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生物化学竞赛专题夏劲松目录第一讲 糖类、脂质第2页第二讲 蛋白质.第13页第三讲 核酸.第29页第四讲 维生素.第43页生物化学的概念及其研究内容生物体的生命现象（过程）作为物质运动的一种独有的特殊的运动形式，其基本表现形式就是（新陈代谢和自我繁殖）。那么构成这种特殊运动形式物质基础又是什么呢？恩格斯很早就说过“蛋白质是生命活动的体现者”。现在已知仅有蛋白质是远远不够的，还要有核酸，糖类、脂类、维生素、激素、萜（音tie）类，卜啉（音lin）等。正是这些生命物质之间的相互协调的作用才形成了丰富多彩的生命现象，那么，这些生命物质到底有那些呢？他们是怎样产生和消亡，又是怎样相互转变和相互作用呢？这就是生物化学所要研究的内容。那么就让我们试着给生物化学下一个定义吧。生物化学是研究生物体的物质组成和生命过程中的化学变化的一门科学。或者说生物化学是研究生命现象中的物质基础和化学变化的一门科学。更简单地说生物化学就是研究生命现象的化学本质。有人也称生物化学就是生命的化学。第一讲 糖类、脂质一、 糖的概念 糖类物质是多羟基(2个或以上)的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物或聚合物，据此可分为醛糖和酮糖。还可根据碳层子数分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖。最简单的糖类就是丙糖(甘油醛和二羟丙酮)。 由于绝大多数的糖类化合物都可以用通式Cn(H2O)n表示，所以过去人们一直认为糖类是碳与水的化合物，称为碳水化合物。现在已经这种称呼并不恰当，只是沿用已久，仍有许多人称之为碳水化合物。二、 糖的种类根据糖的结构单元数目多少分为：(1)单糖：不能被水解成更小分子的糖。(2)寡糖：2-6个单糖分子脱水缩合而成，以双糖最为普遍，意义也较大。(3)多糖： 均一性多糖：淀粉、糖原、纤维素、半纤维素、几丁质(壳多糖) 不均一性多糖：糖胺多糖类(透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等) 由一种单糖缩合的称均一多糖，由不同单糖缩合的称不均一多糖。(4)结合糖(复合糖，糖缀合物)：糖脂、糖蛋白(蛋白聚糖)、糖-核苷酸等 (5)糖的衍生物：糖醇、糖酸、糖胺、糖苷三、 糖类的生物学功能 (1) 提供能量：植物的淀粉和动物的糖元都是能量的储存形式。 (2) 物质代谢的碳骨架：为蛋白质、核酸、脂类的合成提供碳骨架。 (3) 细胞的骨架：纤维素、半纤维素、木质素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是细胞壁的主要成分。 (4) 细胞间识别和生物分子间的识别。细胞膜表面糖蛋白的寡糖链参与细胞间的识别。一些细胞的细胞膜表面含有糖分子或寡糖链，构成细胞的天线，参与细胞通信。 红细胞表面ABO血型决定簇就含有岩藻糖。四、单糖的结构 1、 单糖的链状结构 确定链状结构的方法（葡萄糖）： a. 与Fehling试剂或其它醛试剂反应，含有醛基。 b. 与乙酸酐反应，产生具有五个乙酰基的衍生物。 c. 用钠、汞剂作用，生成山梨醇。葡萄糖的链式结构 最简单的单糖之一是甘油醛，它有两种立体异构形式。 这两种立体异构体在旋光性上刚好相反，一种异构体使平面偏振光的偏振面沿顺时针方向偏转，称为右旋型异构体(dextrorotary)，或D型异构体。另一种异构体则使平面偏振光的偏振面沿逆时针编转，称左旋异构体(levorotary)或L型异构体。像甘油醛这样具有旋光性差异的立体异构体又称为光学异构体，常用D，L表示。以甘油醛的两种光学异构体作对照，其他单糖的光学异构体与之比较而规定为D型或L型。 2、 单糖的环状结构 在溶液中，含有4个以上碳原子的单糖主要以环状结构。 3、 构型与构象 构型：分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的固定的立体结构，如D-甘油醛与L-甘油醛，D-葡萄糖和L-葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型。一般情况下，构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。 构象：由于分子中的某个原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式，不同的构象之间可以相互转变，在各种构象形式中，势能最低、最稳定的构象是优势构象。葡萄糖的有两种构象，一种是船式，一种是椅式。五、糖分解代谢 糖作为主要的供能物质，其分解代谢途径主要有三条：氧气充足的情况下，葡萄糖或糖原彻底氧化分解为CO2和水，同时释放出大量能量，称为糖的有氧氧化。在氧气不足的情况下，葡萄糖或糖原分解为乳酸，同时释放少量能量，称为糖的无氧分解或糖酵解。在某些组织器官中，糖还可以循着磷酸戊糖通路进行代谢。1、糖酵解 糖酵解（EMP）是生命机体中普遍存在的糖代谢基本途径。在机体氧供给充足条件下，它是三羧酸循环、氧化磷酸化作用进行的前奏。糖酵解和有氧氧化都是由一系列酶催化的连续化学反应过程，实际上它们在开始的阶段有许多步骤是一样的，只是分解为丙酮酸以后，由于供氧条件不同才不一样。