考研农学生物化学辅导讲义内容.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除2010年生物化学考研复习提纲一、生物化学概述 （一）生物化学研究的基本内容 生物化学是研究生物的化学组成和生命过程中各种化学变化的科学，是研究生命的化学本质的科学。生物化学的研究内容包括以下三个方面：1. 研究生命的化学组成：生物大分子的结构2. 研究生命的新陈代谢：生物大分子的合成降解及代谢途径的调控3. 研究生命体的自我复制：遗传信息的储存、传递和表达 （二）生物化学的发展简史 20世纪初，生物化学作为一个独立学科出现。生物化学发展史中，有两个重要的突破。一是1897年发现了酶作为生物催化剂的作用；二是1944发现了核酸作为遗传信息载体的作用。1944年Avery等人通过细菌的转化试验证实DNA是遗传信息的载体。1953年，Watson和Crick推导出了DNA的三维结构。20世纪50年代后生物学进入分子水平。该领域一大批科学家先后获得诺贝尔奖。其他重要事件我国科学家在生物化学领域所作的突出工作：1965年：生化所与有机化学所完成有功能的蛋白质牛胰岛素的人工合成1973年：X-射线分析出猪胰岛素空间结构1983年：酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成 （tRNAAla）2000年：参与人类基因组测序计划二、蛋白质化学 （一）蛋白质的概念与生物学意义 蛋白质是由氨基酸组成的不分支的长链生物大分子。蛋白质的种类繁多，是构成生物体的基本成分，占细胞干重的50%。蛋白质是生命过程的执行者，表现出丰富的功能。蛋白质在生物体的生命活动中起着极其重要的作用，已知的生物功能没有一个是离开蛋白质而实现的，生物个体间表现出的差异是由于其体内蛋白质的贡献。（二）氨基酸 1氨基酸的基本结构和性质 1）氨基酸的结构：20种蛋白质氨基酸的分子结构特点第21种氨基酸为硒代半胱氨酸（selenocysteine, 缩写为Sec或SeCys），其结构中以Se代替了半胱氨酸中的S。但实际上，硒代半胱氨酸是丝氨酸的衍生物。2002年，在某些古细菌中还发现了第22种氨基酸，为吡咯赖氨酸（pyrrolysine）。 吡咯赖氨酸由赖氨酸修饰形成。这两种氨基酸都有自己对应的密码子。2）氨基酸的性质：包括了氨基酸的酸碱性质、立体化学、吸收光谱、化学反应。其中酸碱性质非常重要，其包括了兼性离子、pK、pI等概念以及pI的计算、Henderson公式等。立体化学中有关于氨基酸的立体结构（D型与L型）、旋光性的内容。吸收光谱：在近紫外区有特征吸收的三个氨基酸Phe、Tyr和Trp。氨基酸的化学反应：一般掌握三个反应：茚三酮反应、Sanger反应、Edman反应，反应的试剂、产物颜色、发生反应的氨基酸中的那个基团。2根据R基团极性对20种蛋白质氨基酸的分类及三字符缩写R基为疏水性或非极性的氨基酸、R基为极性不带电荷的氨基酸、R基为带电荷的氨基酸（包括带正电荷和负电荷的氨基酸） （三）蛋白质的结构与功能 1肽的概念及理化性质 一个氨基酸分子的a-羧基与另一个氨基酸分子的a-氨基发生酰化反应，脱去一分子水形成肽键，也称为酰胺键。肽就是氨基酸通过肽键连接起来的线性聚合物。自然界中还存在着大量的肽类，具有各种特殊的生理活性，统称为天然活性肽。谷胱甘肽、内啡肽2蛋白质的初级结构蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序，包含了蛋白质结构的全部信息。 3蛋白质的高级结构 （二级结构、超二级结构和结构域、三级结构、四级结构） 1）蛋白质的二级结构：指肽链主链或称肽链骨架有规律的折叠和盘绕，是肽链主链局部的空间排列，不涉及侧链的构象和整个肽链空间排列。维系二级结构的主要作用力是氨基酸残基非侧链基团之间形成的氢键。多肽链主链构象的空间限制来自两个方面：1）. 肽键不能自由旋转带来的构象限制。肽链中的肽键主要为反式。2）. a-C二面角f、虽然可以任意旋转，但不是任意二面角所决定的构象都是立体化学所允许的。二级结构的类型：a螺旋结构、b折叠、b-转角和无规卷曲的结构特点及参数。2）超二级结构：超二级结构指由相邻的蛋白质二级结构单元相互接近，形成有规律的二级结构聚集体。3）结构域：较大的球形蛋白分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，这些球状结构之间以松散的肽链相连，这些球状构象即为结构域。4）三级结构：多肽链通过盘绕折叠，借助各种非共价键和二硫键形成具有特定肽链走向的紧密球状构象。三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但是不包括亚基间或不同分子间的空间排列关系。5）四级结构：具有特定三级结构的肽链，主要通过非共价键形成的大分子组合体系为蛋白质的四级结构。作为蛋白质四级结构组分的肽链被定义为亚基。6）纤维状蛋白质的结构：（09年大纲中没有的内容，此处列出结构要点。）胶原蛋白：含有较多的羟基-脯氨酸（Hyp）、羟基-赖氨酸（Hly），多肽链一级结构96%遵守（Gly-X-Y）n。x多为Pro；y多为Hyp或Hly。三股左手螺旋形成的右手螺旋。