生物化学张楚富提要.doc

第一章导论 （内容提要）生物化学是研究生物分子和生物体内化学反应的科学，是运用化学的原理在分子水平上解释生物学的科学。生命系统具有复杂的结构和高度的组织形式，生命能准确地进行自我复制，能活跃地与外界环境进行物质交换和能量交换，因而生命系统是一个开放的系统。生物分子是含碳的化合物。构成生命的分子是分级的。形成生物分子的主要前体是水、二氧化碳、以及三种无机氮化合物（NH4、NO3和N2）。生物能将这些无机小分子同化或转化成体内的代谢物，构成生物大分子的前体是单糖、氨基酸、核苷酸、甘油和脂肪酸等。蛋白质、DNA、RNA以及多糖和脂类是生物大分子，它们可以装配成超分子复合物。酶复合物、核糖体、染色体和细胞骨架都是超分子装配体的例子。细胞器是生物分子等级中层次较高的一级。细胞器只在真核生物中发现，主要包括细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体和液泡等。细胞器由膜包围着。膜主要由脂类和蛋白质组成，是细胞和细胞器的边界。细胞是生命的单位，是唯一能展现生命特征的最小实体。细胞分为真核生物细胞和原核生物细胞两种类型。细胞是由膜包裹着的小团，内含悬浮于水的众多不同的物质，上面所提到生物分子都位于细胞内。生物大分子和它们的构件具有方向性。许多生物分子是信息分子。生物大分子具有复杂的空间结构，非共价作用力维持生物大分子结构的稳定。结构互补性是生物分子相互识别的手段。生物分子的相互识别，包括酶和它的底物、酶和它的专一性抑制剂、激素和受体、抗原和抗体以及精子和卵子，都是由弱的作用力介导的。这些弱的作用力使得生物只能在一个窄小的环境范围内（基本恆定的温度和压力以及生理pH下）展现它们的生命活动。水起着生命的介质和连续统一体的作用。水分子本身也参于了许多生物化学过程。水在生物体内的存在影响着生物分子之间的相互关系，包括物质的溶解性以及与水分子间的行为关系。由水分子解离产生的H和OH是生物化学反应的基础。生物分子具有众多的可作为酸或碱的功能基团（例如氨基和羧基）。这些分子影响液态（水）介质的pH，它们的结构和反应性也会受到周围pH的影响。根据广义的酸和碱的概念，凡是能供出质子的物质即是酸，凡是能接受质子的物质即为碱。由于强酸在水中完全解离，因此当把它少量加入到纯水中时，会使水的pH发生级大的变化。但是弱酸在水中只能部分离子化，只引起pH发生很小的变化。所以弱酸（例如碳酸和磷酸）及其盐类是生物体内良好的缓冲剂，对于保护生物及生物分子的结构、生物分子的代谢反应是不可缺少的。第二章氨基酸和蛋白质的一级结构 （内容提要）蛋白质含有20种标准氨基酸，这些氨基酸在它们的碳原子上分别含有一个氨基、一个羧基和一个侧链基团（或称R基团）。除甘氨酸外，所有其它氨基酸的碳原子都是一个不对称的碳原子，即手性碳原子。蛋白质中的所有氨基酸都是L-型的。20种标准氨基酸可以根据它们侧链的结构分为含脂肪烃基的氨基酸、含芳香基的氨基酸、含硫的（或含羟基的、或含酰胺基的）氨基酸。如果根据它们的侧链极性（或在生理pH下的解离），可分为侧链非极性氨基酸、侧链不带电荷的极性氨基酸和侧链解离带正电荷或负电荷的氨基酸。氨基酸侧链的性质对于决定蛋白质的性质、结构和功能来说是很重要的。氨基酸的-氨基和-羧基都是可解离的基团，它们的解离取决于介质的pH。在生理pH下，-氨基解离带正电荷（NH3+），-羧基解离带负电荷（COO）；侧链可解离基团的解离取决于它们的pK值和介质的pH。氨基酸的解离性质是建立分离和分析氨基酸的方法的基础，它们的解离也影响蛋白质的性质、结构和功能。分离分析氨基酸的主要方法是离子交换法以及电泳法。蛋白质是由氨基酸借肽键连接而成多聚物。在蛋白质多肽链中，肽键是唯一的共价键，由一个氨基酸的-羧基和相邻氨基酸的-氨基脱水缩合而成。在多肽链中，氨基酸残基的顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质是生物大分子，虽然它们具有与氨基酸相似的解离性质，但这一性质却比氨基酸复杂。蛋白质的许多重要的性质，例如，溶解性、极性、带电性质、分子大小以及配体亲和性等，是构成分离分析它们的方法的基础。离子交换法、凝胶过滤法、亲和层析法、超速离心法以及各种电泳法是常用的方法。蛋白质一级结构的测定通常采用这样的程序，即纯净样品的末端分析、氨基酸组成分析、专一性酶或化学试剂进行部分水解、Edman降解法测定肽碎片的氨基酸残基的顺序以及片段重叠。末端分析常有丹磺酰氯法和二硝基氟苯法；肽链的部分水解一般是有胰蛋白酶法、胰凝乳蛋白酶法以及溴化氰法。氨基酸顺序的分析能揭示不同来源的蛋白质彼此之间的进化关系，亦为分子病的诊断提供可靠的依据。第三章蛋白质的空间结构和功能 （内容提要）蛋白质在一级结构的基础上可以形成二级、三级或四级结构。不同的蛋白质有不同的空间结构。一级结构是蛋白质空间结构形成的基础。X-射线晶体衍射和核磁共振是测定蛋白质以及其它生物大分子结构的有效方法。肽基或肽单元是有极性的，也是一种具刚性的平面。NC和CC单键旋转的角度分别用和描述。这两个角旋转的角度决定两个相邻肽基的空间位置。如果这两个旋转角(即扭角)分别相等，则多肽链主链是有规律的构象。在螺旋和折叠中，这两个旋转角都是分别相等的。因此，螺旋和折叠是有规律的构象。在螺旋中，每轮卷曲的螺旋包含3.6氨基酸残基，同一肽链上的每个残基的酰胺氢和位于它后面的第4个残基上的羰基氧彼此之间形成氢键。