第七章 生物氧化

一、生物氧化的概念和特點：

物質(zhì)在生物體內(nèi)氧化分解并釋放出能量的過程稱為生物氧化。與體外燃燒一樣，生物氧化也是一個消耗O2，生成CO2和H2O，并釋放出大量能量的過程。但與體外燃燒不同的是，生物氧化過程是在37℃，近于中性的含水環(huán)境中，由酶催化進行的;反應(yīng)逐步釋放出能量，相當一部分能量以高能磷酸酯鍵的形式儲存起來。

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，與細胞呼吸過程有關(guān)的鏈式反應(yīng)體系稱為呼吸鏈。這些遞氫體或遞電子體往往以復合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。主要的復合體有：

1. 復合體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化合物。分子中含對苯醌結(jié)構(gòu)，可接受二個氫原子而轉(zhuǎn)變成對苯二酚結(jié)構(gòu)，是一種雙遞氫體。

2. 復合體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。

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

3. 復合體Ⅲ(泛醌-細胞色素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. 復合體Ⅳ(細胞色素c氧化酶)：由一分子Cyta和一分子Cyta3組成，含兩個銅離子，可直接將電子傳遞給氧，故Cytaa3又稱為細胞色素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為：NAD+ →[ 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為： [ 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程稱為底物水平磷酸化。

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機磷的摩爾數(shù)稱為P/O比值。當?shù)孜锩摎湟訬AD+為受氫體時，P/O比值約為3;而當?shù)孜锩摎湟訤AD為受氫體時，P/O比值約為2。故NADH氧化呼吸鏈有三個生成ATP的偶聯(lián)部位，而琥珀酸氧化呼吸鏈只有兩個生成ATP的偶聯(lián)部位。

六、氧化磷酸化的偶聯(lián)機制：

目前公認的機制是1961年由Mitchell提出的化學滲透學說。這一學說認為氧化呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當氧化反應(yīng)進行時，H+通過氫泵作用(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，并與ADP結(jié)合而合成ATP。

在電鏡下，ATP合酶分為三個部分，即頭部，柄部和基底部。但如用生化技術(shù)進行分離，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，當質(zhì)子通過這一通道進入線粒體基質(zhì)時，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ATP/ADP比值升高時，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程的藥物或毒物稱為呼吸鏈的抑制劑。能夠抑制第一位點的有異戊巴比妥、粉蝶霉素A、魚藤酮等;能夠抑制第二位點的有抗霉素A和二巰基丙醇;能夠抑制第三位點的有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的磷酸化的試劑稱為解偶聯(lián)劑。其機理是增大了線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除，從而使氧化過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：對電子傳遞和ADP磷酸化均有抑制作用的藥物和毒物稱為氧化磷酸化的抑制劑，如寡霉素。

八、高能磷酸鍵的類型：

生物化學中常將水解時釋放的能量>20kJ/mol的磷酸鍵稱為高能磷酸鍵，主要有以下幾種類型：

1.磷酸酐鍵：包括各種多磷酸核苷類化合物，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：見于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4.磷酸胍鍵：見于磷酸肌酸中，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，才能供生理活動之需。這一反應(yīng)過程由肌酸磷酸激酶(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行氧化磷酸化。因此，如NADH通過此穿梭系統(tǒng)帶一對氫原子進入線粒體，則只得到2分子ATP。

2.蘋果酸穿梭系統(tǒng)：此系統(tǒng)以蘋果酸和天冬氨酸為載體，在蘋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氧化呼吸鏈進行氧化磷酸化。因此，經(jīng)此穿梭系統(tǒng)帶入一對氫原子可生成3分子

第八章 氨基酸代謝

一、蛋白質(zhì)的營養(yǎng)作用：

1.蛋白質(zhì)的生理功能：主要有：①是構(gòu)成組織細胞的重要成分;②參與組織細胞的更新和修補;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、凝血、免疫、記憶、識別等。

2.氮平衡：體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成與分解處于動態(tài)平衡中，故每日氮的攝入量與排出量也維持著動態(tài)平衡，這種動態(tài)平衡就稱為氮平衡。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，稱為氮總平衡。此種情況見于正常成人。