角蛋白：a-角蛋白和b-角蛋白a-角蛋白：二聚体结构的中央是由两个右手螺旋的多肽链复绕成左手超螺旋棒状结构。 通常含有较多的二硫键。丝心蛋白及b角蛋白：一直独特的b-折叠片垛叠而成。每个b折叠股的主要结构类型是由Gly-Ala/Ser交替形成的长链。 4蛋白质的结构与功能的关系 一级结构与功能：一级结构的变异与分子病。（同源蛋白）一级结构的序列比较。空间结构与功能：核糖核酸酶的变性与复性实验；血红蛋白与肌红蛋白的功能比较，血红蛋白的别构效应。通过具体例子说明结构与功能的关系。（四） 蛋白质的理化性质 1蛋白质的相对分子质量 分子量或相对分子量 Mr：某物质的分子量与12C质量的1/12的比值为相对分子量，没有单位。分子质量：molecular mass，m。以dalton表示。1Da= 12C质量的1/12如：Mr=18000，或者 m=18000 Da2蛋白质的两性电离及等电点：参考氨基酸的等电点定义。3蛋白质的胶体性质：要形成稳定的胶体分散系统，需要保证三个条件：（1）分散相质点大小介于1100nm（2）分散相质点带有同种电荷，同种电荷相互排斥，使得质点不易沉淀下来；（3）溶剂在分散相质点表面形成溶剂化层，使分散质点间不易靠拢聚集成较大的颗粒而沉淀。4蛋白质的紫外吸收特征由于蛋白质中含有Trp、Tyr和Phe残基，使蛋白质在近紫外区280nm有最大特征吸收峰。通过测定蛋白质溶液的A280nm可以测定蛋白质浓度。5蛋白质的变性及复性当受到某些因素影响时，维系天然构象的次级键被破坏，蛋白质失去天然构象，导致生物活性丧失及相关物理、化学性质的改变，这个过程称为蛋白质变性。变性后的蛋白质在除去变性因素后，重新恢复天然构象和生物活性的过程称为蛋白质的复性。蛋白质的变性复性实验可以用于蛋白质的折叠研究。（五） 蛋白质的分离与纯化 1蛋白质的抽提原理及方法 分离纯化的一般程序可分为：前处理、粗分级和细分级分离三个步骤。（1） 前处理步骤：将欲分离纯化的目的蛋白质从细胞中溶解出来。胞外蛋白质可以直接用缓冲液提取，胞内蛋白质的提取涉及破碎细胞等步骤，再通过离心除去大的细胞碎片等。（2） 粗分级：这个阶段主要是除去大量的杂质和杂蛋白。一般采用的方法有中性盐或有机溶剂的分级沉淀的方法，以及超过滤等浓缩的方法。（3） 细分级：对目的蛋白质进一步的提纯。通常采用各种柱层析的方法，如：离子交换层析、凝胶过滤层析、吸附层析、疏水相互作用层析、反相层析等，还可以采用制备性电泳的方法。这一阶段常常同时进行生物活性的检测和纯度的鉴定。2蛋白质分离与纯化的主要方法：电泳、层析和离心 蛋白质等大分子具有两性解离性质，在溶液中也会带上不同的电荷，置于电场中也会发生电泳现象，因此可以通过电泳对蛋白质进行分离。层析技术主要有凝胶过滤柱层析、离子交换柱层析及亲和层析。离心法分离蛋白质等大分子是基于它们的密度差异。当颗粒的密度大于溶液密度时，颗粒就会在溶液中下沉。基础生化的实验中，重点掌握SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳、凝胶过滤柱层析（分子筛柱层析）的原理及基本操纵步骤。3蛋白质的定量方法 凯氏定氮法、紫外吸收法、Folin-酚法及考马斯亮蓝法蛋白质的分类：简单蛋白质和结合蛋白质的概念（09年大纲中没有的内容）三、核酸化学 （一） 核酸的种类和组成单位 核酸有两种类型：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。核酸是由核苷酸组成的多核苷酸长链分子。组成RNA的核苷酸为核糖核苷酸，组成DNA的核苷酸为脱氧核糖核苷酸。两种核苷酸都由等摩尔含氮碱基、戊糖和磷酸组成。其中的戊糖是核糖，组成DNA的戊糖为2-脱氧核糖。碱基和戊糖缩合形成核苷，核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。（二） 核酸的分子结构 1DNA的分子结构：1）DNA的一级结构：指DNA分子中由3，5-磷酸二酯键连接起来的脱氧核苷酸残基的排列顺序，或者是DNA分子中碱基的排列顺序，遗传信息就贮存在这个碱基的排列顺序中。多核苷酸链具有方向性；每条多核苷酸链都是独一无二的。2）DNA的二级结构：DNA的双螺旋结构模型。稳定双螺旋结构的因素主要有三种：氢键、碱基堆积力和离子键。R DNA结构的多态性双螺旋DNA在不同条件下以多种构象存在，称为。A-型、B-型、Z-型DNA的结构特点。R 稳定双螺旋结构的因素主要有三种：氢键、碱基堆积力和离子键。3）DNA的三级结构：双螺旋DNA通过自身轴的多次转动扭曲形成螺旋的螺旋结构。DNA双螺旋圈数减少，双螺旋DNA处于拧松状态时形成负超螺旋，负超螺旋DNA为右旋。双螺旋圈数增加，双螺旋DNA处于拧紧状态时形成正超螺旋，正超螺旋DNA为左旋。绝大多数天然存在的DNA形成的是负超螺旋。4）核小体的结构：（大纲中没有要求，但一般的基础生物化学都讲这部分内容。）核小体是构成染色质的一系列重复结构单位。不同种类核小体核心结构是完全相同的，为扁平体，11010055。每个核小体只有一个H1，H1易从核小体上解离下来。组蛋白富含Lys, Arg，因此是碱性蛋白。组蛋白的H2A、H2B、H3、H4各2分子形成一个八聚体（histone octamer）的核心。