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上海第二医科大学生物化学教学讲义: sMkaMzFv.doc
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上海第二医科大学生物化学教学讲义:&P&第1章 绪论
本章主要介绍生物化学的定义、内容、目的及其与医学的关系
第1节 生物化学的定义
生物化学（biochemistry）或生物的化学（biological chemistry）即生命的化学，是一门研究生物体的化学组成、体内发生的反应和过程的学科。当代生物化学的研究除采用化学的原理和方法外，尚运用物理学的技术方法以揭示组成生物体的物质，特别是生物大分子(biomacromolecules)的结构规律。并且与细胞生物学、分子遗传学等密切联系，研究和阐明生长、分化、遗传、变异、衰老和死亡等基本生命活动的规律。Watson和Crick于1953提出了DNA分子的双螺旋结构模型，在此基础上形成了遗传信息传递的“中心法则”，由此奠定了现代分子生物学(molecular biology)的基础。分子生物学主要的研究内容为探讨不同生物体所含基因的结构、复制和表达，以及基因产物—蛋白质或RNA的结构，互相作用以及生理功能，以此了解不同生命形式特殊规律的化学和物理的基础。可见，当今生物化学与分子生物学不能截然分割，后者是前者深入发展的结果。总之，生物化学与分子生物学是在分子水平上研究生命奥秘的学科，代表当前生命科学的主流和发展的趋势。
第2节 生物化学的内容
医学生物化学研究的内容大致包括下列4个部分。
一. 化学组成—生物大分子
在研究生命形式时，首先要了解生物体的化学组成，测定其含量和分布。这是生物化学发展的开始阶段的工作，曾称为叙述生化。
现知生物体是由多种化学元素组成的，其中C、H 、O 和N四种元素的含量占活细胞量的99%以上。各种元素进而构成约30种的小分子化合物，这些小分子化合物可以构成生物大分子，所以把他们称为生物分子(biomolecules)或构件分子（building block molecules）。例如20种L-α-氨基酸是蛋白质的构件分子，4种核苷酸是核酸的构件分子，单糖可构建成多糖、脂肪酸组成多种脂类化合物。
当前研究的重点为生物大分子的结构与功能，特别是蛋白质和核酸，二者是生命的基础物质。对生命活动起着关键性的作用。
天然氨基酸虽然只有20种，但可构成数量繁多的蛋白质，由于不同的蛋白质具有特殊的一级结构（氨基酸残基的线性序列）和空间结构，因而具有不同的生理功能，从而能体现瑰丽多彩的生命现象，现在已从单一蛋白质深入至细胞或组织中所含有全部蛋白质，即蛋白质组（proteome）的研究。将研究蛋白质组的学科称为蛋白质组学(proteomics)。
蛋白质的一级结构是由核酸决定的，人类基因组(genome)即人的全部遗传信息，是由23对染色体组成，约含2.9x109碱基对，测定基因组中全部DNA的序列，将为揭开生命的奥秘迈开一步。把研究基因组的结构与功能的科学称为基因组学(genomics)，经过包括我国在内许多科学家十多年的努力，2003年已完成人类基因组计划(Human Genome Project)中全部DNA序列的测定，接着面临更坚具的任务，就是要研究目前所知3万至4万个基因的功能及其与生命活动的关系。这就是后基因组计划(Post-Genome Project)。
生物大分子需要进一步组装成更大的复合体，然后装配成亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统，最后成为能体现生命活动的机体，这些都是尚待研究和阐明的问题。
二.物质代谢、能量代谢及代谢调节
组成生物体的物质不断地进行着多种有规律的化学变化，即新陈代谢(metabolism)或物质代谢,一旦这些化学反应停止,生命即告终结。可见，新陈代谢是生命的基本特征，生物体一方面需要与外界环境进行物质交换，同时在体内进行各种代谢变化，以维持其内环境的相对稳定，通过代谢变化将摄入营养物中储存的能量释放出来，供机体活动所需。要维持体内错综复杂代谢途径有序地进行，需要有严格的调节机制，否则代谢的紊乱可影响正常的生命活动，从而发生疾病。因此，研究物质代谢、能量代谢及代谢调节规律是医学院校生物化学课程的主要内容，也称为动态生化。
三.基因的复制、表达及调控
遗传信息传递的“中心法则”，可以说是分子生物学的中心法则。DNA是储存遗传信息的物质，通过复制(replication)， 即DNA合成，可形成结构完全相同的两个拷贝，将亲代的遗传信息真实地传给子代。DNA分子中的遗传信息又如何表达的呢？现知基因表达的第一步是将遗传信息转录(transcription)成RNA ，即RNA的合成，后者作为蛋白质合成的模板，并决定蛋白质的一级结构，即将遗传信息翻译(translation)成能执行各种各样生理功能的蛋白质。上述过程涉及生物的生长、分化、遗传、变异、衰老及死亡等生命过程，体内存在着一整套严密的调控机制，包括一些生物大分子的互相作用，如蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸间的作用。本书将对上述过程作较全面的介绍，为进一步学习分子生物学打基础。
四.机能生化
医学生物化学主要的研究对象是人，因此人体生物化学还要研究各组织器官的化学组成特点，特有的代谢途径和它们与生理功能之间的关系。代谢障碍将造成器官功能的异常，导致疾病的发生。这部分内容包括内分泌、血液、肝、胆生化等，也称为机能生化，是医学生化不可缺少的内容。
五.本书的内容
本书由21章组成，大体分为四个部分，第一部分从第二章至第五章，主要讨论生物大分子—蛋白质和核酸的结构与功能，维生素构成酶的辅酶或辅基，所以也纳入这部分；第二部分从第六章至第十一章。主要为物质代谢、能量代谢及代谢调节；第三部分从第十二章至第十五章主要内容为遗传信息的流向及调控，为分子生物学的基础；第四部分从第十六章至第二十一章为机能生化及与医学密切相关的内容。
第3节 研究生物化学的目的及其与医学的关系
生物化学的根本目标是揭露生命的奥秘。若将组成生物体的物质逐一分离研究，均
为非生命物质，并遵守物理和化学的规律，然而由这些物质组成的生物体何以能呈现及维持各种生命现象，这是生物化学要探讨和阐明的问题。当然，更深一层的目标是了解生命的起源。可见，研究生物化学的目的是了解和掌握生命的规律，适应自然规律，使人类生活更美好。
生物化学与分子生物学是边缘性学科，发展又十分迅速，形成了许多新理论、新概念，如基因组学、蛋白质组学、RNA组学等；同时发展了许多新技术，如重组DNA技术、基因工程、基因芯片、克隆技术、转基因动物等。生物化学与分子生物学的理论和方法已广泛被其他基础医学学科应用，并已形成了许多新的学科分支，如分子免疫学、分子遗传学、分子细胞生物学、分子病理学、分子药理学、分子病毒学等等。反过来，这些基础学科也促进生物化学的发展，例如，免疫学的方法被广泛应用于蛋白质及受体的研究，遗传学的方法被应用于基因分子生物学的研究，病理学的癌症促进癌基因的研究，基因表达调控的规律是在细菌研究的基础上深入至真核生物的研究。总之，当前生命科学中各相关的学科互相渗透，互相促进，不断形成新的学科，例如，生物信息学。还将会出现更多新的学科。
健康科学(health science)涉及两大关键问题：一是为了解和维持人体的健康生活，正常的生化反应和过程是健康的基础，人体必须不断地与外环境进行物质交换，摄入必需的营养成分，适应外环境的变化，以维持体内环境的稳定。其二是为有效防治疾病。代谢的紊乱可导致疾病，所以了解紊乱的环节并纠正之，是有效治疗疾病的依据，通过生化的检查，可帮助疾病的诊断，例如糖代谢障碍可导致糖尿病，充分了解糖代谢及其调节的规律能为治疗糖尿病制定有效的方案，也为疾病的诊断和预防提供依据。可见，临床医学无论在预防和治疗工作中都会应用生物化学的知识。反过来临床实践也为生物化学的研究提供丰富的源泉，例如恶性肿瘤，使生物化学和分子生物学深入至癌基因的研究，通过对后者的深入研究，又揭开了对正常细胞生长、分化的规律和信号转导途径的研究和了解。对动脉粥样硬化症的研究，促进对胆固醇、脂蛋白、受体乃至相关基因等的生物化学研究。
可以说当前医学已进入分子水平时代，即分子医学(molecular medicine)，其主要的任务是在分子水平研究人体生命的规律，阐明人体生长、发育、分化、结构和功能；观察人与病原体以及人与自然环境之间的关系；分析疾病的发病机制及各种疾病主要病变的分子基础和开发新的有效的预防、诊断和治疗疾病的手段。&/P&
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&P&第二章　蛋白质的结构和功能
蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。
第一节　蛋白质在生命活动中的重要功能
蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。
蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表2－1）。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。
体内一些蛋白质的重要生理功能：
（1） 催化功能
（2） 调节功能
（3） 保护和支持功能
（4） 运输功能
（5） 储存和营养功能
（6） 收缩和运动功能
（7） 防御功能
（8） 识别功能
（9） 信息传递功能
（10） 基因表达调控功能
（11） 凝血功能
（12） 蛋白质的其他众多生理功能
第二节　蛋白质的分子组成
1、 蛋白质的元素组成和分子量
蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。
2、 蛋白质的氨基酸组成
大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2－2）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。
在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为Ｌ,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为： &/P&&P&
（1） 氨基酸的分类
20种氨基酸按其侧链R结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表2－3）。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。
蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。
（2） 氨基酸的重要理化性质
1. 两性电离与等电点（pI）　
2. 紫外吸收特征　
3. 脱水成肽反应　
第三节　蛋白质的分子结构
1、 肽键和肽
肽键（peptide bond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。
肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽（polypeptide），它们都简称为肽。肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（amino acid residue）。
多肽有开链肽和环状肽。在人体内主要是开链肽。开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并用（H）表示，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边，并用（OH）来表示。目前已有约20万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组成和排列顺序被测定了出来，其中不少是与医学关系密切的多肽，分别具有重要的生理功能或药理作用。