这种氢键大致与螺旋轴平行。折叠可分为平行式和反平行式两种类型，它们是通过肽链间或肽段间的氢键维系。蛋白质的二级结构是指多肽链主链在空间中的走向，包括螺旋、折叠，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。蛋白质可分为纤维状蛋白和球状蛋白。纤维状蛋白通常是水不溶性的，在生物体内往往起着结构和支撑的作用；这类蛋白质的多肽链只是沿一维方向折叠。球状蛋白一般都是水溶性的，是生物活性蛋白；它们的结构比起纤维状蛋白来说要复杂得多。螺旋和折叠在不同的球状蛋白质中所占的比例是不同的。在球状蛋白质中，转角、卷曲结构或环结构是它们形成复杂结构不可缺少的。三级结构主要针对球状蛋白质而言的，是指主链和侧链在空间中的走向。在球状蛋白质中，侧链基团的定位是根据它们的极性安排的。蛋白质特定的空间构象是由氢键、离子键、偶极与偶极间的相互作用、疏水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用力。有些蛋白质还涉及到二硫键。在大多数球状蛋白质中，往往可以观察到可明显区分的二级结构组合。这种组合称为超二级结构或基元。基元也许具有结构和功能上的作用。例如二核苷酸结合部位常具有称为Rossmann折叠的组合形式。分子较大的多肽常折叠成两个或多个球状簇，这种球状簇叫做结构域或域结构(domain)。大多数域结构由100200个氨基酸残基构成，平均直径约2.5 nm 。一条多肽链在一个域范围内来回折叠，但相邻的域常被一个或两个多肽片段连结。因而域在结构上是独立的、具有小分子球状蛋白质的特性的单位。域结构往往有特殊的功能，例如结合小分子。蛋白质的折叠是有序的、由疏水作用力推动的的协同过程。伴侣分子在蛋白质的折叠中起着辅助性的作用。蛋白质多肽链在生理条件下折叠成特定的构象是热力学上的一种有利的过程。折叠的天然蛋白质在变性因素影响下，变性失去活性。在某些条件下，变性的蛋白质可能会恢复活性。寡聚蛋白质是由两个或多个多肽（称为亚基）链装配而成的。在寡聚蛋白质中，亚基在空间中的定位或相互间关系构成了四级结构研究的内容。维持寡聚蛋白质稳定的力同样涉及氢键、离子键、偶极与偶极间的相互作用、疏水作用。每一种蛋白质都有着特有的生物学功能，这是由它们特定的空间构象决定的。因为它们的特定的结构允许它们结合特定的配体分子，例如，血红蛋白和肌红蛋白与氧的结合、酶和它的底物分子、激素与受体、以及抗体与抗原等。第四章酶 （内容提要）酶是生物催化剂，能显著提高生物体内的化学反应速度。酶对它所作用的底物具有高亲和性和高度的专一性。酶是蛋白质，或者是由蛋白质和辅助因子组成。虽然发现有其它生物催化剂，例如具有酶活性的RNA，但这并不改变酶的蛋白质本质。根据酶催化反应性质，可将在生物体内发现的酶分为六大类。酶的动力学描述的是酶在不同条件下催化反应的速度。酶催化反应的速度受底物浓度、温度、pH等的影响。米氏方程描述的是底物浓度对酶促反应速度的影响，这种影响呈现双曲线的图象。当底物浓度饱和时，酶促反应速度达到最大（Vmax）。米氏常数（Km）是指当酶促反应速度达到最大反应速度一半时所对应的底物浓度。Km和Vmax可以通过双倒数作图法等方法获得。酶的催化常数或转换数(kcat)是指当酶被底物饱和时，每分子的酶（或酶的每个活性部位）在单位时间内催化底物转变成产物的底物分子数。当底物处在稀浓度或未饱和时，kcat / Km比是酶促反应的表观二级速度常数。kcat / Km为酶的催化效应和对底物的专一性提供了一种量度。生物化学反应大多是多底物酶促反应。多底物酶促反应可分为有序顺次反应、随机顺次反应以及乒乓反应。多底物酶促反应动力学也是可以测定的。对酶的抑制剂动力学研究具有重要的意义，可以帮助揭示酶活性部位的结构、分析和推测代谢反应途径以及为临床药物的设计提供依据。酶的抑制作用可分为可逆抑制和不可逆抑制两种类型。可逆抑制又可以分为竞争性、反竞争性和非竞争性抑制等不同类似类型。不同类型的抑制剂可以用动力学作图来区分。酶对底物高度有效的催化源于酶和它的底物之间的多种弱的作用力的形成和相互作用所释放的自由能。这样的结合能既贡献于酶的专一性，又贡献于它的催化反应。在酶促反应的转换态中使这样的弱的相互作用处于最佳状态。酶活性部位本身与底物是不互补的，但与底物的转换态是互补的。酶与底物的邻近与定向以及转态的稳定是解释酶高效催化的主要因素。此外，广义的酸碱催化和共价催化对于解释酶促反应的高效性也是重要的。酶活性部位的氨基酸残基可以参与酸碱催化（质子的加入或移除）或共价催化。pH对酶促反应速度的影响可以提示什么样的残基参于了催化反应。对溶菌酶和丝氨酸蛋白酶类作用机制的研究为洞察酶的作用机理提供了很好的范例。溶菌酶对细菌细胞壁的水解涉及底物的变形（由酶和底物之间多种弱的相互作用力所致）和中间物（转换态）的稳定。许多丝氨酸蛋白酶以无活性的酶原形式合成，在适当的条件下通过选择性水解转变成有活性的酶。X-射线晶体衍射分析表明，蛋白质的三维结构能揭示出酶活性部位（包括专一性底物的结合部位）的信息。丝氨酸蛋白酶的活性部位含有一个由氢键结合网形成的Ser-His-Asp催化三联体。它的丝氨酸残基起着共价催化剂的作用，组氨酸残基起着酸碱催化剂的作用。带负电荷的四面体中间物由酶提供的氢键来稳定。