146bp的DNA围绕这个核心1.75圈，形成核心颗粒（core particle）。连接DNA（linker DNA）：10114bp长，连接两个相邻的核小体。H1结合在核心颗粒上，位于核心颗粒外侧。平均每个核小体重复单位约占200bpDNA2RNA的分子结构：1）tRNA的结构：一级结构：大多数tRNA中的核苷酸残基数在76左右。tRNA的一级结构中都含有较多的稀有碱基，大多数tRNA的5末端为pG，而所有tRNA的3末端都为CCAOH-3，这是tRNA携带氨基酸的位置。二级结构：tRNA的二级结构中含有较多的发夹结构，形成四个双链的臂和四个单链的环，使tRNA具有相同的三叶草形结构。三级结构：tRNA的三叶草结构通过折叠形成倒L形的三级结构。2）mRNA的结构：原核生物：一个mRNA分子编码一条多肽链，这种mRNA分子被称为单顺反子。绝大多数的细菌mRNA分子可以编码两条或多条不同的多肽链，这种mRNA分子叫做多顺反子。原核生物mRNA中不具有帽子和poly（A）结构。真核生物：真核生物mRNA为单顺反子。其mRNA5端具有帽子结构，5帽子结构由7-甲基鸟苷酸（m7G）经焦磷酸与mRNA5末端核苷酸相连，形成5-5-三磷酸连接。几乎所有的真核mRNA的3端都具有poly（A）尾。内含子与外显子的概念。3）rRNA的结构：核糖体中含有的RNA统称为rRNA。原核生物中有三种rRNA：23S、16S、5S；真核生物的rRNA有四种28S、18S、5.8S、5S。这些rRNA与蛋白质结合在一起形成核糖体。原核生物中，由50S大亚基和30S小亚基组成70S的核糖体。真核生物的核糖体为80S，大亚基为60S，小亚基为40S。 （三） 核酸的理化性质 1核酸的一般性质：溶解性、酸碱水解性、沉降性、粘度 DNA和RNA含有极性基团，均微溶于水，它们的钠盐在水中溶解度较大。核酸不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。DNA中的磷酸二酯键对碱不敏感，而RNA很容易被NaOH稀溶液随机水解。DNA溶液粘度非常高；RNA溶液的粘度比DNA溶液小得多。2核酸的紫外吸收特征 核酸溶液在260 nm附近有一个最大吸收峰，在230 nm有一个低谷，RNA的吸收光谱与DNA无显著差别。3核酸的变性及复性 1）变性：在一定条件下，受到某些物理和化学因素的作用，DNA的双螺旋结构破坏，氢键断裂，碱基有规律的堆积被破坏，双螺旋松散，双链分离成两条缠绕的无定形的多核苷酸单链的过程称为变性。2）复性：变性DNA在适当条件下，两条分开的互补单链重新形成双螺旋结构的过程称为复性。缓慢冷却复性的过程称为退火。3）增色效应与减色效应、熔解温度、分子杂交的概念。R 增色效应：变性DNA分子双螺旋结构破坏，碱基充分外露，其紫外吸收增加的现象。R 减色效应：变性DNA分子复性重新形成双螺旋结构，其紫外吸收降低的现象。R 熔解温度Tm：DNA变性时，OD260增大。通常把加热变性使DNA双螺旋结构失去一半时的温度称为该DNA的熔解温度；或者：当增色效应达到一半时的温度。R 核酸的分子杂交：来源不同的两条具有碱基互补序列的单链核酸分子，通过退火复性，碱基互补区段按照碱基配对原则结合在一起形成双链的过程称为核酸的分子杂交。杂交过程可以发生在DNA单链之间、RNA单链之间以及DNA单链与RNA单链之间。 （四） 核酸的分离纯化 （09年大纲新增的内容，但08年有试题中有相关的内容）核酸的分离提取方法依据核酸的性质而进行，如：溶解特性、碱基组成以及分子大小等。从细胞中提取的核酸，仍混杂着蛋白质、多糖和各种分子大小核酸同类物。根据不同的实验要求，采用不同的方法可以对核酸进行进一步的分离纯化，如采用超速离心、柱层析、免疫沉淀、凝胶电泳以及分子杂交等方法。为防止核酸大分子的变性或降解，在核酸的分离纯化时，实验操作通常在低温（0 4）条件下进行。核酸在细胞内主要以与蛋白质结合的核蛋白形式存在，除去蛋白质是核酸分离纯化中重要的步骤。常用方法有：（1）加入去污剂。如十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS），可以使蛋白质变性，变性蛋白质可经离心除去，DNA样品留在上清液中。（2）交替使用苯酚和氯仿两种不同的蛋白质变性剂，可以提高去除蛋白质的效果。通过苯酚、氯仿抽提，经过离心，核酸进入水相，蛋白质会沉淀于有机相和水相之间的界面。取出水相后，用乙醇等有机溶剂可将核酸沉淀出来。提取DNA时，应避免机械损伤降解DNA。提取RNA的关键因素是尽量减少RNase的污染。基础生物化学实验中，重点掌握DNA的提取方法，主要是核DNA及质粒DNA的提取过程。质粒DNA提取往往是复试中实验操作的考察内容。四、酶 （一） 酶的基本概念和作用特点1. 酶：是生物活细胞产生的、以蛋白质为主要成分的生物催化剂。某些RNA具有催化活性，称为核酶（ribozyme）。2. 酶催化剂的特性：极高的催化效率；高度的专一性；催化活性易受外界条件影响；催化活性在细胞内受严格调控；某些酶催化活性与辅助因子有关；酶的蛋白质本质。（二） 酶的国际分类和命名 1. 命名：每一种酶应有一个系统名称和一个习惯名称。2. 