生物化学与分子生物学 乙酰乙酰CoA硫解酶 3酮体是肝向肝外组织输出能量的重要形式酮体分子小，溶于水，能在血液中运输，还能通过血脑屏障、肌组织的毛细血管壁，很容易被运输到肝外组织利用。心肌和肾皮质利用酮体能力大千利用葡萄糖能力。脑组织虽然不能氧化分解脂肪酸，却能有效利用酮体。当葡萄糖供应充足时，脑组织优先利用葡萄糖氧化供能；但在葡萄糖供应不足或利用障碍时，酮体是脑组织的主要能源物质。正常情况下，血中仅含少量酮体，为0.03~0. Smmol/L(O.3~Smg/dl)。在饥饿或糖尿病时，由于脂肪动员加强，酮体生成增加。严重糖尿病病人血中酮体含量可高出正常人数十倍，导致酮症酸中毒咄91}(ketoacidosis)。血酮体超过肾阙值，便可随尿排出，引起酮尿(ketonuria)。此时，血丙酮含量也大大增加，通过呼吸道排出，产生特殊的＂烂苹果气味”。4.酮体生成受多种因素调节(1)餐食状态影响酮体生成：饱食后胰岛素分泌增加，脂解作用受抑制、脂肪动员减少，酮体生成减少。饥饿时，胰高血糖素等脂解激素分泌增多，脂肪动员加强，脂肪酸B－氧化及酮体生成增多。


生物化学与分子生物学 乙酰乙酰CoA硫解酶 (2)糖代谢影响酮体生成：餐后或糖供给充分时，糖分解代谢旺盛、供能充分，肝内脂肪酸氧化分解减少，酮体生成被抑制。相反，饥饿或糖利用障碍时，脂肪酸氧化分解增强，生成乙酰CoA增加；同时因糖来源不足或糖代谢障碍，草酰乙酸减少，乙酰CoA进入三狻酸循环受阻，导致乙酰CoA大量堆积，酮体生成增多。(3)丙二酸单酰CoA抑制酮体生成：糖代谢旺盛时，乙酰CoA及拧檬酸增多，别构激活乙酰CoA狻化酶，促进丙二酸单酰CoA合成，后者竞争性抑制肉碱脂酰转移酶I，阻止脂酰CoA进入线粒体进行B氧化，从而抑制酮体生成。


生物化学与分子生物学 乙酰乙酰CoA硫解酶 二、不同来源脂肪酸在不同器官以不同的途径合成甘油三酷(—)肝、脂肪组织及小肠是甘油三酷合成的主要场所甘油三酷(triglyceride, TG)合成在细胞质中完成，以肝合成能力最强。但肝细胞不能储存甘油三酷，需与载脂蛋白B100、C等载脂蛋白及磷脂、胆固醇组装成极低密度脂蛋白(very low density lipoproLein,VLDL)，分泌入血运输至肝外组织3。营养不良、中毒，以及必需脂肪酸(essential fatty acid汃胆碱或蛋白质缺乏等可引起肝细胞VLDL生成障碍，导致甘油三酷在肝细胞蓄积，发生脂肪肝3。脂肪细胞可大佩储存甘油三酷，是机体储存甘油三酷的＂脂库”包。


生物化学与分子生物学 （二）甘泊和脂肪酸是合成甘油三酷的基本原料 机体能分解葡萄糖产生3－磷酸甘油，也能利用葡萄糖分解代谢中间产物乙酰CoA(acetyl CoA)合成脂肪酸，入和动物即使完全不摄取，亦可由糖转化合成大量甘油三酷。小肠黏膜细胞主要利用摄取的甘油三酷消化产物重新合成甘油三酣，当其以乳糜微粒形式运送至脂肪组织、肝等组织／器官后，脂肪酸亦可作为这些组织细胞合成甘油三酷的原料。脂肪组织还可水解极低密度脂蛋白甘油三酷，释放脂肪酸用于合成甘油三酷。（三）甘油三酷合成有甘油—酷和甘油二酷两条途径1脂肪酸活化成脂酰CoA脂肪酸作为甘油三酷合成的基本原料，必须活化成脂酰CoA(acyl CoA)才能参与甘油三酣合成。脂酰CoA合成酶脂肪酸＋CoA-SH~+＼＼-脂酰CoA+PP;2小肠黏膜细胞以甘油一酷途径合成甘油三酷由脂酰CoA转移酶催化、ATP供能，将脂酰CoA的脂酰基转移至2－甘油一酷胫基上合成甘油三酷。3肝和脂肪组织细胞以甘油二酷途径合成甘油三酷以葡萄糖酵解途径生成的3－磷酸甘油为起始物，先合成1,2－甘油二酷，最后通过酣化甘油二酷轻基生成甘油三酣。


生物化学与分子生物学 |脂酰CoA转移酶I葡萄糖►HO-CH HO—CH|I CH2—0-@R1COCoA CoA CH心一也3－磷酸甘油1－脂酰－3－磷酸甘油 0CH20CR111I磷脂酸磷酸酶脂酰CoA转移酶R2COCH 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 合成甘油三酷的三分子脂肪酸可为同一种脂肪酸，也可是3种不同脂肪酸。肝、肾等组织含有甘油激酶，可催化游离甘油磷酸化生成3－磷酸甘油，供甘油三酷合成。脂肪细胞缺乏甘油激酶因而不能直接利用甘油合成甘油三酷。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 CH20H肝、肾甘油激酶CH20H|/|HO—C—H ATP ADP HO-C—H内源性脂肪酸的合成需先合成软脂酸（一）软脂酸由乙酰CoA在脂肪酸合酶复合体催化下合成1软脂酸在细胞质中合成脂肪酸合成由多个酶催化完成，这些酶组成了脂肪酸合成的酶体系，即脂肪酸合酶复合体(fatty acid synthase complex)，存在于肝、背脑、肺、乳腺及脂肪等多种组织的细胞质，肝的脂肪酸合酶复合体活性最高（合成能力较脂肪组织大8~9倍），是人体合成脂肪酸的主要场所。虽然脂肪组织能以葡萄糖代谢的中间产物为原料合成脂肪酸，但脂肪组织的脂肪酸来源主要是小肠消化吸收的外源性脂肪酸和肝合成的内源性脂肪酸。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 2.乙酰CoA是软脂酸合成的基本原料用于软脂酸(pal miti c acid)合成的乙酰CoA(acety l CoA)主要由葡萄糖分解供给，在线粒体内产生，不能自由透过线粒体内膜，需通过拧檬酸－丙酮酸循环(c山ate pyruvate cycle)（图7-5)进入细胞质。在此循环中，乙酰CoA首先在线粒体内拧檬酸合酶催化下，与草酰乙酸缩合生成拧檬酸；后者通过线粒体内膜载体转运进入细胞质，被ATP－拧檬酸裂解酶裂解，重新生成乙酰CoA及草酰乙酸。进入细胞质的草酰乙酸在苹果酸脱氢酶作用下，由NADH供氢，还原成苹果酸，再经线粒体内膜载体转运至线粒体内。苹果酸也可在苹果酸酶作用下氧化脱狻、产生CO2和丙酮酸，脱下的氢将NADP十还原成NADPH；丙酮酸可通过线粒体内膜上载体转运至线粒体内，重新生成线粒体内草酰乙酸，可继续与乙酰CoA缩合，将乙酰CoA运转至细胞质，用于软脂酸合成。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 软脂酸合成还需ATP、NADPH、HC03-c CO2)及M n2＋等原料。NADPH主要来自磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)，在上述乙酰CoA转运过程中，细胞质苹果酸酶催化苹果酸氧化脱狻也可提供少量NADPH。3一分子软脂酸由1分子乙酰CoA与7分子丙二酸单酰CoA缩合而成(1)乙酰CoA转化成丙二酸单酰CoA：这是软脂酸合成的第一步反应，催化此反应的乙酰CoA狻化酶(acetyl CoA carboxylase)是脂肪酸合成的关键酶，以Mn”为激活剂，含生物素辅基，起转移狻基作154第二篇物质代谢及其调节乙酰CoA草酰乙酸没草酰乙酸乙酰CoA图7-5拧檬酸丙酮酸循环乙酰CoA首先在线粒体内与草酰乙酸缩合生成拧檬酸，通过线粒体内膜上的载体转运进入细胞质；细胞质中ATP拧檬酸裂解酶使拧檬酸裂解释出乙酰CoA及草酰乙酸。进入细胞质的乙酰CoA可用以合成脂肪酸，而草酰乙酸则在苹果酸脱氢酶的作用下，还原成苹果酸。苹果酸也可在苹果酸酶的作用下分解为丙酮酸，再转运入线粒体，最终均形成线粒体内的草酰乙酸，再参与转运乙酰CoA用。该狻化反应为不可逆反应，过程如下：酶生物素＋HCO厂＋ATP-酶生物素CO2+ADP+Pi酶生物素CO2＋乙酰CoA-酶生物素＋丙二酸单酰CoA总反应：ATP+HC03-＋乙酰CoA---+丙二酸单酰CoA+ADP+Pi乙酰CoA狻化酶活性受别构调节及化学修饰调节。该酶有两种存在形式，即无活性原聚体和有活性多聚体。拧檬酸、异拧檬酸可使此酶发生别构激活——由原聚体聚合成多聚体；软脂酰CoA及其他长链脂酰CoA可使多聚体解聚成原聚体，别构抑制该酶活性。乙酰CoA狻化酶还可在一种AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)催化下发生酶蛋白(79、1200及1215位丝氨酸残基）磷酸化而失活。胰高血糖素能激活该蛋白激酶，抑制乙酰C oA狻化酶活性；胰岛素能通过蛋白磷酸酶的去磷酸化作用，使磷酸化的乙酰CoA狻化酶脱磷酸恢复活性。高糖膳食可促进乙酰CoA狻化酶蛋白合成，增加酶活性。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 (2)软脂酸经7次缩合－还原－脱水－再还原基本反应循环合成：各种脂肪酸生物合成过程基本相似，均以丙二酸单酰CoA为基本原料，从乙酰CoA开始，经反复加成反应完成，每次（缩合－还原－脱水再还原）循环延长2个碳原子。16碳软脂酸合成需经7次循环反应。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 大肠杆菌脂肪酸合酶复合体的核心由7种独立的酶／多肤组成；这7种多肤包括酰基载体蛋白(acy l carrier protein, ACP)、乙酰CoA-ACP转酰基酶(acetyl-CoA-ACP transacy lase, AT；以下简称乙酰基转移酶）、B－酮脂酰－ACP合酶(!3-ke toacy l-ACP synthase, KS;13－酮脂酰合酶）、丙二酸单酰CoA-ACP转酰基酶(malonyl-CoA-ACP transacylase, MT；丙二酸单酰转移酶）、B－酮脂酰－ACP还原酶(!3-ketoacylACP reductase, KR;13－酮脂酰还原酶）、B轻脂酰－ACP脱水酶(!3-hydroxyacyl-ACP dehydra tase, HD；脱水酶）及烯脂酰－ACP还原酶(enoyl-ACP reductase, ER；烯脂酰还原酶）。细菌酰基载体蛋白是一种小分子蛋白质，以4'－磷酸泛酰硫基乙胺(4'-phosphopantotheine)为辅基，是脂酰基载体。此外，细菌脂肪酸合酶体系还有至少另外3种成分。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 哺乳动物脂肪酸合酶是由两个相同亚基(M『,240kD)首尾相连形成的二聚体(M,,480kD)包。每个亚基含有3个结构域(domain)。结构域1含有乙酰基转移酶(AT汃丙二酸单酰转移酶(MT)及B酮脂酰合酶(KS)，与底物的”进入＂、缩合反应相关。结构域2含有B－酮脂酰还原酶(KR)、B－轻脂酰脱水酶(HD)及烯脂酰还原酶(ER)，催化还原反应；该结构域还含有一个肤段－~酰基载体蛋白(ACP)。结构域3含有硫酷酶(thioes terase, TE)，与脂肪酸的释放有关。3个结构域之间由柔性的区域连接，使结构域可以移动，利千几个酶之间的协调、连续作用。


生物化学与分子生物学 磷脂酸II I『脂酰CoA转移酶11I f1,2－甘油二酷甘油三酣 细菌、动物脂肪酸合成过程类似。细菌软脂酸合成步骤（图7-6)包括：O乙酰CoA在乙酰转移酶作用下被转移至ACP的琉基(—SH)，再从ACP转移至B－酮脂酰合酶的半胱氨酸琉基上。＠丙二酸单酰CoA在丙二酸单酰转移酶作用下，先脱去HSCoA，再与ACP的—SH缩合、连接。＠缩合：B－酮脂忑－半胱一SH cn由＜艺）转移至CD1乙酰转移酶I C－泛—SH伞－半胱一S—『C-CH3(C2或Cn)霆－泛一S一 上 。


生物化学与分子生物学 －CH2COOH。－酮脂酰酶（乙酰乙酸酶）NADPH+:A二二勹」［p-酮脂酰还原酶＠）加氢忑－半胱一SH佥－泛—s—C-CH2CH—CH3NADPH产生机制＠脱水压一了」三磷酸戊糖途径苹果酸酶异拧檬酸脱氢酶心－半胱一SH。心－泛一S-C II—CH=CH-CH3(l，p－烯脂酰酶NADPH+H勹)[(l，o－烯脂酰还原酶＠加氢NADP•◄1硫酣酶1比0心－半胱一SH。


生物化学与分子生物学 －CH2COOH。－酮脂酰酶（乙酰乙酸酶）NADPH+:A二二勹」［p-酮脂酰还原酶＠）加氢忑－半胱一SH佥－泛—s—C-CH2CH—CH3NADPH产生机制＠脱水压一了」三磷酸戊糖途径苹果酸酶异拧檬酸脱氢酶心－半胱一SH。心－泛一S-C II—CH=CH-CH3(l，p－烯脂酰酶NADPH+H勹)[(l，o－烯脂酰还原酶＠加氢NADP•◄1硫酣酶1比0心－半胱一SH。 软脂酸连续O~＠步骤丁酰－E II7次循环后心－泛—S-C—CH2—CH2-CH3图7-6软脂酸的生物合成经过第一轮反应，即酰基转移、缩合、还原、脱水、再还原等步骤，碳原子由2个增加至4个，形成脂肪酸合酶催化合成的第一轮产物丁酰－E。此时，丁酰连接在酶的ACP琉基(E2－泛SH)上，随后被转移至B－酮脂酰合酶的半胱氨酸琉基(E,－半胱－SH),ACP琉基(E2－泛－SH)继续接受丙二酰基，进行缩合、还原、脱水、再还原等步骤的第二轮反应。经过7次循环之后，生成16个碳原子的软脂酰－E2，然后经硫酷酶的水解，即生成终产物游离的软脂酸花岔酰合酶上连接的乙酰基与ACP上的丙二酸单酰基缩合、生成B－酮丁酰ACP，释放C020＠加氢：由NADPH供氢，B－酮丁酰ACP在B－酮脂酰还原酶作用下加氢、还原成D-（－）－仕轻丁酰ACP。＠脱水：D-(-)-r,轻丁酰ACP在脱水酶作用下，脱水生成反式A2烯丁酰ACP。＠再加氢：NADPH供氢，反式A谨丁酰ACP在烯酰还原酶作用下，再加氢生成丁酰ACP。丁酰-ACP是脂肪酸合酶复合体催化合成的第一轮产物。通过这一轮反应，即酰基转移、缩合、还原、脱水、再还原等步骤，产物碳原子由2个增加至4个。然后，丁酰由E l-泛－SH（即ACP的-SH)转移至E2－半胱－SH,EI－泛－SH又可与另一丙二酸单酰基结合，进行缩合、还原、脱水、再还原等步骤的第二轮循环。经7次循环后，生成16碳软脂酰－E2；由硫酣酶水解，软脂酸从脂肪酸合酶复合体释放。软脂酸合成的总反应式为：CH3COSCoA+7HOOCCH2COSC0A CH3(CH2)14COOH+14NADPH+14H+-+7C02+6H20+8HSCoA+14NADP+（二）软脂酸延长在内质网和线粒体内进行脂肪酸合酶复合体催化合成软脂酸，更长碳链脂肪酸的合成通过对软脂酸加工、延长完成。1.内质网脂肪酸延长途径以丙二酸单酰CoA为二碳单位供体该途径由脂肪酸延长酶体系催化，NADPH供氢，每通过缩合、加氢、脱水及再加氢等反应延长2个碳原子。过程与软脂酸合成相似，但脂酰基不是以ACP为载体，而是连接在CoASH上进行。该酶体系可将脂肪酸延长至24碳，但以18碳硬脂酸为主。2线粒体脂肪酸延长途径以乙酰CoA为二碳单位供体该途径在脂肪酸延长酶体系作用下，软脂酰CoA与乙酰CoA缩合，生成B－酮硬脂酰CoA；再由NADPH供氢，还原为B－胫硬脂酰CoA；接着脱水生成a,B－烯硬脂酰CoA。最后，烯硬脂酰CoA由NADPH供氢，还原为硬脂酰CoA。通过缩合、加氢、脱水和再加氢等反应，每轮循环延长2个碳原子；一般可延长至24或26个碳原子，但仍以18碳硬脂酸为最多。 （三）不饱和脂肪酸的合成需多种去饱和酶催化 上述脂肪酸合成途径合成的均为饱和脂肪酸(satura ted fatty acid)，人体含不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acid)，主要有软油酸(16:l, D..9)、油酸(18:l,D..9)、亚油酸(18=2,D..9'12),a－亚麻酸(18:3,D,.9.12.15)及花生四烯酸(20:4, D..5,8,11,14)等。由于只含A4,A5,A8及A9去饱和酶(desaturase)，缺乏A9以上去饱和酶，人体只能合成软油酸和油酸等单不饱和脂肪酸(monoun saturated fatty acids)，不能合成亚油酸、a－亚麻酸及花生四烯酸等多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid)尽。植物因含有D,.9'D,_12及D,_15去饱和酶，能合成A9以上多不饱和脂肪酸。人体所需多不饱和脂肪酸必须从食物（主要是植物油脂）中摄取。 （四）脂肪酸合成受代谢物和激素调节 1.代谢物通过改变原料供应量和乙酰CoA狻化酶活性调节脂肪酸合成ATP、NADPH及乙酰CoA是脂肪酸合成原料，可促进脂肪酸合成；脂酰CoA是乙酰CoA狻化酶的别构抑制剂，抑制脂肪酸合成。凡能引起这些代谢物水平有效改变的因素均可调节脂肪酸合成。例如，高脂膳食和脂肪动员可使细胞内脂酰CoA增多，别构抑制乙酰CoA狻化酶活性，抑制脂肪酸合成。进食糖类食物后，糖代谢加强，NADPH、乙酰CoA供应增多，有利于脂肪酸合成；糖代谢加强还使细胞内ATP增多，抑制异拧檬酸脱氢酶，导致拧檬酸和异拧檬酸蓄积并从线粒体渗至细胞质，别构激活乙酰CoA狻化酶，促进脂肪酸合成。2.胰岛素是调节脂肪酸合成的主要激素胰岛素(insulin)可通过刺激一种蛋白磷酸酶活性，使乙酰CoA狻化酶脱磷酸而激活，促进脂肪酸合成。此外，胰岛素可促进脂肪酸合成磷脂酸，增加脂肪合成。胰岛素还能增加脂肪组织脂蛋白脂肪酶活性，增加脂肪组织对血液甘油三酣脂肪酸摄取，促使脂肪组织合成脂肪贮存。该过程长期持续，与脂肪动员之间失去平衡，会导致肥胖3。胰高血糖素(glucagon)能增加蛋白激酶活性，使乙酰CoA狻化酶磷酸化而降低活性，抑制脂肪酸合成。胰高血糖素也能抑制甘油三酷合成，甚至减少肝细胞向血液释放脂肪。肾上腺素、生长素能抑制乙酰CoA狻化酶，调节脂肪酸合成。3脂肪酸合酶可作为药物治疗的靶点脂肪酸合酶（复合体组分）在很多肿瘤高表达(overexpression)。动物研究证明，脂肪酸合酶抑制剂可明显减缓肿瘤生长，减轻体重，是极有潜力的抗肿瘤和抗肥胖的候选药物。第四节磷脂代谢一、磷脂酸是甘油磷脂合成的重要中间产物(—)甘油磷脂合成的原料来自糖、脂和氨基酸代谢人体各组织细胞内质网均含有甘油磷脂合成酶系，以肝、肾及肠等活性最高。甘油磷脂合成的基本原料包括甘油、脂肪酸、磷酸盐、胆碱(choline)、丝氨酸(serine汃肌醇(inositol)等。甘油和脂肪酸主要由葡萄糖转化而来，甘油2位的多不饱和脂肪酸为必需脂肪酸(essential fatty acid)，只能从食物（植物油）摄取。胆碱可由食物供给，亦可由丝氨酸及甲硫氨酸合成。丝氨酸是合成磷脂酰丝氨酸的原料，脱狻后生成乙醇胺又是合成磷脂酰乙醇胺的原料。乙醇胺从S－腺背甲硫氨酸获得3个甲基生成胆碱。甘油磷脂合成还需ATP、CTP。ATP供能，CTP参与乙醇胺、胆碱、甘油二酣活化，形成CDP－乙醇胺、CDP－胆碱、CDP－甘油二酷等活化中间物。HOCH卉~COOH飞~HOCH2CH2NH23S－腺昔甲硫氨酸刁HOCH2CH2N'(CH3h NH2 丝氨酸乙醇胺胆碱严TDPP霖尸磷酸乙醇胺磷酸胆碱气阜厂气阜TlpCDP－乙醇胺CDP-胆碱。上。 O ot）。1二CDP-胆碱CDP－甘油二酣158第二篇物质代谢及其调节（二）甘油磷脂合成有两条途径 1磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺通过甘油二酷途径合成甘油二酷是该途径的重要中间物，胆碱(choline)和乙醇胺(ethanolamine)被活化成CDP－胆碱(CDP-choline)和CDP－乙醇胺(CDPethanolamine)后，分别与甘油二酷缩合，生成磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PC)和磷脂酰乙醇胺(phosphat idylethanolamin e, PE)。这两类磷脂占组织及血液磷脂75％以上。 葡萄糖3－磷酸}甘油转酰酶臣。CAOCoA磷脂酸磷酸酶卜1,2－甘油二酷转移酶，言pp气已面巨?CoA磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱甘油三酣（脑磷脂）（卵磷脂）磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱 PC是真核生物细胞膜含量最丰富的磷脂，在细胞增殖和分化过程中具有重要作用，对维持正常细胞周期具有重要意义。一些疾病如癌(cancer)、阿尔茨海默病(Alzheimer disease)和脑卒中(stroke)等的发生与PC代谢异常密切相关。国内外科学家们正在努力探讨PC代谢在细胞增殖、分化和细胞周期中，在如癌、阿尔茨海默病和脑卒中等疾病发生中的作用及其机制。一旦取得突破，将为相关疾病的预防、诊断和治疗提供新靶点。尽管PC也可由S－腺昔甲硫氨酸提供甲基，使PE甲基化生成，但这种方式合成量仅占人PC合成总量10%-15%。哺乳动物细胞PC的合成主要通过甘油二酣途径完成。该途径中，胆碱需先活化成CDP－胆碱，所以也被称为CDP－胆碱途径(CDP-choline pathway), CTP：磷酸胆碱胞昔转移酶(CTP:phosphocholin e cytidylyltran sferase, CCT)是关键酶，它催化磷酸胆碱(phosphocholine)与CTP缩合成CDP－胆碱。后者向甘油二酷提供磷酸胆碱，合成PC。人CCT有a和B两种亚型，分别由PCYTla和PCYTlb编码。CCTl3又有但和B2两种剪接变异体。CCTcx、阳和缸分别由367、330和372个氨基酸残基组成，含4个结构域，氨基酸残基73-323是高度同源序列，B剪接变异体之间的差异仅在323位氨基酸残基之后的C末端（图7-7)。氨基酸残基l~72为N－端结构域，CCTa在该结构域中含有一个核靶向作用区。氨基酸残基73~235为催化结构域，其中HXGH和RTEGISTS两个CTP结合模体(motif)是胞昔转移酶家族的特征序列，能与CTP结合；两个CTP结合基序之间的赖氨酸残基高度保守，能结合磷酸胆碱。氨基酸残基236-299称为膜结合结构域(membrane-binding domain)或结构域M(do main M)，为双性a－螺旋(amphipathic a helix)结构区，能与中性脂质和阴离子脂质结合。C末端是磷酸化结构域(phosphorylation domain)，也称结构域P(domain P)，含多个丝氨酸残基，能够被磷酸化。 核靶向作用区催化结构域结构域M结构域P 卜嘈幡t惶H'，比外732361,300I367I CCTa i西岫虾沾谥衄13]3CCT~1l f诣伈七盲水孔，I]CCT~2 图7-7CTP：磷酸胆碱胞苦转移酶(CCT)氨基酸序列结构示意图CCT活性通过游离形式与膜结合形式之间的转换进行调节。游离形式CCT无活性，当其与膜（包括内质网膜和核膜）结合后，转变为有活性。CCT通过膜结合结构域感应膜双分子层的弯曲弹性张力(CUiv'ature elastic s tress)，使游离酶蛋白与膜结合或使膜结合酶蛋白解离，从而调节酶活性。PC含量是膜双分子层弯曲弹性张力的主要决定因素之一，PC缺乏的膜，能促进CCT与其结合，使CCT转变为活性形式，促进PC合成。CCT活性还受转录水平调节。CCTa活性的调节主要与细胞增殖、分化和细胞周期有关。磷脂酰丝氨酸也可由磷脂酰乙醇胺狻化或乙醇胺与丝氨酸交换生成。2.肌醇磷脂、丝氨酸磷脂及心磷脂通过CDP－甘油二酷途径合成肌醇、丝氨酸无需活化，CDP甘油二酷是该途径重要中间物，与丝氨酸、肌醇或磷脂酰甘油缩合，生成肌醇磷脂(phosphatidyl inositol)、丝氨酸磷脂(phosphatidyl serine)及心磷脂(cardiolipin)。 葡萄糖3磷酸甘油转酰酶k2RCOCoA磷脂酸胞昔酰转移酶[CTPCDP－甘油二酣合成酶肌醇丝氨酸磷脂酰甘油磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸二磷脂酰甘油160第二篇物质代谢及其调节。一心二磷脂酰甘油心一一~磷脂酰肌醇磷脂酰丝氨酸 甘油磷脂合成在内质网膜外侧面进行。细胞质存在一类促进磷脂在细胞内膜之间交换的蛋白质，称磷脂交换蛋白(phospholipid exchange protein)，催化不同种类磷脂在膜之间交换，使新合成的磷脂转移至不同细胞器膜上，更新膜磷脂。例如在内质网合成的心磷脂可通过这种方式转至线粒体内膜，构成线粒体内膜特征性磷脂。Il型肺泡上皮细胞可合成由2分子软脂酸构成的特殊磷脂酰胆碱，生成的二软脂酰胆碱是较强乳化剂，能降低肺泡表面张力，有利于肺泡伸张。新生儿肺泡上皮细胞合成二软脂酰胆碱障碍，会引起肺不张。 二、甘油磷脂由磷脂酶催化降解 生物体内存在多种降解甘油磷脂的磷脂酶(phospholipase)，包括磷脂酶Ai、A2、B1、队、C及D，它们分别作用于甘油磷脂分子中不同的酷键（图7-8)，降解甘油磷脂。溶血磷脂1具较强表面活性，能使红细胞膜或其他细胞膜破坏引起溶血或细胞坏死。溶血磷脂还可进一步水解，如溶血磷脂1在溶血磷脂酶1（即磷脂酶Bl)作用下，水解与甘油1位—OH缩合的酷键，生成不含脂肪酸的甘油磷酸胆碱，溶血磷脂就失去对细胞膜结构的溶解作用。 三、鞘磷脂是神经鞘磷脂合成的重要中间产物 神经鞘磷脂(sphingomyelin)是入体含量最多的鞘磷脂，由鞘氨醇、脂肪酸及磷酸胆碱构成。人体各组织细胞内质网均存在合成鞘氨醇酶系，以脑组织活性最高。合成鞘氨醇的基本原料是软脂酰CoA、丝氨酸和胆碱，还需磷酸咄哆酸、NADPH及FAD等辅酶参加。在磷酸咄哆酘参与下，由内质网3－酮基二氢鞘氨醇合成酶催化，软脂酰CoA与L－丝氨酸缩合并脱狻生成3－酮基二氢鞘氨醇(3-ketodi一hydrosphingosine)，再由NADPH供氢、还原酶催化，加氢生成二氢鞘氨醇，然后在脱氢酶催化下，脱氢生成鞘氨醇。R2-CII-O-CH肛11才脂磷脂酸R2-C-0-CH O CH2-0-P-OH X-0—厂。气卢°f比一0—工°＿二三OH|心IIR2-C-II O—CH O甘油忙脂R2—[＿。』HH2OH厂:[／了：心月甘广飞比一0-｀ 在脂酰转移酶催化下，鞘氨醇的氨基与脂酰CoA进行酰胺缩合，生成N－脂酰鞘氨醇，最后由CDP胆碱提供磷酸胆碱生成神经鞘磷脂。 神经鞘磷脂四、神经鞘磷脂由神经鞘磷脂酶催化降解 神经鞘磷脂酶(sphingomyelinase)存在于脑、肝、脾、肾等组织细胞溶酶体，属磷脂酶C类，能使磷酸酷键水解，产生磷酸胆碱及N－脂酰鞘氨醇。如先天性缺乏此酶，则鞘磷脂不能降解，在细胞内积存，引起肝脾大及痴呆等鞘磷脂沉积病状。第五节胆固醇代谢一、体内胆固醇来自食物和内源性合成胆固醇有游离胆固醇(free cholesterol, FC；亦称非酷化胆固醇，unesterified cholesterol)和胆固醇酷(c holesterol ester, CE)两种形式，广泛分布于各组织，约1/4分布在脑及神经组织，约占脑组织2%。肾上腺、卵巢等类固醇激素分泌腺，胆固醇含量达1%～5%。肝、肾、肠等内脏及皮肤、脂肪组织，胆固醇含量约为每100g组织200-500mg，以肝最多。肌组织含量约为每100g组织l00~200mg。162第二篇物质代谢及其调节（一）体内胆固醇合成的主要场所是肝除成年动物脑组织及成熟红细胞外，几乎全身各组织均可合成胆固醇，每天合成量为lg左右。肝是主要合成器官，占自身合成胆固醇的70%-80%，其次是小肠，合成10%。胆固醇合成酶系存在于细胞质及光面内质网膜。 （二）乙酰CoA和NADPH是胆固醇合成基本原料 14c及13c标记乙酸甲基碳及狻基碳，与肝切片孵育证明：乙酸分子中的2个碳原子均参与构成胆固醇，是合成胆固醇唯一碳源。乙酰CoA是葡萄糖、氨基酸及脂肪酸在线粒体的分解产物，不能通过线粒体内膜，需在线粒体内与草酰乙酸缩合生成拧檬酸，通过线粒体内膜载体进入细胞质，裂解成乙酰CoA，作为胆固醇合成原料。每转运1分子乙酰CoA，由拧檬酸裂解成乙酰CoA时消耗l分子ATP。胆固醇合成还需NADPH供氢、ATP供能。合成1分子胆固醇需18分子乙酰CoA、36分子ATP及16分子NADPH。（三）胆固醇合成由以HMG-CoA还原酶为关键酶的一系列酶促反应完成胆固醇合成过程复杂，有近30步酶促反应，大致可划分为三个阶段。1由乙酰CoA合成甲轻戊酸2分子乙酰CoA在乙酰乙酰CoA硫解酶作用下，缩合成乙酰乙酰CoA；再在胫基甲基戊二酸单酰CoA合酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA synthase, HMG-CoA synthase)作用下，与1分子乙酰CoA缩合成经基甲基戊二酸单酰CoA(3-hydroxy-3-methy lglutaryl CoA, HMG-CoA)。在线粒体中，HMG-CoA被裂解生成酮体；而细胞质生成的HMG-CoA，则在内质网HMGCoA还原酶(HMG-CoA reductase)作用下，由NADPH供氢，还原生成甲轻戊酸(mevalonic acid, MVA)。HMG-CoA还原酶是合成胆固醇的关键酶（动画7-2"HMG-CoA还原酶的催化作用”)。硫解酶HMG-CoA合酶2CH3COCoA~声CH3COCH2COCoA 妞I- COOH HMG-CoA还原酶-HO—如CI— COOHCH3HO-r=--CH3~<::H22NADPH+2H+2NADP+HSCoA妯轻基甲基戊二酸单酰CoA甲轻戊酸(MVA)2.甲轻戊酸经15碳化合物转变成30碳鲨烯MVA经脱狻、磷酸化生成活泼的异戊烯焦磷酸(A勹sopentenyl pyrophosphate, IPP)和二甲基丙烯焦磷酸(3,3-dimethylallyl pyrophosphate, DPP)。3分子5碳焦磷酸化合物(IPP及DPP)缩合成15碳焦磷酸法尼酣(farnesyl pyrophosphate, FPP)。在内质网鲨烯合酶(squalene synthase)催化下，2分子15碳焦磷酸法尼酣经再缩合、还原生成30碳多烯胫——鲨烯(squalene)。3.鲨烯环化为羊毛固醇后转变为胆固醇30碳鲨烯结合在细胞质固醇载体蛋白(sterol carrier protein, SCP)上，经内质网单加氧酶、环化酶等催化，环化成羊毛固醇，再经氧化、脱狻、还原等反应，脱去3个甲基，生成27碳胆固醇（图7-9)。在脂酰－CoA：胆固醇脂酰转移酶(acyl-CoA:cholesterol acyltransferas e, ACAT)作用下，细胞内游离胆固醇能与脂酰CoA缩合，生成胆固醇酣储存。 （四）胆固醇合成受HMG-CoA还原酶调节 1. HMG-CoA还原酶活性具有与胆固醇合成相同的昼夜节律性动物实验发现，大鼠肝胆固醇合成有昼夜节律性，午夜最高，中午最低。进一步研究发现，肝HMG-CoA还原酶活性也有昼夜节律性，午夜最高，中午最低。可见，胆固醇合成的周期节律性是HMG-CoA还原酶活性周期性改变的结果。 第七章脂质代谢163胫从甲基戊二酸单戙辅酌ANACD：二习CH3甲羚戊酸(MVA)5狄磷酸甲羚戊酸HO（－七固醉P,＋盖ADP个CO2」|t H3异戊烯焦磷酸`(3x)i[H3二甲丙烯焦磷臣＠－＠）一O4头焦磷酸法尼，1胆固的 4.餐食状态影响胆固醇合成饥饿或禁食可抑制肝合成胆固醇。研究发现，大鼠禁食48小时，胆固醇合成减少11倍，禁食96小时减少17倍，但肝外组织的合成减少不多。禁食除使HMGCoA还原酶活性降低外，乙酰CoA、ATP、NADPH不足也是胆固醇合成减少的重要原因。相反，摄取高糖、高饱和脂肪膳食，肝HMG-CoA还原酶活性增加，乙酰CoA、ATP、NADPH充足，胆固醇合成增加。5.胆固醇合成受激素调节胰岛素及甲状腺素能诱导肝细胞HMG-CoA还原酶合成，增加胆固醇合成。甲状腺素还能促进胆固醇在肝转变为胆汁酸，所以甲状腺功能亢进病人血清胆固醇含量降低。胰高血糖素能通过化学修饰调节使HMG-CoA还原酶磷酸化失活，抑制胆固醇合成。皮质醇能抑制HMG-CoA还原酶活性，减少胆固醇合成。 164第二篇物质代谢及其调节二、胆固醇的主要去路是转化为胆汁酸 胆固醇的母核-环戊烧多氢菲在体内不能被降解，所以胆固醇不能像糖、脂肪那样在体内被彻底分解；但其侧链可被氧化、还原或降解转变为其他具有环戊烧多氢菲母核的产物，或参与代谢调节，或排出体外。在肝被转化成胆汁酸(bile acid)是胆固醇在体内代谢的主要去路。正常人每天约合成1-1.5g胆固醇，其中2/5(0.4-0.6g)在肝被转化为胆汁酸，随胆汁排出。游离胆固醇也可随胆汁排出。胆固醇是肾上腺皮质、睾丸、卵巢等合成类固醇激素的原料。肾上腺皮质细胞储存大量胆固醇醋，含量可达2%-5%,90％来自血液，10％自身合成。肾上腺皮质球状带、束状带及网状带细胞以胆固醇为原料分别合成醒固酮、皮质醇及雄激素。睾丸间质细胞以胆固醇为原料合成睾酮，卵泡内膜细胞及黄体以胆固醇为原料合成雌二醇及孕酮。胆固醇可在皮肤被氧化为7－脱氢胆固醇，经紫外线照射转变为维生素D30~第六节血浆脂蛋白及其代谢—、血脂是血浆所含脂质的统称血浆脂质包括甘油三酉趴磷脂、胆固醇及其酣，以及游离脂肪酸等。磷脂主要有卵磷脂（约70%）、神经鞘磷脂（约20%）及脑磷脂（约10%）。血脂有两种来源，外源性脂质从食物摄取入血，内源性脂质由肝细胞、脂肪细胞及其他组织细胞合成后释放入血。血脂不如血糖恒定，受膳食、年龄、性别、职业以及代谢等影响，波动范围较大（表7-4)。已组成mg/di mmol/L空腹时主要来源总脂400-700(500)•甘油三酷10-150(100)0.11~1.69(1.13)肝总胆固醇100-250(200)2.59-6.47(5.17)肝胆固醇酷70-200(145)1.81~5.17(3.75)游离胆固醇40~70(55)I.03-1.81(1.42)总磷脂150-250(200)48.44~80.73(64.58)肝卵磷脂50~200(100)16.1~64.6(32.3)肝神经磷脂50~130(70)16.1~42.0(22.6)肝脑磷脂15~35(20)4.8~13.0(6.4)肝游离脂肪酸5-20(15)脂肪组织二、血浆脂蛋白是血脂的运输形式及代谢形式（一）血浆脂蛋白可用电泳法和超速离心法分类不同脂蛋白所含脂质和蛋白质不一样，其理化性质如密度、颗粒大小、表面电荷、电泳行为，免疫学性质及生理功能均有不同（表7-5)包（动画7-3"脂蛋白的结构”)，据此可将脂蛋白分为不同种类。