多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ－羧基与半胱氨酸的α－氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。&/P&&P&近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定，它们大多具有重要的生理功能或药理作用，又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有密切关系，这增加了人们对多肽重要性的认识，多肽也已成为生物化学中引人瞩目的研究领域之一。
多肽和蛋白质的区别，一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成，但它们之间在数量上也没有严格的分界线，除分子量外，现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生理功能的基础，因此一般将胰岛素划归为蛋白质。但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。
2、 蛋白质分子结构及其规律性
蛋白质是大分子化合物，一般由一条肽链、上百个氨基酸，即成千上万个原子组成，分为一、二、三、四4级、四个不同的层次（表2－5），以便进行深入研究，其中二、三、四级均属于蛋白质的三维空间结构（three-dimensional structure，3D）或构象（conformation）。随着研究的深入，现在在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了一些超二级结构和结构域(domain)。
（1） 蛋白质的一级结构（primary structure）
蛋白质的一级结构，专指多肽链中氨基酸（残基）的排列的序列（sequence）。若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。一级结构就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。不同的蛋白质，首先具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。
蛋白质一级结构的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸侧链R的大小、性质不同，决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。同时由于蛋白质的一级结构是由遗传物质DNA分子上相应核苷酸序列、即遗传密码决定的，蛋白质与DNA分子均为线状，因此具有“共线性”关系，不同生物具有不同的遗传特征，首先是由于其不同的DNA，编码合成出不同的蛋白质，具有不同的一级结构所决定的，因此蛋白质一级结构的认识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。
蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世，使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发展。同时由于DNA分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展，且其步骤较蛋白质序列测定方法更快速简便，因此近年来更有通过蛋白质相应基因DNA序列的测定，来推断该蛋白质的一级结构。自然界亿万种不同的蛋白质，首先是由于它们有亿万种不同的一级结构，这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。
（2） 蛋白质的二级结构（secondary structure）
蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构，是其主链原子的局部空间排布。蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循，其中二级结构主要是周期性出现的有规则的α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈等几种二级结构单元，且这些有序的二级结构单元，主要是靠氢键等非共价键来维持其空间结构的相对稳定的。
1. α-螺旋（α-helix）：是蛋白质分子中最稳定的二级结构，2. 其基本特征是：
（1） 肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的α碳原子组成，（2） 交替形成了肽链主链，（3） 它从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构（图2-6、2-7）。
（4） 螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，（5） 每圈上下螺距为0.54nm（5.4 ）。相邻螺旋之间，（6） 由第1个氨基酸肽键上C═O，（7） 隔三个氨基酸残基，（8） 与第5个氨基酸肽键上N—H形成氢键，（9） 其间包括13个原子（图2-8），（10） 故又称3.613螺旋，（11） 且氢键方向与α－（12） 螺旋长轴基本平行，（13） 每相邻螺旋间有三个氢键维持其空间结构的相对稳定。
（14） α-螺旋类似实心棒状，（15） 氨基酸残基侧链R在螺旋外侧。各种蛋白质分子中α-螺旋中氨基酸占总氨基酸组成的比例各不（16） 相同，（17） 如角蛋白中几乎全是由α-螺旋组成，而（18） 小分子蛋白质尤其是在多肽中几乎无α-螺旋的存在。α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重要的作用。
3. β-片层结构（β-pleated sheet structure）又称β-折叠，4. 是肽链中比较伸展的空间结构，5. 其中肽键平面接近平行、但略呈锯齿状或扇形。β-片层可由2～5个肽段片层之间经C═O与N—H间形成的氢键来维系，6. 但氢键方向与肽链长轴方向相垂直（图2－7. 9），8. 且反平行方式排列在热力学上最为稳定。
大多数球状蛋白质分子中，α-螺旋与β-片层结构都同时存在，且是各种蛋白质分子中的主要二级结构，但各占氨基酸组成的比例不同，如表2－6所示。胰岛素分子中约有14%的氨基酸残基组成β-片层结构，而胰糜蛋白酶分子中约有45%氨基酸残基组成β-片层二级结构，β-片层二级结构的可塑性比较大。
9. β－10. 转角（β－11. turn，12. T），13. 指14. 肽链出现180&左右转向回折时的“U”形有规律的二级结构单元，15. 空间结构靠第1个氨基酸残基上的C═O隔两个氨基酸残基与第4个氨基酸残基上的N—H形成的氢键来维持其稳定，16. 氢键中包括10～12个原子，17. 因此较α-螺旋卷曲得更紧密。β-转角还有几种亚型，18. 在球状蛋白质中含量丰富，19. 且大多存在于球状蛋白质分子的表面，20. 因此为蛋白质生物活性的重要空间结构部位。
21. π-螺旋（π-helix）：主要存在于胶原蛋白分子中，22. 肽链以4.4个氨基酸残基盘旋一圈，23. 靠与螺旋长轴基本平行的氢键维持螺旋的稳定，24. 氢键跨18个原子，25. 故又称4.418螺旋。它是比α-螺旋稍26. 大而27. 疏松的左手螺旋。在胶原蛋白分子中，28. 三股左手螺旋再盘曲形成稳定的右手超螺旋，29. 进一步缩合形成胶原微纤维。
30. 随意卷曲（randon coil）：又称无规律卷曲，31. 是指32. 各种蛋白质分子中彼此各不33. 相同34. 、没有共同35. 规律可遵循的那些肽段空间结构，36. 它是蛋白质分子中一系列无序构象的总称，37. 也可以说是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。因为在蛋白质分子中，38. 并不39. 是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片层、β-转角等二级结构的，而40. 是有相当部分的肽段，41. 其二级结构在各蛋白质分子间彼此并不42. 相似，43. 无共同44. 规律可遵循，45. 它也普遍存在于各种天然蛋白质分子中，同46. 时也是蛋白质分子结构和功能的重要组成部分。
蛋白质二级结构、乃至更高层次空间结构的形成，决定于其一级结构。由于一级结构中氨基酸残基侧链R大小与性质的不同，使肽键可形成不同的α-螺旋、β-片层等二级结构。如一段肽段由相邻较多酸性氨基酸组成，由于侧链R解离带了相同的负电荷，因此就同性相斥而不易形成稳定的α-螺旋；又如一个肽段中集中了较多具有大侧链R的氨基酸，因空间位阻也不易形成有序的α-螺旋，而多形成随意卷曲。而胶原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羟脯氨酸，空间位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羟脯氨酸为亚氨基酸，在形成肽键后其氮原子上已无氢原子可形成氢键，因此π-螺旋不稳定，也就进一步形成了三股超螺旋。
47. 超二级结构（super secondary structure）和结构域：近年来随着蛋白质结构与功能研究的深入，48. 发现不49. 少蛋白质分子中的一些二级结构单元，50. 往往有规则地聚集在一起形成全由α-螺旋、全由β-片层或α-螺旋与β-片层混合、均有的超二级结构基本形式，51. 具体说，52. 形成相对稳定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二级结构（图2－53. 12）又称模体(motif)或模序。具有调控作用的转录因子蛋白质中，54. 就有β2α和αTα超二级结构存在。且单个或多个超二级结构，55. 尚可进一步集结起来，56. 形成在蛋白质分子空间结构中明显可区分的区域，57. 称结构域（图2－58. 13），59. 它们分别又是蛋白质分子中的一个个功能单位，60. 故不61. 严格地又称之为功能域。蛋白质的结构域一般由40～400个氨基酸残基组成。
蛋白质超二级结构和结构域的重要性，还在于它们往往分别是由该蛋白质相应基因的DNA链上不同的外显子编码的。体内蛋白质生物合成时，甚至可将分布在不同染色体上的外显子，通过重组合成出含有不同结构域组成的蛋白质。但因含有一些相同的结构域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白质，形成蛋白质家族（protein family），和合成特异性不同的各种免疫球蛋白分子等。又由于结构域仅是大分子蛋白质中的一个部分，相对较小，比较容易研究其结构和功能的关系，因此结构域已成为目前蛋白质结构、功能研究中的一个关注焦点与热门课题。
（3） 蛋白质的三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构是指整条多肽链中所有氨基酸残基，包括相距甚远的氨基酸残基主链和侧链所形成的全部分子结构。因此有些在一级结构上相距甚远的氨基酸残基，经肽链折叠在空间结构上可以非常接近。
例如肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的肽链，分子中由八个肽段分别形成A～H八段α－螺旋，再进一步通过AB、CD等一些β－转角与随意卷曲连接，进一步地折叠形成接近球状的分子三级结构，分子大小为4.3nm×3.5nm×2.3nm（43 ×35 ×23 ）。临床上也通过测定病人血中的肌红蛋白来鉴别诊断心绞痛还是心肌梗死.