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，稱為氮正平衡。此種情況見于兒童、孕婦、病后恢復期。

⑶氮負平衡：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，稱為氮負平衡。此種情況見于消耗性疾病患者(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為非必需氨基酸。

必需氨基酸一共有八種：賴氨酸(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合成，故被稱為半必需氨基酸。

4.蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值及互補作用：蛋白質(zhì)營養(yǎng)價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;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。將幾種營養(yǎng)價值較低的食物蛋白質(zhì)混合后食用，以提高其營養(yǎng)價值的作用稱為食物蛋白質(zhì)的互補作用。

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：主要在小腸進行，是一種主動轉(zhuǎn)運過程，需由特殊載體攜帶。除此之外，也可經(jīng)γ-谷氨酰循環(huán)進行。

3.蛋白質(zhì)在腸中的腐敗：主要在大腸中進行，是細菌對蛋白質(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，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，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)合進行，從而使氨基酸脫去氨基并氧化為α-酮酸的過程，稱為聯(lián)合脫氨基作用?？稍诖蠖鄶?shù)組織細胞中進行，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，這些氨基酸稱為生糖氨基酸。個別氨基酸如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，故稱為生糖兼生酮氨基酸。

3.氧化供能：進入三羧酸循環(huán)徹底氧化分解供能。

五、氨的代謝：

1.血氨的來源與去路：

⑴血氨的來源：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：氨在血液循環(huán)中的轉(zhuǎn)運，需以無毒的形式進行，如生成丙氨酸或谷氨酰胺等，將氨轉(zhuǎn)運至肝臟或腎臟進行代謝。

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)運至肌肉重新分解產(chǎn)生丙酮酸，這一循環(huán)過程就稱為丙氨酸-葡萄糖循環(huán)。

⑵谷氨酰胺的運氨作用：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，谷氨酰胺對氨具有運輸、貯存和解毒作用。

3.鳥氨酸循環(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)鳥氨酸循環(huán)的反應(yīng)過程來完成，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+鳥氨酸。

尿素合成的特點：①合成主要在肝臟的線粒體和胞液中進行;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尿素分子中的兩個氮原子，一個來源于NH3，一個來源于天冬氨酸。

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)，且具有強烈的縮血管作用，其合成原料是色氨酸。合成過程為：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，具有促進平滑肌收縮，促進胃酸分泌和強烈的舒血管作用。

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

七、一碳單位的代謝：

一碳單位是指只含一個碳原子的有機基團，這些基團通常由其載體攜帶參加代謝反應(yīng)。常見的一碳單位有甲基(-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，常見的載體有四氫葉酸(FH4)和S-腺苷同型半胱氨酸，有時也可為VitB12。

常見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)過程稱為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)組織細胞中的主要代謝過程為：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)稱兒茶酚胺。在黑色素細胞中，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、核苷酸類物質(zhì)的生理功用：

核苷酸類物質(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程稱為從頭合成途徑。這一途徑主要見于肝臟，其次為小腸和胸腺。

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

合成過程可分為三個階段：

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)過大約10步反應(yīng)，合成第一個嘌呤核苷酸——次黃苷酸(IMP)。

⑵ 腺苷酸及鳥苷酸的合成：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)，后者再在鳥苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鳥苷酸(GMP)。

⑶三磷酸嘌呤核苷的合成：AMP/GMP被進一步磷酸化，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.補救合成途徑：又稱再利用合成途徑。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程。這一途徑可在大多數(shù)組織細胞中進行。其反應(yīng)為：A + PRPP → AMP;G/I + PRPP → GMP/IMP。

3.抗代謝藥物對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、氨基酸或葉酸的類似物，主要通過對代謝酶的競爭性抑制作用，來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似物主要是6-巰基嘌呤(6-MP)。6-MP的化學結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤類似，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?？捎脛e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：指利用一些簡單的前體物逐步合成嘧啶核苷酸的過程。該過程主要在肝臟的胞液中進行。嘧啶環(huán)中各原子分別來自下列前體物：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^程稱為補救合成途徑。以嘧啶核苷的補救合成途徑較重要。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似物，通過對酶的競爭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，可競爭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，其降解過程主要在肝臟進行。

