eee rmmaEmAC | + aNDP BS ‘ERHRARA PNR, RMPUNTP ARM, AiR AER B.. 的 辅酶 参加 。 ee eet ey eres aU MPS PAE IL IE we dTMBR 志 反应 过 程 需要 有 含 叶 酸 的 辅酶 传递 甲 基 。 | | | BIO REA PB BT 5 — BER Ee AE ER AA. BERR EE AE aT 的 还 原 是 由 ATE 引发 的 ，dATE 积累 可 引起 反馈 抑制 。 3-2 多核 苷 酸 的 生物 合成 BRK DNA 复制 和 RNA 转录 的 详细 机 制 将 在 “遗传 "部 分 中 详细 讨论 ， 本 节 只 阐述 与 多 231 核 苷 酸 生 物 合成 有 关 的 一 些 酶 ， 包 括 与 复制 和 转录 有 关 的 酶 系统 。 3"2. 上 与 复制 有 关 的 几 个 酶 包括 DNA 到 合 酶 与 连接 酶 等 。 DNA RAM: DNA 育 合 酶 主要 作用 为 催化 DNA 合成 。 在 原核 细胞 中 现 已 分 离 得 到 DNARAH1. IMT, DNA 细胞 内 复制 是 个 很 复杂 的 问题 ， 现在 还 没有 完全 解决 。DNA 聚合 酶 1 、 工 看 来 并 非 细胞 内 复制 的 主要 “复制 酶 沁 , 在 生理 情况 下 。 RAM 工 的 功能 主要 是 去 除 DNA 合成 时 的 引子 链 ， 并 在 去 除 引子 后 填补 空隙， 聚合 酶 工 可 能 在 体内 修复 DNA 损伤 时 起 着 重要 作 用 。 聚 合 酶 蕊 可 能 是 主要 的 复制 酶 ,能 在 一 个 长 的 DNA 模板 链 上 高 速率 地 进行 聚合 作用 DNA RAMI: 由 :90,000 公 斤 大 肠 杆菌 中 分 离 出 600 毫克 DNA RAM 1, 、 按 此 数 据 计 算 ， 每 个 大 肠 杆 菌 细胞 中 约 含 该 酶 400 分 子 。 酶 分 子 量 109,000， 由 单条 多 肽 链 组 成 。 DNA RAM | RRMA DNA 外 ， 还 有 核酸 外 切 酶 功能 ， 可 “校正 DNA 合成 时 REWBR. DNA RAM 1B DNA 合成 时 ， 需 要 一 个 DNA HRRBA- TRAM “SIF” 链 (多 数 实验 室 证 明 为 RNA ) 。 该 酶 能 识别 “引子 ” 链 的 3′ ht, 并 选取 合适 的 三 磷酸 核 苷 ， 使 它 与 模板 链 的 下 一 个 碱 基 配 对 结合 ， 然 后 催化 焦 磷 酸 取代 ， 将 新 的 核 苷 酸 单 体 连 接 fe “SIF” GER 3′ 端 。 该 酶 用 这 种 方式 把 单 链 的 模板 DNA 转变 为 双 链 DNA ,， 后 者 分 子 中 每 个 点 上 两 链 的 碱 基 都 是 互补 的 。 合 成 过 程 中 需要 四 种 5' -三 磷酸 脱氧 核 苷 小 即 dATP, dGTP, dTTP 和 dCTP 。 并 且 需 要 Me**, (图 6-30) 图 6-30 DNA 娟 合 酶 I 作用 的 示意 图 在 某 些 情况 下 ,DNA RAKE I 可 向 一 个 DNA 链 的 34- OH 端 逐 渐 水 解 DNA ,产生 单 核 HR. Am, DNA RAEI 又 是 一 个 3 一 5” 外 切 酶 ，DNA RAK I 的 外 切 酶 活性 约 为 聚 合 活性 的 1/10 ， 作 用 的 条 件 为 : 切 去 的 核 苷 酸 必须 具有 一 个 游离 的 3 -O 互 端 ， 而 且 这 些 核 苷 酸 一 定 是 不 能 与 另 一 链 的 碱 基 互补 的 ， 所 以 不 成 为 双 螺 旋 结构 的 一 部 分 。 DNA RAB I 的 3 一 5 外 切 酶 活性 可 以 纠正 聚合 时 发 生 的 廖 误 ， 如 图 :6-31 中 所 示 ， HRI CAF 酸 ) 长 链 与 互补 的 聚 d4A MARR KRAB RH MR, RATS’ ARTIC | Ch AWB) RE, 因为 C 与 A 不 能 互补 ， 因 而 不 形成 氢 键 。 当 加 入 DNA RAM 1 MdTTP 时 ， 错 误 的 dC 残 基 先 行 水 解脱 落 ， 然 后 dT 残 基 被 配对 加 入 。' 用 大 工 合成 的 各 种 聚合 物 所 作 试 验 表 明 :”DNA- 聚 合 酶 工 在 进行 聚合 前 总 是 移 去 引子 末端 错误 的 残 基 。 如 果 末 端 是 正确 Wit Bae HY dNTP 就 在 近 旁 ， 就 可 避免 3 端 水 解 反应 而 立即 开始 聚合 作用 。 由 于 碱 基 对 的 双重 控制 ，DNA 的 复制 很 准确 。 只 有 碱 基 配 对 成 为 双 螺旋 ， 聚合 作用 才 SHR. 而 且 如 果 前 一 个 反应 有 错误 ， 在 下 一 个 核 背 酸 被 加 入 前 就 可 以 更 下 so hk, DNA 双 合 酶 工 在 继续 加 六 下 一 个 核 苷 酸 之 前 ， “检查 ”了 它 记 催化 的 每 个 聚合 作用 的 结 232 Be | DNA 聚合 酶 工 也 可 以 由 链 的 5” 端 | 起 始 水 解 DNA 。 这 种 5/->3/ 的 核酸 酶 活性 ， 和 srTFT pe 前 面 讨论 的 9/5! 外 切 酶 活性 很 不 相同 。 首 See AT ea ean th tia! 先 ,- 分 解 的 键 必须 在 双 螺 旋 区 第 二 ， 分 解 可 at 以 发 生 在 5 端 或 离开 5 Sit 几 个 残 基 的 磷酸 | ie ‘ 三 酯 键 处 《自由 羟基 或 与 磷酸 结合 的 羟基 ) 5 AAU B=, 5/3! 核酸 酶 活性 可 被 同时 进行 的 DNA: 合 成 作用 提高 ;第 四 ，5“ -3 核酸 酶 活 A I 5 is eae es a A al oo tad 性 与 聚合 作用 的 活性 部 位 DL Be 3’ +5! 水 解 活 SEE 性 部 位 完全 不 同 。 对 酶 蛋白 进行 有 节制 的 水 解 时 ，DNA ABE 工 可 分 解 为 75,000 和 36,000 道 尔 顿 的 两 个 片段 。 小 片段 具有 全 部 原 有 的 5“~>3/7 核酸 酶 活性 ， 而 大 片段 具有 聚合 酶 和 -3/->5’ BBM. Alt, DNA SHI 图 6-31 DNARAB I 的 双重 水 解 酶 活性 在 一 条 多 肽 链 上 至 少 有 两 种 不 同 的 活性 部 位 。 A. 3 一 5/ 核 酸 外 切 酶 活性 ; 5/3 核酸 酶 活性 的 生理 意义 可 能 是 协 By 5 SRR ie Ee 助 3 一 5 核酸 酶 的 作用 ， 而 以 另 一 方式 更 正 复制 时 的 雇 误 。5“ >3 核酸 酶 的 重要 作用 还 表 现在 可 以 切除 DNA 受 紫外 光照 射 而 生成 的 喀 啶 二 聚 体 。 由 于 喀 啶 二 聚 体 不 能 进入 双 螺 旋 内 ， 会 阻碍 复制 的 进行 ， 切 除 喀 啶 二 聚 体 并 进行 修复 后 即 能 继续 复制 。( 图 6-31 ) DNA RAMIALARTKDT AP, WS MIRT DNA RARE I 的 25% 。 两 酶 与 酶 工 性 质 上 相同 处 在 于 : 第 一 ， 它 们 都 用 三 磷酸 脱氧 核糖 核 苷 前 体 在 模板 上 直接 合成 DNA， 都 需要 一 个 有 着 自由 -3 -O 瑟 的 引子 ， 合 成 方向 都 由 5 一 3 第 二 ， 都 具有 3“ 一 5′ 外 切 酶 活性 ， 水 解 了 NA 链 3 TRON AHR. PR GA I 不 同 处 在 于 : 第 一 ， 两 酶 没有 5 > 3' 核酸 酶 活性 ; 第 二 ,两 酶 修复 DNA 双 链 中 一 链 短 裂 口 的 能 力 较 强 ， 而 聚合 酶 工 则 适应 于 “修复 ” 双 链 中 比较 长 的 单 链 区 段 。 DNA 聚合 酶 工 的 生理 作用 还 不 完全 清楚 。 一 个 大 肠 杆菌 变种 的 提取 液 只 呈现 正常 活性 40.1% 。 该 变种 〈 叫 做 polB:) 生长 正常 并 且 对 紫外 辐射 和 化 学 诱 变 物 与 野生 型 一 样 敏感 。 DNA RAM LAB DNA 的 复制 是 必要 的 。 来 自 突变 种 的 证 据 证 明 ，DNA 复制 时 的 正常 温度 条 件 是 30°C 而 不 是 45C。 但 某 些 对 温度 敏感 的 变种 称 为 dnaE 变种 ， 它们 的 DNA AS TAtEFE 30C 时 正常 ， 而 在 45 了 则 很 低 或 失 活 。 这 些 dnaK 变种 在 两 种 温度 条 件 下 ,聚合 酶 和 工 的 活性 均 正 常 。 因 此 说 明 DNA RAK 下 是 细菌 温度 敏感 性 的 决定 因子 。 Re he LMR: 不 久 前 确定 了 病毒 由 174 和 MI3 复 制 时 首先 由 有 感染 力 病 毒 的 环 状 单 链 了 NA 转变 为 环 状 双 链 复制 型 《REF) ,然后 环 状 双 链 经 数 次 复制 生 成 .若干 个 RE 环 ， 后 者 作为 合成 病毒 (+)DNA 单 链 的 模板 ， 合 成 的 病毒 (+) DNA 又 BAD RAM WRK 壳 中 .上述 过 程 中 .由 X174 和 M13 均 需 有 寄主 细菌 细胞 中 一 种 DN 六 聚合 酶 下 ”( 聚 合 酶 下 的 多 Rik) 参加 ， 此 外 ， 还 需要 共聚 酶 下 ， 该 酶 分 子 量 为 47,000。 聚合 酶 五 和 共 育 酶 下 "的 混 Sak REBT SH) 活性 最 大 。 该 系统 还 需要 亚 精 胺 、 人 ITP 以 及 4 种 三 磷酸 脱氧 核糖 BE. 真 核 细 胞 的 DNA RAMA. BAY SR, CNERREFEY. 233 特异 的 RNA 合成 酶 :发 现在 M13 和 由 X174 病毒 复制 生成 RF-DNA 时 ,需要 先 由 RN 久 聚合 酶 合成 小 片段 的 RNA (~100 BAB) 作为 DNA 合成 作用 的 “引子 所 5 该 酶 对 利 福 SHR BUR, bX174 中 该 酶 分 子 量 为 64,000。 EM: 可 催化 两 个 DNA BZA RAB RR. DNA 复制 在 分 岔 点 上 进行 刀 BA 反 向 、 平 行 的 DNA 链 作为 新 DNA 合成 的 模板 ，。 因此 新 合成 的 子 链 中 一 条 必须 机 5-> 3 另 一 条 则 必须 由 3’ 5’, 然而 3 个 已 知 的 DNA 聚合 酶 合成 DNA HMB 5’ +3’, 而 不 是 3/>5/ 的 。 SUR 3’ 5! 的 子 链 实际 上 是 由 很 多 5’ > 3’ 合成 的 DNA HBR Chil 片段 ) (SPERM AYE DISET ST BY. 连接 酶 作用 于 一 条 DNA 链 末 端的 游离 O 百 基 和 另 一 条 链 5/ DRIES | 这 些 基 团 生 成 磷酸 二 酯 键 的 反应 要 吸收 能 量 。 在 大 肠 杆 菌 和 其 它 细菌 中 需要 NAD 亿 而 在 某 些 动物 细胞 和 噬菌体 中 需要 ATP Si; O wi it Beet ae 1 Mo DNA pe ise pe eeey q oe ie [DNA |—3’—OH + “O— ] 人 | DNA# pig —O-5' “|DNAE | -0 stk 反应 过 程 中 ，ATP 或 NAD+ 先 与 DNA 连接 酶 反应 ， 形 成 一 个 酶 -AMP 共 价 复 省 物 ， 其 中 人 AMP iS OPM SAG AUB AMAL es- 氨基 连接 ! “接着 酶 复合 物 中 的 人 MP 5 5’ ti DNA 结 合 ， 活 化 了 DNA 的 5 端 ; 最 后 一 步 是 3 -OH 基 与 这 一 个 活化 的 磷 诛 子 进行 亲 核 反应 ;形成 磅 酸 盖 柄 键 并 释放 AMP 。 同 时 焦 碍 酸 水 解 。 因 此 ， 当 ATP 作为 能 源 时 使 丙 和 DNA 链 通过 一 个 磷酸 二 酯 键 而 相连 ， 同 时 消耗 两 个 高 能 磷酸 键 。 E+ATP (或 NAD; ) = >=E—AMP + PPi (或 NMND) E 一 AMP+ 磷 酸 一 5/ —DNA=—=E +AMP 一 兢 酸 一 5 一 DNA DNA—3’—OH + AMP—#mM—5’ —-DNA===DNA—3’—O—#R—5’ =bNA +AMP.. . DNA—3/—OH + 8} @—5’—DNA+ ATP( RNAD*) ===DNA—3’—O—#R—5’ 一 DNA +,AMP + PPi)( & NMN >: DNA 连 接 酶 尚 有 下 列 性 质 ， 即 DNA 连接 酶 不 能 连接 两 分 子 单 链 .DNA， MHBAERR fe DNA 分 子 的 一 部 分 。 研究 模式 系统 表明 ，DNA 连接 酶 只 有 当 断 裂 处 前 后 至 梢 存在 数 钻 碱 基 对 时 ， 才 能 形成 磷酸 工 酯 桥 ; 而 在 双 链 中 不 配对 的 单 链 区 不 能 形成 ,1 Bb, DNA 接 酶 起 了 封闭 双 螺 旋 了 NA 碳 架 中 裂口 的 作用 。 这 种 连接 过 程 对 DNA 的 正常 合成 、 和 使 已 破 坏 的 卫 NA RHEL, UREA DNA 链 的 琶 接 都 是 必要 的 ， | 其 它 蛋白 质 因子 : DNA 的 改制 是 个 复 杂 的 过 程 ， 除 DNA RAM. RNA RAB. 解 链 蛋 白 以 及 DNA 连接 酶 外 ， 还 有 很 多 其 它 蛋 白质 参与 作用 。 HEX BAT, ne a 因子 。 | A Blin, WAR ts oxa74 的 基因 A 对 复制 的 起 始 作 RH. ROMEA A 的 产物 为 分 子 量 为 56,000 WEAR, ” 它 能 结合 在 RF 病毒 链 开始 复制 的 虱 BES A Re Ie » “BF” RNA 才能 合成 。 Min, 有 人 认为 一 个 特异 地 水 解 杂交 RNA-DNA 的 核糖 核酸 酶 ， (RNase H). 可 以 从 新 合成 的 DNA 链 上 移 去 “引子 ”RNA。 32°2 RNA 转录 中 一 个 重要 的 酶 一 一 依赖 DNA 的 RNA RAM AP RNA 都 是 HRNA 聚合 酶 合成 的 。 大 肠 杆菌 中 RNA RAMAK RNA 需要 下 列 成 分 ， 234 二 第 二 外 模板 : 较 好 的 模板 是 双 链 DNA， 单 链 DNA 也 可 以 作为 模板 ， RNA (HH RW 链 》 则 不 是 一 个 有 效 的 模板 | w=)" 活化 的 前 体 : 四 种 三 WBF — ATP. GTP, UTP Ml CTP 全 部 都 是 需要 AY: 第 三 ,三 价 金 属 离子 ge 或 Mn?* 是 有 效 的 。 samy EEE 离 体 试 验 时 Mn?2+ 可 代替 Mg2+。 | RNA GRE HEL RNA 链 的 逐步 加 牙 ，， 它 的 反应 为 : “RNA GRID + 三 磷酸 核 并 一 RNA CRE) HPPi | RNA 的 合成 作用 与 DNA 在 几 个 方面 是 相似 的 : B—, Ams’ 3; BO, BM 链 的 延长 方式 是 相似 的 ， 都 是 由 三 磷酸 核 音 的 y 位 磋 酸 与 正在 生长 着 的 多 核 疹 酸 链 未 端 3? -OH 进行 THER MERARORS, =, CREPE. RNA 合成 作用 不 同 于 DNA 的 有 下 列 方面 ， H—, RNA RABRBBAFs BR, DNA Biz RNA 合成 中 完全 保守 原状 ， 而 在 DNA AREER: BS, RNARA 酶 不 表现 核酸 酶 活性 。 ta aa PASE RNA—mRNA, tRNA Al rRNA, 在 大 肠 杆 菌 中 都 是 由 同样 的 RNA RAM, RIK DNA 模板 的 指令 生成 的 。 在 哺 屯 动物 细胞 中 刚 有 不 同 种 类 的 RNA 聚合 酶 。 See AER ANS Aras RNA 合成 酶 类 与 宕 主 细 胸 非 常 不 同 ， RNA 聚合 酶 由 一 个 DNA 模板 得 到 指令 ， HHA: BARA RNA BY DNA 模板 链 互补 的 。 WRIA CAT) 作 模 板 ， 只 有 一 种 三 磷酸 核 苷 (ATP) 被 结合 进 新 的 多 核糖 核 苷 酸 链 中 。 如 果 用 聚 d (A-T) PERNA 聚合 酶 的 模板 ， 则 UTP 和 ATP RAAT HM HK d (A-U) . ARE 6X174DNA 作 模板 ， 分 析 合成 RNA 的 碱 基 组 成 ， 进一步 证 明了 RNA 产物 和 DNA 模板 之 间 的 互补 关系 。 通常 DNA 的 两 条 链 中 只 有 一 条 DNA 链 在 基因 组 的 特定 区 内 转录 ， 用 OX174 噬菌体 感染 大 肠 杆菌 所 作 的 杂交 试验 ， 证 明 只 有 一 条 DNA 链 被 转录 。 由 X174 噬菌体 含有 一 条 DNA 正 链 (+*)， 当 (+ ) 链 进入 细菌 之 后 ， 合 成 了 互补 的 DNA 负 链 〈- ) ， 生 成 一 个 环 状 的 We DNA 分 子 〈RF- 复 制 型 ) 。 RF-DNA 指导 合成 mRNA， HAMAR MM 菌 体 蛋白 质 。 用 °*P- 磷酸 加 入 刚 被 bX174 感染 的 大 肠 杆 菌 /， BST AONE KK, 分 离 出 标记 的 mRNA, REF-DNA 分 离 为 正 与 负 链 ， 然 后 进行 杂交 试验 ， 测定 新 合成 的 mRNA 互补 于 哪 条 链 。 结 果 表 明 只 有 RF-DNA 的 负 链 与 标记 mRNA 杂交 。 测 定 邻 近 碱 基 顺序 也 得 到 同样 结果 。 因 此 ， 体 内 只 有 由 X174 的 一 条 RF-DNA 链 作为 转录 模板 。 用 病毒 T7、SP8 和 所 作 的 试验 结果 也 相同 。T。 和 X 噬 菌 体 则 更 为 复杂 ,在 其 基因 组 某 区 域 中 ， 双 链 中 的 一 条 链 作为 模板 ， 而 在 另 一 区 域 中 则 由 互补 的 另 一 条 链 作为 模板 。 大 肠 村 菌 也 有 此 现象 。 第 四 节 ” 归 白质 的 生物 合成 蛋白 质 的 生物 合成 是 一 个 复杂 而 重要 的 生命 活动 ， 它 在 细胞 中 能 够 进行 得 十 分 迅速 有 效 而 且 又 细致 精巧 ， 完 全 依靠 分 子 水 平 上 的 严密 组 织 和 准确 控制 。 有 很 多 种 生物 大 分 子 参加 这 个 过 程 ， 它 们 分 工 合作 ， 各 尽 其 责 ， 共同 完成 这 个 反映 生命 本 质 的 生物 学 过 程 。 这 些 大 分 235 子 ， 有 的 是 核酸 ， 有 的 是 蛋白 质 。 确 定 蛋白 质 结构 的 是 mRNA, :每 一 种 蛋白 质 就 需要 有 一 种 特异 的 mRNA 供应 结构 信息 ， 如 果 是 多 种 亚 基 的 蛋白 质 ， 就 要 有 与 组 成 肽 链 种 数 相等 的 mRNA 分 子 链 提供 信息 ， 例如 血红 蛋白 由 两 种 (四 个 ) WHE (oz 及 Bx) AR, WH mRNA 就 应 有 两 种 。 转运 核糖 核酸 (tRNA) 是 输送 各 种 氨基 酸 参 加 肽 链 合成 的 必要 媒 介 ， 每 一 种 氨基 酸 都 有 它 特 异 的 tRNA ， 因 此 20 多 种 氨基 酸 就 有 几 十 种 不 同 的 tRNA。 每 一 种 氨基 酸 与 它 特定 的 tRNA 相 结合 时 都 需要 有 一 个 特异 的 酶 催化 ， 因 此 就 应 该 有 20 种 以 上 不 同 的 氨基 栈 -tRNA 合成 酶 。 蛋 白质 合成 的 场所 在 核糖 核 蛋 白 体 -上 它 是 由 三 种 核糖 核 蛋白 体 核 糖 核酸 (rRNA) 和 几 十 种 蛋白 质 所 组 成 ， 简单 的 如 原核 细胞 中 有 50 多 种 蛋白 质 ， 而 真 核 细 胞 更 为 复杂 ， 由 80 多 种 蛋白 质 组 成 。 在 合成 时 还 需要 有 10 种 左右 可 溶性 蛋白 质 分 子 作 为 辅助 因子 。 此 外 ， 合 成 时 由 ATE Al GTP 供应 能 量 。 从 分 子 生物 学 的 角度 看 ， 蛋 白质 的 生物 合成 是 把 核酸 的 结构 信息 转换 成 多 肽 链 的 结构 信 息 。 在 蛋白 质 生 物 合成 时 ,直接 提供 合成 蛋白 质 结 构 信 息 的 是 信使 核糖 核酸 (mRNA) , 而 以 核糖 核 蛋 白 体 为 中 心 的 蛋白 质 合 成 机 构 就 无 保留 地 服从 mRNA 的 指挥 ,， 合成 按照 遗传 信息 所 规定 的 多 肽 链 ， 因 此 ， 就 称 这 种 过 程 为 “转译 ”。 在 将 核酸 的 “语言 ”翻译 成 蛋白 质 的 “语言 2 时，“ 译 员 ” 是 tRNA ,因为 它们 既 能 读 懂 核酸 的 “语言 ”,， 又 能 读 懂 和 蛋白质 的 “语言 2 此 外 它 起 着 供应 合成 材料 的 作用 ， 即 将 氨基 酸 输 送 到 核糖 体 上 去 ， 有 时 还 起 “ 调 度 员 ? 的 作用 ， 当 材料 缺乏 时 ，“ 通 知 ” 细胞 停止 蛋白 质 的 合成 。 核糖 核 蛋 白 体 首先 起 “ 编 辑 ” 和 “校对 ”作用 ， 它 能 根据 mRNA 所 录 的 符号 ， 排 上 正确 的 字母 ， 纠正 错误 的 “的 法 ”和 “ 别 字 ”， 并 在 “印刷 机 ”上 连 成 语句 。 各 种 辅助 性 蛋白 质 因 子 ， 有 的 能 “装配 ”和 “启动 ” 合 成 机 器 ， 有 的 能 “装配 ”和 “搬运 ”半成品 ， 有 的 则 “关闭 ” 和 “ 拆 务 ”合成 机 器 。 但 是 ,它们 都 不 能 写 “ 文 章 ”， 而 只 是 提供 “素材 ”,， “文章 ”要 让 细胞 去 做 。 蛋白 质 生 物 合成 过 程 可 以 简单 地 分 成 四 个 步 又， 即 : 氨基 酸 的 活化 、 转 译 的 启动 、 肽 链 的 延长 和 转译 的 结束 (1) 氨基 酸 的 活化 : 氨基 本 -tRNA 氨基 酰 -tRNA 合成 酶 式 合 Bets Ax ATPY wun AX -AMP tRNAX AX —t RNA* (2) EKA: 启动 AX-t RNAX + BME BE 44k (m RNA) et p 工 -~-Ax-tRNAX- 核 糖 核 蛋 自体 (mRNA) (3) 肽 链 的 延长 : 长 因子 Ar -tRNAY + AX-t RNAX- BME fk (m RNAI enpe ~AX-AY-t RNAY- 核 糖 核 蛋白 体 Cm RNA) +tRNAX (4) 转译 的 结束 : #8 Ik B : ; Ax-AY-Az- tRNAz - 核糖 核 蛋白 体 (m RNAY— Cap ~AX-AY-AZ +t RNAZ + BOMBA +n RNA CAX, AY, 人 z 表 示 各 种 氨基 酸 ; t RNAX, tRNAELHNRNAZz 表 示 各 种 氨基 酸 的 转运 核糖 核酸 ? 氨基 醋 -t RN 合成 酶 Y, 2, BRAM RAM-TRNAW ARM, AX-AY-A RAHARHME. J 236 BMA KEAN AERA RRA, B—- HH RGER tRNA 合成 酶 作用 而 单 磷 eehatpalith 第 三 步 再 接 到 tRNA 上去。 | 氨基 酰 -tRNA 经 启动 因子 的 作用 而 结合 到 核糖 核 蛋白 体 上 去 ， 这 时 还 进行 了 核糖 体 大 、 小 亚 基 和 和 mRNA 的 组 装 过 程 。 忆 在 延长 因子 的 催化 下 ， 每 次 加 一 个 新 的 氨基 酰 -tRNA 到 核糖 体 上 去 ， 并 与 已 经 合成 的 Bk REAR, Tig ERK ERA MER | 最 后 在 mRNA 终止 密码 的 指挥 下 ， 由 终止 因子 使 合成 完毕 的 肘 链 从 核 烽 体 上 脱离 同 时 拆 开 核 糖 体 的 大 、 小 亚 基 和 mRNA, 所 在 这 四 步 反 应 中 ， 前 三 步 都 要 消耗 能 而 最 后 的 终止 步 在 真 核 细胞 仍 为 耗 能 反应 ， 但 原核 细胞 则 不 需 外 加 能 量 。 ; FSR A 4-1 “信使 核糖 核酸 (MRNA) atts 天 然 蛋白 质 的 多 肽 链 常 由 20 AAEM a te fa 各 种 氨基 酸 以 不 同 的 数 表 6-3 AER ESR 5“OH Mh 基 3° OH 的 RM . 基 U Cre. | 后 £75 丝 Ki Ht U 站 茶 丙 丝 栈 +B C 亮 丝 终止 终止 A i 丝 终止 色 G # tf 组 精 U 亮 8 组 ti C RE nt 谷 本 精 A x a 谷 栈 精 SBE 荔 KB 丝 U SI i 天 栈 丝 C A 3 i Hi fi A 蛋 苏 bs 精 G |e 20D er i RA it U } 上 两 RA it C 5 i 谷 it A PT ai 8 it | G 237 目 和 顺序 连接 成 不 同 蛋白 质 分 子 的 多 肽 链 ， 而 mRNA 分 子 中 只 有 4 种 核 苷 酸 。 四 不 “ 字 母 ” 的 mRNA“ 密码 ”如 何 翻译 成 20 个 “字母 ”的 蛋白 质 “ 语 言 >? 核 苷 酸 顺 序 和 氨基 酸 顺序 之 间 的 内 在 联系 是 什么 ? 氨基 酸 的 遗传 密码 子 又 是 什么 呢 ? 和 成 功 地 解答 了 这 些 问题 。 mRNA 是 由 4 种 核 苷 酸 组 成 的 ， 根 据 数学 上 的 推导 ， 密码 子 至 少 应 该 由 3 个 BRERA 成 ,4 = 64， 即 4 种 核 苷 酸 每 次 取 3 个 进行 排列 ， 可 以 有 -64 种 方式 ， na Lhe 种 氨基 酸 的 编码 来 说 ， 已 绰绰有余 了 。 用 人 工 合 成 的 mRNA 进行 实验 ， 得 到 了 氨基 酸 密码 表 ， int 6-3, ) 表 中 所 载 的 密码 都 是 用 细菌 的 非 细 胞 提取 液 作 材料 得 到 的 。 那 么 ,: 体内 的 遗传 密码 和 离 体 铺 况 是 否 相同 ? 所 有 的 生物 是 否 使 用 统一 的 遗传 密码 ? ”分 析 了 很 多 病毒 、 细菌 和 高 等 生 物 的 突变 ， 认 为 遗传 密码 适用 于 体内 条 件 ， 也 适用 所 有 的 生物 。 例 如 ， 大 血红 蛋白 q TMV 衣 序 蛋白 和 大 肠 杆菌 色 氨 酸 合成 酶 的 o- 链 基因 有 很 多 氨基 酸 置 换 的 突变 。 