酶活性的调节是酶作为生物催化剂区别于非生物催化剂的重要标志，也是生物体内物质代谢的重要调节方式。酶活性调节包括酶原的激活、同工酶调节、别构调节和共价修饰调节。别构酶是多亚基酶，除含有底物结合部位外，还含有调节物结合部位（别构部位）。当调节物结合到别构部位时，诱导酶的构象发生变化，从而增高或降低酶的催化活性，进而调节代谢途径运行的速度。酶的共价修饰调节通常涉及酶分子特定部位的丝氨酸残基或苏氨酸残基的磷酸化和去磷酸化。处在代谢途径关键部位的酶既具有别构调节又具有共价修饰调节两种调节方式。第五章核酸 （内容提要）核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又是由碱基、戊糖和磷酸组成的。碱基、戊糖和磷酸决定了核苷酸的种类，也影响着核苷酸的性质。核苷酸因碱基含有共轭双键而具有紫外吸收性质；核苷酸的解离性质主要是由碱基和磷酸基的解离性质决定的。 DNA和RNA都是由核苷酸经3,5-磷酸二酯键连接而成的线性大分子。核苷酸之间的这种连接方式可通过电位滴定和专一性的核酸酶来确定。 DNA是由两条极性相反的、能形成互补碱基对(basepair，bp)的多聚核苷酸链组成的双螺旋分子。在DNA分子中，两条链间的腺嘌呤与胸嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶互补配对。DNA双螺旋结构主要是由三种作用力来稳定：碱基对间的氨基和内酰胺形成分子内的氢键；碱基对疏水的芳香环堆积产生的作用力和堆积的碱基对间的范德华力（即碱基堆积力）；多核苷酸链骨架上带负电荷的磷酸基与介质阳离子或阳离子化合物之间形成的盐键。DNA最常见的分子构象是B-DNA，但也观察到A-DNA和Z-DNA两种构象的存在。 由于DNA分子具有一定的柔性，因此DNA分子可以形成超螺旋。DNA的超螺旋是它的结构张力的一种表现形式。DNA的超螺旋性质可以用拓扑学来描述。超螺旋密度是超螺旋的一种量度，与其长度无关，但该数值的正负性则与螺旋旋转过度（正值）或旋转不足（负值）有关。在正常生理条件下，所有天然DNA的超螺旋都是负的超螺旋。 DNA限制性内切酶能在具回文结构的特定部位上催化DNA降解。利用不同的限制性内切酶所构筑的酶切图谱（或称物理图谱）在DNA结构与功能的研究中十分有用。链终止法(chainterminationmethod)是利用DNA(酶促)复制合成的原理所建立起来的分析DNA核苷酸（或碱基）顺序的最有效的方法。通过对不同生物来源的DNA结构分析，观察到DNA分子的组织结构上的某些特点，如基因的重叠、插入序列、重复序列以及回文结构等。 RNA分子大多是单链结构，但可以折叠形成局部的双螺旋区。细胞内的RNA主要是mRNA、tRNA和rRNA，它们参与编码蛋白质的基因的表达。此外，还有种类繁多的病毒RNA。病毒RNA有单股的，也有双股的。造成非典型肺炎(Sars)的冠状病毒属于单股RNA病毒。 mRNA是编码蛋白质的基因的细胞内信使。mRNA的稳定性差，很容易降解，尤其是是原核生物的mRNA。原核生物和真核生物的mRNA在结构上有不同的特征。tRNA在蛋白质的合成中起着转移氨基酸的作用。单股的tRNA自身回折形成三叶草型结构，在此基础上进一步形成倒L-型的三级结构。在tRNA结构中常观察到非Watson-Crick碱基配对。rRNA是构成核糖体的主要成份。不同类型生物的rRNA的种类是不同的。在原核生物核糖体中，存在5S、16S和23S三种rRNA；在真核生物核糖体中存在5S、5.8S、18S和28S四种rRNA。 核酸同样具有紫外吸收特征，可利用这一性质对核酸进行定性和定量分析。由于核酸的种类和结构的不同，因而导致它们的沉降特征和密度特征不同。DNA的热变性是它的一个很重要的性质。DNA变性后，许多性质发生了变化，包括它的生物学活性和紫外吸收性质。变性的DNA在一定条件下可以复性。复性的速度与温度、离子强度、pH、DNA的大小和浓度有关。复性的速度可以作为DNA序列复杂性的一种量度。Southernblot是在DNA变性和复性基础上建立起来的一种鉴定特定序列DNA的有效方法。 生物体内含有种类很多、专一性不同的核酸酶。不同的核酸酶在不同的研究中有不同的应用。在从细胞中分离核酸时应特别注意使用核酸酶的抑制剂。第六章糖类 （内容提要）糖类包括单糖、寡糖和多糖。单糖可分为醛糖、酮糖和它们的衍生物。单糖根据离羰基碳原子最远的手性碳原子的构型指定为D-型和L-型。每种单糖都有2n可能的立体异构体，这里n是手性碳原子数。对映（异构）体呈彼此非重叠的镜像关系。对具有几个手性中心的单糖来说，差向异构体只在一个手性中心的构型不同。至少具有五个碳原子的醛糖和至少具有六个碳原子的酮糖才能以环状的半缩醛和半缩酮存在，它们分别称为呋喃糖和吡喃糖。在这些环状结构中，异头物（羰基）碳原子的构型称为或型。呋喃糖和吡喃糖可以采取几种构型。 单糖的性质与它们所含的醛基、酮基和醇羟基有关。单糖的衍生物有糖的磷酸酯、脱氧糖、氨基糖、糖醇和糖酸。 当异头物碳与另一分子的糖形成糖苷键时，即可形成糖苷。糖苷包括双糖（单糖苷）、多糖（多糖苷）和某些衍生物。同聚多糖是由单一糖单位构成的多聚物，淀粉和糖原以及纤维素和几丁质（壳多糖）都是同聚多糖，前两种属于储存多糖，后两种是结构多糖。 杂多糖含有一个以上的单糖或衍生物单位，存在于糖缀合物(glycoconjugates)中。