国际系统命名法原则：规定每种酶的名称应当标明酶的底物及催化反应的性质。如果一种酶催化两种底物起反应，应在他们的系统名称中包括两种底物的名称，并以“：”将其隔开。3. 分类编号方案：每个酶的分类编号由字母“EC”加上四个数字组成，数字间用“.”分开。按酶促反应性质将酶分为6大类。分类编号中的第一个数字表明一个酶属于六大类中的哪一类。第二个数字是该酶的亚类，指明底物中被作用的基团或键。第三个数字是该酶的亚-亚类。第四个数字是该酶在亚-亚类中的排序。（三）酶的作用机制 1酶的活性中心：酶分子中与底物结合并起催化作用的空间部位。1）. 活性中心包括两个功能位点：R 结合位点：保证底物正确结合在酶的催化位点附近，决定了酶的专一性。R 催化位点：负责底物键的断裂及新键的形成，决定了酶的催化能力。在含有辅因子的酶中，辅因子或其上的某些基团也参与酶活性中心的组成。 2）. 酶活性中心的特点：R 只占酶分子结构中很小部分（1-2%）；R 具有特定的三维结构，酶和底物结合的专一性取决于活性中心中原子的精致排列；R 并不是和底物的形状正好互补，具有柔性；R 以弱键与底物结合；R 位于酶分子的一个凹穴中，形成疏水区。2酶的专一性和高效性机制 1）. 酶的专一性：指一种酶只能催化某一种或某一类物质发生特定的反应。分为结构专一性和立体异构专一性两类。2）. 高效性机制：邻近和定向效应；底物形变；共价催化；酸碱催化；疏水微环境的影响；金属离子催化。（四） 影响酶促反应速度的主要因素 1. 底物浓度、酶浓度、温度和pH值、激活剂与抑制剂都对酶促反应速度产生影响。底物浓度：米氏方程表示了底物浓度与反应速度之间的关系。米氏常数KM的物理意义：当酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，单位为摩尔。2. 抑制剂：抑制作用分为可逆和不可逆抑制作用两种。可逆抑制作用有分为：竞争性抑制作用；非竞争性抑制作用；反竞争性抑制作用。1）. 可逆抑制作用：抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，结合是可逆的；可通过透析法除去抑制剂，恢复酶的活性。2）. 竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争酶的结合部位，可通过增加底物浓度减轻或消除抑制作用。3）. 非竞争性抑制作用：酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者间无竞争作用，这类抑制作用不能通过提高底物浓度来解除。4）. 反竞争性抑制作用：抑制剂不能与游离的酶结合，必须在酶和底物结合后，才能与ES结合形成ESI复合物；ESI复合物不能分解为产物；这类抑制作用较为少见。5）. 可逆抑制作用的动力学：抑制类型VmaxKm竞争性抑制不变增大非竞争性抑制降低不变反竞争性抑制降低降低（五） 别构酶和共价修饰酶：（09年大纲新增内容）别构效应与别构酶：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节或别构效应。具有别构调节作用的酶称为别构酶。共价修饰酶：这类酶经其他酶对其结构进行共价修饰，使其在活性形式与非活性形式间相互转变。（六） 同工酶：（09年大纲新增内容）催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构及化学组成不同的一组酶（七） 维生素和辅酶 维生素是生物生长发育和代谢所必需的微量小分子有机化合物。维生素有脂溶性和水溶性两种。主要掌握各种水溶性维生素作为何种辅酶的前体，相应的酶催化哪种反应。（八） 酶的分离纯化 （09年大纲新增内容）分离纯化的方法与分离纯化蛋白质相同。为防止酶变性失活，纯化过程通常在低温下进行。纯化过程中需要进行酶活力的测定。酶活力以酶催化的反应速度或酶活力单位来表示。酶活力测定是酶的定量测定；测定酶活力就是测定酶促反应速度；研究酶反应速度以反应初速度为准。五、糖类代谢 （一） 生物体内的糖类 主要有单糖、寡糖糖和多糖。糖的结构主要在有机化学中学习。糖的概念是：多羟基醛或多羟基酮，或水解可以变成多羟基醛或酮的化合物。生物化学中涉及的单糖主要是葡萄糖。涉及的寡糖，主要有蔗糖和麦芽糖。多糖中要掌握直链淀粉、支链淀粉、糖原、纤维素的结构，及这些多糖中单糖的连接方式。 （二） 单糖的分解作用 单糖的分解主要包括三个代谢途径：糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径。这些分解代谢途径中，物质代谢过程伴随着能量分子的生成。1糖酵解：糖酵解在细胞质中进行，是葡萄糖通过发酵分解，降解成丙酮酸同时产生ATP的过程。共10步反应，可以分成两个阶段。第一阶段：由葡萄糖裂解为磷酸三碳糖，共5步反应。1分子葡萄糖消耗2分子ATP，为耗能的糖活化阶段。第二阶段：由磷酸三碳糖最后生成丙酮酸，也是5步反应。1分子磷酸甘油醛转变成1分子丙酮酸，同时生成2分子ATP和2分子NADH，是放能阶段。 2三羧酸循环 （基本上每年必考）1）. 三羧酸循环：糖酵解中生成的丙酮酸在无氧条件下进入发酵过程（乳酸发酵和乙醇发酵）。