生物化学与分子生物学 164第二篇物质代谢及其调节二、胆固醇的主要去路是转化为胆汁酸 1.电泳法按电场中的迁移率对血浆脂蛋白分类不同脂蛋白的质量和表面电荷不同，在同一电场中移动的快慢不一样。a-脂蛋白(a-lipoprotein)泳动最快，相当于a!－球蛋白位置；B-脂蛋白([3-lipoprotein)相当千B球蛋白位置；前B－脂蛋白(pre-[3-lipoprotein)位千B－脂蛋白之前，相当于气－球蛋白位置；乳糜微粒(ch ylomicron, CM)不泳动，留在原点（点样处）（图7-10)。密度法极低密度脂蛋白低密度脂蛋白高密度脂蛋白分类电泳法乳糜微粒前住脂蛋白仓脂蛋白a-脂蛋白性质密度<0.950.95-1.006I.006-I.0631.063-1.210s1值>40020~4000~20沉降电泳位置原点伍－球蛋白B球蛋白Ci1-球蛋白颗粒直径(nm)80~50025~8020~255~17组成（％）蛋白质0.5-25~1020~2550脂质98~9990~9575~8050甘油三酷80~9550~70105磷脂5~7152025胆固醇1~41545~5020游离胆固醇1~25~785酷化胆固醇310~1240~4215~17载脂蛋白组apo A I7<l65~70成（％）apo A JI520~25apo AN10apo BlOO20~6095apo B489apo CI1136合成部位小肠黏膜细胞肝细胞血浆肝、肠、血浆功能转运外源性甘油转运内源性甘油转运内源性胆逆向转运胆固醇三酷及胆固醇三酷及胆固醇固醇2.超速离心法按密度对血浆脂蛋白分类不同脂蛋白因含脂质和蛋白质种类和数量不同，密度也不同。将血浆在一定密度盐溶液中超速离心，脂蛋白会因密度不同而漂浮或沉降（动画7-4“血浆脂蛋白的超速离心法”)。通常用Svedberg漂浮率(Sf)表示脂蛋白上浮或下沉特性。在26"C、密度为1.063的NaCl溶液、每达因／克作用下，上浮10一13cm/s，即为1Sf单位，即1S1=10一13(cm/s)I(dyn/g)=10一13S。乳糜微粒含脂最多，密度最小，易上浮；其余脂蛋白按密度由小到大依次为极低密度脂蛋白(v ery low density lipoprot ein, VLDL)、低密度脂蛋白(low density lipoprot ein, LDL)和高密度脂蛋白(high density li poprotei n, HDL)；分别相当于电泳分类中的CM、前B－脂蛋白、B－脂蛋白及a－脂蛋白。人血浆还有中密度脂蛋白(intermediate density lipop rotei n, IDL)和脂蛋白(a)[lipoprotein(a),Lp(a)］。IDL是VLDL在血浆中向LDL转化的中间产物，组成及密度介于VLDL及LDL之间。Lp(a)的脂质成分与WL类似，蛋白质成分中，除含一分子载脂蛋白B100外，还含一分子载脂蛋白A(apol1一＼I，对i}poprotein A)，是一类独立脂蛋白，由肝产生，不转化成其他脂蛋白。因蛋白质及脂质含噩不同，HDL还可分成亚类，主要有HDL2及HDL30（二）血浆脂蛋白是脂质与蛋白质的复合体1血浆脂蛋白中的蛋白质称为载脂蛋白迄今已从人血浆脂蛋白分离出20多种载脂蛋白(apolipoprot ein, apo)，主要有apoA、B、C、D及E等五大类（表7-6)。载脂蛋白在不同脂蛋白的分布及含量不同，apoB48是CM特征载脂蛋白，LDL几乎只含apo B100, HDL主要含apo A I及apo A II。


生物化学与分子生物学 164第二篇物质代谢及其调节二、胆固醇的主要去路是转化为胆汁酸 载脂分子质量氨基酸数分布功能血浆含量飞mg/di)Al28.3243HDL激活LCAT，识别HDL受体123.8士4.7AIi17.577X2HDL稳定HDL结构，激活HL33士5AIV46.0371HDL,CM辅助激活LPL17士2<1BlOO512.74536VLDL,LDL识别LDL受体87.3土14.3B48264.02152CM促进CM合成?CI6.557CM, VLDL,HDL激活LCAT?7.8土2.4C lI8.879CM, VLDL,HDL激活LPL5.0土1.8C皿8.979CM, VLDL,HDL抑制LPL，抑制肝apoE受体11.8土3.6D22.0169HDL转运胆固醇酣1归4A E34.0299CM,VLDL,HDL识别LDL受体3.5土1.2J70.0427HDL结合转运脂质，补体激活10A(a)500.04529LP(a)抑制纤溶酶活性0~l20A CETP64.0493HDL,d>l.21转运胆固醇酣0.19土0.05~PTP69.0?HDL,d>l.21转运磷酷?．四川大学华西基础医学与法医学院生物化学与分子生物学教研室、载脂蛋白研究室对625例成都地区正常成人的测定结果4国外报道参考值CETP：胆固醇酷转运蛋白；LPL：脂蛋白脂肪酶；PTP：磷脂转运蛋白；HL：肝脂肪酶2.不同脂蛋白具有相似基本结构大多数载脂蛋白如apo A I、All、C I、C lI、cm及E等均具双性a－螺旋(amp hipathic a helix)结构，不带电荷的疏水氨基酸残基构成a－螺旋非极性面，带电荷的亲水氨基酸残基构成a－螺旋极性面。在脂蛋白表面，非极性面借其非极性疏水氨基酸残基与脂蛋白内核疏水性较强的甘油三酷(triglycerides, TG)及胆固醇酣(cholesterol ester, CE)以疏水键相连，极性面则朝外，与血浆的水相接触。磷脂及游离胆固醇具有极性及非极性基团，可以借非极性疏水基团与脂蛋白内核疏水性较强的TG及CE以疏水键相连，极性基团朝外，与血浆的水相接触。所以，脂蛋白是以TG及CE为内核，载脂蛋白、磷脂及游离胆固醇单分子层覆盖于表面的复合体，保证不溶于水的脂质能在水相的血浆中正常运输。脂蛋白一般呈球状，CM及VLDL主要以TG为内核，LDL及HDL则主要以CE为内核。


生物化学与分子生物学 164第二篇物质代谢及其调节二、胆固醇的主要去路是转化为胆汁酸 三、不同来源脂蛋白具有不同功能和不同代谢途径（－）乳糜微粒主要转运外源性甘油三酷及胆固醇乳糜微粒(chylomicron, CM)代谢途径又称外源性脂质转运途径或外源性脂质代谢途径（图7lla)（动画7-5"乳糜微粒代谢过程”)。食物脂肪消化后，小肠黏膜细胞用摄取的中长链脂肪酸再合成甘油三酣(triglyceride, TG)，并与合成及吸收的磷脂和胆固醇，加上apo B48、apo A I、apo All、apo A W等组装成新生CM，经淋巴道入血，从高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)获得apo C及apo E，并将部分apo A I、apo All、apo AN转移给HDL，形成成熟CM。apo C lI激活骨骼肌、心肌及脂肪等组织毛细血管内皮细胞表面脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipas e, LPL)，使CM中TG及磷脂逐步水解，产生甘油、脂肪酸及溶血磷脂。随着CM内核TG不断被水解，释出大量脂肪酸被心肌、骨骼肌、脂肪组织及肝组织摄取利用，CM颗粒不断变小，表面过多的apo A I、apo All、apo AN、apo C、磷脂及胆固醇离开CM颗粒，形成新生HDL。CM最后转变成富含胆固醇酷(cholesterol ester, CE)、apo B48及apo E的CM残粒(remnant)，被细胞膜LDL受体相关蛋白(LDL receptor related protein, LRP)识别、结合并被肝细胞摄取后彻底降解。apo C II是LPL不可缺少的激活剂，无apo C II时，LPL活性很低；加入apo CII后，LPL活性可增加10~50倍。正常人CM在血浆中代谢迅速，半寿期为5~15分钟，因此正常人空腹l2~14小时血浆中不含CM。


生物化学与分子生物学 164第二篇物质代谢及其调节二、胆固醇的主要去路是转化为胆汁酸  乳糜微粒 U 肠-/`｀一产肝＿尸个—亘、归三三巨噬细胞内皮细胞/7三尸哥二：勹一:-t肝外细胞（二）极低密度脂蛋白主要转运内源性甘油三酷 极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein, VLDL)是运输内源性TG的主要形式，其血浆代谢产物低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)是运输内源性胆固醇的主要形式，VLDL及LDL代谢途叽qi样，VLDL中TG在LPL作用下，水解释出脂肪酸和甘油供肝外组织利用。同时，VLDL表面的apo C、磷脂及胆固醇向HDL转移，而HDL胆固醇酷又转移到VLDL。该过程不断进行，VLDL中TG不断减径又称内源性脂质转运途径或内源性脂质代谢途径（图7-1lb)（动画7-6“极低密度脂蛋白代谢过程”)。肝细胞以葡萄糖分解代谢中间产物为原料合成TG，也可利用食物来源的脂肪酸和机体脂肪酸库中的脂肪酸合成TG，再与BlOO、E以及磷脂、胆固醇等组装成VLDL。此外，小肠黏膜细胞亦可apo合成少量VLDL。VLDL分泌入血后，从高密度脂蛋白(highHDL)获得C，其中density lipoprotein, apo II激活肝外组织毛细血管内皮细胞表面的脂蛋白脂肪酶(lipoproteinLPL)。和CM代谢一apo C lipase,少，CE逐渐增加，B100及E相对增加，颗粒逐渐变小，密度逐渐增加，转变为中密度脂蛋白(interapo mediate density lipoprotein, IDL)。IDL胆固醇及TG含量大致相等，载脂蛋白则主要是B100及apoapo E。肝细胞膜LRP可识别和结合IDL，因此部分IDL被肝细胞摄取、降解。未被肝细胞摄取的IDL（在人约占总IDL50%，在大鼠约占10%)，其TG被LPL及肝脂肪酶(hepaticHL)进一步水解，表lipase,面E转移至HDL。这样，IDL中剩下的脂质主要是CE，剩下的载脂蛋白只有B100，转变为apoapo人体多种组织器官能摄取、降解低密度脂蛋白(lowLDL)，肝是主要器官，约density lipoprotein,50％的LDL在肝降解。肾上腺皮质、卵巢，睾丸等组织摄取及降解LDL能力亦较强。血浆LDL降解既可通过LDL受体(LDLreceptor)途径（图7-12)完成，也可通过单核－吞噬细胞系统完成（动画7-7“低密度脂蛋白代谢过程”)。正常人血浆LDL，每天约45％被清除，其中2/3经LDL受体途径，1/3经单核吞噬细胞系统。血浆LDL半寿期为2~4天。酶个胆LDL。VLDL在血液中的半寿期为6~12小时。


生物化学与分子生物学 肠-/`｀一产肝＿尸个—亘、归三三巨噬细胞内皮细胞/7三尸哥二：勹一:-t肝外细胞（二）极低密度脂蛋白主要转运内源性甘油三酷


生物化学与分子生物学 （三）低密度脂蛋白主要转运内源性胆固醇游睢细胞膜 LDL－结合一-尸内吞一溶酶体水解--游离胆固醇一千HMG-CoA还原酶i1974年，M. S. Brown及J. L. Goldstein首先在人成纤维细胞膜表面发现了能特异结合LDL的LDL受体。他们纯化了该受体，证明它是839个氨基酸残基构成的糖蛋白，分子质量160000。后来发现，LDL受体广泛分布于全身，特别是肝、肾上腺皮质、卵巢、睾丸、动脉壁等组织的细胞膜表面，能特异识别、结合含apo B100或apo E的脂蛋白，故又称apo B/E受体(apo B/E receptor)。当血浆LDL与LDL受体结合后，形成受体－配体复合物在细胞膜表面聚集成簇，经内吞作用进入细胞，与溶酶体融合。在溶酶体蛋白水解酶作用下，apo B100被水解成氨基酸；胆固醇酷则被胆固醇酷酶水解成游离胆固醇和脂肪酸。游离胆固醇在调节细胞胆固醇代谢上具有重要作用：心抑制内质网HMG-CoA还原酶＠红(HMG-CoA reductase)，从而抑制细胞自身胆固醇合成；＠从转录水平抑制LDL受体基因表达，抑制受体蛋白合成，减少细胞对LDL进一步摄取；＠激活内质网脂酰－CoA：胆固醇脂酰转移酶(acyl-CoA:cholesterol acyl transferase, ACAT)，将游离胆固醇酷化成胆固醇酷在细胞质贮存。同时，游离胆固醇还有重要生理功能：心被细胞膜摄取，构成重要的膜成分；＠在肾上腺、卵巢及睾丸等固醇激素合成细胞，可作为类固醇激素合成原料。LDL被该途径摄取、代谢多少，取决于细胞膜上受体多少。肝、肾上腺皮质、性腺等组织LDL受体数目较多，故摄取LDL亦较多。


生物化学与分子生物学 （三）低密度脂蛋白主要转运内源性胆固醇游睢细胞膜 血浆LDL还可被修饰成如氧化修饰LDL(OX吐zed LDL,Ox-LDL)，被清除细胞即单核－吞噬细胞系统中的巨噬细胞及血管内皮细胞清除。这两类细胞膜表面有清道夫受体(scavenger receptor, SR)，可与修饰LDL结合而清除血浆修饰LDL。 （四）高密度脂蛋白主要逆向转运胆固醇 新生高密度脂蛋白(high density lipoprotein, HDL)主要由肝合成，小肠可合成部分。在CM及VLDL代谢过程中，其表面apo A I、apo A IT、apo AN、apo C以及磷脂、胆固醇等脱离亦可形成。HDL可按密度分为HDL!、HDL2及HDL3。HDLI也称作HDLC，仅存在于摄取高胆固醇膳食后血浆，正常人血浆主要含HDL2及HDL3。新生HDL的代谢过程实际上就是胆固醇逆向转运(reverse cholesteroltransp01t,RCT)过程，它将肝外组织细胞胆固醇，通过血液循环转运到肝，转化为胆汁酸排出，部分胆固醇也可直接随胆汁排入肠腔（见图7-llC)。


生物化学与分子生物学 （四）高密度脂蛋白主要逆向转运胆固醇 RCT第一步是胆固醇自肝外细胞包括动脉平滑肌细胞及巨噬细胞等移出至HDL。大量研究证明，HDL是细胞胆固醇移出不可缺少的接受体(acceptor)。存在千细胞间液中富含磷脂及apo A I、含较少游离胆固醇(free cholesterol,FC)的新生HDL，呈盘状，根据电泳位置将其称为前[31-HDL，能作为FC接受体，促进细胞胆固醇外流。巨噬细胞、脑、肾、肠及胎盘等组织细胞膜存在ATP结合盒转运蛋白Al(ATP-binding cassette transporter Al, ABCAl)，又称为胆固醇流出调节蛋白(cholesterol-efflux regulatory protein, CERP)，可介导细胞内胆固醇及磷脂转运至细胞外，在RCT中发挥重要作用。ABCAl为ABC转运蛋白超家族成员，是2261个氨基酸残基组成的跨膜蛋白。ABCAl有4个结构域，其中2个为跨膜结构域，含由12个疏水模体(motif)构成的疏水区，胆固醇可能通过该疏水区从细胞内流出至细胞外；另2个结构域为伸向细胞质的ATP结合部位，能为胆固醇跨膜转运提供能量。


生物化学与分子生物学 （四）高密度脂蛋白主要逆向转运胆固醇 RCT第二步是HDL所运载的胆固醇的醋化及胆固醇酷的转运。新生HDL从肝外细胞接受的FC，分布在HDL表面。在血浆卵磷脂：胆固醇脂肪酰基转移酶(lecithin:cholesterol acyl transferase, LCAT)作用下，HDL表面卵磷脂的2位脂酰基转移至胆固醇3位胫基生成溶血卵磷脂及胆固醇酷(cholesterol ester, CE)。CE在生成后即转入HDL内核，表面则可继续接受肝外细胞FC，消耗的卵磷脂也可从肝外细胞补充。该过程反复进行，HDL内核CE不断增加，双脂层盘状HDL逐步膨胀为单脂层球状并最终转变为成熟HDL。LCAT由肝实质细胞合成和分泌，在血浆中发挥作用，HDL表面的apo A I是LCAT激活剂。实际上，HDL成熟过程是多种酶及蛋白质参与的逐渐演变过程。新生HDL接受FC后，在LCAT作用下将FC醋化成CE。HDL中的apo D是一种转脂蛋白，能将CE由HDL表面转移至内核。随着该过程的不断进行，新生HDL先转变为密度较大、颗粒较小的HDL3。血浆胆固醇醋转运蛋白(cholesterol ester transfer protein, CETP)能促成HDL和VLDL之间的CE和TG交换，迅速将CE由HDL转移至VLDL，将TG由VLDL转移至HDL。血浆中还存在磷脂转运蛋白(phospholipid transfer protein, PTP)，能促进磷脂由HDL向VLDL转移。HDL在血浆LCAT、apo A、apo D及CETP和PTP共同作用下，将从肝外细胞接受的FC不断酷化，酷化的胆固醇醋约80％转移至VLDL和LDL,20％进入HDL内核。同时，HDL表面的apo E及C转移到VLDL，而TG又由VLDL转移至HDL。由于HDL内核的CE及TG不断增加，使HDL颗粒进一步增大、密度逐步降低，由HDL3转变为密度更小、颗粒更大的HDL2。在高胆固醇膳食后血浆中，HD匕还可大量地进一步转变为HDL10RCT最后一步在肝进行。机体不能将胆固醇彻底分解，只能在肝转化成胆汁酸排出或直接以FC~（叩所i形式通过胆汁排出。肝细胞膜存在HDL受体(HDL recepter)、LDL受体及特异的apo E受体。研究表明，血浆CE的90％以上来自HDL，其中约70％在CETP作用下由HDL转移至VLDL，后者再转变成LDL通过LDL受体途径在肝被清除；20％通过HDL受体在肝被清除；10％由特异的apo E受体在肝被清除。机体通过这种机制，还可将外周组织衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝代谢并排出。HDL的血浆半寿期为3~5天。除参与RCT外，HDL还是apo C II贮存库。CM及VLDL进入血液后，需从HDL获得apo C II才能激活LPL，水解其TG。CM及VLDL中TG水解完成后，apo C II又回到HDL。


生物化学与分子生物学 （四）高密度脂蛋白主要逆向转运胆固醇  四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 （－）不同脂蛋白的异常改变引起不同类型高脂血症血浆脂质水平异常升高，超过正常范围上限称为高脂血症(hyperlipidemia)。在目前临床实践中，高脂血症指血浆胆固醇或（和）甘油三酷超过正常范围上限，一般以成人空腹l2~14小时血浆甘油三酷超过2.26mmoVL(200mg/dl)，胆固醇超过6.2lmmoVL(240mg/dl)，儿童胆固醇超过4.14mmoVL(160mg/dl)为高脂血症诊断标准。事实上，在高脂血症血浆中，一些脂蛋白脂质含量升高，而另外脂蛋白脂质含量可能降低。因此，有人认为将高脂血症称为脂蛋白异常血症(dyslipoproteinemia)更为合理。传统的分类方法将脂蛋白异常血症分为六型（表7-7)。


生物化学与分子生物学 四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 分型血浆脂蛋白变化血脂变化I乳糜微粒升高甘油三百旨r r r胆固醇t I[a低密度脂蛋白升高胆固醇f f IIb低密度及极低密度脂蛋白同时升高胆固醇T T甘油三酣T T III中间密度脂蛋白升高（电泳出现宽B带）胆固醇t t甘油三酣f T w极低密度脂蛋白升高甘油三百甘f f V极低密度脂蛋白及乳糜微粒同时升高甘油三酣t t t胆固醇T脂蛋白异常血症还可分为原发性和继发性两大类。原发性脂蛋白异常血症发病原因不明，已证明有些是遗传性缺陷。继发性脂蛋白异常血症是继发于其他疾病如糖尿病、肾病和甲状腺功能减退等。


生物化学与分子生物学 四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 （二）血浆脂蛋白代谢相关基因遗传性缺陷引起脂蛋白异常血症现已发现，参与脂蛋白代谢的关键酶如LPL及LCAT，载脂蛋白如apoA I、apo B、apo C II、apo C皿和apo E，以及脂蛋白受体如LDL受体等的遗传性缺陷，都能导致血浆脂蛋白代谢异常，引起脂蛋白异常血症。在这些已经阐明发病分子机制的遗传性缺陷中，Brown MS及Goldstein JL对LDL受体研究取得的成就最为重大，他们不仅阐明了LDL受体的结构和功能，而且证明了LDL受体缺陷是引起家族性高胆固醇血症的重要原因。LDL受体缺陷是常染色体显性遗传，纯合子携带者细胞膜LDL受体完全缺乏，杂合子携带者LDL受体数目减少一半，其LDL都不能正常代谢，血浆胆固醇分别高达15.6~20.8mmoVL(600-800mg/dl)及7.8-10.4mmoVL(300-400mg/dl)携带者在20岁前就发生典型的冠心病症状。


生物化学与分子生物学 四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 脂质能溶于有机溶剂但不溶于水，分子中含脂酰基或能与脂肪酸起酣化反应。脂肪（甘油三醋）是机体重要的能量物质，胆固醇、磷脂及糖脂是生物膜的重要组分，参与细胞识别及信号传递，还是多种生物活性物质的前体。多不饱和脂肪酸衍生物具有重要生理功能。肝、脂肪组织及小肠是合成甘油三酣的主要场所，肝合成能力最强；基本原料为甘油和脂肪酸，主要分别由糖代谢提供和糖转化形成。小肠黏膜细胞以脂酰CoA酣化甘油一酣合成甘油三酣，肝细胞及脂肪细胞以脂酰CoA先后酣化3－磷酸甘油及甘油二酣合成甘油三酣。甘油三酣水解生成甘油和脂肪酸。甘油经活化、脱氢、转化成磷酸二径丙酮后，循糖代谢途径代谢。脂肪酸活化后进入线粒体，经脱氢、加水、再脱氢及硫解4步反应的重复循环完成B－氧化，生成乙酰CoA，并最终彻底氧化，释放大量能量。肝B－氧化生成的乙酰CoA还能转化成酮体，经血液运输至肝外组织利用。


生物化学与分子生物学 四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 人体脂肪酸合成的主要场所是肝，基本原料乙酰CoA需先狻化为丙二酸单酰CoA。在细胞质脂肪酸合酶体系催化下，由NADPH供氢，通过缩合、还原、脱水、再还原4步反应的7次循环合成16碳软脂酸。更长碳链脂肪酸的合成在肝细胞内质网和线粒体中通过对软脂酸加工、延长完成。脂肪酸脱氢可生成不饱和脂肪酸，但人体不能合成多不饱和脂肪酸，只能从食物摄取。甘油磷脂合成以磷脂酸为重要中间产物，需CTP参与。甘油磷脂的降解由磷脂酶A、B、C和D催化完成。神经鞘磷脂的合成以软脂酰CoA、丝氨酸和胆碱为基本原料，先合成鞘氨醇，再与脂酰CoA、CDP－胆碱合成神经鞘磷脂。


生物化学与分子生物学 四、血浆脂蛋白代谢紊乱导致脂蛋白异常血症 胆固醇合成以乙酰CoA为基本原料，先合成HMG-CoA，再逐步合成胆固醇。HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的关键酶。细胞内胆固醇含量是胆固醇合成的重要调节因素，无论是外源性还是自身合成，只要升高了细胞胆固醇含量，都能抑制胆固醇合成。胆固醇在体内可转化成胆汁酸、类固醇激素和维生素D3o脂质以脂蛋白形式在血中运输和代谢。超速离心法将血浆脂蛋白分为乳糜微粒、极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白和高密度脂蛋白。CM主要转运外源性甘油三醋及胆固醇，VLDL主要转运内源性甘油三醋，LDL主要转运内源性胆固醇，HDL主要逆向转运胆固醇。1.血浆甘油三酣异常升高的病人是否需要控制淀粉类食物的摄入？为什么？


生物化学与分子生物学 第八章蛋白质消化吸收和氨基酸代谢 氨基酸是蛋白质的基本组成单位，其重要生理功能之一是作为原料参与细胞内蛋白质的合成。体内的蛋白质处于不断合成与分解的动态平衡。组织蛋白质首先分解成为氨基酸，然后再进一步代谢，所以氨基酸代谢是蛋白质分解代谢的中心内容。氨基酸代谢包括合成代谢和分解代谢两方面，本章重点论述分解代谢。体内蛋白质的更新与氨基酸的分解均需要食物蛋白质来补充。为此，在讨论氨基酸代谢之前，首先叙述蛋白质的营养价值及蛋白质的消化、吸收问题。第一节蛋白质的营养价值与消化、吸收一、体内蛋白质的代谢状况可用氮平衡描述氮平衡(nitrogen balance)是指每日氮的摄入量与排出量之间的关系。摄入氮基本上来源于食物中的蛋白质，经机体消化吸收后主要用千体内蛋白质的合成己；排出氮主要来自粪便和尿液中的含氮化合物，绝大部分是蛋白质在体内分解代谢的终产物。由千蛋白质的平均含氮量为16%，通过测定摄入食物中的含氮量和排泄物中的含氮量可以间接了解体内蛋白质合成与分解代谢的状况。人体氮平衡有三种情况，即氮的总平衡、氮的正平衡及氮的负平衡。


生物化学与分子生物学 第八章蛋白质消化吸收和氨基酸代谢 氮的总平衡，即摄入氮量等于排出氮量，反映体内蛋白质的合成与分解处千动态平衡，即氮的“收支“平衡通常见于正常成人；氮的正平衡，即摄入氮量大于排出氮量，反映体内蛋白质的合成大于分解，儿童、孕妇及恢复期的病人属于此种情况；氮的负平衡，即摄入氮量小千排出氮量，反映体内蛋白质的合成小千分解，见于饥饿、严重烧伤、出血及消耗性疾病的病人。根据氮平衡实验计算，当正常成人食用不含蛋白质膳食约8天后，每天的排出氮量逐渐趋千恒定。此时，每公斤体重每日排出的氮量约为53mg，故一位60kg体重的正常成人每日蛋白质的最低分解量约为20g。由于食物蛋白质与人体蛋白质组成的差异，消化吸收后不可能全部被利用，因此，为了维持氮的总平衡，正常成人每日蛋白质的最低生理需要佩为30~50g。要长期保持氮的总平衡，我国营养学会推荐正常成人每日蛋白质的需要量为80g。


生物化学与分子生物学 二、营养必需氨基酸决定蛋白质的营养价值 氮平衡实验证明，人体内有9种氨基酸不能合成。这些体内需要而不能自身合成，必须由食物提供的氨基酸，在营养学上称为必需氨基酸(essential amino acid)，包括亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、细氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和组氨酸包。其余11种氨基酸体内可以合成，不必由食物供给，在营养学上称为非必需氨基酸(non-esse ntial amino acid)。精氨酸虽然能够在入体内合成，但合成量不多，若长期供应不足或需要量增加也可造成负氮平衡。因此，有人将精氨酸也归为营养必需氨基酸。


