第七章 生物氧化

一、生物氧化的概念和特點(diǎn)：

物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過(guò)程稱(chēng)為生物氧化。與體外燃燒一樣，生物氧化也是一個(gè)消耗O2，生成CO2和H2O，并釋放出大量能量的過(guò)程。但與體外燃燒不同的是，生物氧化過(guò)程是在37℃，近于中性的含水環(huán)境中，由酶催化進(jìn)行的;反應(yīng)逐步釋放出能量，相當(dāng)一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲(chǔ)存起來(lái)。

二、線粒體氧化呼吸鏈：

在線粒體中，由若干遞氫體或遞電子體按一定順序排列組成的，與細(xì)胞呼吸過(guò)程有關(guān)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)體系稱(chēng)為呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。主要的復(fù)合體有：

1. 復(fù)合體Ⅰ(NADH-泛醌還原酶)：由一分子NADH還原酶(FMN)，兩分子鐵硫蛋白(Fe-S)和一分子CoQ組成，其作用是將(NADH+H+)傳遞給CoQ。

鐵硫蛋白分子中含有非血紅素鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫。其分子中的鐵離子與硫原子構(gòu)成一種特殊的正四面體結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為鐵硫中心或鐵硫簇，鐵硫蛋白是單電子傳遞體。泛醌(CoQ)是存在于線粒體內(nèi)膜上的一種脂溶性醌類(lèi)化合物。分子中含對(duì)苯醌結(jié)構(gòu)，可接受二個(gè)氫原子而轉(zhuǎn)變成對(duì)苯二酚結(jié)構(gòu)，是一種雙遞氫體。

2. 復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸-泛醌還原酶)：由一分子琥珀酸脫氫酶(FAD)，兩分子鐵硫蛋白和兩分子Cytb560組成，其作用是將FADH2傳遞給CoQ。

細(xì)胞色素類(lèi)：這是一類(lèi)以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)，為單電子傳遞體。細(xì)胞色素可存在于線粒體內(nèi)膜，也可存在于微粒體。存在于線粒體內(nèi)膜的細(xì)胞色素有Cytaa3，Cytb(b560，b562，b566)，Cytc，Cytc1;而存在于微粒體的細(xì)胞色素有CytP450和Cytb5。

3. 復(fù)合體Ⅲ(泛醌-細(xì)胞色素c還原酶)：由兩分子Cytb(分別為Cytb562和Cytb566)，一分子Cytc1和一分子鐵硫蛋白組成，其作用是將電子由泛醌傳遞給Cytc。

4. 復(fù)合體Ⅳ(細(xì)胞色素c氧化酶)：由一分子Cyta和一分子Cyta3組成，含兩個(gè)銅離子，可直接將電子傳遞給氧，故Cytaa3又稱(chēng)為細(xì)胞色素c氧化酶，其作用是將電子由Cytc傳遞給氧。

三、呼吸鏈成分的排列順序：

由上述遞氫體或遞電子體組成了NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈兩條呼吸鏈。

1.NADH氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序?yàn)椋篘AD+ →[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。丙酮酸、α-酮戊二酸、異檸檬酸、蘋(píng)果酸、β-羥丁酸、β-羥脂酰CoA和谷氨酸脫氫后經(jīng)此呼吸鏈遞氫。

2.琥珀酸氧化呼吸鏈：其遞氫體或遞電子體的排列順序?yàn)椋?[ FAD (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →1/2O2 。琥珀酸、3-磷酸甘油(線粒體)和脂酰CoA脫氫后經(jīng)此呼吸鏈遞氫。

四、生物體內(nèi)能量生成的方式：

1.氧化磷酸化：在線粒體中，底物分子脫下的氫原子經(jīng)遞氫體系傳遞給氧，在此過(guò)程中釋放能量使ADP磷酸化生成ATP，這種能量的生成方式就稱(chēng)為氧化磷酸化。

2.底物水平磷酸化：直接將底物分子中的高能鍵轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的末端高能磷酸鍵的過(guò)程稱(chēng)為底物水平磷酸化。

五、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位：

每消耗一摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷的摩爾數(shù)稱(chēng)為P/O比值。當(dāng)?shù)孜锩摎湟訬AD+為受氫體時(shí)，P/O比值約為3;而當(dāng)?shù)孜锩摎湟訤AD為受氫體時(shí)，P/O比值約為2。故NADH氧化呼吸鏈有三個(gè)生成ATP的偶聯(lián)部位，而琥珀酸氧化呼吸鏈只有兩個(gè)生成ATP的偶聯(lián)部位。

六、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制：

目前公認(rèn)的機(jī)制是1961年由Mitchell提出的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氧化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，H+通過(guò)氫泵作用(氧化還原袢)被排斥到線粒體內(nèi)膜外側(cè)(膜間腔)，從而形成跨膜pH梯度和跨膜電位差。這種形式的能量，可以被存在于線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基團(tuán)，并與ADP結(jié)合而合成ATP。

在電鏡下，ATP合酶分為三個(gè)部分，即頭部，柄部和基底部。但如用生化技術(shù)進(jìn)行分離，則只能得到F0(基底部+部分柄部)和F1(頭部+部分柄部)兩部分。ATP合酶的中心存在質(zhì)子通道，當(dāng)質(zhì)子通過(guò)這一通道進(jìn)入線粒體基質(zhì)時(shí)，其能量被頭部的ATP合酶催化活性中心利用以合成ATP。

