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酶(Enzyme)

1.酶的概念

酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。简单说,酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。一、酶的概念2.酶催化作用的特点(1)酶和一般催化剂的共性:加快反应速度;不改变平衡常数;自身不参与反应。(2)酶催化作用特性:条件温和:常温、常压、pH=7;高效率:反应速度与不加催化剂相比可提高108~1020,与加普通催化剂相比可提高107~1013;专一性:即酶只能对特定的一种或一类底物起作用,这种专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。可分为:绝对专一性:有些酶只作用于一种底物,催化一个反应,而不作用于任何其它物质。相对专一性:这类酶对结构相近的一类底物都有作用。包括键专一性和簇(基团)专一性。立体异构专一性:这类酶不能辨别底物不同的立体异构体,只对其中的某一种构型起作用,而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。易变敏感性:易受各种因素的影响,在活细胞内受到精密严格的调节控制。二、酶的化学本质及结构功能特点1.发展史(1)酶是蛋白质:1926年,JamesSummer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念,其具有蛋白质的一切性质。(2)核酶的发现:

1981~1982年,ThomasR.Cech实验发现有催化活性的天然RNA—Ribozyme。

L19RNA和核糖核酸酶P的RNA组分具有酶活性是两个最著名的例子。

1955年,发现DNA的催化活性。(3)抗体酶(abzyme):

1986年,RichardLerrur和PeterSchaltz运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体(catalyticantibody)。酶单成份酶:脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。双成份酶酶蛋白辅因子(简单蛋白质)(结合蛋白质)(apoenzyme)(cofacter)辅酶(coenzyme)辅基(prostheticgroup)全酶(holoenzyme)=酶蛋白+辅因子2.酶的组成3.酶的辅因子

酶的辅因子是酶的对热稳定的非蛋白小分子物质部分,其主要作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。(1)传递电子体:如卟啉铁、铁硫簇;(2)传递氢(递氢体):如FMN/FAD、NAD/NADP、C0Q、硫辛酸;(3)传递酰基体:如C0A、TPP、硫辛酸;(4)传递一碳基团:如四氢叶酸;(5)传递磷酸基:如ATP,GTP;(6)其它作用:

转氨基,如VB6;传递CO2,如生物素。维生素和辅酶维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类小分子有机物质。多数维生素维生素作为辅酶和辅基的组成成分,参与体内的物质代谢。维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用,而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用,这类分子被称为辅酶(或辅基)。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。脂溶性维生素维生素A,D,E,K均溶于脂类溶剂,不溶于水,在食物中通常与脂肪一起存在,吸收它们,需要脂肪和胆汁酸。维生素A维生素A分A1,A2两种,是不饱和一元醇类。维生素A1又称为视黄醇,A2称为脱氢视黄醇。主要功能:维持上皮组织健康及正常视觉,促进年幼动物的正常生长。维生素D维生素D是固醇类化合物,主要有D2,D3,D4,D5。其中D2,D3活性最高。维生素D的结构在生物体内,D2和D3本身不具有生物活性。它们在肝脏和肾脏中进行羟化后,形成1,25-二羟基维生素D。其中1,25-二羟基维生素D3是生物活性最强的。主要功能:调节钙、磷代谢,维持血液中钙、磷浓度正常,促使骨骼正常发育。维生素E维生素E又叫做生育酚,目前发现的有6种,其中,,,四种有生理活性。主要功能:具有抗氧化剂的功能,可作为食品添加剂使用,还可保护细胞膜的完整性;同时还有抗不育的作用。维生素K维生素K有3种:K1,K2,K3。其中K3是人工合成的。维生素K是2-甲基萘醌的衍生物。主要功能:促进肝脏合成凝血酶原,促进血液的凝固。水溶性维生素维生素B1和羧化辅酶维生素B1又称硫胺素,在体内以焦磷酸硫胺素(TPP)形式存在。缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶,催化丙酮酸或α–酮戊二酸的氧化脱羧反应,所以又称为羧化辅酶。维生素B2和黄素辅酶维生素B2又称核黄素,由核糖醇和6,7-二甲基异咯嗪两部分组成。缺乏时组织呼吸减弱,代谢强度降低。主要症状为口腔发炎,舌炎、角膜炎、皮炎等。FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物。它们在脱氢酶催化的氧化-还原反应中,起着电子和质子的传递体作用。泛酸和辅酶A(CoA)维生素B3又称泛酸,是由

,-二羟基---二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶,它是含泛酸的复合核苷酸。它的重要生理功能是传递酰基,是形成代谢中间产物的重要辅酶。维生素PP和辅酶I、辅酶II维生素PP包括尼克酸(又称烟酸)和尼克酰胺(又称烟酰胺)两种物质。在体内主要以尼克酰胺形式存在,尼克酸是尼克酰胺的前体。尼克酸尼克酰胺维生素PP能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍,出现皮炎。NAD+(烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸,又称为辅酶I)和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II)是维生素烟酰胺的衍生物,它们是多种重要脱氢酶的辅酶。维生素B6和磷酸吡哆醛维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂,参加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。生物素生物素是B族维生素B7,它是多种羧化酶的辅酶。生物素的功能是作为CO2的递体,在生物合成中起传递和固定CO2的作用。叶酸和叶酸辅酶维生素B11又称叶酸,作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物四氢叶酸。四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团,如-CH3,-CH2-,-CHO