生物化学与分子生物学 二、营养必需氨基酸决定蛋白质的营养价值 蛋白质的营养价值(nutrition value)是指食物蛋白质在体内的利用率。蛋白质营养价值的高低主要取决于食物蛋白质中必需氨基酸的种类和比例。一般来说，含必需氨基酸种类多、比例高的蛋白质，其营养价值高；反之营养价值低。由于动物性蛋白质所含必需氨基酸的种类和比例与人体需要相近，故营养价值相对较高。多种营养价值较低的蛋白质混合食用，彼此间必需氨基酸可以得到互相补充，从而提高蛋白质的营养价值，这种作用称为食物蛋白质的互补作用。例如谷类蛋白质含赖氨酸较少含色氨酸较多，而豆类蛋白质含赖氨酸较多含色氨酸较少，将两者混合食用即可提高蛋白质的营养价值。在某些疾病情况下，为保证病人氨基酸的需要，可输入氨基酸混合液，以防止病情恶化。 三、外源性蛋白质消化成寡肤和氨基酸后被吸收 （－）蛋白质在胃和小肠被消化成寡肤和氨基酸食物蛋白质的消化、吸收是体内氨基酸的主要来源。同时，消化过程还可消除食物蛋白质的抗原性，避免引起机体的过敏和毒性反应。食物蛋白质的消化由胃开始，但主要在小肠进行。


生物化学与分子生物学 三、外源性蛋白质消化成寡肤和氨基酸后被吸收 小肠内发挥作用的蛋白酶基本上分为两大类，即内肤酶(endopeptidase)和外肤酶(exopeptidase)。内肤酶可以特异地水解蛋白质内部的一些肤键，而外肤酶则特异地水解蛋白质或多肤末端的肤键。内肤酶包括胰蛋白酶(trypsin汃胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)和弹性蛋白酶(elastase)，这些酶对不同氨基酸残基组成的肤键有一定的专一性。胰蛋白酶水解由碱性氨基酸残基组成的肤键，胰凝乳蛋白酶水解由芳香族氨基酸残基组成的肤键，而弹性蛋白酶主要水解由脂肪族氨基酸残基组成的肤键。外肤酶主要包括狻肤酶和氨肤酶。胰液中的外肤酶主要是狻肤酶，又可分为狻肤酶A(carboxyl pepti一dase A)和狻肤酶B(carboxyl peptidase B)，它们自肤链的狻基末端开始，每次水解脱去一个氨基酸。狻肤酶A和狻肤酶B对不同氨基酸残基组成的肤键也有一定的专一性，前者主要水解除脯氨酸、精氨酸、赖氨酸以外的多种氨基酸残基组成的末端肤键，而后者主要水解由碱性氨基酸残基组成的末端肤键（图8-1)。


生物化学与分子生物学 氨肤酶内肤酶狻肤酶订礼li-.~!i凡凡上5上}二肤酶氨基酸＋H2N-CH-C..'..NH-CH-COOH氨基酸174第二篇物质代谢及其调节 内肤酶和狻肤酶都是以酶原的形式由胰腺细胞分泌，进入十二指肠后被激活。胰蛋白酶原由肠激酶(enterokinase)激活。肠激酶是十二指肠黏膜细胞分泌的一种蛋白水解酶，能特异地作用于胰蛋白酶原，从其氨基末端水解掉1分子的六肤，生成有活性的胰蛋白酶。然后胰蛋白酶又将胰凝乳蛋白酶原（又称为糜蛋白酶原）、弹性蛋白酶原和狻肤酶原激活。胰蛋白酶的自身激活作用较弱（图8-2)。由于胰液中各种蛋白酶均以酶原的形式存在，同时胰液中又存在胰蛋白酶抑制剂，可以保护胰腺组织免受蛋白酶的自身消化。


生物化学与分子生物学 胰蛋白酶原肠激酶了胰蛋白酶 糜蛋白酶原声糜蛋白酶弹性蛋白酶原亘弹性蛋白酶狻肤酶原狻肤酶(A或B)(A或B)蛋白质经胃液和胰液中蛋白酶的消化，产物中约有1/3为氨基酸，其余2/3为寡肤。寡肤的水解主要在小肠黏膜细胞内进行。小肠黏膜细胞内存在两种寡肤酶(oligopeptidase)，即氨肤酶(aminopep tidase)和二肤酶(di peptidase)。氨肤酶从氨基末端逐步水解寡肤获得氨基酸，直至生成二肤，二肤再经二肤酶水解，最终生成氨基酸。


生物化学与分子生物学 （二）氨基酸和寡肤通过主动转运机制被吸收 食物蛋白质被消化成氨基酸和寡肤后，主要在小肠通过主动转运机制被吸收。小肠黏膜细胞膜上存在转运氨基酸和寡肤的载体蛋白(cru-rier protein)，能与氨基酸或寡肤以及Na十形成三联体，将氨基酸或寡肤和N旷转运入细胞，之后Na十借助钠泵被排出细胞外，此过程需要消耗ATP。由于氨基酸结构的差异，转运氨基酸或寡肤的载体蛋白也不相同。目前已知体内至少有7种载体蛋白参与氨基酸和寡肤的吸收。这些载体蛋白又被称为转运蛋白(transporter)，包括中性氨基酸转运蛋白、酸性氨基酸转运蛋白、碱性氨基酸转运蛋白、亚氨基酸转运蛋白、B－氨基酸转运蛋白、二肤转运蛋白及三肤转运蛋白。当某些氨基酸共用同一载体时，由于在结构上有一定的相似性，这些氨基酸在吸收过程中将彼此竞争。氨基酸通过转运蛋白的吸收过程不仅存在于小肠黏膜细胞，也存在于肾小管细胞和肌细胞等细胞膜上。


生物化学与分子生物学 四、未消化吸收的蛋白质在结肠下段发生腐败 食物中的蛋白质绝大部分都被彻底消化并吸收。未被消化的蛋白质及未被吸收的消化产物在结肠下部受到肠道细菌的分解，称为蛋白质的腐败作用(putrefac tion)。实际上，腐败作用是肠道细菌本身的代谢过程，以无氧分解为主。腐败作用的某些产物对人体具有一定的营养作用，如维生素及脂肪酸等。但大多数产物对人体是有害的，例如胺类(amine汃氨(ammonia汃酚类(phenol)、时1啋(indole)及硫化氢等。生成的腐败产物主要随粪便排出体外，也有少量经门静脉吸收进入体内，大多在肝经过生物转化作用后排出体外。


生物化学与分子生物学 （一）肠道细菌通过脱狻基作用产生胺类 未被消化的蛋白质经肠道细菌蛋白酶的作用可水解生成氨基酸，然后在细菌氨基酸脱狻酶的作用下氨基酸脱去狻基生成胺类物质。例如组氨酸、赖氨酸、色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸通过脱狻基作用分别生成组胺、尸胺、色胺、酪胺及苯乙胺。这些腐败产物大多具有毒性，如组胺和尸胺具有降低血压的作用，酪胺具有升高血压的作用。这些毒性物质如果经门静脉进入体内，通常经肝代谢转化为无毒形式排出体外。但在肝功能受损时，酪胺和苯乙胺不能在肝内及时转化，极易进入脑组织，经B－轻化酶作用，分别转化为仕轻酪胺和苯乙醇胺。因其结构类似于儿茶酚胺，故被称为假神经递质(false neurotransmitter)。假神经递质增多时，可竞争性地干扰儿茶酚胺的正常功能，阻碍神经冲动传递，使大脑发生异常抑制，这可能是肝性脑病发生的原因之一。 ｀二如妞勹吼妞妞去甲肾上腺素 未被吸收的氨基酸在肠道细菌的作用下，通过脱氨基作用可以生成氨，这是肠道氨的重要来源之一。另一来源是血液中的尿素渗入肠道，经肠菌尿素酶的水解而生成氨。这些氨均可被吸收进入血液最终在肝中合成尿素。降低肠道的pH，可减少氨的吸收。


生物化学与分子生物学 ｀二如妞勹吼妞妞去甲肾上腺素 （三）腐败作用产生其他有害物质除了胺类和氨以外，蛋白质的腐败作用还可产生其他有害物质，例如苯酚、I弛朵甲基时1啋及硫化氢等。正常情况下，上述有害物质大部分随粪便排出，只有小部分被吸收，并经肝的代谢转变消除毒性，故不会发生中毒现象。


生物化学与分子生物学 ｀二如妞勹吼妞妞去甲肾上腺素 第二节氨基酸的一般代谢—、体内蛋白质分解生成氨基酸成人体内的蛋白质每天约有1%～2％被降解，其中主要是骨骼肌中的蛋白质。蛋白质降解所产生的氨基酸，大约70%-80％又被重新利用合成新的蛋白质。（一）蛋白质以不同的速率进行降解不同蛋白质的降解速率不同。蛋白质的降解速率是随生理需要而不断变化的，若以高的平均速率降解，标志着该组织正在进行主要结构的重建，例如妊娠中的子宫组织或严重饥饿造成的骨骼肌蛋白质的降解。蛋白质降解的速率用半寿期(half-life, t112)表示，半寿期是指将其浓度减少到开始值s o％所需要的时间。肝中蛋白质的tI/2短的低于30分钟，长的超过150小时，但肝中大部分蛋白质的l112为1~8天。人血浆蛋白质的l112约为10天，结缔组织中一些蛋白质的tl/2可达180天以上，眼晶体蛋白质的ll/2更长。体内许多关键酶的l112都很短，例如胆固醇合成关键酶HMG-CoA还原酶的l112为0.5~2小时。为了满足生理需要，关键酶的降解既可加速亦可滞后，从而改变酶的含量，进一步改变代谢产物的流量和浓度。


生物化学与分子生物学 ｀二如妞勹吼妞妞去甲肾上腺素 （二）真核细胞内蛋白质的降解有两条重要途径细胞内蛋白质的降解也是通过一系列蛋白酶和肤酶催化完成的。蛋白质首先被蛋白酶水解成肤，然后肤被肤酶降解成游离氨基酸。1蛋白质在溶酶体通过ATP非依赖途径被降解溶酶体的主要功能是消化作用，是细胞内的,,1n:q-il。。 勹了P－轻酪胺多巴胺 假神经递质儿茶酚胺（二）肠道细菌通过脱氨基作用产生氨消化器官。溶酶体含有多种蛋白酶，称为组织蛋白酶(cathepsin)。这些蛋白酶能够降解进入溶酶体的蛋白质，但对蛋白质的选择性较差，主要降解细胞外来的蛋白质、膜蛋白和胞内长寿命蛋白质。蛋白质通过此途径降解，不需要消耗ATP。


生物化学与分子生物学 勹了P－轻酪胺多巴胺 2.蛋白质在蛋白酶体通过AT P依赖途径被降解蛋白质通过此途径降解需泛素(ubiqui tin)的参与（动画8-1"泛素－蛋白酶体途径＂）。泛素是一种由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，因其广泛存在于真核细胞而得名。泛素介导的蛋白质降解过程是一个复杂的过程。首先泛素与被选择降解的蛋白质形成共价连接，使后者得以标记，然后蛋白酶体(proteasome)将其降解。泛素的这种标记作用称为泛素化(ubiquitination)，是由三种酶参与的催化反应完成的，同时需消耗ATP（图8-3)。一种蛋白质的降解需多次泛素化反应，形成泛素链(ubiquitin chain)。然后，泛素化的蛋白质在蛋白酶体降解，产生一些约7~9个氨基酸残基组成的肤链，肤链进一步经寡肤酶水解生成氨基酸。


生物化学与分子生物学 勹了P－轻酪胺多巴胺 图8-3蛋臼质降解的泛素化过程UB：泛素；E！：泛素激活酶；凡：泛素结合酶；比：泛素蛋白连接酶；Pr：被降解蛋白质蛋白酶体存在于细胞核和胞质内，主要降解异常蛋白质和短寿命蛋白质。蛋白酶体是一个26S的蛋白质复合物（图8-4)，由20S的核心颗粒(core particle, CP)和19S的调节颗粒(regulatory particle, RP)组成。CP是由2个a环和2个B环组成的圆柱体，2个a环分别位于圆柱体的上下两端，而2个B环则夹在2个a环之间。每个a环由7个a亚基组成，而每个B环由7个B亚基组成，CP中心形成空腔。CP是蛋白酶体的水解核心，活性位点位于2个B环上，每个B环的7个B亚基中有3个亚基具有蛋白酶活性，可催化不同的蛋白质降解。2个19S的RP分别位于柱形核心颗粒的两端，形成空心圆柱的盖子。每个RP都由18个亚基组成，其中某些亚基能够识别、结合待降解的泛素化蛋白质，有6个亚基具有ATP酶活性，与蛋白质的去折叠以及使蛋白质定位于CP有关。


生物化学与分子生物学 勹了P－轻酪胺多巴胺 二、外源性氨基酸与内源性氨基酸组成氨基酸代谢库体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸属于内源性氨基酸，与食物蛋白质经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）共同分布千体内各处，参与代谢，称为氨基酸代谢库(aminoacid metabolic pool)。氨基酸代谢库通常以游离氨基酸总量计算。由于氨基酸不能自由通过细胞膜，所以在体内的分布是不均一的。骨骼肌中的氨基酸占总代谢库的50％以上，肝约占10%，肾约占4%，血浆占1%～6%。消化吸收的大多数氨基酸，例如丙氨酸和芳香族氨基酸等主要在肝中分解，而支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌中进行。体内氨基酸的主要功能是合成多肤和蛋白质，也可转变成其他含氮化合物。正常人尿中排出的氨基酸极少。由于各种氨基酸具有共同的基本结构，因此分解代谢途径有相同之处；但各种氨基酸在侧链结构上存在一定的差异，又导致了各自独特的代谢方式。体内氨基酸代谢的概况见图8-5。


生物化学与分子生物学 消化吸收分解脱狻基作用c合成代谢转变骠呤、瞪唗、肌酸等含氮化合物三、氨基酸分解代谢首先脱氨基 氨基酸分解代谢的主要反应是脱氨基作用，可以通过多种方式如转氨基、氧化脱氨基及非氧化脱氨基等方式脱去氨基。(—)氨基酸通过转氨基作用脱去氨基1转氨基作用由转氨酶催化完成转氨基作用(transarnination)是在氨基转移酶(arni notransferase)的催化下，可逆地将a氨基酸的氨基转移给a－酮酸，结果是氨基酸脱去氨基生成相应的a－酮酸，而原来的a酮酸则转变成另一种氨基酸。 质物酸基胺氮酰含素氨他。尿谷其脱氨基作用匕日必或卡糖类胺组织氨基酸组织蛋白质血液氨基酸代谢库氨基酸食物蛋白质178第二篇物质代谢及其调节I转氨酶I-I 氨基转移酶也称转氨酶(transaminase)，广泛分布千体内各组织中，其中以肝及心肌中的含翟最为丰富。转氨基作用的平衡常数接近1.0，反应是完全可逆的。因此，转氨基作用既是氨基酸的分解代谢过程，也是体内某些氨基酸合成的重要途径。除赖氨酸、苏氨酸、脯氨酸及轻脯氨酸外，大多数氨基酸都能进行转氨基作用。除了a－氨基外，氨基酸侧链末端的氨基，如鸟氨酸的8－氨基也可通过转氨基作用脱去。


生物化学与分子生物学 质物酸基胺氮酰含素氨他。尿谷其脱氨基作用匕日必或卡糖类胺组织氨基酸组织蛋白质血液氨基酸代谢库氨基酸食物蛋白质178第二篇物质代谢及其调节I转氨酶I-I 体内存在着多种氨基转移酶，不同氨基酸与a－酮酸之间的转氨基作用只能由专一的氨基转移酶催化。在各种氨基转移酶中，以L－谷氨酸和a－酮酸的氨基转移酶最为重要。例如谷丙转氨酶(glutamic-pyruvic transaminase, GPT)和谷草转氨酶(glutamic-oxaloacetic transaminase, GOT)在体内广泛存在，但各组织中的含量不同（表8-1)。 谷氨酸丙酮酸a-酮戊二酸丙氨酸 （C』OOH C|OOH C|OOH C如OO2H|H加+CH2AST(C|H2)2+||C|HNH2CI=O C=O CI HNH2谷氨酸草酰乙酸(l－酮戊二酸天冬氨酸表8-1正常人各组织中ALT及AST活性(U/g组织）


生物化学与分子生物学 谷氨酸丙酮酸a-酮戊二酸丙氨酸 组织ALT AST组织ALT AST肝44000142000胰腺200028000肾1900091000脾120014000正常时，氨基转移酶主要存在千细胞内，血清中的活性很低。肝组织中ALT的活性最高，心肌组织中AST的活性最高。当某种原因使细胞膜通透性增高或细胞破裂时，氨基转移酶可大量释放入血，使血清中氨基转移酶活性明显升高。例如急性肝炎病人血清ALT活性显著升高；心肌梗死病人血清AST明显上升。临床上可以此作为疾病诊断和预后的参考指标之一。2氨基转移酶具有相同的辅酶和作用机制氨基转移酶的辅基是维生素凡的磷酸酷，即磷酸咄哆醒，结合于转氨酶活性中心赖氨酸的c－氨基上。在反应过程中，磷酸咄哆醒先从氨基酸接受氨基转变成磷酸咄哆胺，氨基酸则转变成a－酮酸；继而磷酸咄哆胺进一步将氨基转移给另一种a－酮酸而生成相应的氨基酸，同时磷酸咄哆胺又转变为磷酸咄哆睦。在氨基转移酶的催化下，磷酸咄哆醋与磷酸咄哆胺的这种相互转变，起着传递氨基的作用，下式说明了磷酸咄哆酸和磷酸咄哆胺参与的转氨基反应过程。


生物化学与分子生物学 第八章蛋白质消化吸收和氨基酸代谢179HOOC—!/NH2+0=`+H心HOOC—I~N＝勹：N氨基酸磷酸咄哆醒Schiff碱CH20PO扎CH20PO扎 HOOC一i厂O+H,N—CH2勹三HOOC飞~N—CH勹II a－酮酸磷酸毗哆胺Schiff碱异构体（二）L谷氨酸脱氢酶催化L谷氨酸氧化脱氨基L－谷氨酸脱氢酶1|+H20『妇2—COOH之／＼一!－比0I NAD+NADH+H+(CH加一COOR(CH2)2-COOH谷氨酸Q－酮戊二酸L－谷氨酸是哺乳类动物组织中唯一能以相当高的速率进行氧化脱氨反应的氨基酸，脱下的氨进一步代谢后排出体外。L－谷氨酸的氧化脱氨反应由L－谷氨酸脱氢酶(£-glutamate dehydrogenase)催化完成，此酶广泛存在于肝、肾和脑等组织中，属于一种不需氧脱氢酶。在L－谷氨酸脱氢酶的催化下，L－谷氨酸氧化脱氨生成a－酮戊二酸和氨。


生物化学与分子生物学 a－酮酸磷酸毗哆胺Schiff碱异构体（二）L谷氨酸脱氢酶催化L谷氨酸氧化脱氨基L－谷氨酸脱氢酶1|+H20『妇2—COOH之／＼一!－比0I L谷氨酸脱氢酶是一种别构酶，由6个相同的亚基聚合而成。ATP与GTP是此酶的别构抑制剂，而ADP和GDP是别构激活剂。因此，当体内能量不足时能加速氨基酸的氧化，对机体的能量代谢起重要的调节作用。L－谷氨酸脱氢酶还是唯一既能利用NA订又能利用NADP十接受还原当量的酶。转氨基作用只是把氨基酸分子中的氨基转移给a－酮戊二酸或其他a－酮酸，并没有真正实现脱氨基。若氨基转移酶与L－谷氨酸脱氢酶协同作用，首先通过转氨基作用使其他氨基酸的氨基转移至a－酮戊二酸生成L－谷氨酸，然后L谷氨酸再脱氨基，就可以使氨基酸脱氨生成NH3。这种方式需要氨基转移酶与L－谷氨酸脱氢酶联合作用，即转氨基作用与L－谷氨酸的氧化脱氨基作用偶联进行，被称作转氨脱氨作用(transdeamination)，又称联合脱氨作用（图8-6)。


生物化学与分子生物学 （三）氨基酸通过氨基酸氧化酶催化脱去氨基 大多数从L-a氨基酸中释放的氨反映了氨基转移酶和L－谷氨酸脱氢酶的联合作用。在肝、肾组织中还存在一种L－氨基酸氧化酶，属黄素酶类，其辅基是FMN或FAD。这些能够自动氧化的黄素蛋白将氨基酸氧化为a－亚氨基酸，然后再加水分解成相应的a－酮酸，并释放按离子。分子氧可进一步直接氧化还原型黄素蛋白形成过氧化氢(H202),H202被过氧化氢酶裂解成氧和H20。过氧化氢酶存在于大多数组织中，尤其是肝。HOOC Y c—NH2~HOOC-<;:=NH主立-HOOC-C=O+NH;


生物化学与分子生物学 氨基酸a－酮酸180第二篇物质代谢及其调节o氨基酸a－酮戊二酸V L－谷氨酸脱氢酶a－酮酸谷氨酸四、氨基酸碳链骨架可进行转换或分解 氨基酸脱氨基后生成的a－酮酸(a-keto acid)可以进一步代谢，主要有以下三方面的代谢途径。(-)(X－酮酸可彻底氧化分解并提供能量a－酮酸在体内可通过三狻酸循环与生物氧化体系彻底氧化生成CO2和H20，同时释放能量以供机体生理活动需要。可见，氨基酸也是一类能源物质。（二）c:x－酮酸经氨基化生成营养非必需氨基酸体内的一些营养非必需氨基酸可通过相应的a－酮酸经氨基化而生成。例如，丙酮酸、草酰乙酸、Q－酮戊二酸经氨基化后分别转变成丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。这些a-酮酸也可以是来自糖代谢和三狻酸循环的产物。（三）c:x－酮酸可转变成糖和脂质在人体内a-酮酸可以转变成糖和脂质。实验发现，分别用不同氨基酸饲养人工造成糖尿病的犬时，大多数氨基酸可使尿中排出的葡萄糖增加，少数几种则可使葡萄糖及酮体的排出同时增加，而亮氨酸和赖氨酸只能使酮体的排出增加。由此，将在体内可以转变成糖的氨基酸称为生糖氨基酸(glucogenic amino acid)；能转变成酮体的氨基酸称为生酮氨基酸(ketogenic amino acid)；既能转变成糖又能转变成酮体的氨基酸称为生糖兼生酮氨基酸(glu coge ni c and ketogenic amino acid)（表8-2)。


生物化学与分子生物学 氨基酸a－酮酸180第二篇物质代谢及其调节o氨基酸a－酮戊二酸V L－谷氨酸脱氢酶a－酮酸谷氨酸四、氨基酸碳链骨架可进行转换或分解  类别氨基酸 生糖氨基酸甘氨酸、丝氨酸、细氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、丙氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸@生酮氨基酸亮氨酸、赖氨酸生糖兼生酮氨基酸异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸利用核素标记氨基酸的示踪实验证明，上述营养学研究的结果是正确的。各种氨基酸脱氨基后产生的a－酮酸结构差异很大，其代谢途径也不尽相同，转变过程的中间产物包括乙酰CoA（生酮氨基酸）和丙酮酸及三狻酸循环的中间物，例如a－酮戊二酸、草酰乙酸、延胡索酸及唬珀酰CoA等（生糖氨基酸）。综上所述，氨基酸的代谢与糖和脂质的代谢密切相关。氨基酸可转变成糖与脂质；糖也可以转变成脂质和一些非必需氨基酸的碳架部分。由此可知，三狻酸循环是物质代谢的总枢纽，通过它可以使糖、脂肪酸及氨基酸完全氧化，也可使彼此相互转变，构成一个完整的代谢体系。


生物化学与分子生物学 第三节氨的代谢 体内代谢产生的氨及消化道吸收的氨进入血液，形成血氨。正常生理情况下，血氨水平在47~65µ,mol/L。氨具有毒性，特别是脑组织对氨的作用尤为敏感。 —、血氨有三个重要来源（一）氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨 氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要来源。胺类的分解也可以产生氨。其反应如下：蛋白质和氨基酸在肠道细菌腐败作用下可产生氨，肠道内尿素经细菌尿素酶水解也可产生氨。肠道产氨量较多，每天约为4g。当腐败作用增强时，氨的产生量增多。肠道内产生的氨主要在结肠吸收入血。在碱性环境中，NH4十易转变成NH3，而NH3比NH4十易于穿过细胞膜而被吸收。因此肠道偏碱时，氨的吸收增强。临床上对高血氨病人采用弱酸性透析液作结肠透析，而禁止用碱性的肥皂水灌肠，就是为了减少氨的吸收。


生物化学与分子生物学 —、血氨有三个重要来源（一）氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨 （三）肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的催化下水解成谷氨酸和氨，这部分氨分泌到肾小管管腔中与尿中的W结合成NH4+，以按盐的形式由尿排出体外，这对调节机体的酸碱平衡起着重要作用。酸性尿有利于肾小管细胞中的氨扩散入尿，而碱性尿则妨碍肾小管细胞中N儿的分泌，此时氨被吸收入血，成为血氨的另一个来源。因此，临床上对因肝硬化而产生腹水的病人，不宜使用碱性利尿药，以免血氨升高。 二、氨在血液中以丙氨酸和谷氨酰胺的形式转运 氨在人体内是有毒物质，各组织中产生的氨必须以无毒的方式经血液运输到肝合成尿素，或运输到肾以按盐的形式排出体外。现已知，氨在血液中主要是以丙氨酸和谷氨酰胺两种形式进行转运。


生物化学与分子生物学 二、氨在血液中以丙氨酸和谷氨酰胺的形式转运 (—)氨通过丙氨酸－葡萄糖循环从骨骼肌运往肝骨骼肌主要以丙酮酸作为氨基受体，经转氨基作用生成丙氨酸，丙氨酸进入血液后被运往肝。在肝中，丙氨酸通过联合脱氨基作用生成丙酮酸，并释放氨。氨用于合成尿素，丙酮酸经糖异生途径生成葡萄糖。葡萄糖经血液运往肌肉，沿糖酵解转变成丙酮酸，后者再接受氨基生成丙氨酸。丙氨酸和葡萄糖周而复始的转变，完成骨骼肌和肝之间氨的转运，这一途径称为丙氨酸～葡萄糖循环(alanine glucose cycle)（图8-7)。通过这个循环，骨骼肌组织中氨基酸的氨基（＂氨＂）以丙氨酸形式运往肝，同时，肝又为骨骼肌提供了生成丙酮酸的葡萄糖。\'I I,f?（二）氨通过谷氨酰胺从脑和骨骼肌等组织运往肝或肾谷氨酰胺是另一种转运氨的形式，它主要从脑和骨骼肌等组织向肝或肾运氨。在脑和骨骼肌等组织氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)的催化下合成谷氨酰胺，并经血液运往肝或肾再经谷氨酰胺酶(glutaminase)的催化水解成谷氨酸及氨。谷氨酰胺的合成与分解是由不同酶催化的不可逆反应，其合成需消耗ATP。


生物化学与分子生物学 二、氨在血液中以丙氨酸和谷氨酰胺的形式转运 l NH3+ATPADP+Pi|(CH2)2＼谷氨酰胺合成鹿入(CH加 {HNH2工／谷氨酰胺酶＼¢HNH2NH3比0|L-谷氨酸谷氨酰胺 可以认为，谷氨酰胺既是氨的解毒产物，又是氨的储存及运输形式。尤其是谷氨酰胺在脑中固定和转运氨的过程中起着重要作用。临床上对氨中毒的病人可服用或输入谷氨酸盐，以降低氨的浓度。谷氨酰胺还可以提供氨基使天冬氨酸转变成天冬酰胺。正常细胞能合成足量的天冬酰胺供蛋白质的合成需要。但白血病细胞却不能或很少能合成天冬酰胺，必须依靠血液从其他器官运输而来。因此临床上应用天冬酰胺酶(asparaginase)使天冬酰胺水解成天冬氨酸，从而减少血中天冬酰胺，达到治疗白血病的目的。


生物化学与分子生物学 ||CH2天冬酰胺酶CH2天冬酰胺天冬氨酸三、氨的主要代谢去路是在肝合成尿素 正常情况下体内的氨主要在肝合成尿素，只有少部分氨在肾以按盐形式随尿排出。正常成人尿素占排氮总量的80%-90%，可见肝在氨的解毒中起着重要作用。（一）尿素是通过鸟氨酸循环合成的肝是如何合成尿素的？早在1932年，德国学者Hans Krebs和Kurt Henseleit根据一系列实验，首第八章蛋白质消化吸收和氨基酸代谢183次提出了鸟氨酸循环(ornithine cycle)学说，又称尿素循环(urea cycle)，用来解释尿素的合成过程。两位科学家根据什么线索提出了这个学说？此学说又是如何被证实的？20世纪30年代，组织切片技术巳普遍应用千中间代谢的研究，这为研究尿素的合成机制提供了有利条件。用大鼠肝的薄切片和多种可能有关的代谢物以及较盐共同保温，发现鸟氨酸(ornithine)和瓜氨酸(citrulline)都有催化较盐合成尿素的作用。赖氨酸与鸟氨酸的结构非常相似，却无这种作用。所以较合理的解释是，在尿素合成的一系列反应中，应当包括NH3、CO2和鸟氨酸共同合成一种中间化合物，这个中间化合物在肝中能以合理的速度生成尿素，同时再生成鸟氨酸。精氨酸符合作为这个中间化合物的要求，下式表示这种关系：比N—(:H+2NH3+CO2)J严一比N－加+O=C-NH2素的作用。用大量鸟氨酸和按盐及大鼠肝切片共同保温，可观察到瓜氨酸的积存。总结以上，提出了肝中合成尿素的鸟氨酸循环学说（图8-8)书。


生物化学与分子生物学 ||CH2天冬酰胺酶CH2天冬酰胺天冬氨酸三、氨的主要代谢去路是在肝合成尿素  严如|如|(CH2)3(CH心(CH加鸟氨酸瓜氨酸精氨酸（二）肝中鸟氨酸循环的反应步骤鸟氨酸循环的具体过程比较复杂，大体可分为以下五步。 1. NH3、co并□ATP缩合生成氨基甲酰磷酸(carbamoyl phosphate)尿素的生物合成始于氨基甲酰磷酸。在Mg气ATP及N－乙酰谷氨酸(N-acetyl glutamic acid, AGA)存在时，NH3与CO2可由氨基甲酰磷酸合成酶I(ca rbamo yl phosph ate synthetase I, CPS-I)催化生成氨基甲酰磷酸。 184第二篇物质代谢及其调节 氨基甲酰磷酸合成酶I。II NH3+CO2+H20+2ATP~N－乙酰谷氨酸，Mg2+H2N-C—0-PO/-+2ADP+Pi此反应消耗2分子ATP，为酰胺键和酸酐键的合成提供驱动力。CPS-I是鸟氨酸循环过程中的关键酶，催化不可逆反应。此酶只有在别构激活剂N－乙酰谷氨酸存在时才能被激活，N－乙酰谷氨酸可诱导CPS-I的构象发生改变，进而增加酶对ATP的亲和力。CPS-I和AGA都存在千肝细胞线粒体中。


生物化学与分子生物学 184第二篇物质代谢及其调节 2.氨基甲酰磷酸与鸟氨酸反应生成瓜氨酸在鸟氨酸氨基甲酰转移酶(ornithine carbamoyl transferase,OCT)催化下，氨基甲酰磷酸上的氨基甲酰部分转移到鸟氨酸上，生成瓜氨酸和磷酸。此反应不可逆，OCT也存在于肝细胞线粒体中。 砰皿如I(CH2)3鸟氨酸氨基甲酰转移酶(CH2)3COOH鸟氨酸 COOH 氨基甲酰磷酸瓜氨酸 3.瓜氨酸与天冬氨酸反应生成精氨酸代唬珀酸瓜氨酸在线粒体合成后，即被转运到线粒体外，在胞质中经精氨酸代唬珀酸合成酶(argininosuccinate synthetase)催化，与天冬氨酸反应生成精氨酸代珧珀酸。此反应由ATP供能，天冬氨酸提供了尿素分子中的第二个氮原子。精氨酸代唬珀酸合成酶也是鸟氨酸循环过程中的关键酶。 如|COOH沪严1精氨酸代姚珀酸合成酶如—NH2恤八八-加－NH2瓜氨酸天冬氨酸精氨酸代骁珀酸 4.精氨酸代唬珀酸裂解生成精氨酸与延胡索酸精氨酸代唬珀酸在精氨酸代唬珀酸裂解酶的催化下，裂解生成精氨酸与延胡索酸。反应产物精氨酸分子中保留了来自游离N儿和天冬氨酸分子中的氮。


生物化学与分子生物学 如|COOH沪严1精氨酸代姚珀酸合成酶如—NH2恤八八-加－NH2瓜氨酸天冬氨酸精氨酸代骁珀酸 I I精氨酸代眺珀酸裂解酶|(<;:H2h COOH(CH加+精氨酸代姚珀酸精氨酸延胡索酸上述反应裂解生成的延胡索酸可经拧檬酸循环的中间步骤转变成草酰乙酸，后者与谷氨酸在AST催化下进行转氨基反应，又可重新生成天冬氨酸，而谷氨酸的氨基可来自体内的多种氨基酸。由此可见，体内多种氨基酸的氨基可通过天冬氨酸的形式参与尿素的合成。@?-,I.,5．精氨酸水解释放尿素并再生成鸟氨酸在胞质中，精氨酸由精氨酸酶催化，水解生成尿素和鸟氨酸。鸟氨酸通过线粒体内膜上载体的转运再进入线粒体，参与瓜氨酸的合成。如此反复，完成鸟氨酸循环。尿素则作为代谢终产物排出体外。 C=NH(CH砰加如I砰c=o+CH I—NH2(CH加|精氨酸酶H心如COOH如I－NH2鸟氨酸COOH尿素精氨酸综上所述，尿素合成的总反应为：尿素合成的中间步骤及其在细胞中的定位总结千图8-9。线粒体胞液2A二习0鸟氨酸了天冬氨酸a－酮戊二酸氨基酸精氨酸@AMP十三＠草酰乙酸x合氨酸x~酮酸了／苹果酸／延胡索酸