七、氧化磷酸化的影響因素：

1.ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是調(diào)節(jié)氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快;反之，當(dāng)ATP/ADP比值升高時(shí)，則氧化磷酸化速度減慢。

2.甲狀腺激素：甲狀腺激素可以激活細(xì)胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。

3.藥物和毒物：

⑴呼吸鏈的抑制劑：能夠抑制呼吸鏈遞氫或遞電子過(guò)程的藥物或毒物稱(chēng)為呼吸鏈的抑制劑。能夠抑制第一位點(diǎn)的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚(yú)藤酮等;能夠抑制第二位點(diǎn)的有抗霉素A和二巰基丙醇;能夠抑制第三位點(diǎn)的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制還原型Cytaa3-Fe2+。

⑵解偶聯(lián)劑：不抑制呼吸鏈的遞氫或遞電子過(guò)程，但能使氧化產(chǎn)生的能量不能用于ADP的磷酸化的試劑稱(chēng)為解偶聯(lián)劑。其機(jī)理是增大了線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除，從而使氧化過(guò)程釋放的能量不能用于ATP的合成反應(yīng)。主要的解偶聯(lián)劑有2,4-二硝基酚。

⑶氧化磷酸化的抑制劑：對(duì)電子傳遞和ADP磷酸化均有抑制作用的藥物和毒物稱(chēng)為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。

八、高能磷酸鍵的類(lèi)型：

生物化學(xué)中常將水解時(shí)釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱(chēng)為高能磷酸鍵，主要有以下幾種類(lèi)型：

1.磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類(lèi)化合物，如ADP，ATP等。

2.混合酐鍵：由磷酸與羧酸脫水后形成的酐鍵，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。

3.烯醇磷酸鍵：見(jiàn)于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4.磷酸胍鍵：見(jiàn)于磷酸肌酸中，是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動(dòng)之需。這一反應(yīng)過(guò)程由肌酸磷酸激酶(CPK)催化完成。

九、線粒體外NADH的穿梭：

胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脫氫，均可產(chǎn)生NADH。這些NADH可經(jīng)穿梭系統(tǒng)而進(jìn)入線粒體氧化磷酸化，產(chǎn)生H2O和ATP。

1.磷酸甘油穿梭系統(tǒng)：這一系統(tǒng)以3-磷酸甘油和磷酸二羥丙酮為載體，在兩種不同的α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體中，交給FAD，再沿琥珀酸氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。因此，如NADH通過(guò)此穿梭系統(tǒng)帶一對(duì)氫原子進(jìn)入線粒體，則只得到2分子ATP。

2.蘋(píng)果酸穿梭系統(tǒng)：此系統(tǒng)以蘋(píng)果酸和天冬氨酸為載體，在蘋(píng)果酸脫氫酶和谷草轉(zhuǎn)氨酶的催化下。將胞液中NADH的氫原子帶入線粒體交給NAD+，再沿NADH氧化呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。因此，經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對(duì)氫原子可生成3分子

第八章 氨基酸代謝

一、蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)作用：

1.蛋白質(zhì)的生理功能：主要有：①是構(gòu)成組織細(xì)胞的重要成分;②參與組織細(xì)胞的更新和修補(bǔ);③參與物質(zhì)代謝及生理功能的調(diào)控;④氧化供能;⑤其他功能：如轉(zhuǎn)運(yùn)、凝血、免疫、記憶、識(shí)別等。

2.氮平衡：體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成與分解處于動(dòng)態(tài)平衡中，故每日氮的攝入量與排出量也維持著動(dòng)態(tài)平衡，這種動(dòng)態(tài)平衡就稱(chēng)為氮平衡。氮平衡有以下幾種情況：

⑴氮總平衡：每日攝入氮量與排出氮量大致相等，表示體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成量與分解量大致相等，稱(chēng)為氮總平衡。此種情況見(jiàn)于正常成人。

⑵氮正平衡：每日攝入氮量大于排出氮量，表明體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成量大于分解量，稱(chēng)為氮正平衡。此種情況見(jiàn)于兒童、孕婦、病后恢復(fù)期。

⑶氮負(fù)平衡：每日攝入氮量小于排出氮量，表明體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成量小于分解量，稱(chēng)為氮負(fù)平衡。此種情況見(jiàn)于消耗性疾病患者(結(jié)核、腫瘤)，饑餓者。

3.必需氨基酸與非必需氨基酸：體內(nèi)不能合成，必須由食物蛋白質(zhì)供給的氨基酸稱(chēng)為必需氨基酸。反之，體內(nèi)能夠自行合成，不必由食物供給的氨基酸就稱(chēng)為非必需氨基酸。

必需氨基酸一共有八種：賴(lài)氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、蛋氨酸(Met)、蘇氨酸(Thr)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、纈氨酸(Val)。酪氨酸和半胱氨酸必需以必需氨基酸為原料來(lái)合成，故被稱(chēng)為半必需氨基酸。

4.蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及互補(bǔ)作用：蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高低的決定因素有：① 必需氨基酸的含量;② 必需氨基酸的種類(lèi);③ 必需氨基酸的比例，即具有與人體需求相符的氨基酸組成。將幾種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低的食物蛋白質(zhì)混合后食用，以提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的作用稱(chēng)為食物蛋白質(zhì)的互補(bǔ)作用。