等的载体,参与多种生物合成过程。维生素B12和B12辅酶维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与Co+相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代,形成维生素B12辅酶。维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶,催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。维生素C维生素C能防治坏血病,故又称抗坏血酸。在体内参与氧化还原反应,羟化反应。人体不能合成。硫辛酸硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸,有两种形式:即硫辛酸(氧化型)和二氢硫辛酸(还原型)。辅酶Q(CoQ)辅酶Q又称为泛醌,广泛存在与动物和细菌的线粒体中。辅酶Q的活性部分是它的醌环结构,主要功能是作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶,在酶与底物分子之间传递电子。4.酶结构与功能特点蛋白质的结构特点:一级、二级、三级、四级结构根据结构不同酶可分为:单体酶:只有单一的三级结构蛋白质构成。寡聚酶:由多个(两个以上)具有三级结构的亚基聚合而成。多酶复合体:由几个功能相关的酶嵌合而成的复合体。与催化作用相关的结构特点(1)活性中心:酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间局限(部位)。

结合部位(Bindingsite):酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。催化部位(Catalyticsite):酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性,催化部位决定酶所催化反应的性质。

调控部位(Regulatorysite):酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位,从而引起酶分子空间构象的变化,对酶起激活或抑制作用(2)必须基团:酶表现催化活性不可缺少的基团。亲核性基团:丝氨酸的羟基,半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。酸碱性基团:门冬氨酸和谷氨酸的羧基,赖氨酸的氨基,酪氨酸的酚羟基,组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。亲核性基团酸碱性基团(3)酶原和酶原的激活:酶原:没有活性的酶的前体。酶原的激活:酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。本质:酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。(4)同功酶:能催化同一化学反应的一类酶。活性中心相似或相同:催化同一化学反应。分子结构不同:理化性质和免疫学性质不同。三、酶的分类及命名1.酶的分类氧化-还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(Dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如,乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)

转移酶Transferase转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。水解酶Hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如,脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应(4)

裂解酶Lyase

裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如,延胡索酸水合酶催化的反应。(5)

异构酶Isomerase异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底物分子内基团或原子的重排过程。

例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(6)

合成酶LigaseorSynthetase合成酶,又称为连接酶,能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。

A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi例如,丙酮酸羧化酶催化的反应丙酮酸+CO2

草酰乙酸核酸酶(催化核酸)Ribozyme核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA,能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。2.酶的命名(1)习惯命名法:根据其催化底物来命名;根据所催化反应的性质来命名;结合上述两个原则来命名;有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。(2)国际系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性质,最后加一个酶字。例如:习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸:

-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:

谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸1.酶催化作用的本质:降低反应活化能2.酶催化作用的中间产(络合)物学说在酶催化的反应中,第一步是酶与底物形成酶-底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后,中间复合物再分解成产物和酶。

E+S====E-S

P+E许多实验事实证明了E-S复合物的存在。E-S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。四、酶作用的机制3.酶与底物结合形成中间络合物的方式(理论)(1)锁钥假说(lockandkeyhypothesis):认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的,酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样(2)诱导契合假说(induced–fithypothesis):该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状,而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.4.使酶具有高效催化的因素(1)临近定向效应:在酶促反应中,底物分子结合到酶的活性中心,一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加,有利于提高反应速度;另一方面,由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用,使底物分子中参与反应的基团相互接近,并被严格定向定位,使酶促反应具有高效率和专一性特点。(2)“张力”和“形变”:底物与酶结合诱导酶的分子构象变化,变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变”,从而促使酶-底物中间产物进入过渡态。(3)酸碱催化:酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸-碱催化方式。广义酸-碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用,达到降低反应活化能的过程。酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。His残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。

广义酸基团广义碱基团(质子供体)(质子受体)(4)共价催化:催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物,使反应活化能降低,从而提高反应速度的过程,称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基,Cys的硫基,Asp的羧基,Ser的羟基等。某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。1.底物浓度对酶促反应速度影响在酶浓度,pH,温度等条件不变的情况下研究底物浓度和反应速度的关系。如右图所示:在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比,表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值,几乎所有的酶都与底物结合后,反应速度达到最大值(Vmax),此时再增加底物浓度,反应速度不再增加,表现为零级反应。五、酶促反应的速度及其影响因素米氏方程1913年,德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究,推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式,称为米氏方程。Km—

米氏常数Vmax—

最大反应速度

根据中间产物学说,酶促反应分两步进行:米氏方程的推导:

米氏常数Km的意义:由米氏方程可知,当反应速度等于最大反应速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]

上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。不同的酶具有不同Km值,它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物,一定的温度和pH条件下,一定的缓冲体系中测定的,不同条件下具有不同的Km值。Km值表示酶与底物之间的亲和程度:Km值大表示亲和程度小,酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。测定Km和V的方法很多,最常用的是Lineweaver–Burk的作图法—

