《生物化学》(第部分)

1、 第七章 生物氧化一、概念 能量是一切生物体活动所必需的。能量的来源，主要依靠生物体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化作用。 有机物在生物体细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程称为生物氧化（bioligical oxidation）。由于此过程通常要消耗氧，生成二氧化碳，并且在组织细胞内进行，所以生物氧化也叫做细胞呼吸或组织呼吸。二、生物氧化的特点和酶类（一）特点 氧化还原的本质是电子的转移。生物体内的电子转移主要有以下几种形式：1、直接进行电子转移2、氢原子的转移3、有机还原剂直接加氧 加氧时常常伴随有接受质子和电子而被还原成水。（二）生物氧化中二氧化碳的生成 生物氧化中二

2、氧化碳的生成是由于糖、蛋白质、脂肪等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应所至。 种类：1、 -脱羧和-脱羧；2、直接脱羧和氧化脱羧：氧化脱羧是指脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。-直接脱羧：-直接脱羧：-氧化脱羧：-氧化脱羧：（三）生物氧化中水的生成 生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。 糖类、蛋白质、脂肪等代谢物所含的氢在一般情况下是不活泼的，必须通过相应的脱氢酶将之激活后才能脱落。进入体内的氧也必须经过氧化酶激活后才能变为活性很高的氧化剂。但激活的氧在一般情况下，也不能直接氧化由脱氢酶激活而脱落的氢，两者之间尚需传递才能结合成水。所以生物体主要是以脱氢酶、

3、传递体及氧化酶组成的生物氧化体系，以促进水的生成。（四）酶 凡是参与生物体内氧化还原反应的酶都叫做生物氧化还原酶。主要存在于线粒体中，所以生物氧化主要在线粒体内进行。另外，线粒体外（如微粒体等）也可发生生物氧化（次要）。1、脱氢酶 脱氢酶的作用是使代谢物的氢活化、脱落，并传递给其它受氢体或中间传递体。 根据所含辅助因子的不同，分为两类：（1）以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶（黄素脱氢酶） 以黄素单核苷酸（FMN）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基。 又分为两种：需氧黄素脱氢酶：以氧为直接受氢体，氢于氧结合生成H2O2 。不需氧黄素脱氢酶：不以氧为直接受氢体，催化代谢物脱下的氢首先传递给中间传递体，

4、最后再传递给分子氧生成水。（2）以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶 （烟酰胺脱氢酶） 以NAD（Co)或NADP（ Co ）为辅酶，催化代谢物脱氢，由NAD+ 或NADP+ 接受，然后将氢交给中间传递体，最后传递给分子氧生成水。2、氧化酶 在生物氧化中，氧化酶的作用是激活氧，把来自传递体的氢传递给活化的氧而生成水。 氧化酶一般是含有金属离子的结合酶，直接以氧为受氢体，每个氧原子接受2个电子（2e）后和2个质子（2H+ ）生成水。3、传递体 传递体是生物氧化过程中传递氢或传递电子的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氧活化。 传递体只存在于由不需氧脱氢酶所催化的代谢物脱氢的生物氧化体系中。 有的传递

5、体起传递氢原子的作用，叫做“递氢体”，主要有黄素蛋白传递体（FAD、FMN）、 Co（NAD）、 Co（NADP）及辅酶Q。 有的传递体起传递电子的作用，叫做“递电子体”，主要有细胞色素及铁硫蛋白。 （1）铁硫蛋白 铁硫蛋白类作用机理是通过铁的变价互变进行电子传递。 由于其活性部位含有两个活泼的硫和两个铁原子，所以叫做铁硫蛋白。 铁硫蛋白存在于微生物、动物组织中，通常在线粒体内膜上与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。（2）辅酶Q类（泛醌） 递氢体。（3）细胞色素类（cytochrome，Cyt） 现已发现30多种细胞色素，在线粒体内参与生物氧化的细胞色素有 a、a3 、b、c、c1等几种。依