生物化学与分子生物学 C=NH(CH砰加如I砰c=o+CH I—NH2(CH加|精氨酸酶H心如COOH如I－NH2鸟氨酸COOH尿素精氨酸综上所述，尿素合成的总反应为：尿素合成的中间步骤及其在细胞中的定位总结千图8-9。线粒体胞液2A二习0鸟氨酸了天冬氨酸a－酮戊二酸氨基酸精氨酸@AMP十三＠草酰乙酸x合氨酸x~酮酸了／苹果酸／延胡索酸 图8-9尿素生成的中间步骤和细胞定位O氨基甲酰磷酸合成酶I;＠鸟氨酸氨基甲酰转移酶；＠精氨酸代骁珀酸合成酶；＠精氨酸代唬珀酸裂解酶；＠精氨酸酶（三）尿素合成受膳食蛋白质和两种关键酶的洞节1．高蛋白质膳食增加尿素生成尿素合成受食物蛋白质的影响。进食高蛋白质膳食时，蛋白质分解增多，尿素合成速度加快，尿素可占排出氮的90%；反之，摄取低蛋白质膳食时，尿素合成速度减慢，尿素约占排出氮的60%。2. AGA激活CPS-I启动尿素合成CPS-I是鸟氨酸循环启动的关键酶。如前所述，AGA是CPS-I的别构激活剂，它是由乙酰CoA与谷氨酸通过AGA合酶催化生成的。精氨酸是AGA合酶的激活剂，精氨酸浓度增高时，尿素合成增加。


生物化学与分子生物学 C=NH(CH砰加如I砰c=o+CH I—NH2(CH加|精氨酸酶H心如COOH如I－NH2鸟氨酸COOH尿素精氨酸综上所述，尿素合成的总反应为：尿素合成的中间步骤及其在细胞中的定位总结千图8-9。线粒体胞液2A二习0鸟氨酸了天冬氨酸a－酮戊二酸氨基酸精氨酸@AMP十三＠草酰乙酸x合氨酸x~酮酸了／苹果酸／延胡索酸 3.精氨酸代唬珀酸合成酶促进尿素合成参与尿素合成的酶系中，精氨酸代唬珀酸合成酶的活性最低，是尿素合成启动以后的关键酶，可调节尿素的合成速度。（四）尿素生成障碍可引起高血氨症或氨中毒在正常生理情况下，血氨的来源与去路保持动态平衡，而氨在肝中合成尿素是维持这种平衡的关键。当某种原因，例如肝功能严重损伤或尿素合成相关酶遗传性缺陷时，都可导致尿素合成发生障碍，血氨浓度升高，称为高血氨症(hyperammonemia)。常见的临床症状包括呕吐、厌食、间歇性共济失调嗜睡甚至昏迷等。高血氨的毒性作用机制尚不完全清楚。一般认为，氨进入脑组织，可与脑中的a－酮戊二酸结合生成谷氨酸，氨也可与脑中的谷氨酸进一步结合生成谷氨酰胺。高血氨时，脑中氨的增加可使脑细胞中的a-酮戊二酸减少，导致三狻酸循环减弱，ATP生成减少，引起大脑功能障碍，严重时可发生昏迷（称为肝性脑病）。另一种可能性是谷氨酸、谷氨酰胺增多，渗透压增大引起脑水肿所致。 第四节个别氨基酸的代谢 氨基酸的分解代谢除共有代谢途径外，因其侧链不同，有些氨基酸还存在特殊的代谢途径，并具有重要的生理意义。本节仅对几种重要的氨基酸代谢途径进行描述。 一、氨基酸脱狻基作用需要脱狻酶催化 有些氨基酸可通过脱狻基作用(decarboxylation)生成相应的胺类。催化脱狻基反应的酶称为脱狻酶(decarboxylase)，氨基酸脱狻酶的辅酶是磷酸咙哆醋。体内胺类含量虽然不高，但具有重要的生理功能。细胞内广泛存在的胺氧化酶(amine oxidase)能将胺氧化成相应的酸、N凡和H2020睦类可继续氧化成狻酸，狻酸再氧化成CO2和H20或随尿排出，从而避免胺类的蓄积。胺氧化酶属千黄素蛋白，在肝中活性最高。包HOOC-CH—NH2二旦_.R—CH2-NH2~RCHO二竺=---RCOOH氨基酸脱狻酶胺单胺氧化酶陛狻酸（一）谷氨酸脱狻生成丫－氨基丁酸谷氨酸由L－谷氨酸脱狻酶催化脱去狻基生成丫－氨基丁酸（-y-aminobutyric acid, GABA)。L－谷氨酸脱狻酶在脑及肾组织中活性很高，因而丫－氨基丁酸在脑组织中的浓度较高。GABA是抑制性神经递质，对中枢神经有抑制作用。 (CH加L－谷氨酸脱狻酶||＼工(CH出谷氨酸'Y－氨基丁酸 （二）组氨酸脱狻生成组胺组氨酸由组氨酸脱狻酶催化脱去狻基生成组胺(histamine)。组胺在体内分布广泛，乳腺、肺、肝、肌及胃黏膜中含量较高，主要存在于肥大细胞中。组胺是一种强烈的血管扩张剂，并能增加毛细血管的通透性。组胺可使平滑肌收缩，引起支气管@扣L痉挛导致哮喘。组胺还能促进胃黏膜细胞分泌胃蛋白酶原及胃酸。 产气－CH29HCOOH三CH2CH2NH2I组氨酸脱狻酶组氨酸组胺（三）色氨酸经过轻化后脱狻生成5－轻色胺 色氨酸首先经色氨酸胫化酶催化生成5－轻色氨酸(5-hydroxytryptophan)，然后由5－轻色氨酸脱狻酶催化生成5－轻色胺。5轻色胺广泛分布于体内各组织，除神经组织外，还存在于胃、肠、血小板及乳腺细胞中。脑组织中的5轻色胺是一种神经递质，具有抑制作用，直接影响神经传导。在外周组织，5-胫色胺具有强烈的血管收缩作用。5－胫色胺经单胺氧化酶催化生成5－轻色睦，进一步氧化生成5－轻时隙乙酸随尿排出。 色氨酸轻化酶勹CH2已。OH HO亡勹－CH甚HCOOH色氨酸5－轻色氨酸5－泾色氨酸脱狻酶-HO勹CH2CH2NH2大CO25－泾色胺（四）某些氨基酸脱狻基可产生多胺类物质 多胺是指含有多个氨基的化合物。在体内，某些氨基酸经脱狻基作用可以产生多胺类物质。例如鸟氨酸经脱狻基作用生成腐胺(putrescine)，然后腐胺又可转变成亚精胺(spermidine)及精胺(spermine)。鸟氨酸脱狻酶L鸟氨酸、►H2N—(CH2)4-NH2（腐胺）SAM脱狻酶+S－腺昔甲硫氨酸(SAM)、汀泉节—S一（CH出一NH2（脱狻基SAM)丙胺转移酶腐胺＋脱狻基SAM、卫比N一(CH2)4-NH一(CH2h-NH2（亚精胺） 腺昔—S-CH3 丙胺转移酶亚精胺＋脱狻基SAM、~H2N一(CH2)3-NH一(CH心—NH一(CH心—NH2（精胺） 腺昔一S—CH3 鸟氨酸脱狻酶(ornithine decru·boxylase)是多胺(polyamine)合成的关键酶。精胺与亚精胺是调节细胞生长的重要物质。凡生长旺盛的组织，如胚胎、再生肝、肿瘤组织等，鸟氨酸脱狻酶的活性和多胺的含批都有所增加。多胺促进细胞增殖的机制可能与其稳定细胞结构、与核酸分子结合及促进核酸和蛋白质的生物合成有关。在体内多胺大部分与乙酰基结合随尿排出，小部分氧化成CO2和NH3o目前临床上常测定病人血或尿中多胺的水平作为肿瘤辅助诊断及病情变化的生化指标之一。 二、某些氨基酸在分解代谢中产生一碳单位 （一）四氢叶酸作为一碳单位的载体参与一碳单位代谢一碳单位(one carbon unit)是指某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的有机基团，包括甲基(-CH3)、亚甲基(—CH2—汃次甲基(=CH—汃甲酰基(—CHO)及亚氨甲基(—CH=NH)等。一碳单位不能游离存在，常与四氢叶酸(tetrahydrofolic acid, FH4)结合被转运并参与代谢，四氢叶酸是一碳单位的运载体。在体内，四氢叶酸是由叶酸经过二氢叶酸还原酶(dihydrofolatereductase)催化，分两步还原反应生成的。 H2N-C夕广c/8;CH2H O H COOH 5积CHCH2NC CN-CH-CH2-CH2-COOH N、4---c/9\N丝氨酸N5,Nl0－亚甲四氢叶酸甘氨酸F凡/\►N5,N10CH2F凡＋CO2H2N-C H2-COOH NH3++-—NAO+NADH+H•甘氨酸NS,NIO－亚甲四氢叶酸比OH H5,6,7,8-四氢叶酸(FH4)二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶叶酸/\-二氢叶酸/\-四氢叶酸（二）由氨基酸产生的—碳单位可相互转变一碳单位主要来自丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的分解代谢，苏氨酸通过间接转变成为甘氨酸也可以产生一碳单位。一碳单位由氨基酸生成的同时即结合在四氢叶酸的N5、N”位上。四氢叶酸的N5结合甲基或亚氨甲基，N5和NIO结合亚甲基或次甲基，N5或NlO结合甲酰基。例如：HO—CH2-CH-COOH+Flii~W,N'"-CH2-Flii+H2N CH2—COOH|=-.-CH|2CHCOOH-一一>. HN、／NHN5,NIO=CH—F比千N5-CH=NH—F二二亚氨甲基转移酶NS,N IO－次甲四氢叶酸NH3N5-亚氨甲基四氢叶酸HOOC-CH如—(CH2h一COOH各种不同形式的一碳单位中，碳原子的氧化状态不同。在适当条件下，它们可以通过氧化还原反应而彼此转变（图8-10)。但是在这些反应中，N5－甲基四氢叶酸的生成是不可逆的。


生物化学与分子生物学 H2N-C夕广c/8;CH2H O H COOH N5-CH3-F比（三）一碳单位的主要功能是参与漂呤和晚唗(N5－甲基四氢叶酸）的合成氨基酸分解代谢过程中产生的一碳单位可作N\N10-}CH2-F比为嗦呤和啼唗的合成原料。例如，N10-CHO-FH4与(N5,NIO－亚甲四氢叶酸）N5, N10=CH-FH4分别为嗦呤碱基的合成提供C2与C8, N5, N10-CH2-F比为脱氧胸腺啥唗核昔酸的合成提供甲基。故一碳单位在核酸的生物合成中具有N5,N10=CH-F比-N5-CH=NH-F比重要作用，一碳单位将氨基酸代谢与核昔酸代谢密(N5,N10-次甲四氢叶酸）（N5－亚氨甲基四氢叶酸）切联系起来。一碳单位代谢障碍或FH4不足时，可引起巨幼细胞贫血等疾病。应用磺胺类药物可抑N10-CHO—F凡制某些细菌合成二氢叶酸，进而抑制细菌繁殖，但(NlO_甲酰四氢叶酸）对人体影响不大。应用叶酸类似物如甲氨蝶呤等图8-10各种不同形式—碳单位的转换可抑制F比的生成，从而抑制核酸的合成，起到抗肿瘤作用。


生物化学与分子生物学 三、含硫氨基酸代谢可产生多种生物活性物质 含硫氨基酸包括甲硫氨酸、半胱氨酸和胱氨酸。甲硫氨酸可以转变为半胱氨酸和胱氨酸，半胱氨酸和胱氨酸又可以互相转变，但后两种都不能转变为甲硫氨酸，所以甲硫氨酸是营养必需氨基酸包。（一）甲硫氨酸参与甲基转移反应1.甲硫氨酸转甲基作用与甲硫氨酸循环有关甲硫氨酸分子中含有S－甲基，通过各种转甲基作用可生成多种含甲基的生理活性物质，如肾上腺素、肉碱、胆碱及肌酸等。但在转甲基反应前，甲硫氨酸必须经腺昔转移酶(adenosyl transferase)的催化与ATP反应，生成S－腺昔甲硫氨酸(S-adenosyl methionine, SAM)。SAM中的甲基称为活性甲基，故SAM称为活性甲硫氨酸。SAM是体内最重要的甲基直接供体。据统计，体内约有50余种物质需要SAM提供甲基，生成相应的甲基化合物。


生物化学与分子生物学 腺昔转移酶|甲硫氨酸S～腺昔甲硫氨酸 S－腺昔甲硫氨酸经甲基转移酶(methyl transferase)催化，将甲基转移至另一种物质，使其发生甲基化(methylation)反应，而S－腺昔甲硫氨酸失去甲基后生成S－腺昔同型半胱氨酸，后者脱去腺昔生成同型半胱氨酸(homocysteine)。同型半胱氨酸若再接受N5-CH3-F凡提供的甲基，则可重新生成甲硫氨酸。由此形成一个循环过程，称为甲硫氨酸循环(methionine cycle)（图8-11)。此循环的生理意义是由N5-CH3-F儿提供甲基生成甲硫氨酸，再通过SAM提供甲基，以进行体内广泛存在的甲基化反应，由此，N5-CH3-FH4可看成是体内甲基的间接供体。在甲硫氨酸循环反应中，虽然同型半胱氨酸接受甲基后可以生成甲硫氨酸，但体内不能合成同型半胱氨酸，它只能由甲硫氨酸转变而来，故甲硫氨酸必须由食物提供，不能在体内合成。


生物化学与分子生物学 190第二篇物质代谢及其调节甲硫氨酸N5-CH3-F比N5-CH3-F凡转甲基酶S－腺昔甲硫氨酸同型半胱氨酸.H20S－腺昔同型半胱氨酸


生物化学与分子生物学 190第二篇物质代谢及其调节甲硫氨酸N5-CH3-F比N5-CH3-F凡转甲基酶S－腺昔甲硫氨酸同型半胱氨酸.H20S－腺昔同型半胱氨酸 N5-CH3-F凡提供甲基使同型半胱氨酸转变成甲硫氨酸的反应由N5－甲基四氢叶酸转甲基酶催化，此酶又称甲硫氨酸合成酶，其辅酶是维生素B12，参与甲基的转移。当维生素B12缺乏时，N5-CH3-FH4上的甲基不能转移给同型半胱氨酸。这不仅影响甲硫氨酸的合成，同时也影响四氢叶酸的再生，使组织中游离的四氢叶酸含量减少，一碳单位参与碱基合成受到影响，可导致核酸合成障碍，影响细胞分裂。因此，维生素B12不足时可引起巨幼细胞贫血。另外，同型半胱氨酸在血中浓度升高，可能是动脉粥样硬化和冠心病发生的独立危险因素3。2甲硫氨酸为肌酸合成提供甲基肌酸(creatine)和磷酸肌酸(creatine phosphate)是能量储存与利用的重要化合物。肌酸是以甘氨酸为骨架，由精氨酸提供脉基，S－腺昔甲硫氨酸提供甲基合成的，肝是合成肌酸的主要器官。在肌酸激酶(creatine kinase, CK)催化下，肌酸接受ATP的高能磷酸基形成磷酸肌酸。磷酸肌酸作为能量的储存形式，在心肌、骨骼肌及脑组织中含量丰富。肌酸激酶由两种亚基组成，即M亚基（肌型）与B亚基（脑型），构成3种同工酶：MM、MB和BB。它们在体内各组织中的分布不同，MM主要在骨骼肌，MB主要在心肌，而BB主要在脑。当心肌梗死时，血中MB型肌酸激酶的活性增高，因此可作为心肌梗死的辅助诊断指标之一。 _,,,NH2眯基转移酶严+叩 HN=C＼严+CH2NH2严3C=NH COOH CHNH, 砰比）3|COOH CHNH2鸟氨酸|I甘氨酸COOHCOOH肌乙酸精氨酸肌酸激酶,,,,NH2/NH~@妞I=t—CH/占COOH J;:H腺昔同型半胱氨酸磷酸肌酸肌酐 肌酸和磷酸肌酸的终末代谢产物是肌酐(creati nine)。肌酐主要在骨骼肌中通过磷酸肌酸的非酶促反应生成。肌酸、磷酸肌酸和肌酐的代谢见图8-12。肌酐随尿排出，正常入每日尿中肌酐的排出量恒定。当肾功能障碍时，肌酐排出受阻，血中浓度升高。因此，血中肌酐的测定有助于肾功能不全的诊断。 （二）半胱氨酸与多种生理活性物质的生成有关 1.半胱氨酸与胱氨酸可以互变半胱氨酸含有琉基(—SH)，胱氨酸含有二硫键(—S一S—)，两者可以相互转变。 半胱氨酸胱氨酸 在许多蛋白质分子中，两个半胱氨酸残基间形成的二硫键对于维待蛋白质空间构象的稳定及其功能具有重要作用。如胰岛素的A、B链就是以二硫键连接的，若二硫键断裂，胰岛素即失去其生物活性。体内有许多重要的酶，如唬珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等，其活性与半胱氨酸的琉基直接有关，故有琉基酶之称。某些毒物，如芬子气、重金属盐等，能与酶分子中的琉基结合而抑制该酶的活性。体内存在的还原型谷胱甘肤能保护酶分子上的琉基，因而有重要的生理功能。2半胱氨酸可转变成牛磺酸半胱氨酸首先氧化成磺基丙氨酸，再经磺基丙氨酸脱狻酶催化，脱去狻基生成牛磺酸。牛磺酸是结合胆汁酸的组成成分之一。CH2SH CH2S03H|3(O)|磺基丙氨酸脱狻酶CH2S03H L半胱氨酸磺基丙氨酸牛磺酸 3半胱氨酸可生成活性硫酸根含硫氨基酸氧化分解均可产生硫酸根，但半胱氨酸是体内硫酸根的主要来源。半胱氨酸可以直接脱去琉基和氨基，生成丙酮酸、氨和H2S。H2S经氧化生成H2S04。体内的硫酸根，一部分以无机盐的形式随尿排出，另一部分由ATP活化生成活性硫酸根，即3'－磷酸腺昔－5＇－磷酸硫酸(3'-ph ospho-adenosine-5'-phospho-sulfate, PAPS)，反应过程如下：ATP+so~-~AMP—so;-~3'-P03H2-AMP—so;-+ADP腺昔－5'－磷酰硫酸PAPSPAPS化学性质活泼，在肝生物转化中可提供硫酸根使某些物质生成硫酸酷。例如，类固醇激素可形成硫酸酷而被灭活，一些外源性酚类化合物也可以形成硫酸酷而排出体外。此外，PAPS还可参与硫酸角质素及硫酸软骨素等分子中硫酸化氨基糖的合成。 四、芳香族氨基酸代谢需要加氧酶催化 芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。酪氨酸可由苯丙氨酸轻化生成。，氨酸为营养必需氨基酸。（一）苯丙氨酸和酪氨酸代谢既有联系又有区别1.苯丙氨酸轻化生成酪氨酸正常情况下，苯丙氨酸的主要代谢途径是经轻化作用生成酪氨酸，反应由苯丙氨酸胫化酶(phenylalanine h ydroxylase)催化。苯丙氨酸轻化酶主要存在于肝等组织，属一种单加氧酶，辅酶是四氢生物蝶呤，催化的反应不可逆，故酪氨酸不能转变为苯丙氨酸。 I苯丙氨酸轻化酶勹2四氢生N气：蝶＋呤w苯丙氨酸 苯丙氨酸除转变为酪氨酸外，少量可经转氨基作用生成苯丙酮酸。先天性苯丙氨酸胫化酶缺陷病人，不能将苯丙氨酸轻化为酪氨酸。因此，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸。大量的苯丙酮酸及其部分代谢产物（苯乳酸及苯乙酸等）由尿排出，称为苯丙酮尿症(phenylketonuria, PKU)。苯丙酮酸的堆积对中枢神经系统有毒性，导致脑发育障碍，患儿智力低下。治疗原则是早期发现，并适当控制膳食中苯丙氨酸的含量。2.酪氨酸转变为儿茶酚胺和黑色素或彻底氧化分解酪氨酸的进一步代谢与合成某些神经递质、激素及黑色素有关。酪氨酸在肾上腺髓质和神经组织经酪氨酸轻化酶(tyrosine hydrox ylase)催化生成3,4－二轻苯丙氨酸(3,4-dihydrox yphen ylalani ne, DOPA)，又称多巴。与苯丙氨酸胫化酶相似，酪氨酸胫化酶也是以四氢生物蝶呤为辅酶的单加氧酶。多巴在多巴脱狻酶的作用下，脱去狻基生成多巴胺(dopamine)。多巴胺是一种神经递质。帕金森病(Parkin son disease)病人脑内多巴胺生成减少。在肾上腺髓质，多巴胺侧链的B－碳原子再被胫化，生成去甲肾上腺素(norepinephrine)，后者甲基化生成肾上腺素(epinephrine)。多巴胺、去甲肾上腺素及肾上腺素统称为儿茶酚胺(catecholamine)。酪氨酸轻化酶是合成儿茶酚胺的关键酶，受终产物的反馈调节。酪氨酸代谢的另一条途径是合成黑色素(melanin)。在黑色素细胞中，酪氨酸经酪氨酸酶(tyrosi nase)作用轻化生成多巴，后者经氧化、脱狻等反应转变成时1啋酰，最后时1啋酣聚合为黑色素。先天性酪氨酸酶缺乏的病人，因不能合成黑色素，皮肤毛发等发白，称为白化病(albinism)。病人对阳光敏感易患皮肤癌。除上述代谢途径外，酪氨酸还可在转氨酶的催化下，生成对经苯丙酮酸，后者经尿黑酸等中间产物进一步转变成延胡索酸和乙酰乙酸，然后两者分别沿糖和脂质代谢途径进行代谢。因此，苯丙氨酸和酪氨酸是生糖兼生酮氨基酸。当体内尿黑酸分解代谢的酶先天性缺陷时，尿黑酸的分解受阻，可出现尿黑酸尿症(alkaptonuria)。 苯丙氨酸和酪氨酸的代谢过程总结如下：苯丙氨酸转氨酶苯丙酮酸苯乙酸苯丙氨酸：酸三/。NHH/｀腺：素勹：：：H50OH勹NH/4NH/NH工黑色轻苯丙酮酸多巴多巴酣时1啋酿勹I CH2COOH-－加II+Hi__尿黑酸延胡索酸乙酰乙酸 （二）色氨酸分解代谢可产生丙酮酸和乙酰乙酰CoA色氨酸除生成5-胫色胺外，还可在肝经色氨酸加氧酶(t ryptophan oxygenase)催化，生成一碳单位和多种酸性中间代谢产物。 相相 色氨酸经分解可产生丙酮酸和乙酰乙酰CoA，故色氨酸为生糖兼生酮氨基酸。少部分色氨酸还可转变成烟酸，但合成量很少，不五、支链氨基酸的分解有相似的代谢过程支链氨基酸包括缎氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，它们都是营养必需氨基酸，在体内的分解有相似的代谢过程，大致分为三个阶段心通过转氨基作用生成相应的a-酮酸；＠通过氧化脱狻生成相应的脂酰CoA;＠通过B－氧化过程生成不同的中间产物参与三狻酸循环，其中细氨酸分解产生唬珀酰CoA，亮氨酸产生乙酰CoA和乙酰乙酰CoA，异亮氨酸产生骁珀酰CoA和乙酰CoA。所以，这三种氨基酸分别是生糖氨基酸、生酮氨基酸和生糖兼生酮氨基酸。支链氨基酸的分解代谢主要在骨骼肌中进行（图8-13)。包综上所述，氨基酸除了作为合成蛋白质的原料外，还可以转变为神经递质、激素及其他重要的含氮生理活性物质（表8-3)。值得指出的是，其中一氧化氮(NO)的细胞信号转导功能研究近年来受到高度关注，而体内NO正是由精氨酸在一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)催化下生成的，反应如下：氨基酸衍生的化合物天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸骠呤碱（含氮碱基、核酸成分）天冬氨酸啥唗碱（含氮碱基、核酸成分）甘氨酸卧啾化合物（细胞色素、血红素成分）苯丙氨酸、酪氨酸儿茶酚胺、甲状腺素（神经递质、激素）色氨酸5-轻色胺、烟酸（神经递质、维生素）


生物化学与分子生物学 相相 谷氨酸丫－氨基丁酸（神经递质）甲硫氨酸、鸟氨酸亚精胺、精胺（细胞增殖促进剂）组氨酸组胺（血管舒张剂）半胱氨酸牛磺酸（结合胆汁酸成分）苯丙氨酸、酪氨酸黑色素（皮肤色素）甘氨酸、精氨酸、甲硫氨酸肌酸、磷酸肌酸（能量储存）精氨酸一氧化氮(NO)（细胞信息转导分子）氨基酸除作为合成蛋白质的原料外，还可转变成某些激素、神经递质及核芬酸等含氮物质。人体内氨基酸的来源有：食物蛋白质的消化吸收、组织蛋白质的分解和体内合成。外源性与内源性的氨基酸共同构成氨基酸代谢库，参与体内代谢已。氨基酸的分解代谢包括一般代谢和个别代谢。氨基酸的一般分解代谢途径是针对氨基酸的a－氨基和a－酮酸共性结构的分解。氨基酸通过转氨基作用、氧化脱氨基作用等方式脱去氨基，生成a－酮酸。有毒的氨以丙氨酸和谷氨酰胺的形式运往肝或肾，在肝经乌氨酸循环合成尿素。脱去氨基生成的a－酮酸，可转变成糖或脂质，可经氨基化生成营养非必需氨基酸，也可彻底氧化分解并提供能量。


生物化学与分子生物学 相相 氨基酸代谢除共有的一般代谢途径外，因其侧链不同，有些氨基酸还有其特殊的代谢途径。氨基酸脱狻基作用产生的胺类化合物具有重要的生理功能；某些氨基酸分解代谢过程中产生的一碳单住可用于噤呤和啥唗核菩酸的合成；含硫氨基酸代谢产生的活性甲基，参与体内重要含甲基化合物的合成；芳香族氨基酸代谢产生重要的神经递质、激素及黑色素。 第九章核昔酸代谢 细胞内的核酸酶一方面参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要的基因复制和基因表达过程；另一方面负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸，这些作用对千维待细胞的正常活动具有重要意义。核酸酶可以分泌到细胞外，例如在人体消化液中的核酸酶可以降解食物中的核酸以利吸收。特别是限制性内切核酸酶，由于它能够特异性地识别酶切位点，已经成为了分子生物学中的重要工具酶。目前已发现的有3000余种。有些核酸酶属于多功能酶。例如，有些DNA聚合酶同时具有核酸外切酶活性，在DNA复制过程中可以切除错配的碱基，保证DNA生物合成的精确性。


生物化学与分子生物学 第一节核昔酸代谢概述 核昔酸在细胞中主要以5'－核昔酸形式存在，其中5'-ATP含量最多。通常情况下，细胞中核昔酸的浓度远远超过脱氧核昔酸，前者约在毫摩尔(mmol)范围，而后者只在微摩尔(µmol)水平。在细胞分裂周期中，细胞内脱氧核昔酸含量波动范围较大，核昔酸浓度则相对稳定。不同类型细胞中各种核昔酸含量差异很大。而在同一种细胞中，各种核昔酸含量虽也有差异，但核背酸总含量变化不大。 —、核昔酸具有多种生物学功能 核昔酸具有多种生物学功用：心作为核酸合成的原料，这是核昔酸最主要的功能。＠作为体内能量的利用形式。ATP是细胞的主要能量形式。此外GTP等也可以提供能量。＠参与代谢和生理调节。某些核昔酸或其衍生物是重要的调节分子。例如cAMP是多种细胞膜受体激素作用的第二信使；cGMP也与代谢调节有关。＠组成辅酶包。例如腺昔酸可作为多种辅酶(NAD+,FAD、CoA等）的组成成分。＠活化中间代谢物。核昔酸可以作为多种活化中间代谢物的载体。例如UDP-葡糖是合成糖原、糖蛋白的活性原料，CDP－甘油二酷是合成磷脂的活性原料，S-腺昔甲硫氨酸是活性甲基的载体等。ATP还可作为蛋白激酶反应中磷酸基团的供体。


生物化学与分子生物学 二、核昔酸经核酸酶水解后可被吸收（一）核酸酶 核酸酶是所有可以水解核酸的酶。依据核酸酶作用的底物不同可以将其分为DNA酶(deoxyribonucl ease, DNase)和RNA酶(ribonuclease, RNase)两类。DNA酶能够专一性地催化脱氧核糖核酸的水解，而RNA酶能够专一性地催化核糖核酸的水解。按照对底物二级结构的专一性，核酸酶还有单链酶和双链酶之分。依据对底物的作用方式可将核酸酶分为核酸外切酶(exonuclease)和核酸内切酶(endonuclease)。核酸外切酶仅能水解位千核酸分子链末端的磷酸二酷键。根据其作用的方向性，又有5'--+3'核酸外切酶和3'一5'核酸外切酶之分。从5'端切除核昔酸的称为5'一3'核酸外切酶；从3'端切除核昔酸的称为3'一5核酸外切酶。而核酸内切酶只可以在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酷键。有些核酸内切酶的酶切位点具有核酸序列特异性，称为限制性内切核酸酶(restriction endonuclease）。一般而言，限制性内切核酸酶的酶切位点的核酸序列具有回文结构，识别长度为4~8bp（见第二十三章）。有些核酸内切酶则没有序列特异性的要求。


生物化学与分子生物学 （二）核酸的消化与吸收 食物中的核酸多以核蛋白的形式存在。核蛋白在胃中受胃酸的作用，分解成核酸与蛋白质。核酸进入小肠后，受胰液和肠液中各种水解酶的作用逐步水解（图9-1)。在小肠内，胰腺分泌的DNA酶和RNA酶可水解食物核蛋白DNA和RNA生成寡核昔酸和部分单核昔酸。小肠黏膜细胞可蛋白质工1胃酸工核酸佃砐DNA)t胰核酸酶分泌对底物有一定特异性的二酷酶和核昔酸酶。二酷酶水解核酸寡核昔酸生成单核昔酸，核昔酸酶则可水解核昔酸生成核昔和核昔-巳古酸酶磷酸。核昔可通过被动扩散方式吸收。但啥唗核昔可被肠黏膜细胞内生成的啥唗核昔酶水解生成啼唗碱基，可以通过扩散碱基-匣巴榄糖方式吸收。因此，核昔酸及其水解产物均可被细胞吸收，并且图9-1核酸的消化绝大部分在肠黏膜细胞中被进一步分解。分解产生的戊糖被吸收而参加体内的戊糖代谢；嗦呤和啥唗碱则主要被分解而排出体外。所以食物来源的嗦呤和瞪唗碱很少被机体利用。


生物化学与分子生物学 三、核昔酸代谢包括合成和分解代谢 核昔酸根据碱基组成不同分为嗦呤核昔酸和密唗核昔酸两大类。这两种核昔酸的代谢均包括合成和分解代谢。核昔酸合成代谢根据方式的不同均包括从头合成和补救合成两种途径。从头合成的碱基来源是利用氨基酸、一碳单位及CO2等新合成含N的杂环；补救合成碱基的来源于体内游离碱基。在分解代谢中，嗦呤核昔酸的分解产物主要是水溶性较差的尿酸；i密唗核昔酸的分解产物是易溶于水的NH3、CO2及B－丙氨酸。 第二节噤呤核昔酸的合成与分解代谢 一、噤呤核苦酸的合成存在从头合成和补救合成两条途径生物体内细胞利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嗦呤核昔酸，称为从头合成途径(de nova synthesi s)（动画9-1"嗦呤核背酸合成过程中的元素来源”)；利用体内游离的嗦呤或嗦呤核昔，经过简单的反应过程，合成嗦呤核昔酸，称为补救合成途径(sa lvage pathway)，或称重新利用途径。两种途径在人体内不同组织中的重要性不同，从头合成嗦呤核昔酸的主要器官是肝，其次是小肠黏膜和胸腺；补救合成的主要器官是脑和骨髓等。一般情况下，前者是合成的主要途径。