双倒数作图法。

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式:1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km米氏常数Km的测定:2.抑制剂对酶反应的影响有些物质能与酶分子上某些必须基团结合(作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变,导致酶活力下降或丧失,这种现象称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂(inhibitor)。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点:a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。抑制作用的类型:(1)不可逆抑制作用:抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合,引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。(2)可逆抑制作用:抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合,引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去,并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况,又可以分为三类:竞争性抑制:某些抑制剂的化学结构与底物相似,因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后,底物被排斥在反应中心之外,其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度,即提高底物的竞争能力来消除。竞争性抑制可用下式表示:有竞争性抑制剂存在时,Km值增大(1+[I]/Ki)倍,且Km值随[I]的增高而增大;在[E]固定时,当[S]﹥﹥Km(1+[I]/Ki),Km(1+[I]/Ki)项可忽略不计,则v=Vmax,即最大反应速度不变。竞争性抑制作用的速度方程:竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图:非竞争性抑制:酶可同时与底物及抑制剂结合,引起酶分子构象变化,并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合,所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子(Cu2+、Ag+、Hg2+)以及EDTA等,通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用,改变酶的空间构象,引起非竞争性抑制。非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。非竞争性抑制可用下式表示:有非竞争性抑制剂存在时,V值减小(1+[I]/Ki)倍,且V值随[I]的增高而降低;Km值不变。非竞争性抑制作用的速度方程:非竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图:有反竞争性抑制剂存在时,Km和V值均减小(1+[I]/Ki)倍,且都随[I]的增高而降低。反竞争性抑制:酶只有在与底物结合后,才能与抑制剂结合,引起酶活性下降。反竞争性抑制可用下式表示:反竞争性抑制作用的速度方程:反竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图:3.激活剂对酶反应的影响凡是能提高酶活力的简单化合物都称为激活剂(activator)。其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。如:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等;这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合,可能是酶活性部位的组成部分,也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用;一般情况下,一种激活剂对某种酶是激活剂,而对另一种酶则起抑制作用;对于同一种酶,不同激活剂浓度会产生不同的作用。4.酶浓度对酶反应的影响在底物足够过量而其它条件固定的情况下,并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时,酶促反应的速度和酶浓度成正比。5.温度对酶反应的影响一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性,导致酶活性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。最适温度6.pH对酶反应的影响在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。7.酶的别构(变构)效应:由于效应物的存在,而引起酶的结构(构象)变化。别构酶(Allostericenzyme)的特点:一般是寡聚酶,由多亚基组成,包括催化部位和调节(别构)部位;具有别构效应。指酶和一个配体(底物,调节物)结合后可以影响酶和另一个配体(底物)的结合能力。相同(均为底物):同促效应(homotropiceffect)不同(效应调节物):异促效应(heterotropiceffect)根据配体结合后对后继配体的影响根据配体性质正协同效应(positivecooperativeeffect)负协同效应(negativecooperativeeffect)动力学特点:不符合米曼方程双曲线。别构酶与非调节酶动力学曲线的比较别构酶举例:天冬氨酸转氨甲酰酶,简称ATCase8.固定化酶固定化酶是通过吸附、耦联、交联和包埋等物理或化学的方法把酶连接到某种载体上,做成仍具有酶催化活性的水不溶性酶。作用特点:稳定性提高,易分离,可反复使用,提高操作的机械强度。六、酶的分离纯化与酶活力测定1.酶的分离纯化基本原则:提取过程中避免酶变性而失去活性;防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等;要求在低温下操作,加入的化学试剂不使酶变性,操作中加入缓冲溶液.基本操作程序:选材:微生物(微生物发酵物:胞内酶,胞外酶),动物(动物器脏:消化酶,血液:SOD酶,尿液:尿激酶等),植物(木瓜蛋白酶,菠萝蛋白酶等)。抽提:加入提取液提取。胞内酶先要进行细胞破碎(机械研磨,超声波破碎,反复冻融或自溶等),分离:先进行净化处理(过滤,絮凝,离心脱色),再采用沉淀法分离(盐析法,有机溶剂沉淀法,超离心等)。纯化:可采用离子交换层析,凝胶过滤,液相色谱,亲和色谱和超滤等方法。酶的制剂形式:固体:干燥(冰冻升华,喷雾干燥,真空干燥)液体保存:低温下短期保存。2.酶活力的测定概念酶活力:又称为酶活性,一般把酶催化一定化学反应的能力称为酶活力,通常以在一定条件下酶所催化的化学反应速度来表示。基本原理:酶是蛋白质,种类多,结构复杂多样,一般对酶的测定,不是直接测定其酶蛋白的浓度,而是测定其催化化学反应的能力,这是基于在最优化条件下,当底物足够(过量),在酶促反应的初始阶段,酶促反应的速度(初速度)与酶的浓度成正比(即V=K[E]),故酶活力测定的是化学反应速度,一定条件下可代表酶活性分子浓度。