6、靠细胞色素分子中铁离子化合价的变化传递电子。 目前尚不能将a、a3 分开。在aa3分子中除铁原子外，还有两个铜原子，依靠其化合价的变化将电子从a3传给氧。 在典型的线粒体呼吸链中，其顺序为：三、呼吸链（电子传递链或电子传递体系）（一）概念 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一些列的传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的全部体系叫做呼吸链。（二）种类 在具有线粒体的生物中，根据接受代谢物上脱下的氢的初始受体不同，分成两种典型的呼吸链，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。 其中NADH呼吸链应用最广泛，糖类、蛋白质、脂肪三大物质分解代谢中的脱氢氧化反应绝大多数是通过NADH呼吸链来完成的

7、。四、生物氧化过程中能量的转移 （一）概述 生物体内的ATP是高能化合物，由ADP磷酸化生成。这种伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化称为“氧化磷酸化”。即代谢物上的氧化（脱氢）作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程叫做“氧化磷酸化”。 根据生物氧化方式的不同将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。（二）ATP的生成 ATP主要由ADP磷酸化所生成，少数情况下可由 AMP焦磷酸化生成。1、底物水平磷酸化 底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP

8、生成ATP。 底物磷酸化形成高能化合物，其能量来源于伴随着底物的脱氢，分子内部能量的重新分布。 底物磷酸化与氧的存在与否无关，它是发酵作用中进行生物氧化获得能量的唯一方式。2、电子传递体系磷酸化 当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水时，同时伴随有ADP磷酸化为ATP，即电子传递体系磷酸化。 电子传递体系磷酸化是生成ATP的主要方式。 NADH呼吸链中有三个地方生成ATP： 由于“氧化磷酸化”是氧化作用与ATP的磷酸化作用相偶联而生成ATP，所以氧的消耗与ATP的生成有特殊定量关系，通常用“磷氧比（P/O）”来描述，即消耗1摩尔氧时，有多少摩尔无机磷与ADP作用生成ATP。

9、生成的ATP的数量。 线粒体的离体实验证明，经NADH呼吸链氧化生成水的P/O为3，经FAD呼吸链氧化生成水的P/O为2。其氧化磷酸化的偶联部位见图。3、细胞液中NADH的氧化磷酸化 线粒体是糖、脂肪、蛋白质等能源物质的最终氧化场所，这些物质的彻底氧化是在线粒体内通过呼吸链生成ATP。但是糖、蛋白质和脂肪的全部氧化过程并不是都在线粒体内进行（如糖酵解作用在细胞液中进行，真核生物细胞液中的NADH不能通过正常的线粒体内膜），细胞液中NADH不能通过线粒体内膜进入线粒体内进行氧化磷酸化，必须通过两种“穿梭”途径。 原理：线粒体外的NADH可将其所带之H转交给某些能透过线粒体内膜的化合物（甘油-3-

10、磷酸，苹果酸等），进入线粒体内后再氧化。（1）甘油-3-磷酸穿梭途径（glycerol3-phosphate shuttle） 细胞液中含有甘油-3-磷酸脱氢酶，可以将二羟丙酮磷酸还原为甘油-3-磷酸，后者可进入线粒体内；线粒体内又在甘油-3-磷酸脱氢酶作用下，将甘油-3-磷酸转变为二羟丙酮磷酸，同时FAD还原为FADH2 ，于是细胞液中的NADH便间接形成了线粒体内的FADH2 ， FADH2将电子传递给CoQ还原为QH2 ，后者通过呼吸链产生ATP。 这种穿梭作用主要存在于肌肉、神经组织，所以葡萄糖在这些组织中彻底氧化所产生的ATP比其他组织要少2个，即生成36个ATP。（2）苹果酸穿梭途

11、径（苹果酸-天冬氨酸穿梭途径） 细胞液内的NADH的电子在苹果酸脱氢酶作用下传递给草酰乙酸后转变为苹果酸，同时NADH氧化为NAD+ 。苹果酸通过苹果酸-酮戊二酸载体穿过线粒体膜，进入线粒体内膜的苹果酸被NAD+氧化失去电子又转变为草酰乙酸，NAD+又形成NADH，草酰乙酸不能透过线粒体内膜，经过转氨基作用形成天冬氨酸，再经过谷氨酸-天冬氨酸载体转移到细胞液中，天冬氨酸再经过转氨基作用转变为草酰乙酸。 在肝、肾、心等组织，细胞液中的NADH是通过苹果酸穿梭途径。（三）氧化磷酸化的抑制作用 影响呼吸链的因素都影响氧化磷酸化的正常进行。主要有三种；1、解偶联剂 氧化磷酸化是氧化及磷酸化的偶联反应。