发 现在 这 几 种 突 变 蛋 白 中 ， PGi eb aia lglg ti sk 传 密码 在 多 生物 界 的 通用 性 | ( 表 ,6742 is 表 6-4 人 血红 蛋白 :大肠 杆菌 色 气 酸 合成 配 和 工 MV 衣 壳 蛋白 的 突变 蛋 -白质 - | 一 - 氮 - 基 酸 置 - 换 提 - 示 - -的 一 密 一 码 一 变 - 一 化 一 -一 一 血红 蛋白 (人 ) 谷 一 > #° GAA——>GUA 血红 蛋白 (人 ) 4 —> i* GAA—> AAA 血红 蛋白 (人 ) 谷 一 _> 甘 GAA 一 ->GGA BABS RB (KBE) ) 甘 一 -> 精 GGA 一 一 >AGA AR Gels FD 甘 一 一 > 谷 GGA 一 >GAA GARE RB (KBE) 谷 一 > 丙 GAA 一 一 >GCA TMV 衣 壳 蛋 白 (病毒 ) HR > £0 CUU—-»UUU TMVKAEA (HS) 谷 一 -> 甘 GAA 一 一 GGA TMV 衣 壳 蛋 白 《 病 毒 ) hii ——> 丝 ccc— >» UCC "EK MAEASACH, FH HAARAMARKBA AR, 遗传 密码 的 统一 性 表明 各 种 生物 在 生物 进化 过 程 中 具有 共同 来 源 。 由 于 密码 子 的 第 一 、 二 个 核 苷 酸 表 现 较 大 的 确定 性 ， 很 可 能 最 早 的 密码 子 只 需要 由 两 个 核 苷 酸 组 成 : 4 =16， 这 时 ， 它 就 可 以 表示 15 个 “原始 ”的 氨基 酸 ， 第 三 个 核 苷 酸 作为 逗号 (“，”) 使 用 ， 后 来 ， 新 的 氨基 酸 ， 如 天 冬 酰 胺 、 谷 氨 酰 腕 、 蛋 氨 酸 、 酷 氨 酸 和 色 氮 酸 等 陆续 出 现 ， 这 时 二 联 密码 就 不 够 用 了 ， 需要 由 三 个 核 苷 酸 作为 一 个 密码 子 ， 就 把 原来 用 作 喜 号 的 第 3 TRAR 当 作 三 联 密码 的 最 后 符号 。 (#6-5~6) 238 表 6-5 假定 的 原始 二 联 密 码 | = 联 密 码 | 原始 所 基 酸 | mk w & FR | “新 MB RB C 或 U 天 冬 酰 胺 遗传 密码 表 有 着 下 列 的 特点 : 除了 有 代表 20 种 氨基 酸 的 密码 子 外 ， 还 有 表示 特殊 意义 的 密码 子 ; 如 AUG 是 蛋氨酸 药 密 码 子 另 习 但 又 是 一 个 多 肽 链 开 始 合成 时 的 信号 ， Bl “IR” BMT, UAA, UGAM UAG 这 三 个 密码 子 不 代表 任何 氨基 酸 ， 而 是 一 种 蛋白 质 合成 的 “终止 ”密码 子 ， 成 为 “ 遗 ER? 的 ,句号 ”。 密 租 子 的 组 成 与 所 代表 氨基 酸 侧 链 的 极 性 有 关 。 如 所 有 以 U 为 中 间 碱 基 及 以 U 为 第 二 大 基 代 表 的 氨基 酸 大 都 具有 非 极 性 〈 亲 脂性 ) 基 团 ， 而 除了 以 为 第 一 碱 基 竟 所 有 以 A 为 中 间 碱 基 代 表 的 氨基 酸 则 具有 极 性 〈 亲 水 性 ) 基 团 。 因 此 ， 这 个 密码 表 本 身 似乎 出 现 了 “两 极 分 化 ”的 现象 ， 即 左上 和 角 为 亲 脂 性 极 ， 而 右 下 角 为 亲 水 性 极 。 有 的 氨基 酸 可 由 几 个 密码 子 来 表示 ， 例 如 UUA、UUG、CUU、CUCNECU 天 及 CUG， 等 6 个 密码 子 都 代表 了 亮 氨 酸 ，UCU、UCC、UCA， CCG、AGU 丽人 GG 等 6 个 密码 子 都 代表 了 丝氨酸 。 精 氨 酸 也 有 CTEET, K. H.W. SAMAR BA ARS, HO 氨基 酸 有 2 一 3 个 密码 子 ， 而 只 有 一 个 密码 子 的 氨基 酸 仅 为 色 .” 蛋 两 种 ， 即 便 终 止 入 号 的 密 码 子 也 有 三 个 。 这 就 形成 了 密码 的 简 并 现象 ， 它 具有 一 定 的 生物 学 意 又 ， 因 为 如 果 每 个 氨基 酸 只 有 一 个 密码 子 ， 则 64 个 密码 子 中 只 使 用 了 其 中 的 20 不 ， 在 这 种 情况 下 若 发 生 一 个 核 埋 可 的 变化 ， 就 很 容易 形成 无 意义 的 突变 ， 整 个 多 肽 链 将 成 为 “废品 丸 TIMOR, 网 即使 改变 了 一 个 核 苷 酸 ， 有 时 也 不 会 引起 氨基 酸 的 变化 〈 “无 变动 ”突变 ) ， 或 者 是 改变 成 另 一 种 氨基 酸 〈“ 署 换 ” 突 变 ) ， 至 多 稍为 改变 原 有 蛋白 质 的 某 些 性 质 ， 仍 可 作为 汉代 用 品 ”， 而 不 致 于 “前 功 尽 弃 ”。 因 而 简 并 密码 既 能 保持 基因 结构 和 基因 产 邮 的 稳定 性 而 对 抗 239 突变 〈“ 无 变动 ”突变 ) ， 又 能 推动 遗传 性 的 进化 和 新 蛋白 分 子 的 出 现 “置换 ”突变 ) < 表 6-6 气 基 酸 密 码 表 与 侧 链 基 团 极 性 的 分 布 | 上 x ee | U | Cc | A | & | U A & | + BE = U 丝 终止 Z = 上 刘 2 Chak 及 精 Cc Eats - BR G mips rn a + mae ie ae Sl ee tb i ‘ - FR 天 酰 丝 ; Aim eee 苏 A i nee - a 5 精 U 天 = 甘 > > rp) 亲 水 极 表 中 黑体 字 表示 带 非 极 性 合 链 的 所 基 酸 ;仿宋 体 字 玫 示 带 极 性 侧 链 的 氨基 酸 ; 其 余 为 介 于 两 者 之 间 的 氨基 酸 。 三 联 密 码 在 mRNA 分 子 链 上 作 线 型 排列 ， 密 码 子 与 密码 子 之 间 没 有 间隔 六 即 前 一 外 密 码 子 的 第 三 个 〈37-OH 位 ) 核 苷 酸 与 后 一 个 密码 子 的 第 一 个 5 和 OH 位 六; 芒 埋 酸 直接 相 连 。mRNA 分 子 不 分 支 ， 分 子 内 也 不 形成 互补 的 双 链 ) 无 螺旋 结构 , ”而 为 三 条 单 股 伸展 的 直 链 。 它 的 长 度 决定 于 准备 转译 成 的 多 肽 链 长 度 ， 如 果 代 表 的 是 一 条 含有 100 PRRBRE Ae Rig OUa RE ATH ae ones ance ec ce 一 个 始 译 密码 子 和 一 个 终止 密码 子 。 4:2 ;转运 核糖 核酸 (tRNA) tRNA 是 细胞 中 最 小 的 RNA 分 子 ， 仅 由 75~95 个 核糖 核 苷 酸 组 成 ， 沉 降 系数 为 4S。 根据 它 的 一 级 结构 差别 ,已 经 在 各 种 细胞 中 发 现 有 100 多 种 不 同 的 RNA ， 而 在 每 一 种 细 i, 至 少 有 ,20 种 以 上 的 tRNA， 它们 分 别 与 特异 的 氨基 酸 相 结合 ， 例如 丙 饥 酸 tRNA CtRNA 再 ) 专门 运输 丙 氨 酸 ， 谷 氨 酸 tRNA (tRNA 合 ) 专门 运输 谷 氨 酸 等 而 且 往 往 有 两 种 甚至 多 达 五 种 tRNA 能 运输 同样 的 一 种 氨基 酸 ， 这 种 运输 功能 相同 的 tRNA ， 称 为 同 工 tRNA 六 因此 ,每 种 细胞 内 所 含有 的 tRNA 就 不 止 20 多 种 ， 如 大 肠 杆 菌 内 有 56 种 不 同 的 tRNA， 分 别 运输 20 多 种 不 同 的 氨基 酸 。 真 核 细胞 内 ， 除 了 胞 质 tRNA 外 ， 还 有 细胞 器 的 tRNA 病毒 进入 寄主 细胞 后 ， 常 能 改变 寄主 细胞 tRNA RAPER, 或 者 根据 病毒 的 密码 顺序 来 合成 新 的 tRNA 品种 。 240 tht OO 组 成 tRNA HRM. RT RAR OR) mR. SS ORM) FR. 胞 -( 喀 啶 ) 苷 酸 和 尿 ( 喀 啶 ) 苷 酸 等 四 种 之 外 ， 约 有 60 多 种 不 常见 的 核糖 核 苷 酸 参加 各 种 tRNA 的 分 子 Sy; 其 中 如 假 尿 苷 酸 COL) . MARR (CD) 2: 硫 尿 苷 酸 (S5)、 核 糖 胸 苷 酸 OCT 、 碱 基 王 各 个 位 置 上 的 甲 基 化 、 羟 基 化 、 乙 酰 化 和 氨基 栈 化 等 、 ogg (R) goeued 环 的 变异 如 W 和 Y) 等 。 (图 6-32) 让 a : 多 =) Me S pf Nah Che ag) 28 a , ¥ Rf Rf a RF iwhaar |: 1 2 , don 区 由 C-0-c J CH: -N-CHs a Anat ee sx Ay Any 中 we : 5 6 8 NH: NH- CO0-Ch; Nit NH CH: N } ; ch- ] ， | 4 sAx ory 3 van ' ay ie Rf Ri Rf ; Rf Ss “9 10 ， sb See SIZ Hi a ie . 本 ¢ | il , ote 9 No-C-cuu -CH= ca NH CHICHECZ =NH-G-c001 HNCHs oS” * A, ie oe 5 pA Ch-S » N 》 Ay = Rt 3 15 6 这 ys SUL mee 7 or > cao ar N 了 NH: wi ‘ Rt Rt —7- 7 ; ‘ 21 NHCOOCIIs CHCOOCHs CH: oO CH: LN 近江 xe me Le a cH Ch-N 人 ， > Has AN > SN ， wan > Rt CH 22 be a 25 图 6-32 RRR RAW NOSE He 1. BARERCV), 处 核糖 胸 背 酸 (rT 六 3. RAW MCU); 4. 4-H IFMRCS4U), 5. 2-TRTRM-5-2R 甲 酯 ;6.5- 甲 胺 基 甲 基 -2- 硫 尿 苷 酸 (s2U)3 7. 5-H 3E-2-HREM, 8. 尿 苷 酸 -5- 氧 乙酸 (V);， 9.2- 硫 胞 MR, 10. N4- 乙 酰基 胞 背 酸 (acC);， 11.。5- 甲 基 胞 苷 酸 (m5C); 12. 3- 甲 基 胞 苷 酸 (m3C); 13. N6-HIKRM 基 腺 苷 酸 (iA); 14。2- 硫 甲 基 -6- 异 成 烯 基 腺 苷 酸 (sSA); 15. 氢 基 甲 酰 苏 氨 酸 腺 苷 酸 (tA)，16. 6- PMR 酸 (m6A); 17. 2-AT SERRA M(m2A), 18. 1- 甲 基 腺 苷 酸 (mlA); 19. 肌 昔 酸 (D7y 20. 1- 甲 基 乌 背 酸 (ml1G)3 21. 7- 甲 基 鸟 背 酸 (m7G); 22. N2-PRSAR(m2G); 23.N2,N2- 二 甲 基 鸟 埋 酸 (m22G)3 24. 1- PRM 酸 (ml1I); 25. MHHFMIY). RIWMRMERM. tRNA 的 一 级 结构 是 一 条 不 分 支 的 链 。 分 子 一 端 核 苷 酸 的 5“-O 也 上 有 游离 的 磷酸 酯 241 键 ， 成 为 分 子 的 “ 头 ” 部 ;分子 另 一 端 核 苷 酸 的 3/-OH 游离 而 无 磷酸 相 接 ,， 成 为 分 入 的 “ 尾 ” 部 。 核 苷 酸 就 从 头 部 向 尾部 顺 次 编码 。 Ta FH 8 BZA MAL NALA RR, BLUR 44 WER, RASTA “OP? > 除 了 两 个 游离 端 其 余 三 个 干 的 Tig 15 7~10- FS RDE GA, Lie i a 复 叶 。 四 个 干 和 它 的 顶部 各 有 其 结构 特点 ， 又 各 有 其 特殊 的 功能 。 在 由 7 对 核 苷 酸 组 成 的 干部 顶端 为 分 子 的 头 和 尾部 游离 端 ， 3“- 尾 端 由 A、C、C 三 个 BMA, tRNA 在 运输 氨基 酸 时 ,被 运输 分 子 就 接 在 3- 端 腺 苷 酸 中 核糖 的 37- 或 2“- HEEL (形成 糖苷 键 》， 因 此 这 里 是 氨基 酸 的 受 体 部 位 ， 故 称 此 干 为 受 体 干 。 与 受 体 干 相 对 的 位 置 上 上 ， 由 5 对 核 昔 酸 组 成 的 干部 顶端 有 一 含 7 个 核 苷 酸 的 环 ， 环 的 对 称 中 心 处 常 有 一 个 三 联 密码 ， 它 能 识别 mRNA 上 的 密码 子 ， 在 合成 蛋白 质 时 ， 即 由 它 与 mRNA 的 密码 子 配 对 ， 故 称 为 反 密码 子 ,， 例 如 mRNA 上 的 苯 丙 氨 酸 密码 子 为 UUC ， 则 tRNARA 的 反 密 码 子 为 GA 兴 ， 恰好 与 之 互补 。 这 个 环 因 之 而 称 反 密 码 子 环 ， 干 称 为 反 密码 子 干 。 称 它 为 反 密码 子 ， 其 实 也 不 甚 恰当 ， 因 为 它 的 密码 顺序 倒是 和 DNA 链 上 的 原始 密码 相 一 致 的 。 分 子 右 侧 环 的 7 个 核 背 酸 中 有 一 个 在 RNA 中 不 常 有 的 T 核 苷 酸 ,为 核糖 胸 音 酸 ， 而 不 是 DNA 中 的 脱氧 核糖 胸 苷 酸 ， 并 有 假 尿 昔 酸 ( 耳 )， 故 称 为 T 环 或 T 业 C 环 ， 而 由 5 对 核 苷 酸 组 成 的 干 称 为 T 干 。 此 环 的 核 苷 酸 顺 序 在 一 定 条 件 下 ， 例如 与 延长 因子 和 mRNA 结合 时 ， 能 与 核糖 体 5S rRNA 配对 ， 因 而 使 tRNA 在 核糖 体 上 移动 位 置 。 (图 6-33 ) ( U)g e EF-Ty's GYP x GTPREF-Ty 70 5 密码 Ss 环 30S us 6 3 一 U-U-U 一 $， 8,3 IN 图 6-33 tRNA 的 核 背 酸 与 5Sr RNA fi mRNA WRARAM AR 包括 T HH SSRNA RRHBF HRS mRNA 的 配对 。 分 子 的 左 侧 称 为 DH, AAMPRASMARAR(D). HHKDAE 8 一 12 THER 范围 内 ， 它 有 一 个 由 3 一 4 对 核 苷 酸 组 成 的 D 干 。 这 个 部 位 的 碱 基 常 有 相当 多 的 数量 〈 如 17 RED) 与 核糖 体 23S rRNA 相配 对 ， 故 这 种 RNA 与 RNA 之 间 的 相互 作用 ， 可 能 对 启动 阶段 将 大 、 小 亚 基 装 配 成 完整 的 核糖 体 ， 以 及 在 延长 阶段 稳定 核糖 体 的 结构 有 重要 意 SL. CA 6-34 在 工 于 和 反 密 码 子 干 之 间 还 有 一 个 可 变 环 ， 它 的 组 成 单位 在 各 种 tRNA 内 可 以 从 4 到 21 个 核 苷 酸 这 样 的 范围 内 变动 。 由 于 组 成 此 环 的 核 苷 酸 数目 和 品种 多 变 ， 在 各 种 氨基 酸 所 特异 的 tRNA 分 子 中 都 不 同 ， 故 认为 可 能 是 决定 tRNA 特异 性 的 结构 部 位 ， 这 种 特异 性 结 构 能 够 被 特异 的 氨基 栈 -tRNA 合成 酶 所 识别 。 242 AR Hee: DCI). REBFRCL). TERCDAT HCY), CH6-35) z oat QYONOQNOQO AMADA DAYPANY 0? OO > On 3c cO® oo OO an se - c > A> pcc_ tRNA < 0 人 8 人 SSX ERE 图 -6-34 “大肠 杆 菌 tRNA 至 (图 中 的 tRNAwst ) See 23S r RNA 碱 基 的 配对 (23S rRNA WH 900~990 WMEAM RER) = e REM 人 G46 GevU i] | . “kd i UeAd 60 ; D 环 U。A T co >@m' s @ ‘6-Aa-c-a-© haa blag a bh u- ~® m2 AZ e o a e 1 nu Sou vee. ees © © T - © « e@ “as m? SO S-A-G-C. om? og a ©..-® a A-G XE AK BHO TE AQ ° ee 可 变 环 As 山 反 密码 子 二 SE EE a Rot yAry 让 "一 < REBTH \ FA Le | @ 2 ye mame m By Ke 反 密 玛 子 3 cC-U-U 5'< mRNA 扫 撤 位 置 mRNA HF 图 6-35 3 酵母 苯 丙 氨 酸 转运 核糖 核酸 的 二 级 结构 图 有 圆 因 的 示 各 种 tRNA 不 变 的 核 背 酸 ， 数字 示 排 列 顺序 RADAR, mDE Re, XB RESCUE, bh 示 加 气 焉 基 。 tRNA 的 三 级 结构 呈现 一 种 “L” 状 的 构象 ， 由 受 体 干 和 T 工 干 相 接 成 为 工 状 结构 的 一 243 条 短 臂 ,由 田 于 和 反 密 码 子 于 相 接 成 为 工 状 结构 的 一 条 长 臂 ， 两 臂 都 形成 类 似 DNA 那样 @oe Zo0or 图 6-36 tRNA 分 子 内 的 特殊 氢 刍 上 图 为 酵母 苯 丙 氨 酸 tRNA 分 子 中 的 几 种 特殊 氢 键 ， A、B、C、D、E 及 F 表示 各 部 位 的 氢 键 具体 结构 ， A，G4-U69; B. Gis-Cas; C。mlAss-T54， D. m7Gae- Ga22-C1s; E, As-Azs-U12; FE。2mG26-A44 的 双 螺 旋 结 构 ， 每 个 双 螺 旋 区 内 含有 大 约 10 对 碱 基 ， 相 当 于 一 周 螺旋 。T 环 、D 环 和 可 变 环 都 在 工 状 结构 的 直角 He BAL, 并 且 暴 露 在 分 子 的 表面 ， 而 氨基 酸 受 体 端 及 反 密 码 子 则 在 工 状 结构 的 两 端 。 形 成 这 种 构象 ， 是 由 于 分 子 内 部 产生 氧 键 相 连 的 情况 比较 特殊 (图 6-36) ， 除 了 正常 的 A-U、G-C 这 样 配对 的 碱 基 之 外 ， 在 受 体 干 还 有 G-U 的 配对 ， 以 及 在 非 螺 旋 区 内 有 2 一 3 个 通常 不 配对 碱 基 之 间 ， 碱 基 与 核糖 羟基 之 间 ， 甚 至 核糖 与 核糖 之 间 形 成 的 氢 键 ， 因此 所 形成 的 工 状 梅 象 十 分 稳定 ， 即 使 受 高 温 变性 而 暂时 变形 ; 但 冷却 时 又 能 自动 恢复 原状 ， 这 是 变性 蛋白 © 质 分 子 所 没有 的 特性 。 这 种 构象 使 分 子 的 不 变 成 分 构成 永久 性 的 骨架 ， 而 使 分 子 的 可 变 成 分 分 布 在 分 子 的 各 个 侧面 上 ， 便 于 244 A neem 图 6-37 HERR RNS Bes WAR 扁平 形 表示 螺旋 区 ， 线 形 表 示 非 螺旋 区 。 =~ 和 其 它 各 种 分 子 进行 识别 和 特异 性 的 相互 作用 ， 例如 D 环 的 Gis 5 THA W158 位 的 核糖 吡 喃 环 氧 之 间 形 成 氢 键 连接 ， 对 保持 工 状 构象 起 一 定 作用 ， 而 当 蛋 白质 合成 时 ， 此 处 联 系 可 被 松 开 ， 使 分 子 变 形 ， 以 便 与 .rRNA 之 间 相 互 作用 。 (A 6-37) “在 反 密 码 子 环 上 ， 反 密 码 子 的 三 个 核 苷 酸 中 ， 只 有 前 两 个 是 严格 按照 密码 规则 而 排列 的 ， 至 于 第 三 个 则 往往 超出 规则 的 要 求 ， 但 是 由 于 tRNA 分 子 的 特殊 构象 ， 核 苷 酸 碱 基 的 空间 位 置 发 生 了 扭 变 ， 或 者 核 苷 酸 结构 发 生 了 变异 (如 甲 基 化 等 ) ， 因 此 使 得 原来 “正规 情况 下 互 不 配对 的 碱 基 之 间 ， 也 能 生成 一 定 的 氢 键 联系 。 例 如， 扭 变 后 的 LR FES U, CRA “配对 ”， 变 构 后 的 C 能 与 U 或 如 《配对 ”等 ;根据 好 儿 种 三 联 密码 的 第 三 个 REEL, : 渡 不 影响 或 不 太 影 响 所 代表 氨基 酸 的 冰 种 ， HR “SHRI? 的 方法 进行 转 译 4 不 会 发 符 玉 多 的 误差 。《 表 6:7 ) 表 6-7 tRNA 的 反 密 码 李 与 mRNA 的 密码 予 之 同 配 对 情况 nn ge OR = | ) ayy | { [| , | 1 | : 3/ 5/ | tie CGI oe shia AGI AVG | UAT | at, | ORY | | U | | el Ust-3" § | mRNA 密码 子 相 | Ute FF ee, ADS cuC—> | | | | | | 了 让 俊生 对 要 eee BER | && ws | 局 tRNA 反 密 码 子 | UAC AUG (#9) | AUC FF el A = mRNA F AUG vAG UAG 除了 直接 参加 蛋白 质 合成 过 程 之 外 ，tRNA 还 有 其 它 各 种 重要 的 生物 学 作用 。 例 如 ， 细 菌 合成 胞 壁 的 糖 肽 结构 时 ， 只 有 tRNA 参加 ， 而 核糖 体 没有 参加 这 个 合成 过 程 ; tRNA 的 状态 还 能 控制 DNA 转录 mRNA 的 过 程 ， 决 定 哪 种 mRNA SRAM MRNA 不 合成 ， 例 如 调节 几 种 氨基 酸 合成 酶 系统 的 转录 步 又 等 。 这 种 调节 机 制 尚 不 清楚 ， 可 能 与 tRNA 的 “ 满 载 ”与 “ 空 裁 ” 〈 即 是 否 结合 着 氨基 酸 ) ,状态 有 关 ， 也 与 分 子 上 的 核 童 酸 结构 有 关 。 例 如 ， 某 个 尿 苷 酸 残 基 转 化 成 假 尿 苷 酸 等 ， 就 能 影响 DNA 转录 mRNA 的 过 程 。 在 胚胎 发 育 过 程 中 ， 这 种 分 子 内 核 苷 酸 的 转化 可 以 使 在 NA 从 一 种 类 型 变 成 另 一 种 类 型 ， 借 此 根据 细胞 的 需 要 ， 来 调剂 各 种 tRNA 的 供求 盈亏 ;在 恶变 细胞 内 ， 也 有 很 多 这 种 tRNA 分 子 相 互 转化 的 情况 ， 不 知 是 否 与 细胞 合成 蛋白 质 过 程 的 失调 有 关 。tRNA D 环 内 核 苷 酸 的 量 与 质 亦 多 变 ， 已 知 与 蛋白 质 合 成 无 关 ， 但 此 部 分 突出 于 分 子 表面 ， 完 全 可 能 与 分 子 间 识 别 作用 有 关 ， 然 而 其 具体 作用 内 容 尚 不 得 而 知 。 最 后 ，tRNA 不 仅 参与 蛋白 质 合成 ,， 而 且 也 参与 多 核 背 酸 链 的 合成 ， 当 逆转 录 酶 依靠 了 NA 为 模板 而 合成 DNA 时 ， 首 先 需要 由 某 种 tRNA 分 子 结合 在 逆转 录 酶 上 ， 并 且 再 接合 在 病毒 的 RNA 模板 分 子 上 ， 然 后 才能 发 动 酶 合成 DNA 的 多 核 苷 屋 链 ， 但 其 机 制 未 明 。 245 4-3 SBR -tRNA 合成 酶 如 果 说 tRNA 是 活性 氨基 酸 运载 工具 的 话 ， 则 替 它 装载 氨基 酸 的 就 是 氨基 栈 -tRNA 合 BeBe Cite RS). wee REAL FP Re al 第 一 步 : BERM+*XATP+ RX—— 《氨基 酰 X 一 AMP。 MX) +PPi 第 二 步 : (AE REY-AMP- BBX) + tRNAX = SE MEX -tRNAx+ 酶 x+ AMP 酶 BRN: ATP + KEBX + tRNAY == aS ~ tRNAX + AMP +PPi 此 酶 有 很 强 的 特异 性 ， 它 对 氨基 酸 和 tRNA 双方 都 有 特异 要 求 ， Asm - (tRNA 合成 酶 就 只 能 催化 丙 氨 酸 和 专门 装载 丙 氨 酸 的 tRNA 结合 ,而 不 能 使 其 它 氨 基 酸 和 tRNA 再 结合 ， 也 不 能 使 丙 氨 酸 与 其 它 tRNA 结合 。 此 酶 反应 虽然 可 道 ， 然 对 它 所 特异 的 底 物 利 于 合成 反应 ， 而 对 非特 异 的 底 物 则 利于 分 解 反 应 ， 如 异 亮 氨 酸 的 RS 使 异 亮 氨 栈 - -tR 六 人 A 蜡 合 成 较 快 而 分 解 较 慢 ， 反 之 对 顷 氨 栈 -tRNA 异 则 促使 其 迅速 分 解 。 所 有 19 种 氨基 酸 〈 包 括 天 冬 酰 胺 在 内 》 都 由 人 > 催化 而 直接 连 到 相应 的 tRNA 上 去 ， 谷 氮 酰胺 则 要 经 过 一 番 周 折 ， 即 先 要 由 一 个 谷 氨 酸 经 RS 作用 而 接 上 tRNA 全 聊 ， 然后 再 经 转氨酶 作用 而 将 谷 氮 酰 胺 〈 或 天 冬 酰 腕 ) 的 酰胺 基 接 到 与 tRNA 相连 的 谷 氨 酰 基 上 去 ， A RAGA BEBE -tRNASB, BD, AN RS AN #2 + ATP + tRNAS BS S> acm - RNA #4 AMP + PPi 43 AER + ATP + SKB - tRNA 谷 栈 ea BE - RNAS Hs att + ADP +Pi (RAB) AB) 因此 ， 在 每 个 细胞 内 ， 必须 至 少 有 20 种 不 同 的 R9， 才能 一 对 一 地 合成 20 种 氨基 栈 -tRNA; 这 20 种 Rs 的 分 子 量 和 结构 都 不 相同 。 例 如 大 肠 杆菌 细 胞 内 的 RS, AFR 大 〈 葵 两 氨 酸 下 > ) 、 有 的 分 子 较 小 了 半 胱 氨 酸 Ro ) 有 的 为 单 体 、 -有 的 为 多 体 -(az、 0B, ¢.8.) 。 同 一 特异 作用 的 酶 在 种 族 之 间 也 有 差异 ， 例如 葵 丙 氨 酸 RS 中 以 大 肠 杆 菌 最 大? 