二、蛋白質(zhì)的消化、吸收與腐敗

1.蛋白質(zhì)的消化：胃蛋白酶水解食物蛋白質(zhì)為多肽，再在小腸中完全水解為氨基酸。

2.氨基酸的吸收：主要在小腸進(jìn)行，是一種主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，需由特殊載體攜帶。除此之外，也可經(jīng)γ-谷氨酰循環(huán)進(jìn)行。

3.蛋白質(zhì)在腸中的腐?。褐饕诖竽c中進(jìn)行，是細(xì)菌對(duì)蛋白質(zhì)及其消化產(chǎn)物的分解作用，可產(chǎn)生有毒物質(zhì)。

三、氨基酸的脫氨基作用：

氨基酸主要通過(guò)三種方式脫氨基，即氧化脫氨基，聯(lián)合脫氨基和非氧化脫氨基。

1.氧化脫氨基：反應(yīng)過(guò)程包括脫氫和水解兩步，反應(yīng)主要由L-氨基酸氧化酶和谷氨酸脫氫酶所催化。L-氨基酸氧化酶是一種需氧脫氫酶，該酶在人體內(nèi)作用不大。谷氨酸脫氫酶是一種不需氧脫氫酶，以NAD+或NADP+為輔酶。該酶作用較大，屬于變構(gòu)酶，其活性受ATP，GTP的抑制，受ADP，GDP的激活。

2.轉(zhuǎn)氨基作用：由轉(zhuǎn)氨酶催化，將α-氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移到α-酮酸酮基的位置上，生成相應(yīng)的α-氨基酸，而原來(lái)的α-氨基酸則轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的α-酮酸。轉(zhuǎn)氨酶以磷酸吡哆醛(胺)為輔酶。轉(zhuǎn)氨基作用可以在各種氨基酸與α-酮酸之間普遍進(jìn)行。除Gly，Lys，Thr，Pro外，均可參加轉(zhuǎn)氨基作用。較為重要的轉(zhuǎn)氨酶有：

⑴ 丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)，又稱(chēng)為谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)。催化丙氨酸與α-酮戊二酸之間的氨基移換反應(yīng)，為可逆反應(yīng)。該酶在肝臟中活性較高，在肝臟疾病時(shí)，可引起血清中ALT活性明顯升高。

⑵ 天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)，又稱(chēng)為谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)。催化天冬氨酸與α-酮戊二酸之間的氨基移換反應(yīng)，為可逆反應(yīng)。該酶在心肌中活性較高，故在心肌疾患時(shí)，血清中AST活性明顯升高。

3.聯(lián)合脫氨基作用：轉(zhuǎn)氨基作用與氧化脫氨基作用聯(lián)合進(jìn)行，從而使氨基酸脫去氨基并氧化為α-酮酸的過(guò)程，稱(chēng)為聯(lián)合脫氨基作用?？稍诖蠖鄶?shù)組織細(xì)胞中進(jìn)行，是體內(nèi)主要的脫氨基的方式。

4.嘌呤核苷酸循環(huán)(PNC)：這是存在于骨骼肌和心肌中的一種特殊的聯(lián)合脫氨基作用方式。在骨骼肌和心肌中，腺苷酸脫氨酶的活性較高，該酶可催化AMP脫氨基，此反應(yīng)與轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)相聯(lián)系，即構(gòu)成嘌呤核苷酸循環(huán)的脫氨基作用。

四、α-酮酸的代謝：

1.再氨基化為氨基酸。

2.轉(zhuǎn)變?yōu)樘腔蛑耗承┌被崦摪被笊商钱惿緩降闹虚g代謝物，故可經(jīng)糖異生途徑生成葡萄糖，這些氨基酸稱(chēng)為生糖氨基酸。個(gè)別氨基酸如Leu，Lys，經(jīng)代謝后只能生成乙酰CoA或乙酰乙酰CoA，再轉(zhuǎn)變?yōu)橹蛲w，故稱(chēng)為生酮氨基酸。而Phe，Tyr，Ile，Thr，Trp經(jīng)分解后的產(chǎn)物一部分可生成葡萄糖，另一部分則生成乙酰CoA，故稱(chēng)為生糖兼生酮氨基酸。

3.氧化供能：進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化分解供能。

五、氨的代謝：

1.血氨的來(lái)源與去路：

⑴血氨的來(lái)源：①由腸道吸收;②氨基酸脫氨基;③氨基酸的酰胺基水解;④其他含氮物的分解。

⑵血氨的去路：①在肝臟轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?②合成氨基酸;③合成其他含氮物;④合成天冬酰胺和谷氨酰胺;⑤直接排出。

2.氨在血中的轉(zhuǎn)運(yùn)：氨在血液循環(huán)中的轉(zhuǎn)運(yùn)，需以無(wú)毒的形式進(jìn)行，如生成丙氨酸或谷氨酰胺等，將氨轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟或腎臟進(jìn)行代謝。