自然界大多数蛋白质都是由一条肽链组成的，因此相对稳定的三级结构就是其特征性的空间结构，这是蛋白质分子最显著的特征之一。不同蛋白质有不同的一级结构，因此折叠形成不同的三级结构，赋予它们不同的生理功能。按一级结构人工合成胰岛素的成功，并具有降低动物血糖浓度的作用，是一级结构决定蛋白质空间结构与生理功能的最好例证。
肽链折叠卷曲形成的球状、椭圆形等三级结构蛋白质分子，往往形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核，靠分子内部疏水键和氢键等来维持其空间结构的相对稳定。有些蛋白质分子的亲水表面上也常有一些疏水微区，或在分子表面形成一些形态各异的“沟”、“槽”或“洞穴”等结构，一些蛋白质的辅基或金属离子往往就结合在其中。例如上述肌红蛋白分子亲水表面上，就有一个疏水洞穴，其中结合着一个含Fe2+的血红素辅基，起着结合并储存氧的功能，供肌肉剧烈收缩氧供应相对不足时释放被利用的需要。而结合了糖、脂的蛋白质分子其三级结构就更复杂了。
（4） 蛋白质的四级结构（quaternary structure）
蛋白质的四级结构是指各具独立三级结构多肽链再以各自特定形式接触排布后，结集所形成的蛋白质最高层次空间结构。在此蛋白质四级结构中，各具独立三级结构的多肽链称亚基（subunit），亚基单独存在时不具生物活性，只有按特定组成与方式装配形成四级结构时，蛋白质才具有生物活性。
例如血红蛋白就是由两条相同、各由141个氨基酸残基组成的α-亚基和两条相同、各由146个氨基酸残基组成的β-亚基按特定方式接触、排布组成的一个球状、接近四面体的分子结构。其中α和β亚基分别由七段和八段α-螺旋组成，且β-亚基的三级结构与肌红蛋白三级结构十分相似（图2－16）每个亚基表面疏水洞穴中都分别结合一个含Fe2+血红素辅基。血红蛋白四个亚基间主要靠八个盐键和众多氢键维系其严密、特定的四级结构（图2－17、2－18），其中一个α亚基肽链的N端与另一α-亚基的C端，在空间结构中十分接近，靠盐键结合，且β-亚基的C端，又和α-亚基的第40位赖氨酸残基以盐键相连，以维持血红蛋白严密且相对稳定的四级结构，完成其在血液中运输氧气的生理功能。具有四级结构的整个蛋白质分子也大多形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核。
蛋白质的四级结构，包括亚基数目、种类和空间排布方式各不相同。自然界蛋白质的亚基组成数目多为偶数，可以由相同或不同的亚基组成，不同的亚基一般都用α、β、γ等来命名，而具有不同催化功能和调节功能的酶蛋白亚基，则多用催化亚基C和调节亚基R来命名（表2－7）。在蛋白质四级结构中，亚基多以对称的方式结合排布，并由非共价键彼此相互连接。
并不是所有蛋白质分子都具有四级结构的。大多数蛋白质都只由一条肽链组成，只具有三级结构就有生理活性了，只有一部分分子量更大、或具有调节功能的蛋白质，才具有四级结构，它由几条肽链组成，从而赋予它特殊的别构作用，这对完成其特定生理功能十分重要。另外由于肽链亚基间的连结键都是非共价键，因此由二硫键相连的，如由四条肽链组成的免疫球蛋白、由A、B二条肽链组成的胰岛素分子，不属于具有四级结构的蛋白质，何况胰岛素还是一个分子量很小的蛋白质。
（5） 维系蛋白质空间结构的非共价键
这些非共价键又称副键，包括氢键、盐键、疏水键和范德瓦士力（van der Waals）等。其中维持蛋白质二级结构的主要是氢键，维持蛋白质三级结构的主要是疏水键，维持蛋白质四级结构的有盐键。事实上各层次蛋白质分子空间结构的稳定，都有这些副键共同参与，以保证蛋白质空间结构的相对稳定和各种生理功能的正常发挥。
非共价键的键能要比共价键的键能小得多，因此容易断裂，但由于蛋白质分子中非共价键数目众多，因此它们在维持蛋白质严密空间结构和生理功能上起着十分重要的作用。
（6） 二硫键（disulfide bond）
二硫键属于共价键，由一条或两条肽键上的两个半胱氨酸残基上的巯基经脱氢氧化生成。二硫键的作用是加固由非共价键维系的蛋白质分子严密的空间结构，在进一步稳定蛋白质构象和生理功能上起着重要的作用。
但并不是所有蛋白质分子中都含有二硫键的。含有二硫键的蛋白质，一旦其二硫键被还原断裂，蛋白质的空间结构往往易遭到破坏，生理功能也就丧失。胰岛素被还原后就丧失其降低血糖的生物活性。一般细胞合成后分泌到细胞外的蛋白质，分子中二硫键较多，使此蛋白质分子构象更趋稳定以便顺利完成其生理功能，如胰岛素、血浆白蛋白和免疫球蛋白等，而存在于细胞内的蛋白质分子，往往二硫键较少，因为在细胞内是富含还原型谷胱甘肽的生理环境。
第四节　蛋白质分子结构和功能的关系
1、 蛋白质分子一级结构和功能的关系
蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病（molecular disease）。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另实验证明，若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素A链N端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失，可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。
所谓“分子病”，首先是蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。分子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是DNA分子结构的改变，是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变，这是1949年美国科学家Pauling在研究血红蛋白时首先提出来的。目前已知血红蛋白分子异常有500多种，其中约一半在临床上可造成分子病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失，如血红蛋白分子病中的地中海贫血，可缺失血红蛋白α－亚基或β－亚基等。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。今举一些并不是十分罕见的分子病实例如下（表2－9）
另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，个体之间，同一种蛋白质中有时会存在一级结构的微小差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。但差异的氨基酸，若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等，即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大，由这些蛋白质组成人体组织、器官，在临床上进行移植时，就可产生排异反应。
蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。如催化DNA复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。
2、 蛋白质分子空间结构和功能的关系
蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。
又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β－折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。
两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。
具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。
血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了（图2－22）。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。
第五节　蛋白质的分类
蛋白质可根据其化学组成不同分为单纯蛋白质（simple proteins）和结合蛋白质（conjugated proteins）两大类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成，而结合蛋白质除氨基酸组成外还含有非蛋白质的辅基（prosthetic group）。
单纯蛋白质可按其溶解度不同而再分为白蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、精蛋白、谷蛋白等七类（表2－10），其中前五类在动物体内广泛分布，如组蛋白类主要分布在细胞核内，以与DNA结合的形式存在，有调节基因开放、关闭的功能，本身又再分为5亚基；硬蛋白类则有保护和支持等功能；精蛋白则主要存在在精子中富含精氨酸。
不同蛋白质溶解度的不同，有利于从混合蛋白质中进行各蛋白质组分的分离纯化，如血浆各组成成分蛋白质的分离纯化、综合利用。
结合蛋白质按其辅基不同再可分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等六类（表2－11）。其中核蛋白是细胞染色体的主要化学组成；而脂蛋白为人血浆中脂类的主要结合、运输形式。
蛋白质也可按分子形状不同而分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。纤维状蛋白质（fibrous protein）分子呈纤维状或棒状，分子长轴和短轴的比一般大于10。
第六节　蛋白质的重要理化性质
1、 大分子亲水胶体性质
2、 两性解离与等电点
3、 紫外吸收特征与蛋白质定量分析
4、 蛋白质的变性（denaturation）
变性是指在一些物理或化学因素作用下，使蛋白质分子空间结构破坏，从而引起蛋白质理化性质改变，包括结晶性能消失。蛋白质溶液粘度增加，呈色反应加强及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机理是分子中非共价键断裂，使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结构，因此生物活性也必然丧失；同时由于蛋白质变性后，分子内部的疏水基团暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀，但沉淀的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。