酶活力测定酶活力测定就是测定一定量的酶,在单位时间内产物(P)的生成(增加)量或底物(S)的消耗(减少)量。即测定时确定三种量:①加入一定量的酶;②一定时间间隔;③物质的增减量。测定酶活力常有以下几种方法:在一个反应体系中,加入一定量的酶液,开始计时反应,经一定时间反应后,终止反应,测定在这一时间间隔内发生的化学反应量(终止时与起始时的浓度差),这时测得的是初速度。在一定条件下,加入一定量底物(规定),再加入合适量的酶液,测定完成该反应(底物反应完)所需的时间,(非初速度,为一平均速度)。动态连续测定法。在反应体系中,加入酶,用仪器连续监测整个酶促反应过程中底物的消耗或产物的生成。快速反应追踪法。近年来,追踪极短时间(10-3s以下)内反应过程的方法和装置已经应用。其代表有停流法(stopped-flow)和温度跃变法(temperaturejump)。酶反应条件优化:测酶活所用的反应条件应该是最适条件,所谓最适条件包括最适温度、最适pH、足够大的底物浓度、适宜的离子强度、适当稀释的酶液及严格的反应时间,抑制剂不可有,辅助因子不可缺。酶活力测定方法:反应计时。反应计时必须准确。反应体系必须预热至规定温度后,加入酶液并立即计时。反应到时,要立即灭酶活性,终止反应,并记录终了时间。终止酶反应,常使酶立刻变性,最常用的方法是加入三氯乙酸或过氯酸使酶蛋白沉淀,也可用SDS使酶变性,或迅速加热使酶变性。有些酶可用非变性法来停止反应或用破坏其辅因子来停止反应。反应量的测定。测底物减少量或产物生成量均可。在反应过程中产物是从无到有,变化量明显,极利于测定,所以大都测定产物的生成量。

具体物质量的测定,据被测定物质的物理化学性质通过定量分析法测定。常用的方法有:光谱分析法:酶将产物转变为(直接或间接)一个可用分光光度法或荧光光度法测出的化合物。化学法:利用化学反应使产物变成一个可用某种物理方法测出的化合物,然后再反过来算出酶的活性。放射性化学法:用同位素标记的底物,经酶作用后生成含放射性的产物,在一定时间内,生成的放射性产物量与酶活性成正比。

3.酶活力的表示方法及计算酶活力单位酶活力可用单位时间内单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示,单位为mol/min等。酶活力单位的基本定义为:规定条件(最适条件)下一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。据不同情况有几种酶活力单位(activityunit)或又称酶单位(enzymeunit)。国际单位:一般用活力单位U(Unit)表示,许多酶活力单位都是以最佳条件或某一固定条件下每分钟催化生成1μmol产物所需要的酶量为一个酶活力单位。一个“Katal”单位是指在一定条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量。Kat和U的换算关系:1Kat=6×107U,1U=16067nKat以上的酶单位定义中,如果底物(S)有一个以上可被作用的化学键,则一个酶单位表示1分钟使1μmol有关基团转化的酶量。如果是两个相同的分子参加反应,则每分钟催化2μmol底物转化的酶量称为一个酶单位。在“U”和“kat”酶活力单位的定义和应用中,酶催化底物的分子量必须是已知的,否则将无法计算。

习惯单位:在实际使用中,结果测定和应用都比较方便、直观,规定的酶活力单位,不同酶有各自的规定,如:①α-淀粉酶活力单位:每小时分解1g可溶性淀粉的酶量为一个酶单位。(QB546-80),也有规定每小时分解1mL2%可溶性淀粉溶液为无色糊精的酶量为一个酶单位。显然后者比前一个单位小。②糖化酶活力单位:在规定条件下,每小时转化可溶性淀粉产生1mg还原糖(以葡萄糖计)所需的酶量为一个酶单位。③蛋白酶:规定条件下,每分钟分解底物酪蛋白产生1μg酪氨酸所需的酶量。④DNA限制性内切酶:推荐反应条件下,一小时内可完全消化1μg纯化的DNA所需的酶量。比活力(specificactivity)酶的比活力是每单位(一般是mg)蛋白质中的酶活力单位数(如:酶单位/mg蛋白),实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示(如:酶单位/mL(液体制剂),酶单位/g(固体制剂)),对同一种酶来讲,比活力愈高则表示酶的纯度越高(含杂质越少),所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标。在评价纯化酶的纯化操作中,还有一个概念就是回收率。

回收率=某纯化操作后的总活力/某纯化操作前的总活力[总活力=比活力×总体积(总重量)]酶活力计算及计算举例酶活力计算是将实验中所用各种参数和所测得的实验数据(反应时间、酶液稀释度和用量、产物生成量等)换算成每毫升(或每克)酶制剂中所含的酶活力单位数。酶活力测定举例:福林-酚(Lowry)法测定蛋白酶活力。该方法的基本原理是以酪蛋白为底物进行反应,然后用福林-酚试剂显色,并用光度法测定酶促反应产物酪氨酸的生成量。测定在初速度阶段进行,为初速度法。

本章小结一、酶酶的概念酶催化作用的特点共性特性:条件温和、高效率、专一性、易变敏感性二、酶的化学本质及结构功能特点酶:单纯酶结合酶:全酶=酶蛋白+辅因子酶的辅因子维生素和辅酶维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类小分子有机物质。维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。酶结构与功能特点(1)活性中心:结合部位、催化部位、调控部位(2)必须基团(3)酶原和酶原的激活(4)同功酶三、酶的分类及命名四、酶作用的机制1.酶催化作用的本质:降低反应活化能2.酶催化作用的中间产(络合)物学说