反应步骤 （1）、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P（6-磷酸葡萄糖） （2）、 G-6-P异构化为F-6-P（6-磷酸果糖） （3）、 F-6-P磷酸化，生成F-1,6-2P（1,6-二磷酸果糖） （4）、 F-1,6-2P裂解成3-磷酸甘油醛和DHAP（磷酸二羟丙酮） （5）、 磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛 （6）、 3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸（3-磷酸甘油酸磷酸） （7）、 1,3-二磷酸甘油酸转化成3-磷酸甘油酸和ATP （8）、 3-磷酸甘油酸转化成2-磷酸甘油酸 （9）、 2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 （10）、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。EMP（糖酵解）总反应式：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2OEMP（糖酵解）的能量变化：无氧情况下：净产生2ATP（2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸）。有氧条件下：NADH可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。 1分子NADH3ATP 1分子FAD2ATP因此，净产生8ATP（酵解2ATP，2分子NADH进入呼吸氧化，共生成6ATP）。2、丙酮酸的去路 .进入三羧酸循环 . 生成乳酸 在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉），丙酮酸接受了3-磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。 总反应：葡萄糖 + 2ADP + 2Pi 2乳酸 + 2ATP + 2H2O. 生成乙醇 酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。 总反应：葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+2乙醇+2CO2+2ATP+2H20 3、三羧酸循环（TCA） 葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。 糖酵解产生丙酮酸（2丙酮酸、2ATP、2NADH） 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA反应总式：丙酮酸CoANAD乙酰CoACO2NADHH 三羧酸循环（CO2、H2O、ATP、NADH） 呼吸链氧化磷酸化（NADH-ATP） 三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环。 （1）、 乙酰CoA+草酰乙酸柠檬酸 （2）、 柠檬酸异柠檬酸 （3）、 异柠檬酸氧化、脱羧生成-酮戊二酸和NADH （4）、 -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH （5）、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP（鸟苷三磷酸） （6）、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）和FADH2 （7）、 延胡索酸水化生成苹果酸 （8）、 苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH TCA循环小结 （1）、 三羧酸循环示意图 （2）、 TCA的生物学意义 提供能量：1分子葡萄糖在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。 TCA是生物体内其它有机物氧化的主要途径，如脂肪、氨基酸、糖 TCA是物质代谢的枢纽：一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径；另一方面，循环中生成的草酰乙酸、-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因而TCA将各种有机物的代谢联系起来。 TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。 4、磷酸戊糖途径 第一阶段：6-磷酸葡萄糖氧化脱羧生成5-磷酸核糖。 第二阶段：磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖，进入酵解途径。 （1）、6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖 （2）、5-磷酸核酮糖异构生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖 （3）、5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖通过转酮、转醛反应生成酵解途径的中间产物F-6-P（6-磷酸果糖）和3-磷酸甘油醛六、糖的合成代谢 糖的合成代谢有：光合作用，糖异生，单糖多糖，结构多糖的生物合成光合作用：葡萄糖的生物合成 由CO2和H2O合成已糖，是绿色植物光合作用的基本过程 合成动力（能量）是叶绿素吸收的光能。 