这些糖缀合物包括蛋白聚糖（proteoglycan）、肽聚糖（peptidoglycan）和糖蛋白（glycoprotein）。 蛋白聚糖是由蛋白质与一条或几条糖胺聚糖共价结合而成。糖胺聚糖（glycosaminoglycan）曾称为粘多糖（mucopolysaccharide），是由重复的二糖单位构成的多糖链。在细胞间质和结缔组织（例如软骨）中，糖胺聚糖是一种占优势的组分。 许多细菌的细胞壁是由肽聚糖构成，而肽聚糖是由杂多糖链与肽连接而成。肽聚糖被广泛交联，能将这种糖转变成刚性的大分子，从而起着规定细菌的形态和保护原生质膜的作用。 糖蛋白是一类含共价结合寡糖的蛋白质分子。大多数糖蛋白的寡糖链是通过O-糖苷键同肽链Ser或Thr残基连接,或是通过N-糖苷键同Asn残基连接,并且呈现极大的结构和糖基组成的可变性。第七章脂类和膜 （内容提要）脂类是一类种类和结构多种多样的不溶于水的有机化合物。脂肪酸是单羧酸，平均碳原子数通常约12-20。脂肪酸一般以三酰甘油（油和脂肪）的形式被储存，三酰甘油是中性的和非极性的。甘油磷脂有一个极性的头部和两条同甘油骨架连接的非极性的脂肪酸尾链。头部极性分子的不同，甘油磷脂的种类就不同。甘油磷脂是中极两性分子，能极大地影响生物膜的形成。（神经）鞘脂类含（神经）鞘氨醇。主要的鞘脂类物质有鞘磷脂类、神经节苷脂类和脑苷脂类。鞘磷脂在结构上与甘油磷脂非常相似。神经节苷脂和脑苷脂都含有糖基，称为糖鞘脂。神经节苷脂因含有唾液酸而称之为酸性糖鞘脂，而脑苷脂只含有中性的半乳糖或葡萄糖，故称为中性糖鞘脂。甾（固）醇类是一类含4个融合环的类异戊二烯。其他生物学上重要的脂类有腊、前列腺素（eicosanoids，类二十烷酸）、脂类维生素以及萜类。脂类的结构极大地影响它们的性质，包括溶解性、解离性质、电阻性、以及各种化学反应倾向等。所有生物膜的结构基础是脂质双分子层，脂类分子包括甘由磷脂、鞘磷脂，有时也包括胆甾醇。脂类能在双分子层中快速扩散。生物膜含有蛋白质，这些蛋白质或是包埋在脂质双分子层中或是与膜连结。大多数整合的膜蛋白跨越疏水的双分子层，但外周膜蛋白比较紧密地与膜表面结合。脂固定的膜蛋白同双层中脂共价连结。某些小的或疏水的分子能跨越双分子层扩散。通道、微孔和活性转运载体调节离子和极性分子跨膜的转移。大分子可分别通过胞吞作用和胞吐作用进出细胞。细胞外的化学刺激物通过同受体结合，把它们的信号传递到细胞内。转导物把信号传递到效应物酶，它产生第二信使。信号转导途径往往包括G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）和蛋白激酶。腺苷酸环化酶信号途径导致依赖于cAMP（环腺苷酸）的蛋白激酶A的激活。肌醇-磷脂信号途径产生两种第二信使，导致蛋白激酶C的激活和胞液Ca2水平增高。在受体酪氨酸激酶中，激酶是受体蛋白的一部分。第八章生物能学 （内容提要）生物细胞不断地做功，因此需要能量用于维持高度组织化的结构、细胞组分的合成、运动以及许多其他过程。生物能学研究生物系统的能量关系和能量的定量转化。生物能的转化遵循热力学定律。所有化学反应受到两种力的影响：达到最稳定结合态的趋向（用焓H表示）和达到最大混乱度的趋向（用熵S表示）。一个化学反应的净推动力是自由能的变化（G），它代表了这两个因素的净效应：GHTS。细胞需要自由能以完成做功。标准自由能的变化（G0）对某一给定反应来说是一个特征性常数，能从一反应的平衡常数计算得到：G0RTlnKeq.实际自由能变化（G）是可变的，它取决于G0和反应物和产物的浓度：GG0RTln(产物/反应物)。当G是很大负值时，反应趋向正向方向进行；当G是很大正值时，反应趋向逆向方向进行；当G是零时，该系统处在平衡状态。一反应的自由能变化不取决发生反应的途径。自由能的变化是可以相加的。由几个连续反应所构成的总反应的自由能变化等于各分步反应的自由能变化之和。生物氧化反应可根据两个半反应来描述，每个半反应都有它特有的标准还原（电）势（或称标准氧化还原电势），用E0表示。当两个电化学半电池（每个含有两个半反应组分）被连接时，电子趋于流向具有较高还原势的半电池。这种趋势的强度与这两个还原势之间的差值（E）成比例，它是氧化剂和还原剂浓度的函数。一个氧化-还原反应的标准自由能变化直接与两个半电池的标准还原势的差成比例：G0nFE0。许多生物氧化反应是脱氢反应，来自底物的两个氢原子（电子和质子）被转移到氢受体上。细胞内的氧化-还原反应涉及专一性的电子载体。这些载体也是相应脱氢酶的辅酶。细胞内的许多脱氢酶的辅酶是NAD和NADP，这两种辅酶能接受两个电子和一个质子（即一个氢负离子）。两种黄素核苷酸FAD和FMN是能紧密同黄素蛋白（也是一类脱氢酶）结合的电子载体，它们或是接受一个电子或是接受两个电子。在许多生物中，一个主要的能量转化过程是葡萄糖逐步氧化成CO2。当电子传递给氧时，氧化产生的能量以ATP的形式被保存着。ATP是分解代谢和合成代谢之间的化学连系者。它的放能转变成ADP和Pi或AMP和PPi反应同许多需能的反应和过程相偶联。一般来说，这个过程不是ATP水解，而是磷酸基或者腺苷酰基从ATP转移到一种底物或酶分子上，并将ATP降解产生的能量与底物的需能转化相偶联。通过这些基团转移反应，ATP为合成反应（包括信息分子的合成）、分子和离子跨膜的逆浓度和电化学梯度转移提供能量。