造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X射线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的，因为此时蛋白质的一级结构并未遭到破坏，故若变性时间短、变性程度较轻，理论上在合适的条件下，变性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构，并恢复其生物活性，这即称为蛋白质的复性（renaturation），但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性，尤其是加热变性的蛋白质更发生了凝固。蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提出来的，至今仍被世界承认与延用。
在实际工作中，我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等；而在另一些情况下，又要利用日光、紫外线、高压蒸汽、酒精和红汞等使细菌蛋白质变性失活，从而达到消毒杀菌的目的。要注意区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程，它不同于别构中蛋白质构象的轻微改变，伴随着生物活性升高或降低的调节过程。
五、 蛋白质的别构（变构）作用（allosteric effect）
蛋白质变性与变构是两个完全不同的概念，但两者又有一些相同点，都是在外因作用下蛋白质分子空间构象的改变，从而引起生物活性的改变，具体内容本书后面还将会对别构作用有不少介绍，因为别构作用在生命活动的调节中十分重要，尤其是别构酶的调节作用。&/P&
&P&第三章　　核酸的结构和功能
核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的构件分子是核苷酸（nucleotide），天然存在的核酸可分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两类。DNA贮存细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。RNA中参与蛋白质合成的有三类：转移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。20世纪末，发现许多新的具有特殊功能的RNA，几乎涉及细胞功能的各个方面。
第1节 核苷酸
核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类，核糖核苷酸是RNA的构件分子，而脱氧核糖核苷酸是DNA构件分子。细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们具有重要的生理功能。核苷酸由核苷（nucleoside）和磷酸组成。而核苷则由碱基（base）和戊糖构成(图3-1)。&/P&&P&1、 碱基
构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物，有嘧啶（pyrimidine）和嘌呤（purine）两类。核酸中嘌呤碱主要是腺嘌呤和鸟嘌呤，嘧啶碱主要是胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。DNA和RNA中均含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，而尿嘧啶主要存在于RNA中，胸腺嘧啶主要存在于DNA中。在某些tRNA分子中也有胸腺嘧啶，少数几种噬菌体的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。这五种碱基受介质pH的影响出现酮式、烯醇式互变异构体。
在DNA和RNA中，尤其是tRNA中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基（rare bases）稀有碱基种类很多，大多数是甲基化碱基。tRNA中含稀有碱基高达10%。
核酸中有两种戊糖DNA中为D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中则为D-核糖（D-ribose）（图3-5）。在核苷酸中，为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1’，C-2’等。脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢，这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多。
核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）相连接而成。戊糖中C-1’与嘧啶碱的N-1或者与嘌吟碱的N9相连接，戊糖与碱基间的连接键是N-C键，一般称为N-糖苷键（图3-6）。
RNA中含有稀有碱基，并且还存在异构化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用ψ表示），在它的结构中戊糖的C-1不是与尿嘧啶的N-1相连接，而是与尿嘧啶C-5相连接（图3-7）。
四、核苷酸
核苷中的戊糖5’碳原子上羟基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。依磷酸基团的多少，有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。（图3-8）核苷酸在体内除构成核酸外，尚有一些游离核苷酸参与物质代谢、能量代谢与代谢调节，如三磷酸腺苷（ATP）是体内重要能量载体；三磷酸尿苷参与糖原的合成；三磷酸胞苷参与磷脂的合成；环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）作为第二信使，在信号传递过程中起重要作用；核苷酸还参与某些生物活性物质的组成：如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。&/P&&P&第2节 核酸的分子结构
1、 核酸的一级结构
核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。组成DNA的脱氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、dCMP和dTMP，组成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸中的核苷酸以3’，5’磷酸二酯键构成无分支结构的线性分子。核酸链具有方向性，有两个末端分别是5’末端与3’末端。5’末端含磷酸基团，3’末端含羟基。核酸链内的前一个核苷酸的3’羟基和下一个核苷酸的5’磷酸形成3’,5’磷酸二酯键，故核酸中的核苷酸被称为核苷酸残基。核酸链的结构见图3-10。通常将小于50个核苷酸残基组成的核酸称为寡核苷酸（oligonucleotide），大于50个核苷酸残基称为多核苷酸（polynucleotide）。
2、 DNA的空间结构
(一)DNA的二级结构
DNA二级结构即双螺旋结构（double helix structure）。20世纪50年代初Chargaff等人分析多种生物DNA的碱基组成发现的规则。
DNA双螺旋模型的提出不仅揭示了遗传信息稳定传递中DNA半保留复制的机制，而且是分子生物学发展的里程碑。
DNA双螺旋结构特点如下：①两条DNA互补链反向平行。②由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧，而疏水的碱基对则在螺旋分子内部，碱基平面与螺旋轴垂直，螺旋旋转一周正好为10个碱基对，螺距为3.4nm，这样相邻碱基平面间隔为0.34nm并有一个36◦的夹角。③DNA双螺旋的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别。④两条DNA链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。根据碱基结构特征，只能形成嘌呤与嘧啶配对，即A与T相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。因此G与C之间的连接较为稳定（图3-12）。⑤DNA双螺旋结构比较稳定。维持这种稳定性主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力（stacking force）。
&&生理条件下，DNA双螺旋大多以B型形式存在。右手双螺旋DNA除B型外还有A型、C型、D型、E型。此外还发现左手双螺旋Z型DNA。Z型DNA是1979年Rich等在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时发现的。Z-DNA的特点是两条反向平行的多核苷酸互补链组成的螺旋呈锯齿形，其表面只有一条深沟，每旋转一周是12个碱基对。研究表明在生物体内的DNA分子中确实存在Z-DNA区域，其功能可能与基因表达的调控有关（图3-13）。DNA二级结构还存在三股螺旋DNA，三股螺旋DNA中通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内（图3-14）。三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他重要区域，因此具有重要生理意义。
（二） DNA三级结构——超螺旋结构
DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构。生物体内有些DNA是以双链环状DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌体DNA，细菌染色体与细菌中质粒DNA，真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA都是环状的。环状DNA分子可以是共价闭合环，即环上没有缺口，也可以是缺口环，环上有一个或多个缺口。在DNA双螺旋结构基础上，共价闭合环DNA（covalently close circular DNA）可以进一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）（图3-15 ）。根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋。正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数。几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构。
（三） DNA的四级结构——DNA与蛋白质形成复合物
