1、 1 动物生物化学 蛋白质的生物学功能 生物催化作用：酶 运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白 调节作用：如胰岛素、生长激素 运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子 营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白 结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白 能量转换蛋白：如细胞色素 基因调节蛋白：如阻遏蛋白 组成蛋白质的氨基酸种类（ 20 种），名称，符号，通式，侧链基团的特征 在中性 pH条件下 按其 R侧链极性和所带电荷的不同，分为四大类 , 不带电荷极性氨基酸 ： Gly 甘氨酸 , Ser丝氨酸 , Thr苏氨酸 , Cys半胱氨酸 ,Asn天冬酰胺 ,Gln谷氨酰胺 带负电荷极性氨基酸 ： As
2、p精氨酸 , Glu谷氨酸 带正电荷极性氨基酸 ： His组氨酸 , Arg精氨酸 , Lys赖氨酸 非极性氨基酸： Ala丙氨酸 , Val缬氨酸 , Leu 亮氨酸 , Ile异亮氨酸 , Pro脯氨酸 , Phe苯丙氨酸 , Trp色氨酸 , Met 甲硫氨酸 氨基酸的两性解离 氨基酸分子在水溶液中呈两性离子状态，在其等电点时，氨基酸所带的正、负电荷相等，净电荷为零。 氨基酸的等电点 对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的 pH，氨基酸以两性离子的形式存在，并且其所 带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷为零。在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。此时溶液的 pH 称为这种氨基酸的
3、等电点（ pI）。例如，甘氨酸的羧基的 pK1为 2.34，氨基的 pK2为 9.60，其 pI为 5.97。 肽键（ peptide bond）和肽（ peptide ） 肽键：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的 -COOH 和另一个氨基酸的 -NH2 之间脱水缩合而成2 的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。 肽单位平面与二面角 肽平面（ peptide plane）：肽链主链的肽键 C-N 具有双键的性质，因而不能自由 的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面。通常是反式的。 二面角（ dihedral angle） 肽平面的连接处为碳原子。它与
4、相邻的两个参与肽键形成的 C 和 N 原子之间的单键可以在一定范围内转动， C -N 之间称角，在 C -C之间称角，这就是 -碳原子上的一对二面角。这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。 关于蛋白质的构象（空间结构） 蛋白质结构极其复杂，但具有明显的结构层次 一级结构（多肽链上的氨基酸排列顺序） 二级结构（多肽链主链骨架的局部空间结构） 超二 级结构（二级结构单位的集合体） 结构域（多肽链上可以明显区分的球状区域） 三级结构（多肽链上所有原子和基团的空间排布） 四级结构（由球状亚基或分子缔合而成的集合体） 一级结构（ primary structure） 即蛋白质的化学结构，是指多肽链上各种
5、氨基酸残基的种类和排列顺序，也包括二硫键的数目。如牛胰岛素的一级结构： 51 个氨基酸， A（ 21 肽）、 B（ 30 肽）两条肽链， A 链内一对 S-S， A 和 B链间 2对 S-S 蛋白质的高级结构 指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，即构象（ conformation）或空间结构。构象由单键旋转产生的各种立体结构，而构型（ configuration ）是通过改变共价键形成的结构。 蛋白质的高级结构由明显的结构层次。 一级结构是空间结构的基础。 二级结构（ secondary structure） 指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象
6、，维系二级结构的力是氢键。二级结构主要形式有： -螺旋、 -折叠、 -转角、无规卷曲 超二级结构（ super secondary structure） 3 在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一定规律 组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，超二级结构又称模体（ motif）。 结构域（ domain） 在较大的蛋白质分子里，多肽链的空间折叠常常形成两个或多个近似球状的三维实体 ,它们之间由舒展的肽链连接。 三级结构（ tertiary structure） 指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构 , 或者说三级结构
7、是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。三级结构的稳定主要靠非共价相互作用 ,S-S 键也发挥重要作用。氨基酸亲水的基团倾向于分布 在分子的表面，疏水的基团在分子的内部。 四级结构（ quaternary structure） 多个具有三级结构的多肽链（称亚基， Subunit）的聚合。或者说，四级结构指亚基的种类、数目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用 。四级结构的稳定主要靠是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等 。如血红蛋白的四级结构。血红蛋白由 4个亚基组成（2 2），每个亚基都与肌红蛋白非常相似。 非共价键 氢键（ hydrogen bonds） 由两个