肌肉收缩是对这种一般化的例外，ATP水解推动肌球蛋白的构象变化，从而引起肌肉收缩。细胞也含有其他大的、负的自由能的代谢物分子，它们水解时可释放大量的自由能。这些代谢物包括磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸和磷酸肌酸。象ATP一样，这些高能化合物具有很高的磷酸基转移势，它们是很好的磷酸基供体。硫酯类化合物水解时也能释放很高的自由能。第十章糖酵解和磷酸戊糖途径 （内容提要）糖酵解是由10个反应步骤组成，它是将一分子葡萄糖转变成两分子丙酮酸的过程。在该过程中净产生两分子的ATP和两分子的NADH。糖酵解整个反应过程可分为两个阶段。第一阶段的反应是由己糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、磷酸丙糖异构酶催化。该过程经历了两次磷酸化反应，消耗了两分子的ATP。果糖-6-磷酸的生成为醛缩酶的催化作好了准备。经过第一阶段的反应，一分子的葡萄糖转变成了两分子的丙糖。第二阶段是由甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶和丙酮酸激酶催化。在这一阶段中，两分子的NAD被还原为NADH；同时发生了底物水平磷酸化，产生了4分子的ATP。由于在第一阶段消耗了2分子的ATP，所以净产生2分子的ATP。甘油醛-3-磷酸脱氢酶和磷酸甘油酸激酶以及烯醇化酶和丙酮酸激酶分别催化能量上偶联的反应，1,3-二磷酸磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸两者都是超高能量的化合物，分别是这两个能量偶联反应的共同中间物，它们以底物水平磷酸化的方式将其所含的超高能量的磷酸基酶促转移到ADP上，生成ATP。在无氧条件下，丙酮酸利用第二阶段产生的NADH或是还原为乳酸（例如在哺乳动物的骨胳肌细胞中）或是经脱羧后还原为乙醇（例如在酵母细胞中）。在红细胞中，第二阶段产生的1,3-二磷酸甘油酸可在二磷酸甘油酸变位酶的催化下，生成的二磷酸甘油酸，后者是血红蛋白的效应物，能够影响血红蛋白的输氧功能。在糖酵解反应顺序中，己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应在能量上是不可逆的。其中，只有磷酸果糖激酶催化的反应处在最关键的控制位置上。ATP以及柠檬酸是磷酸果糖激酶的有效的别构抑制剂，而AMP和ADP以及果糖-2,6-二磷酸是该酶的有效别构激活剂，能减轻或解除ATP的抑制作用。果糖、半乳糖和甘露糖可以酶促转变成糖酵解的中间物而进入糖酵解途径。磷酸戊糖途径以葡萄糖-6-磷酸为起始物进入一个循环过程。该途径的第一阶段涉及氧化性脱羧反应，生成5-磷酸核酮糖和NADPH。第二阶段是非氧化性的糖磷酸酯的相互转换。由于转酮醇酶和转醛醇酶催化反应的可逆性，使磷酸戊糖途径与糖酵解以及糖的异生作用发生了密切的联系，各途径中的中间物可以根据细胞的需要进入到对方代谢途径中去。第十一章柠檬酸循环 （内容提要）细胞呼吸可分为三个阶段，第一阶段是葡萄糖经酵解产生丙酮酸，后者再被氧化成乙酰CoA的过程，也是脂肪酸和氨基酸经氧化性分解产生乙酰CoA的过程；第二阶段是乙酰CoA经柠檬酸循环酶促降解为CO2和产生还原性辅酶（NADH和FADH2）的过程；第三阶段是前两个过程产生的还原性辅酶的电子经电子传递链被转移给氧分子、伴随着ATP生成的过程。 在原核生物中，柠檬酸循环发生在胞液中，而在真核生物中，该循环则发生在线粒体内。在真核生物胞液内产生的丙酮酸必须被转移到线粒体基质中，才能经受进一步的反应。 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下氧化脱羧生成乙酰CoA。该酶复合物是由3种不同的酶和5种不同的辅酶构成。与E2（二氢硫辛酰转乙酰基酶）结合的、长长的、具柔性的硫辛酰赖氨酰臂在反应中间物的转移中起着重要的作用。 在柠檬酸循环中，每分子乙酰CoA经过8个酶促反应步骤转变成2分子的CO2，并使3分子的NAD和1分子的FAD分别还原成NADH和FADH2。柠檬酸循环本身也发生底物水平磷酸化反应，产生1分子的GTP或ATP。还原性辅酶经第三阶段的反应（氧化磷酸化反应），可产生更多的ATP分子。每分子NADH被氧化产生2.5分子的ATP，每分子的FADH2被氧化产生1.5分子ATP（见下一章）。每分子的乙酰CoA进入该循环被氧化产生10分子的ATP。 从化学计量看，柠檬酸循环的净结果只是来自乙酰基上的两个C原子被氧化降解，以CO2的形式释放出来，而柠檬酸循环的任何中间物不因循环本身而有所增减。因此，由8个酶促反应构成的柠檬酸循环起着一种多步催化剂的作用。 柠檬酸循环具有双向的功能，它不仅是有机营养分子完全降解和产生能量的过程，也是为生物合成反应提供碳骨架的途径。有不同的途径可以补充该循环的中间物的浓度，以维持它的正常运转。 乙醛酸循环是一条仅在植物细胞和某些微生物内运转的途径，异柠酸裂解酶和苹果酸合酶是这个途径所特有的酶。该途径不仅使二碳物（乙酰基）能合成葡萄糖，而且亦可为柠檬酸循环提供中间物。 由丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应是控制丙酮酸进入柠檬酸循环的关键步骤。该酶复合物的活性可通过两种不同的方式（别构调节和共价修饰调节）调节。