E+S====E-S

P+E3.酶与底物结合形成中间络合物的方式:锁钥假说、诱导契合假说4.使酶具有高效催化的因素临近定向效应“张力”和“形变”酸碱催化共价催化五、酶促反应的速度及其影响因素1.底物浓度对酶促反应速度的影响米氏方程米氏常数Km的意义:米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。米氏常数的单位为mol/L。Km值表示酶与底物之间的亲和程度:Km值大表示亲和程度小,酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。2.抑制剂对酶反应的影响抑制作用的类型:不可逆抑制作用可逆抑制作用竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制abc3.激活剂对酶反应的影响:提高酶活力4.酶浓度对酶反应的影响:在一定条件下酶促反应的速度和酶浓度成正比。5.温度对酶反应的影响:最适温度6.pH对酶反应的影响:最适pH7.酶的别构(变构)效应别构酶的特点:一般是寡聚酶具有别构效应反应速度和底物浓度关系不符合米曼方程双曲线8.固定化酶六、酶的分离纯化与酶活力测定1.酶的分离纯化基本原则:提取过程中避免酶变性而失去活性基本操作程序:选材抽提分离纯化酶的制剂形式与保存2.酶活力的测定概念酶活力:又称为酶活性,一般把酶催化一定化学反应的能力称为酶活力,通常以在一定条件下酶所催化的化学反应速度来表示。酶活力测定就是测定一定量的酶,在单位时间内产物(P)的生成(增加)量或底物(S)的消耗(减少)量。即测定时确定三种量:①加入一定量的酶;②一定时间间隔;③物质的增减量。测定酶活力常有以下几种方法初速度法平均速度法动态连续测定法快速反应追踪法测酶活所用的反应条件应该是最适条件酶活力测定方法:反应计时反应量的测定:根据被测定物质的物理化学性质通过定量分析法测定。常用的方法有:光谱分析法、化学法和放射性化学法。3.酶活力的表示方法及计算酶活力单位的基本定义为:规定条件(最适条件)下一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。国际单位:“U”和“Kat”习惯单位比活力:酶的比活力是每单位(一般是mg)蛋白质中的酶活力单位数(如:酶单位/mg蛋白)。回收率=某纯化操作后的总活力/某纯化操作前的总活力

核酸化学NucleicAcidchemistry核酸是一类重要的生物大分子,担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域,是基因工程操作的核心分子。核酸概述第一节核酸是遗传物质的载体一、核酸的研究发现史1868年,F.Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质,即现在被称为核酸的物质。1944年,Avery的转换转化实验

orand可分离1952年,Hexshey、ChaseT2噬菌体(捣碎器实验)1953年,Watson、CrickDNA双螺旋模型核酶(Ribozyme)98%核中(染色体中)真核线粒体(mDNA)核外叶绿体(ctDNA)DNA拟核原核核外:质粒(plasmid)病毒:DNA病毒二、核酸的种类和分布

核酸分为两大类:脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid(DNA)核糖核酸RibonucleicAcid(RNA)RNA主要存在于细胞质中

tRNArRNAmRNA

其它

RNA病毒:SARS三、分子生物学的中心法则第二节核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成:CHONP

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖,一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外,还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。

组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖;RNA所含的糖则为β-D-核糖。一、戊糖RiboseDeoxyribose二、碱基1.嘌呤(Purine)123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2.嘧啶(Pyrimidine)123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多,大部分是上述碱基的甲基化产物。三、核苷(nucleoside)核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键,称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)假尿苷(ψ)次黄苷(肌苷)I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷m5G5OHAdenosineGuanosineCytidineUridine四、核苷酸(nucleotide)

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH五、核苷酸衍生物1.继续磷酸化AMPADPATP2.环化磷酸化cAMP

cGMP3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)4.辅酶

NAD、NADP、FMNIMP

GMP六、多聚核苷酸(核酸)多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端(常用5’-P表示);3′-羟基端(常用3’-OH表示)多聚核苷酸链具有方向性,当表示一个多聚核苷酸链时,必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH第三节DNA的结构一、DNA的一级结构脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键:3’,5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。2.基因与基因组基因(gene):一段有功能的DNA片段,生物细胞中DNA分子的最小功能单位(交换单位)。

蛋白质(mRNA蛋白质)产物tRNARNArRNA

调节功能:调节基因无产物

作用未知结构基因基因组(genome):某生物体(完整单倍体)所含全部遗传物质的总和。包括:核基因组(拟核/核DNA)及核外(质粒/质体DNA)bp(碱基对)

103104105106107108109101010111012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小3.原核生物基因组特点重复序列少,多位编码区多为操纵子形式组织有重叠基因存在

真核生物基因组特点以染色体存在重复序列多基因组计划人类基因组计划(HumanGenomeProject,HGP)酵母基因组计划(YGP)大肠杆菌(E.Coli)二、DNA的二级结构