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、遺傳學的中心法則和反中心法則：

DNA通過復制將遺傳信息由親代傳遞給子代;通過轉(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的復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程就構(gòu)成了遺傳學的中心法則。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通過復制，將遺傳信息由親代傳遞給子代;通過反轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給DNA，再由DNA通過轉(zhuǎn)錄和翻譯傳遞給蛋白質(zhì)，這種遺傳信息的流向就稱為反中心法則。

二、DNA復制的特點：

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

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

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個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。

4.雙向復制：DNA復制時，以復制起始點為中心，向兩個方向進行復制。但在低等生物中，也可進行單向復制。

5.半不連續(xù)復制：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基本上是連續(xù)進行的，這一條鏈被稱為領(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則是不連續(xù)的，這條鏈被稱為隨從鏈(lagging strand)。DNA在復制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。

三、DNA復制的條件：

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的兩股鏈解開后，分別作為模板進行復制。

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合體;引物酶本質(zhì)上是一種依賴DNA的RNA聚合酶(DDRP)。

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

⑴種類和生理功能：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、填補缺口以及修復損傷。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稱二聚體，具有5’→3’聚合酶活性和3’→5’外切酶活性，與DNA復制功能有關(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復制的是pol α(延長隨從鏈)和pol δ(延長領(lǐng)頭鏈)，參與線粒體DNA復制的是pol γ，polε與DNA損傷修復、校讀和填補缺口有關(guān)，pol β只在其他聚合酶無活性時才發(fā)揮作用。

⑵DNA復制的保真性：為了保證遺傳的穩(wěn)定，DNA的復制必須具有高保真性。DNA復制時的保真性主要與下列因素有關(guān)：①遵守嚴格的堿基配對規(guī)律;②在復制時對堿基的正確選擇;③對復制過程中出現(xiàn)的錯誤及時進行校正。

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。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，即其中有一條鏈是完整的;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，便于以其為模板復制子代DNA;② 保護單鏈DNA，避免核酸酶的降解。

7.解螺旋酶(unwinding enzyme)：又稱解鏈酶或rep蛋白，是用于解開DNA雙鏈的酶蛋白，每解開一對堿基，需消耗兩分子ATP。

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

四、DNA生物合成過程：

1.復制的起始：

⑴預引發(fā)：①解旋解鏈，形成復制叉：由拓撲異構(gòu)酶和解鏈酶作用，使DNA的超螺旋及雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩條單鏈DNA。單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)結(jié)合在單鏈DNA上，形成復制叉。DNA復制時，局部雙螺旋解開形成兩條單鏈，這種叉狀結(jié)構(gòu)稱為復制叉。②引發(fā)體組裝：由引發(fā)前體蛋白因子識別復制起始點，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.復制的延長：

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：引發(fā)體向前移動，解開新的局部雙螺旋，形成新的復制叉，隨從鏈重新合成RNA引物，繼續(xù)進行鏈的延長。

3.復制的終止：

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

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，形成完整的DNA長鏈。

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，進行延長反應(yīng)。端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對末端DNA鏈進行延長。

五、DNA的損傷：

由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結(jié)構(gòu)的任何異常的改變稱為DNA的損傷。常見的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)復制錯配：由于復制時堿基配對錯誤引起的損傷。

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，與嘌呤共價結(jié)合引起損傷。

(4)堿基類似物：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：如過氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂。

六、DNA突變的類型：

1.點突變：轉(zhuǎn)換——相同類型堿基的取代。顛換——不同類型堿基的取代。插入——增加一個堿基。缺失——減少一個堿基。

2.復突變：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.無義突變：基因突變導致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：基因突變導致mRNA密碼子堿基被置換，引起突變點之后的氨基酸殘基順序全部發(fā)生改變。

八、DNA損傷的修復：

DNA損傷的修復方式可分為直接修復和取代修復兩大類。直接修復包括光復活、轉(zhuǎn)甲基作用和直接連接作用，均屬于無差錯修復。取代修復包括切除修復、重組修復和SOS修復，后二者屬于有差錯傾向修復。

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

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，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，直接進行連接而封閉缺口。

4.切除修復：這種修復機制可適用于多種DNA損傷的修復。該修復機制可以分別由兩種不同的酶來發(fā)動，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，以互補鏈為模板，合成新的單鏈片段以填補缺口;④由DNA連接酶催化連接片段，封閉缺口。

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

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

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（責任編輯：何以笙簫默）

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