第一阶段：原初反应，吸收光能，并将光能转化成电能。 第二阶段：电子传递和光合磷酸化。将电能转化成化学能，推动ATP和NADPH的合成，同时水被分解放出O2。 第三阶段：CO2的固定和还原，又称CO2同化。卡尔文循环Calvin （1）、1,5-二磷酸核酮糖加CO2合成3-磷酸甘油酸（3PG） （2）、3-磷酸甘油酸经过一系列酶促反应转化成6-磷酸果糖（F-6-P） （3）、6-磷酸果糖再生成5-磷酸核酮糖（Ru5P） （4）、5-磷酸核酮糖催化生成1,5-二磷酸核酮糖（RuDP）卡尔文循环的总反应：12H+6CO2+18ATP+12NADPH+12H2O C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP+6H+卡尔文循环就是C3途径，采用这种方式的植物称为C3植物，当然还有一种植物在CO2的固定时形成的是C4化合物，这种植物称为C4植物，具体内容在植物学中提及。七、脂质脂质主要分为三种：脂肪、类脂和固醇类。脂肪是一分子的甘油和三分子的脂肪酸组成的酯，故名三脂酰甘油，习惯上又称甘油三酯。脂肪的分解代谢有下面这么几步：（1）、脂肪的水解甘油三脂与水反应生成一分子的甘油和三分子的脂肪酸（2）、甘油的代谢甘油在酶的催化下转化为一种磷酸丙糖甘油-磷酸，它在肝脏部位可以转化为葡萄糖或糖原，也可以转化形成丙酮酸，进入三羧酸循环氧化分解。（3）、脂肪酸的氧化脂肪酸在身体的各个部位氧化分解，称为脂肪酸的-氧化，最后产物是乙酰辅酶A，直接进入到三羧酸循环。见奥赛书上27页。（4）、酮体的生成和氧化在心肌、骨骼肌等组织中的脂肪酸氧化为乙酰辅酶A后，大部分变成乙酰乙酸、-羟丁酸和丙酮等产物，这三种通称为酮体。酮体在肝细胞中含量较高，进入血液循环后，肝外组织能迅速的将酮体转化为乙酰辅酶A，在进入到三羧酸循环中氧化分解。磷脂的代谢和胆固醇的代谢可以参见奥赛书上2830页。第二讲 蛋白质一、蛋白质概论 蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点。蛋白质的化学组成与分类 1、 元素组成 碳 50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼 凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮6.252、 氨基酸组成 从化学结构上看，蛋白质是由20种L-型氨基酸组成的长链分子。 3、 分类 （1）、 按组成： 简单蛋白：完全由氨基酸组成 结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基） （2）、 按分子外形的对称程度： 球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白质属此类。 纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状。 （3）、 功能分： 酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。蛋白质分子大小与分子量 蛋白质是由20种基本氨基酸（aa）组成的多聚物，aa数目由几个到成百上千个，分子量从几千到几千万。一般情况下，少于50个aa的低分子量aa多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽，有时也称多肽。多于50个aa的称为蛋白质。但有时也把含有一条肽链的蛋白质不严谨地称为多肽。此时，多肽一词着重于结构意义，而蛋白质原则强调了其功能意义。蛋白质分子的构象与结构层次 蛋白质分子是由氨基酸首尾连接而成的共价多肽链，每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间结构称为蛋白质的（天然）构象。 一级结构 氨基酸顺序 二级结构 螺旋、折叠、转角，无规卷曲 三级结构 螺旋、折叠、转角、松散肽段 四级结构 多亚基聚集蛋白质功能的多样性 细胞中含量最丰实、功能最多的生物大分子。 1 酶 2 结构成分（结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白） 3 贮藏（卵清蛋白、种子蛋白） 4 物质运输（血红蛋白、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体） 5 细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白） 6 激素功能（胰岛素） 7 防御（抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白） 8 接受、传递信息（受体蛋白，味觉蛋白） 9 调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达（组蛋白、阻遏蛋白）二、氨基酸氨基酸的结构与分类1809年发现Asp（天冬氨酸），1938年发Thr（苏氨酸），目前已发现180多种。但是组成蛋白质的aa常见的有20种，称为基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸），还有一些称为稀有氨基酸，是多肽合成后由基本aa经酶促修饰而来。