在有氧条件下丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A经过一系列氧化脱羧反应，最后生成CO2、H2O并产生能量的过程即是三羧酸循环。三羧酸循环是燃料分子氧化的最后的共同途径，在线粒体基质中进行。2）. 三羧酸循环包括8步反应：各步反应中的代谢中间物都应该记住。丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶A的反应是连接糖酵解和三羧酸循环的枢纽。之后乙酰辅酶A进入三羧酸循环，经过两次脱羧、4次脱氢彻底分解。4次脱氢过程中，生成3分子NADH和1分子FADH2。三羧酸循环发生在线粒体基质，催化这些反应中的酶都位于线粒体基质中，但有一个酶例外：琥珀酸脱氢酶定位在线粒体内膜上。3调控位点：三羧酸循环葡萄糖经糖酵解和三羧酸循环彻底氧化分解途径中有7个调控位点。1）. 糖酵解中有3个：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的3个反应。2）. 由丙酮酸生成乙酰辅酶A的反应，也是一个调控位点，催化该步的酶为丙酮酸脱氢酶。3）. 三羧酸循环中的3个调控位点：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和a-酮戊二酸脱氢酶催化的反应。关于这些途径中生成的ATP分子的计算，09年考试大纲中没有要求。4磷酸戊糖途径 磷酸戊糖途径是葡萄糖在细胞质中直接氧化脱羧，并以戊糖磷酸和NADPH（还原力）为重要中间产物的有氧呼吸途径，产生NADPH的主要途径。主要掌握这个代谢途径的特点。这个途径同样可以分为两个阶段：第一个阶段为不可逆的氧化阶段由6-磷酸葡萄糖生成5-磷酸核酮糖，伴随着脱羧生成CO2 和脱氢生成NADPH。第二个阶段为可逆的非氧化阶段磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖。 此外，以上糖的三个分解代谢途径的意义需要掌握。（三） 糖异生由非糖物质合成葡萄糖的过程称为糖异生。其途径是通过丙酮酸转变为葡萄糖，基本上是沿着糖酵解的逆反应，但不是糖酵解途径的逆转。主要的非糖前体：乳酸、氨基酸类、甘油；主要的进入点：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸二羟丙酮。六、生物氧化 （一） 生物氧化的基本概念 燃料分子（糖、蛋白质、脂肪）在体内氧化分解为二氧化碳和水，并释放出能量的过程叫做生物氧化。（二） 电子传递链 1电子传递链的组成由一些氧化还原电位不同的氢传递体和电子传递体按一定顺序（对电子亲和力逐渐升高的顺序）组成的从供氢体到氧之间电子传递系统称为电子传递链，又称呼吸链。电子传递体包括：烟酰胺类核苷酸类NADH；黄素蛋白类（辅基为FMN或FAD）；铁硫蛋白类；细胞色素类及CoQ。电子传递链中多数电子传递体在线粒体内膜上形成4个超分子复合体。电子传递链一般有两条：NADH电子传递链和FADH2电子传递链，但是FADH2电子传递链不是主要的电子传递链。2电子传递的抑制剂 电子传递的抑制剂作用在呼吸链的三个不同部位：1）. 鱼藤酮和安密妥抑制从NADH到CoQ的电子传递。2）. 抗霉素A 抑制细胞色素b到c1之间的电子传递。3）. 氰化物、叠氮化合物和一氧化碳等物质抑制从细胞色素aa3到分子氧之间的电子传递。（三） 氧化磷酸化 1氧化磷酸化的类型 电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，将所释放的能量转移给ADP形成ATP的过程称为氧化磷酸化。其它的磷酸化类型：底物水平磷酸化和光合磷酸化2氧化磷酸化的机制 先后提出过：化学偶联学说、构象偶联学说和化学渗透学说。化学渗透学说的主要内容：线粒体内膜是封闭的膜系统，质子不能自由通过线粒体内膜；电子传递链和ATP合酶在线粒体内膜上是定向排列，递氢体有质子泵的作用，将H+从线粒体基质定向地泵至内膜外侧的膜间隙；在内膜两侧形成pH梯度和跨膜电位梯度质子电化学梯度，称为质子推动力；质子移动力驱动内膜外侧质子通过内膜上的ATP合酶回到线粒体基质时使ADP磷酸化合成ATP。3线粒体穿梭系统 在细胞质中产生的还原性辅酶NADH必须通过特殊的跨膜传递机制才能进入线粒体氧化，这个过程称为穿梭作用。磷酸甘油穿梭系统存在于哺乳动物的肌肉组织和神经细胞中，由-磷酸甘油脱氢酶催化，经这个途径进入线粒体的NADH能够产生1.5分子的ATP。在心脏、肝脏和肾脏中存在苹果酸-天冬氨酸穿梭系统，由苹果酸脱氢酶催化，经这个途径进入线粒体的NADH可以产生2.5分子的ATP。七、脂类代谢 （一） 生物体内的脂类 依其化学组成分为三大类：单纯脂类、复合脂类和非皂化脂类单纯脂类：脂肪酸和醇类所形成的酯复合脂类：除脂肪酸和醇类外，尚含有其它非脂性物质。非皂化脂类：萜类、固醇类（甾类）和前列腺素类等。 （二） 脂肪的分解代谢 1脂肪的酶促水解 脂肪酶专一水解三酰甘油的酯键，生成甘油、单酰甘油、二酰甘油和脂肪酸。2甘油的降解和转化 甘油在甘油激酶的催化下生成a-磷酸甘油。 a-磷酸甘油氧化脱氢转变成磷酸二羟基丙酮，后者异构化生成3-磷酸甘油醛。 3-磷酸甘油醛可进入糖酵解途径转化为丙酮酸，进而进入三羧酸循环彻底氧化分解。 