天 鼠 肝 细胞 亦 疝 天 (270,000 ), 其 次 为 酵母 ( 230， 000 和 >180, sgn -而 眼 虫 BES BNC 65,000). CE 0 g~g) we 表 6-8 AB 20 ALEK LERER OAM MD TEAR Am | WAR RT Re Mee | MAAR | RC 甘 氨 酸 am a 基 酸 一 RS 寺 =RS 一 RS RS 分 子 是 xX103 | 140~180 70 | 100 | 100 | 44 | 102 i 230 | "' §5 | | | 组 a | 32 | a | | [ss | seas e280) a 一 ae be RE Lec neal RAR | MAR FA AR | PAR | HAR | HAG | HAR | RAR) BAR a 2 Rm —RS | —RS —RS 一 RS 一 RS 一 R9 —RS —RS —RS —RS 分 子 量 x103 | 114 104 100 jar eZ 95 | ;志江 10 表 6-9 各 种 生物 内 几 种 人 Rs UR a ' | 分 子 量 104,000 | >75,000 120,000 | 100,000; 110,000 105,000 170,000 % RR 一 RS | | | | | 组 成 | a | a | a | | , | | | | ae TA ee | | | 水 牛 脑 Bi +R RK & 人 胎盘 Eom HR RTE) aE ae | a" MH 美 让 鸡 |) RMU | 分 子 量 150,000 | 1085000 116,000 | 116,000 | t FH | 120,000 | 100,000 & 氨 Rm AR | —RS —RS | 组 成 | ag | az | ae | a2 | | 组 成 | | 每 种 RS 一 般 能 同样 催化 几 种 同 工 tRNA 的 “满载 ” 作用 ， 例 如 大 肠 杆 菌 亮 氨 酸 RS 对 五 种 不 同 的 亮 氨 酸 tRNA 的 作用 是 “一 视 同 仁 ” 的 ， 都 能 为 它们 装 上 亮 氨 酸 ; 但 有 时 也 存 在 着 区 别 对 待 ， 如 大 豆 种 子 内 有 3 种 不 同 的 亮 氨 酸 RS， WRAY 2 种 RS 能 作用 于 4 种 亮 氨 酸 tRNA ， 而 子叶 中 的 一 种 RS 只 能 作用 于 2 种 亮 氨 酸 tRNA 因此 ,对 3 种 氨基 酸 的 6 种 tRNA， 就 有 3 HAMA RS, 有 的 RS 没有 种 族 特 异性 ， 即 一 种 生物 的 RS 也 能 作用 于 另 一 种 生物 的 tRNA, 但 有 的 RS 仅 限于 对 本 种 细胞 的 tRNA 作用 ， 如 大 肠 杆 菌 的 RS op, 对 于 棉花 的 各 种 相 对 应 的 tRNA 不 能 起 反应 的 有 两 氨 酸 、 甘氨酸 和 膊 氨 酸 的 了 RS， 即 它们 不 能 使 棉 花 的 tRNA 再 、 tRNA 甘 和 tRNA 肝 结 合 上 对 应 的 氨基 酸 ， 有 的 则 照样 反应 , WAR, BAR. BMA 蛋氨酸 的 RS， 有 的 对 棉花 叶绿体 内 的 tRNA 能 而 对 胞 质 内 的 tRNA ASAE, 包括 亮 氨 酸 SRARABARH RS; 其余 的 则 分 别 催化 某 几 种 胞 质 tRNA 和 某 几 种 叶绿体 tRNA 的 《满载 ?” 反应 。 反 之 ， 如 果 让 棉花 的 RS 对 大 肠 杆 菌 的 tRNA 作用 ,， 则 所 有 的 丙 氨 酸 、 异 ABABA tRNA 都 能 接受 相应 的 氨基 酸 ， 而 谷 氨 酰 胺 tRNA 则 不 能 接受 作用 ， HA 的 tRNA 表现 为 部 分 能 起 反应 。 | ”由 于 种 族 之 间 的 RS 有 一 定 的 通用 性 ， 故 设想 生物 界 的 RS 有 统一 的 起 源 ， BRAM 分 子 大 小 和 组 成 上 有 较 大 的 差别 ， 但 是 经 分 析 蛋 白质 的 氨基 酸 顺序 后 ,发现 这 种 差别 仅 是 由 于 二 级 结构 发 生 重复 顺序 的 结果 ， 即 往往 由 两 条 同样 氨基 酸 顺序 的 多 肽 链 相 融 合 而 成 二 们 性 分 子 。 每 个 RS 上 只 有 一 个 活性 中 心 ， 酶 分 子 含有 一 个 或 多 个 对 活性 必需 的 玉 基 ， ， 并 由 Mg2+ 活化 。 反 应 消耗 能 量 ， 使 ATP RY AMP, HRN, MRM, WE 于 消耗 两 个 高 能 磷酸 键 。 当 ATP 过 量 而 tRNA them, RS 能 合成 游离 的 氨基 栈 -ATP。 由 于 RS 的 特异 性 较 强 ， 能 精确 地 识别 它 的 特异 底 物 ， 在 细胞 内 的 情况 下 发 生 误差 的 几 率 大 大 低 于 1/10,000。 研 究 了 RS 识别 tRNA 的 机 制 ， 分 析 了 同 工 tRNA 的 结构 特点 ， 并 对 tRNA 作 了 化 学 修饰 等 ， 发 现 RS 并 没有 统一 的 识别 办 法 ， 有 的 根据 反 密 码 子 的 结构 差 异 ， 有 的 根据 D 于 及 受 体 干 的 上 端 变化 而 在 tRNA EL 形 直角 内 侧 的 可 变 环 ， 是 结构 变动 最 大 的 区 段 ， 现 在 认为 这 是 tRNA 与 RS 相 结合 并 被 识别 的 主 部 位 。 RS 同样 有 正确 选择 氨 基 酸 的 鉴别 力 ， 从 技术 角度 来 看 ， 要 设计 一 个 能 够 区 别 亮 氨 酸 、 异 亮 氨 酸 或 顷 氨 酸 的 活性 部 247 位 是 很 困难 的 ， 但 是 Rs 却 能 轻而易举 地 做 到 这 一 点 。 (A 6-38) 氨基 酰 IRNA 合 成 本 氨基 酰 tRNA 6-38 ASEM -tRNA 合成 酶 的 作用 原理 A. 酶 识别 特异 的 氨基 酸 和 特异 的 tRNA; B. 酶 与 两 个 特异 底 物 结合 ; C. 酶 使 特异 底 物 结合 。 尽管 酶 有 如 此 高 度 的 特异 性 ， 但 有 时 也 可 被 “ 电 卉 ”而 接受 二 些 “冒充 ”的 氨基 酸 ， 如 对 氟 苯 丙 氨 酸 和 乙 硫 丙 氨 酸 等 ， 当 将 这 些 分 子 喂养 动物 时 ， 可 以 少量 摊 入 蛋白 质 中 。 RS 也 能 “BGA” ”为 入 侵 的 异 已 RNA “服务 ”,， 如 莞 善 细胞 的 RS 为 黄花 叶 病 毒 RNA 接 上 L- SiR, SAY RS 为 花 叶 病毒 RNA 接 上 工 - 组 氨 酸 ， 而 氨基 本 化 的 烟草 花 叶 病毒 (TMV) RNA 即 能 与 植物 细胞 的 延长 因子 反应 ， 于 是 开始 了 病毒 基因 的 表现 和 复制 ; 致 癌 RNA 病毒 依靠 RS 牢固 结合 寄主 的 tRNA,， 能 成 为 着 转录 作用 的 引子 当 大 肠 杆 菌 受 T4 噬菌体 感染 后 数 分 钟 内 ， 即 有 一 个 由 病毒 密码 决定 的 蛋白 质 亚 基 接 到 寄主 的 RS EX, 昌 不 改变 酶 的 特异 性 ， 但 却 增加 了 酶 对 热 和 尿素 变性 的 稳定 性 ， 提高 了 酶 与 tRNA 的 亲 和 力 ， 扩 大 了 酶 作用 范围 《能 作用 于 酵母 RNA) ,出 现 了 对 单价 阳离子 的 需要 等 新 性 状 ， 但 其 生物 学 意义 尚 不 清楚 。 pets, RS 在 原核 细胞 中 分 散 〈 溶 解 FPA, 而 在 真 核 细 胞 中 往往 聚集 成 团 ， 成 为 2~18 元 多 体 的 颗粒 。 因 此 每 个 这 样 的 复合 体 就 可 能 有 2~ 18 种 RS 的 活性 ; 有 些 颗 粒 还 含 有 脂 类 、RNA 和 郊 种 延长 因子 等 ， 有 时 甚至 直接 附着 在 核糖 体 、 微 粒 体 〈 内 质 网 ) 上 。 通 常 称 这 类 RS 聚合 物 为 信息 小 体 。 RS 的 调节 机 制 是 多 方面 的 ， 包 括 激活 和 抑制 、 失 活 和 新 合成 的 控制 。 真 核 细胞 的 及 S 受 了 脂 类 分 子 和 核糖 体 的 激活 ， 可 见 RS 在 细胞 内 时 ， 与 这 些 成 分 相 结合 是 酶 活性 所 需要 。 原 核 细胞 的 精 氨 酸 和 组 氨 酸 的 RS 以 及 哺乳 动物 细胞 组 氨 酸 的 RS 受 它们 特异 底 物 氨基 酸 的 前 体 所 抑制 ， 这 种 所 谓 “ 前 局“ 与 反馈 相对 而 言 ) 所 造成 的 效应 ， 能 够 保持 细胞 氨基 酸 库存 的 稳定 而 不 波动 ， 即 半成品 阻止 子 成 品 的 消耗 ， 鼠 伤寒 杆菌 的 组 氨 酸 RS 受 它 的 产物 组 -tRNA 组 所 反馈 抑制 二 夫 肠 杆菌 和 大 鼠 肝 的 丙 氨 酸 RS 对 Ca**+ 敏感 ， 有 的 RS 受 多 胺 物质 激活 ;” 而 某 些 RS Wie PR ADP 及 AMP 所 抑制 ， 可 见 在 细胞 内 此 酶 活动 由 能 量 水 平 所 调节 。 当 细 胞 内 缺乏 某 种 氨基 酸 时 ， 不 但 使 得 特异 于 这 种 氨基 酸 的 RS PERRI, RED 其 它 氨 基 酸 的 术 S, 原 因 推测 有 ;失掉 子 底 物 《氨基酸 ) “保护 ”的 酶 易 受 攻击 而 破坏 过 MwsR tRNA MRT MME, 而 在 酶 溶 小 中 增加 大 量 的 蛋白 质 或 除去 其 中 某 些 可 248 溶性 抑制 成 分 ， 能 够 延长 RS 的 “等 命 ”。 | RS 不 是 固有 酶 而 是 一 种 诱导 酶 ， 即 能 在 转录 水 平 上 接受 控制 ， TRAM SH. 但 RS 前 调节 与 普通 代谢 酶 的 情况 不 同 ， 因 为 一 般 情况 下 ， 异 化 作用 的 酶 受 底 物 的 诱导 ， 即 底 物 能 引起 分 解 自己 的 酶 的 合成 ， 而 同化 作用 酶 受 产物 的 阻 过 ， 即 产物 能 阻止 合成 自己 的 栈 AFH, 但 是 RS 则 受 两 种 中 间 产 物 的 控制 ， 即 氨基 酰 -AMPLRS 复合 物 起 阻 过 作用 ， 而 氨基 栈 -tRNA-RS 复合 物 起 脱 阻 遇 《诱导 ? ) 作用 ， 前 二 种 中 间 产 牺 是 在 细胞 内 游离 的 所 基 酸 含量 较 多 ， WH “SR” 的 tRNA 较 少 的 情况 下 积累 ， 表示 细胞 并 不 进行 旺盛 的 蛋白 质 合 成 ， 意 味 着 细胞 不 需要 太 多 的 RS, (1) 氨基 酸 +ATP +RS > 氨基 酰 - AMP - RS (过 量 ) (加速 进行 ) ( 积 累 ) (2) SR - AMP-RS + tRNA -一 | | 一 > SR - tRNA - RS + AMP (BR) CRE) 〈 不 能 进行 ) (减少 ) 一 种 中 间 产 物 是 在 细胞 内 游离 的 氨基 酸 含量 减少 ， 而 “ 空 载 ” 的 tRNA 增多 时 积累 ， 表 示 细 胞 正 进 行 强烈 的 生长 和 合成 蛋白 质 ， 意 味 着 细胞 需要 更 多 的 RS 来 参加 工作 : (1) 氨基 酰 -AMP-RS +tRNA 一 全 氨基 酰 - tRNA - RS+ AMP (减少 ) (很 多 ) (加 速 进行 ) > (积累 ) (2) 氨基 酰 - tRNA+ 多 肽 酰 - tRNA 二 2tRNA+ SKE (加 速 进行 ) CBR) 因此 ， 可 以 认为 氨基 本 -tRNA-Rs 之 所 以 能 够 促进 Rs 的 新 合成 ， 主要 由 于 它 的 生成 是 氨 基 酰 -AMP-Rs 消失 的 结果 。 这 两 种 中 间 产 物 的 相互 消长 ， 就 形成 了 Rs 酶 的 自我 调节 机 制 ， 这 种 机 制 虽然 在 正常 的 细胞 生长 周期 中 是 有 用 的 ， 但 在 异常 情况 下 也 会 暴露 弱点 ， 例 如 当 因 营 养 条 件 缺 乏 〈 而 不 是 由 于 蛋白 质 合成 消耗 ) 足够 数量 的 氨基酸 时 ， 也 会 引起 Rs 的 大 量 产生 ， 这 未 免 是 无 效 的 “ 空 忙 ”了 。 4.4 核糖 核 蛋白 体 核糖 核 蛋白 体 大 概 可 算是 最 小 的 细胞 器 了 ， 而 且 除了 细胞 膜 之 外 ， 是 唯一 最 普遍 存在 于 所 有 细胞 〈 包 括 原 核 和 真 核 细胞 ) 中 的 细胞 器 ， 这 既 说 明了 它 的 原始 性 ， 又 反映 了 它 的 重要 性 。 可 以 推 想 : ee eer ee eee 合成 的 细胞 或 生命 类 型 。 下 二 不 最 简章 的 细 厦 乍 牺 :支原体 就 用 百 个 核 本 体 )， A Bm S0~ 100 倍 ， 即 达 5,000 一 15,000 个 ， 几 乎 占 细菌 体重 的 1/4， 而 真 核 细胞 中 的 数量 更 多 ， 如 酵母 为 500,000， 高 等 生物 的 细胞 则 达 数 百 万 。 所 有 病毒 都 没有 这 种 细胞 器 ， 它 们 借用 寄主 的 核糖 体 来 合成 自己 的 蛋白 质 成 分 。 核糖 体 在 细胞 内 的 存在 状态 有 分 散 型 和 束缚 型 两 种 ， 前 者 游离 于 细胞 奖 中 ， 它 们 合成 的 蛋白 质 则 溶解 于 胞 奖 中 , :通常 供应 细胞 本 身 的 需要 ， 后 者 则 附着 于 内 质 网 ， 或 围 在 核 膜 、 洲 酶 体 和 过 氧 小 体外 膜 上 ， 产 生 分 泌 性 蛋白 质 ， 因 此 ， 具 有 分 泌 机 能 的 细胞 中 以 束缚 型 核糖 体 为 多 ， 而 在 迅速 生长 中 的 细胞 ， 如 癌 、 胚 胎 和 网 织 红细胞 等 ， 则 以 分 散 型 核糖 体 为 主 ， 肝 细 忠 内 两 种 类 型 上 篆 多 ， 证 明 它 功能 的 两 重 性 。 当 然 ， 两 型 核糖 体 之 间 并 非 固定 不 变 ， 而 是 可 以 互相 转化 的 。 核 刁 体 是 由 种 炉 糖 核酸 和 和 几 十 种 重 白质 组 成 的 多 分 子 复 和 省 物 吕 参加 核糖 体 组 成 的 核糖 核酸 称 为 核糖 体 核糖 核酸 (简称 rRNA ) ， 体 积 和 重量 在 原核 生物 内 的 要 小 些 〈70S ) ， 249 真 核 生物 的 细胞 质 内 要 大 些 〈805 ) ， 而 真 核 生 物 的 细胞 器 核糖 体 则 介 平 两 者 之 间 " BB 大 于 原核 细胞 的 ， 但 略 小 于 细胞 质 内 的 。 两 类 细胞 内 核糖 体 的 成 分 比例 亦 不 同 ， 腺 核 细胞 核 糖 体 的 核酸 含量 万 达 全 重 的 2/3:( 65% 2;， 而 蛋白 质 仅 占 1/3 (35%) , ARAM 则 两 种 成 分 几乎 相等 ， 核 酸 略 高 于 一 半 〈55% ) ， 余 为 蛋白 质 (45%) © 核糖 体 在 执行 正常 功能 时 分 为 两 个 功能 单位 ， 一 个 小 些 ， 一 个 大 些 ， 分 别称 为 核糖 体 的 小 亚 基 和 大 亚 基 。 原核 细胞 的 小 亚 基因 的 离心 沉降 系数 为 303,， 故 又 称 30S We, ,大 亚 基 的 沉降 系数 为 505， 故 称 :503 亚 基 ， 两 者 联合 成 的 完整 核糖 体 为 7033$ “ 真 核 细 胞 的 核糖 体 则 也 根据 沉降 系数 不 同 而 分 别称 为 403 和 60S 亚 基 ， 并 联合 成 为 803 核糖 体 。( 表 .6-10 ) 表 6-10 两 种 类 型 细胞 内 核糖 体 的 比较 ae 复 合 k 重 量 TRNA 大小 asa | wn | 容量 % 分 子 量 沉降 | 分 子 量 关 型 测 -沉降 系数 CS) | SEE) | BE dice mae | 质 分 子 数 |( 毫 微米 ) FRNA | me 50 1.8 23 1.1 3,000 | ~34 原核 5 0.04 120 | 细胞 30 0.9 0.56 | 1,700 一 21 | | 民 70 2.7 adler cl eae oe | ~ss. |? "x30 | 65 | 35 60 2.4 1.7 5,000 一 40 真 核 5.8 0.05 150 细胞 40 1.2 18 0.65 2,000 ~30 = 8 ——E Se 25.52) « 25.7X35 80 | 3.6 2.4 | ~70 原核 细胞 的 30S 亚 基 由 一 个 16S 的 TRNA 分 子 和 21 个 (种 ) BARDATAR, CH 16S rRNA 为 一 条 1,700 个 核 苷 酸 连 成 的 长 链 ，503 亚 基 由 两 个 分 别 为 23S 和 5S 的 rRNA 分 子 加 上 34 个 (种 ) 蛋 外 质 分 子 组 成 ， 多 核 苷 酸 链 的 长 度 分 别 为 ; 3,000 和 120 个 核 苷 酸 。 组 成 核糖 体 的 蛋白 质 分 子 量 都 较 小 ， 绝 大 部 分 是 碱 性 蛋白 ， 它 的 多 肽 链 中 含有 较 多 的 精 氨 酸 和 赖 氨 酸 ， 只 有 少数 是 酸性 或 中 性 ， 这 就 有 利于 它们 和 TRNA MAA. 一 般 是 每 种 蛋白 质 在 一 个 核糖 体 中 只 有 一 个 ， 但 少数 也 有 2 一 3 个 “ 复 本 ”5 ”少数 几 种 蛋白 质 则 可 暂 缺 而 不 影 响 核 糖 体 的 正常 机 能 ， 而 大 多 数 是 必 不 可 少 的 成 分 :其 中 有 的 是 结构 所 需 ， 没 有 它 就 不 能 形 成 核糖 体 的 结构 ， 有 的 虽 非 结构 所 需 ， 却 是 执行 正常 功能 的 成 分 。〈 表 6-11) 从 表 6-10 中 可 以 看 到 ， 真 核 细 胞 核糖 体 组 成 蛋白 的 分 子 量 一 般 比 厌 核 细胞 要 大 些 ， & 白质 的 数量 也 多 些 ， 但 是 实际 上 功能 性 的 蛋 和 白质 分 子 数 却 两 者 相近 ， 而 且 真 核 细胞 有 与 原核 细胞 的 成 分 相对 应 功能 的 成 分 ， 如 真 核 细胞 的 L40/41 相应 于 原核 细胞 的 ;L7/12 的 作用 。 同 为 原核 细胞 的 成 分 亦 有 不 同 ， 如 大 肠 杆菌 工 18 及 世 25 所 起 的 作用 ， 在 嗜 热 脂肪 芽孢 杆菌 由 HL5RL22, WEBER LI3R L19 所 代替 。 即 使 同 为 大 肠 杆菌 , 不 同 株 系 的 同 一 成 分 也 有 差异 ， 如 95 及 S7 即 如 此 。 根据 对 各 核糖 体 蛋 白 结构 的 深入 研究 ， 明 确 35 为 一 个 由 166 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 多 肽 ， 它 的 二 级 结构 中 有 -34%% 的 wx 螺旋 区 ，18% 的 B 扫 片 区 及 8% 的 伸展 区 。 250 表 6-11 AMTRRRANHE ERR _ SS ke ke eH RK | OS RRA Ue EH RAK em | 气 基 酸 数 | oem | 形 状 | Reales * | mame | 分 子 量 | wn - 65,000 长 | Li 22,000 长 niger] 27,000 长 L2 | 28,000 | # *: RSS | 28,000 球 Ls 23,000 Sy | 203 25,000 长 + La 28,500 Ss | 21,000 | 长 或 球 Ls 178 17,500 So) 138 17,000 微 长 De Jt Fi2s 096 21,000 | 长 或 微 长 nw Ef | , 26,000 k + L7 120 15,500 长 Sa “109 16,000 R + Ls 19,000 So | 129 17,000 Le S10 | 17,000 Lio 164 21,000 Si | los Lis 14 | 19,000 | mK Siz | 1123 17,000 长 Liz 120 155500 长 Sis | 17 | 14,000 Las | 20,000 S14 15,000 Lia 18,500 Sis 87 13,000 ”| 长 或 微 长 + Lis 144 17,000 Sie 82 13,000 球 Lie 136 22,000 < S17 83 10,000 : | Li7 15,000 + Sis 74 12,000 长 | Lis 117 17,000 长 十 Sis 91 14,000 长 | Lig 114 17,500 + S20 86 13,000 长 十 ie 16,900 长 + Sa 70 | 13,000 | Las 14,000 合计 | 405,000 | ! Lee 17,000 3 | Las 12,500 , + C°RAGRNA 的 结合 能 力 ， 有 + 的 表示 能 结合 。] | Lee 14,500 长 + | by eles 94 12,500 长 + L2e 86 12,500 Loz 84 12,000 L2s 77 15,000 L2o 63 12,000 Lso 58 10,000 Ls1 62 Ls2 56 Lss 54 9,000 Lsé 46 合计 | 549,000 251 应 用 近代 高 分 辩 率 的 电子 显微镜 ， 已 直接 观察 到 大 肠 杆 菌 70s BRAWSB, K. AA 种 亚 基 都 有 近似 左右 对 称 的 形状 ， 很 象 一 对 畸形 的 无 腿 “ 侏 侍 ”， 小 亚 基 “ 头 ” 大 “ 身 ? 小 ， 大 亚 基 “ 头 ”小 “ 身 ” 大 ， 两 者 左右 都 各 伸 出 一 臂 ， 两 者 也 都 是 “ 背 ” 凸 “ 腹 2” 四 ， 因 此 在 “ 腹 ” 部 形成 一 个 洼 窝 ， 当 两 个 亚 基 腹 对 腹地 扣 合 时 ， 两 个 洼 窝 连 成 一 个 较 大 的 内 部 空 间 ， 而 两 个 亚 基 的 “ 头 ” 部 与 两 “ 臂 ” 之 间 的 鲜 口 则 成 为 内 部 空间 与 外 界 交通 的 门户 。 用 免 疫 抗体 标记 法 测定 了 核糖 体 上 各 个 组 成 蛋白 分 子 的 位 置 和 分 布 ， 发 现 大 部 都 处 在 结构 的 表 面 ， 有 的 分 子 有 好 几 个 点 暴露 在 外 ， 而 且 延 伸 较 远 ， 如 小 亚 基 上 的 55.， 它 从 头 部 的 左 侧 伸 展 到 右 侧 ， 并 到 达 右 臂 部 ， 共 有 A、B、C、D 四 个 点 与 外 界 接触 ， 延 伸 范 围 达 17 毫 微米 。 另外 ， 如 ”>15 从 头顶 一 直通 到 尾 端 ， 同时， 核糖 体 的 三 个 5RNA 分 子 同样 也 是 大 部 分 面向 外 界 ， 再 加 之 整个 核糖 体内 部 有 高 达 体 重 ~50% 的 水 化 空间 〈 包 括 两 个 亚 基 对 押 时 所 形成 的 空间 ) ， 这 种 空间 是 其 它 分 子 和 溶液 能 够 比较 自由 地 出 入 和 反应 的 通道 和 地 盘 。 所 有 这 些 “ 结构 特点 表明 ， 核 糖 体 是 一 个 充分 开放 的 结构 系统 ， 完 全 适应 于 它 活跃 而 有 效 的 机 能 。 (A 6-39 ) 这 一 6-39 ”核糖 核 蛋 白 体 的 立体 模型 A, 30S 小 亚 基 ，，B。50S 大 亚 基 ， C。70S 整体 。 数 字 表示 各 种 组 成 蛋白 的 位 置 ， ake 为 mM HR, b 及 ff 为 右 侧面 观 及 g 为 背面 观 ，d 及 h 为 左 侧面 观 。 252 rRNA 是 核糖 体 结构 的 “骨架 ”， 各 种 组 成 蛋白 都 以 它 为 核心 而 组 织 起 来 的 。 追踪 rRNA 的 来 源 ， 它 是 由 染色 体 上 某 些 特定 的 基因 所 转录 ， 刚 转录 而 成 的 往往 是 分 子 量 较 大 的 “毛坯 ”》， 需 要 经 过 切割 和 精 加 工 ， 才能 成 为 三 种 有 功能 的 rRNA。 例如 ,， 大肠 杆菌 的 rRNA 前 体 最 初 为 一 个 30S 的 大 分 子 ， 先 切 成 分 别 为 17.5S 、25S 和 7S 三 段 ， 然 后 再 消化 掉 无 用 的 核 苷 酸 片 人， 而 成 为 16S、23S 及 5S 的 rRNA。 这 些 rRNA 生成 后 ， 即 能 逐步 与 各 种 核糖 体 蛋 白 结合 ， 例如 23S rRNA 先 分 二 批 与 若干 个 芯 子 蛋白 CCP) 结合 而 成 核糖 体 的 “ 芯 ”， 然 后 再 加 上 5S rRNA 和 最 后 二 批 可 溶 蛋白 (SP) 结合 而 成 功能 性 大 亚 基 。 16S rRNA 组 织 小 亚 基 的 过 程 亦 相 类 似 ， (1) rRNA 的 加 工 过 程 ， —> 17.5 9 一 一 > 16 9 30S———> 25S —> 23S Po Po — 5S (2) 50S 亚 基 的 组 织 过 程 : ¢ 23S iRNA) (23S rRNA y 23S rRNA FREE 8S rRNA 甲 基 化 hs 77+ 2 8 ts — ds > 50S ~20% ~ ~ ~ 15 = ariel Sowa : es ek he 5 (3)30S 亚 基 的 组 织 过 程 ， 16S rRNA 20S ey 6 23S apes 28S aE tis 30S 一 10 种 蛋白 质 3 一 4 种 蛋白 质 3 一 4 种 蛋白 质 ”3 一 4 种 蛋白 质 真 核 生物 细胞 的 YRNA 前 体 是 在 细胞 核 内 的 核 仁 中 合成 ， 并 在 核 内 分 割 加 工 ， 它 的 加 工 过 程 ， 45S TRNA 前 体 ——> 41S TRNA 前 体 一 一 > 329 TRNA 前 体 一 一 >289 rRNA N5.8S cRNA 20S TRNA 前 体 - 一 一 > 18S rRNA 然后 再 加 上 核糖 体 各 种 组 成 蛋白 ， 装配 成 核糖 体 而 输送 到 细胞 质 中 去 。 、 组 成 核糖 体 的 RNA 虽然 都 是 单 链 的 多 核 背 酸 ，[ 但 因 分 子 内 部 有 些 区 段 之 间 的 碱 基 顺 记 能 够 互相 配对 ， 所 以 往往 形成 “头发 夹子 ” 状 的 分 子 内 互补 双 链 。 【图 6-40 ) 一 般 说 来 ， 核 酸 是 信息 性 大 分 子 ,表现 在 核糖 体 中 的 rRNA 对 其 它 两 类 RNA 进行 识 别 作用 ， 即 能 识别 mRNA 和 tRNA， 选 择 所 适合 的 对 象 进行 反应 ， 而 能 排 弃 不 相干 的 RNA ASF; BIZ, rRNA 还 执行 一 定 的 生物 学 功能 ， 所 以 它 又 是 功能 性 分 子 ， 例如 造型 作 用 和 变 构 作用 等 。 16S rRNA 的 5“ 端 深 埋 于 303 TEM AR, 3’ 端 则 圳 在 表面 ; 因此 它 是 这 个 核酸 分 子 的 功能 端 。5”- 端 卷曲 成 直径 约 13 毫 微米 的 盘 状 ， 内 含 约 500 个 核 背 酸 〈 占 分 子 全 长 的 1/3) ， 并 与 长 18 毫 微米 、 粗 1 毫 微米 的 束 状 S4 蛋白 紧密 结合 ， 于 是 第 一 批 6 种 蛋白 质 包 括 S7，S8，S15，S17 及 S20 各 就 各 位 地 直接 结合 到 RNA LE, 这 些 蛋白 分 子 在 核酸 上 的 结 合 位 置 都 有 一 定 次 序 ， 如 94 BRED! 端 外 ， 还 在 第 500 MAR MR B 3’ de 695445 4 核 苷 酸 处 各 有 一 段 结合 区 ， 而 >8 WB 5’ 端 在 697426 个 核 苷 酸 及 离 3′ 端 在 798 土 21 个 核 苷 酸 处 各 有 一 个 结合 点 。 