在真核生物中其基因组DNA要比原核生物大得多，如原核生物大肠杆菌的DNA约为4.7×103kb，而人的基因组DNA约为3×106 kb，因此真核生物基因组DNA通常与蛋白质结合，经过多层次反复折叠，压缩近10 000倍后，以染色体形式存在于平均直径为5μm的细胞核中。线性双螺旋DNA折叠的第一层次是形成核小体（nucleosome）。犹如一串念珠, 核小体由直径为11nm×5.5nm的组蛋白核心和盘绕在核心上的DNA构成。核心由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成，为八聚体，146 bp长的 DNA以左手螺旋盘绕在组蛋白的核心1.75圈，形成核小体的核心颗粒，各核心颗粒间有一个连接区，约有60 bp双螺旋DNA和1个分子组蛋白H1构成。平均每个核小体重复单位约占DNA 200 bp（图3-16）。DNA组装成核小体其长度约缩短7倍。在此基础上核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体（图3-17）。
三、基因与基因组
（一） 基因（gene）的现代分子生物学概念是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。一个基因通常包括编码蛋白质多肽链或RNA的编码序列，保证转录和加工所必需的调控序列和5’端、3’端非编码序列。另外在真核生物基因中还有内含子等核酸序列（图3-18）。
（二）基因组（genome）是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。在病毒中通常是一个核酸分子的碱基序列，单细胞原核生物是它仅有的一条染色体的碱基序列，而多细胞真核生物是一个单倍体细胞内所有的染色体。如人单倍体细胞的23条染色体的碱基序列。多细胞真核生物起源于同一个受精卵，其每个体细胞的基因组都是相同的。
1. 病毒基因组　
2.原核生物基因组　
3.真核生物基因组　
在高等真核生物中基因序列占整个基因组不到10%，大部分是非编码的间隔序列。人类基因组研究结果发现在人的基因组中与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组2 %。真核生物基因组的最大的特点是出现分隔开的基因，在这类基因中有编码作用的序列称外显子（exon），没有编码作用的序列称内含子（intron），它们彼此间隔排列（见图3-18）。
四、各类RNA的结构
绝大部分RNA分子都是线状单链，但是RNA分子的某些区域可自身回折进行碱基互补配对，形成局部双螺旋。在RNA局部双螺旋中A与U配对、G与C配对，除此以外，还存在非标准配对，如G与U配对。RNA分子中的双螺旋与A型DNA双螺旋相似，而非互补区则膨胀形成凸出（bulge）或者环（loop），这种短的双螺旋区域和环称为发夹结构（hairpin）（图3-19）。发夹结构是RNA中最普通的二级结构形式，二级结构进一步折叠形成三级结构，RNA只有在具有三级结构时才能成为有活性的分子。RNA也能与蛋白质形成核蛋白复合物，RNA的四级结构是RNA与蛋白质的相互作用。& &&/P&&P&（1） tRNA的结构
tRNA约占总RNA的15%，tRNA主要的生理功能是在蛋白质生物合成中转运氨基酸和识别密码子，细胞内每种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA， 因此tRNA的种类很多，在细菌中约有30~40种tRNA，在动物和植物中约有50~100种tRNA。
1. tRNA一级结构：
tRNA是单链分子，含73~93核苷酸，分子质量为24 000～31 000，沉降系数4S。含有10%的稀有碱基。如二氢尿嘧啶（DHU）、核糖胸腺嘧啶（rT）和假尿苷（ψ）以及不少碱基被甲基化, 其3’端为CCA-OH，5’端多为pG, 分子中大约30%的碱基是不变的或半不变的，也就是说它们的碱基类型是保守的。
2. tRNA二级结构：
tRNA二级结构为三叶草型（图3-20a）。配对碱基形成局部双螺旋而构成臂，不配对的单链部分则形成环。三叶草型结构由4臂4环组成。氨基酸臂由7对碱基组成，双螺旋区的3’末端为一个4个碱基的单链区-NCCA-OH 3’，腺苷酸残基的羟基可与氨基酸α羧基结合而携带氨基酸。二氢尿嘧啶环以含有2个稀有碱基二氢尿嘧啶（DHU）而得名，不同tRNA其大小并不恒定，在8-14个碱基之间变动，二氢尿嘧啶臂一般由3~4对碱基组成。反密码环由7个碱基组成，大小相对恒定，其中3个核苷酸组成反密码子（anticodon），在蛋白质生物合成时，可与mRNA上相应的密码子配对。反密码臂由5对碱基组成。额外环在不同tRNA分子中变化较大可在4~21个碱基之间变动，又称为可变环，其大小往往是tRNA分类的重要指标。TψC环含有7个碱基，大小相对恒定，几乎所有的tRNA在此环中都含TψC序列，TψC臂由5对碱基组成。
3. tRNA的三级结构：
二十世纪七十年代初科学家用X线射衍技术分析发现tRNA的三级结构为倒L形（图3-20b）。tRNA三级结构的特点是氨基酸臂与TψC臂构成L的一横，-CCAOH3’末端就在这一横的端点上，是结合氨基酸的部位，而二氢尿嘧啶臂与反密码臂及反密码环共同构成L的一竖，反密码环在一竖的端点上，能与mRNA上对应的密码子识别，二氢尿嘧啶环与TψC环在L的拐角上。形成三级结构的很多氢键与tRNA中不变的核苷酸密切有关，这就使得各种tRNA三级结构都呈倒L形的。在tRNA中碱基堆积力是稳定tRNA构型的主要因素。
（二）mRNA
原核生物中mRNA转录后一般不需加工，直接进行蛋白质翻译。mRNA转录和翻译不仅发生在同一细胞空间，而且这两个过程几乎是同时进行的。真核细胞成熟mRNA是由其前体核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）剪接并经修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质合成。所以真核细胞mRNA的合成和表达发生在不同的空间和时间。mRNA的结构在原核生物中和真核生物中差别很大。下面分别作一介绍：
1. 原核生物mRNA结构特点
原核生物的mRNA结构简单，往往含有几个功能上相关的蛋白质的编码序列，可翻译出几种蛋白质，为多顺反子。在原核生物mRNA中编码序列之间有间隔序列，可能与核糖体的识别和结合有关。在5’端与3’端有与翻译起始和终止有关的非编码序列（图3-21），原核生物mRNA中没有修饰碱基， 5’端没有帽子结构，3’端没有多聚腺苷酸的尾巴（polyadenylate tail，polyA尾巴）。原核生物的mRNA的半衰期比真核生物的要短得多，现在一般认为，转录后1min，mRNA降解就开始。
2. 真核生物mRNA结构特点
真核生物mRNA为单顺反子结构，即一个mRNA分子只包含一条多肽链的信息。在真核生物成熟的mRNA中5’端有m7GpppN的帽子结构（图3-22），帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解，并且能与帽结合蛋白结合识别核糖体并与之结合，与翻译起始有关。3’端有polyA尾巴，其长度为20~250个腺苷酸，其功能可能与mRNA的稳定性有关，少数成熟mRNA没有polyA尾巴，如组蛋白mRNA，它们的半衰期通常较短。
（三）rRNA的结构
rRNA占细胞总RNA的80%左右，rRNA分子为单链，局部有双螺旋区域（图3-22）具有复杂的空间结构，原核生物主要的rRNA有三种，即5S、16S和23S rRNA，如大肠杆菌的这三种rRNA分别由120、个核苷酸组成。真核生物则有4种，即5S、5.8S、18S和28S rRNA, 如小鼠，它们相应含121、158、个核苷酸。rRNA分子作为骨架与多种核糖体蛋白（ribosomal protein）装配成核糖体。
所有生物体的核糖体都由大小不同的两个亚基所组成。原核生物核糖体为70S，由50S和30S两个大小亚基组成。30S小亚基含16S的rRNA和21种蛋白质，50S大亚基含23S和5S两种rRNA及34种蛋白质。真核生物核糖体为80S，是由60S和40S两个大小亚基组成。40S的小亚基含18S rRNA及33种蛋白质，60S大亚基则由28S、5.8S和5S ３种rRNA及49种蛋白质组成。
（四）其他RNA分子
20世纪80年代以后由于新技术不断产生，人们发现RNA有许多新的功能和新的RNA基因。细胞核内小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA）是细胞核内核蛋白颗粒（Small nuclear ribonucleoprotein particles，snRNPs）的组成成分，参与mRNA前体的剪接以及成熟的mRNA由核内向胞浆中转运的过程。核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）是类新的核酸调控分子, 参与rRNA前体的加工以及核糖体亚基的装配。胞质小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA）的种类很多，其中7S LRNA与蛋白质一起组成信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）,&&SRP参与分泌性蛋白质的合成，反义RNA（antisense RNA）由于它们可以与特异的mRNA序列互补配对，阻断mRNA翻译，能调节基因表达。核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段。目前在医学研究中已设计了针对病毒的致病基因mRNA的核酶，抑制其蛋白质的生物合成，为基因治疗开辟新的途径，核酶的发现也推动了生物起源的研究。微RNA（microRNA，miRNA）是一种具有茎环结构的非编码RNA，长度一般为20-24个核苷酸，在mRNA翻译过程中起到开关作用，它可以与靶mRNA结合，产生转录后基因沉默作用（post-transcriptional gene silencing，PTGS），在一定条件下能释放，这样mRNA又能翻译蛋白质，由于miRNA的表达具有阶段特异性和组织特异性，它们在基因表达调控和控制个体发育中起重要作用。
随着基因组研究不断深入，蛋白组学研究逐渐展开，RNA的研究也取得了突破性的进展，发现了许多新的RNA分子，人们逐渐认识到DNA是携带遗传信息分子，蛋白质是执行生物学功能分子，而RNA即是信息分子，又是功能分子。人类基因组研究结果表明，在人类基因组中约有3个基因，其中与蛋白质生物合成有关的基因只占整个基因组的2%，对不编码蛋白质的98%基因组的功能有待进一步研究，为此20世纪末科学家在提出蛋白质组学后，又提出RNA组学。RNA组是研究细胞的全部RNA基因和RNA的分子结构与功能。目前RNA组的研究尚处在初级阶段，RNA组的研究将在探索生命奥秘中做出巨大贡献。
第3节 核酸的理化性质
1、 核酸的大小和测定
一般来说，进化程度高的生物DNA分子应越大，能贮存更多遗传信息。但进化的复杂程度与DNA大小并不完全一致，如哺乳类动物DNA约为3×109 bp，但有些两栖类动物、南美肺鱼DNA大小可达1010bp到1011bp（表3-3）。
常用测定DNA分子大小的方法有电泳法、离心法。凝胶电泳是当前研究核酸的最常用方法，凝胶电泳有琼脂糖（agarose）凝胶电泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝胶电泳，
二、核酸的水解