3-磷酸甘油醛也可以经糖异生途径合成糖原。因此，磷酸二羟基丙酮是联系甘油代谢与糖代谢的关键物质。3脂肪酸的-氧化分解 -氧化是脂肪酸氧化最主要的途径。脂肪酸首先活化成脂酰CoA，然后在一系列酶的作用下，在a-和b-碳原子之间发生断裂，b-碳原子被氧化，生成一分子乙酰CoA和较原来少了2个碳原子的脂酰CoA的过程。-氧化在线粒体基质中进行，在植物中-氧化也存在于乙醛酸体和过氧化物酶体中。植物中-氧化主要存在于过氧化物酶体中。-氧化时脂肪酸首先活化为脂酰CoA，然后肉碱携带活化的长链脂酰CoA进入线粒体基质，此过程由肉碱酰基转移酶（I和II）催化。饱和的酰基CoA在线粒体基质内，经由重复的氧化、水合、氧化、硫解四个反应序列而降解。偶数碳脂肪酸经-氧化后生成乙酰CoA，奇数碳脂肪酸经-氧化后除生成乙酰CoA之外，还生成丙酰CoA，丙酰CoA可以转化为琥珀酰CoA进入三羧酸循环。脂肪酸经b-氧化作用生成的能量计算（略）（三） 脂肪的生物合成 1甘油的生物合成磷酸甘油的合成：DHAP还原或甘油磷酸化2饱和脂肪酸的从头合成 从头合成：从简单原料开始合成。饱和脂肪酸的从头合成就是16碳的饱和脂肪酸的生物合成途径。细胞定位：动物的细胞质；植物的叶绿体（和前质体） 。包括乙酰辅酶A的转运、丙二酸单酰辅酶A的形成和脂肪酸合成酶系催化的软脂酸的合成过程。乙酰辅酶A是脂肪酸合成的主要原料。通过柠檬酸-丙酮酸循环将乙酰辅酶A从线粒体转运到细胞质中。3三酰甘油的生物合成 L-a-磷酸甘油 + 脂肪酰CoA 脂肪（四） 甘油磷脂代谢 （09年大纲新增内容）1. 甘油磷脂的合成：磷脂酸为前体，CTP作醇基或磷脂酸的载体。2. 甘油磷脂的合成：由不同的磷脂酶水解。水解后生成脂肪酸可进行b-氧化，甘油和磷酸可加入糖代谢。（五） 固醇的生物合成 （09年大纲新增内容）胆固醇主要在脊椎动物的肝脏中合成。合成胆固醇的碳源为乙酰CoA，还原剂为NADPH，需要ATP提供能量。八、氨基酸和核苷酸的代谢 （一）氨基酸的代谢 1氨基酸的分解代谢 氨基酸的分解一般总是先脱下氨基，形成碳骨架- a-酮酸。氨基 尿素或其它含氮化合物 a-酮酸 CO2+H2O+ATP氨基酸的降解反应主要包括：脱氨基、脱羧基、羟基化等作用。 （1）脱氨基：1）. 氧化脱氨基作用：氧化专一氨基酸的酶之一：Glu脱氢酶 2）. 转氨基作用：是氨基酸脱氨的一种重要方式。通过转氨酶实现。转氨酶辅基：磷酸吡哆醛（PLP） 磷酸吡哆胺（PMP）3）. 联合脱氨基作用：R 转氨酶-Glu脱氢酶联合脱氨基R 转氨酶-嘌呤核苷酸循环联合脱氨基4）脱酰胺基作用：谷氨酰胺酶、天冬酰胺酶使酰胺生成相应的氨基酸和氨（2）脱羧基：氨基酸在脱羧酶（磷酸吡哆醛为辅酶）催化下发生脱羧基作用，生成胺类化合物和CO2。 （3）尿素循环：大多数陆生脊椎动物以尿素的形式将分解产生的氨基氮排除体外。尿素循环：即将氨转变为尿素的循环，是最早发现的代谢循环。R 经尿素循环形成一分子的尿素，可清除两分子的氨基氮和一分子CO2。R 尿素是中性无毒物质。 R 排尿素动物在肝脏中合成尿素。 氨基酸碳骨架的代谢氨基酸降解产生的碳架最后集中生成七种主要的中间代谢物：丙酮酸、草酰乙酸、延胡索酸、琥珀酰CoA、a-酮戊二酸、乙酰CoA、乙酰乙酸。生酮氨基酸和生糖氨基酸的概念2氨基酸的合成代谢 （1）氮素循环：自然界中不同的含氮化物之间经常发生相互转化形成氮素循环。（2）硝酸还原作用：植物及许多土壤微生物将硝态氮转变为氨态氮的过程。硝酸还原酶、亚硝酸还原酶（3）生物固氮：指某些微生物和藻类通过其体内固氮酶复合体的作用，将分子氮转变为氨的作用。固氮酶复合体；固氮酶复合体催化的反应；生物固氮需要的条件。还原型铁氧还蛋白在固氮过程中起着直接电子供体的作用。（4）氨的同化：由氮素固定或硝酸还原生成的氨被同化为含氮有机物的过程。谷氨酸和谷氨酰胺的合成；氨甲酰磷酸的合成。（5）氨基酸的合成：氨基：通过转氨作用转运现有氨基酸上的氨基，主要是Glu。碳架：a-酮酸，来源于不同的途径：糖酵解、磷酸戊糖途径、三羧酸循环、乙醇酸途径。20种氨基酸的合成可以划分为6族： 谷氨酸族、丙酮酸族、天冬氨酸族、芳香族氨基酸、丝氨酸族、组氨酸族。谷草转氨酶GOT/天冬氨酸转氨酶； 谷丙转氨酶GPT/丙氨酸转氨酶（6）一碳单位：生物化学中将含有一个碳原子的基团称为“一碳单位”或“一碳基团”。S-腺苷甲硫氨酸是主要的甲基供体；一碳单位的转移依靠四氢叶酸（FH4）。（7）硫酸的还原：Cys合成需要的巯基由硫酸还原产生。硫酸的还原可分为两步：硫酸离子的活化（APS或PAPS）；APS的还原。3蛋白质的降解：胞外蛋白质降解：最主要的途径就是消化蛋白酶类系统：蛋白质内切酶（蛋白酶）/蛋白质外切酶，肽酶胞内蛋白质降解：通过溶酶体中的酶来实现蛋白质的降解；细胞质降解机制泛素介导的途径（泛素途径是真核细胞质中蛋白质降解的主要途径）。（二）核苷酸的代谢 核酸的降解：（09年大纲中没有）核酸酶：按酶作用的底物专一性：RNase；DNase；Nuclease按酶作用于底物的方式：核酸外切酶，核酸内切酶限制性核酸内切酶：由细菌产生的、专一识别外源双链DNA上特异核苷酸序列，并在识别位点切断DNA链的核酸内切酶。 