⑴丙氨酸-葡萄糖循環(huán)：肌肉中的氨基酸將氨基轉(zhuǎn)給丙酮酸生成丙氨酸，后者經(jīng)血液循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟再脫氨基，生成的丙酮酸經(jīng)糖異生轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟呛笤俳?jīng)血液循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)至肌肉重新分解產(chǎn)生丙酮酸，這一循環(huán)過(guò)程就稱(chēng)為丙氨酸-葡萄糖循環(huán)。

⑵谷氨酰胺的運(yùn)氨作用：肝外組織，如腦、骨骼肌、心肌在谷氨酰胺合成酶的催化下，合成谷氨酰胺，以谷氨酰胺的形式將氨基經(jīng)血液循環(huán)帶到肝臟，再由谷氨酰胺酶將其分解，產(chǎn)生的氨即可用于合成尿素。因此，谷氨酰胺對(duì)氨具有運(yùn)輸、貯存和解毒作用。

3.鳥(niǎo)氨酸循環(huán)與尿素的合成：體內(nèi)氨的主要代謝去路是用于合成尿素。合成尿素的主要器官是肝臟，但在腎及腦中也可少量合成。尿素合成是經(jīng)鳥(niǎo)氨酸循環(huán)的反應(yīng)過(guò)程來(lái)完成，催化這些反應(yīng)的酶存在于胞液和線粒體中。其主要反應(yīng)過(guò)程如下：NH3+CO2+2ATP →氨基甲酰磷酸→胍氨酸→精氨酸代琥珀酸→精氨酸→尿素+鳥(niǎo)氨酸。

尿素合成的特點(diǎn)：①合成主要在肝臟的線粒體和胞液中進(jìn)行;②合成一分子尿素需消耗四分子ATP;③精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的關(guān)鍵酶;④尿素分子中的兩個(gè)氮原子，一個(gè)來(lái)源于NH3，一個(gè)來(lái)源于天冬氨酸。

六、氨基酸的脫羧基作用：

由氨基酸脫羧酶催化，輔酶為磷酸吡哆醛，產(chǎn)物為CO2和胺。

1.γ-氨基丁酸的生成：γ-氨基丁酸(GABA)是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，由L-谷氨酸脫羧而產(chǎn)生。反應(yīng)由L-谷氨酸脫羧酶催化，在腦及腎中活性很高。

2.5-羥色胺的生成：5-羥色胺(5-HT)也是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，且具有強(qiáng)烈的縮血管作用，其合成原料是色氨酸。合成過(guò)程為：色氨酸→5羥色氨酸→5-羥色胺。

3.組胺的生成：組胺由組氨酸脫羧產(chǎn)生，具有促進(jìn)平滑肌收縮，促進(jìn)胃酸分泌和強(qiáng)烈的舒血管作用。

4.多胺的生成：精脒和精胺均屬于多胺，它們與細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖的調(diào)節(jié)有關(guān)。合成的原料為鳥(niǎo)氨酸，關(guān)鍵酶是鳥(niǎo)氨酸脫羧酶。

七、一碳單位的代謝：

一碳單位是指只含一個(gè)碳原子的有機(jī)基團(tuán)，這些基團(tuán)通常由其載體攜帶參加代謝反應(yīng)。常見(jiàn)的一碳單位有甲基(-CH3)、亞甲基或甲烯基(-CH2-)、次甲基或甲炔基(=CH-)、甲?；?-CHO)、亞氨甲基(-CH=NH)、羥甲基(-CH2OH)等。

一碳單位通常由其載體攜帶，常見(jiàn)的載體有四氫葉酸(FH4)和S-腺苷同型半胱氨酸，有時(shí)也可為VitB12。

常見(jiàn)的一碳單位的四氫葉酸衍生物有：①N10-甲酰四氫葉酸(N10-CHO FH4);②N5-亞氨甲基四氫葉酸(N5-CH=NH FH4);③N5,N10-亞甲基四氫葉酸 (N5,N10-CH2-FH4);④N5,N10-次甲基四氫葉酸 (N5,N10=CH-FH4);⑤N5-甲基四氫葉酸(N5-CH3 FH4)。

蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸和色氨酸代謝降解后可生成N10-甲酰四氫葉酸，后者可用于嘌呤C2原子的合成;蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸和組氨酸代謝降解后可生成N5,N10-次甲基四氫葉酸，后者可用于嘌呤C8原子的合成;絲氨酸代謝降解后可生成N5,N10-亞甲基四氫葉酸，后者可用于胸腺嘧啶甲基的合成。

八、S-腺苷蛋氨酸循環(huán)：

蛋氨酸是體內(nèi)合成許多重要化合物，如腎上腺素、膽堿、肌酸和核酸等的甲基供體。其活性形式為S-腺苷蛋氨酸(SAM)。SAM也是一種一碳單位衍生物，其載體可認(rèn)為是S-腺苷同型半胱氨酸，攜帶的一碳單位是甲基。

從蛋氨酸形成的S-腺苷蛋氨酸，在提供甲基以后轉(zhuǎn)變?yōu)橥桶腚装彼?，然后再反方向重新合成蛋氨酸，這一循環(huán)反應(yīng)過(guò)程稱(chēng)為S-腺苷蛋氨酸循環(huán)或活性甲基循環(huán)。