柠檬酸循环本身的活性控制部位是由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合物催化的。这三种酶活性主要通过底物的可用性、产物的抑制和反馈抑制来调节。第十二章电子传递和氧化磷酸化 （内容提要）电子从还原性辅酶NADH和FAD2经线粒体内膜上的电子传递链（即呼吸链）传递到氧分子，使氧还原，并与质子结合生成水。当电子沿电子传递链转移时，质子跨线粒体内膜从基质向膜间空间转移，产生跨内膜的电化学梯度，这种电化学梯度可用来推动ATP的合成。线粒体含有可溶性的和膜结合的酶，这些酶参与氧化性代谢。胞液中产生的的还原当量（即还原性辅酶）经穿梭系统进入到线粒体基质中。内膜上的特殊的转移载体介导ADP、ATP、Pi和Ca2跨膜的转运。电子传递链的各氧化还原载体在链中的排列具有严格的顺序。电子总是从电势较负的载体向电势较正的载体转移。内膜上的电子载体包括NADH脱氢酶、黄素蛋白、辅酶Q（CoQ）、铁-硫簇以及细胞色素类蛋白。它们或是转移两个电子，或是转移一个电子。这些载体在线粒体内膜中以4个复合物的形式按顺序地排列。电子传递抑制剂的应用揭示了电子复合物在内膜上的顺序。 复合物催化两个电子从NADH转移到CoQ，其间经过FMN和几个铁-硫簇。电子在复合物传递时，伴随着4个质子从内膜内侧跨膜转移到膜外侧（即膜间空间）。复合物只催化电子从琥珀酸经FAD转移到CoQ,不涉及质子的转移。复合物催化两个电子分步从CoQ传递到细胞色素c。每次Q循环只转移一个电子至一个电子的载体，同时协调2个质子跨膜转运至膜间空间（两对电子需要2次Q循环，共协调4个质子转运）。复合物（细胞色素氧化酶）催化电子从细胞色素c转移到O2，使O2还原成H2O，每分子水的生成需要两对电子，同时伴随着4个质子（每对电子伴随两个质子）跨膜转移。在电子经复合物传递时，铁-硫簇、细胞色素类蛋白以及Cu离子转移一个电子，而FMN、FAD和CoQ既可转移一个电子，也可转移两个电子。由于CoQ的疏水性，它可以在内膜的脂质双分子层中自由扩散；细胞色素c是一种水溶性的膜外周蛋白；其他膜结合的电子载体都是疏水的，被结合在内膜中。因此，CoQ和细胞色素c在电子传递链的各个复合物之间起着桥梁的（或者连接者的）作用。化学渗透学说为ATP的氧化磷酸化的偶联生成提供了解释。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子推动力,pmf）是ATP合成的原动力。当被转移至膜间空键的质子返回到线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。ATP合酶（F1F0-ATPase）催化ATP（ADPPiATP）的合成。该酶由F1和F0两部分组成。F1是可溶性部分，由五种不同的亚基构成；它单独存在只具有水解ATP的能力，不具催化ATP合成的活性。F0是疏水的，包埋在内膜中，含有质子通道。当质子经质子通道从膜间空间返回到基质中时，质子的流动推动ATP合酶的F1组分合成ATP。氧化磷酸化抑制剂通过同F0的疏水亚基结合阻断质子经质子通道返回到基质，从而抑制ATP的合成。ATP合酶催化ATP合成可能是通过一种叫做“结合变化机制”（bindingchangemechanism）完成的。质子返回所产生的力只是用来改变ATP合酶的构象，从而调节该酶的底物和产物与酶的结合力。P/O比（每对电子沿传递链转移所产生的ATP数）取决于跨膜转运的质子数。每分子ATP的合成大约需要4个质子的转移，NADH沿传递链传递伴随10个质子的跨膜转运，因此产生2.5ATP，FADH2沿传递链传递只伴随6个质子的跨膜转运，故产生1.5ATP。化学渗透学说要求内膜必须完整，任何导致质子的渗漏都会破坏质子梯度建立。解偶联剂能造成质子的渗漏，因而破坏了推动ATP合成的质子推动力的确立。抑制了ATP的合成。但解偶联剂不抑制电子的传递。氧化磷酸化速度是通过底物的可用性以及细胞对能量的需要来调节。主要的控制因素是反映细胞能量状况的质量作用比（massactionratio）ATP/ADPPi。根据细胞对氧化磷酸化的需要，糖酵解和柠檬酸循环也受到协同调节。第十三章糖原代谢和糖的异生作用 （内容提要）当动物食入丰富的含糖物质后，过量的葡萄糖便以糖原的形式储存起来。但是，当饥饿时，储存的糖原降解以满足机体组织对葡萄糖的需要。糖原的降解涉及糖原磷酸化酶。该酶在不消耗ATP的情况下催化糖原的磷酸解，产生的葡萄糖-1-磷酸在磷酸葡萄糖变位酶催化下转变成葡萄糖-6-磷酸，后者或是进入糖酵解反应顺序或是在葡萄糖磷酸酶催化下生成葡萄糖，进入血液，为其他组织例如大脑提供葡萄糖。糖原分支点处的-（16）糖苷键可被脱支酶水解，产生游离的葡萄糖。因此，糖原的完全降解是由糖原磷酸化酶和糖原脱支酶完成的，其产物是葡萄糖-1-磷酸和葡萄糖。糖原的合成主要涉及糖原合酶，该酶以UDP-葡萄糖作位糖基的供体。分支酶是糖原产生分支不可缺少的酶。由于分支酶的存在，增多了糖原合酶和糖原磷酸化酶的作用点，可以加快糖原合成或降解的速度。糖原的合成也需要己糖激酶或葡萄糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶以及尿苷二磷酸焦磷酸化酶的参与，这几种酶能将葡萄糖转变成糖原合酶的底物UDP-葡萄糖。