酶切位点：限制性内切酶所识别的双链DNA中特定的核苷酸序列，一般为48个碱基对，通常具有回文结构。（粘性末端；平头末端。）1核苷酸的分解代谢 （1）核苷酸的降解：磷酸单酯酶或核苷酸酶催化核苷酸水解下磷酸生成核苷。分解核苷的酶有两类：核苷磷酸化酶，分解核苷生成含氮碱和1-磷酸戊糖；核苷水解酶，分解核苷生成含氮碱和戊糖。（2）嘌呤的降解：R 嘌呤碱的分解从脱氨基开始R 人、猿、鸟类等以尿酸作为嘌呤碱代谢的终产物。（3）嘧啶的降解：嘧啶的降解也从脱氨开始。不同种类的生物对嘧啶的降解不完全一样。 2核苷酸的合成代谢从头合成途径和补救途径。（1）嘌呤核苷酸的合成：从头合成途径：先合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），由IMP合成腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）磷酸核糖的供体：5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP） 嘌呤合成的前体：CO2、甲酸盐、Gly、Asp、Gln补救途径：由嘌呤碱或核苷合成嘌呤核苷酸。核苷磷酸化酶，磷酸核糖转移酶、核苷磷酸激酶等。（2）嘧啶核苷酸的合成：从头合成途径：嘧啶核苷酸合成时首先合成嘧啶环，嘧啶环再与磷酸核糖结合生成尿嘧啶核苷酸。由UTP生成CTP。嘧啶环的各原子来自：氨甲酰磷酸和Asp。 补救途径：由嘧啶碱或核苷合成嘧啶核苷酸。核苷磷酸化酶，磷酸核糖转移酶、核苷磷酸激酶等。（3）脱氧核苷酸的降解：脱氧核苷酸由相应的核糖核苷酸二磷酸还原生成。由核糖核苷二磷酸还原酶催化。dTMP由dCMP甲基化生成。九、核酸的生物合成 （一） 中心法则：指明了遗传信息的流向。（DNA复制、转录/逆转录、RNA复制、翻译）1958年，Crick；1970年，Temin。 （二） DNA的生物合成 1原核生物DNA的复制DNA的半保留复制：DNA复制时，亲代DNA分子双链解开，以每条链为模板，按碱基互补原则，在两条单链上各形成一条互补链，由亲代一个DNA分子形成两个与其碱基序列相同的子代DNA分子。每个子代DNA分子的双链中，一条来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为DNA的半保留复制。半保留复制的实验证明：Meselson.M & Stahl.F 实验 半保留复制的生物学意义：保证了生物世代的遗传信息传递；保证了生物遗传上的稳定性。（1）参与复制的酶及蛋白质1）. DNA聚合酶：R DNA聚合酶 I：5 3 的DNA聚合酶活性3 5 的DNA外切酶活性（校对功能）5 3 的DNA外切酶活性 Klenow片段 （KF）：用枯草杆菌蛋白酶/胰蛋白酶温和处理DNA pol I。R DNA聚合酶 II, III： 5 3 的DNA聚合酶活性；3 5 的DNA外切酶活性 DNA聚合酶III是E.coli中真正的复制酶；至少10种亚基，核心酶 a-e-q R 1999 年发现DNA聚合酶IV和V：可能参与DNA修复，功能不完全清楚。2）. 解旋酶：E.Coli 有很多种解旋酶，如：解旋酶DnaB和Rep蛋白3）. 单链DNA结合蛋白（SSB）：E.Coli中为四聚体，稳定DNA单链。4）. 引物酶：催化引物RNA的合成。dnaG的产物（DnaG），单体酶，不受利福平抑制。5）. DNA连接酶：催化双链DNA的切口处形成磷酸二酯键。连接反应需要提供能量（NAD+或ATP）6）. 拓扑异构酶：Topo I：作用于DNA单链；Topo II：作用于DNA双链，需ATP。（2）复制过程复制分为复制起始、延伸和终止三个阶段。链的延伸沿5 3方向，由DNA Pol III二聚体催化。复制过程为半不连续复制（前导链、后随链、冈崎片段）。复制多为双向、对称方式。2原核与真核生物DNA复制的差异原核细胞真核细胞DNA聚合酶III（二聚体）： 催化两条链的合成 聚合酶a：引物（RNA或DNA修复） 的合成； 聚合酶d：催化DNA链的延伸（前导链及后随链）聚合酶g：线粒体DNA的复制聚合酶b：修复聚合酶e：修复、后随链“缺口”DNA的合成引物酶与解旋酶相连 引物酶与聚合酶相连 单一复制起点，单复制子多个复制起点，多复制子冈崎片段： 1000-2000nt 冈崎片段：100200nt3逆转录 （1）逆转录：以RNA为模板合成DNA的过程，由逆转录酶催化。（2）逆转录酶： RNA指导的DNA聚合酶活性多功能酶 DNA指导的DNA聚合酶活性 RNA外切酶活性（3）逆转录的意义：补充了中心法则内容；促进了分子生物学、生物化学及病毒学等的研究；应用科研及医学治疗。4DNA的损伤与修复 （1）DNA突变及突变类型：突变：DNA的碱基序列发生突然而稳定的改变称为突变，或：DNA的碱基顺序发生永久性的改变。类型：自发突变与诱发突变碱基置换 （点突变）：单一碱基置换：转换和颠换 结构畸变：碱基插入和碱基缺失倒位或转位：DNA链重组使其中一段序列方向倒置、或从一处迁移到另一处（2）DNA修复：生物体能使其DNA的损伤得到修复，这是生物长期进化过程中获得的一种保护功能。