九、芳香族氨基酸的代謝：

在神經(jīng)組織細(xì)胞中的主要代謝過(guò)程為：苯丙氨酸→酪氨酸→多巴→多巴胺→去甲腎上腺素→腎上腺素。多巴胺、去甲腎上腺素和腎上腺素統(tǒng)稱(chēng)兒茶酚胺。在黑色素細(xì)胞中，多巴可轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?。苯丙氨酸羥化酶遺傳性缺陷可致苯丙酮酸尿癥，酪氨酸酶遺傳性缺陷可致白化病。

第九章 核苷酸代謝

一、核苷酸類(lèi)物質(zhì)的生理功用：

核苷酸類(lèi)物質(zhì)在人體內(nèi)的生理功用主要有：

① 作為合成核酸的原料：如用ATP，GTP，CTP，UTP合成RNA，用dATP，dGTP，dCTP，dTTP合成DNA。

② 作為能量的貯存和供應(yīng)形式：除ATP之外，還有GTP，UTP，CTP等。

③ 參與代謝或生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)：如環(huán)核苷酸cAMP和cGMP作為激素的第二信使。

④ 參與構(gòu)成酶的輔酶或輔基：如在NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，F(xiàn)MN，CoA中均含有核苷酸的成分。

⑤ 作為代謝中間物的載體：如用UDP攜帶糖基，用CDP攜帶膽堿，膽胺或甘油二酯，用腺苷攜帶蛋氨酸(SAM)等。

二、嘌呤核苷酸的合成代謝：

1.從頭合成途徑：利用一些簡(jiǎn)單的前體物，如5-磷酸核糖，氨基酸，一碳單位及CO2等，逐步合成嘌呤核苷酸的過(guò)程稱(chēng)為從頭合成途徑。這一途徑主要見(jiàn)于肝臟，其次為小腸和胸腺。

嘌呤環(huán)中各原子分別來(lái)自下列前體物質(zhì)：Asp → N1;N10-CHO FH4 → C2 ;Gln → N3和N9 ;CO2 → C6 ;N5,N10=CH-FH4 → C8 ;Gly → C4 、C5 和N7。

合成過(guò)程可分為三個(gè)階段：

⑴ 次黃嘌呤核苷酸的合成：在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下，消耗ATP，由5’-磷酸核糖合成PRPP(1’-焦磷酸-5’-磷酸核糖)。然后再經(jīng)過(guò)大約10步反應(yīng)，合成第一個(gè)嘌呤核苷酸——次黃苷酸(IMP)。

⑵ 腺苷酸及鳥(niǎo)苷酸的合成：IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸(AMP-S)，然后裂解產(chǎn)生AMP;IMP也可在IMP脫氫酶的催化下，以NAD+為受氫體，脫氫氧化為黃苷酸(XMP)，后者再在鳥(niǎo)苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鳥(niǎo)苷酸(GMP)。

⑶三磷酸嘌呤核苷的合成：AMP/GMP被進(jìn)一步磷酸化，最后生成ATP/GTP，作為合成RNA的原料。ADP/GDP則可在核糖核苷酸還原酶的催化下，脫氧生成dADP/dGDP，然后再磷酸化為dATP/dGTP，作為合成DNA的原料。

2.補(bǔ)救合成途徑：又稱(chēng)再利用合成途徑。指利用分解代謝產(chǎn)生的自由嘌呤堿合成嘌呤核苷酸的過(guò)程。這一途徑可在大多數(shù)組織細(xì)胞中進(jìn)行。其反應(yīng)為：A + PRPP → AMP;G/I + PRPP → GMP/IMP。

3.抗代謝藥物對(duì)嘌呤核苷酸合成的抑制：能夠抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代謝藥物，通常是屬于嘌呤、氨基酸或葉酸的類(lèi)似物，主要通過(guò)對(duì)代謝酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，來(lái)干擾或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗腫瘤治療作用。在臨床上應(yīng)用較多的嘌呤核苷酸類(lèi)似物主要是6-巰基嘌呤(6-MP)。6-MP的化學(xué)結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤類(lèi)似，因而可以抑制IMP轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP或GMP，從而干擾嘌呤核苷酸的合成。

三、嘌呤核苷酸的分解代謝：

嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下，脫去磷酸生成嘌呤核苷，然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤堿，最后產(chǎn)生的I和X經(jīng)黃嘌呤氧化酶催化氧化生成終產(chǎn)物尿酸。痛風(fēng)癥患者由于體內(nèi)嘌呤核苷酸分解代謝異常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸鈉晶體沉積于軟骨、關(guān)節(jié)、軟組織及腎臟，臨床上表現(xiàn)為皮下結(jié)節(jié)，關(guān)節(jié)疼痛等。可用別嘌呤醇予以治療。

四、嘧啶核苷酸的合成代謝：

1.從頭合成途徑：指利用一些簡(jiǎn)單的前體物逐步合成嘧啶核苷酸的過(guò)程。該過(guò)程主要在肝臟的胞液中進(jìn)行。嘧啶環(huán)中各原子分別來(lái)自下列前體物：CO2→C2 ;Gln→N3 ;Asp →C4 、C5 、C6 、N1 。嘧啶核苷酸的主要合成步驟為：

⑴尿苷酸的合成：在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下，以Gln，CO2，ATP等為原料合成氨基甲酰磷酸。后者在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶的催化下，轉(zhuǎn)移一分子天冬氨酸，從而合成氨甲酰天冬氨酸，然后再經(jīng)脫氫、脫羧、環(huán)化等反應(yīng)，合成第一個(gè)嘧啶核苷酸，即UMP。