12、磷酸化所需能量由氧化作用供给，氧化作用所形成的能量通过磷酸化作用储存。如果二者之间的偶联被破坏，氧化磷酸化就受到抑制，甚至危及生物体的生命。 解偶联剂：引起解偶联作用的物质。 解偶联作用：所有破坏生物氧化与磷酸化相偶联的作用，即抑制氧化磷酸化的作用即解偶联作用。 常见的解偶联剂有2，4-二硝基苯酚、双香豆素等。 解偶联剂并不抑制电子传递过程，只抑制由ADP形成ATP的磷酸化过程。如感冒发烧即是由于某些细菌或病毒产生某种解偶联剂，影响氧化磷酸化作用的正常进行，导致较多能量转变为热能。2、呼吸链抑制剂 有些物质专一结合呼吸链中的不同部位，从而抑制呼吸链的传递，使氧化过程受阻，能量释放减少，影响AT

13、P的生成。 常见的呼吸链抑制剂有阿米妥（戊巴比妥，amytal）、鱼藤酮（rotenone）、抗霉素（antimycin）、一氧化碳和氰化物等。3、离子载体抑制剂 有些物质可以与K+或Na+形成脂溶性复合物，将线粒体内的K+跨膜转移到细胞液。这种离子转移消耗了生物氧化所产生的能量，从而抑制ADP磷酸化ATP。 常见的离子载体抑制剂有寡霉素、缬氨霉素、短杆菌肽等。 离子载体抑制剂也不抑制电子传递过程。 第八章 核酸的生物合成一、DNA的生物合成 DNA的生物合成有两条途径：DNA的复制（主要）；RNA的反向转录（次要）。（一）DNA的半保留复制 提出背景： 1953年Watson和Crick在D

14、NA双螺旋结构基础上提出了DNA半保留复制假说。他们推测复制时，DNA的两条链分开，按照碱基配对方式，以单链DNA的核苷酸顺序合成新链，从而组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。每个子代分子的一条链来自于亲代DNA，另一条链是新合成的。这种子代DNA分子中总是保留一条来自亲代DNA的复制方式称为“半保留复制”。 1958年Meselson和Stahl首次用同位素标记法得到证实。（二）DNA复制的起始点和方向1、起始点 DNA复制的起始点是含有100-200个碱基的一段DNA。先是DNA的两条链在起始点分开形成叉子样的“复制叉（replication

15、fork）”，也叫“生长点（growing point）”随着复制叉的移动完成DNA的复制过程。 细胞内存在能识别起始点的特种蛋白质。2、方向 DNA复制可以朝一个方向（单向复制，unidirectional），也可以朝两个相反方向进行（双向复制，bidirectional，主要）。 DNA复制一般是对称的，两条链同时进行，也有不对称的，一条链复制完后再进行另一条链的复制。（三）原核细胞DNA的复制（DNA指导下的DNA合成）1、复制的条件（1）DNA亲链（模板）：复制前DNA先解螺旋、解链形成两条单链，两条单链都可以作为模板；（2）四种三磷酸脱氧核苷（dNTP）作为底物；（3）一系列酶；（4

16、）一小段寡核苷酸链作为“引物”。2、参与DNA复制的酶类及蛋白因子（1）拓扑异构酶 解开DNA的超螺旋结构。包含两种：拓扑异构酶（转环酶）：在DNA的特定部位将双链中的一条切开，使链的末端沿螺旋轴松解的方向转动，然后将切口封闭，使DNA分子呈松弛状态。（不需要ATP供能）。拓扑异构酶（旋转酶）：将DNA特定部位的两条链均切开，使DNA分子去除超螺旋，变为松弛状态。（需要ATP供能）。（2）解链酶（解螺旋酶） 使DNA双螺旋局部的两条互补链解开成单链。当DNA双螺旋有单链末端或双链有缺口时，解链酶即结合于此处，然后沿DNA链移行，逐渐解开双链。（3）单链结合蛋白（SSB），又叫螺旋去稳定蛋白或D