这 第 一 批 蛋 白质 的 结合 为 第 二 批 蛋 白质 ， 包括 S3; Ss, So, S11，S12，S13 和 S$18 的 结合 创造 了 条 件 ， 如 此 的 13 个 蛋白 质 就 能 使 30S 亚 基 初 步 成 型 ; 253 ee % +G-G-A-U- -U-G-A-A、 Ge ver, 人 G-u oe a) 2 * €-C-C-A-U- oe A-A-C-U, A C-~ ~G=Cnt、 :G-G- \ &-oS 6 ar 人 db a 1 ¢ ~ s ‘e@,/ * ag 二 Q o-c-o>~ tt ptt teve4t O-P-9-0-0-0-0-d-G-B-A.g ©. oO o / c C Oo o >. ES、 O& C-0-0-0-0-0-C- ' 1 20C=6. coy | -C-C-C- em eis o u a ~>-9-0-0-»-9-9-0-c-0-> ~~ at Aah eee £7 9-0-0-C-0-0-0-0-0 ore N AN >> = & c So : Stn 5 sti Ms mere 原核 .5S RNA’s 图 6-40 APARNA 分 子 链 的 形状 人 A。 三 种 真 核 细胞 的 5S rRNA; B。 原 核 细 胞 的 5S rRNA， 框 内 表示 相同 的 成 分 。 再 加 上 S6, S10, S14, S16 R S19 几 种 蛋白 就 能 保持 亚 基 结 构 的 稳定 ， 而 不 受 酶 的 降解 。 3S1 及 S21 处 于 1695 rRNA 的 3 端 ， 在 执行 机 能 时 方 始 与 核酸 相 结合 。 到 此 为 止 ，21 种 蛋 ACA 20 种 有 着 落 。 亚 基 中 有 些 相 邻 的 蛋白 分 子 组 成 “装配 集 ”,， 它们 不 但 在 结构 上 ， 而 且 在 功能 上 亦 有 协同 作用 。 例 如 ， 16S RNA 的 34 端 由 S7 为 中 心 而 形成 的 S9、 S10, S13、514 和 919 的 集团 ; 它们 占据 了 RNA 的 1/4 长 度 ， 这 个 集团 如 果 有 “ 缺 员 ”， 就 会 影响 亚 基 的 功能 。 有 的 组 成 蛋白 能 伸展 一 定 距 离 ， 包括 S2、S4、S5、S7、 $12, S15 和 3S18， 更 能 在 分 子 间 进行 联络 ， 使 亚 基 成 为 一 个 机 能 的 整体 。 (图 6-41 ) 254 S11 图 6-41 大 肠 杆菌 核糖 体 30S 亚 基 内 各 组 成 分 子 之 间 的 联系 箭头 方向 表示 影响 的 对 象 ， 虚 线 内 的 方 框 表 示 “ 装 配 集 ”。 已 知 50S 亚 基 中 ，L5，L18 及 25 等 蛋白 质 与 59 rRNA HAS; 23S RNA 的 5“4 端 1/3 部 分 结合 6 个 蛋白 质 成 为 Bb; 其它 蛋白 质 分 子 亦 各 得 其 所 。 (A 6-42 ) 分 析 了 核糖 体 各 组 成 分 子 在 蛋白 质 合成 中 的 具体 作用 ; 30S 亚 基 是 接受 启动 信号 并 结合 mRNA 的 功能 单位 而 50S 亚 基 是 合成 肽 键 的 部 位 。:30S 亚 基 上 .169 RNA 的 34 端 能 与 mRNA YS’ 端 进行 特异 性 结合 ， 保证 了 只 有 能 够 作 为 蛋白 质 合成 信息 的 RNA 才 被 接受 。 (图 6-43 ) 51 是 核糖 体 中 最 大 的 一 个 蛋白 分 子 ， 在 165 RNAS mRNA 结合 过 程 中 起 重要 的 枢纽 作用 ， 它 能 让 16S RNA 3/ teh “RIOR” 二 级 结构 散 开 ， 从 而 使 TRNA 分 子 与 mRNA 5/ 端的 碱 基 配 对 处 相 结合 。 与 mRNA SAHRA MIRA S11, Si2, S13 及 S19。 S1 自己 也 能 同时 牢固 结合 16S RNA 与 mRNA， 成 为 连结 两 者 的 纽带 ; 51 还 能 引起 整个 309 亚 基 变 构 ， 并 使 933、37、3912、319 及 921 等 蛋白 质 活化 而 易于 反应 ; S19 及 S21 能 参加 结合 甲 酰 蛋 氨 栈 -tRNA® (ij f B-tRNA®) WE, S2, S12, Sisk 520 能 与 启动 因子 相 结合 。- 因 此 ， 这 一 “装配 集 ” 的 蛋白 质 是 三 种 人 NA (16S RNA, mRNA AtRNA) 的 会 聚 处 ， 图 6-42 大 肠 杆菌 核 糖 50S 亚 基 内 各 组 成 分 子 之 间 的 联系 并 具有 引起 蛋白 质 合成 的 始 动 作用 。 此 外 ， 还 发 现 35 对 30S 亚 基 的 结构 与 功能 也 很 重要 ， 设 有 它 傅 加 时 ， 只 能 形成 283 亚 基 ， 而 且 活 性 仅 为 原来 的 30 一 50 %, 主要 为 阻碍 启动 过 程 ; ”而且 535 与 92 及 3S4 结合 ， 能 提高 延长 因子 的 GTP 酶 活性 。 如 果 512 有 缺陷 ， 就 降低 合成 肽 链 的 速度 ,， S4 有 缺陷 ， 则 加 快 了 合成 肽 链 的 速度 ， 两 种 情况 下 都 不 受 可 溶性 因子 的 调节 ， 闪 且 “ 错 读 误 译 ” 的 频率 很 高 ， 说 明 此 两 种 蛋白 对 于 控制 蛋白 质 合 成 的 正常 速度 和 准确 性 是 重要 的 。 50S 亚 基 的 53 RNA 和 23S RNA 都 能 识别 一 定 构象 的 tRNA， 从 而 起 着 “校对 ”和 “编辑 ”的 作用 。 对 于 带 有 能 和 mRNA 上 密码 子 正 确 配 对 反 密 码 子 的 tRNA， 可 以 牢固 地 255 .G. m8 2 到 (6) _ A. e (G) Am2 G A ms B m A G=C » A ! 之 G 三 C = G=C A=U Aa’ ie oe = G=c x oo = cC=G A=bL 4 A=U ae A=USG ) auc UVUFAcu’” ee U-GGAUCACCUCCUU Ady a G nim ma ha G jvuUGGAGGAUCCUUA 5" mi tac WE m ach Cc es UAe 站 在 5 UAUGCGAGCUUUUAGUG 3 6' AUUCCUAGGAGGUUUGACCUAUGCGAGCUUUCAGUG 3 R17, 蛋白 质 的 起 始 区 6-43 大肠 杆菌 核糖 体 30S WH 16S RNA 3’ MRARM CE) 与 mRNA 5’ 端 核 苷 酸 顺序 CF RED 的 互补 情 襄 A.16SRNA 3/ 端 成 “发 夹 状 7， BL “RRR” 二 级 结构 散 开 ， 而 用 7 个 碱 基 与 mRNA 配对 。 AUG 为 启动 密码 子 。 结合 而 进入 “氨基 栈 结 合 位 ” HRA 位 》 ， 然 后 转移 到 以 工 27 为 中 心 而 组 成 的 “SKE 结合 位 >” CR Pit) KH, Hy L27MEL2, Ls, Lio 和 三 2717 组 成 的 “装配 集 2 | 是 合成 肽 键 和 使 多 肽 链 延 长 的 部 位 。 A 位 及 了 位 都 在 大 。 小 亚 基 相 接合 的 表面 上 。 处 在 50S 亚 基 “Si? BA L2/17 四 元 体 是 具有 特殊 结构 和 功能 的 部 位 ， 它们 是 核糖 体 蛋白 中 少数 几 种 复 本 蛋白 的 一 种 ， 而 且 成 为 不 易 分 开 的 复合 体 ， 此 处 是 很 多 可 溶性 蛋白 因子 出 六 大 、 沙 亚 基 间 空 腔 的 门户 ， 包括 启动 因子 、 延长 因子 和 终止 因子 等 都 首先 与 荆 2/17 相 结合 而 发 挥 作 A. L2/i7 亦 位 于 卫 位 上 ， 故 亦 参 加 肽 链 合 成 活动 ， 而 且 由 于 这 种 蛋白 分 子 内 含 丙 氨 酸 残 基 特 多 ， 并 有 高 比例 的 o- 螺旋 结构 ， 具 有 类 似 肌 肉 中 肌 凝 蛋白 的 性 质 ,， 因此 可 能 成 为 核糖 体 的 “ 微 肌 肉 >” 3 当 它 在 GTP 供 能 的 条 件 下 ， 带 动 mRNA 在 核糖 体 上 的 移 倍 ;并且 使 氨 酰基 与 生长 中 的 多 肽 链 相 接近 ， 以 辅助 转 肽 酶 的 作用 。 因 此 ，50s 亚 基 是 合成 肽 链 的 主要 其 能 单位 。 (图 6-44 ) 50S wit 23S RNA fy 3’ RH SF 30S 亚 基 16S RNA 5’ 端 碱 基 互 补 而 结合 ， 从 : L 3: | L 6 Pele: 而 使 两 个 亚 共 侣 成 为 0 的 功能 性 整体 ，308 FURL pooen cs pel aa 亚 基 “ 头 ”部 有些 成 分 亦 有 与 50S Mae EF] tab benno 合 的 部 位 ， 起 了 稳定 70S 核糖 体 的 作用 。 aa 二 一 个 有 活性 的 核糖 体 在 它 表面 有 与 外 界 发 和 en i 生 反 应 的 四 处 功能 点 ,第 一 个 部 位 接受 启动 、 ”图 6-44 大 肠 杆 菌 核糖 体 50S 亚 基 中 各 结 延长 和 终止 因子 而 起 调度 作用 ;第 二 个 部 位 由 “构成 分 之 间 的 联系 以 及 与 各 可 溶 因子 之 间 的 关系 16S RNA 选择 合适 的 mRNA ， 第 三 个 部 位 IF-2, EF-TU, EF-G, RF-1 & RF-2 由 59 RNA 选择 合适 的 tRNA; 第 四 个 部 位 等 均 为 蛋白 质 合 成 时 必需 的 可 溶 因子 由 23S RNA 引导 tRNA 在 A 与 PE 位 上 对 号 、 合 肽 、 移 位 和 和 释放。 因此， 在 这 里 是 一 条 完 善 的 制造 蛋白 质 “ 流 水 作业 线 >。 256 45 可 溶性 蛋白 质 因子 这 些 蛋白 质 分 子 虽然 也 在 核糖 体 上 参加 蛋白 质 的 合成 作用 ， 但 是 它们 并 不 永久 性 地 结合 在 核糖 体 上 ， 而 只 是 暂时 性 地 附着 ， 作 用 完毕 ， 随 即 脱 离 核糖 体 而 回 到 胞 浆 中 去 。 但 是 这 些 因子 十 分 重要 ， 核 糖 体 离开 了 它们 就 无 法 单独 进行 蛋白 质 合 成 。 根 据 它 们 的 作用 性 质 ， 可 以 分 成 三 个 “ 集 ” 来 说 明 ， 即 启动 因子 、 延 长 因子 和 终止 因子 。 45°91 启动 因子 ”在 开始 进行 蛋白 质 合成 之 前 ， 首 先 必须 要 准备 有 N- RE AB -tRNA 有 下。 这 是 一 种 能 起 启动 作用 的 分 子 ， 而 每 个 mRNA 分 子 上 第 一 个 密码 子 必 然 是 代表 蛋氨酸 的 AUG， 当 N- 甲 酰 蛋 氨 酰 -tRNA 蛋 的 反 密码 子 与 mRNA 的 密码 子 对 上 号 后 ， 蛋 自 质 合成 才能 开始 。 原核 细胞 内 的 tRNAE 有 两 种 类 型 ， 一 种 为 携带 普通 蛋 氮 酰基 的 tRNA®,, 而 另 一 种 为 专门 携带 N- 甲 酰 蛋 氨 酰 的 tRNA 焉 !: ， 后 者 才 是 专门 起 启动 作用 的 分 子 。N- 甲 酰 蛋 氨 酰 上 的 甲 酰 基 是 当 蛋 所 酸 接合 在 tRNA®, 上 后 ， 经 转 甲 酰 酶 的 催化 而 册 四 氧 叶酸 给 它 加 上 去 的 : C2) ERNAM + aa + ATP_ ME H2N & -CO-t RNAP + AMP +PPi RS (2 ) FHe = N10-CO 十 H2N = 蛋 CO st RNAP SE 7 a HCONH- 蛋 二 RNA® +FHe 真 核 细胞 启动 时 所 需要 的 不 是 N- 甲 酰 蛋 氨 酰 tRNA 蛋 ， 而 是 普通 的 蛋 氨 酰 -tRNA 下 ， 但 是 tRNA 和 蛋 亦 有 两 种 , 即 相 应 于 原核 生物 tRNA, 蛋 和 tRNA, 蛋 的 tRNA;, 蛋 "及 tRNA。 蛋 *， 它 们 分 别 起 启动 及 合 肽 作用 。 通常 ， 肽 链 合成 完成 时 ， 细 菌 多 肽 N 端的 甲 酰 基 被 脱 甲 酰基 酶 水 解 ， 一 个 或 多 个 N 端 氨基 酸 残 基 也 可 被 氨 肽 酶 移 去 。 真 核 生 物 多 肽 末端 蛋氨酸 也 能 被 水 解 移 去 。 有 了 N- PREAR-tRNAZG. 接着 就 需要 由 3 种 蛋白 质 因 子 来 参加 启动 过 程 。 原 核 细胞 分 别称 为 IE-1、IF-2 及 IF-3， 它 们 的 分 子 量 为 : 8,000，30,000 和 75,000。 其 中 ，IF-3 首先 能 使 30S 亚 基 上 的 S1 活化 ， 由 S1 带动 S3、9S7、 S12, S19 及 S21 的 活 4¢, IF-3 同时 还 能 活化 S32、S5、S8、3911 、 及 917 等 ， 从 而 使 303 亚 基 变形 ， 使 之 一 方 面容 易 与 mRNA 相 结合 ， 另 一 方面 也 容易 与 N- PREAB-tRNA 相 结合 。IF-2.GTP 能 与 人 - 甲 酰 蛋 氨 酰 -tRNA 结合 而 成 为 一 个 启动 复合 物 ， 经 IE-l 的 辅助 而 结合 到 30S 亚 基 上 去 ， 使 N- 甲 酰 蛋 氨 酰 -tRNA 的 反 密 码 子 与 nRNA 的 启动 密码 子 相配 对 。 IF-3 同时 能 结合 16S3 RNA 及 23S RNA， 因 此 它 在 30S WHS 50S 亚 基 的 交界 面 上 起 连接 作用 ; 4E 接触 50S 亚 基 后 ， 能 活化 站 5 及 工 27 ， 这 两 种 蛋白 对 L2、L8 及 工 10 发 生 影响 ， 由 于 这 些 蛋白 是 肽 链 合成 部 位 的 组 成 ， 因 此 IF-3 能 通过 改变 此 部 位 的 构象 而 促进 肽 链 的 延长 。 〈 图 6-45 ) 启动 阶段 消耗 GTP 的 一 个 高 能 磷酸 键 ， 并 非 生化 反应 所 需要 ， 而 可 能 为 核糖 体 变 构 或 启动 因子 从 核糖 体 上 释放 时 需要 供 能 。 真 核 细 胞 的 启动 阶段 更 为 复杂 ,， 有 更 多 的 启动 因子 参加 。 现 已 陆续 发 现 有 eIF-1、 elF-2, eIF-3, eIF-4 及 eIF-5 等 ， 其 中 如 eIF-3 就 由 9 条 多 肽 链 组 成 ; 而 eIF-4 和 包括 A、B、C、D 四 种 ， 此 外 还 有 其 它 的 可 溶 蛋白 因子 。 elF-2 是 相应 于 原核 细胞 IF-2 的 因子 ， 但 有 许多 特性 相 异 之 处 。 ( 表 6-12 ) 257 图 6-45， 有 蛋白质 合成 的 启动 阶段 (1) 309 亚 基 与 mRNA WHA: 30S+ mRNA+IF-3 一 -> (30S + mRNA IF-3 J (2) M (代表 N- 甲 酰 蛋 气 酸 ) -tRNA 各 与 IF-2.。GTP 形成 启动 复合 物 ， M-t RNAM +IF-2 - GTP—>({M-t RNAS * IF-2:°* GTPJ (3) 启动 复合 物 结合 到 -303 WHE. 30SC C30S * mRNA + IF - 3) (M-tRNA® +-JF-2+GTPJ+IF-1 | 一 -一 > mRNA ,IF-3 (4) 装配 成 能 够 开始 合成 多 肽 的 70S 核糖 体 ; SRNAEE IF -1 IF 2+ GTP /M-tRNAE 50S +|30S “4 一 一 > | 70S 二 各 mRNA .IEF-3 mRNA "IF - (5) IF -2 的 再 生 循环 , IF - 2» GDP+GTP——= IF - 2+ GTP+GDP, 258 fi ) M-tRNAM «Ip -1+ IF-2+ GTP | IF -} IF -2+GDP # 6-12 .原核 细胞 与 真 核 细胞 同类 启动 因子 特性 的 比较 与 原核 细胞 蛋 ，| 与 原核 细胞 甲 蛋 | SEMA | 与 原 术 细 胞 乙酰 六 与 真 核 细胞 蛋 ，| ee | -tRNA 的 结合 | -tRNA 的 结合 | -tRNA 的 结合 | 两 -tRNA 的 结合 | -tRNA 的 结合 | -tRNA 的 结合 IF-2 | 不 | 强 不 强 | 不 强 elF-2 不 | 不 不 OR | 强 弱 elF-2 由 三 条 多 肽 链 〈 分 子 量 55,000、50,000 及 35,000) 所 组 成 ， 而 活性 部 位 在 最 小 的 亚 基 上 。 它 能 与 蛋 氨 酰 -tRNA 及 GTP 形成 启动 三 联 体 ， 并 借 此 形式 与 核糖 te 40S 亚 基 结合 〈 孤 立时 则 不 能 ) 。 eIF-3 是 使 mRNA 与 40S 亚 基 相 结合 的 必要 因子 ， 结合 时 还 需 eIF-4A RelF-4B, 有 时 尚 有 eIF-4C RelF-1 的 参加 。 mRNA 与 409 亚 基 的 结合 反应 要 消耗 AIP， 原 因 不 明 。eIF-4B 能 起 识别 mRNA 的 作用 ， 例 如 能 特异 地 与 真正 作为 信使 的 单 链 RNA “ 头 ” 部 相 结合 ， 而 排除 其 它 非 信使 RNA〈 如 双 链 RNA) 的 干扰 。eIF-5 先 与 60S 亚 基 结合 ， 使 之 活化 而 与 40S 亚 基 复 合 物 相 结合 ， 成 为 完整 的 功能 性 核糖 体 ，- 此 反 应 与 原核 细胞 一 样 ， 亦 消耗 GTP。 另 有 一 个 eIF-2a， 它 能 促进 tRNA 和 mRNA 与 40S © 基 的 结合 ， 但 它 并 非 不 可 缺少 的 因子 ， 而 只 是 起 一 定 的 调节 作用 。 ( 表 6-13) 表 6-13，” 真 核 细 胞 的 央 动 因子 | 名 称 亚 基 分 子 量 复合 体 分 子 量 | : 作 用 elF-1 15,000 15,000 | Bm 40S 复合 体 elF-2- =. dd 125,000 | 联结 M-tRNA 和 GTP 35,000 | elF-3 许多 亚 基 >500,000 结合 mRNA el[F-4A 50,000 50,090 结合 天 然 的 mRNA eIF-4B (80,000)? (80,000) 识别 特异 的 mRNA eIF=4C 19,000 17,000 稳定 作用 eIF-4D 17,000 15,000 WERE, EK eIF-5 150,000 125,000 形成 805 Www, GTP. eIF-2a 65,000 65,000 促进 mRNA 与 tRNA 和 40S 的 结合 因此 ， 真 核 细胞 的 启动 过 程 总 结 为 ; 稳定 作用 SelF-1 Die Mi. elF-2 M-t RNAs ¢40S*M-t RNAgr 2 Ass 40S it Rare | GTP 和 GTP 7 ADP +Pi 60S el F-5——> 40S*M-¢RNAr «mRNA | ,NT- :RNSAE mRNA) + | 80S*M-¢RNAt ,mRNA] GDP +Pi 259 “4 elF-2 Wik) RRL, 虽 仍 暂时 保留 形成 启动 三 连 体 ， URS 40S 亚 基 和 mRNA 结合 的 能 力 ， 但 是 却 形 失 了 它 的 催化 活性 ， 因 为 它 不 能 再 生 ， 所 以 只 用 一 次 而 无 法 : 不 断 循环 。 原 因 是 磷酸 化 后 的 eIF=2 与 二 种 "eIE-2 WEA” AFC ESP, 分 子 量 为 180,000》 不 能 结合 ， 而 裸露 的 eIF-2 在 一 次 反应 后 即 丧 失 活性 : (1) eIF-2 + ESP == [eI F-2*ESP) (2) CeIF-2*-ESPJ+ GTP + &-tRNA=—LelF-2-ESP-GTP+ &-tRNAJ (3) CeIF-2*ESP*-GTP:&-tRNA) + 核糖 体 一 一 >[ 蛋 -tRNA- 核 糖 体 ]+eIF -2 (活性 ) +ESP+GDP+Pi (4) aa a (5) eJF-2(P) + GTP + &-tRNA Le] F-2(P)-GTP:&-tRNAJ (6) CeIF-2(P):GTP+%&-tRNA) + GB HK -——> [ S-tRNA-@ PR fh) + CeIF-2(P)1( RYE) + GDP + Pi 因此 ， 使 eIFE-2 磷酸 化 是 控制 细胞 蛋白 合成 的 一 种 方式 。 4°-5°2 延长 因子 ”原核 细胞 内 的 延长 因子 (简称 上 FE) 有 两 种 ， 即 : EF-T REF-G, 后 来 发 现 T 因 子 中 有 一 稳定 成 分 EF-Ts 及 一 种 不 稳定 成 分 上 E-Tu。 真 核 细 胞 中 相应 的 延 长 因子 为 EF-lo (相当 于 EF-Tu) ，EF-1B ( EF-Ts) 及 EF-2 (EF-G) 。 已 经 提纯 并 测定 了 几 种 细胞 内 的 肽 链 合 成 延长 因 于 EF-T, Qiz6-14, 表 6-14 LAAHALKATHRATERUBRAR CS) EF-Tu:GDP EF-Ts EF-Tu*EF-Ts stm | Ss 分 子 量 | 9S 分 子 量 。 | ， SS 大 肠 杆 菌 47,000 3.02 36,000 2.66 67,000 | 4,34 哮 热 脂肪 芽孢 杆菌 49,000 3.12 35,000 2.6 一 一 高 度 哮 热 杆 菌 49,000 3.4 27,000 2.4 142,000 6.4 猪 肝 细胞 53,000 一 30,000 一 (EF-1a) (EF-1B) 细菌 EF-G 分 子 量 为 80,000， 大 鼠 肝 细胞 为 96,500~110,000， 小 麦 胚 细胞 为 70,000。 在 说 明 延 长 因子 的 作用 以 前 ， 先 要 了 解 核糖 体 上 合成 肽 链 的 基本 情况 。 每 一 个 核糖 体 上 . 只 能 同时 结合 两 个 tRNA 在 不 同 的 位 置 上 ，A 位 即 氨 酰基 位 ， 结 合 新 进入 的 氨 酰 基 -tRNA; P 位 即 肽 酰基 位 ， 结 合 肽 酰基 -tRNA 。 这 两 个 位 点 都 在 大 亚 基 上 。 近来 发 现 还 有 第 三 个 结 : 合 tRNA MMAR, EDU EARS tRNA 的 部 位 ， 当 与 mRNA 的 下 一 个 密码 子 能 : 配对 的 tRNA 到达 核糖 体 上 时 ， 有 位 能 够 结合 这 种 tRNA ， 并 把 它 送 到 A 位 上 去 ; FA 位 上 的 tRNA 能 够 接受 了 位 上 tRNA 所 结合 的 多 肽 链 ， 而 且 将 自己 所 带 的 氨基 酰 ， 通 过 肽 : 键 而 结合 到 这 个 多 肽 链 的 羧 端 上 去 ,从 而 每 次 使 肽 链 延 长 一 个 氨基 酸 残 基 。 当 了 位 tRNA 丧失 了 原来 所 结合 的 多 肽 后 ， 就 成 为 “ 空 身 "的 tRNA ， 不 再 能 占据 核糖 体 上 的 位 置 了 ， 于 是 就 脱离 而 去 ”然而 接受 了 多 肽 链 的 tRNA 能 够 晋升 一 级 ， 带 着 它 所 结合 的 肽 链 前 进 到 了 位 : 上 来 ， 留 下 空 的 A 位 ， 准 备 迎 接 新 的 氨基 酰 -tRNA 的 到 来 ， 而 这 个 新 的 氨基 酰 -tRNA 则 已 经 在 候补 位 人 上 等 待 着 。 这 就 是 延长 过 程 的 概况 。 〈 图 6-46 ) 延长 因子 Tu 在 转 肽 反应 中 起 作用 ， 而 G 则 在 位 移 时 起 作用 。 EF-T 在 延长 阶段 中 的 作用 似乎 代替 了 :IFE-2 在 启动 中 的 作用 。 但 是 EEFE-T 不 能 与 N-H 酰 蛋 氨 酰 -tRNA 而 只 能 与 其 余 的 氨基 栈 -tRNA 结合 成 三 连 体 !; 它 带 着 氨基 栈 -tRNA 结合 260 A, tRNA-M#Pitbt, 带 有 已 合成 的 肽 链 ; B, tRNA-(n+DER Ms 核糖 体 对 tRNA 进行 识 别 作 用 ， C。 tRNA-(a+1) 至 A 位 上 ， 准 备 将 所 带 氨 基 酸 接 到 肽 链 上 }，， D. tRNA-(n+1) 接 受 肽 链 并 移 至 P 位 上 ， 而 tRNA-(a) 则 空 载 并 离开 核糖 体 ， 核糖 体 准备 接受 tRNA-(n+2) 而 继续 延长 肽 链 。 到 核糖 体 的 A 位 而 不 是 P 位 上 去 ， 而 且 它 在 A 位 上 还 能 为 转 肽 和 合成 肽 键 作 用 提供 能 量 (GTP 一 >GDP+ Pi), .在 这 些 作 用 中 的 主角 是 EF-Tu， 但 是 EF-Ts 能 帮助 Tu “充电 ? ， 即 由 反应 后 的 卫 F-Tu*GDP 重新 变 成 卫 F-~ Tu.GTP ， 从 而 能 再 次 进入 合 肽 反应 ， 因为 只 有 EF- 1 GTP Tu-GTP 而 不 是 EF_Tu.GDP +8645 RHEM-tRNAG] MHRA Gp nate 结合 。 已 知 EF-Tu BAST LA 3 44=-SH, 其 中 两 个 图 6-47 EF-Tu-SH 基 的 存在 是 它 的 活性 部 位 ， 是 与 其 它 分子 相 结合 并 发 生 反应 的 地 状态 及 机 能 Fi. (A 6-47) AB tH SHABEEM, ARMM WIE 整个 延长 阶段 的 反应 过 程 ， 可 用 图 6-48 说 明 。 性 基 团 (SH(s))，SH(1) 与 EF-Ts 及 GDP 肽 键 合 成 是 一 个 放 热 反 愉 有 Ay Bt BE -tRNA 之 “GTP 起 反应 ;， SH 2) 与 氨基 酰 -tRNA 起 间 的 酯 键 能 量 高 达 9 千 卡 / 克 分 子 ， 而 形成 肽 键 只 需 Fe 3 千 卡 / 克 分 子 ， 按 理 说 ， 氨基 酰 从 tRNA 上 裂 断 下 来 时 所 释放 的 能 量 对 于 它 结合 到 肽 链 上 去 时 的 需要 是 足够 有 余 的 ， 然而 实际 上 在 每 合成 一 个 肽 键 时 却 反而 要 消耗 两 个 GTP ， 原 因 不 在 于 化 学 反应 而 为 “机 械 -化 学 ”反应 的 需要 ， 亦 即 核糖 体 构 象 的 改变 和 各 种 成 分 的 运动 ( 移 位 等 ) 。 无 论 是 EF-Tu 还 是 EF-G; (以 及 IF-2) ， 当 它们 与 50S 亚 基 上 的 L7/L12 相 结合 时 ， 就 表现 明显 的 GTP 酶 活性 ， 它 既 能 催化 GTP 的 水 解放 能 反应 ， 又 能 同时 执行 某 种 生物 学 机 能 ， 正 如 细胞 膜 上 的 载体 和 肌 凝 蛋白 那样 ， 这 两 种 蛋白 都 是 ATP 酶 ， 前 者 能 运 输 物 质 ， 后 者 能 伸缩 运动 。 