⑵胞苷酸的合成：UMP經(jīng)磷酸化后生成UTP，再在胞苷酸合成酶的催化下，由Gln提供氨基轉(zhuǎn)變?yōu)镃TP。

⑶脫氧嘧啶核苷酸的合成：①CTP→CDP→dCDP→dCTP。②dCDP→dCMP→dUMP→dTMP→dTDP→dTTP。胸苷酸合成酶催化dUMP甲基化，甲基供體為N5,N10-亞甲基四氫葉酸。

2.補(bǔ)救合成途徑：由分解代謝產(chǎn)生的嘧啶/嘧啶核苷轉(zhuǎn)變?yōu)猷奏ず塑账岬倪^(guò)程稱(chēng)為補(bǔ)救合成途徑。以嘧啶核苷的補(bǔ)救合成途徑較重要。主要反應(yīng)為：UR/CR + ATP → UMP/CMP;TdR + ATP → dTMP。

3.抗代謝藥物對(duì)嘧啶核苷酸合成的抑制：能夠抑制嘧啶核苷酸合成的抗代謝藥物也是一些嘧啶核苷酸的類(lèi)似物，通過(guò)對(duì)酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制而干擾或抑制嘧啶核苷酸的合成。主要的抗代謝藥物是5-氟尿嘧啶(5-FU)。5-FU在體內(nèi)可轉(zhuǎn)變?yōu)镕-dUMP，其結(jié)構(gòu)與dUMP相似，可競(jìng)爭(zhēng)性抑制胸苷酸合成酶的活性，從而抑制胸苷酸的合成。

五、嘧啶核苷酸的分解代謝：

嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下，除去磷酸和核糖，產(chǎn)生的嘧啶堿可在體內(nèi)進(jìn)一步分解代謝。不同的嘧啶堿其分解代謝的產(chǎn)物不同，其降解過(guò)程主要在肝臟進(jìn)行。

胞嘧啶和尿嘧啶降解的終產(chǎn)物為(β-丙氨酸 + NH3 + CO2 );胸腺嘧啶降解的終產(chǎn)物為(β-氨基異丁酸 + NH3 + CO2 )。

第十一章 DNA的生物合成

一、遺傳學(xué)的中心法則和反中心法則：

DNA通過(guò)復(fù)制將遺傳信息由親代傳遞給子代;通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯，將遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)分子，從而決定生物的表現(xiàn)型。DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程就構(gòu)成了遺傳學(xué)的中心法則。但在少數(shù)RNA病毒中，其遺傳信息貯存在RNA中。因此，在這些生物體中，遺傳信息的流向是RNA通過(guò)復(fù)制，將遺傳信息由親代傳遞給子代;通過(guò)反轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給DNA，再由DNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯傳遞給蛋白質(zhì)，這種遺傳信息的流向就稱(chēng)為反中心法則。

二、DNA復(fù)制的特點(diǎn)：

1.半保留復(fù)制：DNA在復(fù)制時(shí)，以親代DNA的每一股作模板，合成完全相同的兩個(gè)雙鏈子代DNA，每個(gè)子代DNA中都含有一股親代DNA鏈，這種現(xiàn)象稱(chēng)為DNA的半保留復(fù)制(semiconservative replication)。DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的實(shí)驗(yàn)所證明。

2.有一定的復(fù)制起始點(diǎn)：DNA在復(fù)制時(shí)，需在特定的位點(diǎn)起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復(fù)制起始點(diǎn)(復(fù)制子)。在原核生物中，復(fù)制起始點(diǎn)通常為一個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)。

3.需要引物(primer)：DNA聚合酶必須以一段具有3’端自由羥基(3’-OH)的RNA作為引物，才能開(kāi)始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個(gè)核苷酸，而在真核生物中約為10個(gè)核苷酸。

4.雙向復(fù)制：DNA復(fù)制時(shí)，以復(fù)制起始點(diǎn)為中心，向兩個(gè)方向進(jìn)行復(fù)制。但在低等生物中，也可進(jìn)行單向復(fù)制。

5.半不連續(xù)復(fù)制：由于DNA聚合酶只能以5’→3’方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時(shí)的方式是不同的。以3’→5’方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時(shí)基本上是連續(xù)進(jìn)行的，這一條鏈被稱(chēng)為領(lǐng)頭鏈(leading strand)。而以5’→3’方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時(shí)則是不連續(xù)的，這條鏈被稱(chēng)為隨從鏈(lagging strand)。DNA在復(fù)制時(shí)，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱(chēng)為岡崎片段(Okazaki fragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個(gè)核苷酸，而在真核生物中約為100個(gè)核苷酸。

三、DNA復(fù)制的條件：

1.底物：以四種脫氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)為底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。

2.模板(template)：以親代DNA的兩股鏈解開(kāi)后，分別作為模板進(jìn)行復(fù)制。

3.引發(fā)體(primosome)和RNA引物(primer)：引發(fā)體由引發(fā)前體與引物酶(primase)組裝而成。引發(fā)前體是由若干蛋白因子聚合而成的復(fù)合體;引物酶本質(zhì)上是一種依賴(lài)DNA的RNA聚合酶(DDRP)。