DNA的双螺旋模型1953年,J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上,根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型,提出了著名的DNA双螺旋结构模型,并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。在DNA分子中,嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。DNA双螺旋模型要点B型结构两条链反向平行,右手螺旋碱基在内(A=T,G≡C)碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外,双螺旋每转一周为10碱基对(bp)A型结构碱基平面倾斜20º,螺旋变粗变短,螺距2~3nm。Z型结构左手螺旋,只有小沟2.0nm小沟大沟双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径(nm)螺距(nm)每转碱基对数目碱基对间垂直距离(nm)碱基对与水平面倾角A-DNAB-DNAZ-DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7º双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力(疏水相互作用及范德华力)离子键等则DNA变性剂(热、pH、脲/酰胺、有机溶剂)DNA的存在形式二、DNA的三级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构,负超螺旋原核双链环状DNA(dcDNA)病毒单链环状DNA(scDNA)单链线性DNA(ssDNA)

真核双链线性DNA(dsDNA)第四节RNA的结构与功能一、结构特点碱基组成A、G、C、U(A=U/G≡C)稀有碱基较多,稳定性较差,易水解多为单链结构,少数局部形成螺旋分子较小分类mRNA(hnRNA核不均一RNA)tRNArRNA(snRNA/asRNA)少数RNA病毒二、tRNA占RNA总量的15%一种氨基酸对应最少一种RNA分子量25000左右,大约由70-90个核苷酸组成,沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3'-末端都具有CpCpAOH的结构。tRNA的三级结构三、rRNA占RNA总量的80%原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的3%~5%真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA),称为“尾结构”,5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸,称为”帽结构“。五、snRNA(smallnucleicRNA核小RNA)

scRNA(smallcytoplasmicRNA)

asRNA(antisenseRNA)第五节核酸的性质一、一般的理化性质两性解离/一般呈酸性(在中性溶液中带负电荷),微溶于水,不溶于有机溶剂线性大分子(粘度高。抗剪切力差)可用电泳或离子交换(色谱)进行分离室温条件下,DNA在碱中变性,但不水解,RNA水解加热条件下,D-核糖+浓盐酸+苔黑酚绿色

D-2-脱氧核糖+酸+二苯胺蓝紫色二、核酸的紫外吸收特性在核酸分子中,由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系,因而具有独特的紫外线吸收光谱,一般在260nm左右有最大吸收峰,可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。以A260/A280进行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭(EB),在紫外下发出荧光三、核酸的变性、复性与分子杂交1.变性稳定核酸双螺旋次级键断裂,空间结构破坏,变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。变性表征生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加(增色效应)变性因素

pH(>11.3或<5.0)变性剂(脲、甲酰胺、甲醛)低离子强度加热DNA的变性过程是突变性的,它在很窄的温度区间内完成。因此,通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度,用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85

C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G和C的含量高,Tm值高。因而测定Tm值,可反映DNA分子中G,C含量,可通过经验公式计算:(G+C)%=(Tm-69.3)X2.442.热变性和Tm3.核酸的复性变性核酸的互补链在适当的条件下,重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后,一系列性质将得到恢复,但是生物活性一般只能得到部分的恢复,具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时,DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性,因此又称为“退火”。退火温度=Tm-25℃复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性(重复序列数目)/溶液离子强度4.分子杂交DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。Southern杂交(Southernbolting)Northern杂交(Northernbolting)Western杂交(Westernbolting)四、核酸的序列测定双脱氧链终止法(Sanger酶法)2.Gilbert化学降解法本章小结核酸是遗传物质载体的证明和研究历史核酸的化学结构:戊糖、碱基(A、T、G、C、U),核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点(原子编号)DNA的结构:一级结构(核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定)、二级结构(Watson

-Crick双螺旋模型、Z-DNA)、结构维持的化学键RNA结构与功能:碱基组成特点、RNA的种类结构及功能核酸的性质:酸碱性、变性与复性、分子杂交糖代谢一、代谢总论Metabolism二、多糖和寡聚糖的酶促降解三、糖的无氧降解及厌氧发酵四、葡萄糖的有氧分解代谢五、戊糖磷酸途径phosphopentosepathwayPPP六、糖的合成、糖异生一、糖代谢总论糖代谢包括分解代谢和合成代谢。动物和大多数微生物所需的能量,主要是由糖的分解代谢提供的。另方面,糖分解的中间产物,又为生物体合成其它类型的生物分子,如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等,提供碳源或碳链骨架。植物和某些藻类能够利用太阳能,将二氧化碳和水合成糖类化合物,即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能(主要是糖类化合物),是自然界规模最大的一种能量转换过程。糖与多糖糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物;糖类物质可以根据其水解情况分为:单糖、寡糖和多糖;在生物体内,糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。重要的己糖包括:葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃半乳糖1.单糖的结构-D-吡喃甘露糖-D-呋喃果糖蔗糖2.寡糖(二糖)OOOCH2OHCH2OHHOCH212324

葡萄糖-

,(12)果糖苷葡萄糖-

(14)半乳糖苷乳糖14OCH2OHOCH2OHOHO14123

麦芽糖(1).淀粉(分为直链淀粉和支链淀粉)直链淀粉分子量约1万-200万,250-260个葡萄糖分子,以(14)糖苷键聚合而成。呈螺旋结构,遇碘显紫蓝色。支链淀粉中除了(14)糖苷键构成糖链以外,在支点处存在(16)糖苷键,分子量较高。遇碘显紫红色。3.多糖(2).纤维素由葡萄糖以(14)糖苷键连接而成的直链,不溶于水。(3).几丁质(壳多糖)N-乙酰-D-葡萄糖胺,以(14)糖苷键缩合而成的线性均一多糖。(4).杂多糖糖胺聚糖(粘多糖、氨基多糖等)透明质酸硫酸软骨素硫酸皮肤素硫酸角质素肝素糖原二、多糖和寡聚糖的酶促降解概述多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用,生产中常称为糖化。2.淀粉3.淀粉水解淀粉糊精寡糖麦芽糖G