DNA和RNA中的糖苷键与磷酸酯键都能用化学法和酶法水解。在很低pH条件下DNA和RNA都会发生磷酸二酯键水解。并且碱基和核糖之间的糖苷键更易被水解，其中嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定。在高pH时，RNA的磷酸酯键易被水解，而DNA的磷酸酯键不易被水解。
水解核酸的酶有很多种，若按底物专一性分类，作用于RNA的称为核糖核酸酶（ribonuclease，RNase），作用于DNA的则称为脱氧核糖核酸酶（deoxyribonuclease，DNase）。按对底物作用方式分类,可分核酸内切酶（endonuclease）与核酸外切酶（exonuclease）。核酸内切酶的作用是在多核苷酸内部的3’，5’磷酸二酯键，有些内切酶能识别DNA双链上特异序列并水解有关的3’，5’磷酸二酯键。核酸内切酶是非常重要的工具酶，在基因工程中有广泛用途。而核酸外切酶只对核酸末端的3’，5’磷酸二酯键有作用，将核苷酸一个一个切下，可分为5’→3’外切酶，与3’→5’外切酶。&/P&&P&三、核酸的变性、复性和杂交
（1） 变性
在一定理化因素作用下，核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链的现象称为变性（denaturation）。引起核酸变性的常见理化因素有加热、酸、碱、尿素和甲酰胺等。在变性过程中，核酸的空间构象被破坏，理化性质发生改变。由于双螺旋分子内部的碱基暴露，其A260值会大大增加。A260值的增加与解链程度有一定比例关系，这种关系称为增色效应（hyperchromic effect）(图3-24)。如果缓慢加热DNA溶液，并在不同温度测定其A260值，可得到 “S”形DNA熔化曲线（melting curve）（图3-25a）。从DNA熔化曲线可见DNA变性作用是在一个相当窄的温度内完成的。&/P&&P&当A260值开始上升前DNA是双螺旋结构，在上升区域分子中的部分碱基对开始断裂，其数值随温度的升高而增加，在上部平坦的初始部分尚有少量碱基对使两条链还结合在一起，这种状态一直维持到临界温度，此时DNA分子最后一个碱基对断开，两条互补链彻底分离。通常把加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度（melting temperature Tm），Tm是研究核酸变性很有用的参数。Tm一般在85～95℃之间，Tm值与DNA分子中G C含量成正比。
（2） 复（3） 性
变性DNA在适当条件下，可使两条分开的单链重新形成双螺旋DNA的过程称为复性（renaturation）。当热变性的DNA经缓慢冷却后复性称为退火（annealing）（图3-26）。DNA复性是非常复杂的过程，影响DNA复性速度的因素很多：DNA浓度高，复性快；DNA分子大复性慢；高温会使DNA变性，而温度过低可使误配对不能分离等等。最佳的复性温度为Tm减去25℃，一般在60℃左右。离子强度一般在0.4mol/L以上。&/P&&P&（4） 杂交
具有互补序列的不同来源的单链核酸分子，按碱基配对原则结合在一起称为杂交（hybridization）。杂交可发生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之间。杂交是分子生物学研究中常用的技术之一，利用它可以分析基因组织的结构，定位和基因表达等，常用的杂交方法有Southern印迹法，Northern印迹法和原位杂交（insitu hybridization）等。
&P&第六章 糖 代 谢
第一节 概述
糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物。在人体内糖的主要形式是葡萄糖(glucose，Glc)及糖原(glycogen，Gn)。葡萄糖是糖在血液中的运输形式，在机体糖代谢中占据主要地位；糖原是葡萄糖的多聚体,包括肝糖原、肌糖原和肾糖原等，是糖在体内的储存形式。葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量。
食物中的糖是机体中糖的主要来源，被人体摄入经消化成单糖吸收后，经血液运输到各组织细胞进行合成代谢和分解代谢。机体内糖的代谢途径主要有葡萄糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与糖原分解、糖异生以及其他己糖代谢等。本章重点介绍葡萄糖在机体中血糖浓度动态平衡的维持和前五种主要代谢的途径、生理意义及其调节。
第二节 糖的消化和吸收
食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些双糖及单糖。多糖及双糖都必须经过酶的催化水解成单糖才能被吸收。
食物中的淀粉经唾液中的α淀粉酶作用，催化淀粉中α-1，4-糖苷键的水解，产物是葡萄糖、麦芽糖、麦芽寡糖及糊精。由于食物在口腔中停留时间短，淀粉的主要消化部位在小肠。小肠中含有胰腺分泌的α淀粉酶，催化淀粉水解成麦芽糖、麦芽三糖、α糊精和少量葡萄糖。在小肠黏膜刷状缘上，含有α糊精酶，此酶催化α极限糊精的α-1，4-糖苷键及α-1，6-糖苷键水解，使α-糊精水解成葡萄糖；刷状缘上还有麦芽糖酶可将麦芽三糖及麦芽糖水解为葡萄糖。小肠黏膜还有蔗糖酶和乳糖酶，前者将蔗糖分解成葡萄糖和果糖，后者将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。
糖被消化成单糖后的主要吸收部位是小肠上段(图6-1)，己糖尤其是葡萄糖被小肠上皮细胞摄取是一个依赖Na+的耗能的主动摄取过程，有特定的载体参与：在小肠上皮细胞刷状缘上，存在着与细胞膜结合的Na+-葡萄糖联合转运体，当Na+经转运体顺浓度梯度进入小肠上皮细胞时，葡萄糖随Na+一起被移入细胞内，这时对葡萄糖而言是逆浓度梯度转运。这个过程的能量是由Na+的浓度梯度（化学势能）提供的，它足以将葡萄糖从低浓度转运到高浓度。当小肠上皮细胞内的葡萄糖浓度增高到一定程度，葡萄糖经小肠上皮细胞基底面单向葡萄糖转运体（unidirectional glucose transporter）顺浓度梯度被动扩散到血液中。小肠上皮细胞内增多的Na+通过钠钾泵(Na+-K+ ATP酶)，利用ATP提供的能量，从基底面被泵出小肠上皮细胞外,进入血液，从而降低小肠上皮细胞内Na+浓度，维持刷状缘两侧Na+的浓度梯度,使葡萄糖能不断地被转运。
第三节 血 糖
血液中的葡萄糖，称为血糖(blood sugar)。体内血糖浓度是反映机体内糖代谢状况的一项重要指标。正常情况下，血糖浓度是相对恒定的。正常人空腹血浆葡萄糖糖浓度为3.9～6.1mmol／L(葡萄糖氧化酶法)。空腹血浆葡萄糖浓度高于7．0 mmol／L称为高血糖，低于3．9mmol／L称为低血糖。要维持血糖浓度的相对恒定，必须保持血糖的来源和去路的动态平衡。
一、血糖的主要来源及去路
血糖的来源：①食物中的糖是血糖的主要来源；②肝糖原分解是空腹时血糖的直接来源；③非糖物质如甘油、乳酸及生糖氨基酸通过糖异生作用生成葡萄糖，在长期饥饿时作为血糖的来源。
血糖的去路：①在各组织中氧化分解提供能量，这是血糖的主要去路；②在肝脏、肌肉等组织进行糖原合成；③转变为其他糖及其衍生物，如核糖、氨基糖和糖醛酸等；④转变为非糖物质，如脂肪、非必需氨基酸等；⑤血糖浓度过高时，由尿液排出。血糖浓度大于8．88～9.99mmol／L，超过肾小管重吸收能力，出现糖尿。将出现糖尿时的血糖浓度称为肾糖阈。糖尿在病理情况下出现，常见于糖尿病患者。
二、血糖浓度的调节
正常人体血糖浓度维持在一个相对恒定的水平，这对保证人体各组织器官的利用非常重要，特别是脑组织,几乎完全依靠葡萄糖供能进行神经活动，血糖供应不足会使神经功能受损，因此血糖浓度维持在相对稳定的正常水平是极为重要的。
正常人体内存在着精细的调节血糖来源和去路动态平衡的机制，保持血糖浓度的相对恒定是神经系统、激素及组织器官共同调节的结果。
神经系统对血糖浓度的调节主要通过下丘脑和自主神经系统调节相关激素的分泌。激素对血糖浓度的调节，主要是通过胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、生长激素及甲状腺激素之间相互协同、相互拮抗以维持血糖浓度的恒定。激素对血糖浓度的调节见表6-1。
肝脏是调节血糖浓度的最主要器官。血糖浓度和各组织细胞膜上葡萄糖转运体（glucose transporters）是器官水平调节的两个主要影响因素，此时细胞膜上葡萄糖转运体家族有GLUT1-5，是双向转运体。在正常血糖浓度情况下，各组织细胞通过细胞膜上GLUT1和 GLUT3摄取葡萄糖作为能量来源；当血糖浓度过高是，肝细胞膜上的GLUT2起作用，快速摄取过多的葡萄糖进入肝细胞，通过肝汤圆合成来降低血糖浓度；血糖浓度过高会刺激胰岛素分泌，导致肌肉和脂肪住址细胞膜上GLUT4的量迅速增加，加快对血液中葡萄糖的吸收，合成肌糖原或转变成脂肪储存起来。当血糖浓度偏低时，肝脏通过糖原分解及糖异生升高血糖浓度。
从体外实验了解机体对血糖浓度的调节能力，可以通过葡萄糖耐量试验（glucose tolerance test，GTT）获得糖耐量试验曲线加以理解，见图6-2。正常人由于存在精细的调节机制，空腹时正常血糖浓度是3.8-6.1 mmol／L，在口服或静脉注射葡萄糖2小时后血糖浓度＜7.8 mmol／L。糖耐量减退病人，一般空腹血糖浓度＜7.0 mmol／L，口服或静脉注射葡萄糖0.5-1小时后最高浓度＜11.1 mmol／L，2小时血糖浓度≥7.8 mmol／L，称为亚临床或无症状的糖尿病，糖耐量试验在这种病人的早期诊断上颇具意义。典型的糖尿病人糖耐量试验为：空腹血糖浓度在≥7.0 mmol／L，口服或静脉注射葡萄糖2小时后血糖浓度≥11.1 mmol／L，说明病人调节血糖浓度能力降低。目前临床上建议检测空腹血糖浓度和2小时餐后血糖浓度，简化糖耐量试验过程。
第四节 糖的无氧酵解
当机体处于相对缺氧情况(如剧烈运动)时，葡萄糖或糖原分解生成乳酸，并产生能量的过程称之为糖的无氧酵解。这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌，因与酵母的生醇发酵非常相似，故又称为糖酵解。反应过程
参与糖酵解反应的一系列酶存在在细胞质中，因此糖酵解的全部反应过程均在细胞质中进行。根据反应特点，可将整个过程分为四个阶段：
（一） 己糖磷酸化：
1. 葡萄糖或糖原磷酸化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate,G-6-P）
（1）催化葡萄糖生成G-6-P的是己糖激酶（hexokinase，HK）, ATP提供磷酸基团，Mg2+作为激活剂。这个反应的ΔG&0 =-16.7KJ/mol,基本是一个不可逆的反应。己糖激酶是糖酵解过程关键酶之一。
己糖激酶广泛存在各组织中，Km为0.1mmol／L，对葡萄糖的亲和力高。哺乳动物中已发现了四种己糖激酶的同工酶Ⅰ-Ⅳ型。Ⅳ型酶只存在于肝脏，对葡萄糖有高度专一性，又称葡萄糖激酶(glucokinase，GK)，GK对葡萄糖的Km为10mmol／L，对葡萄糖的亲和力低，这种特性的存在，使GK催化的酶促反应只有在饮食后大量消化吸收的葡萄糖进入肝脏后才加强，生成糖原储存于肝中，在维持血糖浓度恒定的过程中发挥了重要作用。