4.DNA聚合酶(DNA dependent DNA polymerase, DDDP)：

⑴種類(lèi)和生理功能：在原核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有三種，分別命名為DNA聚合酶Ⅰ(pol Ⅰ)，DNA聚合酶Ⅱ(pol Ⅱ)，DNA聚合酶Ⅲ(pol Ⅲ)，這三種酶都屬于具有多種酶活性的多功能酶。pol Ⅰ為單一肽鏈的大分子蛋白質(zhì)，具有5’→3’聚合酶活性、3’→5’外切酶活性和5’→3’外切酶的活性;其功能主要是去除引物、填補(bǔ)缺口以及修復(fù)損傷。pol Ⅱ具有5’→3’聚合酶活性和3’→5’外切酶活性，其功能 不明。pol Ⅲ是由十種亞基組成的不對(duì)稱(chēng)二聚體，具有5’→3’聚合酶活性和3’→5’外切酶活性，與DNA復(fù)制功能有關(guān)。

在真核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有五種。其中，參與染色體DNA復(fù)制的是pol α(延長(zhǎng)隨從鏈)和pol δ(延長(zhǎng)領(lǐng)頭鏈)，參與線粒體DNA復(fù)制的是pol γ，polε與DNA損傷修復(fù)、校讀和填補(bǔ)缺口有關(guān)，pol β只在其他聚合酶無(wú)活性時(shí)才發(fā)揮作用。

⑵DNA復(fù)制的保真性：為了保證遺傳的穩(wěn)定，DNA的復(fù)制必須具有高保真性。DNA復(fù)制時(shí)的保真性主要與下列因素有關(guān)：①遵守嚴(yán)格的堿基配對(duì)規(guī)律;②在復(fù)制時(shí)對(duì)堿基的正確選擇;③對(duì)復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行校正。

5.DNA連接酶(DNA ligase)：DNA連接酶可催化兩段DNA片段之間磷酸二酯鍵的形成，而使兩段DNA連接起來(lái)。該酶催化的條件是：① 需一段DNA片段具有3’-OH，而另一段DNA片段具有5’-Pi基;② 未封閉的缺口位于雙鏈DNA中，即其中有一條鏈?zhǔn)峭暾?③ 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。

6.單鏈DNA結(jié)合蛋白(single strand binding protein, SSB)：又稱(chēng)螺旋反穩(wěn)蛋白(HDP)。這是一些能夠與單鏈DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)因子。其作用為：①穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復(fù)制子代DNA;② 保護(hù)單鏈DNA，避免核酸酶的降解。

7.解螺旋酶(unwinding enzyme)：又稱(chēng)解鏈酶或rep蛋白，是用于解開(kāi)DNA雙鏈的酶蛋白，每解開(kāi)一對(duì)堿基，需消耗兩分子ATP。

8.拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)：拓?fù)洚悩?gòu)酶可將DNA雙鏈中的一條鏈或兩條鏈切斷，松開(kāi)超螺旋后再將DNA鏈連接起來(lái)，從而避免出現(xiàn)鏈的纏繞。

四、DNA生物合成過(guò)程：

1.復(fù)制的起始：

⑴預(yù)引發(fā)：①解旋解鏈，形成復(fù)制叉：由拓?fù)洚悩?gòu)酶和解鏈酶作用，使DNA的超螺旋及雙螺旋結(jié)構(gòu)解開(kāi)，形成兩條單鏈DNA。單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)結(jié)合在單鏈DNA上，形成復(fù)制叉。DNA復(fù)制時(shí)，局部雙螺旋解開(kāi)形成兩條單鏈，這種叉狀結(jié)構(gòu)稱(chēng)為復(fù)制叉。②引發(fā)體組裝：由引發(fā)前體蛋白因子識(shí)別復(fù)制起始點(diǎn)，并與引發(fā)酶一起組裝形成引發(fā)體。

⑵引發(fā)：在引發(fā)酶的催化下，以DNA鏈為模板，合成一段短的RNA引物。

2.復(fù)制的延長(zhǎng)：

⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以親代DNA鏈為模板，從5’→3’方向聚合子代DNA鏈。

⑵引發(fā)體移動(dòng)：引發(fā)體向前移動(dòng)，解開(kāi)新的局部雙螺旋，形成新的復(fù)制叉，隨從鏈重新合成RNA引物，繼續(xù)進(jìn)行鏈的延長(zhǎng)。

3.復(fù)制的終止：

⑴去除引物，填補(bǔ)缺口： RNA引物被水解，缺口由DNA鏈填補(bǔ)，直到剩下最后一個(gè)磷酸酯鍵的缺口。

⑵連接岡崎片段：在DNA連接酶的催化下，將岡崎片段連接起來(lái)，形成完整的DNA長(zhǎng)鏈。

⑶真核生物端粒(telomere)的形成：端粒是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。線性DNA在復(fù)制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶(telomerase)的催化下，進(jìn)行延長(zhǎng)反應(yīng)。端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以其RNA為模板，通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程對(duì)末端DNA鏈進(jìn)行延長(zhǎng)。

五、DNA的損傷：

由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的任何異常的改變稱(chēng)為DNA的損傷。常見(jiàn)的DNA的損傷包括堿基脫落、堿基修飾、交聯(lián)，鏈的斷裂，重組等。引起DNA損傷的因素有：