生物化学与分子生物学 (—)噤呤核昔酸的从头合成 1.从头合成途径除某些细菌外，几乎所有生物体都能合成嗦呤碱。放射性核素示踪实验证明，合成噤呤碱的前身物均为简单物质，合成噤呤环的各元素来源包括氨基酸、CO2及甲酰基（来自四氢叶酸）等（图9-2）。噤呤核昔酸的从头合成在细胞质中进行，其过程是从核糖-5'－磷酸起始逐步合成嗦呤环。反应步骤比较复杂，可分为两个阶段：首先合成次黄嗦呤核昔酸(i nosine monophosphate,IMP)，然后IMP再转变成腺嗦呤核昔酸(AMP)与鸟嗦呤核昔酸(GMP)。 198第二篇物质代谢及其涸节 应完成（图9-3）。心核糖－5＇－磷酸（磷酸戊糖途径中产生）经过磷酸核糖焦磷酸合成酶作用，将谷氨酰胺谷氨酸甘氨酸 R—5'—P已 AMPATP,_,,_R一5'—P芩贮1'-R-5'—-pH2C-NH2PRPP合成酶酰胺转移酶5'－磷酸核糖胺R—5'—P R-5'—0P FH4


生物化学与分子生物学 R—5'—P已 (1)过11步反IMP的合成经IMP的合成：02CJ'一一大冬氨酸CL5'－磷酸的ATP转移到核糖－1分子焦磷酸从>(5'-phosl＇－焦磷酸生成5'磷酸核糖－上，活化－（寸谈单位）～甲酰Jlg-（碳单位）sphate,)。＠谷氨酰syl-1'-pyropho PRPPphoribo成5'上的焦磷酸，形取代PRPP/胺提供酰胺基\胺转应由磷酸核糖酰(PRA)，此反磷酸核糖胺分？从欣胺（颅胺从）不稳定，催化。PRA极se)移酶(amidotransfera噤呤碱合成的元素来源图9-27.嗦呤秒。该反应是5条件下为30其ti/2在pH酸(glcinamide氨酰胺核昔PRA加合，生成甘酸与ri。＠由ATP供能，甘氨核昔酸从头合成的关键步骤y(formyl氨酰胺核昔酸GAR甲酰化，生成甲酰甘IO甲酰四氢叶酸供给甲酰基，使GAR)。@Nbonucleotide,－酸氨脉核昔生成甲酰甘胺氮，使FGAR酰胺提供酰。＠谷氨FGAR)ribonucleotidglycinamide e,5'－磷酸核糖－1＇－焦磷酸5'－磷酸核糖(PRA)NH\NH甲酰FH4谷氨酸谷氨酰胺N1°-/\<［严H拉C=0H2人二|上||HN=q_H-ATP,Mg+\NH \转甲酰基酶|严I—— PR5'0酸甘氨酰胺核昔甲酰甘氨酰胺核节酸甲酰甘氨眯核昔酸(GAR)(FGAR)(FGAM)H6.-c|一好l』/N呼。、CH勹/N n—、C＼比＿」NHCII II II天冬氨酸，CHC\P玉妇贮\—5'\————PR5'P5'--4－甲酰N－骁珀酰－5－氨基咪陛酸5-氨基咪嗤核昔狻酸核昔酸5－氨基咪嗤－4－)胺核昔酸(SAICAR(AIR))(CAIRH2N/C\N/CH co2H2N/N/:Q沉＿H2N/c\f/。 cH邸寇~II/1\,CH玑NIO－甲酰FH410三C飞酸索胡IMP合酶AICAR转甲酰基酶Hz5-氨基咪陛-4-甲酰胺核昔酸5－甲酰胺基咪陛－4－甲酰胺核昔酸次黄骠呤核昔酸 (formylglycinamidine ribonucleotide, FGAM)，此反应消耗1分子ATP。@FGAM脱水环化形成5氨基咪嗤核昔酸(5-aminoimidazole ribonucleotide, AIR)，此反应也需要ATP参与。至此，合成了嗦呤环中的咪挫环部分。(J)C02连接到咪嗤环上，作为嗦呤碱中c6的来源，生成5－氨基咪嗤－4狻酸核昔酸(carboxyaminoimidazole ribonucleotide, CAIR)。＠在ATP存在下，天冬氨酸与CAIR缩合，生成N－唬珀酰－5-氨基咪陛－4－甲酰胺核昔酸(N-succinyl-5-aminoimidazo le-4-carboxamide ribonucleotide, SAICAR)。@SAICAR脱去1分子延胡索酸，裂解为5-氨基咪嗤-4-甲酰胺核昔酸(5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, AICAR)。面NIO_甲酰四氢叶酸提供甲酰基（一碳单位），使AICAR甲酰化，生成5－甲酰胺基咪嗤－4－甲酰胺核昔酸(N-formylaminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, FAICAR)。@FAICAR脱水环化，生成IMP。嗦呤核昔酸从头合成的酶在细胞质中多以酶复合体形式存在。


生物化学与分子生物学 cH邸寇~II/1\,CH玑NIO－甲酰FH410三C飞酸索胡IMP合酶AICAR转甲酰基酶Hz5-氨基咪陛-4-甲酰胺核昔酸5－甲酰胺基咪陛－4－甲酰胺核昔酸次黄骠呤核昔酸 (2)IMP转变生成AMP和GMP:IMP虽然不是核酸分子的主要组成单位，但它是嗦呤核昔酸合成的前体或重要中间产物，IMP可以分别转变成AMP和GMP（图9-4)。 腺昔酸代骁珀酸AMP5`“卢丫/酸氨冬夭勹二：＼勹pl HN O I N>:比0坚三三 O腺昔酸代琉珀酸合成酶@IMP脱氢酶＠腺昔酸代骁珀酸裂解酶@GMP合成酶(3)ATP和GTP的生成：AMP和GMP在激酶作用下，经过两步磷酸化反应，进一步分别生成ATP和GTP~。由上述反应过程可以清楚地看到，嗦呤核昔酸是在磷酸核糖分子上逐步合成膘呤环的，而不是首先单独合成嗦呤碱然后再与磷酸核糖结合。这是与啼唗核昔酸合成过程的明显差别，也是嗦呤核昔酸从头合成的一个重要特点。肝是体内从头合成嗦呤核昔酸的主要器官，其次是小肠黏膜及胸腺。现已证明，并不是所有的细胞都具有从头合成嗦呤核昔酸的能力。


生物化学与分子生物学 200第二篇物质代谢及其调节 2.从头合成的调节嗦呤核昔酸的从头合成是体内核背酸的主要来源，但这个过程需要消耗氨基酸等原料及大量ATP。机体对其合成速度进行着精确的调节，一方面为满足合成核酸而对嗦呤类核昔酸的需要，同时又不会”供过于求＂，以节省底物及能量的消耗。此反应以反馈调节为主（图9-5)（动画9-2"嗦呤核昔酸从头合成的调节心心心心心 R-5'－P}PRP；合成酶十酰；；移酶腺玻昔珀酸 .；一AMP-ADP-ATP. PRPP、声PRA--lMP ATP J•••_ XMP-GMP.-GDP.-GTP_参，心


生物化学与分子生物学 R-5'－P}PRP；合成酶十酰；；移酶腺玻昔珀酸 f腺昔酸代_-AMP—--ADP-ATP--夕会骁珀酸IMP GTP夕夕．．心嗦呤核昔酸从头合成途径中，主要调控环节是第一步生成PRPP和第二步生成5'－磷酸核糖胺(PRA)的反应。催化这两阶段反应的PRPP合成酶和PRPP酰胺转移酶是被调控的关键酶，均可被合成的产物IMP、AMP及GMP等抑制。反之，PRPP增加可以促进酰胺转移酶活性，加速PRA生成。PRPP酰胺转移酶是一类别构酶，其单体形式有活性，二聚体形式无活性。IMP、AMP及GMP能使活性形式转变成无活性形式，而PRPP则相反。在嗦呤核昔酸合成调节中，PRPP合成酶可能比酰胺转移酶起着更大的作用，所以对PRPP合成酶的调控更为重要。


生物化学与分子生物学 R-5'－P}PRP；合成酶十酰；；移酶腺玻昔珀酸 此外，在形成AMP和GMP过程中，IMP转化为AMP时需要GTP，转化为GMP时需要ATP。GTP可以促进AMP的生成，ATP也可以促进GMP的生成。过量的AMP控制AMP的生成，而不影响GMP的合成；同样，过量的GMP控制GMP的生成，而不影响AMP的合成。这种交叉调节作用对维持ATP与GTP浓度的平衡具有重要意义。（二）噤呤核苦酸的补救合成有两种方式其一，细胞利用现成嗦呤碱或嗦呤核昔重新合成嗦呤核昔酸。补救合成过程比较简单，消耗能量也少。有两种酶参与噤呤核昔酸的补救合成：腺嗦呤磷酸核糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)和次黄嗦呤－鸟嗦呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT)。PRPP提供磷酸核糖，它们分别催化AMP、IMP和GMP的补救合成。


生物化学与分子生物学 腺噤呤＋PRPP APRT)IAMP+PPi次黄嗓呤＋PRPP HCPIlT)IIMP+PPi鸟啋呤＋PRPP~GMP+PPi APRT受AMP的反馈抑制，HGPRT受IMP与GMP的反馈抑制。其二，人体内嗦呤核背的重新利用通过腺昔激酶催化的磷酸化反应，使腺嗦呤核甘生成腺嗦呤核昔酸。 腺有激酶腺嗓呤核昔／、｀►AMP 生物体内除腺昔激酶外，不存在作用其他嗦呤核昔的激酶。嗦呤核昔酸补救合成途径中主要以磷酸核糖转移酶催化的反应为主。嗦呤核昔酸补救合成的生理意义一方面在千可以节省从头合成时能量和一些氨基酸的消耗；另一方面，体内某些组织器官，例如脑、骨髓等由于缺乏从头合成嗦呤核昔酸的酶体系，它们只能进行嗦呤核昔酸的补救合成。因此，对这些组织器官来说，补救合成途径具有更重要的意义。例如，由于基因缺陷而导致HGPRT完全缺失的患儿，表现为莱施－奈恩综合征或称Lesch-Nyhan综合征，这是一种遗传代谢病。


生物化学与分子生物学 腺有激酶腺嗓呤核昔／、｀►AMP （三）体内噤呤核昔酸可以相互转变体内嗦呤核昔酸可以相互转变，以保待彼此平衡。前已述及，IMP可以转变成XMP、AMP及GMP。此外，AMP、GMP也可以转变成IMP。由此，AMP和GMP之间也是可以相互转变的。（四）脱氧核昔酸的生成在二磷酸核昔水平进行DNA由各种脱氧核昔酸组成。细胞分裂旺盛时，脱氧核昔酸含量明显增加，以适应合成DNA的需要。脱氧核昔酸，包括嗦呤脱氧核昔酸和啥唗脱氧核昔酸从何而来？现已证明，体内脱氧核昔酸中所含的脱氧核糖并非先形成后再连接上碱基和磷酸，而是通过相应的核昔酸的直接还原作用，以氢元素取代其核糖分子中乌上的胫基而生成的。除dTMP是从dUMP转变而来以外，其他脱氧核甘酸都是在二磷酸核昔(NDP)水平上进行(N代表A、G、u,c等碱基），由核昔酸还原酶(ribonucleotide reductase)催化，反应如下。


生物化学与分子生物学 腺有激酶腺嗓呤核昔／、｀►AMP NADPH+H'NA DP++H20HO—P—O—P—0-C比碱基核昔酸还原酶其实这一反应的过程比较复杂（图9-6)。白（如oredoxin)作为电子载体。硫氧还蛋白的分子量约为12kD，其所含的琉基在核昔酸还原酶作用下氧化为二硫键。后者再经称为硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase, Trx)的催化，重新生成还原由此构成一个复杂的酶体系。个亚基结合并有M忙存在时才具有酶活性。在DNA合成旺盛、分裂速度较快的细胞中，二磷酸核昔＼\＼/磷酸脱氧核昔细胞除了控制核昔酸还原酶的活性以调。 核背酸还原酶从NADPH获得电子时，需要硫氧还蛋型的硫氧还蛋白， 核昔酸还原酶是一种别构酶，包括两个亚基，只有两核昔酸还原酶体系活性较强。


生物化学与分子生物学 还原型硫氧氧化型硫氧还蛋白－（SH)2还蛋白<?NADP二三NADPH+H节脱氧核昔酸的浓度之外，还可以通过各种 三磷酸核昔对还原酶的别构作用来调节不同脱氧核昔酸生成。因为某一种NDP被还原酶还原成dNDP时，需要特定NTP的促进，同时也受其他NTP的抑制（表9-1)。通过这种调节，使合成DNA的4种脱氧核甘酸控制在适当比例。固9-6脱氧核首酸的生成作用物主要促进剂主要抑制剂CDP ATP dATP、dGTP、dTIP UDP ATP dATP、dGTP ADP dGTP dATP、ATP GDP dTI'P dATP如上所述，与嗦呤脱氧核昔酸的生成一样，啥唗脱氧核昔酸(dUDP、dCDP)也是通过相应的二磷酸密唗核昔的直接还原而生成的。经过激酶的作用，上述dNDP再磷酸化生成三磷酸脱氧核昔。（五）噤呤核昔酸的抗代谢物是一些漂呤、氨基酸或叶酸类似物嗦呤核昔酸的抗代谢物是一些嗦呤、氨基酸或叶酸等的类似物。它们主要以竞争性抑制或“以假乱真”等方式千扰或阻断嗦呤核昔酸的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成尽。肿瘤细胞的核酸及蛋白质合成十分旺盛，因此这些抗代谢物具有抗肿瘤作用。嗦呤类似物有6-琉基嗦呤(6-mercaptopurine,6-MP)、6－琉基鸟嗦呤、8－氮杂鸟嗦呤等，其中以6-MP在临床上应用较多。6-MP的结构与次黄嗦呤相似，唯一不同的是分子中c6上由琉基取代。


生物化学与分子生物学 还原型硫氧氧化型硫氧还蛋白－（SH)2还蛋白<?NADP二三NADPH+H节脱氧核昔酸的浓度之外，还可以通过各种 6-MP在体内经磷酸核糖化生成6-MP核昔酸，并以这种形式抑制IMP转变为AMP及GMP的反应。6-MP能直接通过竞争性抑制，影响次黄嗦呤－鸟嗦呤磷酸核糖转移酶，使PRPP分子中的磷酸核糖不能向鸟嗦呤及次黄嗦呤转移，阻止了补救合成途径。此外，由于6-MP核昔酸结构与IMP相似，可以反馈抑制PRPP酰胺转移酶进而干扰磷酸核糖胺的形成，阻断嗦呤核昔酸从头合成（图9-7)。PRPP平甘氨酰｝，平酰甘氨酰氮杂丝甲氨：甘氨谷氨酰胺)LPRA一需罚?+>丿附昙屈t－赞笠次黄嗓;R,＇IMP-：芦昙霍千＇}氨基酸类似物有氮杂丝氨酸(azaserine）及6-重氮－5－氧正亮氨酸(diazonorleucine)等。它们的结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嗦呤核昔酸合成中的作用，从而抑制嗦呤核昔酸的合成。


生物化学与分子生物学 还原型硫氧氧化型硫氧还蛋白－（SH)2还蛋白<?NADP二三NADPH+H节脱氧核昔酸的浓度之外，还可以通过各种 氨蝶呤(aminopterin)及氨甲蝶呤(methotrexate,MTX)都是叶酸的类似物，能竞争性抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸。因此嗦呤分子中来自一碳单位的C8及乌均得不到供应，从而抑制了嗦呤核昔酸的合成。MTX在临床上用于白血病等的治疗。应该指出的是，上述药物缺乏对肿瘤细胞的特异性，故对增殖速度较旺盛的某些正常组织亦有杀伤性，因而具较大的毒副作用。“Y¥嗦呤核昔酸抗代谢物的作用部位可归纳如图9-7。


生物化学与分子生物学 二、嗦呤核昔酸的分解代谢终产物是尿酸 细胞内核昔酸的分解代谢类似于食物中核昔酸的消化过程。首先，细胞中的核昔酸在核昔酸酶的作用下水解成核昔。核昔经核昔磷酸化酶作用，磷酸解成自由的碱基及核糖－l－磷酸。嗦呤碱基可以参加核昔酸的补救合成，也可以进一步水解。人体内，嗦呤碱基最终分解生成尿酸(uric acid)，随尿排出体外。反应过程简化（图9-8)。AMP生成次黄噤呤，后者在黄嗦呤氧化酶(xanthine oxidase)作用下氧化成黄嗦呤，最后生成尿酸。GMP生成鸟嗦呤，后者转变成黄嗦呤，最后也生成尿酸。嗦呤脱氧。核昔也经过相同的途径进行分解代谢。体内嗦呤核昔酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行，黄嗦呤氧化酶在这些组织中活性较强。 AMP-潭次黄骠呤1如嫖呤氧化酶鸟卿呤---－-/了H N 图9-8噤呤核苦酸的分解代谢尿酸是人体嗦呤分解代谢的终产物，水溶性较差。


生物化学与分子生物学 黄骠呤黄嗦呤氧化酶当进食高嗦呤饮食、体内核酸大量分解（如白 血病、恶性肿瘤等）或肾疾病而使尿酸排泄障碍时，均可导致血中尿酸升高。临床上常用别嗦呤醇(allop urinol)治疗痛风症。别嗦呤醇与次黄嗦呤结构类似，只是分子中凡与乌互换了位置，故可抑制黄嗦呤氧化酶，从而抑制尿酸的生成（图9-9)。黄嗦呤、次黄嗦呤的水溶性较尿酸大得多，不会沉积形成结晶。同时，别嗦呤与PRPP反应生成别嗦呤核昔酸，这样一方面消耗PRPP而使其含量减少，另一方面别嗦呤核昔酸与IMP结构相似，又可反馈抑制嗦呤核昔酸从头合成的酶。这两方面的作用均可使嗦呤核昔酸的合成减少。


生物化学与分子生物学 次黄嗦呤别骠呤醇鸟嗦呤黄嗦呤氧化酶姨萨擘婕黄骠呤l|X尿酸次黄嗓呤//衣二、别嗦呤醇／ 第三节皖唗核苦酸的合成与分解代谢—、晚唗核昔酸的合成也有从头合成与补救合成两条途径与嗦呤核昔酸一样，体内1密唗核昔酸的合成也有两条途径，即从头合成与补救合成。（－）晚哫核昔酸的从头合成比嗦呤核苦酸简单1.从头合成途径放射性核素示踪实验证明，晚唗核昔酸中1密唗碱合成的原料来自谷氨酰胺、CO2和天冬氨酸等（图9-lO)。啼唗核昔酸的合成主要在肝中进行，反应过程在细胞质和线粒体进行。＼，平?\l与噤呤核昔酸的从头合成途径不同，啼唗核昔酸的合成是:,c_:先合成含有啥唗环的乳清酸，然后再与磷酸核糖相连。啼唗核昔酸合成的过程如下岱：氨基甲酰磷酸订尸二天冬氨酸C~~_l_/气：(1)尿啼唗核昔酸的合成：啥唗环的合成开始于氨基甲酰汛磷酸的生成。正如氨基酸代谢一章所讨论的，氨基甲酰磷酸也图9-10i密唗碱合成的元素来源是尿素合成的原料。但是，尿素合成中所需的氨基甲酰磷酸是在肝线粒体中由氨基甲酰磷酸合成酶I催化生成的，而啥唗合成所用的氨基甲酰磷酸则是在细胞质中用谷氨酰胺为氮源，由氨基甲酰磷酸合成酶II催化生成的。这两种合成酶的性质不同。上述生成的氨基甲酰磷酸在胞质中的天冬氨酸氨基甲酰转移酶(aspartate transcarbamoylase)催化下，与天冬氨酸化合生成氨甲酰天冬氨酸。后者经二氢乳清酸酶催化脱水，形成具有啼唗环的二氢乳清酸，再经二氢乳清酸脱氢酶作用，脱氢成为乳清酸(orotic acid, OA)。乳清酸不是构成核酸的瞪唗碱，但它在乳清酸磷酸核糖转移酶催化下可与PRPP结合，生成乳清酸核昔酸(orotidine5'-monophosphate, OMP)，后者再由乳清酸核昔酸脱狻酶催化脱去狻基，即生成尿啼唗核昔酸(uridine monophosphate, UMP)。胞瞪唗核昔酸和胸腺啥唗核昔酸均可由UMP转变而来（图911)国。


生物化学与分子生物学 次黄嗦呤别骠呤醇鸟嗦呤黄嗦呤氧化酶姨萨擘婕黄骠呤l|X尿酸次黄嗓呤//衣二、别嗦呤醇／  胺丛谷丛旺尸氨磷酶酰成甲合基酸酸＋氨H c\C|C天冬氨酸氨『基甲酰基转移酶HO—C、比艾氨氨基甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸冬夭酶酸乳清清皿二／＼二磷酸核糖亡三卢脱氢酶乳氢酸昔核酸0R一5'-P乳清酸HONl|-尿瞪唗核昔酸清（乳了下啼唗核苦酸的合成代谢 在真核细胞中啼唗核昔酸合成的前三个酶，即氨基甲酰磷酸合成酶II、天冬氨酸氨基甲酰转移酶和二氢乳清酸酶，位于分子量约为200kD的同一条多肤链上，因此是一种多功能酶；后两个酶也是位于同一条多肤链上的多功能酶。因此更有利于以均匀的速度参与啥唗核节酸的合成。N5,N10亚甲四氢叶酸提供甲基后生成的二氢叶酸又可在二氢叶酸还原酶的作用下，重新生成四氢叶酸。dUMP可来自两个途径：一是dUDP的水解脱磷酸，另一个是dCMP的脱氨基，以后一种为主。胸昔酸合成酶与二氢叶酸还原酶可被用于肿瘤化疗的靶点。2.从头合成的调节在细菌中，天冬氨酸氨基甲酰ATP+CO2+Gln转移酶是啼唗核昔酸从头合成的主要调节酶。但是，哺乳类动物细胞中，晚唗核昔酸合成的调节酶则主要是氨


生物化学与分子生物学 胺丛谷丛旺尸氨磷酶酰成甲合基酸酸＋氨H c\C|C天冬氨酸氨『基甲酰基转移酶HO—C、比艾氨氨基甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸冬夭酶酸乳清清皿二／＼二磷酸核糖亡三卢脱氢酶乳氢酸昔核酸0R一5'-P乳清酸HONl|-尿瞪唗核昔酸清（乳了下啼唗核苦酸的合成代谢 :氨基甲酰磷酸基甲酰磷酸合成酶II，它受UMP抑制。这两种酶均受反:i<巠7馈机制的调节。此外，哺乳类动物细胞中，上述UMP合氨基甲酰天冬氨酸/嗦呤核昔酸l v吩成起始和终末的两种多功能酶还可受到阻遏或去阻遏的厂PRPP8'ATP+R-5'-P调节。核素掺入实验表明，晚唗与嗦呤的合成有着协调L.---UMPi忒'啼唗核昔酸控制关系，两者的合成速度通常是平行的。UTP-----CTP由于PRPP合成酶是啥唗与嗦呤两类核昔酸合成过程中共同需要的酶，所以它可同时接受瞪唗核昔酸及嗦图9-12晓唗核昔酸合成的调节部位呤核昔酸的反馈抑制。啥唗核昔酸合成的调节如图所示（图9-12)。


生物化学与分子生物学 胺丛谷丛旺尸氨磷酶酰成甲合基酸酸＋氨H c\C|C天冬氨酸氨『基甲酰基转移酶HO—C、比艾氨氨基甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸冬夭酶酸乳清清皿二／＼二磷酸核糖亡三卢脱氢酶乳氢酸昔核酸0R一5'-P乳清酸HONl|-尿瞪唗核昔酸清（乳了下啼唗核苦酸的合成代谢 （二）晇唗核昔酸的补救合成途径与噤呤核昔酸类似瞪唗磷酸核糖转移酶是啼唗核甘酸补救合成的主要酶，催化反应的通式如下：啼唗＋PRPP啥唗磷酸核糖转移酶)o磷酸瞪唗核昔＋PPi瞪唗磷酸核糖转移酶已经从人红细胞中被纯化，它能利用尿啥唗、胸腺啥唗及乳清酸作为底物（实际上与前述的乳清酸磷酸核糖转移酶是同一种酶），但对胞瞪唗不起作用。 尿昔激酶也是一种补救合成酶，催化尿昔生成尿昔酸。 脱氧胸昔可通过胸昔激酶催化生成dTMP。此酶在正常肝中活性很低，而再生肝中酶活性升高，在恶性肿瘤中该酶活性也明显升高并与恶性程度有关。（三）晇哫核昔酸的抗代谢物也是晚哫、氨基酸或叶酸等的类似物与嗦呤核昔酸一样，瞪唗核昔酸的抗代谢物也是一些啼唗、氨基酸或叶酸等的类似物。它们对代谢的影响及抗肿瘤作用与嗦呤抗代谢物相似。


生物化学与分子生物学 尿昔激酶也是一种补救合成酶，催化尿昔生成尿昔酸。 啥唗的类似物主要有5－娠尿啥唗(5-fluorouracil,5-FU)，它的结构与胸腺啼唗相似。5-FU本身并无生物学活性，必须在体内转变成一磷酸脱氧氮尿瞪唗核昔(FdUMP)及三磷酸氛尿啼唗核昔(FUTP)后，才能发挥作用。FdUMP与dUMP有相似的结构，是胸背酸合酶的抑制剂，可以阻断dTMP的合成。FUTP可以FUMP的形式掺入RNA分子，异常核昔酸的掺入破坏了RNA的结构与功能。氨基酸类似物、叶酸类似物已在嗦呤抗代谢物中介绍。例如，由于氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺，可以抑制CTP的生成；甲氨蝶呤干扰叶酸代谢，使dUMP不能利用一碳单位甲基化而生成dTMP，进而影响DNA合成。另外，某些改变了核糖结构的核昔类似物，例如阿糖胞甘和环胞昔也是重要的抗癌药物。阿糖胞昔能抑制CDP还原成dCDP，也能影响DNA的合成。 第二篇物质代谢及其调节三古因 5-氪尿啼唗(5-FU)阿糖胞昔环胞昔瞪唗核昔酸类似物的作用环节可归纳如下（图9-13)。


生物化学与分子生物学 第二篇物质代谢及其调节三古因 出或进一步分解。摄入DNA丰富的食物的人以及经放射线治疗或化学治疗后的肿瘤病入，其尿液中B氨基异丁酸排出量增多。啼唗碱的分解代谢主要在肝进行。与嗦呤碱的分解产生尿酸不同，啥唗碱的分解产物均易溶于水。 出，＂刁石1<:,，不飞，．．＂}B－脉基异丁酸二氢尿啼唗o－丙氨酸`j肝凡N-CH2-『一心骂酸丙二酸单酰CoA甲基丙二酸单酰CoA}尿素乙酰CoA骁珀酰CoA三狻酸循环三狻酸循环糖异生小结 核苍酸是核酸的基本组成单位，具有多种重要的生理功能，其中最主要的是作为合成核酸分子的原料。除此，还参与能量代谢、代谢调节等过程。体内的核芬酸的来源主要由机体细胞自身合成。食物来源的噤呤和啥唗极少被机体利用。食物中或机体细胞中的核酸可被核酸酶降解。核酸酶是能够水解核酸的酶，根据作用底物的不同分为DNA酶及RNA酶。根据作用位点的不同分为核酸外切酶及核酸内切酶。食物中的DNA和RNA在小肠袚核酸酶水解为寡核符酸和部分单核芬酸。核廿酸被核菩酸酶进一步水解生成核芬和磷酸。核芬及碱基可通过扩散等方式被吸收。核符酸在体内的代谢主要包括合成代谢和分解代谢。


生物化学与分子生物学 出，＂刁石1<:,，不飞，．．＂}B－脉基异丁酸二氢尿啼唗o－丙氨酸`j肝凡N-CH2-『一心骂酸丙二酸单酰CoA甲基丙二酸单酰CoA}尿素乙酰CoA骁珀酰CoA三狻酸循环三狻酸循环糖异生小结 体内嗦呤核符酸的合成有两条途径：从头合成和补救合成途径。从头合成途径的原料是磷酸核树氨基酸、一碳单位和CO2等简单物质，在PRPP的基础上经过一系列酶促反应，逐步形成噤呤环。首先生成IMP，然后再分别转变成AMP和GMP。从头合成过程受着精确的反馈调节。补救合成途径实际上是现成嗦呤或嗦呤核书的重新利用，虽然合成含量极少，但也有重要的生理意义。机体也可以从头合成喀唗核菩酸，但不同的是先合成喀唗环，再磷酸核糖化而生成核符酸。＂密唗核苍酸的从头合成途径也受反馈调控。体内脱氧核菩酸由各自相应的核符酸在二磷酸水平上还原生成。核芬酸还原酶催化此反应。四氢叶酸携带的一碳单位是合成胸芬酸过程中甲基的必要来源。根据噤呤核芬酸和，密唗核符酸的合成过程，可以设计多种抗代谢物，包括噤呤、喀唗类似物，叶酸类似物及氨基酸类似物等。这些抗代谢物在抗肿瘤治疗中有重要作用。


生物化学与分子生物学 出，＂刁石1<:,，不飞，．．＂}B－脉基异丁酸二氢尿啼唗o－丙氨酸`j肝凡N-CH2-『一心骂酸丙二酸单酰CoA甲基丙二酸单酰CoA}尿素乙酰CoA骁珀酰CoA三狻酸循环三狻酸循环糖异生小结 嗦呤在人体内分解代谢的终产物是尿酸，黄噤呤氧化酶是这个代谢过程的重要酶。痛风症主要是由于噤呤代谢异常，尿酸生成过多而引起的。啥哫分解后产生的B－氨基酸可随尿排出或进一步代谢。 1.什么是从头合成？核芬酸从头合成的原料有哪些？ 2.什么是核酸酶？根据对底物的作用方式不同核酸酶有哪些分类？ 3.补救合成的意义是什么？4.核芬酸抗代谢物有哪些？举例说明。 5.噤呤及啥唗核符酸分解代谢产物是什么？痛风和哪种产物相关？为什么？


生物化学与分子生物学 （高旭）第十章代谢的整合与调节 代谢(metabolism)是指机体活细胞内的全部化学变化，其反应几乎全部是酶促反应。代谢是生命活动的物质基础。经消化、吸收获得的营养物质（如糖类、脂质和蛋白质等）在体内进行各种代谢过程，一方面将营养物质分解氧化、释出能量以满足生命活动的需求，另一方面机体进行各种合成代谢以提供自身所需的结构成分。因此，代谢分为分解代谢和合成代谢，由许多代谢途径组成，每一条代谢途径又包含一系列前后有关的酶促反应。有些不同的代谢途径会分享某些共同的酶促化学反应，所以，各种代谢途径相互联系、相互作用、相互协调和相互制约，形成一个网状的整体，即代谢具有整体性包。为了适应不断变化的内、外环境，机体需要不断调节各种物质的代谢方向、流量和速率，从而使体内物质的代谢有条不紊地进行，即代谢具有可调节性。机体各组织、器官除了具有一般的基本代谢外，还具有各自不同的代谢特点，以适应相应的功能需要。这是由于这些组织、器官的细胞中形成了特定的酶谱，即不同的酶系种类和含量。


生物化学与分子生物学 第一节代谢的整体性—、体内代谢过程互相联系形成一个整体（一）代谢的整体性 在体内进行代谢的物质各种各样，不仅有糖、脂质、蛋白质这样的大分子营养物质，也有维生素这样的小分子物质，还有无机盐、甚至水。它们的代谢不是孤立进行的，同一时间机体有多种物质的代谢在进行，需要彼此间相互协调，以确保细胞乃至机体的正常功能。事实上，人类摄取的食物，无论动物性或植物性食物均同时含有蛋白质、脂质、糖类、水、无机盐及维生素等。从消化吸收开始、经过中间代谢、到代谢废物排出体外，这些物质的代谢都是同时进行的，且互有联系、相互依存，各种物质的代谢之间相互联系构成统一的整体。如糖、脂肪在体内氧化释出的能量可用于核酸、蛋白质等的生物合成，各种酶蛋白合成后又催化糖、脂质、蛋白质等物质代谢按机体的需要顺利进行。


生物化学与分子生物学 （二）体内各种代谢物都具有各自共同的代谢池 人体主要营养物质如糖、脂质、蛋白质，既可以从食物中摄取，多数也可以在体内自身合成。在进行中间代谢时，机体不分彼此，无论自身合成的内源性营养物质和食物中摄取的外源性营养物质，均组成为共同的代谢池(metabolic pool)，根据机体的营养状态和需要，同样地进入各种代谢途径进行代谢。如血液中的葡萄糖，无论是从食物中消化吸收的、肝糖原分解产生的、氨基酸转变产生的或是由甘油转化生成的，都参与组成血糖，在机体需要能量时，均可在各组织进行有氧氧化或无氧氧化，释放出能量供机体利用，机会均等。 （三）体内代谢处千动态平衡 体内各种营养物质的代谢总是处千一种动态的平衡之中。在正常生理状态下，体内糖、脂质、蛋白质等物质面临多条代谢途径，或合成或分解，有获取则随之被转变（消耗），有消耗则适时获得补充，使其中间代谢物不会出现堆积或匮乏的现象。如血糖浓度虽然维持一定浓度范围，但其成分每分钟都在不断更新。体内其他物质也均如此处千动态平衡之中。我国著名的生物化学家刘思职院士曾将代谢的动态平衡高度哲理性地概括为：“生者化，化又生，生化即化生；新必陈，陈乃谢，新陈恒代谢”。