延 长 因子 的 特性 与 它们 有 类 似 之 处 ， 它 之 所 以 能 够 控制 核糖 体 的 合 肽 作用 ， 可 能 与 这 种 特性 有 关 。 在 细胞 生长 繁殖 时 ， 各 种 延长 因子 都 按 一 定 的 比例 而 增加 数量 ， 以 适应 蛋白 质 合成 的 步 调 。 若 以 核糖 体 S1 蛋白 为 基数 ， 其 相对 分 子 数目 的 比例 为 EF-Tu: EF-Ts:EF-G:S1 4~5: 1 3 ae | 启动 因子 和 终止 因子 没有 表现 这 种 按 比例 协调 地 增长 的 趋势 。 除了 合 肽 作用 外 ，EF-Tu 在 细胞 中 还 有 一 定 的 结构 作用 。 发 现 它 在 一 定 条 件 下 能 聚集 成 丝 状 高 聚 体 ， 并 进一步 强 绕 成 束 状 结构 ;结合 其 它 特 性 ， 都 说 明 它 与 肌 动 蛋白 相似 。 延 长 因子 T 还 是 某 些 RNA 病毒 复制 酶 〈 依 靠 RNA 为 模板 而 催化 合成 另 一 条 RNA) 的 组 成 部 261 图 6-48 蛋白 质 合 成 的 延长 阶段 (1) EF-Tu.GTP 的 再 生 循环 : EF-Tu-GDP + EF-Ts——> EF-TaEF-T5+ GDP EF-Tu-EF-Ts+.GTP—+EF-Tu»GTP'+EF-Ts (2) 延长 三 联 体 的 合成 : 氨基 栈 -tRNA +EF-Tu.GTP ->[ 氨 基本 -tRNA.EF-Tu*GTP] (3) 延长 三 联 体 结合 于 核糖 体 TLE: [ 氢 基 酰 -tRNA .EF-Tu - GTP]1 氨基 酰 -tRNA . EF-Tu + GTP a 2 | 70S mRNA | 70S mRNA (4) 合成 肽 键 ， Bk ME ¢-) -tRNAX+ 氨基 栈 -tRNAY - EF-Tu - GTP —> CP ft) (A ft) tRNAX + Bk BE (s41)-tRNAY + EF-Tu - GDP + Pi (了 位 ) CA 位 ) (5) 移 位 : BBE cest)-tRNAY (Att) +EF-G - GTP——>ikBtcy1)-tRNAY (了 P 位 ) +EF-G.GDP+Pi。 分 ， 这 个 酶 的 4 个 亚 基 中 ， 只 有 工 亚 基 是 由 病毒 自己 的 信息 指导 而 合成 的 ， 工 亚 基 为 寄主 《大肠 杆 菌 ) 核糖 体 30S WIA S1, PAV 亚 基 分 别 为 EF-Tu 和 了 EF-Ts。 这 是 寄生 262 物 借用 寄主 的 机 构 为 自己 服务 的 又 一 例证 。 4*5*3 释放 因子 “ 当 核糖 体 A 位 上 的 mRNA 出 现 三 个 无 意义 密码 子 碱 基 顺序 中 的 一 个 时 ， 就 有 两 个 释放 因子 〈 或 终止 因子 ) 来 到 原来 由 氨基 醚 -tRNA 所 占 的 位 置 上 去 ， 如 果 终止 密码 为 UAA 或 UAG，REF-1 就 “出 场 ”， 如 果 为 UAA 或 UGA， 则 REFE-2 就 “ 登 人 台 ”。 这 两 个 蛋白 质 的 分 子 量 分 别 为 44,000 和 47,000,、， 每 个 大 肠 杆菌 内 约 有 几 百 个 这 样 的 分 子 在 发 挥 作用 。 当 RF-I 或 RF-2 暂 时 结合 在 A 位 上 时 ， 有 一 个 称 为 “释放 刺激 ”因子 的 REF-3 能 加 速 前 两 种 因子 的 释放 反应 ， 而 将 肽 酰 -tRNA 从 核糖 体 上 释放 下 来 。 可 能 还 有 最 后 一 个 因子 使 肘 酰 从 tRNA 上 游离 下 来 ， 成 为 一 个 独立 的 新 蛋白 质 分 子 。 此 因子 能 够 识别 这 是 开始 的 蛋氨酸 还 是 最 后 的 蛋氨酸 ， 因 为 它 可 以 作用 于 tRNA 至 而 不 能 作用 于 tRNA 和 上 的 N- 甲 酰 蛋氨酸 。 : 真 核 细 胞 终止 反应 的 参与 因子 仅 有 1 种 ， 它 同 时 能 译 读 三 种 终止 密码 。 此 外 ， 它 还 需 要 GTP 供 能 ， 而 这 是 原核 细胞 所 不 需要 的 。 当 新 合成 的 蛋白 质 脱离 核糖 体 后 ， 原 来 的 蛋白 质 合成 复合 体 就 暂时 解散 ， 例 如 核糖 体 的 小 亚 基 和 大 亚 基 都 离开 mRNA 而 分 别 回 到 各 自 的 库 中 去 ， 准备 进行 下 一 轮 的 合成 循环 。 (图 6-49 ) ® 图 6-49 和 蛋白质 合 成 的 终止 阶段 R 为 释放 因子 ， M 为 新 合成 多 肽 氨 端 的 蛋氨酸 ，A 为 羧 端的 氨基 酸 ， N 为 mRNA 上 羧 端 氨基 酸 的 密码 子 ; O 为 mRNA 上 的 终止 密码 子 。 4-6 多 体 模型 蛋白 质 合 成 时 的 单 体 模型 纯粹 是 一 种 人 为 的 简单 化 ， 事 实 上 在 细胞 中 往往 是 多 个 核糖 体 联合 作用 ， 即 在 同一 条 mRNA 上 从 头 〈5 be) 到 尾 C3! te) 都 有 一 定数 量 的 核糖 体 附 着 在 上 面 进 行 转 译 ， 在 3’ 端 处 不 断 地 有 已 经 完成 任务 的 核糖 体 解 体 并 离开 mRNA， 而 在 5 7 端 处 则 连续 地 有 游离 的 核糖 体 大 、 小 亚 基 附 着 到 腾 出 位 置 来 的 mRNA 上 面 去 ， 开 始 蛋 白质 的 合成 作用 。 细 胞 能 够 如 此 有 效 地 利用 它 有 限 的 时 间 、 空 间 和 设备 进行 重要 的 生命 活动 ， 确 实 MAAR. (图 6-50 ) 每 一 条 mRNA 上 附着 的 核糖 体 数 目 是 不 同 的 但 是 mRNA 越 长 〈 亦 即 代表 较 大 分 子 量 的 蛋白 质 ) ， 其 上 多 体 所 含 单 体 数目 越 多 ， 例 如 分 子 量 为 480,000 的 肌 凝 蛋白 在 合成 时 可 以 有 60 个 单 体 组 成 的 转译 多 体 ， 575 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 人 血清 白 蛋 白 的 多 体 含 有 20 个 核 糖 体 ， 而 140 个 氨基 酸 残 基 组 成 的 血红 蛋白 则 只 有 5 一 6 个 单 体 。 后 两 种 蛋白 质 合 成 时 在 它 263 们 的 mRNA 上 大 约 每 隔 80 一 86 个 核 苷 酸 有 一 个 单 体 附着 ， 而 大 肠 杆菌 则 仅 隔 22 个 核 背 酸 ， 相当 于 一 个 核糖 体 的 直径 150A 左右 ， 因此 核糖 体 几 乎 是 mRNA 上 。 “ 接 申 而 来 ” 地 密集 排列 在 图 6-50， 核 糖 体 的 循环 及 多 体 模型 真 核 细 胞 的 核糖 体 有 很 多 是 附着 在 内 质 网 上 的 ， 但 当 它 单独 存在 时 ， 其 附着 力 较 弱 ， 而 当 它 与 mRNA 结合 ， 并 且 开始 合成 多 肽 时 则 较 强 。 当 形 成 核糖 体 -mRNA- 膜 的 复合 系统 时 ， 首 先是 mRNA 的 3 端 有 一 段 多 聚 腺 苷 酸 ， 它 与 工 个 分 子 量 为 78,000 HEAR A, 并 借以 粘连 在 内 质 网 上 :然后 各 个 核糖 体 当 它们 附着 mRNA 的 同时 也 陆续 附着 在 内 质 网 膜 外 表面 上 。 一 般 是 核糖 体 的 大 亚 基 比 较 容 易 附 着 ， 故 整个 核糖 体 通 过 大 亚 基 而 结合 在 膜 上 。 人 a b C d OLenme ) TO 264 图 6-51 核糖 体 、mRNA 与 内 质 网 膜 的 结合 A。 各 种 状态 核糖 体 与 膜 的 结合 能 力 : a。 尚 未 开始 合 肽 的 核糖 体 单 体 的 结合 力 弱 ;，b。 与 mRNA 结合 但 刚 开始 合成 多 肽 ， 结合 力 不 太 强 ; chd, 已 经 合成 多 肽 ， 结 合力 较 强 ; 了 3。 与 膜 松 弛 结合 的 多 体 ， Mit mRNA SRA 连 ， 而 核糖 体 本 身 不 接 触 膜 C。 与 膜 牢固 结合 的 多 体 ， mRNA 及 核糖 体 都 直接 与 膜 结合 。 各 种 膜 附着 核糖 体 的 能 力 大 小 顺序 为 ， 粗 面 内 质 网 膜 > 光 面 内 质 网 膜 六 细胞 质 膜 ， 故 而 粗 面 内 质 网 膜 是 细胞 内 蛋白 质 合成 的 主要 基地 。 (图 6-51 ) 发 现 有 些 膜 上 的 多 体 很 规则 地 排列 成 线 状 、 环 状 、 螺 旋 状 或 花束 状 的 结构 。 推 测 在 内 质 网 膜 的 外 表面 上 可 能 有 每 个 核糖 体 固定 的 “ 窝 ”， 例如 图 6-52 中 的 6 个 核糖 体 均匀 地 分 布 在 圆周 上 上。 因此， 在 核糖 体 的 推动 下 ， 使 一 条 mRNA 链 围 着 这 6 个 核糖 体 转 。 每 个 核糖 体 当 完 成 一 条 多 肽 的 合成 时 ， 它 暂 时 离开 mRNA 的 3/ 端 而 “等待 ” mRNA SS! 端的 启动 部 位 的 到 来 ， 一 旦 结合 了 mRNA 后 ， 随 即 返回 它 原 来 在 膜 上 的 《 窝 ”; -因此 始终 能 保持 它们 多 体 的 排列 状态 。 (图 6-52.) 图 6-52 膜 结 合 环 状 多 体 的 一 个 转译 周期 5’ 及 3/ 表示 mRNA HAH, AUG 为 启动 密码 ，UAG HALES, 附着 的 基地 为 内 质 网 膜 的 一 个 片断 。 内 质 网 膜 表 面 核糖 体 所 合成 的 蛋白 质 有 几 种 方式 释放 下 来 ， 或 者 通过 大 亚 基 上 假设 中 的 孔道 而 进入 内 质 网 的 腔 内 ;这 是 分 泌 性 蛋白 质 的 出 路 ; 或 者 在 膜 外 表面 即 游离 而 进入 细胞 浆 , 这 是 细胞 本 身 自 用 成 分 的 归宿 ， 或 者 沿 着 膜 平 面 而 横向 滑动 ,于 是 就 自然 而 然 地 参与 膜 的 265 Ak. ENARMABHO BEA, WRERAEA, COVARRA Bi, MESS W -需要 经 过 加 工 和 装配 ， 包 括 切 去 分 子 上 无 用 的 肽 链 部 分 ， 加 上 糖 链 ， 使 几 个 亚 基 组 合成 完整 的 功能 性 蛋白 等 。 一 般 糖 蛋白 上 守 糖 链 的 基部 是 在 内 质 网 腑 内 结合 上 去 的 ， 而 端 部 则 要 输送 到 光 面 内 质 网 腔 或 高 尔 基体 内 才 继 续 添 加 。 CAI 6-53 ) 核糖 体 核糖 体 图 6-53 一 个 复合 蛋白 《抗体 ) 药 分 泌 和 加 工 过 程 抗体 由 二 条 轻 链 〈 革 链 ) MOEA (HE) FAM, HHRRAAAG. CHtAB# ABR) 266 Wp ate si S: —. WHE. 1, Science ( (#4), X) 2, Nature ( «GR», 英 ) 3. Scientific American ( «#}43HA», #) 4, Proceeding of National Academy of Science. of U.S.A. 《美国 科学 院 院 报 》，. 美 ) 5, Journal of Theoretical Biology 〈《 理 论 生 物 学 杂志 》， 英 ) 6, Journal of Molecular Biology ，(《 分 子 生 物 学 杂志 六 HB 7. BAR. BRR. BR ( HAR. RRM, AD 8. Ate ( KAM», A) 9, (FLEW “《〈《 化 学 与 生物 》 A) 10, OBL ODHOA ( (KVR, AD . 综述 类 ; 1, Advances in Microbial Physiology “ (微生物 生理 学 进 属 ) 2, Annual Review of Biochemistry (生物 化 学 年 览 ) 3, Annual Review of Microbiology (微生物 学 年 鉴 ) 4, Annual Review of Physiology (生理 学 年 鉴 ) 5, Annual Review of Plant Physiology (植物 生理 学 年 鉴 ) 6。 Annual Review of Genetics (遗传 学 年 鉴 ) 7. Annual’ Review of Biophysics & Bioenergetics (生物 物理 学 及 生物 能 学 年 鉴 ) 8, Physiological Review (生理 学 评论 ) 9, The Quarterly Review of Biology ” (生物 学 季 评 ) 10, Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society 《英国 剑桥 哲学 会 生 物 学 评论 ) 11, International Review of Cytology (Hirani iit) .书籍 类 : 1. Biology (4M) , 1974, Ebert, JD,, Loewy, AG, et, al., Holt, Rinehart & Winston Inc,, New York. 2, Biology (4%) , 1974, 3rd, eds., Kimball, JW , Addison-Wesley Publi- shing Co,, California etc, 3. The Cell in Medical Science (BBS PA4IM) , 1975, Beck, F, & Lloyd, JB,, Academic Press, New York & London, 4, Medical Physiology (医学 生理 学 ) , 1974, 13th eds., Mountcastle, VB., C.V. Mosby Co,, Saint Louis, 5, Animal Physiology, Principle & Adaptations (动物 生理 学 ， 原理 和 适应 作用 ) ，， 267 268 1977, 2nd eds,, Gordon, MS,, Macmillan Publishing Co,, New York, Biochemistry, The Chemical Reactions of Living Cells (生物 化 学 ，“ VES 胞 的 化 学 反应 ) , 1977, Metzler, DE,, Academic Press, New York & London, 细胞 生物 学 丛书 ，1977 一 1978， 小 川 和 朗 、 大 村 恒 雄 等 ， 理 工学 社 ， 东 京 。 Handbook of Biochemistry & Molecular Biology (生物 化 学 及 分 子 生 物 学 手册 ) ， 1976, Fasman, GD,, CRC Press, Inc,, Cleveland Ohio, Receptors and Recognition (〈 受 体 与 识别 作用 丛书 ) ，1976 一 1978， Cuatrecasas, P, & Greaves, MF,, Chapman & Hall Co,, London, . Handbook of Genetics (遗传 学 手册 ) , 1974~1976, King, RC,, Plenum Press, New York & London, Outlines of Biochemistry (生物 化 学 概要 ) ， 1976, 4th eds,,Conn; EE,, Stumpf, PK,., John Wiley & Sons, New York, . Experimental Biochemistry (实验 生物 化 学 ) ， 1977, Clark Jr.,, IM., ‘Switzer, RL,, W.H, Freeman & Co,, USA, . Review of Physiological Chemistry (#@(¢%i#it), 1977, 16th eds,, Harper, HA., Rodwell, WW -,' tet Mal,, Lange Medical Publications, Los Altos, California, oh Basic Molecular Biology (分子 生 物 学 基础 ) ， 1979, Price, FW., John Wiley & Sons, New York, 0 Biological Chemistry (生物 学 的 化 学 ) , 1971, 2nd eds,, Mahler, HR,, Cords, EH,, Harper & Row Publishers, New York etc, 类 敌意 Biochemistry (494624) , 1975, Stryer, L., WJH. Freeman & _ Co， San Francisco, ; Concepts of Molecular Genetics | 〈 分 子 遗 传 学 概念 ) » 1977, Woodward, DO,, Woodward，VW ，Textbook Services, Califonia, Ae Molecular Evolution & ‘the Origin. of Life , (分 子 进化 及 生命 起 源 ) ，1977， Fox，9W.， 人 内. 可。 Freeman & Co,, New York, (he! Babymes Moletdle (B44 )5001976,2 Ferdinand, \.W.,...John;,.Wiley & Sons, London etc, Molecular Mechanisms of Protein. Biosynthesis ， (和 蛋白质 合成 的 分 子 机 制 ) ,9 1977, Weissbach, H,, Pestka，S , ‘Academic Press, New York, An Introduction to Bio-Inorganic Chemistry “ 〈 生 物 无 机 化 学 绪论 ) » 1976, Wil- liams, D., Charles C.TThiomasTDPublisher， Springfield, tet of [" 为 本 书 专用 参考 书 ， 余 为 本 丛书 的 基本 人 参考 资料 ] 中 RG 一 ,); 画 一 氧化 碳 细 菌 carbonic oxide bacteria 一 级 调节 ”primary 乙 二 醛 酶 乙酰 化 酶 acetylase 乙酰 乙酰 -ACP acetoacetyl-ACP 乙酰 -Y- 色 胺 acety1-Y-tryptamine N-ZBtA wR N-acetyl glucosamine 乙酰 基 acetyl N4- 乙 酰基 胞 苷 酸 ”N4-acetyl cytidylic N- 乙 酰 胞 壁 酸 N-acetyl muramic acid 乙酰 胆 碱 酯 酶 acetyl cholin esterase a- 乙 酰 -a- 叛 丁 酸 a-aceto-a-hydroxybutyric acid a- 乙 酰 乳 酸 a-acetolactic acid 乙酰 乙酸 ， acetoacetic acid 乙酰 -CoA 羧 化 酶 acetyl-CoA carboxylase 乙酰 -CoA 合 成 酶 acetyl-CoA synthetase 乙酰 转 酰 酶 acetyl transacylase 乙醚 ether ZE alcohol 乙醇 酸 glycollate 乙醇 酸 氧化 酶 乙醇 醛 aldol ZBAKB acetaldehyde oxidase 乙 醛 酸 还 原 酶 glyoxylate reductase 乙 醛 酸 途 径 glyoxylate cycle 乙酸 丁 酯 acetyl butyric regulate glyoxylase acid glycollate oxidase ester = g 二 乙 基 胶 乙 基 纤 维 素 diethylaminoethyl cel- (DEAE) = 7OR RAS diol dehydrogenase 二 酰基 甘油 diacylglycerol 二 聚 体 -dimer 二 醇 脱 水 酶 diol dehydrase 1, 3- 二 磷酸 甘油 酸 1,3-diphosphoglyceric lulose Ot acid (1, 3-DPG) 1，5- 二 磷酸 核 酮 糖 ribulose-1, 5-diphosphate 二 磷酸 核 酮 糖 羧 化 酸 ” ribulose diphosphate carboxylase 1,6- 二 磷酸 果糖 fructose-1,6-diphosphate (FDP) 二 磷酸 喀 喧 核糖 核 苷 ”pyrimidine nucleoside diphosphate 二 磷酸 尿 苷 葡萄 糖 uridine diphosphate glucose —BRIH inosine diphosphate 1，7- 二 磷酸 庚 酮 糖 heptulose-1,7-diphos- phate 二 磷酸 果糖 磷酸 酶 ， diphosphofrtctose phos- phatase N?--~HAS7RM N2-dimethyl-guanylic acid —PARHKM dimethylbenzimidazole 二 甲 基 烯 两 基 焦 磷酸 和 蜡 戊 基 焦 磷酸 的 缩合 作用 condensation of dimethyl- allyl pyrophosphate with isopentanyl pyrophosphate =k dipeptide 二 肽 酶 dipeptidase 1,2- 二 氮 基 乙 烷 1,2-diamino ethane ay8B- 二 所 基 丙 酸 a,B-diaminopropionic acid L,L-a,e-lLaAKR ROR L,L-a, E-diaminopi 一 melic acid 二 氨基 庚 二 酸 途 径 diaminopimelic acid route 二 氢 硫 辛 酰 转 乙酰 酶 dihydrolipoyl transace— tylase 二 氢 硫 辛 酰 脱 氢 酶 ， dihydrolipoyl dehydro-— genase 2,3- 二 氧 吡啶 二 凑 酸 2,3-dihydrodipicolinic acid 工 -二 氢 乳 清 酸 L-dihydroorotic acid 二 氢 乳 清 酸 酶 ”dihydroorotase 269 —ASLIGRRAB dihydroorotic dehydro- genase TRAE FS GREK R) phenanthroline (ferroin) —#% Wei dihydroxyacetone 0 ,B-—¥8-B- FA St SRM a ,B-dihydroxy-f- -methyl isovaleric acid —¥it RM dihydroxy folic acid —¥33L35M dihydroxy orotic acid a,pP-—#HRR a,B-dihydroxyisovaleric acid 二 蜡 丙 基 氟 代 磷酸 diisopropylphospho-fluori- date (DFP) —KAE 〈 二 联 体 ) microtubule doublet 二 胀 (4) FR diamidino methylamine 本 糖 tetrose 丁 烯 -2 butene-2 丁 烯 酰 -ACP 还 原 酶 .crotonyl-ACP reductase 丁 烯 酰 -3-ACP crotonyl-S-ACP AL Oks) 合成 :chemosynthesis 人 皮 细 胞 human skin cell 人 血清 白 蛋 白 human serum albumin 人 胎盘 细胞 ， human placenta cell AGRE BRA stellate cells of cere- bellar cortex of human JLAS MRE catecholamine (CA) JFJZEABA concanavalin A = 画 三 叶 草 状 clover shaped 三 磷酸 核 苷 ”ntucleoside triphosphate 5/“- 三 磷酸 脱氧 核 苷 deoxyribonucleoside 5/- triphosphate 三 级 调节 三 维 空间 three dimension tertiary regulate =K(k ternary complex 三 联 密码 triplet code =KRE microtubule triplet 三 联 体 trimer 三 羧 酸 循环 tricarboxylic acid cycle 干 热 缩 合 反 成 baking polymerization 大 亚 基 库 large subunit pool OY oral groove 270 OAM oral tray EE epithelial cell 广义 酸 - 碱 反应 «general acid-base reaction 小 亚 基 库 small subunit pool 小 沟 minor groove 子 细 胞 daughter cell 己 糖 基 转 移 酶 ”hexosyl transferase 飞翔 肌 flying mtscle ~ nf 开放 系统 open system 天 体 celestial body 天 仙子 胺 hyoscyamine 有 -天 冬 氮 酸 羊 醛 aspartic-B-semialdehyde 天 冬 氮 酸 aspartic acid _ KA ARM aspartase $B. REAR EA FM aspartate carbamyl transferase __ = B-KA AB BER B-aspartyl phosphate KAM RE asparagine sie, 天 冬 酰 胶 酶 ， asparaginase KA BER A Be asparagine synthetase 天 冬 氨 酸 激酶 ”aspartokinase 专 性 厌 氧 生物 obligate anaerobe 元 古代 Proterozoic Era i 木质 部 xylem 木质 素 lignin 木质 纤维 细胞 1lignocellulosic cell, AK xylose "os AR xylan xf «mycoplasma ARH kynurenine 不 可 逆 过 程 irreversible process ， 不 饱和 脂肪 酸 unsatturated fatty acid 太阳 虫 Actinosphaerium 太古 代 Archean Era 区 带电 泳 ”zonal electrophoresis EBA