糖原的降解和合成的调节是由激素介导、交互进行的。有关的激酶和磷酸酶控制着可转换的酶（糖原磷酸化酶和糖原合酶）的活性。糖原磷酸化酶和糖原合酶两者的活性都可通过磷酸化和去磷酸化调节，前者磷酸化即有活性，后者磷酸化即无活性。当两者去磷酸化时，其活性发生相反的转化。糖异生作用是由非糖前体合成葡萄糖的途径。有7个接近平衡的反应可在糖酵解和糖异生两途径中可逆发生。专一于糖异生的4种酶（丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶）使糖酵解的三个不可逆的反应转变成能量上有利于糖异生的反应。糖异生作用需要消耗ATP、GTP和NADH，因此，该途径是一种高度耗能的过程。在动物中非糖前体都是三碳以上的化合物，乳酸、丙酮酸、生糖氨基酸以及柠檬酸循环的中间物都是糖异生作用的前体。二碳物不能用来净转变成糖。糖异生和糖酵解的调节也是交互的。胰高血糖素、包括果糖-2,6-二磷酸在内的多种别构效应物以及底物的可用性都能调节糖异生的活性。果糖-2,6-二磷酸的水平受胰高血糖素的控制。第十四章光合作用 （内容提要）光合作用包括依赖于光的电子转移反应和不依赖光的反应，前者产生ATP和NADPH，后者利用光反应产生的NADPH和ATP将CO2转化成糖。在植物中，依赖于光反应的酶和辅助因子存在于包埋在叶绿体内囊体膜中或者与内囊体膜结合。糖的合成发生在叶绿体的液态基质中。叶绿素和其他光吸收（light-absorbing）色素（即辅助素素）组织成集光（light-harvesting）复合物，该复合物把光能汇集到光合反应中心。在植物和氰细菌中，存在光合系统(PS)和(PS)，P700和P680分别是这两个光合系统的反应中心。PS吸收光能推动水的光氧化反应，产生O2，释放的电子从PS流经细胞色素系统和PS，最终传递给NADP。PS吸收的光能可使来自PS的电子激发，跃迁到较高的能量状态。电子在PS中的流动可以是非循环的，它导致NADP的还原；也可以是循环的，使额外的质子转移到内囊体腔中。循环式和非循环式电子转移的速度取决于基质中的NADPH与NADP的比例。当该比例增高时，非循环式电子传递受限制，有利于循环式电子传递和ATP的合成。当电子被转移时，质子跨内囊体膜被转运到内囊体腔中。叶绿体ATP合酶利用跨膜的质子梯度产生的能量推动ADP磷酸化合成ATP，合成的ATP被释放到基质中。光合磷酸化的机制与氧化磷酸化相似，叶绿体ATP合酶的结构和反应机制也与线粒体ATP合酶相似。大气中的CO2通过一个还原磷酸戊糖循环（即卡尔文循环，Calvincycle）反应被同化成糖。CO2的固定（卡尔文循环的第一阶段的第一步反应）由核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶-加氧酶（Rubisco）催化。每3分子CO2经由卡尔文循环第一阶段反应产生1分子的磷酸丙糖。该循环余下的反应重新产生CO2的接受者核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）。Rubisco也能催化RuBP的氧合化，产物被光呼吸途径所消耗。某些植物也含有另一条固定CO2的途径（即C4途径或四碳双羧酸循环），该途径与卡尔文循环合并运转，减少光呼吸作用。C4途径能在含Rubisco的细胞中将CO2浓缩。CAM植物只在夜晚固定CO2，并保存水。从叶绿体输出的磷酸丙糖在胞液中形成蔗糖。由三碳糖形成淀粉的反应发生在叶绿体内。第十五章脂类代谢 （内容提要）三酰甘油的消化取决于胆汁酸的乳化活性和脂肪水界面的脂肪酶的活性。当消化的产物被吸收之后，它们被包装成脂蛋白的形式，经流动着的血液被转移到各组织。储存在脂肪组织的三酰甘油被激素敏感的三酰甘油酯酶水解，释放出的脂肪酸与血液中的白蛋白结合以复合物的形式转运到它们的氧化部位。脂肪酸的氧化从酰基的激活开始。脂酰CoA是其激活形式。脂酰CoA通过线粒体内膜上的肉碱酰基载体蛋白的转移进入到线粒体基质中。脂肪酸的氧化分为步反应，包括和位的双键的形成、双键的水化、脱氢形成酮酰CoA并被CoA硫解产生乙酰CoA和缩短了两个碳原子的脂酰CoA。这个过程重复进行，直到脂肪酸完全降解转变成乙酰CoA为止。乙酰CoA进入柠檬酸循环被氧化，产生的还原性辅酶进入电子传递系统，产生的能量经ATP合酶催化生成ATP。奇数碳脂肪酸除降解产生乙酰CoA外，最后产生的一分子丙酰CoA转变成柠檬酸循环的中间物琥珀酰CoA。这一转变过程需要12辅酶。不饱和脂肪酸的氧化除需要氧化的酶以外，还需要额外的酶参与。动物肝细胞线粒体能利用乙酰CoA合成乙酰乙酸和羟基丁酸，然后被释放进入血液。能利用这些酮体的肝外组织可将其重新转变成乙酰CoA被氧化利用。脂肪酸的从头合成发生在胞液中，线粒体中产生的乙酰CoA经三羧酸转运系统进入到胞液。在乙酰CoA羧化酶催化下，乙酰CoA羧化成它的活化形式丙二酸单酰CoA。在脂肪酸合酶的催化下，以丙二酸单酰CoA的形式把乙酰基（二碳单位）参入到脂肪酸合成的中间物上。脂肪酸的生物合成所需的NADPH可由磷酸戊糖途径；此外，转运乙酰CoA的柠檬酸丙酮酸穿梭（三羧酸转运）系统也是提供NADPH的重要途径，该系统能将糖酵解产生的NADH转变成NADPH。胞液脂肪酸合成系统所合成的脂肪酸是软脂酸。乙酰CoA羧化酶和脂肪酸合酶是催化脂肪酸合成的两种基本的酶。