生物化学与分子生物学 （三）体内代谢处千动态平衡 （四）氧化分解产生的NADPH为合成代谢提供所需的还原当量体内许多生物合成反应是还原性合成，需要还原当量，这些生物合成反应才能顺利进行。体内合成代谢所需的还原当量的主要提供者是NADPH，它主要来源于葡萄糖的磷酸戊糖途径包。所以，NADPH能将氧化反应和还原反应联系起来，将物质的氧化分解与还原性合成联系起来，将不同的还原性合成联系起来。如葡萄糖经磷酸戊糖途径分解生成的NADPH，既可为乙酰辅酶A合成脂肪酸，也可为乙酰辅酶A合成胆固醇提供还原当量。 二、物质代谢与能量代谢相互关联 糖、脂肪及蛋白质是人体的主要能量物质，虽然这三大营养物质在体内分解氧化的代谢途径各不相同，但都有共同的中间代谢物乙酰辅酶A卤。三狻酸循环和氧化磷酸化是糖、脂肪、蛋白质最后分解的共同代谢途径，释出的能盘均以ATP形式储存包。


生物化学与分子生物学 二、物质代谢与能量代谢相互关联 机体的各种生命活动如生长、发育、繁殖、修复、运动，包括各种生命物质的合成等均需要能量。人体能批的来源是营养物质，但糖、脂肪、蛋白质中的化学能不能直接用于各种生命活动，机体需氧化分解营养物质，释放出化学能，并将其大部分储存在可供各种生命活动直接利用的ATP中。ATP作为机体可直接利用的能量载体，将产能的营养物质分解代谢与耗能的物质合成代谢联系在一起、将代谢与其他生命活动联系在一起包。


生物化学与分子生物学 二、物质代谢与能量代谢相互关联 从能量供应角度看，三大营养物质可以互相替代、互相补充，但也互相制约。一般情况下，供能以糖及脂肪为主，并尽量减少蛋白质的消耗。这不仅因为动物及人摄取的食物中以糖类最多，占总热量的50%-70%；脂肪摄入撮虽然不是最多，占总热量的10%～40%，但它是机体储能的主要形式，可达体重的20％或更多（肥胖者可达30%-40%）；还因为蛋白质是机体最重要的组成成分，通常无多余储存。在因疾病不能进食或无食物供给时，为保证血糖恒定，肝糖异生增强，蛋白质分解加强。如饥饿持续（一周以上），长期糖异生增强使蛋白质大量分解，势必威胁生命，故机体通过调节作用转向以保存蛋白质为主，体内各组织包括脑组织以脂肪酸及酮体为主要能源，蛋白质的分解明显降低。


生物化学与分子生物学 二、物质代谢与能量代谢相互关联 糖、脂肪、蛋白质都通过三狻酸循环和氧化磷酸化彻底氧化供能，任一供能物质的分解代谢占优势，常能抑制其他供能物质的氧化分解。如脂肪分解增强，生成ATP增多，ATP/ADP比值增高，可别构抑制糖分解代谢关键酶－~磷酸果糖激酶－1的活性，可减缓葡萄糖的分解代谢。另一方面，上述物质又可激活果糖二磷酸酶－1，促进糖异生，将非糖物质转化为糖，使富裕的能源物质部分以糖原的形式储存起来。若葡萄糖氧化分解增强使ATP增多时，可抑制异拧檬酸脱氢酶活性，导致拧檬酸堆积；后者透出线粒体，激活乙酰辅酶A狻化酶，促进脂肪酸合成、抑制脂肪酸分解。三、糖、脂质和蛋白质代谢通过中间代谢物而相互联系体内糖、脂质、蛋白质和核酸等的代谢不是彼此孤立的，而是通过共同的中间代谢物、三狻酸循环和生物氧化等彼此联系、相互转变（图10-1)已。一种物质的代谢障碍可引起其他物质的代谢紊乱，如糖尿病时糖代谢的障碍，可引起脂质代谢、蛋白质代谢甚至水盐代谢紊乱。


生物化学与分子生物学 （一）葡萄糖可转变为脂肪酸 当摄入的葡萄糖超过体内需要时，除合成少量糖原储存在肝及肌外，葡萄糖氧化分解过程中生成的拧檬酸及最终产生的ATP增多，可别构激活乙酰辅酶A狻化酶，使葡萄糖分解产生的乙酰辅酶A狻化成丙二酸单酰辅酶A，进而合成脂肪酸及脂肪。这样，可将葡萄糖转变成脂肪储存千脂肪组织。所以，摄取不含脂肪的高糖膳食过多，也能使人血浆甘油三酷升高，并导致肥胖。但是，脂肪分解产生的脂肪酸不能在体内转变为葡萄糖，因为脂肪酸分解生成的乙酰辅酶A不能逆行转变为丙酮酸。尽，I）吓管脂肪分解产生的甘油可以在肝、肾、肠等组织甘油激酶的作用下转变成磷酸甘油，进而转变成糖，但与脂肪中大最脂肪酸分解生成的乙酰辅酶A相比，其量极少。此外，脂肪酸分解代谢能否顺利进行及其强度，还依赖于糖代谢状况。当饥饿、糖供给不足或糖代谢障碍时，尽管脂肪可以大量动员，并在肝经仕氧化生成大量酮体，但由千糖代谢不能满足相应的需要，草酰乙酸生成相对或绝对不足，导致大量酮体不能进入三狻酸循环氧化，在血中蓄积，造成高酮血症。区三==[3－磷酸甘油醒＝二之6磷酸葡糖酸甘油ti I磷酸烯醇式丙酮酸脂肪酸｀／，［三二三苏氨酸、半胱氨酸胆固醇－三二五；三尸酮体嘉酪氨酸--贮延胡索酸苯丙氨酸、固10-1糖、脂质、氨基酸代谢途径的相互联系仁二］为枢纽性中间代谢物（二）葡萄糖与大部分氨基酸可以相互转变组成人体蛋白质的20种氨基酸中，除生酮氨基酸（亮氨酸、赖氨酸）外，都可通过脱氨作用，生成相应的a－酮酸。这些a－酮酸可转变成某些能进入糖异生途径的中间代谢物，循糖异生途径转变为葡萄糖。如丙氨酸经脱氨基作用生成的丙酮酸，可异生为葡萄糖。精氨酸、组氨酸、脯氨酸可先转变成谷氨酸，进一步脱氨生成a－酮戊二酸，再经草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸异生为葡萄糖。葡萄糖代谢的一些中间代谢物，如丙酮酸、a－酮戊二酸、草酰乙酸等也可氨基化生成某些非必需氨基酸。但苏氨酸甲硫氨酸、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缅氨酸、组氨酸、苯丙氨酸及色氨酸等9种氨基酸不能由糖代谢中间物转变而来。总之，20种氨基酸除亮氨酸及赖氨酸外均可转变为糖，而糖代谢中间代谢物仅能在体内转变成11种非必需氨基酸。国（三）氨基酸可转变为多种脂质但脂质几乎不能转变为氨基酸体内的氨基酸，无论是生糖氨基酸、生酮氨基酸（亮氨酸、赖氨酸），还是生酮兼生糖氨基酸（异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、苏氨酸），均能分解生成乙酰辅酶A，经还原缩合反应可合成脂肪酸，进而合成脂肪。氨基酸分解产生的乙酰辅酶A也可用于合成胆固醇。氨基酸还可作为合成磷脂的原料，如丝氨酸脱狻可变为乙醇胺，乙醇胺经甲基化可变为胆碱。丝氨酸、乙醇胺及胆碱分别是合成丝氨酸磷脂、脑磷脂及卵磷脂的原料。所以，氨基酸能转变为多种脂质。但脂肪酸、胆固醇等脂质不能转变为氨基酸，仅脂肪中的甘油可异生成葡萄糖，转变为某些非必需氨基酸，但量很少。区（四）一些氨基酸、磷酸戊糖是合成核昔酸的原料嗦呤碱从头合成需要甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺和一碳单位为原料；瞪唗碱从头合成需要天冬氨酸、谷氨酰胺和一碳单位为原料。一碳单位是一些氨基酸在分解过程中产生的。这些氨基酸可直接作为核昔酸合成的原料、也可转化成核昔酸合成的原料。核昔酸中的另一成分磷酸戊糖是葡萄糖经磷酸戊糖途径分解的重要产物。所以，葡萄糖和一些氨基酸可在体内转化为核酸分子的组成成要保证机体的正常功能，就必须确保糖、脂质、蛋白质、水、无机盐、维生素这些营养物质在体内的代谢，能够根据机体的代谢状态和执行功能的需要有条不紊地进行。这就需要对这些物质的代谢方向、速率和流量进行精细调节。正是有了这种精细的调节，使各种物质的代谢井然有序，相互协调进行，机体才能适应各种内外环境的变化，顺利完成各种生命活动。这是生物体的基本特征，是在生物进化过程中形成的一种适应能力。代谢调节的复杂程度随进化程度增加而增高。单细胞生物主要通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量进行调节，即所谓原始调节或细胞水平代谢调节。高等生物不仅细胞水平代谢调节更为精细复杂，还出现了内分泌细胞及内分泌器官，形成了通过激素发挥代谢调节作用的激素水平代谢调节。高等动物的代谢调节还涉及复杂的神经系统，形成了在中枢神经系统控制下，多种激素相互协调，对机体代谢进行综合调节的所谓整体水平代谢调节。上述三级代谢调节中，细胞水平代谢调节是基础，激素及神经对代谢的调节需通过细胞水平代谢调节实现。这种调节一旦不足以协调各种物质的代谢之间的平衡、不能适应机体内外环境改变的需要，就会使细胞、机体的功能失常，导致入体疾病发生。


生物化学与分子生物学 （一）葡萄糖可转变为脂肪酸 一、细胞内物质代谢主要通过对关键酶活性的调节来实现（一）各种代谢酶在细胞内区隔分布是物质代谢及其调节的亚细胞结构基础在同一时间，细胞内有多种物质的代谢发生。参与同一代谢途径的酶，相对独立地分布千细胞特定区域或亚细胞结构（表10-1)，形成所谓区隔分布，有的甚至结合在一起，形成多酶复合体心。酶的这种区隔分布，能避免不同代谢途径之间彼此干扰，使同一代谢途径中的系列酶促反应能够更顺利地连续进行，既提高了代谢途径的进行速度，也有利于调控心。心oij多酶体系分布多酶体系分布DNA、RNA合成细胞核糖酵解细胞质蛋白质合成内质网、细胞质戊糖磷酸途径细胞质糖原合成细胞质糖异生细胞质、线粒体脂肪酸合成细胞质脂肪酸氧化细胞质、线粒体胆固醇合成内质网、细胞质多种水解酶溶酶体磷脂合成内质网三狻酸循环线粒体血红素合成细胞质、线粒体氧化磷酸化线粒体（二）关键调节酶活性决定整个代谢途径的速度和方向每条代谢途径由一系列酶促反应组成，其反应速率和方向由其中一个或几个具有调节作用的关键酶活性决定。这些关键酶的特点包括：CD常常催化一条代谢途径的第一步反应或分支点上的反应，速度最慢，其活性能决定整个代谢途径的总速度；＠常催化单向反应或非平衡反应，其活性能决定整个代谢途径的方向；＠酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂调节。改变关键酶活性是细胞水平代谢调节的基本方式，也是激素水平代谢调节和整体代谢调节的重要环节。表10-2列出一些重要代谢途径的关键酶。


生物化学与分子生物学 （一）葡萄糖可转变为脂肪酸  代谢途径关键调节酶糖酵解已糖激酶磷酸果糖激酶－l丙酮酸激酶 丙酮酸氧化脱狻丙酮酸脱氢酶复合体三狻酸循环异拧檬酸脱氢酶a－酮戊二酸脱氢酶复合体拧檬酸合酶糖原分解糖原磷酸化酶糖原合成糖原合酶糖异生丙酮酸狻化酶脂肪酸合成乙酰辅酶A狻化酶脂肪酸分解肉碱脂酰转移酶I胆固醇合成HMG-CoA还原酶代谢调节可按速度分为快速调节和迟缓调节。前者通过改变酶的分子结构改变酶活性，进而改变酶促反应速度，在数秒或数分钟内发挥调节作用。快速调节又分为别构调节和化学修饰调节（动画10-1"抑制关键酶活性的两种方式”)。迟缓调节通过改变酶蛋白分子的合成或降解速度改变细胞内酶的含量，进而改变酶促反应速度，一般需数小时甚至数天才能发挥调节作用。 （三）别构调节通过别构效应改变关键酶活性 1.别构调节是生物界普遍存在的代谢调节方式一些小分子化合物能与酶蛋白分子活性中心外的特定部位特异结合，改变酶蛋白分子构象、从而改变酶活性。别构调节在生物界普遍存在，表103是一些代谢途径中的别构酶及其别构效应剂。


生物化学与分子生物学 代谢途径别构酶别构激活剂别构抑制剂 糖酵解磷酸果糖激酶－1F-2,6-BP、AMP、ADP、F-1，拧檬酸、ATP丙酮酸激酶F-1,6-BP、ADP、AMP ATP、丙氨酸丙酮酸氧化脱狻丙酮酸脱氢酶复合体AMP、CoA、NAD+,ADP、AMP ATP、乙酰CoA、NADH三狻酸循环拧檬酸合酶乙酰CoA、草酰乙酸、ADP拧檬酸、NADH、ATPa－酮戊二酸脱氢酶复合体骁珀酰CoA、NADH糖原分解糖原磷酸化酶（肌）AMP ATP、G-6-P糖原磷酸化酶（肝）葡萄糖、F-1,6-BP、F-1-P糖异生丙酮酸狻化酶乙酰CoA AMP脂肪酸合成乙酰辅酶A狻化酶乙酰CoA、拧檬酸、异拧檬酸软脂酰CoA、长链脂酰CoA氨基酸代谢谷氨酸脱氢酶ADP、GDP ATP、GTP嗓呤合成PRPP酰胺转移酶PRPP IMP、AMP、GMP啥唗合成氨基甲酰磷酸合成酶II UMP2.别构效应剂通过改变酶分子构象改变酶活性别构效应剂能与别构酶的调节位点或调节亚基非共价键结合，引起酶活性中心构象变化，改变酶活性，从而调节代谢。别构效应的机制有两种。其一，酶的调节亚基含有一个“假底物”(pseudo substrate)序列，当其结合催化亚基的活性位点时能阻止底物的结合，抑制酶活性；当效应剂分子结合调节亚基后，“假底物”序列构象变化，释放催化亚基，使其发挥催化作用。cAMP激活cAMP依赖的蛋白激酶通过这种机制实现。其二，别构效应剂与调节亚基结合，能引起酶分子三级和（或）四级结构在“T”构象（紧密态、无活性／低活性）与“R”构象（松弛态、有活性／高活性）之间互变，从而影响酶活性。氧对脱氧血红蛋白构象变化的影响通过该机制实现。


生物化学与分子生物学 代谢途径别构酶别构激活剂别构抑制剂 3.别构调节使一种物质的代谢与相应的代谢需求和相关物质的代谢协调别构调节具有重要的生理意义。别构效应剂可能是酶的底物，也可能是酶促反应的终产物，或其他小分子代谢物。它们在细胞内浓度的改变能灵敏地反映相关代谢途径的强度和相应的代谢需求，并使关键酶构象改变影响酶活性，从而调节相应代谢的强度、方向，以协调相关代谢、满足相应代谢需求。代谢终产物堆积表明其代谢过强，超过了需求，常可使其代谢途径的关键酶受到别构抑制，即反馈抑制(feedback inh伽tion)，从而降低整个代谢途径的强度，避免产生超过需要的产物。如长链脂酰辅酶A可反馈抑制乙酰辅酶A狻化酶，使代谢物的生成不致过多。别构调节可使机体根据需求生产能址，避免生产过多造成浪费。如ATP可别构抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶及拧檬酸合酶，从而抑制糖酵解、有氧氧化及三狻酸循环，使ATP的生成不致过多，以免造成浪费。


生物化学与分子生物学 代谢途径别构酶别构激活剂别构抑制剂 一些代谢中间产物可别构调节相关的多条代谢途径的关键酶，使这些代谢途径之间能协调进行。如在能量供应充足时，葡糖－6－磷酸抑制肝糖原磷酸化酶，阻断糖原分解以抑制糖酵解及有氧氧化，避免ATP产生过多；同时葡糖－6－磷酸激活糖原合酶，使过剩的磷酸葡萄糖合成糖原储存。再如，三狻酸循环活跃时，异拧檬酸增多，ATP/ADP比例增加，ATP可别构抑制异拧檬酸脱氢酶、异拧檬酸别构激活乙酰辅酶A狻化酶，从而抑制三狻酸循环，增强脂肪酸合成。


生物化学与分子生物学 代谢途径别构酶别构激活剂别构抑制剂 （四）化学修饰调节通过酶促共价修饰调节酶活性1酶促共价修饰有多种形式酶蛋白肤链上某些氨基酸残基侧链可在另一酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而改变酶活性。酶的化学修饰主要有磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、腺昔化与去腺昔化及—SH与—S—S一互变等，其中磷酸化与去磷酸化最多见（表10-＼i门fi4)。酶蛋白分子中丝氨酸、苏氨酸及酪氨酸的经基是磷酸化修饰的位点，在蛋白激酶(pro tein kinase)催化下，由ATP提供磷酸基及能量完成磷酸化；去磷酸化是磷酸酶(phosphatase)催化的水解反应。酶的磷酸化与去磷酸化反应是不可逆的，分别由蛋白激酶及磷酸酶催化（图10-2)。


生物化学与分子生物学 酶化学修饰类型酶活性改变 糖原磷酸化酶磷酸化／去磷酸化激活／抑制磷酸化酶b激酶磷酸化／去磷酸化激活／抑制糖原合酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活丙酮酸脱氢酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活磷酸果糖激酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活丙酮酸脱氢酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活HMG-CoA还原酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活HMG-CoA还原酶激酶磷酸化／去磷酸化激活／抑制乙酰CoA狻化酶磷酸化／去磷酸化抑制／激活激素敏感性甘油三酷脂肪酶磷酸化／去磷酸化激活／抑制2.酶的化学修饰调节具有级联放大效应化学修饰调节具有如下特点：CD绝大多数受化学修饰调节的关键酶都具无活性（或低活性）和有活性（或高活性）两种形式，它们可分别在两种不同酶的催化下发生共价修饰，互相转变。催化互变的酶在体内受上游调节因素如激素控制。＠酶的化学修饰是另一酶催化的酶促反应，一分子催化酶可催化多个底物酶分子发生共价修饰，特异性强，有放大效应。＠磷酸化与去磷酸化是最常见的酶促化学修饰反应。酶的1分子亚基发生磷酸化常需要消耗l分子ATP，与合成酶蛋白所消耗的ATP要少得多，且作用迅速，又有放大效应，是调节酶活性经济有效的方式。＠催化共价修饰的酶自身也常受别构调节、化学修饰调节，并与激素调节偶联，形成由信号分子（激素等）、信号转导分子和效应分子（受化学修饰调节的关键酶）组成的级联反应，使细胞内酶活性调节更精细协调。通过级联酶促反应，形成级联放大效应，只需少量激素释放即可产生迅速而强大的生理效应，满足机体的需要。


生物化学与分子生物学 酶化学修饰类型酶活性改变 （五）通过改变细胞内酶含量调节酶活性除改变酶分子结构外，改变酶含量也能改变酶活性，是重要的代谢调节方式。酶含量调节通过改变其合成或（和）降解速率实现，消耗ATP较多，所需时间较长，通常要数小时甚至数日，属迟缓调节。1.诱导或阻遏酶蛋白编码基因表达调节酶含量酶的底物、产物、激素或药物可诱导或阻遏酶蛋白编码基因的表达。诱导剂或阻遏剂在酶蛋白生物合成的转录或翻译过程中发挥作用，影响转录较常见。体内也有一些酶，其浓度在任何时间、任何条件下基本不变，几乎恒定。这类酶称为组成（型）酶(constitutive enzyme)，如甘油醒－3－磷酸脱氢酶(glyceraldehyde3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)，常作为基因表达变化研究的内参照(internal control)。


生物化学与分子生物学 酶化学修饰类型酶活性改变 酶的诱导剂经常是底物或类似物，如蛋白质摄入增多时，氨基酸分解代谢加强，鸟昔酸循环底物增加，可诱导参与鸟昔酸循环的酶合成增加。鼠饲料中蛋白质含量从8％增加至70%，鼠肝精氨酸酶活性可增加2~3倍。酶的阻遏剂经常是代谢产物，如HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的关键酶，在肝内的合成可被胆固醇阻遏。但肠黏膜细胞中胆固醇的合成不受胆固醇的影响，摄取高胆固醇膳食，血胆固醇仍有升高的危险。很多药物和毒物可促进肝细胞微粒体单加氧酶（或混合功能氧化酶）或其他一些药物代谢酶的诱导合成，虽然能使一些毒物解毒，但也能使药物失活，产生耐药。酶的诱导和阻遏普遍存在千生物界，但高等动物和入体内，由千蛋白质合成变化与激素调节、细胞信号传递偶联在一起，形成复杂的基因表达调控网络，单纯的代谢物水平诱导或阻遏不如微生物体内重要。


生物化学与分子生物学 酶化学修饰类型酶活性改变 2.改变酶蛋白降解速度调节酶含量改变酶蛋白分子的降解速度是调节酶含量的重要途径。细胞内酶蛋白的降解与许多非酶蛋白质的降解一样，有两条途径。溶酶体(lysosome)蛋白水解酶可非特异降解酶蛋白质，酶蛋白质的特异性降解通过ATP依赖的泛素－蛋白酶体(proteasomes)途径完成。凡能改变或影响这两种蛋白质降解机制的因素均可主动调节酶蛋白的降解速度，进而调节酶含量。 二、激素通过特异性受体调节靶细胞的代谢 激素能与特定组织或细胞（即靶组织或靶细胞）的受体(receptor)特异结合，通过一系列细胞信号转导反应，引起代谢改变，发挥代谢调节作用。由于受体存在的细胞部位和特性不同，激素信号的转导途径和生物学效应也有所不同。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 膜受体是存在于细胞膜上的跨膜蛋白质，与膜受体特异结合发挥作用的激素包括胰岛素、生长激素、促性腺激素、促甲状腺激素、甲状旁腺素、生长因子等蛋白质、肤类激素，及肾上腺素等儿茶酚胺类激素。这些激素亲水，不能透过脂双层构成的细胞膜，而是作为第一信使分子与相应的靶细胞膜受体结合后，通过跨膜传递将所携带的信息传递到细胞内，由第二信使将信号逐级放大，产生代谢调节效应。（二）胞内受体激素通过激素－胞内受体复合物改变基因表达、调节代谢胞内受体激素包括类固醇激素、甲状腺素、1,25(OH)2－维生素趴及视黄酸等，为疏水激素，可透过脂双层的细胞质膜进入细胞，与相应的胞内受体结合。大多数胞内受体位于细胞核内，与相应激素特异结合形成激素受体复合物后，作用千DNA的特定序列即激素反应元件(hormon e response elemen t, HRE)，改变相应基因的转录，促进（或阻遏）蛋白质或酶的合成，调节细胞内酶含量，从而调节细胞代谢。存在于细胞质的胞内受体与激素结合后，形成的激素受体复合物进入核内，同样作用于激素反应元件，通过改变相应基因的表达发挥代谢调节作用。三、机体通过神经系统及神经－体液途径协调整体的代谢高等动物包括人的各组织器官高度分化，具有各自的功能和代谢特点。维持机体的正常功能、适应机体各种内外环境的改变，不仅需要在各组织器官的细胞内各种物质代谢彼此协调，在细胞水平上保持代谢平衡，还必须协调各组织器官之间的各种物质代谢。这就需要在神经系统主导下，调节激素释放，并通过激素整合不同组织器官的各种代谢，实现整体调节，以适应饱食、空腹、饥饿、营养过剩、应激等状态，维待整体代谢平衡。\”所ii（一）饱食状态下机体三大物质代谢与膳食组成有关通常情况下，人体摄入的膳食为混合膳食，经消化吸收后的主要营养物质以葡萄糖、氨基酸和CM形式进入血液，体内胰岛素水平中度升高。饱食状态下机体主要分解葡萄糖，为机体各组织器官供能。未被分解的葡萄糖，部分在胰岛素作用下，在肝合成肝糖原、在骨骼肌合成肌糖原贮存；部分在肝内转换为丙酮酸、乙酰辅酶A，合成甘油三酷，以VLDL形式输送至脂肪等组织。吸收的葡萄糖超过机体糖原贮存能力时，主要在肝大量转化成甘油三酷，由VLDL运输至脂肪组织贮存。吸收的甘油三酷部分经肝转换成内源性甘油三酷，大部分输送到脂肪组织、骨骼肌等转换、储存或利用。（动画10-2＂饱食状态下重要组织器官代谢路径”)入体摄入高糖膳食后，特别是总热量的摄入又较高时，体内胰岛素水平明显升高，胰高血糖素降低。在胰岛素作用下，小肠吸收的葡萄糖部分在骨骼肌合成肌糖原、在肝合成肝糖原和甘油三酷，后者输送至脂肪等组织储存；大部分葡萄糖直接被输送到脂肪组织、骨骼肌、脑等组织转换成甘油三酷等非糖物质储存或利用。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 进食高蛋白膳食后，体内胰岛素水平中度升高，胰高血糖素水平升高。在两者协同作用下，肝糖原分解补充血糖、供应脑组织等。由小肠吸收的氨基酸主要在肝通过丙酮酸异生为葡萄糖，供应脑组织及其他肝外组织；部分氨基酸转化为乙酰辅酶A，合成甘油三酷，供应脂肪组织等肝外组织国；还有部分氨基酸直接输送到骨骼肌。进食高脂膳食后，体内胰岛素水平降低，胰高血糖素水平升高。在胰高血糖素作用下，肝糖原分解补充血糖、供给脑组织等。肌组织氨基酸分解，转化为丙酮酸，输送至肝异生为葡萄糖，供应血糖及肝外组织。由小肠吸收的甘油三酷主要输送到脂肪、肌组织等。脂肪组织在接受吸收的甘油三酷同时，也部分分解脂肪成脂肪酸，输送到其他组织。肝氧化脂肪酸，产生酮体，供应脑等肝外组织。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 （二）空腹机体代谢以糖原分解、糖异生和中度脂肪动员为特征空腹通常指餐后12小时以后。此时体内胰岛素水平降低，胰高血糖素升高。事实上，在胰高血糖素作用下，餐后6~8小时肝糖原即开始分解补充血糖，主要供给脑，兼顾其他组织需要。餐后l2~18小时，尽管肝糖原分解仍可持续进行，但由千肝糖原即将耗尽，能用千分解的糖原已经很少，所以肝糖原分解水平较低，主要靠糖异生补充血糖。同时，脂肪动员中度增加，释放脂肪酸供应肝、肌等组织利用。肝氧化脂肪酸，产生酮体，主要供应肌组织。骨骼肌在接受脂肪组织输出的脂肪酸同时，部分氨基酸分解，补充肝糖异生的原料。（动画10-3“空腹状态下重要组织器官代谢路径”)（三）饥饿时机体主要氧化分解脂肪供能1.短期饥饿后糖氧化供能减少而脂肪动员加强短期饥饿通常指l~3天未进食。由于进食18小时后肝糖原基本耗尽，短期饥饿使血糖趋于降低，血中甘油和游离脂肪酸明显增加，氨基酸增加；胰岛素分泌极少，胰高血糖素分泌增加（动画10-4"饥饿l~3天重要组织器官代谢路径＂）。机体的代谢呈现如下特点。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 (1)机体从葡萄糖氧化供能为主转变为脂肪氧化供能为主：除脑组织细胞和红细胞仍主要利用糖异生产生的葡萄糖，其他大多组织细胞减少对葡萄糖的摄取利用，对脂肪动员释放的脂肪酸及脂肪酸分解的中间代谢物－酮体摄取利用增加，脂肪酸和酮体成为机体的基本能源。(2)脂肪动员加强且肝酮体生成增多：糖原耗尽后，脂肪是最早被动员的能量储存物质，被水解动员，释放脂肪酸。脂肪酸可在肝内氧化，其中脂肪动员释放的脂肪酸约25%在肝氧化生成酮体。短期饥饿时，脂肪酸和酮体成为心肌、骨骼肌和肾皮质的重要供能物质，部分酮体可被大脑利用包。(3)肝糖异生作用明显增强：饥饿使体内糖异生作用增加，以饥饿16~36小时增加最多，糖异生生成的葡萄糖约为150g/d，主要来自氨基酸，部分来自乳酸及甘油。肝是饥饿初期糖异生的主要场所，小部分在肾皮质。(4)骨骼肌蛋白质分解加强：蛋白质分解增强略迟于脂肪动员加强。蛋白质分解加强，释放入血的氨基酸增加。骨骼肌蛋白质分解的氨基酸大部分转变为丙氨酸和谷氨酰胺释放入血。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 2长期饥饿可造成器官损害甚至危及生命长期饥饿指未进食3天以上，通常在饥饿4~7天后，机体就发生与短期饥饿不同的改变。(1)脂肪动员进一步加强：释放的脂肪酸在肝内氧化生成大量酮体。脑利用酮体增加，超过葡萄糖，占总耗氧量的60%。脂肪酸成为肌组织的主要能源，以保证酮体优先供应脑。(2)蛋白质分解减少：机体储存的蛋白质大量被消耗，继续分解就只能分解结构蛋白质，这将危及生命。所以机体蛋白质分解下降，释出氨基酸减少，负氮平衡有所改善。(3)糖异生明显减少：与短期饥饿相比，机体糖异生作用明显减少。乳酸和甘油成为肝糖异生的主要原料。饥饿晚期肾糖异生作用明显增强，每天生成约40g葡萄糖，占饥饿晚期糖异生总量一半，几乎与肝相等。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 按理论计算，正常人脂肪储备可维持饥饿长达3个月的基本能量需要。但由于长期饥饿使脂肪动员加强，大量产生酮体，可导致酸中毒。加之蛋白质的分解，缺乏维生素、微量元素和蛋白质的补充等，长期饥饿可造成器官损害甚至危及生命。（四）应激使机体分解代谢加强应激(stress)是机体或细胞为应对内、外环境刺激作出一系列非特异性反应。这些刺激包括中毒、感染、发热、创伤、疼痛、大剂量运动或恐惧等。应激反应可以是＂一过性”的，也可以是持续性的。应激状态下，交感神经兴奋，肾上腺髓质、皮质激素分泌增多，血浆胰高血糖素、生长激素水平增加，而胰岛素分泌减少，引起一系列代谢改变。1.应激使血糖升高应激状态下肾上腺素、胰高血糖素分泌增加，激活糖原磷酸化酶，促进肝糖原分解。同时，肾上腺皮质激素、胰高血糖素又可使糖异生加强；肾上腺皮质激素、生长激素使外周组织对糖的利用降低。这些激素的分泌改变均可使血糖升高，对保证大脑、红细胞的供能有重要意义。


生物化学与分子生物学 （一）膜受体激素通过跨膜信号转导调节代谢 2.应激使脂肪动员增强血浆游离脂肪酸升高，成为心肌、骨骼肌及肾脏等组织主要能量来源。3.应激使蛋白质分解加强骨骼肌释出丙氨酸等增加，氨基酸分解增强，尿素生成及尿氮排出增加，机体呈负氮平衡。总之，应激时糖、脂质、蛋白质／氨基酸分解代谢增强，合成代谢受到抑制，血中分解代谢中间产物，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、乳酸、尿素等含量增加（表10-5)。


生物化学与分子生物学 218第二篇物质代谢及其调节（五）肥胖是多因素引起代谢失衡的结果 1.肥胖是多种重大慢性疾病的危险因素肥胖人群动脉粥样硬化、冠心病、卒中、糖尿病、高血压等疾病的风险显著高于正常人群，是这些疾病的主要危险因素之一。不仅如此，肥胖还与痴呆、脂肪肝病、呼吸道疾病和某些肿瘤的发生相关。代谢综合征(metabolic syndrome)是指一组以肥胖、高血糖（糖调节受损或糖尿病）、高血压以及血脂异常［高TG（甘油三酣）血症和（或）低HDL-C（高密度脂蛋白胆固醇）血症］集结发病的临床综合征，特点是机体代谢上相互关联的危险因素在同一个体的组合。其表现为体脂（尤其是腹部脂肪）过剩、高血压、胰岛素耐受、血浆胆固醇水平升高以及血浆脂蛋白异常等。这些危险因素的聚集，会大幅度增加心脏病、卒中和糖尿病等的发病风险。