（2）从糖原开始的分解途径，是糖原在磷酸化酶的作用下成为1-磷酸葡萄糖（G-1-P），再变位成为G-6-P。
（3）G-6-P是一个重要的中间代谢产物，是许多糖代谢途径（无氧酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成、糖原分解）的连接点。
（4）葡萄糖进入细胞后进行了一系列的磷酸化,其目的在于：磷酸化后的化合物极性增高，不能自由进出细胞膜，因而葡萄糖磷酸化后不易逸出胞外，反应限制在细胞质中进行；同时从ATP中释放出的能量储存到了6-磷酸葡萄糖中；另外结合了磷酸基团的化合物不仅能减低酶促反应的活化能，同时能提高酶促反应的特异性。
2． G-6-P生成6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）
此反应在磷酸己糖异构酶催化下进行，是一个醛-酮异构变化。
3. 6-磷酸果糖生成1，6-二磷酸果糖(Fructose l，6 bisphosphate，F-1，6-BP)
催化此反应的酶是6-磷酸果糖激酶1(6-phosphofructokinase1，PFK 1)，这是糖酵解途径的第二次磷酸化反应，需要ATP与Mg2+参与，ΔG&0 =-14.2KJ/mol,反应不可逆。
6-磷酸果糖激酶1是糖酵解过程的主要限速酶,是糖酵解过程中的主要调节点。
至此，糖酵解完成了代谢的第一个阶段，这一阶段的主要特点是葡萄糖的磷酸化，并伴随着能量的消耗，糖酵解若从葡萄糖开始磷酸解，则每生成1分子F-1，6-BP消耗了2分子ATP；若从糖原开始磷酸解，则每生成1分子F-1，6-BP消耗1分子ATP。在这一阶段中有二个不可逆反应，从葡萄糖开始由二个关键酶己糖激酶和6-磷酸果糖激酶1催化；从糖原开始由二个关键酶磷酸化酶和6-磷酸果糖激酶1催化，它们是糖酵解过程的调节点。
(二)1分子磷酸己糖裂解为2分子磷酸丙糖
F-1，6-BP裂解为2分子磷酸丙糖，此反应由醛缩酶催化，反应可逆。3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮，两者互为异构体，在磷酸丙糖异构酶催化下可互相转变，当3-磷酸甘油醛在继续进行反应时，磷酸二羟丙酮可不断转变为3-磷酸甘油醛，这样1分子F-1，6-BP生成2分子3-磷酸甘油醛。
(三)2分子磷酸丙糖氧化为2分子丙酮酸
1．3-磷酸甘油醛脱氢氧化成为1，3-二磷酸甘油酸
此反应由3—磷酸甘油醛脱氢酶催化脱氢、加磷酸，其辅酶为NAD+，反应脱下的氢交给NAD+成为NADH+H+；反应时释放的能量储存在所生成的1，3-二磷酸甘油酸1位的羧酸与磷酸的构成的混合酸酐内，此高能磷酸基团可将能量转移给ADP形成ATP。
2．1，3-二磷酸甘油酸转变3-磷酸甘油酸
此反应由3-磷酸甘油酸激酶催化，产生1分子ATP,这是无氧酵解过程中第一次生成ATP。由于是1分子葡萄糖产生2分子1，3-二磷酸甘油酸，所以在这一过程中，1分子葡萄糖可产生2分子ATP。ATP的产生方式是底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)，能量是由底物中的高能磷酸基团直接转移给ADP形成ATP。
3．3-磷酸甘油酸转变成2-磷酸甘油酸
此反应由磷酸甘油酸变位酶催化，磷酸基团由3-位转至2-位。
4.2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)
此脱水反应由烯醇化酶所催化，Mg2+作为激活剂。反应过程中，分子内部能量重新分配，形成含有高能磷酸基团的磷酸烯醇式丙酮酸。
5．磷酸烯醇式丙酮酸转变丙酮酸
此反应由丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK) 催化，Mg2+作为激活剂,产生1分子ATP,ΔG'0=-61.9KJ/mol,在生理条件下，此反应不可逆。丙酮酸激酶也是无氧酵解过程中的关键酶及调节点。
这是无氧酵解过程第二次生成ATP，产生方式也是底物水平磷酸化。由于是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，所以在这一过程中，1分子葡萄糖可产生2分子ATP。
反应的第二阶段的特点是能量的产生。无氧酵解过程的能量产生主要在3-磷酸甘油醛脱氢成为1，3-二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸过程中，共产生4分子ATP，产生方式都是底物水平磷酸化。这一阶段中丙酮酸激酶是糖酵解过程的另一个关键酶和调节点。
(四)2分子丙酮酸还原为2分子乳酸
在无氧条件下，丙酮酸被还原为乳酸。此反应由乳酸脱氢酶催化，乳酸脱氢酶有多种同工酶(详见第四章)，骨骼肌中主要含有LDH5，它和丙酮酸亲和力较高，有利于丙酮酸还原为乳酸，LDH5的辅酶是NAD+。还原反应所需的NADH+H+是3-磷酸甘油醛脱氢时产生，作为供氢体脱氢后成为NAD+，再作为3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶。因此，NAD+来回穿梭，起着递氢作用，使无氧酵解过程持续进行。在有氧的条件下，3-磷酸甘油醛脱氢产生的NADH+H+从细胞质中通过穿梭系统进入线粒体经电子传递链传递生成水，同时释放出能量(详见“第八章”)。
二、糖酵解过程的能量变化
1分子葡萄糖在缺氧的条件下转变为2分子乳酸，同时伴随着能量的产生，净产生2分子ATP；糖原开始1分子葡萄糖单位糖酵解成乳酸，净产生3分子ATP（表6-3）。
三、糖酵解的生理意义
(1) 主要的生理功能是在缺氧时迅速提供能量
(二)正常情况下为一些细胞提供部分能量
(三) 糖酵解是糖有氧氧化的前段过程，其一些中间代谢物是脂类、氨基酸等合成的前体。
四、糖酵解的调节
糖酵解途径中有3个不可逆反应：分别由己糖激酶(葡萄糖激酶)、6-磷酸果糖激酶1和丙酮酸激酶催化的反应。它们是糖无氧酵解途径的三个调节点，其中以6-磷酸果糖激酶1的活性是该途径中的主要调节点。
(一)己糖激酶活性的别构调节
骨骼肌中的己糖激酶的Km相对较小,在血糖达到一定浓度后，活性就能达到最高，它是一种别构酶，其活性受到自身反应产物6-磷酸葡萄糖的抑制。肝内的葡萄糖激酶的直接调节因素是血糖浓度，由于葡萄糖激酶Km相对较大,在餐后、血糖浓度很高时，过量的葡萄糖运输到肝内，肝内的葡萄糖激酶激活；葡萄糖激酶也是别构酶，活性受到6-磷酸果糖的抑制，而不受6-磷酸葡萄糖的抑制，这样可保证肝糖原顺利合成。
(二)6-磷酸果糖激酶1的别构调节
6-磷酸果糖激酶1是糖酵解途径中最重要的一个调节点，它是别构酶，由4个亚基组成，有很多激活剂和抑制剂。高浓度ATP、柠檬酸是此酶的变构抑制剂。ADP、AMP、2，6-二磷酸果糖(Fructose 2，6 bisphosphate，F-2，6-BP)是此酶的变构激活剂。2，6-二磷酸果糖尽管和1，6二磷酸果糖结构相似，但F-2，6-BP不是6-磷酸果糖激酶1的产物，而是6-磷酸果糖激酶1最强烈的激活剂、最重要的调节因素。
F-2，6-BP的生成是以6-磷酸果糖为底物在6-磷酸果糖激酶2(6-phosphofructokinase2，PFK2)催化下产生(图6-5)。6-磷酸果糖激酶2是双功能酶，包括6-磷酸果糖激酶2与2,6-二磷酸果糖酶2活性，它们同时存在于一条55x103(55kDa )的多肽链中。6-磷酸果糖激酶2的别构激活剂是底物F-6-P，在糖供应充分时，F-6-P激活双功能酶中的6-磷酸果糖激酶2的活性、抑制2,6-二磷酸果糖酶2活性,产生大量F-2，6-BP。相反，在葡萄糖供应不足的情况下，胰高血糖素刺激产生cAMP,激活A激酶,使双功能酶磷酸化后,双功能酶中的6-磷酸果糖激酶2活性抑制而2,6-二磷酸果糖酶2活性激活，减少F-2，6-BP产生。由此可见，在高浓度葡萄糖的情况下，2，6-二磷酸果糖浓度提高，可激活6-磷酸果糖激酶1，促进糖酵解过程进行。 F-2，6-BP在参与糖代谢调节中起着重要作用。
(三)丙酮酸激酶
丙酮酸激酶是糖酵解过程的第二个调节点，1，6-二磷酸果糖是此酶的别构激活剂，而ATP是该酶的别构抑制剂，ATP能降低该酶对底物磷酸烯醇式丙酮酸的亲和力；乙酰辅酶A及游离长链脂肪酸也是该酶抑制剂，它们都是产生ATP的重要物质。&/P&
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第五节 糖的有氧氧化
有氧氧化(aerobic oxidation)是指葡萄糖生成丙酮酸后，在有氧条件下，进一步氧化生成乙酰辅酶A，经三羧酸循环彻底氧化成水、二氧化碳及能量的过程。这是糖氧化的主要方式，是机体获得能量的主要途径。
一、反应过程
（一）葡萄糖氧化生成丙酮酸；
这一阶段和糖酵解过程相似，在细胞质中进行。在缺氧的条件下丙酮酸生成乳酸。在有氧的条件下丙酮酸进入线粒体生成乙酰辅酶A，再进入三羧酸循环。
（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A
在有氧条件下，丙酮酸从细胞质进入线粒体。在丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex)的催化下进行氧化脱羧反应，该反应的ΔG'0=-39．5kJ／mol，反应不可逆(图6-6)。丙酮酸脱氢酶复合体是由三种酶组成的多酶复合体，它包括丙酮酸脱氢酶，二氢硫辛酸乙酰转移酶及二氢硫辛酸脱氢酶(表6-4)。以乙酰转移酶为核心，周围排列着丙酮酸脱氢酶及二氢硫辛酸脱氢酶。参与的辅酶有TPP，硫辛酸，FAD，NAD+，辅酶A。在多酶复合体中进行着紧密相连的连锁反应过程，反应迅速完成，催化效率高，使丙酮酸脱羧和脱氢生成乙酰辅酶A及NADH+H+。
（三）三羧酸循环
丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰辅酶A要彻底进行氧化，这个氧化过程是三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)。三羧酸循环是Krebs于1937年发现的。故又称Krebs循环。因为循环中第一个中间产物是柠檬酸，故又称柠檬酸循环(citric acid cycle)。乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，再经过一系列反应重新变成草酰乙酸完成一轮循环，其中氧化反应脱下的氢经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成ATP(详见“生物氧化”章)；而脱羧反应生成的二氧化碳则通过血液运输到呼吸系统而被排出，是体内二氧化碳的主要来源。
1.三羧酸循环反应过程：
（1）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成柠檬酸
此反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化，是三羧酸循环的关键酶，是重要的调节点。由于高能硫酯键水解时释出较多自由能，ΔG'0=-32.2kJ／mol，此反应不可逆。