此外还有存在于生物体内但不组成蛋白质的非蛋白质氨基酸(约150种)。 （一） 编码的蛋白质氨基酸（20种） 也称基本氨基酸或标准氨基酸，有对应的遗传密码。结构通式：不变部分，可变部分。L-型，羧酸的-碳上接-NH2，所以都是L-氨基酸。 （二） 非编码的蛋白质氨基酸 也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。Prothrombin(凝血酶原)中含有-羧基谷氨酸，能结合Ca2+。结缔组织中最丰富的蛋白质胶原蛋白含有大量4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。 （三） 非蛋白质氨基酸 除参与蛋白质组成的20多种氨基酸外，生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物，它们不是蛋白质的结构单元，但在生物体内具有很多生物学功能，如尿素循环中的L-瓜氨酸和L-鸟氨酸。氨基酸的酸碱性质 氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在，-氨基酸都含有-COOH和-NH2。肽和肽键的结构肽：是由一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合而成的化合物。肽键：氨基酸间脱水后形成的共价键称肽键（酰氨键），其中的氨基酸单位称氨基酸残基。 由两个氨基酸形成的肽叫二肽，少于10个氨基酸的肽叫寡肽，多于10个氨基酸的肽叫多肽。三、氨基酸的分解代谢蛋白质可以在胃里、小肠里被消化为基本的20种氨基酸，蛋白质的分解代谢其实就是氨基酸的分解代谢。20种氨基酸的化学结构不同，其代谢途径必然有所差别，但各种氨基酸的-氨基和-羧基的变化相类似的。（一）脱氨基作用氨基酸脱去氨基，生成酮酸的过程叫脱氨基作用，这是多数氨基酸分解代谢的第一步。脱氨基作用有以下几种方式：氧化脱氨基作用：它普遍存在于动物细胞中，反应方程式为：上述反应过程是可逆的，其逆过程叫还原氨基化作用，是体内由-酮酸生成氨基酸又一种方式。在体内催化氨基酸氧化脱氨的酶主要是谷氨酸脱氢酶。此酶的特点：特异性高，在体内分布广，活性大。动物组织中氧化脱氨基作用的实验根据有：（1）若用-氨基酸溶液灌注肝脏，流出肝脏的灌注液含有少量的-酮酸。（2）Krebs运用组织切片法，分别将大鼠体内各种组织的切片与-氨基酸在生理条件下保温12小时，将溶液中蛋白质除去，利用酮酸能与2,4-二硝基苯肼作用生成苯腙的特性来检定-酮酸的生成。结果证明肝脏和肾脏均能将-氨基酸氧化生成-酮酸。 氨基移换作用：是指氨基酸的-氨基，在转氨酶的催化下，转移到-酮酸分子上的过程。参与氨基移换的-酮酸主要是-酮戊二酸，其次是草酰乙酸。几乎所有的氨基酸都可以与-酮戊二酸发生氨基移换，并且各有特异的转氨酶，其中作用最强的有谷氨酸-丙酮酸转氨酶（GPT）和谷氨酸-草酰乙酸转氨酶（GOT）。转氨酶在体内分布很广泛，但在各组织中活性差别却很大。在不同动物或人体组织中，这两种转氨酶活力又各不相同，谷草转氨酶（简称GOT）以心脏中活力最大，其次为肝脏。谷丙转氨酶（简称GPT）则以肝脏中活力最大，当肝细胞损伤时，酶就释放到血液内，于是血液内酶的活力明显地增加，早期肝炎患者的酶活力大大高于正常人，因此临床上常以此来推断肝功能的正常与否，有助于肝脏疾病的诊断。联合脱氨作用：转氨作用虽在生命机体内普遍存在，但它仅解决氨基的转移。许多事实证明，体内氨基酸主要是靠转氨与氧化脱氨基联合进行脱氨，简称联合脱氨作用。生物体内L-氨基酸氧化酶活力不高，而L-谷氨酸脱氢酶的活力很强，转氨酶又普遍存在。但是，单靠转氨酶并不能使氨基酸脱去氨基。因此一般认为L-氨基酸在体内往往不是直接氧化脱去氨基，而是先与-酮戊二酸经转氨作用变为相当的酮酸及谷氨酸，谷氨酸经谷氨酸脱氢酶作用重新变成-酮戊二酸，同时放出氨，这种脱氨基作用是转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行的，所以叫联合脱氨基作用。动物体内大部分氨基酸是通过这种方式脱去氨基的。 （二）氨的代谢去路 氨基酸经脱氨基作用产生的氨是有毒物质。例如，当家兔血液中的氨升高到5mg%时，就能引起中毒死亡。哺乳动物体内虽不断产生氨，但血液中氨的浓度不超过0.1mg%，可见氨在体内能迅速变成其他无毒的含氮物质。尿素的合成：在哺乳动物体内，主要是把氨转变成无毒的尿素，然后随尿排出体外。尿中的尿素含量随体内蛋白质的分解量而变动。合成尿素的途径，称为尿素循环，主要包括四个步骤：由1分子氨和1分子CO2结合生成氨基甲酰磷酸；鸟氨酸和氨基甲酰磷酸缩合成瓜氨酸；瓜氨酸再与一分子氨反应生成精氨酸；精氨酸被精氨酸酶水解，产生1分子尿素和1分子鸟氨酸。这样每循环一次，就可以促使2分子氨和1分子C02合成1分子尿素。在鸟氨酸循环中，各反应步骤所需要的酶均存在于肝脏中。 谷氨酰胺的合成：体内的氨除主要用于合成尿素外，还有一部分可与谷氨酸结合，生成谷氨酰胺。谷氨酰胺没有毒性，经血液运到肾脏，在肾小管上皮细胞内，被谷氨酰氨酶水解，在生成氨和谷氨酸，这时氨可以直接排入尿液中。 （三）-酮酸的代谢转变 -氨基酸脱氨后生成的-酮酸可以再合成为氨基酸；可以转变为糖和脂肪；也可氧化成二氧化碳和水，并放出能量以供体内需要。再合成氨基酸体内氨基酸的脱氨作用与-酮酸的还原氨基化作用可以看作一对可逆反应，并处于动态平衡中。当体内氨基酸过剩时，脱氨作用相应地加强，相反，在需要氨基酸时，氨基化作用又会加强，从而合成某些氨基酸。 