megakaryocyte Em 44 id macrophage FFL non-articulate laticiferous duct 无 规 线 圈 “无 变动 ”突变 无 氧 分 解 anaerobic' dissolution 无 氧 呼吸 anaerobic respiration random coil “nonsense” mutation 中 心 体 centrosome 中 心 粒 centriole ult central sheath 中 生 代 Mesozoic Era 中 间 产 物 intermediate product 中 间 类 型 ” intermediary form gett relay group A inner segment 内 分 化 说 endodifferential hypothesis Py SEAR BE endosy mbiont theory 内 质 网 腔 endoplasmic reticulum 内 消 旋 ”intetnal compensation AMPA infolding Ay inner membrane 内 膜 系统 endomembrane system ”内 网 体 dictyosome 手 征 福 chirality 毛 丝 flagellar filament 34) misacidium 4% flagellar hook 生 胰 核糖 核酸 酶 ” bovine pancreatic ribonu- clease 牛 胰岛 素 bovine insulin 气相 色谱 gas chromatography 化 学 开放 系统 ”chemical open system 化 学 位 移 chemical shift 化 学 进化 chemical evolution 化 学 修饰 chemical modification 化 学 修饰 部 位 chemical modification site 化 学 致 变 物 chemical mutagen 化 学 凝聚 剂 chemical coagulating agent 化 能 自 养 细 菌 chemoattotrophic bacteria 反 丁 烯 二 酸 〈 延 胡 索 酸 ) 反 式 trans-form 反 密 码 子 anticodon 反 密 码 子 于 anticodon stem 反 密 码 子 环 anticodon loop Rit feedback 反馈 抑制 ”feedback inhibition 分 子 生 物 学 “molecular biology 分 子 机 器 molecular machine 4} F945 molecular disease St Fi 〈 凝 胶 过 滤 色 层 分 析 ) cisterna fumaric acid molecular sieve (gel-filtration chromatography) 分 支 代谢 途径 ”bramching metabolic pathway 分 支 酸 异 构 酶 chorismic acid isomerase 分 化 differentiation AAU fractional precipitation 分 泌 secretion 分 泌 胞 secretion vacuole(vesicle) 4y WW secretory granule 分 配 层 析 法 “partition chromatography 分 配 系数 partition coefficient 分 裂 间 期 〈 静 止 期 ) interphase (stationary> — stage 分 辩 率 resolving power 心 磷脂 cardiolipin 比 表面 积 specific surface area 比 活 度 specific activity 比较 生物 化 学 comparative biochemistry 巴 斯 德 效应 Pastetur effect 水 牛 脑 细 胞 buffalo brain cell 水 化 空间 hydrated space 水 苏 糖 stachyose 水 解 酶 hydrolase 引子 链 primer strand 引 肽 leading peptide 双向 层 析 two-dimensional Wik dimer 双 糖 diose (biose) WHR bilayer membrane 双 氢 尿 苷 酸 dihydrouridylic. acid 双 螺 旋 区 double-helical region PRE cadaverine chromatography 五 Bj 末端 羧基 terminal carboxyl group 末端 氨基 terminal amino group 正 反馈 作用 «positive feedback 正 肾 上 腺 素 ， mnoradrenaline TIE (ff) 效应 子 positive(negative) 正 碳 离子 carbonium ion 功能 性 蛋白 甘油 glycerol 甘油 三 酯 triacylglycerol 甘油 三 酯 〈 脂 肪 ) BM triglyceridase 甘油 酯 glyceride effector functional protein 271 HAR glycine HARZAR glycyl-leucine HABMAR glycyl-tyrosine 甘露 糖 mannose His mannan 节 间 细胞 internodal cell W—B-S-ACP malonyl-S-ACP A—BReRB malonyl transacylase WR malonic acid WH propanediol WAR alanine AARHAB alanine transaminase WBA acetone AMBRAw pyruvate dehydrogenase 丙酮 酸 羧 化 酶 ”pyruvate carboxylase 入 AD+*- 丙 酮 酸 级 合 物 NAD+-pyrtvate con- jugate 瑰 酮 琶 激酶 ”pyruvate kinase WRB pyruvate phosphokinase 古生代 Palaeozoic Era 平滑 肌 细 胞 smooth muscle cell 平衡 态 equillibrium state 可 变 环 variable loop WAt fertility 可 待 因 codeine 可 逆 过 程 reversible process 可 逆 性 抑制 reversible inhibition 可 逆 性 结合 reversible binding 卡尔 文 循 环 Calvin cycle 是 状 腺 素 thyroxine 乃 种 眼球 晶体 蛋白 a-crystallin FASE— FRR mevalonate 旨 基 丙 二 酰 -CoA methylmalonyl-CoA Fst Pj —M-CoA ih methylmalonyl-CoA mutase 1- 甲 基 肌 苷 酸 1-Me-inosinic acid 1- 甲 基 乌 苷 酸 1-Me-gtanylic acid ?- 甲 基 鸟 苷 酸 7-Me-gtuanylic acid N2-H3t 84M N2-Me-guanylic acid FASE {kK acceptor of methyl group 3- 甲 基 胞 苷 酸 3-Me-cytidylic acid 5- 甲 基 响 苷 酸 5-Me-cytidylic acid 5- 甲 基 胞 喀 啶 ”5-Me-cytosine 5- 甲 基 -2- 硫 尿 苷 酸 5-Me-2-thio-uridilate 272 甲 基 -a-D- 葡 萄 糖苷 methyl-a-D-glucoside 甲 基 转 移 酶 ”methyl transferase 1- 甲 基 腺 苷 酸 ”1-Me-adenylic acid 2- 甲 基 腺 苷 酸 2-Me-adenylic acid 6- 甲 基 腺 苷 酸 6-Me-adenylic acid 5- 甲 腕 基 甲 基 -2- 硫 尿 苷 酸 5-formamide for- my 1-2-thiouridilate 1-FA #82 1-hydroxymethyl valeric acid Fy methylene N5,N10- 甲 烯 基 四 氢 叶 酸 =N®&,N1°-methylene ， tetrahydrofolate a- 甲 烯 基 戊 二 酸 变 位 酶 ，c-methylene dioic acid mutase pentan- Fage methane 甲烷 细菌 ”methanogenic bacteria 甲 硫 基 methiony1 入 - 甲 酰 蛋 氨 酰 tRNA 至 N-formylmethionyl tRNA™t 甲酸 脱氧 酶 ， formate dehydrogenase MPRA dhurrin at de 叶绿体 间 质 matrix of chloroplast 叶绿素 chlorophyll 电子 对 供 体 electron-pair donor 电子 对 受 体 electron-pair acceptor 电子 传递 ， electron transfer 电子 传递 链 electron. transfer chain 电子 应 变 electronic. strain 电子 显微镜 «electron microscope 电 冲 动 electric impulse 电导 electric conductance 电泳 法 electrophoresis “电荷 接力 系 统 charge relay 电离 辐射 仪 apparatus of ionize radiation Ap wk porphyrin 四 环 素 tetracyclin(e) 四 面体 过 渡 态 tetrahedral transition. state 四 吡咯 tetrapyrrol 了 po Sn EHH tetrahydropicolinic acid pow tetramer 四 膜 虫 Tatrahymena 四 碳 同 系 物 four carbon analog 生化 放大 作用 biochemical 生长 因 了 于 growth factor 生物 大 分 子 ，biological macromolecule sysiem magnification 生物 生态 学 bioecology 生物 合成 biosynthesis 生物 进化 ”biological evolution 生物 周转 率 ” biological turnover rate 生物 起 源 说 biogenesis 生物 统计 学 biometrics 生物 降解 biocatabolism 生物 素 biotin AAW ZIBB «biotin carboxylase 生物 素 羧 基 载 体 蛋 白 biotin carboxyl car- rier protein 生物 热力 学 biological thermodynamics 生物 圈 biosphere “生命 线 ” “life line” 生命 起 源 origin of life AIG EFABE deactivation enzyme SUB pentose 戊 糖 基 转移 酶 ”pentosyl transferase RFR «metabolic pool 代谢 类 型 ”metabolic form 代谢 振 划 ”metabolic oscillation 代谢 途径 metabolic pathway Ri Fi metabolic flow AiKAR tsuzuic acid SHR guanylic acid SAR ornithine 乌 所 酸 变 位 酸 ornithine mutase 鸟 氨 酸 脱羧 酶 ”ornmithine decarhoxylase GARIBH ornithine cycle Smee guanine MAR citrulline ERR RY —RBARM nicotinamide ade- (NAD) nine dinucleotide JE sc RE RRR EM — BARBER nicotinamide (NADP) adenine dinucle- otide phosphate 尼克 酸 nicotinic acid 皮肤 细胞 skin cell 外 节 outer segment 外 国 染 色 质 ”peripheral chromatin 外 周 微 管 peripheral microtubule 外 消 旋 racemization 外 腔 〈 线 粒 体 ) perimitochondrial space 外 源 的 exogenous 4p outer membrane +f} primary valency 主体 -客体 host-gtest 立 克 次 体 Rickettsia 立体 异 构 stereoisomerism 立体 充填 模型 space-filling model 立体 特异 性 stereospecificity 4-4: hemicellulose 半 椅 式 (BSR) ~~ half-chair(skew) form 半 乳 糖 galactose 半 乳 糖 二 酸 galactaric acid 半 乳 糖苷 酶 galactosidase 半 乳 聚 糖 galactan ERA cysteine ESR hemimercaptol 半 缩 酮 hemiketol 半 缩 醛 hemiacetal 必需 元 素 essential element 必需 氨基 酸 essential amino acid 必需 脂肪 酸 essential fatty acid 出 芽 生 殖 budding reproduction 对 号 codon recognition 对 有 映 体 antipode WHRAE RR p-hydroxymercuribenzoate 对 羟基 葵 丙 酮 酸 ” p-hydroxyphenyl pyruvate 对 硝 基 葵 乙 酸 p-nitrophenyl acetate 对 葵 二 酚 p-dihydroxy phenol Xd a PEA «=p-dihydroxy cyanoamygdalinic acid WHE Zhe p-dihydroxy phenol SHAM p-nitrophenol 对 氨基 葵 甲 酸 p-aminobenzoate WARA HR p-chloromercuribenzoate (PCMB) 加 成 反应 additive reaction 发 散 途 径 diverging pathway KR fermentation 丝 心 蛋 白 fibroin 4% ARR serine 丝氨酸 脱水 酶 ， serine dehydrase cyanoethyl 273 六 画 BA ERA dynamic equilibrium 动力 学 参数 kinetic 动力 蛋白 dynein MAE kinetocilium 动员 作用 = mobilization JEM copolymerase J 共振 resonance 共生 现象 symbiosis 共 价 水 合 物 covalent hydrate 共 价 催化 作用 covalent catalysis 共 价 的 酶 -AMP 复 合 物 covalent enzyme-AMP complex 共 价 化 学 修饰 covalent chemical modifica- « tion 共生 学 说 symbiosis theory 亚 硫 酸 氧化 酶 sulfite oxidase 亚 甲 基 methenyl WAR linolenate WHR spermidine Wit linoleate 过 氧 小 体 peroxisome watt Wi peroxidase WALA catalase wt PERAS transition state 地 质 学 geology RAW anaerobic 有 机 磷 化 合 物 organic phosphorous com- pound 有 和 氧 分 解 aerobic catabolism 有 和 氧 呼吸 aerobic. respiration 有 丝 分 裂 mitosis . 有 序 ordering .; 成 膜 体 phragmoplast 成 熟 面 matturing face 同型 柠檬 酸 homocitric acid 同型 丝氨酸 磷酸 ”homophosphoserine 同型 半 胱 氨 酸 homocysteine 同位 - 异 位 变 构 酶 ”homo-heteroallosteric enzyme FJ tRNA iso-tRNA 同 工 酶 isoenzyme parameter (isozyme) 274 团聚 体 coacervate 回复 鞭毛 reverse flagella 同化 assimilation 同位 素 示 踪 法 isotope tracer technique “Rin” ABER myristic acid AS IHMR myristoleic acid 肉 毒 碱 -棕榈 酰 -CoA 转移 酶 ”carnitine-palmi 一 tyl-CoA transferase 光 反 应 light reaction 光合 成 细胞 photosynthesizing cell 光合 作用 “photosynthesis 光合 色素 ”photosynthetic pigment 光合 磷酸 化 传递 体 photophosphorylation carrier 光 面 内 质 网 smooth endoplasmic reticulum xdeq@at x-ray diffraction X 光 晶体 衍射 图 x-ray crystallography 光敏 色素 “phytochrome 收敛 途径 astringent pathway W( Rew acriflavine 吗啡 morphine 阶 式 反 应 cascade reaction 乒 兵 式 ping-pong case 休眠 性 细胞 resting cell 伪 足 运动 pseudopodial movement 自由 基 free radical HM autophagic vacuole 自我 复制 self replication 自我 装配 〈 自 组 织 作 用 ) 自 旋 态 spin state 自然 发 生 说 ”spontaneots generation 血小板 “platelet 血红 素 heme 血红 素 合 成 酶 ”heme synthetase 血红 蛋白 hemoglobin 血型 物质 blood group substances 血栓 thrombus 血 蓝 蛋白 hemocyanin 血浆 素 plasmin 血浆 高 密度 脂 蛋 白 plasma high density lipoprotein (HDL) 血浆 白 蛋白 “plasma albumin ih REA “meat soup” (bouillon) self assembly chlorocruorin(e) 任意 式 random case @F zygote 合 肽 peptide bond formation 合成 酶 ligase Shik «syncytium 合 胞 滋养 层 synmcytial trophoblast 企 菠 ”Acetabularia VLR! inositol 肌 醇 磷脂 “phosphatidylinositol 肌 苷 酸 inosinic acid 肌 动 蛋白 actin 肌 红 蛋白 myoglobin 肌 凝 蛋白 myosin 杂交 hybridization 杂 多 酸 ”heteropolyacid 负电 性 的 negatively charged ” 负 反 馈 作用 negative feedback 色素 pigment 色素 颗粒 pigment granule 色 氮 酸 tryptophan f& ARAL tryptophan oxidase ARES RS tryptophan desmolase Q-1,4 多 聚 葡萄 糖 a-1,4 polyglucose BREW multiple substitute 多 聚 物 polymer BZRRER polynucleotide BREE polysome ZUR multifunctional enzyme 2 WER polysubunit enzyme 多 形 核 细 胞 polymorphonuclear 多 酚 氧 化 酶 ”polyphenol oxidase 多 核 背 酸 polynucleotide 多 核 苷 酸 磷 酸化 酶 ”polyntcleotide rylase 多 相 催化 heterogeneous catalysis 多 价 变 构 酶 ”polyvalent enzyme 2% polysaccharide Zw multivesicular body 多 肽 polypeptide 产物 product 交 让 木 素 daphylloside 交 联 cross linkage 产 气 气 杆 菌 ”Aerobacter aerogenes leucocyte phospho- allosteric 产物 生成 部 位 product forming site 产 孢 尸 毒 芽孢 杆菌 。 Bacillus cadaveris spo- rogenes 协同 作用 cooperation 协作 反馈 控制 concerted feedback control 协作 模板 coordinated template 协调 作用 cooperation 羊毛 省 醇 ”lanosterol 并 式 syn-form KKH Michaelis constant 米 氏 方程 Michaelis equation KRM BAR inosinic acid KRARYOKA RAM inosinic acid dehyd- rogenase 次 级 丝 secondary fiber UK St Xb 宇宙 生物 学 cosmic biology 宇宙 学 cosmology 《充电 2? charge 异 戊 烯 焦 磷酸 isopentenyl pyrophosphate N6- 异 戊 烯 基 腺 苷 酸 ”N8-isopentenyl lic acid 异 丁 烯 isocrotene 异 构 酶 isomerase SRK isomer 异 构 化 反应 isomerization 异化 作用 dissimilation 5¢ fiz 4544 HF «heterotopic allosteric HARM isoleucine JF KBE 异 柠 檬 酸 isocitric acid FT RRNA secondary constriction adeny- enzyme isoniazide isocitric acid dehydroge- nase 导管 vessel 4《 毕 特 ? “bit? 红外 光谱 法 infra-red spectroscopy 红色 氧化 还 原 素 rhodoredoxin “Tf 4% Neurospora crassa 红细胞 增多 症 ”polycythemia 4% cilia 4B flagellial band AERA Ciliata 纤 溶 酶 ”fibrinolysin 纤维 素 cellulose 275 纤维 素 网 cellulose net 纤维 素 电 泳 cellulose electrophoresis 4% fibril 七 画 两 亲 媒 性 ( 兼 性 ) 化 合 物 amphipathic compound 远 祖 类 型 remote ancestor type a- 伴 花生 球 蛋白 a-conarachin 赤 式 erythro-form HWE pinosylvin HRBEKE erythrose 赤道 面 equatorial plane WAS morphology 形成 面 forming face BAB stitosterol fi gemma 花生 球 蛋 白 arachin 苏 式 threo-form 苏 氨 酸 threonine 苏 氨 酸 合成 酶 threonine synthetase 苏 氨 酸 脱 氮 酶 threonine deaminase 芥 基 青霉素 benzylpenicillin 葵 基 丝氨酸 benzylserine 芳香 醛 aromatic aldehyde i) $B core enzyme 还 原型 尼克 酰 腕 reduced niacinamide ring 还 原型 染料 «reduced dye 还 原型 辅酶 I (或 T) reduced CoI(orI) 运 铜 蛋白 运 铁 蛋白 连 二 硫酸 钠 sodium dithionate 连续 丝 ” continuous fiber DNA 连 接 酶 DNA ligase 投影 式 ” projection formula 抗坏血酸 ascorbie acid 抗原 antigen 抗体 antibody 抗菌 素 antibiotics 抗 药性 resistance to the action of drugs 抗 胰 蛋 白 酶 ”antitrypsin 抗 胰 凝 乳 蛋白 酶 ”antichymotrypsin 抗 酶 〈 或 抑 酶 ) antienzyme 抑制 剂 inhibitor 276 ceruloplasmin transferrin 阿司匹林 aspirin 阿拉 伯 糖 arabinose BA 8 repression 阻 遏 蛋白 USER phenoxazine 杆 状 染 色 体 rod chromosome HE ©=6maltose 尿 喀 了 喧 uracil 尿 喀 啶 核 背 -5/- 磷 酸 tridinc=-5'/-pHiospfate RE urea RHR uridylate 均 相 催化 ”homogeneous catalysis MRM phloem ( 酶 的 ) 转换 率 turnover number (of en- zyme) 折射 refraction 吡 哆 胶 pytidoxamine Whe RE pyridoxal 吡 哆 醇 pyridoxol 吡咯 pyrrole A/"- 吡 咯 -5- 羧 酸 ”A'-pyrrole-5-carboxylate 吡 喃 式 pyranoid form 吡啶 脱 氢 酶 ”pytidine dehydrogenase hie absorption 吸收 高 峰 absorption maxima repressor (uridylic acid) 吸附 层 析 adsorption chromatography 吸管 虫 Suctoria ml vw: indole tg] W:-3-H i BERR indole-3-glycerol phos- — ' phate |: ZR indole acetic acid 别 系 构 象 allo-conform 肝 脂 酶 liver lipase 肛 点 〈 胞 肛 ) cytopyge 间 体 mesosome 围 口 缘 “peristoma 