（2）柠檬酸经顺乌头酸生成异柠檬酸
此反应由顺乌头酸酶催化，柠檬酸脱水、加水生成异柠檬酸。
（3）异柠檬酸β-氧化、脱羧生成α-酮戊二酸
此反应在异柠檬酸脱氢酶作用下进行脱氢、脱羧，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧。异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase)是三羧酸循环的限速酶，是最主要的调节点，辅酶是NAD+，脱氢生成的NADH+H+经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成3分子ATP。异柠檬酸先脱氢生成草酰琥珀酸，再脱羧生成α-酮戊二酸。ΔG'0=-20.9kJ／mol。
（4）α-酮戊二酸氧化、脱羧生成琥珀酰辅酶A
此反应在α-酮戊二酸脱氢酶复合体(α-ketoglutarate dehydrogenase complex)的催化下脱氢、脱羧生成琥珀酰辅酶A，这是三羧酸循环中第二次氧化脱羧。α-酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的关键酶，是第三个调节点。α-酮戊二酸脱氢酶复合体是多酶复合体，其组成及反应方式都与丙酮酸脱氢酶复合体相似。它所含的三种酶是α-酮戊二酸脱氢酶(需TPP)；硫辛酸琥珀酰基转移酶(需硫辛酸和辅酶A)；二氢硫辛酸脱氢酶(需FAD、NAD+)。脱氢生成NADH+H+，经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成3分子ATP。
由于反应中分子内部能量重排，产物琥珀酰辅酶A中含有一个高能硫酯键，此反应不可逆。ΔG'0=-33.5kJ／mol。
（5）琥珀酰辅酶A转变为琥珀酸
此反应由琥珀酸硫激酶（琥珀酰辅酶A合成酶）催化，琥珀酰辅酶A中的高能硫酯键释放能量，可以转移给ADP（或GDP），形成ATP（或GTP）。细胞中有两种同工酶，一种形成ATP，另一种形成GTP。这是因为琥珀酸硫激酶由α、β亚基组成，α亚基上有磷酸化的组氨酸残基以及结合CoA的位点；β亚基上既可以结合ATP又可以结合GTP。形成的GTP可在二磷酸核苷激酶催化下，将高能磷酸基团转移给ADP生成ATP。这是三羧酸循环中唯一的一次底物水平磷酸化，生成1分子ATP。
（6）琥珀酸脱氢转变为延胡索酸
此反应由琥珀酸脱氢酶催化，辅酶是FAD，脱氢后生成FADH2，经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成2分子ATP。
（7）延胡索酸转变为苹果酸
此反应由延胡索酸酶催化，加水生成苹果酸。
（8）苹果酸脱氢生成草酰乙酸
此反应由苹果酸脱氢酶催化，辅酶是NAD+，脱氢后生成NADH+H+，经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水，氧化磷酸化生成3分子ATP。
三羧酸循环的总反应方程式为：
&P&2. 三羧酸循环的特点：
（1）三羧酸循环是乙酰辅酶A的彻底氧化过程。草酰乙酸在反应前后并无量的变化。三羧酸循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化。
（2）三羧酸循环是能量的产生过程，1分子乙酰CoA通过TCA经历了4次脱氢（3次脱氢生成NADH+H+，1次脱氢生成FADH2）、2次脱羧生成CO2，1次底物水平磷酸化，共产生12分子ATP。
（3）三羧酸循环中柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是反应的关键酶，是反应的调节点。
3. 三羧酸循环的生理意义
（1）三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的最终代谢通路。糖、脂和蛋白质在体内代谢都最终生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环彻底氧化分解成水、CO2和产生能量。
（2）三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的枢纽。（图6-8）
二、糖的有氧氧化生理意义
糖有氧氧化的主要功能是提供能量，人体内绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获取能量。体内l分子葡萄糖彻底有氧氧化生成38(或36)分子 ATP。葡萄糖彻底氧化生成CO2、H2O的过程中，ΔG'0=-2840kJ／mol，生成了38分子 ATP，38×30.5 kJ／mol=1159 kJ／mol，产生能量的有效率为40%左右。（表6-5）
糖的有氧氧化中通过氧化磷酸化反应得到34(或32)分子ATP，通过底物水平磷酸化生成6分子ATP。在肝、肾、心等组织中l分子葡萄糖彻底氧化可生成38分子ATP，而骨骼肌及脑组织中只能生成36分子ATP，这一差别的原因是由于葡萄糖到丙酮酸这阶段的反应是在细胞质中进行，3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶NADH+H+又必须在线粒体内进行氧化磷酸化，因此NADH+H+要通过穿梭系统进入线粒体，由于穿梭系统的不同，最后获得ATP数目亦不同(详见“第八章”)。从糖原的葡萄糖残基开始氧化，则每分子糖基氧化可形成39(或37)分子ATP。
三、糖有氧氧化的调节
糖有氧氧化中，葡萄糖生成丙酮酸过程的调节和糖酵解中一样，这里主要讨论丙酮酸脱氢酶复合体和三羧酸循环的调节。
（1） 丙酮酸脱氢酶复（2） 合体的调节
丙酮酸脱氢酶复合体有别构调节和共价调节两种。别构调节的抑制剂有ATP、乙酰辅酶A、NADH、脂肪酸等。激活剂是ADP、CoA、NAD+和Ca2+等。当[ATP]/[ADP]，[NADH]/[NAD+]和[乙酰CoA]/[ CoA]很高时，提示能量足够，丙酮酸脱氢酶复合体被别构后活性抑制。
丙酮酸脱氢酶复合体还存在共价修饰调节机制：组成成分之一的丙酮酸脱氢酶中的丝氨酸残基可被特定的磷酸激酶磷酸化而使丙酮酸脱氢酶失活；相应的磷酸酶可使磷酸化的丙酮酸脱氢酶去磷酸化而恢复其活性。这个特定的磷酸激酶又受到ATP的别构激活：当ATP浓度高时，特定的磷酸激酶别构激活，使丙酮酸脱氢酶被磷酸化抑制其活性。
（3） 三羧酸循环的调节
三羧酸循环的三个调节点是：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体这三个限速酶，最重要的调节点是异柠檬酸脱氢酶，其次是α-酮戊二酸脱氢酶复合体；最主要的调节因素是ATP和NADH的浓度。当[ATP]/[ADP]，[NADH]/[NAD+]很高时，提示能量足够，三个限速酶活性被抑制；反之，这三个限速酶的活性被激活。此外，底物乙酰CoA、草酰乙酸的不足，产物柠檬酸、ATP产生过多，都能抑制柠檬酸合酶。
四、糖有氧氧化与糖酵解的相互调节
巴斯德效应（Pastuer effect）是指：在有氧的条件下糖有氧氧化抑制糖无氧酵解。这个效应是Pastuer在研究酵母菌葡萄糖发酵时发现的：在无氧的条件下，糖无氧酵解产生的ATP的速度和数量远远大于有氧氧化，为产生ATP的主要方式。但在有氧的条件下，酵母菌的酵解作用受到抑制。这种现象同样出现在肌肉中：当肌肉组织供氧充分的情况下，有氧氧化抑制糖无氧酵解，产生大量量能量供肌肉组织活动所需。缺氧时，则以糖无氧酵解为主。
在一些代谢旺盛的正常组织和肿瘤细胞中，即使在有氧的条件下，仍然以糖无氧酵解为产生ATP的主要方式，这种现象称为Cratree效应或反巴斯德效应。在具有Cratree效应的组织细胞中，其糖无氧酵解酶系（己糖激酶、6磷酸果糖激酶1、丙酮酸激酶）活性较强，而线粒体中产生ATP的酶系活性较低，氧化磷酸化减弱，以糖无氧酵解酶系产生能量为主。
第六节 磷酸戊糖途径
磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）是葡萄糖氧化分解的另一条重要途径，它的功能不是产生ATP，而是产生细胞所需的具有重要生理作用的特殊物质，如NADPH和5-磷酸核糖。这条途径存在于肝脏、脂肪组织、甲状腺、肾上腺皮质、性腺、红细胞等组织中。代谢相关的酶存在于细胞质中。
一、 磷酸戊糖途径反应过程
磷酸戊糖途径是一个比较复杂的代谢途径： 6分子葡萄糖经磷酸戊糖途径可以使1分子葡萄糖转变为6分子CO2。磷酸戊糖途径的过程见图6-9
反应可分为两个阶段：第一阶段是氧化反应，产生NADPH及5-磷酸核糖；第二阶段是非氧化反应，是一系列基团的转移过程。
第一阶段：氧化反应
6-磷酸葡萄糖由6-磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose 6-phosphate dehydrogenase,G-6-PD）及6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化作用，NADP+是它们的辅酶，G-6-P在第一位碳原子上脱氢脱羧而转变为5-磷酸核酮糖，同时生成2分子NADPH+H+及1分子CO2。5-磷酸核酮糖在异构酶的作用下成为5-磷酸核糖。
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&P&第五章 维生素
维生素(vitamins)是动物维持正常功能所必需的一组有机化合物,需要量极小,但动物本身不能合成或合成量不足,必须从食物中获得，是人体必需的一类微量营养素。目前已知为人体所必需的维生素有13种，根据溶解度不同分脂溶性和水溶性两类。脂溶性维生素有维生素A、维生素D、维生素E、维生素K。水溶性维生素有硫胺素（B1）、核黄素（B2）、尼克酸（B3）、遍多酸（B5）、生物素、叶酸（M）、钴胺素（B12）和维生素C。&/P&&P&第一节　　脂溶性维生素&/P&&P&脂溶性维生素（fat-soluble vitamins）A、D、E、K均是异戊二烯或异戊烯的衍生物。它们均可在体内如肝、脂肪组织中贮存，因此只有长期摄入不足才会发生缺乏症。食物中的脂溶性维生素必须和脂类一起吸收，因此影响脂类消化吸收的因素（如胆汁酸缺乏，长期腹泻等）均可造成脂溶性维生素吸收减少，甚至引起缺乏症。维生素A和维生素D摄入过量可发生中毒。
一、维生素A
维生素A包括维生素A1（视黄醇retinol）和维生素A2（3-脱氢视黄醇，3-dehydroretinol），两者均为20C含白芷酮环的多烯烃一元醇。A1和A2的差别仅后者在3位多一个双键（图5-1）。
A1和A2分别存在于海水及淡水鱼肝中。植物中的β-胡萝卜素在肠道可转变为二分子视黄醛（retinal），因此胡萝卜素是一种维生素A原。体内视黄醛可以还原成视黄醇，此反应为可逆的。视黄醛亦可进一步氧化成视黄酸（retinoic acid）。胡萝卜素在肠道氧化成二分子视黄醛及其与视黄醇、视黄酸的互变如图5- 2所示。
视黄醇与视黄醛的互变是脊椎动物眼睛视觉色素生成的重要条件，维甲酸已作为一种激素，参与基因表达的调节，在上皮等组织的发生发展中起重要作用。人体的维生素A主要摄自动物肝、未脱脂乳及其制品、蛋类等食物，富含β