17、NA结合蛋白 当DNA局部的两条链解开后，还有可能再结合成双螺旋结构而复性，因此SSB与解开的单链牢固结合，防治它们再接触并重新结成碱基对；同时也可避免核酸酶对单链DNA的水解，使正在复制中的DNA模板链得到保护。（4）引物酶 在DNA复制时，需要首先合成一小段寡核苷酸链作为引物，然后在引物的一端逐个加上脱氧核苷酸合成DNA链。 DNA合成的引物有多种，大多数情况下以RNA片段作引物，也可以DNA片段作引物。催化RNA引物合成的酶叫做“RNA聚合酶”，在DNA复制的起始点，在DNA模板链指导下催化RNA引物的合成。（5）DNA聚合酶 在DNA模板链的指导下，以三磷酸脱氧核苷为底物，按碱基配对原

18、则，将三磷酸脱氧核苷逐个加到寡聚核苷酸片段的3-OH末端上，并催化核苷酸之间的35 -磷酸二酯键的形成，新合成的DNA链沿5 3的方向延长。 在大肠杆菌菌体内发现有三种DNA聚合酶，分别是、。其中DNA聚合酶和最重要，都有核酸外切酶的作用（将DNA链损伤部位或两个DNA片段之间的RNA引物切除，然后催化脱氧核苷酸向此处聚合，将间隙填充）。 在真核细胞内发现有、四种DNA聚合酶，最重要的是DNA聚合酶，与DNA聚合酶功能相同。（6）DNA连接酶 在DNA双螺旋局部解开后，两条DNA互补链均可以作为模板指导复制。在复制过程中，往往一条模板链指导合成的子链是连续的，另一条模板链指导合成的是不连续的D

19、NA片段（岗崎片段），DNA连接酶即将相邻的两个岗崎片段连接起来，并催化两者之间的35-磷酸二酯键形成。3、DNA的复制包括三个阶段：（1）复制的起始 起始点：DNA的复制并非在DNA分子的任何部位都可以起始，而是在特定的起始部位开始的。 原核细胞的环状DNA一般只有一个起始点。真核细胞染色体DNA分子比原核细胞DNA分子大得多，其线状DNA具有多个复制起始点，甚至多达上千个，从而形成许多独立复制的核苷酸序列，称为“复制单位”或“复制子”。 复制开始时，先由拓扑异构酶和解链酶与DNA的复制起始部位结合，使该部位解螺旋、解链，形成复制点，同时单链结合蛋白与该处解开的两条模板链牢固结合，使其保持可

20、复制状态。每个复制点结构犹如叉状，称为“复制叉”。 引物酶具有辨别DNA模板链起始点的能力，在此处由模板链指导，按照A-U、G-C的碱基配对原则聚合三磷酸核苷（NTP），形成RNA引物。 细菌的RNA引物较长，一般含有50-100个核苷酸残基，哺乳动物的RNA引物较短，一般含有10个左右的核苷酸残基。 （2）DNA片段的合成与延伸 RNA引物形成之后，在两条DNA模板链的指导下，在DNA聚合酶的催化下，按照A-T、G-C的碱基配对原则在引物的 3-OH端逐个聚合三磷酸脱氧核苷，形成两段DNA片段。在复制中，拓扑异构酶和解链酶不断向前推进，复制叉就不停地向前移行，新合成的DNA片段也就相应的延伸

21、。合成的方向为5 3。 前导链：在复制叉的起点处复制时，一条子链的延伸方向与复制叉前进方向相同，称为“前导链”。后随链：另一条子链的延伸方向与复制叉的前进方向相反，称为“后随链”。 复制开始后，随着复制叉向前移行，前导链向复制叉移行方向连续延伸；而后随链沿着复制叉移性的反方向断续合成，开始合成的是一段一段的DNA片段（冈崎片段）。 当一个冈崎片段合成后，随着复制叉的前移，在新分叉处又合成一段RNA引物，在引物的3-OH端再合成一段冈崎片段，如此进行下去便合成了一条RNA引物-冈崎片段相间排列的序列。 复制到了一定程度，DNA聚合酶的核酸外切酶活性便将RNA引物切除，同时它的DNA聚合酶活性催化