围 核 腕 ”petrintclear space 体 部 body 延长 三 联 体 elongated triplet 延长 因子 延长 阶段 延 胡 索 酸 酶 ”fumarase 卵细胞 ootid iii EA elongation factor elongation process ovalbumin 卵黄 蛋白 phosvitin 卵黄 脂 磷 蛋白 lipovitellin SEERA ovoglobulin 卯 磷脂 lecithin (ERM oligomer ABBR rifamycin 谷 氨 酰 胺 glutamine 谷 所 酰胺 酶 gltutaminase SAM glutamic acid 谷 氮 酰胺 合成 酶 glutamine synthetase 谷 氨 酸 -Y- 半 醛 glutamic-Y-semialdehyde SARAH glutamate mutase FARRAR glutamate dehydrogenase AMR AE glutamate transaminase 4¢RGH tk glutathion SiH Kitt Wee glutathion peroxidase 吞噬 细胞 phagocyte 吞噬 胞 phagosome 角 蛋 白 keratin 角 蛋 白 酶 keratinase 角质 素 cutin SAM 〈 儿 茶 酚 ) catechol 邻近 效应 proximity effect 沉降 系数 sedimentation coefficient 沉降 速度 sedimentation velocity YM pantoylquinone YZ Bt RAE WK N-(pantothenyl)-B-amino ethanethiol Ww pitch 补体 complement 启动 因子 initiation factor 启动 阶段 initiation process 启动 复合 物 initiation complex kA RAH tonofilament YI fA longitudinal microfilament 纺锤 体 spindle 纯化 程度 degree of purification 纸 层 析 paper chromatography AN [| 4E--@AS unequillibrium state 非 必需 氨基 酸 nonessential amino acid 非 对 喘 蜡 构 物 Ck) diastereoisomer 非 极 性 口袋 nonpolar pocket 非 竞争 性 抑制 «noncompetitive inhibition WEE penicillin 表面 催化 surface catalysis HAW cyclohexylimine 环 状 双 链 复制 型 circular double-stranded replicative form 环 状 染 色 体 ring chromosome 环 状 单 链 DNA single-stranded closed circular DNA Hebi & ASE cy clopentanoperhydro-phe- nanthrene 取代 反应 displacement reaction 葵 丙 酮 酸 phenylpyruvate 4° AMR «phenylalanine 32 AMIE «phenylalanine hydroxylase 葵 基 丝氨酸 phenylserine 革 果 酸 酶 ”malic acid enzyme tif} ninhydrin 范 德 华 耳 斯 力 Van der Waals force 奈 氏 球菌 ”Neisseria 直 链 淀粉 合成 酶 ”amylose synthetase 顶 体 蛋白 水 解 酶 ”acrosome protease 极 性 polarity 极 性 基 polar group 极 性 分 子 polar molecule 极 性 脂肪 polar fat 构象 conformation 抹香鲸 酸 ”physeteric acid 转 甲 基 酶 transmethylase 转 甲 酰 酶 transformylase ‘eye translation 转录 transcription 转运 核糖 核酸 transfer RNA (tRNA) 转氨酶 ， transhydrogenase 转移 酶 ， transferase CoA 转移 酶 ”CoA-transferase 转 酮 酶 ， transketolase sex ME transcarboxylase 转 醛 亚 胶 反 应 transaldimination 转 醛 醉 酶 〈 转 二 羟 两 酮 基 酶 ) # th ~=Epiphanes 轮 辐 状 连 接 spokelike cross-linkage 403K Chara transaldolase 4G palmitic acid 免疫 反应 immune response WAR ferroin 鱼 精 蛋白 protamine 昆虫 性 引诱 剂 insect sex attractant 变形 虫 Amoeba 3288 “Drosophila 变 构 (效应 ) allosteric effect 果肉 细胞 pericarp cell AS jit «allosteric enzyme 果 胶 层 pectic layer 变 构 抑制 剂 allosteric inhibitor 果糖 fructose 变性 denaturation 果糖 -1,6- 二 磷酸 酶 ”fructose-1,6-diphospha- 视 锥 细胞 cone cell tase 视 杆 细胞 rod cell 固 相 化 immobilize 衬 质 «matrix FBZ sterol Hbgewe, 9 Hbcun Hill 固氮 酶 nitrogenase 底 物 substrate 固氮 作用 nitrogen fixation 固定 相 immobile phase 底 物 特异 性 substrate specificity 底 物 结合 部 位 substrate binding site F EARS adrenaline 底 物 循环 substrate cycle 降解 degradation (catabolism) 底 物 水 平 磷酸 化 作用 «substrate level phospho- 有 限 速 酶 ”speed limiting enzyme rylation est exo-form 放射 自 显影 法 attoradiography 供 氨 体 hydrogen donor 质子 型 proton form 质子 跃迁 “ptroton jump 放射 性 同位 素 radioisotope 放射 生物 学 radiobiology 放 线 菌 素 D actionomycin D 质子 供 体 proton donor 质子 受 体 proton acceptor 质 体 plastid 质 戎 ”plastocyanin 质谱 仪 mass spectrometer 金 丝 桃 素 ，hypericin 性 纤毛 ”pili 单 体 monomer 单 体 酶 ”mofnomer enzyme 单价 变 构 酶 ”monovalent allosteric 单位 膜 unit membrane 单 核 细胞 monocyte enzyme 始 译 密 码 子 initiation codon yea {hi «monoamine oxidase 受 体 receptor MET microtuble singlet ZAK hydrogen acceptor 河豚 毒素 tetradotoxin ZAIN fertilized egg 油 酰 -CoA oleoyl-CoA 乳酸 lactate 油 酸 oleate 乳 清 酸 核 苷 -5/- 磷 酸 orotidine-5-phosphate 油 酸 水 合 酶 ”oleate hydratase 乳 清 酸 核 苷 -5“- 磷 酸 焦 磷 酸化 酶 ”orotidine-5“- 波动 膜 undulating membrane phosphate py- 定向 效应 orientation effect 空 载 tRNA uncharged tRNA 乳 清 酸 核 苷 -5“- 磷 酸 羧 化 酶 ”orotidine-5“-phos- 驼 鸟 ”Strtthio camelts phate carboxylase 刷 状 缘 brush border 肽 酰基 位 peptidyl site (P site) 线 型 排列 lineary arrange Wks peptide chain 线 型 超 螺旋 linear superhelix 肽 键 ”“peptide bond 线粒体 mitochondrium 周转 率 turnover number 线粒体 膜 ”mitochondrial membrane 免疫 标记 法 immune labelling method 线粒体 衬 质 mitochondrial matrix 免疫 球 蛋白 immunoglobulin 组 氨 酸 ”histidine rophosphorylase 278 组 氨 酸 脱 氨 酶 ， histidine deaminase 组 氨 酸 脱羧 酶 histidine decarboxylase 组 胺 histamine 组 蛋白 histone 组 蛋白 世子 histone core AAs histology 4H 74 BS bacterial proteinase 细胞 起 源 origin of cell 细胞 遗传 学 “cytogenetics 细胞 剥落 cell stripping 细胞 器 organelle 细胞 器 转化 和 分 裂 说 organelle modify and divide hypothesis 细胞 器 单 膜 organellar monolayer membrane 细胞 器 双 腊 organellar bilayer membrane 细胞 分 裂 cell division (cell fission) 细胞 分 裂 后 期 anaphase 细胞 膜 cell membrane 细胞 周期 cell cycle 细胞 融合 cytomixis (cell fusion) 细胞 外 被 cell coat (envelope) 细胞 色素 cytochrome | 细胞 色素 氧化 酶 ”cytochrome oxidase 细胞 浆 cytoplasmic matrix Mig cytology 细胞 壁 cell wall 细 肌 丝 〈 肌 纤 丝 ) BABA 终止 因子 termination factor 终止 密码 termination codon 化 止 阶段 termination process 孢子 虫 类 Sporozoa 孤立 系统 isolated system 孤 电 子 对 lone-pair of electron (cytosol) thin myoneme terminal web nh 画 草 酰 成 二 酸 oxaloglutaric acid 草 履 虫 Paramaecium 草 酶 。 cocoonase 面向 equatorial 牵引 丝 tractive fiber Sha] axial 轴 足 axopodium 轴 柱 axial cylinder SHE axon ee axial filament 拱 式 endo-form 标记 分 子 labeled molecule 枯草 杆菌 蛋白 酶 ”subtilisin AR stalk 相对 特异 性 relative specificity 柱 层 忻 column chromatography 柠檬 酸 citric acid - 柠檬 酸 载 体 citric acid carrier 柠檬 酸 裂解 酶 citrate lyase 柠檬 酸 合成 酶 citrate synthetase 柠檬 酸 循环 citric acid cycle 括约肌 sphincter 指纹 区 fingerprint domain RI HA Bacterium fluorescens 显 微 分 光 光 度 计 microspectrophotometer faz] developing dye 显 微 结 构 “microstructture 8 AB pepsin 8 ZAR pepsinogen HR aster Wf pharyngeal basket 哈 华 斯 氏 透 视 式 Haworth perspective formula HbCue HbCyaren 界 膜 limiting membrane 钮 门 氏 投影 式 Newman projection formula 选择 性 屏障 selective protective screen (barrier) 重 排 反 应 rearrangement reaction 复合 微 管 compound microtubule Siti] replication 复制 酶 replicase 种 族 特异 性 racial specificity Sgt hydrogen bond 氨 键 网 络 hydrogen-bond network 氢 氧 化 铝 凝 胶 aluminium hydrate gel 促 黑 色素 细胞 激素 melanophore stimulating (MSH) maleic acid (de- hormone 顺 丁 烯 二 酸 〈 失 水 苹果 酸 ) hydrated malic acid) 顺 式 cis-form 顺 乌 头 酸 酶 aconitase 279 Wir Riz ti] sequential feedback 顺序 式 sequential case 顺 磁 共振 paramagnetic resonance 衍射 图 diffraction figure (diffractogram) 胚乳 细胞 «endosperm cell fA #%)R porphobilinogen 胆固醇 cholesterol 胆 当 烷 醇 cholestanol 甩 碱 磷酸 转移 酶 ( 转 磷酸 胆 碱 酶 ) choline phos- photransferase control FAR RGB choline esterase FARR cholic acid 胞 饮 胞 pinocytotic vesicle 胞 质 环 流 cyclosis Hitt 46% cytidine transferase 胞 苷 酸 cytidylate (cytidylic acid) 胞 喀 啶 cytosine f& amine 7 AR leucine 神经 元 neuron 神经 递 质 netrotransmitter t#} AB ARE sphingosine 神经 胶 质 细胞 glial cell ARR GF) M neuraminidase 神经 生长 因子 nerve growth factor 诱导 induction 诱导 物 inducer 诱导 契合 假设 :induced-fit: hypothesis 亲 水 的 hydrophilic 亲 电 子 基 electrophilic group AEM affinity chromatography SMB affinity carrier 亲 核 基 ntcleophilic group 亲 脂 lipophilic | 穿梭 机 制 shuttle mechanism 差 向 异 构 酶 epimerase 前 核 宿主 “prokaryote host 前 人 馈 feedforward 类 肌 动 蛋白 actinoid protein 类 固 醇 steroid 类 固 酮 异 构 酶 ， ketosteroid isomerase AEA proteinoid 类 蛋白 微 球 体 proteinoid microsphere 类 异 戊 二 烯 化 合 物 isoprenoid compound 280 Z2ERA thylakoid 信息 小 体 infofmosome 信使 RNA messenger-RNA(mRNA) 所 化 血红 素 fluoro hemin 氟 葵 丙 氨 酸 ”fluorophenylalaninme AX\ZE guanidinium group 封闭 系统 close system 逆 式 anti-form wife BE reverse transcriptase Wits} Bey: countercurrent distribution 家 等 微粒 子 Nosema bombycis 活化 能 activation energy 活性 酶 active enzyme Witt} method of activation “FE PERE” “active aldehyde’ 活性 部 位 active site 染色 质 chromatin 染色 质 岛 chromatin island 染色 质粒 chromatin granule 染色 单 体 chromatid 染色 体 臂 chromosome arm 染色 线 chromonema 狭义 酸 碱 反应 specific 3% marmosel (Hapale 结合 部 位 binding site 结构 异 构 structural isomerism FERRER hierachy of organization acid-base reaction jacchus) 结构 信息 structural information 结构 基因 structural gene 绝对 自 养 absolute autotroph 绝对 异 养 absolute heterotroph 绝对 特异 性 absolute specificity RAR Fischer projection formula “44% complex compound 绒 泡 菌 ”下 ussartm 毒 芹 碱 coniine 毒 叶 素 ”phyllanthin + zy 载体 〈 传 递 体 ) carrier 载体 底 物 carrier-substrate 真 核 细 胞 eukaryocyte 起 始 因子 initiator 桥 式 连接 bridge linkage 桥 粒 desmosome KGL nuclear membrane pore 核 仁 nucleolus 核 仁 组 织 者 ntcleolts organizer 核 仁 相关 染色 质 nucleolus associated chro- matin 核 丝 nucleonema EB nucleotide 核糖 体 RNA ribosome RNA (rRNA) 核糖 胸 苷 酸 ribothymidylic acid 核糖 核 昔 酸 ribonucleotide 核糖 核 蛋 白 体 ribosome GBBT RIERA ribonucleotide 核糖 核酸 ribonucleic acid (RNA) GPE RIR ribonuclease 核糖 醇 ribitol 核糖 -5- 磷 酸 ribose-5-phosphate BR B/E, ALE) 核 黄 素 riboflavin 核 液 nuclear sap 核酸 外 切 酶 exontclease A nuclear membrane(envelope) reductase nucleosome (V body) 核磁 共振 “proton magnetic resonance “校正 ”功能 配 位 团 〈 体 ) 1ligand 配 位 键 ligand bond 根 足 类 Rhizopoda 根瘤 root nodule 海藻 糖 〈 岩 菠 糖 ) th fF salt bridge 致密 体 dense body JRepw_ protoporphyrin 原生 质 膜 plasmalemma RA fibril 原 体 protomer 原始 大 气 层 primitive atmosphere 原始 生物 体 primitive organism 原始 地 球 primitive earth 原始 体 prototype JRRRYSEYE «primitive ocean 原始 密码 primitive code 原核 生物 prokaryote 原核 藻类 prokaryotic algae 原 胶 原 蛋 白 procollagen “proof-reading” function trehalose 莽 草 酸 shikimate Hbge Hbteisen Bi il BI = Mosbauer’s spectrum 哺乳 类 ”mammalium gies cobalamin Af ferrobacter #&EA ferritin RAE REA ferredoxin ERA iit ~=ferrochelatase 耗 散 结构 dissipate structure 特殊 式 special case 氧化 还 原 酶 ”oxidoredtctase 氧 合 oxygenation 氧化 型 染料 oxidized dye 氧化 型 辅酶 oxygenated coenzyme 氧化 磷酸 化 oxidative phosphorylation 氨 乙 基 硫 醇 aminoethyl mercaptan 氨 甲 酰 天 冬 氮 酸 carbamyl aspartic acid 氮 甲 酰基 础 酸 carbamyl phosphate 氨 甲 酰 转移 酶 ”carbamyl transferase ARERR carbamyl phosphate 氨 甲 酰 磷酸 合成 酶 carbamyl phosphate synthetase 氨 肽 酶 ”aminopeptidase 所 细菌 ammonifiers 氨基 乙 且 aminoacetanitrile 5- 氨 基 乙 酰 丙 酸 5-aminolavtlinate 氨基 乙酰 丙 酸 合成 酶 aminoethyl synthetase a- 氨 基 已 二 酸 ”a-aminoadipate a- 氮 基 己 二 酸 途 径 a-aminoadipic acid route a- 氮 基 己 二 酸 半 醛 a-aminoadipate dehyde 2- 氨 基 丙 二 且 2-amino propyl dinitrile 氨基 甲醇 amino methanol AE FA RE Dh APR RT AR propionate semial- amino formacyl threonyl adenosine Ale BR (AB ASE AE FAR) ASEM 2- 氮 基 -4- 羟 基 -6- 甲 基 暴 叭 啶 roxy-6-methylpteridine a- 氨 基 -B- 酮 已 二 酸 a-amino-B-ketoadipate 氮 基 酰 -tRNA 合 成 酶 ”aminoacyl-tRNA syan 一 thetase anthranilic acid aminonitrile 2-amino-4-hyd-— 281 用 基 栈 腺 苷 酸 aminoacyl adenylate 氨 酰 基 位 aminoacyl site (A site) ABER BR aminoacyl adenylate 氨基 酸 受 体 干 amino acid acceptor stem 氨基 酸 的 受 体 部 位 amino acid Site 卫 -氨基 酸 氧 化 酶 ”D-amino acid oxidase 工 -氨基 酸 氧 化 酶 L-amino acid oxidase 透明 质 酸 ”hyaltronic acid Seth perspective formula xHAGs x-ray diffraction X 射 线 征 区 扫描 分 析 仪 x-ray microanalyzer 候补 位 reserve site HbgeH HbeEmery 胰岛 素 insulin JREAS trypsin JRE ABR trypsinogen 胰 凝 乳 蛋 白 酶 ”chymotrypsin 胰 凝 乳 蛋白 酶 原 chymotrypsinogen 胸 苷 酸 thymidylic acid 胸 喀 啶 thymine 胶原 collagen ROR BS collagenase 胶 淀 粉 amylopectin PK amidine -4-Bk (3E) 5- 氨 基 咪 唑 ”4-amidine-5-amino- imidazole attachment TAR cystine RtwiBk cystathionine 胱 硫 醚 合成 酶 cystathionine synthetase Me GiGKBS cystathioninase 脂肪 过 氧化 作用 «lipid peroxidation 脂肪 酰 -CoA acyl-CoA 脂肪 酸 fatty acid 脂肪 酸 合成 酶 fatty acid synthetase 脂 蛋 白 «lipoprotein 高 尔 基 体 Golgi body Bema high speed liquid tography chroma- 高 能 磷酸 键 energy-rich phosphate bond 高 聚 物 polymer 部 分 收集 器 “fraction collector 烟草 花 叶 病毒 virus(TMV) TARE RAR AF HR nicotinamide nucleotide tobacco mosaic 282 HABE REAR RS — FMR nicotinamide adenine dinucleotide Bb} centrifugation 离心 力 centrifugal force 离子 交换 ion-exchange 离子 导体 ionophore 离子 半径 ion radius 离子 交换 树脂 ion exchange resin 离子 型 “ion form 病毒 ”virts RNA 病 毒 复制 酶 RNA virus replicase 竞争 作用 competing reaction 竞争 性 抑制 剂 competitive inhibition 兼 性 厌 氧 细胞 facultative anaerobe 递 电 子 体 electron carrier 递 氧 蛋白 oxygen-carrying protein 递 氨 体 hydrogen carrier ik plasma membrane ATP plasma membrane ATPase 消去 反应 eliminate reaction WAR tartaric acid 流动 相 mobile phase 4$HRIK IR RIRZE poliomyelitis virus 调节 亚 基 regulative subunit 调节 物 regulon 调节 部 位 regulative site 通 透 性 ”permeability 预 葵 酸 prephenate 十 一 画 硅胶 silica gel FEY Diatom 3 -BeitBe Geiger-Muller tube 敏感 酯 键 susceptible ester bond 球菌 coccts 球 蛋白 globulin 球 棒 模型 ball-and-stick model 球体 内 分 隔 inner compartment of micro- body 基体 basal body 基 粒 grana 基因 表达 gene tif yellow enzyme Mmm xanthine expression 3AM flavin dehydrogenase 脱氧 核糖 核酸 «deoxyribonucleic acid (DNA) BER flavin mononucleotide(FMN) 脱氧 腺 苷 酸 deoxyadenylic acid 黄 素 氧 还 蛋白 flavodoxin 脱氧 核糖 核 苷 酸 deoxyribotide $i {LM «xanthine oxidase 5/- 脱 氧 腺 苷 酰 Bl* 5’-deoxyadenosyl-cobala- HEM BAR xanthylic acid min #ZEA-NADHMAM flavoprotein-NADH 3- 脱 氧 -D- 阿 拉 伯 庚 酮 糖 酸 -7- 磷 酸 3-deoxyara- dehydrogenase binoheptulosona- IRM — BAM flavin adenine dinuc- te-7-phosphate leotide (FAD) 脱 氨 胸 苷 酸 deaminothymidylic acid 3 8 EAM bromelin WAR dehydrogenation 菠菜 固 醇 spinasterol 脱氧 两 氨 酸 dehydroalanine 辅酶 coenzyme 5- 脱 氨 莽 草酸 ”5-dehydroshikimate sett prosthetic group 5- 脱 氨 醒 酸 45 -dehydroquinate 辅 基 结 合 部 位 prosthetic group binding 脱 阻 过 derepress site jit hyposensitization 辅酶 A coenzyme A (CoA) 脱羧 消去 〈 作 用 ) decarboxylative elimina- 456038 co-repressor tion 229% naphthoquinone 脱 腺 苷 酰基 酶 ”deadenylating enzyme 曹 火 虫 英 光 酶 ， firefly luciferase 脲酶 urease HbMewew HbMsastatoon RRR ephedrine 副 价 secondary valency Hb 康 斯 但 泉 “再 b Coastant spring MR phenolase FEA MBE fucose 接触 区 contact region 寄生 细菌 ”patrasitic bacteria 控制 点 control point 寄生 型 parasitic form 混合 氨基 酸 ” ”mixed amino acids Hb M 窗 耳 其 基 。 