在不同的生物体内，这两种酶的组织结构是不同的。在哺乳动物中，催化脂肪酸合成的种酶活性和一个酰基载体蛋白区都包含在由两个相同亚基构成的多功能二聚体中。其他种类的脂肪酸的合成则可在与碳氢链延长或脱饱和有关的酶的催化下产生。人体三酰甘油合成的前体物是脂酰CoA和甘油醛-3-磷酸或者磷酸二羟丙酮。通常在三酰甘油的C-1位含一个饱和脂肪酸，在它的C-2位含一个不饱和脂肪酸。乙酰CoA羧化酶是调节脂肪酸合成的关键酶。在动物体内，柠檬酸是该酶的重要别构激活剂，而软脂酰CoA是该酶的别构抑制剂。软脂酰CoA也是脂酸合酶、柠檬酸合酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶等酶的抑制剂。柠檬酸除作为乙酰CoA羧化酶的重要激活剂外，并且在转运乙酰CoA跨越线粒体内膜中起关键作用。柠檬酸水平的升高表明乙酰CoA和ATP可以用来合成脂酸。脂肪酸的降解和合成受激素的调节。胰高血糖素和肾上腺素通过环腺苷酸和蛋白激酶介导的信号传导系统，使与脂类代谢相关的酶磷酸化和去磷酸化调节其活性。脂肪组织的脂肪酶的磷酸化便具活性，产生的脂肪酸被其他组织氧化产生能量。乙酰CoA羧化酶的磷酸化失去催化活性，从而抑制脂肪酸的合成。当激素的效应消失后，这两种酶去磷酸化使其活性发生相反的变化，抑制脂肪的降解而有利于脂肪酸的合成。哺乳动物磷脂酰乙醇胺和磷脂酰胆碱是由1,2-二酰甘油和极性头部的CDP衍生物缩合而成。磷脂酰肌醇、磷脂酰甘油和心磷脂是在CDP-二酰甘油基础上合成的。胆甾醇以乙酰基为起始物，经甲羟基戊二酸单酰CoA（HMG-CoA）和甲羟戊酸中间物转变成异戊二烯单位。然后六个异戊二烯单位缩合、环化，形成胆甾醇的前体。在胆甾醇的合成过程中，甲羟基戊二酸单酰CoA还原酶催化限速反应步骤。第十六章氨基酸代谢 （内容提要）蛋白质是不能直接被吸收的，只有经消转变成氨基酸才能被吸收。蛋白质的消化是由各种不同的蛋白质水解酶来完成的。在人及动物体内，这些酶包括胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、氨肽酶、羧肽酶和二肽酶等。人及动物消化食物中的蛋白质是在胃部和小肠中。内源性的蛋白质的消化发生在溶酶体和蛋白酶体内。氨基酸的分解代谢几乎总是以脱氨基开始的。脱氨基作用有氧化脱氨基、转氨基和联合脱氨基等方式。谷氨酸脱氢酶是生物体内最主要的氧化脱氨基酶。在转氨反应，大多数转氨酶优先利用-酮戊二酸作为氨基的受体；丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶是两种含量较多的酶。谷氨酸脱氢酶和转氨酶组成的联合脱氨基作用是生物体内的主要脱氨基方式。转氨反应依赖于磷酸吡哆醛（PLP）。此外，氨基酸的脱羧反应、消旋反应以及某些其他代谢反应都涉及PLP。转氨反应遵循乒乓反应机制。过量氨的积累对细胞是有毒害的。氨的去向随生物种类的不同而不同。在植物体内以再利用占优势，而在哺乳动物体内大多数氨则以无毒的尿素排泄到体外。尿素的合成发生在肝脏细胞中。尿素循环或者鸟氨酸循环是一种发生在线粒体和胞液两个不同的细胞分隔间的代谢过程。尿素合成的氨的来自天冬氨酸的氨基和氨基酸的脱氨基作用产生的氨，而CO2的来源则是HCO3。其他组织产生的氨是以谷氨酰胺或者以葡萄糖-丙氨酸循环的方式转运到肝脏细胞。构成蛋白质的20种氨基酸的碳骨架通过不同的分解代谢过程可以转变成丙酮酸、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸、乙酰CoA和乙酰乙酸等7种不同的分子。这些分子都可以进入柠檬酸循环被氧化成CO2，产生的还原当量进入电子传递和氧化磷酸化反应，产生ATP。凡是能直接转变成丙酮酸或者柠檬酸循环中间物的氨基酸称为生糖氨基酸，凡是能直接转变成乙酰CoA和乙酰乙酸的氨基酸称为生酮氨基酸。氨基酸生物合成需要碳源和氮源。氨基酸合成的碳源主要由糖代谢物提供。糖酵解、磷酸戊糖途径和柠檬酸循环可以为氨基酸的合成提供所需的碳骨架。氨基酸生物合成所需的氮源因生物类型的不同而异。少数几种细菌（包括几种与植物根共生的根瘤菌）和蓝绿藻可以通过固氮酶系统将大气中的N2固定还原为氨（NH3）。大多数植物和微生物能将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氨。动物氨基酸生物合成所需的氨主要来自食物性蛋白或内源性蛋白降解产生的氨基酸的分解代谢提供。氨同化为氨基酸主要涉及谷氨酸脱氢酶、转氨酶以及谷氨酰胺合成酶。在植物和许多细菌中，谷氨酰胺合成酶与谷氨酸合酶所构成的循环反应是氨同化的主要途径。在动物体内尚未发现谷氨酸合酶的存在。除少数氨基酸的合成过程较为简单外，大多数氨基酸的生物合成过程都是很复杂的。人和动物只能合成部分氨基酸（称为非必需氨基酸），不能合成的氨基酸称为必需氨基酸，必需由食物提供。植物和大多数细菌一般都能合成全部20种氨基酸。某些氨基酸代谢可以产生一碳单位，四氢叶酸的一碳单位衍生物参与了许多重要的需要一碳单位的反应，例如嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的合成。氨基酸除作为蛋白质生物合成的单位外，还参与许多生物活性物质的合成。第十七章核苷酸代谢 （内容提要）核苷酸是合成DNA和RNA的前体；它们的衍生物是许多生