糖代谢的中间产物-酮戊二酸与氨的作用产生谷氨酸就是还原氨基化过程，也就是谷氨酸氧化脱氨基的逆反应，此反应是由L-谷氨酸脱氢酶催化，以还原辅酶为氢供体。动物体内谷氨酸脱氢酶的还原辅酶为NADH+H+或NADPH+H+而在植物体内为NADPH+H+。 转变成糖及脂肪当体内不需要将-酮酸再合成氨基酸，并且体内的能量供给又极充足时，-酮酸可以转变为糖及脂肪，这已为动物实验所证明。例如，用氨基酸饲养患人工糖尿病的犬，大多数氨基酸可使尿中葡萄糖的含量增加，少数几种可使葡萄糖及酮体的含量同时增加，而亮氨酸只能使酮体的含量增加。在体内可以转变为糖的氨基酸称为生糖氨基酸，按糖代谢途径进行代谢；能转变成酮体的氨基酸称为生酮氨基酸，按脂肪酸代谢途径进行代谢；二者兼有的称为生糖兼生酮氨基酸，部分按糖代谢，部分按脂肪酸代谢途径进行。 氧化成二氧化碳和水脊椎动物体内氨基酸分解代谢过程中，20种氨基酸有着各自的酶系催化氧化分解-酮酸。途径各异，但它们都集中形成5种中间产物可分别进入三羧酸循环，进一步分解生成C02和脱出的氢通过呼吸链生成水。这5种中间产物是乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。氨基酸脱氨基后生成的-酮酸可氧化生成C02、H20和释放出能量用以合成ATP。例如，1mol谷氨酸氧化脱氨基产生1 mol NADH，-酮戊二酸和氨，-酮戊二酸进入三羧酸循环转变成草酰乙酸，伴随产生2mol NADH，lmol FADH2和1mol ATP；草酰乙酸进一步氧化可产生15mol ATP。总量为27mol ATP。NH3合成尿素，消耗了3mol ATP，故谷氨酸彻底氧化生成C02、H20和尿素的同时净合成24molATP。（四）脱羧基作用氨基酸在氨基酸脱羧酶催化下进行脱羧作用，生成二氧化碳和一个伯胺类化合物。这个反应除组氨酸外均需要磷酸吡哆醛作为辅酶。氨基酸的脱羧作用，在微生物中很普遍，在高等动植物组织内也有此作用，但不是氨基酸代谢的主要方式。四、蛋白质的生物合成生物体内各种物质的不断自我更新是生命现象的首要特性，以蛋白质为中心的自我更新一旦停止，生命也就随之告终。蛋白质是有机体最必要的制造原料，又是调节和催化物质代谢的主要因素，因此它是体现生命现象最重要的物质基础。生物体内每个细胞除成熟红细胞外，都有自己的蛋白质合成体系，根据不同时间内细胞自身功能的需要，有控制地合成不同种类和不同数量的蛋白质，以适应整个机体组织更新和生命活动的需要。遗传密码蛋白质合成的遗传密码包含于DNA的碱基序列之中。DNA被转录为mRNA，mRNA又决定所形成多肽链中的氨基酸序列。因此我们讨论的密码实际上是指mRNA中的核苷酸排列序列与蛋白质中的氨基酸排列序列的关系。 mRNA中的核苷酸有4种，而氨基酸有20种，4种核苷酸怎样排列组合才足以代表20种氨基酸呢？用数学方法推算，如果每一种核苷酸代表一种氨基酸，那么只能代表4种氨基酸，这显然是不可能的。如果每两个核苷酸代表一种氨基酸，可以有4216种排列方式，仍不足为20种氨基酸编码。如果由3个核苷酸代表一种氨基酸，就可以有4364种排列方式，这就满足了20种氨基酸编码的需要。以后大量的实验结果证明密码确实是由3个连续的核苷酸所组成的。这3个核苷酸也称为三联体密码或密码子。用人工合成的简单的多核苷酸代替天然的mRNA，观察这种结构的RNA可以指导合成怎样的多肽，就可以推测氨基酸的密码。例如合成一个多聚尿苷酸作为mRNA，把它加入到从大肠杆菌制备的无细胞提取物中，提取物中的内源mRNA事先已设法除去，再加人放射性同位素标记的氨基酸和ATP，在一定条件下保温后，观察哪一种标记氨基酸参入到不溶于酸的蛋白质产物中。结果发现只有多聚苯丙氨酸生成。这一实验结果证明：UUU是决定苯丙氨酸的密码，同样用多聚腺苷酸和多聚胞苷酸合成的mRNA来合成蛋白质，结果只得到多聚赖氨酸和多聚脯氨酸。这就表明AAA是赖氨酸的密码、CCC是脯氨酸的密码。仅仅用了4年时间，于1965年完全弄清了20种天然氨基酸的60多组密码子。rRNA（核糖体RNA）在蛋白质的生物合成中的重要作用是通过它和蛋白质结合成核蛋白体的形式来发挥的。（核蛋白体的外形结构如课本上的图P46）蛋白质的合成过程：（1） 氨基酸的活化与转运分散在细胞液中的各种氨基酸，需要结果活化并由tRNA运载至核蛋白体，才能参与蛋白质的合成。（2） 核蛋白体循环核蛋白体循环是指已活化的氨基酸，由tRNA转运至核蛋白体上，以mRNA为模板合成多肽链的过程。（具体机理见书上P47）（3）肽链合成后的加工和修饰五、酶生物体内所进行的各种生化反应几乎都是在特异的生物催化剂酶的催化下进行的。一般讲，酶是由活细胞合成的，是对特异底物起高效催化作用的蛋白质。生物体内的酶很多，结构不同，功能各异。酶既有一般催化剂的催化性质，又有一般催化剂所没有的生物大分子的特性。首先，酶与一般催化剂一样，在化学反应的前后都没有质和量的改变；它们只催化热力学允许范围的、实际进行的化学反应；它们只能加速化学反应的进程，但是不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。酶与一般催化剂的作用机理一样都是降低化学反应的活化能。酶促反应速度比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂催化高1071013倍。与一般的催化剂相比较，酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物，这种现象称之为酶的特异性。