Hb MMilwaukee 常 系 构象 ”ordinary conform 密码 子 codon 常 是 喀 啶 碱 common pyrimidine 密度 梯度 density gradient 限 虫 Euglena 密 接 tight junction ARERR HE eye lens 烯 两 基 重 排 作 用 allylic rearrangement PER BE cumulative feedback control spi ethyleneamine 移 位 translocation 烯 酮 ketene 偶 联 =_cotple 烯 醇化 酶 enolase 偶 极 “dipole 3- 烯 醇 式 丙酮 酰 匡 草酸 -5- 磷 酸 3-enolpyrtvyl- 偶 极 分 子 dipole molecule shikimate-5- {EUR pseudouridylic acid phosphate fest boat form 烯 醇 阴 离子 enolate anion 得 率 yield 烯 醇 酰 -ACP 脱 水 酶 hydroxyacyl-ACP de- Hi proline hydratase WR APRG RRS proline reductase 着 丝 点 centromere (kinetochore) WHR RRIS{E HE «proline hydroxylase 5-324) 5-hydroxytryptamine (5-HT) 脱 甲 酰基 酶 ” deformylase 324483 hydroxylase 脱 铁 铁 蛋白 apoferritin ¥20GAM hydroxyproline RANE dcorytlymidylic “sti 3- 羟 脂肪 酰 -CoA 脱 氢 酶 ”3-hydoxyacyl-CoA LAUGH RR deoxycytidylic acid dehydrogenase 283 D-B-33T7 B-S-ACP D-B-hydroxybutyryl-S- “ACP 羟 甲 基 戊 二 酸 草 酰 -CoA 还 原 酶 hydroxymethyl glutaryl-oxalo- -CoA tase B-#83£T MR B-hydroxybutyric acid hk HF ”mtcopolysaccharide 粘性 斑 sticky patch 粘 球 菠 CREE RED HLA rough endoplasmic reticulum 液 胞 vacuole 弹性 蛋白 酶 ”elastase 弹性 蛋白 酶 原 proelastase 蛋白 试剂 reagent of protein 蛋白 质 合成 系统 protein synthetic 蛋氨酸 methionine 蛋白 酶 ”protease 蛋氨酸-tRNA 蛋 methionyl tRNAMe 隆 鸟 elephant bird reduc- Gloeocapsa sagtinea system 十 二 画 量子 生物 学 qtantum biology Hb Gaye Hb Gvancouvre mH = Stentor 琼脂 糖 电泳 agarose electrophoresis 琥珀 酰 -CoA succinyl-CoA N -琥珀 酰 - 工 ,L-ay,s- 二 氨基 康 二 酸 N-succinyl- -L, L-a, e-diamino- Ppimelic acid O- 琥 珀 酰 同型 丝氨酸 O-succinyl 琥珀 酸 -CoA 合 成 酶 颜 颜 作用 antagonism 趋 光 反 应 “phototrophy 趋 异 进化 divergent evolution 超 分 子 缔 合 物 supramolecular 超 变 碱 基 modified nucleoside 超 微 结 构 tltrastrtcture 超 微 量 分 析 超 螺 卷 的 超 螺 线 管 ” supersolenoid RE cirrus 椅 式 chair form 植物 凝集 素 phytoagglutinin 284 homoserine succinate thiokinase assembly ultramicro-analysis super-coiled 硫 辛 酸 lipoic acid 硫 组 氮 酸 三 里 ( 基 ) 内 盐 thiohistidine-betaine 一 (ergothioneine) 硫 辛 酸 还 原 酶 - 转 乙 酰基 酶 lipoic reductase- _ transacetylase 2- 硫 尿 苷 酸 -5- 乙 酸 甲 酯 5-acetoformy1-2-thio-- uridinosine 4-fi RH PR 4-thiouridylic acid 2-Ti MF RR 2-thiocytidilic acid mA thiamine 硫 氧 化 -还 原 蛋白 thioredoxin 硫 氧化 -还 原 蛋白 还 原 酶 ”thioredoxin reduc— tase 硫 醇 盐 mercaptide 硫酸 化 sulfating wie BAS sulfate transferase 硫酸 酯 sulfatide 硫酸 醚 酶 ”stlfatase 硫化 氨 hydrogen sulfate 硫化 细菌 thiobacter 硝化 细菌 nitrobacter 硝酸 还 原 酶 ”nitrate reductase 硝酸 银 silver nitrate 硬 脂 酰 -CoA stearoy1-CoA REA lyase 和 葡萄糖 glucose 葡萄 糖 异 生 作 用 gluconeogenesis ca- 葡萄 糖苷 酶 ” a-glucosidase 葡萄 糖 基 供 体 glucosyl donor ADPE- 葡 萄 糖 焦 磷 酸化 酶 ADP-glucose pyro- phosphorylase UDP- 葡 萄 糖 焦 磷 酸化 酶 ”UDP-glucose pyro- phosphorylase 葡萄 糖 醋酸 glucuronic acid 葡萄 糖 醛 酸 途径 «glucuronic acid pathway 葡萄 糖 -6- 磷 酸 酶 glucose-6-phosphatase 葡萄 糖 磷酸 化 酶 glucose phosphorylase 葡 聚 糖 glucosan 葡 聚 糖 凝 胶 glucosan gel 紫外 分 光 光 度 计 ultraviolet spectrophoto— meter 景 天 庚 酮 糖 -磷酸 «= sedoheptulose-phosphate 遗传 信息 genetic 遗传 密码 genetic code imformation 和 遗传 模板 系统 genetic template system MEN EM BE salivary amylase 黑色 素 melanin 黑色 素 细 胞 melanophore DNA#M BE splicing of DNA chain S54*H Bacillus brevis 短 杆 菌 肽 gramicidin 短 裂 口 nick WZAH cyane-acetylide RRB vinyl cyano-phosphate 氰 化 氨 hydrogen cyanide 氟 甲 基 甘 氨 酸 cyanomethylglycine RRR cyanate FAW nitrogen source iF sieve tube EG AR pyroglutamic acid EG ABA pyroglutamic acid peptide 5-fE BERR BSR S-pyrophosphate mevalo- nic acid 焦 磷酸 硫 胺 素 thiamine pyrophosphate 焦 磷 酸 转 移 酶 ”pyrophosphotransferase 焦 磷 酸 酶 ”pyrophosphatase 1- 焦 磷酸 -5- 磷 酸 -核糖 ”5-phosphoribosyl-1- pyrophosphate (PRPP) 集合 微 丝 aggregate microfibril RAGE aggregate microtubule RB (OAkR) osmic acid (osmium te- troxide) 锁 - 钥 是 假说 lock and key hypothesis 释放 因子 release factor mini pteroic acid MBS ARM CHR) pteroylglutamic acid (PGA, folic acid) 静水 性 hydrophobe Rik PAAR hydrophobic microenvironment ‘GHB vaccine virus 寒 武 前 纪 Pre-Cambrian wi ZR (ZR) pantothenate Z3ERX skatole 装饰 性 微 管 modifiable microtubule 装配 作用 assembly 装配 集 packing assemble Hib Euplotes Fi sulfhydryl FLAK SRR mercapto semiacetal iA lysine PIA MBAR( RE lysine mutase PI PAIR lysine decarboxylase 解剖 学 ”anatomy 解 旋 蛋白 unwinding protein 解 聚 〈 作 用 ) depolymerization 解 联 剂 tncotpler VERMA blue-green algae o-fd TM a-ketobutyric acid ca- 酮 已 二 酸 a-ketoadipate ca- 酮 -8B- 甲 基 戊 酸 a-keto-B-methylpentoic acid a- 酮 -B- 甲 基 顷 草酸 a-keto-B-methylvaleric acid a- 酮 戌 二 酸 脱 氢 酶 复合 物 a-ketoglutaric de- hydrogenase complex 酮 体 ketone bodies a- 酮 异 羊 油 酸 a-ketoisocaproate a- 酮 异 戊 酸 ”a-oxisovaleric acid B- 酮 硫 解 酶 B-ketothiolase 8B- 酮 酰基 -ACP 还 原 酶 ”8B-ketoacyl-ACP reductase a- 酮 酸 脱氧 酶 ”，a-ketonic acid nase Best ester link AGM esterase Cl16 酰 -ACP palmitoyl-ACP 酰基 - 丙 二 酰 -ACP 缩 合 酶 ”acyl-malonyl-ACP condensing enzyme Bi 2E-CoA7k ABE acyl-CoA hydratase BEAESE BRE acyltransferase 酰基 载体 蛋白 acyl carrier protein 酰基 酶 中 间 产 物 acyl-enzyme BE} enzyme 酶 反应 动力 学 kinetics of enzyme-catalyz- ed reaction dehydroge- (ACP) intermediate 酶 比 活力 specific enzymatic activity 酶 亚 基 缔 合 状 态 aggregating state of sub- unit of enzyme BiJR proferment (zymogen) 酶 的 化 学 修饰 chemical modification of 285 enzyme 酶 的 限 速 作 用 velocity limitation of en- zyme 酶 单位 酶 总 活力 total enzymatic activity BSH 酶 模型 enzyme model 酷 杆 菌 肽 tyrocidine RAR tyrosine i A AH «tyrosine transaminase 酷 胺 tyramine 碎片 fragment 感应 (HE) irritability 摄取 absorb 摇摆 位 置 wobble site 峭 cfistae isle] intracristal space 嗜 热 脂 肪 芽孢 杆菌 ”Bacillus stearothermophi- enzyme tnit apoenzyme lus 哮 盐 杆菌 “halobacter 路 易 斯 酸 GRR) Lewis acids (or bases) 《置换 ”突变 “substitution” mutation 瞳 反应 dark reaction 稠 环 fused ring 催化 亚 基 catalytic subunit 催化 剂 catalyst 催化 效率 catalytic efficiency 催化 部 位 ”catalytic site 催化 常数 catalytic constant 催化 集团 catalytic group 鼠 伤寒 杆菌 Bacillus typhi-murium 征 体 化 石 ”microfossil 微 纤 维系 统 microfibril system 微 体 microbody 微 体系 统 microbody system 微 环境 microenvironment 微 泡 ”microvesicle 微 球 体 microsphere 微 球 体系 统 microsphere system ge H microtubule bundle 微 膜 系统 membranelle system 微粒 体 microsome (AE microvillus 简 并 密码 子 degenerate codon 286 腺 苷 adenosine BRHF 44 adenylation 9S- 腺 苷 酰 同型 半 胱 氨 酸 9S-adenosyl1-homocys= teine 腺 苷 酰基 酶 adenylylated enzyme 腺 苷 酰 CGE) 转移 酶 adenylyl transferase NMN- 腺 苷 (酰基 ) BR NMN-adenylyl transferase 腺 苷 酰 琥珀 酸 adenylostccinic acid S- 腺 苷 酰 蛋氨酸 S-adenosyl-methionine 腺 苷 激酶 adenosine kinase 腺 苷 酸 adenylate 腺 嗓 叭 adenine 腺 味 叭 核 苷 酸 琥珀 酸 合成 酶 adenylostuccinate synthetase fit tentacle 新 生 代 Cenozoic Era 羧 甲 基 纤 维 素 carboxymethyl cellulose (CMC) 羧 肽 酶 ， carboxzypeptidase 羧 肽 酶 原 procarboxypeptidase 羧基 carboxyl 羧基 转移 酶 。 cafrboxyltransferase 滤纸 电泳 “paper electrophoresis 溶血 性 贫血 haemolysis anaemia 溶菌 酶 “1ysozyme 溶 酶 体 lysosome 溶 酶 体 蛋 白水 解 酶 1ysosome protease E44 bond angle 键 长 bond lengths 十 四 画 HA stereocilium 聚 乙烯 已 二 醇 polyethylene glycol IE BER HERE «polyacrylamide gel HARM polyglycine RAM polymerization site DNA#4M#I DNA polymerase [ 3 Ai 4B polymerase J holoenzyme Be 45M polyguanylic acid HEH? MR polycytidylic acid 聚 腺 苷 酸 polyadenylic acid 聚 磷酸 polyphosphate 酵母 固 醇 zy mosterol 酵母 氨 酸 saccharopine Bei glycolysis RH template strand 模拟 实验 simulated test 酸性 磷酸 酶 acid phosphatase 碱 性 磷酸 了 酶 ”alkaline phosphatase 碱 性 类 蛋白 alkaline proteinoid 碱 基 配对 规律 base pairing rule 碳 源 resource of carbon 碳化 二 亚 胺 carbodiimide TRGB carbonic anhydrase RALA WAH hydrocarbon bacteria B-f8 B-pleated sheet 23520 papaverine ans purine nucleotide mE GE— FRYE pyrimidine dimer REWER E RW pyrimidine nucleotide 稳定 同位 素 stable isotope SERRE oligose ARS 〈 胞 壁 质 ) ”mturein 管 网 tubule framework 管 蛋白 tubulin 腐生 型 saprophytic form 精子 sperm 精 胀 spermidine ih spermine 精 氨 酰 琥珀 酸 arginostccinic acid 精 氮 酸 arginine 精 氨 栈 -tRNA 合成 酶 arginyl-tRNA tase synthe- 4M laccase 能 脱氧 胆 酸 ”taurotrsodeoxycholic acid 十 五 画 (细胞 ) 增生 proliferation BRAK aldolase ¥ue «squalene 墨 斯 卡 林 mescaline 瘤胃 细菌 rumen bacteria tii entropy Wit entropy flow 痰 基 加 水 反应 carbonyl hydration 糊 精 Cextrin 潜伏 型 latent type aj AR valine 9% =«valinomycin +7 & 糖 原 glycogen 糖 原 分 支 酶 glycogen branching enzyme Camylo-(1,4- 1.6-) transglyco- sylase) 糖 原 合 成 酶 glycogen synthetase 糖 皮质 激素 glucocorticoid hormone 糖苷 转移 酶 ， transglycosidase 糖苷 键 glucosidic bond 糖 蛋白 glycoprotein Ze chelate HAF] chelating agent #5 parvalbumin 噬菌体 bacteriophage RW aldimine 醛 缩 酶 ”aldolase Hike sulfonamide 磺 酸 基 sulfo group WEBER thin-layer chromatography 器 官学 organology tE (4) =Nassula Bob Sti Ramen-laser spectrum 激 应 性 excitation 激 肽 原 激 酶 ”kallidinogen kinase BAR] activator 激素 ”hormone 凝血 因子 coagulation factor 凝血 酶 thrombase #EREH YK gel electrophoresis 凝 胶 过 滤 法 gel-filtration 十 七 画 繁殖 reproduction 磷酸 化 酶 复合 体 phosphorylase complex 磷脂 类 ”phospholipids BENS BE BRE phosphatidyl ethanolamine 磷脂 酰 甘油 phophatidyl glycerol 磷脂 酰 丝氨酸 phosphatidyl serine 磷脂 酰 甘油 phosphatidyl glycerol L- 磷 脂 酸 L-phosphatidate 磷脂 酶 “phospholipase 287 外 BEGtK# phosphoamide bond BAw— KAM phosphodihydroxy-acetone BiR— BH phosphodiester 磷酸 二 酯 键 phosphodiester 5-BER AK AA HE ~=xylulose-5-phosphate 和 磷酸 化 酶 脱 磷酸 酶 ”phosphorylase phorylase 和 磷酸 化 酶 激酶 ”phosphorylase CQ- 磷酸 甘油 a-phosphoglycerol 磷酸 甘油 脱氧 酶 glycerophosphate genase BR HIER phosphoglyceride 2-BER HIM 2-phosphoglyceric 3- 磷 酸 甘 油 酸 3-phosphoglyceric acid 磷酸 甘油 酸 变 位 酶 ”phosphoglycerate mutase 3-BER HIRE 3-phosphoglycerate kinase 3- 磷 酸 甘 油 醛 gelyceraldehyde-3-phosphate BBHWE RAB phosphoglyceraldehyde dehydrogenase bridge linkage dephos- kinase dehydro- acid 更 酸 两 糖 异 构 酶 ”phosphotriose isomerase 和 砍 酸 戊 糖 途径 phosphopentose pathway 殉 酸 肌 酸 phosphocreatine BEB wks RH pyridoxal phosphate 4-BERR IERIE CRE «= 4-phosphopantotheine 磷酸 转移 酶 ”phosphotransferase 磷酸 变 位 酶 ”phosphomttase 磷酸 胆 碱 ”phosphocholine S-RRFERR acid-5-phosphate 3- 磷 酸 丝氨酸 3-phosphoserine 6- 磷 酸 果糖 fructose-6-phosphate (F6P) 磷酸 果糖 激酶 ”phosphofructokinase 磷酸 钙 凝 胶 calcium phosphate 5-BERRE RE Tribose-5-Bhosphate N-5/-BRBBMT AHR N-5’-phosphoribosyl acid shikimic gel anthranilic 和 磷酸 核糖 焦 磷 酸 phosphoribosyl pyropho- sphate | 12 Fy! 了 ler a4 4 Ee er eRe ras am a 1783. /2 /4, | pa Bea | da | “LA 一 288 at Fae — phosphoribosyl pyrophosphate-ATP pyrophosphorylase 5- 磷 酸 核糖 -1- 焦 磷酸 合成 酶 ”5-phosphoribosyl — -1-pyrophosphate synthetase BEER-A BE ERR He BMS phosphoribosyl pyrophosphate . transamidase 5- 磷 酸 核 酮 糖 =ribulose-5-phosphate 磷酸 核 酮 糖 激酶 ”phosphoribulosekinase 磷酸 基 转 移 transphosphorylation 磷酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 化 酶 phosphoenolpyrtuvate carboxylase RRB LAMBRA phosphoenolpyruvate carboxykinase 1- wou glucose-l-phosphate 6-BRABMR glucose-6-phosphate 磷酸 激酶 ”phosphokinase Hb Gagn Hb Gaonolulu 螺 沟 Me §6solenoid 29h pitch Wye spirillum AHR wybutosine seth Gregarina helix groove + \ g Wi flagellum #26 Mastigophora 鞭毛 蛋白 flagellin 莱 化 甲壳 质 纤 维 素 tanned chitin 二 十 一 画 BSR REM parenchyma pith cell a alii = S817 | 4 ji 书号 : 13196 “1 封面 设计 aK ets 2,35 | 5 ——— Se” Oe 要 7” a | ons ie SS