R 直接修复（光裂合酶）：专一性作用于由紫外线引起的DNA嘧啶二聚体R 切除修复（暗修复）：一种较普遍的修复机制 R 错配修复：基于亲代DNA链的甲基化R 重组修复（复制后修复）：与重组有关的酶类，如：Rec A。重组修复中DNA的损伤不能去除。SOS反应 （诱导修复）5DNA一级结构分析与PCR技术 （09年大纲增加内容）（1）DNA一级结构分析（测序）：Gilbert：化学法测序；F. Sange：酶法测序。核酸测序的链终止法或称双脱氧法（Sange）：测序反应液需要：DNA聚合酶、模板、引物、dNTP 及 2,3-双脱氧核苷三磷酸（ddNTP）。此法的关键在于：在DNA链延伸过程中，当ddNTP掺入正在合成的DNA链时，由于其无3-OH，使DNA链合成终止。注意：由此直接测出的是DNA互补链的序列，待测DNA序列需按碱基配对原则写出。（2）聚合酶链式反应（PCR）技术：PCR：大量扩增特定DNA片段，经“变性-退火-延伸”三步多轮循环反应实现扩增，通常为2530个循环反应。变性：双链DNA分子在临近沸点的温度下热变性分离成2条单链DNA分子。退火：寡核苷酸引物在复性温度下，与互补的单链DNA分子特异结合。延伸：聚合酶以单链DNA为模板并利用反应混合物中的4种脱氧核苷酸（dNTP）合成新生的DNA互补链。通过多个循环，特异目的片段得到大量扩增。（三）RNA的生物合成 1RNA的转录及加工 （1）转录：以一条DNA链为模板，按碱基配对的原则，合成一条与DNA一定区段互补的RNA链的过程。由依赖于DNA的RNA聚合酶的催化，合成方向为53。 （2）不对称转录：转录时只利用DNA互补链中一条链为模板合成互补的RNA链，称为不对称转录。模板链、负链（-）、反意义链 非模板链、正链（+）、有意义链、编码链（3）RNA聚合酶1）. E.coli 的RNA聚合酶： RNA聚合酶全酶：a2bbs，存在于细胞质；核心酶：a2bb，具催化聚合的酶活性；起始因子：s，识别DNA上特异性的启动子。 s因子循环。R 细菌的tRNA、rRNA、mRNA都由同一种RNA聚合酶转录 R 酶活性受抗菌素-利福霉素抑制，其结合于b亚基，阻止转录起始R 启动子：RNA聚合酶识别并结合的、指示转录起始的DNA序列，是控制转录的关键部位。R 终止子：提供转录停止信号的DNA序列，这段序列常含有一段自我互补的区域（回文结构）。 不依赖于r （Rho）的终止子/内部终止子，及依赖r因子的终止子2）. 真核生物RNA聚合酶： 至少有三种RNA聚合酶，存在于细胞核中。RNA聚合酶I，存在于核仁中，合成rRNA（5.8S、18S、28S）前体；RNA聚合酶II，存在于核质中，合成mRNA前体；RNA聚合酶III，存在于核质中，合成tRNA、5S rRNA及一些小分子RNA （snRNA）前体。（4）RNA转录后加工原核生物：mRNA一般不需要加工；tRNA和rRNA通常以前体形式转录出来，必需经加工才能成熟。真核生物：1）. mRNA的加工修饰：mRNA前体为核内不均一RNA或称不均一核RNA（hnRNA）真核生物的大多数基因都被居间序列（内含子）分隔成断裂基因。外显子：DNA中编码氨基酸的序列；内含子：DNA中的非编码区。 真核生物mRNA的转录后加工：R 5端形成特殊的帽子结构m7G R 3端腺苷酸化形成polyA R 切除由内含子转录来的序列，拼接成完整的mRNA R 某些核苷酸的甲基化修饰2）. tRNA的加工修饰： R 切除5端的多余序列 R 3端：由tRNA核苷酸转移酶添加CCA序列（真核和原核）；或者由核糖核酸酶切除多余序列至CCA序列暴露（原核）R 碱基修饰形成稀有碱基 R 切去居间序列（intervening sequence） 3）. rRNA的加工修饰：通常原初转录物为一个大的前体分子，再经甲基化、居间序列切除而成熟。2RNA的复制 RNA病毒（除逆转录病毒外）：RNA指导的RNA聚合酶（RNA复制酶）催化RNA的复制。3RNA的转录调控 （09年大纲新增内容）原核生物转录调控是形成操纵子的方式，以转录起始水平的调控为主。（1）操纵子模型：原核生物染色体上控制蛋白质合成的功能单位。即在原核基因组中，编码一组在功能上相关的蛋白质的几个结构基因，与其共同的控制位点组成一个基因表达的协调单位。包括：调控区和结构基因区或称信息区。调控区：启动子、操纵序列。启动子是RNA聚合酶结合部位；操纵序列是调节蛋白结合部位信息区：结构基因。结构基因：编码酶、蛋白质或功能RNA的基因。 调节基因是负责编码调节蛋白的基因，不在操纵子内。这些调节蛋白结合在DNA的特定位点上，调节相关基因的表达。正调控：调节蛋白激活基因表达；负调控：调节蛋白抑制基因表达。（2）乳糖操纵子：为可诱导型操纵子，在正常情况下不表达或低水平表达结构基因。当诱导物存在时，其结合阻遏物后使结构基因开放而表达。往往与分解代谢有关。（3）色氨酸操纵子：为可阻遏操纵子，正常情况下结构基因表达，辅阻遏物存在时结合无活性的阻遏物后使结构基因关闭。往往与合成代谢有关。十、蛋白质的生物合成 （一） 遗传密码 （1）遗传密码：密码子：mRNA上编码一个氨基酸的三个相邻的碱基称为该氨基酸的密码子或三联密码。遗传密码：所有密码子的总和或总称。它代表了DNA（或其转录的mRNA）上的碱基顺序与蛋白质中的氨基酸顺序的关系。（2）遗传密码的基本特性：1）. 密码的通用性与例外：所有生