淀粉的酶促水解:水解淀粉的淀粉酶有α与β淀粉酶,二者只能水解淀粉中的α-1,4糖苷键,水解产物为麦芽糖。α-淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的α-1,4糖键,β淀粉酶只能从非还原端开始水解。水解淀粉中的α-1,6糖苷键的酶是α-1,6糖苷键酶淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。还原末端非还原末端α-1,4糖苷键α-1,6糖苷键三、糖的无氧降解及厌氧发酵糖酵解途径(glycolysis)(EmbdenMeyerhofParnasEMP)(1)EMP途径的生化历程糖酵解过程ab12341)第一阶段:葡萄糖

1,6-二磷酸果糖2)第二阶段:1,6-二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛3)第三阶段:3-磷酸甘油醛

2-磷酸甘油酸4)第四阶段:2-二磷酸甘油酸

丙酮酸葡萄糖分解代谢过程中能量的产生葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式:直接产生ATP;生成高能分子NADH或FADH2,后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。糖酵解:1分子葡萄糖

2分子丙酮酸,共消耗了2个ATP,产生了4个ATP,实际上净生成了2个ATP,同时产生2个NADH。(2)有氧分解(丙酮酸生成乙酰CoA及三羧酸循环)产生的ATP、NADH和FADH2丙酮酸氧化脱羧:丙酮酸

乙酰CoA,生成1个NADH。三羧酸循环:乙酰CoA

CO2和H2O,产生一个GTP(即ATP)、3个NADH和1个FADH2。葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的NADH和FADH2,进入线粒体呼吸链氧化并生成ATP。线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATP的最主要途径。葡萄糖分解代谢总反应式C6H6O6+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Pi

6CO2+10NADH+10H++2FADH2+4ATP按照一个NADH能够产生3个ATP,1个FADH2能够产生2个ATP计算,1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生38个ATP:4ATP+(10

3)ATP+(2

2)ATP=38ATP高能化合物与底物水平磷酸化(substratephosphorglate)结果:脱氢活化,产能调节控制:磷酸果糖激酶(phosphofructokinasePFK)(2)总结2.丙酮酸的无氧降解(酵解与厌氧发酵)(1)乳酸发酵(同型乳酸发酵)lacticfermation

动物乳酸菌(乳杆菌、乳链球菌)G+2ADP+2Pi2乳酸+2ATP+2水

(2)酒精发酵(酵母的第Ⅰ型发酵)

alcoholicfermation(3)甘油发酵(酵母的第Ⅱ型发酵)四、葡萄糖的有氧分解代谢有氧氧化:大多数生物的主要代谢途径EMPpyrTCA

可衍生许多其他物质pyr脱羧

TCA1.丙酮酸氧化脱羧—乙酰CoA的生成基本反应:糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下,生成乙酰辅酶A。催化酶:

这一多酶复合体位于线粒体内膜上,原核细胞则在胞液中。丙酮酸脱氢酶系三种酶六种辅助因子E1-丙酮酸脱羧酶(也叫丙酮酸脱氢酶)E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶E3-二氢硫锌酰胺脱氢酶。焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、COASH、FAD、NAD+、Mg2+2.乙酰CoA的彻底氧化分解——TricarboxylicacidcycleTCA化学反应历程(10步反应、8种酶)糖酵解有二重作用:一是降解产生ATP,二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料。在酵解过程中有三个不可逆反应,也就是说有三个调控步骤,分别被三个酶多点调节:己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入,丙酮酸激酶调节酵解的出口。三羧酸循环草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酸辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A三羧酸循环过程总结(一次循环)10步反应8种酶催化反应类型缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1生成3分子还原型CoⅠ生成1分子FADH2生成1分子ATP三羧酸循环总反应式三羧酸循环的生物学意义1.普遍存在2.生物体获得能量的最有效方式3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽4.获得微生物发酵产品的途径柠檬酸、谷氨酸3.丙酮酸羧化支路(回补途径)三羧酸循环不仅是产生ATP的途径,它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA,谷氨酸、天冬氨酸是从α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降,势必影响三羧酸循环的进行。1.丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸,需要生物素为辅酶。2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和α-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。其反应将在氨基酸代谢中讲述。基本生化途径:关键:柠檬酸进一步降解合成前体原料保证

4.柠檬酸发酵五、戊糖磷酸途径phosphopentosepathwayPPP

糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径,但不是唯一途径。实验研究也表明:在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等,葡萄糖仍可以被消耗,这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径,即磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway,PPP),也称为磷酸己糖旁路(hexosemonophosphatepathway/shunt,HMP)。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中,动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。1.磷酸戊糖途径的反应过程(1)G-6-P脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖。(2)磷酸戊糖的异构化