酶可以分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的基本组成仅为氨基酸的一种酶，大多数水解酶都是单纯酶。结合酶除了有蛋白质结构之外，还必须有非蛋白质部分参加。结合酶的蛋白部分称为酶蛋白，非蛋白部分称为辅助因子，两者结合后形成的复合物称作全酶。影响酶作用的因素（一）PH的影响1. pH影响酶活力的因素影响酶蛋白构象，过酸或过碱会使酶变性。影响酶和底物分子解离状态，尤其是酶活性中心的解离状态，最终影响ES形成。影响酶和底物分子中另一些基团解离，这些基团的离子化状态影响酶的专一性及活性中心构象。2酶的最适pH和稳定性pH最适pH：使酶促反应速度达到最大时的介质pH。稳定性pH：在一定pH范围内，酶不会变性失活，此范围称酶的稳定性pH。（二）、温度对酶促反应速度的影响。 1最适温度及影响因素 温度对酶促反应速度的影响有两个方面：提高温度，加快反应速度。提高温度，酶变性失活。这两种因素共同作用，在小于最适温度时，前一种因素为主；在大于最适温度时，后一种因素为主。最适温度就是这两种因素综合作用的结果。 2酶的稳定性温度 在某一时间范围内，酶活性不降低的最高温度称该酶的稳定性温度。（三）、 酶浓度对酶促反应速度的影响 如果底物浓度足够大，使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。（四）、激活剂对酶促反应速度的影响 凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。激活剂作用包括两种情况：一种是由于激活剂的存在，使一些本来有活性的酶活性进一步提高，这一类激活剂主要是离子或简单有机化合物。另一种是激活酶原，无活性有活性，这一类激活剂可能是离子或蛋白质。 （五）、抑制剂对酶促反应速度的影响 抑制作用：使酶活力下降但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。（不可逆抑制、可逆抑制） 抑制剂：不引起酶蛋白变性，但能使酶分子上某些必需基团（活性中心上一些基团）发生变化，引起酶活性下降，甚至丧失，此类物质称为酶的抑制剂。 1不可逆抑制作用 抑制剂与酶活性中心基团共价结合，使酶的活性下降，无法用透析法除去抑制剂。 2可逆抑制作用 此类抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，可以用透析法除去抑制剂，恢复酶的活性。竞争性抑制：抑制剂与底物竞争酶的活性中心。竞争性抑制剂具有与底物类似的结构，可与酶形成可逆的EI复合物，阻止底物与酶结合。可以通过增加底物浓度而解除此种抑制。非竞争性抑制：抑制剂与酶活性中的以外的基团结合，其结构可能与底物无关。酶可以同时与底物及抑制剂结合，但是，中间产物ESI不能进一步分解为产物，因此，酶的活性降低。显然，不能通过增加底物的浓度的办法来消除非竞争性抑制作用。第三讲 核酸一、 核酸的分子组成：基本组成单位是核苷酸，而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。两类核酸：脱氧核糖核酸（DNA），存在于细胞核和线粒体内。核糖核酸（RNA），存在于细胞质和细胞核内。、碱基：NH2NH2OCH3OOOOONH2胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶鸟嘌呤腺嘌呤嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收，这一重要的理化性质被用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基进行定性定量分析。、戊糖：DNA分子的核苷酸的戊糖是-D-2-脱氧核糖，RNA中为-D-核糖。、磷酸：生物体内多数核苷酸的磷酸基团位于核糖的第五位碳原子上。二、核酸的结构1、一级结构：核苷酸在核苷酸链上的排列顺序为核酸的一级结构，核苷酸之间通过3，5磷酸二酯键连接。2、DNA的二级结构DNA双螺旋结构是核酸的二级结构。双螺旋的骨架由戊糖和磷酸基构成，两股链之间的碱基互补配对，是遗传信息传递者，是DNA半保留复制的基础。结构要点：a.DNA是一反向平行的互补双链结构亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧，而碱基位于内侧，碱基之间以氢键相结合，其中，腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对，形成两个氢键，鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对，形成三个氢键。b.DNA是右手螺旋结构螺旋直径为2nm。每旋转一周包含了10个碱基，每个碱基的旋转角度为36度。螺距为3.4nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm。c.DNA双螺旋结构稳定的维系横向靠互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以后者为重要。3、DNA的三级结构三级结构是在双螺旋基础上进一步扭曲形成超螺旋，使体积压缩。在真核生物细胞核内，DNA三级结构与一组组蛋白共同组成核小体。在核小体的基础上，DNA链经反复折叠形成染色体。