22、冈崎片段由3-OH端延长（每个核苷酸单位被切除后立即被与模板链上相应位置碱基互补的脱氧核苷酸补上），直达前一个冈崎片段的5-末端为止。（3）完成子代DNA分子的形成 复制进行到一定程度，核酸外切酶将前导链的RNA引物切除，由DNA聚合酶催化其延长补缺；DNA连接酶将相邻的两个岗崎片段连接起来，使之成为完整的长链。两条子链分别与两条亲链重新形成双螺旋结构，生成两个与亲代DNA完全相同的子代DNA。4、DNA聚合酶的“校对”作用 在大肠杆菌的DNA复制中，每聚合109-1010个碱基对仅有一个误差。 原因：DNA聚合酶具有三种不同的酶活性，其核酸外切酶活性是校对新生DNA链和改正聚合酶活性所造成“

23、错配”的一种方法。当“错配”一个核苷酸时，酶能识别这种“失误”并立即从新链的3-OH端切除所配错的核苷酸，然后再按5 3方向和正常复制的过程在新DNA链的3加上正确的核苷酸。所以当复制叉沿模板链移动时，随加入的每个脱氧核苷酸单位都会受到检查。 复制的准确性高于转录和翻译过程，否则易引起突变或致死。而转录和翻译的失误一般只涉及一个细胞中某种RNA或蛋白质的产生，不会改变生物的遗传性能。 因此，DNA聚合酶的校正作用是保证复制准确性的数种途径之一。（四）真核生物的DNA复制（ DNA指导下的DNA合成） 真核细胞DNA结构相当复杂，有关DNA复制的研究主要来自于原核生物。近年来随着新技术应用以及体

24、外复制系统的建立，真核细胞DNA复制研究也有了较大进展。真核细胞DNA复制过程与原核细胞DNA复制基本上相似，但也有不同之处：1、真核细胞DNA复制有许多起始点，即真核细胞DNA复制是由许多“复制子”共同完成的。因此真核生物复制叉移动速度虽慢但复制总速度可能比原核生物更快。2、在较高等的生物中至少有5种以上的DNA聚合酶，分别命名为、和。这五种酶均能在5 3方向上聚合DNA链。3、端粒的复制：线性染色体的末端DNA称为端粒（telomere）。端粒的复制是由一种特殊的酶-端粒酶所催化。在真核细胞中，当复制叉到达线性染色体末端时，复制过程是在端粒酶作用下完成的。 端粒酶：最早于1985年在四膜虫

25、中发现，现已证实该酶存在于所有真核细胞中。是一种核糖核蛋白，它由RNA和蛋白质两种成分组成。（五）反转录作用（ RNA指导下的DNA合成） 1970年Temin和Baltimore同时从致癌病毒中发现RNA指导下的DNA聚合酶。此酶以4种三磷酸脱氧核苷（dCTP、dGTP、dATP、dTTP）为底物能生成与病毒RNA（模板）碱基序列互补的DNA。 由于其催化遗传信息从RNA流向DNA，与转录作用正好相反，所以称为“反转录酶”或“逆转录酶”。 病毒反转录酶特性：以病毒RNA为模板；以三磷酸脱氧核苷为底物；含Zn2+ ，催化时也需要引物，生成的新DNA链的方向是5 3。 具体过程：1、病毒进入宿主

26、细胞后，在细胞液中脱去外壳，然后以病毒RNA为模板，以三磷酸脱氧核苷为底物，由反转录酶催化合成一条与病毒RNA链互补的DNA链，称为“互补DNA（cDNA）”。病毒RNA与cDNA形成杂交体。2、反转录酶继续催化杂交体分离，释放出cDNA，再以cDNA为模板合成一条互补DNA链，形成双股cDNA。3、双股cDNA整合到宿主细胞的染色体DNA中。 （六）DNA分子的损伤与修复1、DNA分子的损伤 一些理化因素如紫外线、电离辐射和化学诱变剂（碱基和核苷类似物、某些抗生素、烷化剂和亚硝胺等）等能使细胞DNA受到损伤而导致生物突变或致死。 细胞具有一系列机制，能在一定条件下使DNA的损伤得到修复。2、DNA损伤的修复（1）切除修复 是哺乳动物DNA损伤的主要修复方式。 即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部位切除掉，并以完整的DNA链为模板，合成切去的部分，使损伤修复。 在原