生物化学与分子生物学 218第二篇物质代谢及其调节（五）肥胖是多因素引起代谢失衡的结果 2较长时间的能量摄入大千消耗导致肥胖过剩能量以脂肪形式储存是肥胖的基本原因，它源千神经内分泌改变引起的异常摄食行为和运动减少，涉及遗传、环境、膳食、运动等多种因素及复杂的分子机制。正常情况下，当能量摄入大于消耗、机体将过剩的能量以脂肪形式储存于脂肪细胞过多时，脂肪组织就会产生反馈信号作用于摄食中枢，调节摄食行为和能量代谢，不会产生持续性的能噩摄入大千消耗。一旦这个神经内分泌机制失调，就会引起摄食行为、物质和能量代谢障碍，导致肥胖。


生物化学与分子生物学 218第二篇物质代谢及其调节（五）肥胖是多因素引起代谢失衡的结果 (l)抑制食欲的激素功能障碍引起肥胖：食欲受一些激素调节。脂肪组织体积增加刺激瘦蛋白(leptin)分泌，通过血液循环输送至下丘脑弓状核，与瘦蛋白受体结合，抑制食欲和脂肪合成，同时刺激脂肪酸氧化，增加耗能，减少储脂。瘦蛋白还能增加线粒体解偶联蛋白表达，使氧化与磷酸化解偶联，增加产热。此外，瘦蛋白还有间接降低基础代谢率，影响性器官发育及生殖等作用。胆艇收缩素(cholecystok inin, CCK)是小肠上段细胞在进食时分泌的肤类激素，可引起饱胀感，从而抑制食欲。能抑制食欲的激素还有a－促黑（细胞激）素(a-melanocyte-stimulating hormone, a-MSH)等。抑制食欲激素的功能障碍都可能引起肥胖。


生物化学与分子生物学 218第二篇物质代谢及其调节（五）肥胖是多因素引起代谢失衡的结果 (2)刺激食欲的激素功能异常增强引起肥胖：胃黏膜细胞分泌的生长激素释放肤，通过血液循环运送至脑垂体，与其受体结合，促进生长激素的分泌。在食欲调节方面，它能作用千下丘脑神经元，增强食欲。能增强食欲的激素还有神经肤Y(neuropeptide Y, NPY)。增强食欲激素功能异常增强，导致肥胖。如Prader-W汕综合征病人血生长激素释放肤极度升高，引起不可控制的强烈食欲，导致极度肥胖。


生物化学与分子生物学 218第二篇物质代谢及其调节（五）肥胖是多因素引起代谢失衡的结果 总之，肥胖源于代谢失衡，它一旦形成，又反过来加重代谢紊乱，导致脂蛋白异常血症、冠心病、卒中等严重后果。如在肥胖形成期，靶细胞对胰岛素敏感，血糖降低，耐糖能力正常。在肥胖稳定期则表现出高胰岛素血症，组织对胰岛素抵抗，耐糖能力降低，血糖正常或升高。越肥胖或胰岛素抵抗，血糖浓度越高，糖代谢的紊乱程度越重。同时还引起脂代谢异常，表现为血浆总胆固醇及低密度脂蛋白－胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C)升高、高密度脂蛋白胆固醇(high-density lipoprotein cholesterol, HDL-C)降低、甘油三酕升高等。 第三节体内重要组织和器官的代谢特点 满足机体各组织、器官基本细胞功能需要的代谢基本相同，但入体各组织、器官高度分化，功能各异，这些组织、器官的代谢具有各自的特点包。在这些组织、器官的细胞中形成了特定的酶谱，即不同的酶系种类和含量，使这些组织、器官除了具有一般的基本代谢外，还具有特点鲜明的代谢途径，以适应相应的功能需要（表10-6)。


生物化学与分子生物学 器官或 主要代谢途径主要代谢物主要代谢产物特定的酶主要功能肝糖异生、脂肪酸住乳酸、甘油、氨基葡萄糖、VLDL、葡糖激酶、葡糖－6－磷物质代谢氧化、脂肪合成、酮酸、脂肪酸、葡萄糖HDL、酮体酸酶、甘油激酶、磷酸的枢纽体合成、糖有氧氧化烯醇式丙酮酸狻激酶脑糖有氧氧化、糖酵葡萄糖、氨基酸、乳酸、CO心比O神经中枢解、氨基酸代谢酮体心肌有氧氧化乳酸、脂肪酸、酮co心H20脂蛋白脂肪酶泵出血液体、葡萄糖骨骼肌糖酵解、有氧氧化葡萄糖、脂肪酸、乳酸、CO心H20脂蛋白脂肪酶肌肉收缩酮体脂肪组织酣化脂肪酸、脂肪动VLDL、CM游离脂肪酸、甘油脂蛋白脂肪酶、激素储存脂肪员、合成脂肪敏感性脂肪酶糖异生、糖酵解脂肪酸、葡萄糖、乳葡萄糖甘油激酶、磷酸烯醇泌尿酸、甘油式丙酮酸狻激酶肝是人体代谢的中枢器官，在糖、脂质、蛋白质代谢中均具有重要的特殊作用。脂肪组织的重要功能是将能量以脂肪形式储存，所以脂肪组织含有脂蛋白脂肪酶及特有的激素敏感甘油三酷脂肪酶，既能将血液循环中的脂肪水解，用千合成脂肪细胞内的脂肪而储存；也能在机体需要时进行脂肪动员，释放脂肪酸供其他组织利用（图10-3)。


生物化学与分子生物学 肠氨基酸葡萄糖脂肪肌组织淋巴管220第二筒物质代谢及其调节一、肝是人体物质代谢中心和枢纽 肝具有特殊的组织结构和组织化学构成，是机体物质代谢的枢纽，是人体的中心生化工厂。在糖、脂质、蛋白质、水、无机盐和维生素代谢中均具有独特而重要的作用（见第十九章）。肝的耗氧量占全身耗氧量的20%，可以消耗葡萄糖、脂肪酸、甘油和氨基酸等以供能，但不能利用酮体。肝合成和储存糖原可达肝重的5%，约75~l00g，而肌糖原仅占肌重的1%。肝还具有糖异生、酮体生成等独特的代谢方式。肝虽可大量合成脂肪，但不能储存脂肪，肝细胞合成的脂肪随即合成VLDL释放入血。 二、脑主要利用葡萄糖供能且耗氧量大（一）葡萄糖和酮体是脑的主要能量物质 脑没有糖原，也没有作为能量储存的脂肪及蛋白质用于分解代谢，葡萄糖是脑主要的供能物质，每天消耗葡萄糖约100g，主要由血糖供应。脑组织具有很高的已糖激酶活性，即使在血糖水平较低时也能有效利用葡萄糖。长期饥饿血糖供应不足时，脑主要利用由肝生成的酮体供能。饥饿3~4天时，脑每天耗用约50g酮体。饥饿2周后，脑每天消耗的酮体可达100g。


生物化学与分子生物学 （二）脑耗氧量高达全身耗氧总量的四分之一 脑功能复杂，活动频繁，能量消耗多且连续，是人体静息状态下消耗氧很大的器官。人脑重量仅占体重2%，但其耗氧量占静息时全身耗氧总量的20%～25%，是静息状态下单位重量组织耗氧量最大的器官。 （三）脑具有特异的氨基酸及其代谢调节机制 血液与脑组织之间可迅速进行氨基酸交换，但氨基酸在脑内富集量有限。脑中游离氨基酸大约75％为天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、N－乙酰天冬氨酸和'Y-氨基丁酸，以谷氨酸含量最多。脑通过特异的氨基酸及其代谢调节机制，维持脑内特有游离氨基酸含量谱。脑中氨基酸脱氨基作用主要由腺背脱氨酶催化。氨基酸的氨基经氨基移换作用生成谷氨酸、天冬氨酸，再转移生成腺昔酸，最后由ADA催化脱去氨基，生成氨。


生物化学与分子生物学 三、心肌可利用多种能源物质 （一）心肌可利用多种营养物质及其代谢中间产物为能源心肌细胞含有多种硫激酶(th iokinase)，可催化不同长度碳链脂肪酸转变成脂酰辅酶A，所以心肌优先利用脂肪酸氧化分解供能。心肌细胞含有丰富的酮体利用酶，也能彻底氧化脂肪酸分解的中间产物－酮体供能。正是由于心肌细胞优先利用脂肪酸，使其分解产生大量乙酰辅酶A，强烈抑制酵解途径的调节酶－磷酸果糖激酶－l，继而抑制葡萄糖酵解。心肌细胞既富含细胞色素及线粒体，也富含LDHl，有利千乳酸氧化供能。所以，心肌主要通过有氧氧化脂肪酸、酮体和乳酸获得能量，极少进行糖酵解。心肌从血液摄取各种营养物有一定域值限制，血液营养物水平超过域值越高，摄取越多。因此，心肌在饱食状态下不排斥利用葡萄糖，餐后数小时或饥饿时利用脂肪酸和酮体，运动中或运动后则利用乳酸。


生物化学与分子生物学 三、心肌可利用多种能源物质 （二）心肌细胞分解营养物质供能方式以有氧氧化为主心肌细胞富含肌红蛋白、细胞色素及线粒体，前者能储氧，以保证心肌有节律、持续舒缩运动所需氧的供应；后两者利于利用氧进行有氧氧化，所以心肌分解代谢以有氧氧化为主。即使氧消耗增加，如运动加剧，也极少发生“负氧债"(oxygen deb t repayment)。心肌富含乳酸脱氢酶，以LDHl为主，与乳酸亲和力强，能催化乳酸氧化成丙酮酸，后者可狻化为@;14草酰乙酸，有利于有氧氧化。 第十章代谢的整合与调节四、骨骼肌以肌糖原和脂肪酸为主要能量来源（一）不同类型骨骼肌产能方式不同 不同类型骨骼肌具有的糖酵解、氧化磷酸化能力不同。红肌（如长骨肌）耗能多，富含肌红蛋白及细胞色素体系，具有较强氧化磷酸化能力，适合通过氧化磷酸化获能。白肌（如胸肌）则相反，耗能少主要靠酵解供能。


生物化学与分子生物学 （二）骨骼肌适应不同耗能状态选择不同能源 骨骼肌收缩所需能量的直接来源是ATP，但其ATP含量有限，不足以维持持续、剧烈的收缩活动。短暂的骨骼肌收缩活动后，储存于肌内的高能物质－—－磷酸肌酸在肌酸激酶催化下开始分解，将能量和～P转移给ADP，生成ATP。骨骼肌有一定糖原储备，静息状态下肌组织获取能量通常以有氧氧化肌糖原、脂肪酸、酮体为主；剧烈运动时糖无氧氧化供能大大增加。肌糖原分解不能直接补充血糖，乳酸循环是整合糖异生与肌糖酵解途径的重要机制。 五、脂肪组织是储存和动员甘油三酷的重要组织 （一）机体将从膳食中摄取的能量主要储存于脂肪组织机体从膳食摄取的能量物质主要是脂肪和糖。生理情况下，餐后吸收的脂肪和糖除部分氧化供能外，其余部分主要以脂肪形式储存于脂肪组织，供饥饿时利用。膳食脂肪以乳糜微粒形式运输至脂肪组织，在脂蛋白脂肪酶作用下被水解摄取，用于合成脂肪细胞内脂肪储存。膳食糖主要运输至肝转化成脂肪，以VLDL形式运输至脂肪组织，同样在LPL作用下被水解摄取，合成脂肪储存于脂肪细胞。脂肪细胞也能将糖转化为脂肪储存。一些氨基酸也能转化为脂肪。


生物化学与分子生物学 五、脂肪组织是储存和动员甘油三酷的重要组织 （二）饥饿时主要靠分解储存千脂肪组织的脂肪供能饥饿时抗脂解激素胰岛素水平降低、脂解激素胰高血糖素等分泌增强，激活激素敏感性脂肪酶，将储存于脂肪组织的能量以脂肪酸和甘油的形式释放入血，经血循环运输至机体其他组织，作为能源利用。肝还能将脂肪酸分解为酮体，经血液运输至肝外组织利用。所以，饥饿时血中游离脂肪酸水平升高，酮体水平也随之升高。 六、肾可进行糖异生和酮体生成 肾是可进行糖异生和生成酮体两种代谢的器官。肾髓质无线粒体，主要靠糖酵解供能；肾皮质主要靠脂肪酸及酮体有氧氧化供能。一般情况下，肾糖异生产生的葡萄糖较少，只有肝糖异生葡萄糖量的10%。但长期饥饿(5~6周）后，肾糖异生的葡萄糖大量增加，可达每天40g，与肝糖异生的量几乎相等。代谢是生命活动的物质基础。代谢分为分解代谢和合成代谢，由许多代谢途径组成。有些不同的代谢途径会分享某些共同的酶促化学反应，所以，各种代谢途径相互联系、相互作用、相互协调和相互制约，形成一个网状的整体。体内代谢的物质均组成为各自共同的代谢池。体内各种营养物质的代谢总是处于一种动态的平衡之中。


生物化学与分子生物学 六、肾可进行糖异生和酮体生成 细胞内多种物质的代谢同时进行，需要彼此间相互协调；高等动物包括人的各组织器官高度分化、具有各自的功能和代谢特点，各组织器官之间的各种物质的代谢也需要彼此协调，才能维持细胞、机体的正常功能、适应机体各种内外环境的改变。所以，机体内的各种物质的代谢虽然各不相同，但它们通过共同的中间代谢物、三狻酸循环和生物氧化等形成彼此相互联系、相互转变、相互依存的统一的整体。糖、脂肪、蛋白质等营养物质在供应能量上可互相代替，并互相制约，但不能完全互相转变，因为有些代谢反应是不可逆的。


生物化学与分子生物学 222第二篇物质代谢及其调节 机体为了适应各种内外环境的变化，需要对各种物质代谢的方向、速率和流量进行精细调节，使各种物质的代谢井然有序，相互协调进行，以顺利完成各种生命活动。高等生物形成了三级代谢调节。代谢的细胞水平调节主要通过改变关键酶活性实现。其中，通过改变酶分子结构调节关键酶活性见效快，方式包括别构调节和化学修饰调节。化学修饰调节以磷酸化为主；化学修饰调节具有放大效应。别构调节与化学修饰调节相辅相成。酶含量调节通过改变其合成或（和）降解速率实现，作用缓慢但持久。激素水平代谢调节是激素通过与靶细胞受体特异结合及后续的一系列细胞信号转导反应，最终引起代谢改变。在神经系统主导下，机体通过调节激素释放，整合不同组织细胞内代谢途径，实现整体调节，以适应饱食、空腹、饥饿、营养过剩、应激等状态，维持整体代谢平衡。各组织、器官除基本代谢外，具有某些特点酶系的表达，因此各组织、器官在能量代谢上各有其主导的和独特的代谢方式。


生物化学与分子生物学 1.哪些化合物是糖、脂质、氨基酸代谢的枢纽物质？的存活？（孙军）人夕第三篇遗传信息的传递 本篇讨论遗传信息的传递及其调节过程，包括真核基因与基因组，DNA、RNA和蛋白质的合成，DNA损伤和损伤修复基因表达调控和细胞信号转导的分子机制，共七章。不同生物的基因及基因组的大小和复杂程度各不相同，但生物体内的遗传信息传递均遵循中心法则。DNA以半保留复制的方式将亲代细胞的遗传信息高度忠实地传递给子代；DNA序列中的遗传信息以合成RNA的方式被“转录”出来，其中携带蛋白质一级结构信息的信使RNA(mRNA)通过“翻译“过程合成蛋白质。DNA、RNA、蛋白质的合成过程均由细胞内复杂的大分子复合体负责完成。本篇对于这些过程的叙述主要包括：基本规律和特点；模板、酶及其他因子；何处如何起始；链的延长方向和机制；何处如何终止；以及合成后的加工修饰等。DNA的合成是通过精密的机制控制的基因组复制过程，是一个生命体内全部遗传信息的忠实复制和传递，是细胞增殖和个体延续（繁衍）的基础。生命体的全部遗传信息都贮存于基因组中，基因组的复杂结构不仅有利千遗传信息的贮存，也是控制遗传信息复制、传递和表达的基础。


生物化学与分子生物学 1.哪些化合物是糖、脂质、氨基酸代谢的枢纽物质？的存活？（孙军）人夕第三篇遗传信息的传递 生物体内虽有精细的体系保证DNA复制过程的正确性，但在复制过程中和复制结束后，DNA仍会由于多种因素的影响而发生结构变化（即损伤和变异），细胞的DNA损伤修复系统则可修复这些损伤，将结构变异控制在最低的程度。RNA和蛋白质的生物合成是遗传信息表达的过程，被称为基因表达。对千RNA编码基因而言，转录过程即为基因表达；而蛋白质编码基因的表达则包括转录和翻译两个过程。基因表达在体内（细胞内）受到精确调控。细胞内有多种蛋白质和RNA参与基因表达过程的调控，蛋白质与DN八蛋白质与RNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用是这些调控的结构基础。基因表达的调控可发生在染色质结构调整、转录起始、转录后加工、翻译起始、翻译后加工等多个层次、多个环节。基因表达调控也是细胞对微环境产生应答的一个重要方面。细胞所处微环境中的信号分子可结合特异性受体将信号传入细胞内。一系列细胞内信号转导分子有序相互作用，构成了信号转导通路。除控制细胞运动、调节细胞代谢外，各信号转导通路可激活不同的转录因子，调控不同的基因表达。


生物化学与分子生物学 1.哪些化合物是糖、脂质、氨基酸代谢的枢纽物质？的存活？（孙军）人夕第三篇遗传信息的传递 在学习本篇内容时，要重视对名词概念的理解，理解基因信息传递各过程的基本规律和特点；把握起始、延长和终止过程中大分子复合体的动态变化；认识信息传递的复杂性和网络特点。本篇的各章内容之间有着密切关联，因此学习时要善于对比联系。此外，细胞信号转导不仅是调控基因表达的重要机制，也是调节细胞代谢的重要机制，需要与第二篇的内容联系起来融会贯通。 （高国全）第十一章真核基因与基因组 随着人们对遗传学和基因组学复杂性的深入了解，似乎越来越难以对基因做一个精确的定义。简而言之，基因(gene)是能够编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负载遗传信息的基本单位。除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列，其包括编码序列（外显子）和单个编码序列间的间隔序列（内含子）。


生物化学与分子生物学 （高国全）第十一章真核基因与基因组 基因组(genome)是指一个生物体内所有遗传信息的总和。1920年德国科学家Winkles H首先使用基因组一词来描述生物的全部基因和染色体。基因组(GENOME)从“基因(GENe)”和＂染色体(chromosOME)”两个词组合而成。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质。不同生物的基因及基因组的大小和复杂程度各不相同，所贮存的遗传信息量有着巨大的差别，其结构与组织形式上也各有特点。原核生物的基因组结构相对简单，其结构特点如下：心通常仅由一条环状双链DNA组成；＠基因组中只有一个复制起点，具有操纵子结构（见第十六章）；＠基因通常是连续的，没有内含子；＠基因组中重复序列很少，编码蛋白质的结构基因多为单拷贝基因；＠基因组中具有多种功能的识别区域，如复制起始区、复制终止区、转录启动区和终止区等；＠基因组中存在可移动的DNA序列，包括插入序列和转座子等。真核生物基因组较复杂，其结构基因的数量远多于原核生物基因组中的数量，但编码区在基因组中所占的比例远小于原核生物基因组中的比例。本章重点讨论真核基因与基因组的结构和功能。


生物化学与分子生物学 第一节真核基因的结构与功能 DNA是基因的物质基础，基因的功能实际上是DNA的功能。基因的功能包括：心利用4种碱基的不同排列荷载遗传信息；＠通过复制将所有的遗传信息稳定、忠实地遗传给子代细胞，在这一过程中，体内外环境均可导致随机发生的基因突变，这些突变是生物进化的基础；＠作为基因表达(gene expression)的模板，使其所携带的遗传信息通过各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成而表现出来。基因的功能通过两个相关部分信息而完成：一是可以在细胞内表达为蛋白质或功能RNA的编码区(coding region)序列；二是为表达这些基因（即合成RNA)所需要的启动子(promoter)、增强子(enhancer)等调控区(regulatory region)序列。单个基因的组成结构及一个完整的生物体内基因的组织排列方式统称为基因组构(gene organization)。


生物化学与分子生物学 —、真核基因的基本结构 基因的基本结构包含编码蛋白质或RNA的编码序列(coding sequen ce)及相关的非编码序列，后者包括单个编码序列间的间隔序列以及转录起始点后的基因5'－端非翻译区、3'－端非翻译区。与原核生物相比较，真核基因结构最突出的特点是其不连续性，被称为断裂基因(split gene)或割裂基因(interrupted gene)。如图11-1所示，如果将成熟的mRNA分子序列与其基因序列（即DNA序列）比较，可以发现并不是全部的基因序列都保留在成熟的mRNA分子中，有一些区段经过剪接(splicing)被去除。在基外显子（编码序列）上游下游增强子上游/I\＼终止密码下游启动子『；始密码二二l＼聚A信号mR NA结构亡］亡］


生物化学与分子生物学 —、真核基因的基本结构 因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列称为外显子(exon)；位千外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列则称为内含子(intron)。每个基因的内含子数目比外显子要少l个。内含子和外显子同时出现在最初合成的mRNA前体中，在合成后被剪接加工为成熟mRNA（见第十四章）。如全长为7.7kb的鸡卵清蛋白基因有8个外显子和7个内含子，最初合成的mRNA前体与相应的基因是等长的，内含子序列被切除后的成熟mRNA分子的长度仅为1.2kb。不同的基因中外显子的数蜇不同，少则数个，多则数十个。外显子的数量是描述基因结构的重要特征之一。


生物化学与分子生物学 —、真核基因的基本结构 原核细胞的基因基本没有内含子。高等真核生物绝大部分编码蛋白质的基因都有内含子，但组蛋白编码基因例外。此外，编码rRNA和一些tRNA的基因也都有内含子。内含子的数量和大小在很大程度上决定了高等真核生物基因的大小。低等真核生物的内含子分布差别很大，有的酵母的结构基因较少有内含子，有的则较常见。在不同种属中，外显子序列通常比较保守，而内含子序列则变异较大。外显子与内含子接头处有一段高度保守的序列，即内含子5'－末端大多数以GT开始，3＇－末端大多数以AG结束，这一共有序列(co nsensus sequence)是真核基因中RNA剪接的识别信号。为方便叙述基因编码序列和其调节序列的关系，人们约定将一个基因的5'－端称之为上游，3＇－端称为下游；为标定DNA信息的具体位置，将基因序列中开始RNA链合成的第一个核背酸所对应的碱基记为＋1，在此碱基上游的序列记为负数，向5'－端依次为－l、－2等；在此碱基下游的序列记为正数，向3'－端依次为＋2、＋3等。零不用千标记碱基位置。


生物化学与分子生物学 二、基因编码区编码多肤链和特定的RNA分子 基因编码区中的DNA碱基序列决定一个特定的成熟RNA分子的序列，换言之，DNA的一级结构决定着其转录产物RNA分子的一级结构。有的基因仅编码一些有特定功能的RNA，如rRNA、tRNA及其他小分子RNA等；而大多数基因则通过mRNA进一步编码蛋白质多肤链。无论是编码RNA还是编码蛋白质，基本原则是基因的编码序列决定了其编码产物的序列和功能。因此，编码序列中一个碱基的改变或突变，都有可能使基因功能发生重要的变化。这些变化可能是原有功能的丧失，或是新功能的获得。当然，也有的碱基突变不会影响编码产物的序列或功能。需要指出的是，有些相同的DNA序列由千其起始位点的变化或mRNA不同的剪接产物可以编码不同的蛋白质多肤链。


生物化学与分子生物学 三、调控序列参与真核基因表达调控 位千基因转录区前后并与其紧邻的DNA序列通常是基因的调控区，又称为旁侧序列(flanking se--;,吓quence)。真核基因的调控序列远较原核生物复杂，迄今了解仍很有限。这些调控序列又被称为顺式作用元件(cis-acting el ement)，包括启动子、上游调控元件、增强子、绝缘子、加尾信号和一些细胞信号反应元件等（图11-2)。上游启动子元件修饰点（人，+I}剪接加尾1启动子提供转录起始信号启动子是DNA分子上能够介导RNA聚合酶结合并形成转录起始复合体的序列。大部分真核基因的启动子位于基因转录起点的上游，启动子本身通常不被转录；但有一些启动子（如编码tRNA基因的启动子）的DNA序列可以位千转录起始点的下游，这些DNA序列可以被转录。真核生物主要有3类启动子（图11-3)，分别对应于细胞内存在的三种不同的RNA聚合酶和相关蛋白质（见第十四章）。L二二二二二二二二二：：：二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二』I•... 二厂 ！I


生物化学与分子生物学 二厂 图11-3真核基因三类启动子UPE：上游启动子元件(upstream promoter element); Core element：核心元件；Im：起始元件(initiator element); DPE：下游启动子元件(downstream promoter element); Oct：八聚体霖核背酸结合序列(8-base-pair binding sequence); PSE:近侧序列元件(proximal(1)I类启动子富含GC碱基对：具有I类启动子的基因主要是编码rRNA的基因。I类启动子包括核心启动子(core promoter)和上游启动子元件(upstream promoter element, UPE)两部分，能增强转录的起始。两部分序列都富含GC碱基对。


生物化学与分子生物学 二厂 (2)II类启动子具有TATA盒特征结构：具有II类启动子的基因主要是能转录出mRNA且编码蛋白质的基因和一些snRNA基因。Il类启动子通常是由TATA盒(TATA box)、上游调控元件如增强子和起始元件(i nitiator element, Inr)组成。TATA盒的核心序列是TATA(A/T)A(A/T)，决定着RNA合成的起始位点。有的Il类启动子在TATA盒的上游还可存在CAAT盒、GC盒等特征序列，共同组成启动子。4绝缘子阻碍增强子的作用绝缘子(insulator)是基因组上对转录调控起重要作用的一种元件，可以阻碍增强子对启动子的作用，或者保护基因不受附近染色质环境（如异染色质）的影响。特异的转录因子如酵母RAPI蛋白和脊椎动物细胞中CTCF(CCCTC-binding factor)蛋白结合于绝缘子而发挥调控作用。绝缘子阻碍增强子对启动子的作用可能通过影响染色质的三维结构如DNA发生弯曲或形成环状结构。


生物化学与分子生物学 第二节真核基因组的结构与功能 病毒、原核生物以及真核生物所贮存的遗传信息量有着巨大的差别，其基因组的结构与组织形式上也各有特点，包括基因组中基因的组织排列方式以及基因的种类、数目和分布等。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传物质，其组成如图11-4所示。


生物化学与分子生物学 人类基因组细胞核基因组线粒体基因组约27.4%I约72.6%编码蛋白基因序列外显子内含子基因间序列中度至高度重复序列—、真核基因组具有独特的结构 真核生物的基因组庞大，具有以下结构特点。首先，真核基因组中基因的编码序列所占比例远小于非编码序列。人的基因组中，编码序列仅占全基因组的1%；在一个基因的全部序列中，编码序列仅占5%。其次，高等真核生物基因组含有大量的重复序列，可以占到全基因组的80％以上，在入的基因组中重复序列达到50％以上。第三，真核基因组中存在多基因家族和假基因。人的染色体基因组DNA长约3. Oxl~bp，编码约2万个基因，存在着15万个基因家族。一个基因家族中，并非所有＼'"i且i成员都具有功能，不具备正常功能的家族成员被称为假基因。第四，大约60%的人基因转录后发生可变剪接，80％的可变剪接会使蛋白质的序列发生改变。第五，真核基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞的基因组为二倍体(diploid)，即有两份同源的基因组。