(3)磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。2.磷酸戊糖途径的调节

肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低,所以它是戊糖途径的限速酶,催化不可逆反应步骤。其活性受NADP+/NADPH比值的调节,NADPH竞争性抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值要高几个数量级,前者为700,后者为0.014,这使NADHP可以进行有效的反馈抑制调控。只有NADPH在脂肪的生物合成中被消耗时才能解除抑制,再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出NADPH。

非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。5-磷酸核糖过多时,可转化成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醇进行酵解。六、糖的合成、糖异生糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程,但具体过程并不是完全相同,因为在酵解过程中有三步是不可逆的反应,而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应,完成糖的异生过程。一、糖异生的证据及其生理意义用整体动物做实验,禁食24小时,大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%,饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷,它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中,这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当给用根皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸后,这些动物尿中的糖含量增加。糖尿病人或切除胰岛的动物,他们从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时,尿中糖含量增加。1.糖异生的证据如下:糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的,成人每天约需要160克葡萄糖,其中120克用于脑代谢,而糖原的贮存量是很有限的,所以需要糖异生来补充糖的不足。在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后,糖异生能使酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度,满足组织对糖的需要是十分重要的。糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量,当体内糖供应不足时,机体会大量动员脂肪分解,此时会产生过多的酮体(乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮),而酮体则必须经过三羧酸循环才能彻底氧化,此时糖异生对维持三羧酸循环的正常进行起主要作用。2、糖异生的生理意义糖异生作用的总反应式如下:2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H2O→葡萄糖+2NAD++4ADP+2GDP+6Pi二、糖异生的途径1、丙酮酸羧化生成磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸+ATP+GTP→磷酸烯醇式丙酮酸+ADP+GDP+CO22、磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应生成1,6-二磷酸果糖。这个过程也要逾越一个能障,即从3-磷酸甘油酸转变成1,3-二磷酸甘油酸的过程中需要消耗一个ATP。3、1,6-二磷酸果糖转化成6-磷酸果糖。这是糖异生作用中的关键反应,由果糖二磷酸酶催化。该酶是一个别构酶,被其负效应物AMP、2,6-二磷酸果糖强烈抑制,但ATP、柠檬酸和3-磷酸甘油酸可激活此酶的活性。4、6-磷酸果糖转化为葡萄糖,由葡萄糖-6-磷酸酶催化。该酶只在肝脏中存在,在肌肉或脑组织中没有此酶存在,因此糖异生作用只能在肝脏中进行。三、糖异生途径的前体1、凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖。例如三羧酸循环的中间物,柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可以转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。2、大多数氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等,它们可转化成丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间物参加糖异生途径。3、Cori循环:剧烈运动时产生的大量乳酸会迅速扩散到血液,随血流流至肝脏,先氧化成丙酮酸,再经过糖异生作用转变为葡萄糖,进而补充血糖,也可重新合成肌糖原被贮存起来。这一乳酸——葡萄糖的循环过程称为Cori循环。4、反刍动物糖异生途径十分活跃,牛胃中的细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等奇数脂肪酸可转变成为琥珀酰CoA参加糖异生途径合成葡萄糖。本章小结糖类的概念淀粉及其酶解(淀粉糊化,酶促水解)单糖:G、F、半乳糖双糖:蔗糖,麦芽糖,乳糖多糖:淀粉(直链支链),糖原α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶3.

葡萄糖酵解及厌氧发酵4.葡萄糖的有氧代谢5.

戊糖途径(G-1-P脱氢,NADPH)6.

糖异生EMP、乳酸发酵、酒精发酵丙酮酸脱羧、TCA、四碳回补、柠檬酸与Glu发酵糖分解综合图解生物氧化

生物氧化概念生物氧化的特点生物氧化的本质及过程

NADH和FADH2的彻底氧化一、生物氧化概念

有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能呼吸作用O2CO2+H2O细胞呼吸(微生物)二、生物氧化的特点生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程,反应条件温和(水溶液,中性pH和常温)。氧化进行过程中,必然伴随生物还原反应的发生。水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。在生物氧化中,碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子,通常由各种载体,如NADH等传递到氧并生成水。生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化,每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量,提高能量利用率。生物氧化释放的能量,通过与ATP合成相偶联,转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。本质

生物氧化的本质是电子的得失,失电子者为还原剂,是电子供体,得电子者为氧化剂,是电子受体在生物体内,它有三种方式:加氧氧化电子转移

三、生物氧化的本质及过程O2苯丙氨酸酪氨酸乳酸脱氢酶

脱氢氧化

在无氧条件下,兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体,将燃料分子氧化分解,这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵),有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。2.无氧氧化3.有氧氧化

生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下,好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体,可将燃料分子完全氧化分解,这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全,产能多,所以,只要有氧气存在,细胞都优先进行有氧氧化。生物能及其存在形式生物能和ATPATP是生物能存在的主要形式ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。高能化合物生物体通过生物氧化所产生的能量,除一部分用以维持体温外,大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中。根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型:磷氧键型

酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸焦磷酸化合物ATP(三磷酸腺苷)焦磷酸7.3千卡/摩尔烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸四、NADH和FADH2的彻底氧化(末端电子传递链)1.在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产

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