、DNA功能DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。DNA中的核糖和磷酸构成的分子骨架是没有差别的，不同区段的DNA分子只是碱基的排列顺序不同。5、RNA的空间结构与功能DNA是遗传信息的载体，而遗传作用是由蛋白质功能来体现的，在两者之间RNA起着中介作用。其种类繁多，分子较小，一般以单链存在，可有局部二级结构，各类RNA在遗传信息表达为氨基酸序列过程中发挥不同作用。如：名称功能核蛋白体RNA(rRNA)核蛋白体组成成分信使RNA(mRNA)蛋白质合成模板转运RNA(tRNA)转运氨基酸三、核酸的理化性质、DNA的变性在某些理化因素作用下，如加热，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即为变性。监测是否发生变性的一个最常用的指标是DNA在紫外区260nm波长处的吸光值变化。解链过程中，吸光值增加，并与解链程度有一定的比例关系，称为DNA的增色效应。紫外光吸收值达到最大值的50时的温度称为DNA的解链温度（Tm），一种DNA分子的Tm值大小与其所含碱基中的GC比例相关，GC比例越高，Tm值越高。、DNA的复性和杂交变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性，其过程为退火，产生减色效应。不同来源的核酸变性后，合并一起复性，只要这些核苷酸序列可以形成碱基互补配对，就会形成杂化双链，这一过程为杂交。杂交可发生于DNADNA之间，RNARNA之间以及RNADNA之间。四、核酸和核苷酸的代谢1、 核酸的酶促降解核酸是核苷酸以3、5-磷酸二酯键连成的高聚物，核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸，作用于磷酸二酯键的酶称核酸酶（实质是磷酸二脂酶）。根据对底物的专一性可分为：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、非特异性核酸酶。根据酶的作用方式分：内切酶、外切酶。2、 核苷酸的降解a.核苷酸酶 （磷酸单脂酶）水解核苷酸，产生核苷和磷酸。b.核苷酶水解或磷酸解核苷两种： 核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆3、 嘌呤碱的分解首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上。不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同。排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类排尿囊酸动物：硬骨鱼类排尿素动物：大多数鱼类、两栖类某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。4、 嘧啶的分解人和某些动物体内脱氨基过程有的发生在核苷或核苷酸上，脱下的NH3可进一步转化成尿素排出。5、嘌呤核苷酸的合成a.从头合成 由5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。嘌呤环合成的前体：CO2 、NH3、甲酸盐、氨基酸b.补救途径利用已有的碱基和核苷合成核苷酸磷酸核糖转移酶途径（重要途径）嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸核苷激酶途径（但在生物体内只发现有腺苷激酶）腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。6、嘧啶核苷酸的合成a.从头合成 与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，首先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。 合成前体：CO2、NH3和天冬氨酸尿嘧啶核苷酸的合成 由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天冬氨酸，闭环并氧化生成乳清酸。乳清酸于5磷酸核糖焦磷酸作用生成乳清苷酸，脱羧后成为尿嘧啶核苷酸。胞嘧啶核苷酸的合成 尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3（细菌）或谷氨酰氨（植物）反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。b.补救途径（1） 嘧啶核苷激酶途径（重要途径）嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。（2） 磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）7、脱氧核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生而来的。（1）腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。（2）胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。五、DNA的生物合成生物体的遗传信息储存在DNA中，并通过DNA的复制由亲代传给子代。