生物化学与分子生物学 人类基因组细胞核基因组线粒体基因组约27.4%I约72.6%编码蛋白基因序列外显子内含子基因间序列中度至高度重复序列—、真核基因组具有独特的结构 真核生物基因组DNA与蛋白质结合，以染色体的方式存在于细胞核内。不同的真核生物具有不同的染色体数目（表11-1)。人类基因组的染色体DNA包括22条常染色体及2条性染色体的DNA,不同染色体的大小在47Mb-250Mb之间（图11-5)。其中，最长的染色体是第1号染色体，约248.96Mb，含有5078个基因；最小的是第21号染色体，约46.71Mb，含有756个基因（资料来源：htLps:II www. ncbi. nlm. nih. govI genomel?term=human[organism]，截至2018.02.14)。一些遗传性疾病相关的基因，如阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化症和唐氏综合征等，均位于第21号染色体。人基因在染色体上分布也并不是均匀的。其中基因密度最大的是第19号染色体，平均每百万碱基有23个基因；密度最小的是第13号和Y染色体，平均每百万碱基只有5个基因。即便在基因密度最大的染色体上，也存在无基因的“沙漠区”，即在500kb区域内，没有任何基因的编码序列。这种基因分布是如何形成的、有何意义，目前尚不清楚。 物种基因组大小(Mb)基因数染色体数． 支原体M. genitalium0.58487无流感嗜血杆菌H. injluenzae1.851726无枯草芽胞杅菌B. subtilis4.134049无大肠杆菌E. coli5.144996无酿酒酵母S. cer或siae12.12540916裂殖酵母S. pombe12.59513216燕麦0. sativa374.423637621果蝇D. melanogaster143.92147004秀丽隐杆线虫C. elegans101.17200006小鼠rrwuse2671.822200020人H. sap砌瓜2996.432000023．指单倍体细胞内的染色体数目；资料来源：http:/I叭VIV. ncbi. nlm. nih. gov I genom e，截至2018.01.25||l ii l i i i Il i. 二、真核基因组中存在大量重复序列 真核细胞基因组存在着大量重复序列，人基因组中，重复序列占基因组长度的50％以上。重复序列的长度不等，短的仅含两个碱基，长的多达数百乃至上千个碱基。重复序列的重复频率也不尽相同，可以分为高度重复序列(highly repetitive sequence)、中度重复序列(moderately repetitive sequence)和单拷贝序列(single copy seq uence)或低度重复序列等3种。 （一）高度重复序列 高度重复序列是真核基因组中存在的有数千到几百万个拷贝的DNA重复序列。这些重复序列的长度为6-200bp，不编码蛋白质或RNA。在人基因组中，高度重复序列约占基因组长度的20%。高度重复序列按其结构特点分为反向重复序列(inverted repeat sequence)和卫星DNA(satellite DNA)。前者由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成，反向重复的单位长度约为300bp或略短，其总长度约占人基因组的5%，多数是散在，而非群集于基因组中。卫星DNA是真核细胞染色体具有的高度重复核昔酸序列，主要存在于染色体的着丝粒区，通常不被转录，在人基因组中可占10％以上。由千其碱基组成中GC含量少，具有不同的浮力密度，在氯化绝密度梯度离心后呈现出与大多数DNA有差别的＂卫星”条带而得名。高度重复序列的功能主要是：心参与复制水平的调节。反向重复序列常存在于DNA复制起点区的附近，是一些蛋白质（包括酶）的结合位点。＠参与基因表达的调控。高度重复序列可以转录到核内不均－RNA分子中，而有些反向重复序列可以形成发夹结构，有助于稳定RNA分子。＠参与染色体配对。如a卫星DNA成簇样分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关。 （二）中度重复序列 中度重复序列指在真核基因组中重复数十至数千次的核昔酸序列，通常占整个单倍体基因组的1%-30%。少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。依据重复序列的长度，中度重复序列可分为以下两种类型。1.短散在核元件短散在核元件(short interspersed nuclear elements, SINEs)又称为短散在重复序列(short interspersed repeat sequence)，是以散在方式分布于基因组中的较短重复序列，平均长度约为300-500bp，与平均长度约为lOOObp的单拷贝序列间隔排列。拷贝数可达数十万。如Alu家族，Kpn1家族和H叫家族等属于这种类型的中度重复序列。Alu家族是哺乳类动物，包括人基因组中含量最丰富的一种短分散片段中度重复序列，平均每6kb DNA就有一个Alu序列，在单倍体人基因组中重复达30万～50万次，约占人基因组的3%～6%。Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性核酸内切酶Alu的切点(AG!CT)，将其切成长130bp和170bp的两段，因而命名为Alu序列（或Alu家族）。Kpn I家族是中度重复序列中仅次于Alu家族的第二大家族，因其重复序列中含有限制性内切酶Kpn I的位点、可被水解为4个不同长度的片段而命名。Kpn I家族成员呈散在分布，拷贝数约为3000-4800个，占人类基因组的1%。Hi对家族以319bp长度的串联重复存在于人基因组中，因其重复序列中含有限制性核酸内切酶Hi可I的位点而命名。2.长散在核元件长散在核元件(long interspersed nuclear elements, LINEs)又称为长散在重复序列(long int erspersed repeat sequence)，以散在方式分布于基因组中的较长的重复序列，重复序列长度在lOOObp以上，常具有转座活性。中度重复序列在基因组中所占比例在不同种属之间差异很大，一般约占10o/o~40%，在人约为12%。这些序列大多不编码蛋白质，其功能可能类似于高度重复序列。真核生物基因组中的rRNA基因也属于中度重复序列。与其他中度重复序列不同，各重复单位\中的rRNA基因都是相同的。rRNA基因通常集中成簇存在，而不是分散于基因组中，这样的区域称为rDNA区，如染色体的核仁组织区(nucleolus organizer region)即为rDNA区。人类的rRNA基因位于13、14、15、21和22号染色体的核仁组织区，每个核仁组织区平均含有50个rRNA基因的重复单位；5S rRNA基因似乎全部位于1号染色体(lq42-43)上，每个单倍体基因组约有1000个5SrRNA基因。 （三）单拷贝序列（低度重复序列） 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，大多数编码蛋白质的基因属千这一类。在基因组中，单拷贝序列的两侧往往为散在分布的重复序列。单拷贝序列编码的蛋白质在很大程度上体现了生物的各种功能，因此针对这些序列的研究对医学实践有特别重要的意义。三、真核基因组中存在大量的多基因家族与假基因基因组中存在的许多来源于同一个祖先，结构和功能均相似的一组基因。这一组基因就构成了一个基因家族。同一家族的这些基因的外显子具有相关性。多基因家族(multigene family)是真核基因组的另一结构特点，是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。在细菌或病毒基因组中，80％以上的基因是具有独特结构或功能的基因，但在人的基因组中，这类基因不足20%。多基因家族大致可分为两类：一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内。另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布于不同染色体上，这些不同成员编码尸组功能上紧密相关的蛋白质，如人类珠蛋白基因家族分为a珠蛋白和B珠蛋白两个基因簇，a珠蛋白基因簇、B珠蛋白基因簇分别位于第16号和第11号染色体。一些DNA序列相似，但功能不一定相关的若干个单拷贝基因或若干组基因家族可以被归为基因超家族(superfamily gene)，例如免疫球蛋白基因超家族、ras基因超家族。一个多基因家族中可有多个基因，根据结构与功能的不同又可以分为亚家族(subfamily)，例如G蛋白中属ras超家族约有50多个成员，根据其序列同源性程度又可进一步分为Ras、Rho和Rab三个主要的亚家族。入的基因组中存在假基因(pseudogene)，以申来表示。假基因是基因组中存在的一段与正常基因非常相似但一般不能表达的DNA序列。假基因根据其来源分为经过加工的假基因和未经过加工的假基因2种类型，前者没有内含子，后者含有内含子。这类基因可能曾经有过功能，但在进化中获得一个或几个突变，造成了序列上的细微改变从而阻碍了正常的转录和翻译功能，使它们不能再编码RNA和蛋白质产物。人们推测，经过加工的假基因的来源可能是基因转录生成的成熟mRNA经逆转录产生cDNA，再整合到染色体DNA中去，便有可能成为假基因。经过加工的假基因通常缺少正常基因表达所需的调节序列、没有内含子、可能有poly(A)尾。未经过加工的假基因来源于多拷贝或单拷贝基因的突变或者基因的不完全复制。人基因组中大约有2万个假基因，其中约2000个为核糖体蛋白的假基因。近些年发现，假基因也表达有功能的非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)。 四、线粒体DNA的结构 线粒体是细胞内的一种重要细胞器，是生物氧化的场所，一个细胞可拥有数百至上千个线粒体。线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)可以独立编码线粒体中的一些蛋白质，因此mtDNA是核外遗传物质。mtDNA的结构与原核生物的DNA类似，是环状分子。线粒体基因的结构特点也与原核生物基因的结构特点相似。人的线粒体基因组全长16569bp，共编码37个基因（图11-6)，包括13个编码构成呼吸链多酶体系的一些多肤的基因、22个编码mt-tRNA的基因、2个编码mt-rRNA(16S和12S)的基因。 五、人基因组约有两万个蛋白质编码基因 通过基因组测序，人们对数种生物的基因组大小和所含有的基因数量已有所了解。表11-1列出了从原核生物到真核生物有代表性的生物体基因组的大小和基因的数量。总体上来讲，在进化过程中随着生物个体复杂性的增加，基因组的总趋势是由小变大、基因数也是由16S rRNA少变多。但是决定生物复杂性的因素较多，除基因组大小和基因数以外，还有基因密度人mtDNA tRNA11~(gene density)等因素。例如，人的基因组最16569hp-tRNAGin大，复杂程度也最高，但所含的基因数量并不12是最多。尽管不同机构公布的基因数目有所tRNA'I\-tRNA不同，但根据人类基因组计划的数据推测，人RNAA邑的基因数目为2万个左右，仅为果蝇基因数量的l.4倍左右，与线虫基因数量大致相当。tRNA扣人类基因组基因密度较低，因为基因组中转座子、内含子和调控序列较多，这些序列在进图11-6人的线粒体基因组化过程对遗传多样性的产生至关重要。基因是能够编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的、负栽遗传信息的基本单位，除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，通常是指朵色体或基因组的一段DNA序列。基因的基本结构包含编码蛋白质或RNA的编码序列及其与之相关的非编码序列。真核基因结构最突出的特点是其不连续性，被称为断裂基因。基因组是指一个生物体内所有遗传信息的总和。真核基因组具有基因编码序列在基因组中所占比例小于非编码序列、高等真核生物基因组含有大量的重复序列、存在多基因家族和假基因、具有可变剪接，以及真核基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内等特点。线粒体DNA是核外遗传物质，可以独立编码线粒体中的一些蛋白质。人的线粒体基因组全长16569bp，共编码37个基因。人基因组中约有两万个基因，分布在22条常染色体及2条性染色体上，但并不是均匀分布。 -思考题... 1.如何理解断裂基因及其意义？2.何谓启动子、增强子、沉默子、绝缘子？3.真核基因组的结构特点是什么？4.举例说明是否可以根据基因组大小或基因数量判断生物体的复杂程度？ （汤立军）第十二章DNA的合成 生物体内或细胞内进行的DNA合成主要包括DNA复制、DNA修复合成和逆转录合成DNA等过程。DNA复制(replication)是以DNA为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。在这个过程中，亲代DNA作为合成模板，按照碱基配对原则合成子代分子，其化学本质是酶促脱氧核昔酸聚合反应。DNA的忠实复制以碱基配对规律为分子基础，酶促修复系统可以校正复制中可能出现的错误（动画12-1“复制发生的化学反应”)。原核生物和真核生物DNA复制的规律和过程相似，但在具体细节上有许多差别，真核生物DNA复制过程和参与的分子更为复杂和精致。本章主要讨论DNA复制和DNA逆转录合成，DNA修复合成将在下一章叙述。 第一节DNA复制的基本规律 DNA复制特征主要包括：半保留复制(semi-conservative replication)、双向复制(b心rectional replication和半不连续复制(semi-discontinuous replication)。DNA的复制具有高保真性(high fidelity)。 —、DNA以半保留方式进行复制 DNA生物合成的半保留复制规律是遗传信息传递机制的重要发现之一。在复制时，亲代双链DNA解开为两股单链，各自作为模板，依据碱基配对规律，合成序列互补的子链DNA双链。亲代DNA模板在子代DNA中的存留有3种可能性，全保留式、半保留式或混合式（图12-la)。 子代DNA亲代DNA,全保留式半保留式混合式含15N-DNA的细菌/II l培养千普w"N-DNA通培养液第一代勹杂交DNA/11/1l继续培养千普通培养液第二代杂交DNA (a)DNA复制方式的3种可能性；（b)15N标记DNA实验证明半保留复制假设1958年，MeselsonM和StahlFW用实验证实自然界的DNA复制方式是半保留式的。他们利用细菌能够以NH4Cl为氮源合成DNA的特性，将细菌在含15NH4Cl的培养液中培养若干代（每一代约20分钟），此时细菌DNA全部是含15N的“重“DNA；再将细菌放回普通的14NH4Cl培养液中培养，新合成的DNA则有14N的掺入；提取不同培养代数的细菌DNA做密度梯度离心分析，因15N-DNA和14N-DNA的密度不同，DNA因此形成不同的致密带。结果表明，细菌在重培养基中生长繁殖时合成的15N-DNA是1条高密度带；转入普通培养基培养l代后得到1条中密度带，提示其为15N-DNA链与14N-DNA链的杂交分子；在第二代时可见中密度和低密度2条带，表明它们分别为15N-DNA链／14N-DNA链、14NDNA链／14N-DNA链组成的分子（图12-lb)。随着在普通培养基中培养代数的增加，低密度带增强，而中密度带保持不变。这一实验结果证明，亲代DNA复制后，是以半保留形式存在千子代DNA分子中的。半保留复制规律的阐明，对于理解DNA的功能和物种的延续性有重大意义。依据半保留复制的方式，子代DNA中保留了亲代的全部遗传信息，亲代与子代DNA之间碱基序列高度一致（图122)。(a)母链DNA;(b)复制过程打开的复制叉；（c）两个子代细胞的双链DNA，实线链来自母链，虚线链是新合成的子链遗传的保守性是相对而不是绝对的，自然界还存在着普遍的变异现象。遗传信息的相对稳定是物种稳定的分子基础，但并不意味着同一物种个体与个体之间没有区别。例如病毒是简单的生物，流感病毒就有很多不同的毒株，不同毒株的感染方式、毒性差别可能很大，在预防上有相当大的难度。又如，地球上曾有过的人口和现有的几十亿入，除了单卵双胞胎之外，两个人之间不可能有完全一样的DNA分子组成（基因型）。因此，在强调遗传保守性的同时，不应忽视其变异性。 二、DNA复制从起点双向进行 细胞的增殖有赖千基因组复制而使子代得到完整的遗传信息。原核生物基因组是环状DNA，只有一个复制起点(origin)。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始双向复制（图12-3a)。复制中的模板DNA形成2个延伸方向相反的开链区，称为复制叉(replication fork)。复制叉指的是正在进行复制的双链DNA分子所形成的Y形区域，其中，已解旋的两条模板单链以及正在进行合成的新链构成了Y形的头部，尚未解旋的DNA模板双链构成了Y形的尾部。 234第三篇遗传信息的传递复制起点双向复制形成2个复制叉I(a)原核生物环状DNA的单点起始双向复制复制起点o复制起点o复制起点复制起点。。(b)真核生物DNA的多点起始双向复制 真核生物基因组庞大而复杂，由多个染色体组成，全部染色体均需复制，每个染色体又有多个起点，呈多起点双向复制特征（图12-3b)。每个起点产生两个移动方向相反的复制叉，复制完成时，复制叉相遇并汇合连接。从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域称为复制子(replicon)。复制子是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。高等生物有数以万计的复制子，复制子间长度差别很大，约在13~900kb之间。 三、DNA复制以半不连续方式进行 DNA双螺旋结构的特征之一是两条链的反向平行，一条链为5'至3'方向，其互补链是3'至5'方向。DNA聚合酶只能催化DNA链从5'至3'方向的合成，故子链沿着模板复制时，只能从5'至3'方向延伸。在同一个复制叉上，解链方向只有一个，此时一条子链的合成方向与解链方向相同，可以边解链，边合成新链。然而，另一条链的复制方向则与解链方向相反，只能等待DNA全部解链，方可开始合成这样的等待在细胞内显然是不现实的。1968年，冈崎(OkazakiR)用电子显微镜结合放射自显影技术观察到，复制过程中会出现一些较短的新DNA片段，后人证实这些片段只出现千同一复制叉的一股链上。由此提出，子代DNA合成是以半不连续的方式完成的，从而克服DNA空间结构对DNA新链合成的制约。目前认为，在DNA复制过程中，沿着解链方向生成的子链DNA的合成是连续进行的，这股链称为前导链(leading strand)；另一股链因为复制方向与解链方向相反，不能连续延长，只能随着模板链的解开，逐段地从5'-+3'生成引物并复制子链。夕3'模板被打开一段，起始合成一段子链；再打开一~~5前导链段，再起始合成另一段子链，这一不连续复制的///／多〉链称为后随链(lagging strand)。前导链连续复乡制而后随链不连续复制的方式称为半不连续复5'.气购I句制（图12-4)。在引物生成和子链延长上，后随链都比前导链迟一些，因此，两条互补链的合成后随链是不对称的。、\＼1沿着后随链的模板链合成的新DNA片段被命名为冈崎片段(Okazaki fragment)。真核冈匡12-4DNA的半不连续复制崎片段长度100~200核昔酸残基，而原核是1000~2000核昔酸残基。复制完成后，这些不连续片段经过去除引物，填补引物留下的空隙，连接成完整的DNA长链。 四、DNA复制具有高保真性 DNA复制具有高度保真性，其错配概率约为10-IO。“半保留复制“确保亲代和子代DNA分子之间信息传递的绝对保真性。高保真DNA聚合酶利用严格的碱基配对原则是保证复制保真性的机制之一。另外，体内复制叉的复杂结构提高了复制的准确性；DNA聚合酶的核酸外切酶活性和校读功能以及复制后修复系统（光复活修复、剪切修复、重组修复、SOS，详见第十三章）对错配加以纠正，四种机制协同进一步提高了复制的保真性。细菌复制酶有多个错误修复系统。真核细胞有许多DNA聚合酶，复制酶以高保真度运作。复制酶有复杂的结构，不同亚基具有不同功能（表12-1)。除了B酶，修复酶都有低保真度，修复酶的结构相对简单。 DNA聚合酶功能结构高保真复制O!核DNA复制350kD四聚体8后随链合成250kD四聚体e前导链合成350kD四聚体丫线粒体DNA复制200kD二聚体高保真修复B碱基切除修复39kD单体低保真修复g碱基损伤旁路异聚体n胸腺啥唗二聚体旁路单体减数分裂相关单体K碱基替换与缺失单体第二节DNA复制的酶学和拓扑学 DNA复制是酶促核昔酸聚合反应，底物是dATP、dGTP、dCTP和dTIP，总称dNTP。dNTP底物有3个磷酸基团，最靠近核糖的称为a-P，向外依次为~-P和-y-P。在聚合反应中，a-P与子链末端核糖的3'-0H连接。模板是指解开成单链的DNA母链，遵照碱基互补规律，按模板指引合成子链，子链延长有方向性。引物提供3'-0H末端使dNTP可以依次聚合。由于底物的5'-P是加合到延长中的子链（或引物）3'－端核糖的3'-0H基上生成磷酸二酷键的，因此新链的延长只可沿5'向3'方向进行。核昔酸和核昔酸之间生成3',5'－磷酸二酷键而逐一聚合，是复制的基本化学反应（图12-5)。图12-5的反应可简示为：（dNMP)n+dNTP--+(dNMP)n+I+PPi。N代表4种碱基的任何一种。 一、DNA聚合酶催化脱氧核糖核苦酸间的聚合 DNA聚合酶全称是依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase, DNA pol)。DNA pol是1958年由Kornberg A在E. coli中首先发现的。他从细菌沉渣中提取得到纯酶，在试管内加入模板DNA、dNTP和引物，该酶可催化新链DNA生成。这一结果直接证明了DNA是可以复制的，是继236第三篇遗传信息的传递A5'~RNA引物（｝贮扣炉气：1，物Il()4P-PI)DNA双螺旋模型确立后的又一重大发现。当时将此酶称为复制酶(replicase)。在发现其他种类的DNA pol后，Kornberg A发现的DNA聚合酶被称为DNA pol I。（一）原核生物至少有5种DNA聚合酶大肠杆菌经人工处理和筛选，可培育出基因变异菌株。DNA pol I基因缺陷的菌株，经实验证明照样可进行DNA复制。DNA pol I由polA编码，主要在DNA损伤修复中发挥作用，在半保留复制中起到辅助作用。从变异菌株中相继提取到的其他DNA pol被分别称为DNA pol II和DNA pol ID。DNA pol II由polB编码，当复制过程被损伤的DNA阻碍时重新启动复制叉。这三种聚合酶都有5'-,3'延长脱氧核昔酸链的聚合活性及3'一5核酸外切酶活性。DNA polN和DNA pol V分别由clinB和umu'2C编码，属于跨损伤合成DNA聚合酶。


生物化学与分子生物学 一、DNA聚合酶催化脱氧核糖核苦酸间的聚合 DNA pol皿由polC编码，聚合反应比活性远高于pol I，每分钟可催化多至105次聚合反应，因此DNA pol皿是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。DNA pol皿是由10种(17个）亚基组成的前导链的合成不对称异聚合体（图12-6)，由2个核心酶(core en zyme)通过1对B亚基构成的滑动夹(sliding clamp)与丫复合物（"{-compl ex)、即夹子加载复合体(clamp-load ing complex)连接组成。核心酶由a、e、0亚基共同组成，主要作用是合成DNA，有5'-+3'聚合活性；e亚基是复制的保真性所必需；B亚基发挥夹稳DNA模板链，并使酶沿模板滑动的作用；图12-6E. Coli DNA pol旧全酶的分子结构其余的7个亚基统称'Y-复合物，包括"{、8、8'、叭x和两个T，有促进滑动夹加载、全酶组装至模板上及增强核心酶活性的作用。DNA pol I的二级结构以a－螺旋为主，只能催化延长约20个核昔酸左右，说明它不是复制延长过程中起主要作用的酶。DNA pol I在活细胞内的功能主要是对复制中的错误进行校对，对复制和修复中出现的空隙进行填补。用特异的蛋白酶可以将DNA pol I水解为2个片段，小片段共323个氨基酸残基，有5'->-3'核酸外切酶活性。大片段共604个氨基酸残基，被称为Klenow片段，具有DNA聚合酶活性和3'一5'核酸外切酶活性。Klenow片段是实验室合成DNA和进行分子生物学研究常用的工具酶。DNA pol II基因发生突变，细菌依然能存活，推想它是在pol I和pol III缺失情况下暂时起作用的酶。DNA pol II对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的DNA模板上，它也能催化核昔酸聚合。因此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。


生物化学与分子生物学 一、DNA聚合酶催化脱氧核糖核苦酸间的聚合 @（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有5种真核细胞的DNA聚合酶至少15种，常见的有5种，它们在功能上与原核细胞的比较见表12-2。 E. coli真核细胞功上月匕I 去除RNA引物，填补复制中的DNA空隙，DNA修复和重组DNA pola合成引物，然后迅速被具有连续合成能力的DNA polo和DNA pole所替换，这一过程称为聚合酶转换(polymerase switching)。DNA polo负责合成后随链，DNA pole负责合成前导链。至千高等生物中是否还有独立的解旋酶和引物酶，目前还未能确定。但是，在病毒感染培养细胞(HeLa/SV40)的复制体系中，发现SV40病毒的T抗原有解旋酶活性。DNA pol a催化新链延长的长度有限，但它能催化RNA链的合成，因此认为它具有引物酶活性。DNA pol f3复制的保真度低，可能是参与应急修复复制的酶。DNA pol-y是线粒体DNA复制的酶，见本章第四节。


生物化学与分子生物学 二、DNA聚合酶的碱基选择和校读功能 DNA复制的保真性是遗传信息稳定传代的保证。生物体至少有3种机制实现保真性：O遵守严格的碱基配对规律；＠聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；＠复制出错时有即时的校对功能。 （一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 DNA复制保真的关键是正确的碱基配对，而碱基配对的关键又在于氢键的形成。G和C以3个氢键、A和T以2个氢键维持配对，错配碱基之间难以形成氢键。除化学结构限制外，DNA聚合酶对配对碱基具有选择作用。DNA pol是在DNA链延长中起催化作用的酶。利用“错配“实验发现，DNA pol皿对核昔酸的掺入(incorporation)具有选择功能。例如，用21聚腺昔酸poly(dA)21作模板，用poly(dT)20作复制引物，观察引物的3'-0H端连上的是否为胸昔酸(T)。尽管反应体系中4种核昔酸都存在，第21位也只会出现T。若仅仅加入单一种类的dNTP作底物，就会＂迫使”引物在第21位延长中出现错配。用柱层析技术可以把DNA pol皿各个亚基组分分离，然后再重新组合。如果重新组合的DNA pol皿不含e亚基，复制错配频率出现较高，说明e亚基是执行碱基选择功能的。


生物化学与分子生物学 （一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 DNA中脱氧核糖以糖甘键与碱基连接，此键有顺式(syn)和反式(a叩）两种构象(conformation)。在B-DNA（右手双螺旋）中，如果碱基是噤呤，DNA糖昔键总是反式，与相应的啼唗形成氢键配对。而要形成嗦呤嗦呤配对，则其中一个嗦呤必须旋转180°, DNA pol ill对不同构型糖昔键表现不同亲和力，因此实现其选择功能。前已述及，DNA pol皿的l0个亚基中，以me和0作为核心酶并组成较大的不对称二聚体。核心酶中，a亚基有5'—►3聚合酶活性，e有3'一5'核酸外切酶活性以及碱基选择功能。0亚基未发现有催化活性，可能起维系二聚体的作用。对各亚基功能的深入研究认为，在核昔酸聚合之前或在聚合当时，酶就可以控制碱基的正确选择。（二）聚合酶中的核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正原核生物的DNA pol I、真核生物的DNA pol o和DNA pole的3'一5'核酸外切酶活性都很强，可以在复制过程中辨认并切除错配的碱基，对复制错误进行校正，此过程又称错配修复(mismatch repair)。


生物化学与分子生物学 （一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 以DNA pol I为例（图12-7)。图中的模板链是G，新链错配成A而不是C。DNA pol I的31一5'\`'外切酶活性将错配的A水解下来，同时利用5'一3'聚合叭A polJ酶活性补回正确配对的C，复制可以继续下去，这种功能称为校对(proofreading)。实验也证明：如果是正确的


生物化学与分子生物学 （一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 外.1•;17,r,/l\\忖聚合活fl配对，3＇一5'外切酶活性是不表现的。DNA pol I还有5'-+3'外切酶活性，实施切除引物、切除突变片段的`A/)I(TI)功能。3'G三、复制中DNA分子拓扑学变化九沽PjDNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有解成单链，、亡千一G3'才能发挥模板作用。WatsonJ和CrickF在建立DNA双(b)螺旋结构模型时曾指出，生物细胞如何解开DNA双链图12-7DNA pol I的校对功能是理解复制机制的关键。目前已知，多种酶和蛋白质分(a)DNA pol I的外切酶活性切除错配碱基，子共同完成DNA的解链。并用其聚合活性掺入正确配对的底物；（b）碱（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态基配对正确，DNA pol I并不表现外切酶活性复制起始时，需多种酶和辅助的蛋白质因子（表12-3)，共同解开并理顺DNA双链，且维持DNA分子在一段时间内处于单链状态。


生物化学与分子生物学 蛋白质（基因）通用名功能 DnaA(dnaA)辨认复制起点DnaB(dnaB)解旋酶解开DNA双链DnaC(dnaC)运送和协同DnaBDnaG(dnaG)引物酶催化RNA引物生成SSB单链结合蛋白／DNA结合蛋白稳定已解开的单链DNA拓扑异构酶拓扑异构酶II又称促旋酶解开超螺旋大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)结构简单，繁殖速度快，是较早用于分子遗传学研究的模式生物。对大肠杆菌变异株进行分析，可以阐明各种基因的功能。早期发现的与DNA复制相关的基因曾被命名为dnaA、dnaB、…、dnaX等，分别编码DnaA、DnaB等蛋白质分子。DnaB作用是利用ATP供能来解开DNA双链，为解旋酶(helicase)。E. coli DNA复制起始的解链是由DnaA、DnaB和DnaC共同起作用而发生的。


生物化学与分子生物学 蛋白质（基因）通用名功能 DNA分子只要碱基配对，就会有形成双链的倾向。单链结合蛋白(single stranded binding protein, SSB)具有结合单链DNA的能力，维持模板的单链稳定状态并使其免受细胞内广泛存在的核酸酶的降解。SSB作用时表现协同效应，保证SSB在下游区段的继续结合。可见，它不像聚合酶那样沿着复制方向向前移动，而是不断地结合、脱离。（二）DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)简称拓扑酶，广泛存在于原核及真核生物，分为I型和II型两种最近还发现了拓扑酶皿。原核生物拓扑异构酶II又称促旋酶(gyrase)，真核生物的拓扑酶II还有几种不同亚型。拓扑一词，在物理学上是指物体或图像作弹性移位而保持物体原有的性质。DNA双螺旋沿轴旋绕，复制解链也沿同一轴反向旋转，复制速度快，旋转达100次／秒，会造成复制叉前方的DNA分子打结、缠绕、连环现象。DNA在复制解链过程形成超螺旋结构的形态见图12-8。这种超螺旋及局部松弛等过渡状态，需要拓扑酶作用以改变DNA分子的拓扑构象，理顺DNA链结构来配合复制进程。


生物化学与分子生物学 DNA只固定一端DNA两端固定卜啤勺壶萝笠、｀、、总、、硒I解开l旰碱基对j解开1旰碱基对（一个螺旋）（一个螺旋）区交公入欢汹咚怜~>姿妥言、辜DNA将会DNA形成旋转一圈一个超螺旋＿忒二必4二二:郊~～邓硒叶咖畴尸＄言产4复－钰／奴乙tl，言霓刁负超螺旋正超螺旋开口易化开口受阻


生物化学与分子生物学 DNA只固定一端DNA两端固定卜啤勺壶萝笠、｀、、总、、硒I解开l旰碱基对j解开1旰碱基对（一个螺旋）（一个螺旋）区交公入欢汹咚怜~>姿妥言、辜DNA将会DNA形成旋转一圈一个超螺旋＿忒二必4二二:郊~～邓硒叶咖畴尸＄言产4复－钰／奴乙tl，言霓刁负超螺旋正超螺旋开口易化开口受阻 (a)代表螺旋一端固定，通过自由旋转不形成超螺旋结构；（b）代表两端固定，螺旋局部解开后，形成一个超螺旋；（c）蛋白质分子参与DNA复制过程，在其前方形成正超螺旋，在其后方形成负超螺旋拓扑酶既能水解，又能连接DNA分子中磷酸二酷键（图夕，＇12-9)，可在将要打结或已打结处切口，下游的DNA穿越切口并作一定程度旋转，把结打开或解松，然后旋转复位连接。主要有两类拓扑酶在复制中用于松解超螺旋结构（动画12-2“解螺旋酶＂）。拓扑酶I可以切断DNA双链中一股，使DNA解链旋转中不致打结，适当时候又把切口封闭，使DNA变为松弛状态，这一反应无需ATP。拓扑酶II可在一定位置上，切断处千正超螺旋状态的DNA双链，使超螺旋松弛；然后利(a)(b)'\,用ATP供能，松弛状态DNA的断端在同一个酶的催化下连接恢复。这些作用均可使复制中的DNA解开螺旋、连环或图12-9拓扑酶的作用方式(b)是(a)的局部放大图，经拓扑酶I作解连环，达到适度盘绕。母链DNA与新合成链也会互相缠用，两个环变为一个环绕，形成打结或连环，也需拓扑异构酶II的作用。DNA分子一边解链，一边复制，所以复制全过程都需要拓扑酶。 四、DNA连接酶连接复制中产生的单链缺口 DNA连接酶(DNA ligase)连接DNA链3'-0H末端和另一DNA链的5'-P末端，两者间生成磷酸二酷键，从而将两段相邻的DNA链连接成完整的链（动画12-3"DNA连接酶＂）。连接酶的催化作用需要消耗ATP。实验证明：连接酶只能连接双链中的单链缺口，它并没有连接单独存在的DNA单链...或RNA单链的作用。复制中的后随链是分段合成的，产生的冈崎片段之间的缺口，要靠连接酶接合。图12-10显示连接酶的催化作用。图的上部说明其作用于互补双链上的一股不连续的DNA链；图的下部显示DNA连接酶的催化作用。DNA连接酶不但在复制中起最后接合缺口的作用，在DNA修复、重组中也起接合缺口作用。如r". E(a)5,-l,_上3'3'-—PHO连接荫5'(b)''一()-P一()P5'(I）尸Al`I'HO灶接酌卜贮A]）1J(a)连接酶连接双链DNA上单链的缺口；（b）被连接的缺口放大图，是连果DNA两股都有单链缺口，只要缺口前后的碱基互补，连接酶也可连接。因此它也是基因工程的重要工具酶之一。 第三节原核生物DNA复制过程 原核生物染色体DNA和质粒等都是共价环状闭合的DNA分子，复制过程具有共同的特点，但并非绝对相同，下面以大肠杆菌DNA复制为例，介绍原核生物DNA复制的过程和特点。 一、复制的起始 起始是复制中较为复杂的环节，在此过程中，各种酶和蛋白质因子在复制起点处装配引发体，形成复制叉并合成RNA引物。(-)DNA的解链1.复制有固定起点复制不是在基因组上的任何部位随机起始。E.coli上有一个固定的复制起点，称为ori C，跨度为245bp，碱基序列分析发现这段DNA上有5组由9个碱基对组成的串联重复序列，形成Dna A结合位点，和3组由13个碱基对组成的串联重复序列的富含AT(AT rich)区（图1211)。DNA双链中，AT间的配对只有2个氢键维系，故富含AT的部位容易发生解链。（动画12-42. DNA解链需多种蛋白质参与DNA的解链过程由DnaA、DnaB、DnaC三种蛋白质共同参与完成。DnaA蛋白是一同源四聚体，负责辨认并结合于oriC的串联重复序列(AT区）上。然后，几个DnaA蛋白互相靠近，形成DNA－蛋白质复合体结构，促使AT区的DNA解链。DnaB蛋白（解旋酶）在DnaC蛋白的协同下，结合并沿解链方向移动，使双链解开足够用千复制的长度，并且逐步置换出DnaA蛋白。此时，复制叉已初步形成。SSB（单链结合蛋白）此时结合到DNA单链上，在一定时间内使复制叉保持适当的长度，有利于核昔酸依模板掺入。


生物化学与分子生物学 一、复制的起始 3.解链过程中需要DNA拓扑异构酶解链是一种高速的反向旋转，其下游势必发生打结现象。拓扑异构酶Il通过切断、旋转和再连接的作用，实现DNA超螺旋的转型，即把正超螺旋变为负超螺旋。实验证明：负超螺旋DNA比正超螺旋有更好的模板作用。从道理上也是可以理解的：扭得不那么紧的超螺旋当然比过度扭紧的更容易解开成单链。（二）引物合成和起始复合物的形成复制起始过程需要先合成引物(primer)，引物是由引物酶(primase)催化合成的短链RNA分子。 一旋螺超负起始复合物 预引发复合物图12-11原核生物的复制起始部位及解链母链DNA解成单链后，不会立即按照模板序列将dNTP聚合为DNA子链。这是因为DNA pol不具备催化两个游离dNTP之间形成磷酸二酷键的能力，只能催化核酸片段的3'-0H末端与dNTP间的聚合。但RNA聚合酶不需要3'-0H便可催化NTP的聚合，而引物酶属于RNA聚合酶，故复制起始部位合成的短链引物RNA为DNA的合成提供3'-0H末端，在DNA pol催化下逐一加入dNTP而形成DNA子链。


生物化学与分子生物学 一旋螺超负起始复合物 引物酶是复制起始时催化RNA引物合成的酶。它不同于催化转录的RNA聚合酶（见第十四章）。利福平(rifampicin)是转录用RNA pol的特异性抑制剂，而引物酶对利福平不敏感。在DNA双链解链基础上，形成了DnaB、DnaC蛋白与DNA复制起点相结合的复合体，此时引物酶进入。此时形成含有解旋酶DnaB、D naC、引物酶和DNA的复制起始区域共同构成的起始复合物结构，该结构在噬菌体中X系统也称为引发体(primosome)（动画12-5“引发体的生成＂）。起始复合物蛋白质组分在DNA链上的移动需由ATP供给能量。在适当位置上，引物酶解旋酶DnaB5'-3'依据模板的碱基序列，从5'~3'方向催化NTP（不是3'dNTP)的聚合，生成短链的RNA引物（图12-12)（动画12-6“引物合成复制起始”)。引物长度约为5~l0个核昔酸不等。引物合成的方5'向也是自5'端至3'端。已合成的引物必然留有3'-0H末SSB单链结合蛋白(~60／复制叉）


生物化学与分子生物学 3又；三三三言：：三五：量DnaG引物酶催化RNA引物生成二、DNA链的延长 复制中DNA链的延长在DNA pol催化下进行。原核生物催化延长反应的酶是DNA pol皿。底物dNTP的a－磷酸基团与引物或延长中的子链上3'-0H反应后，dNMP的DNA复制的启动需要多种酶参与，包括解旋酶、3'-0H又成为链的末端，使下一个底物可以掺入。复制沿单链结合蛋白和引物酶5'一3'延长，指的是子链合成的方向。前导链沿着5'一3'图12--12起始复合物和复制叉的生成方向连续延长，而后随链沿着5'一3'方向呈不连续延长。 242第三篇遗传信息的传递 （动画12-8“复制的延长”)在同一个复制叉上，前导链的复制先千后随链，但两链是在同一个DNA pol llI催化下进行延长的。这是因为后随链的模板DNA可以折叠或绕成环状，进而与前导链正在延长的区域对齐（图1213)。图中可见，由于后随链作360°绕转，前导链和后随链的延长方向和延长点都处在DNA pol llI核心酶的催化位点上。解链方向就是酶的前进方向，亦即复制叉向前伸展的方向。因为复制叉上解开的模板单链走向相反，所以其中一股出现不连续复制的冈崎片段。