1.自發(fā)因素：

(1)自發(fā)脫堿基：由于N-糖苷鍵的自發(fā)斷裂，引起嘌呤或嘧啶堿基的脫落。

(2)自發(fā)脫氨基：C自發(fā)脫氨基可生成U，A自發(fā)脫氨基可生成I。

(3)復(fù)制錯(cuò)配：由于復(fù)制時(shí)堿基配對(duì)錯(cuò)誤引起的損傷。

2.物理因素：由紫外線、電離輻射、X射線等引起的DNA損傷。其中，X射線和電離輻射常常引起DNA鏈的斷裂，而紫外線常常引起嘧啶二聚體的形成，如TT，TC，CC等二聚體。

3.化學(xué)因素：

(1)脫氨劑：如亞硝酸與亞硝酸鹽，可加速C脫氨基生成U，A脫氨基生成I。

(2)烷基化劑：這是一類(lèi)帶有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起堿基或磷酸基的烷基化，甚至可引起鄰近堿基的交聯(lián)。

(3)DNA加合劑：如苯并芘，在體內(nèi)代謝后生成四羥苯并芘，與嘌呤共價(jià)結(jié)合引起損傷。

(4)堿基類(lèi)似物：如5-FU，6-MP等，可摻入到DNA分子中引起損傷或突變。

(5)斷鏈劑：如過(guò)氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂。

六、DNA突變的類(lèi)型：

1.點(diǎn)突變：轉(zhuǎn)換——相同類(lèi)型堿基的取代。顛換——不同類(lèi)型堿基的取代。插入——增加一個(gè)堿基。缺失——減少一個(gè)堿基。

2.復(fù)突變：插入—— 增加一段順序。缺失—— 減少一段順序。倒位—— 一段堿基順序發(fā)生顛倒。易位—— 一段堿基順序的位置發(fā)生改變。重組—— 一段堿基順序與另一段堿基順序發(fā)生交換。

七、DNA突變的效應(yīng)：

1.同義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子第三位堿基的改變但不引起密碼子意義的改變，其翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序不變。

2.誤義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，其意義發(fā)生改變，翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序發(fā)生改變。

3.無(wú)義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換而改變成終止暗碼子，引起多肽鏈合成的終止。

4.移碼突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，引起突變點(diǎn)之后的氨基酸殘基順序全部發(fā)生改變。

八、DNA損傷的修復(fù)：

DNA損傷的修復(fù)方式可分為直接修復(fù)和取代修復(fù)兩大類(lèi)。直接修復(fù)包括光復(fù)活、轉(zhuǎn)甲基作用和直接連接作用，均屬于無(wú)差錯(cuò)修復(fù)。取代修復(fù)包括切除修復(fù)、重組修復(fù)和SOS修復(fù)，后二者屬于有差錯(cuò)傾向修復(fù)。

1.光復(fù)活：由光復(fù)活酶識(shí)別嘧啶二聚體并與之結(jié)合形成復(fù)合物，在可見(jiàn)光照射下，酶獲得能量，將嘧啶二聚體的丁酰環(huán)打開(kāi)，使之完全修復(fù)。

2.轉(zhuǎn)甲基作用：在轉(zhuǎn)甲基酶的催化下，將DNA上的被修飾的甲基去除。此時(shí)，轉(zhuǎn)甲基酶自身被甲基化而失活。

3.直接連接：DNA斷裂形成的缺口，可以在DNA連接酶的催化下，直接進(jìn)行連接而封閉缺口。

4.切除修復(fù)：這種修復(fù)機(jī)制可適用于多種DNA損傷的修復(fù)。該修復(fù)機(jī)制可以分別由兩種不同的酶來(lái)發(fā)動(dòng)，一種是核酸內(nèi)切酶，另一種是DNA糖苷酶。①特異性的核酸內(nèi)切酶(如原核中的UvrA、UvrB和UvrC)或DNA糖苷酶識(shí)別DNA受損傷的部位，并在該部位的5’端作一切口;②由核酸外切酶(或DNA聚合酶Ⅰ)從5’→3’端逐一切除損傷的單鏈;③在DNA聚合酶的催化下，以互補(bǔ)鏈為模板，合成新的單鏈片段以填補(bǔ)缺口;④由DNA連接酶催化連接片段，封閉缺口。

5.重組修復(fù)：①DNA復(fù)制時(shí)，損傷部位導(dǎo)致子鏈DNA合成障礙，形成空缺;②此空缺誘導(dǎo)產(chǎn)生重組酶(重組蛋白R(shí)ecA)，該酶與空缺區(qū)結(jié)合，并催化子鏈空缺與對(duì)側(cè)親鏈進(jìn)行重組交換;③對(duì)側(cè)親鏈產(chǎn)生的空缺以互補(bǔ)的子鏈為模板，在DNA聚合酶和連接酶的催化下，重新修復(fù)缺口;④親鏈上的損傷部位繼續(xù)保留或以切除修復(fù)方式加以修復(fù)。

6.SOS修復(fù)：這是一種在DNA分子受到較大范圍損傷并且使復(fù)制受到抑制時(shí)出現(xiàn)的修復(fù)機(jī)制，以SOS借喻細(xì)胞處于危急狀態(tài)。

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（責(zé)任編輯：何以笙簫默）

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