在子代的生长发育中遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成蛋白质以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。1958年，F.Crick提出中心法则： （1）以原DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。 （2）以某一段DNA分子为模板，合成出与其序列对应的RNA分子的过程。 （3）以mRNA为模板，根据三联密码规则，合成对应蛋白质的过程。中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。DNA生物合成有两种方式：DNA复制和逆转录DNA体内复制涉及：原核、真核生物的染色体、细菌质粒（环状，双链）、真核细胞器DNA（线粒体、叶绿体）、病毒（双链，环状）DNA的体外复制：分子克隆。DNA的复制1、 DNA半保留复制 1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。 在复制过程中，首先亲代双链解开，然后每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果新形成的两个子代DNA与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样，而且每个子代DNA分子中有一条链完全来自亲代DNA，另一条是新合成的。 DNA的半保留复制可以说明DNA在代谢上的稳定性。经过多代复制，DNA的多核苷酸链仍可以保持完整，并存在于后代而不被分解掉。2、 复制起点、单位和方向 DNA的复制是在起始阶段进行控制的，一旦复制起始，它就会继续下去直到整个复制子完成复制。a.复制起点 复制起点是以一条链为模板起始DNA合成的一段序列。有时，两条链的复制起点并不总是在同一点上。在一个完整的细胞周期中，每一个复制起点只使用一次，完成一次复制过程。多数生物的复制起点，都是DNA呼吸作用强烈（甲醛变性实验）的区段，即经常开放的区段，富含A.T。 b.复制单位 复制子：能独立进行复制的单位，每个复制子都含有一个复制起点。 原核生物的染色体和质粒、真核生物的细胞器DNA都是环状双链分子，它们都是单复制子，都在一个固定的起点开始复制，复制方向大多数是双向的，少数是单向复制。多数是对称复制，少数是不对称复制（一条链复制后才进行另一条链的复制）。环状DNA的复制眼象，称形复制。 真核生物的染色体DNA是线形双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子，每个复制子约有100-200Kbp。人体细胞平均每个染色体含有1000个复制子。 病毒DNA多种多样，环状或线形，双链或单链，但都是单复制子。 c.复制方向 定点起始，复制方向大多数是双向的（等速进行或异速进行），形成两个复制叉，少数是单向复制，形成一个复制叉。3、与DNA复制有关的酶及蛋白质因子目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制 （一） DNA的聚合反应和聚合酶 DNA生物合成53，化学合成35 （二） 引物酶或RNA聚合酶（引发酶） 细胞内，DNA的复制需要引物（DNA或RNA），引物酶或RNA聚合酶可合成6-10个碱基的RNA引物。 （三）DNA连接酶（ligase） 连接双链DNA上的切口。两个DNA片断通过磷酸二脂键连接起来。 大肠杆菌连接酶只能在模板上连接DNA缺口。T4DNA ligase即可连接粘性末端的DNA，又可连接平齐末端的双链DNA。4、 DNA复制过程（E.coli.） a.复制的起始 引发：当DNA的双螺旋解开后，合成RNA引物的过程。 引发体：引物合成酶与各种蛋白质因子构成的复合体，负责RNA引物的合成。 引发体沿着模板链53方向移动（与冈崎片段合成的方向正好相反，而与复制叉移动的方向相同），移到一定位置上即可引发RNA引物的合成。 b.DNA链的延长反应 前导链只需要一个RNA引物，后随链的每一个冈崎片段都需要一个RNA引物，链的延长反应由DNA pol.催化。 复制体：在DNA合成的生长点（既复制叉上）分布着许多与复制有关的酶和辅助因子，它们在DNA的模板链形成离散的复合物，彼此配合进行高度精确的复制，称为复制体。 复制体沿着复制叉方向前进就合成DNA。 c.RNA引物的切除及缺口补齐 DNA pol的5， 3，外切活力，切除RNA引物。 DNA pol的5， 3，合成活性补齐缺口。 d.DNA切口的连接 DNA ligase，动物、真核由ATP供能，原核由NAD供能。 e.DNA合成的终止 环状DNA、线性DNA，复制叉相遇即终止。PCR技术（聚合酶链式反应）Polymerase chain Reaction 以目的基因或DNA片段为模板，在引物介导及Taq DNA聚合酶催化下，在体外用核苷酸大量合成目的基因或DNA片段。它能快速、专一地扩增所希望得到的目的基因或DNA片段。1、 反应物 （1）模板 单、双链DNA或cDNA都可以作为PCR的模板，若以RNA为起始材料，则须经反转录，获得第一条cDNA后才能用于PCR。 （2）Taq DNA聚合酶 DNA聚合酶是进行PCR扩增的关键，从水生栖热菌（Thermus aquaticns VT-1）分离出来。Taq DNA聚合酶有很好的热稳定性，92.5处理130min，仍保留50%的酶活性，在74活性最高，错误掺入核苷酸的比率为1/7500。 （3