8、原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体 ，另一个是氢受体 范德瓦尔力（ Van der Waals bonds） 一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力 疏水力（ hydrophobic interaction） 非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力 离子键（ ionic bonds） 正、负电荷之间的静电引力 蛋白结构与功能的关系 一级结构与功能的关系 氨基酸组成变化改变其功能 一级结构改变引起分子病 基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病 （ molecular disease）。最
9、早从分子水平证明的先天性遗传病 镰刀形红细胞贫4 血症 (sickle-cell anemia)。 高级结构与功能的关系 变性（ denaturation） 是指一些理化因素，如热、光、机械力、酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。变性有时是可逆的。消除变性的因素，有些蛋白质的生物活性可能得以恢复，称为复性 （ renaturation）。如核糖核酸酶RNase的变性与复性。 变构作用（ Allosteric effect ）
10、是指效应剂（变构剂）作用于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，结果引起蛋白质或酶的生物活性发生变化。有的结果是变构激活，有的则是变构抑制。例如，在血红蛋白中，其 4 个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合（比较难）后，引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他亚基与氧的结合能力，使它们与氧的结合变得容易。其动力学曲线呈 S型。 脱氧核糖核酸， DNA （ Deoxyribonucleic Acid） 在原核细胞是核质的成分，在真核细胞 DNA 与蛋白质结合形成染色体，少量存在于线粒体。一个生命有机体的每个体细胞（除生殖
11、细胞外）都含有相同质和量的 DNA，包含了它的全部遗传信息。 核糖核酸， RNA （ Ribonucleic Acid） 主要存在于胞液内，真核细胞的核仁和线粒体也含有少量 RNA。 RNA的量是变动的。主要有信使RNA（ mRNA），转运 RNA（ tRNA）和核糖体 RNA（ rRNA）。病毒或者是 DNA病毒或者是 RNA病毒。 DNA DNA分子的大小。天然存在的 DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在 106-1010 。DNA的碱基组成有如下特点：具有种的特异性。没有器官和组织的特异性。 在同一种 DNA中， A=T 、 G = C+m5 C，即 A+G = T+C+m
12、C， 即嘌呤碱基的总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等 碱基当量定律又称 Chargaff原则。年龄、营养状况、环境的改变不影响 DNA的碱基组成。 RNA RNA的碱基组成： A、 G、 C、 U, 含少量的稀有碱基 RNA分子的类型： mRNA、 rRNA、 tRNA mRNA：占细胞中 RNA总量的 3%-5%，分子量大小不一，不稳定，代谢活跃，更新迅速，是合成蛋5 白质的模板。 rRNA：细胞中含量最多的 RNA， 70%-80%, 核糖体的组成成分。 tRNA：约占细胞中 RNA总量的 15%。约由 75-90 个核苷酸组成。蛋白质合成中携带活化的氨基酸 核酸中核苷酸的连结方式 核苷酸之
13、间的连接方式是 3， 5 -磷酸二酯键 DNA的二级结构 DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 (简称 DNA单链 )组成。两条链沿着同一根 轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。两条链的走向相反。碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。 螺旋的直径约为 2nm，一圈螺旋包含 10 对碱基，其高度为 3.4nm。碱基平面之间的垂直距离 0.34nm。在 DNA分子中，根据 Chargaff 原则，碱基之间具有严格的互补配对规律， A和 T之间形成两对氢键，G与 C之间形成三对氢键 核酸的性质 紫外吸收的特性：嘌呤和嘧啶在 260 nm有特异的吸收峰 ,这个性质用于核酸的分析 溶解性：溶于偏
14、碱的溶剂中，可以为乙醇沉淀，容易受机械作用力而断裂 黏性 DNA溶液有高度的黏性 DNA分子的变性 DNA双螺旋的有序结构受各种理化因子，如热、酸碱、变性剂、有机溶剂以及稀释的作用，转变为无规则的线团结构。变性的特征 增色效应 , 黏度和比旋下降，沉降系数增加，生物学活性丧失 增色效应 (hyperchromic effect) 核酸分子加热变性时，其在 260nm 处的紫外吸收急剧增加的现象。 Tm值 当紫外吸收变化达到最大变化的半数值时，此时所对应的温度称为熔解温度（ Tm ）、变性温度或中点解链温度。 影响 Tm 值的因素 1.溶液的性质 2.DNA中碱基组成的影响 复性：变性 DNA分
15、开的两股链 在适当条件下重新生成双链结构的过程 退火（ annealing） :热变性的 DNA经缓慢冷却复性的过程。 当两条不同来源的 DNA（或 RNA）链或 DNA链与 RNA链之间存在互补的碱基序列时，在一定条件下可以通过互相配对形成双螺旋分子，这种分子称为杂交分子。形成杂交分子的过程称为分子杂交6 （ molecular hybridization） 。 核酸探针（ nucleic acid probe） :某一具有特定序列并且用同位素或其他化学方法标记的 DNA或 RNA片段。通常是人工合成的。 酶的概念 酶是生物催化剂。绝大部分酶 是蛋白质，还有一些核糖核酸 RNA 具有催化作用
16、，称为核酶（ ribozyme）。细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（ enzyme）催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。 酶的命名 （ 1）习惯命名 依据所催化的底物（ substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。 （ 2）系统命名 根据底物与反应性质命名 反应：葡萄糖 +ATP 葡萄糖 -6-磷酸 +ADP 命名： 葡萄糖： ATP 磷酰基转移酶（习惯名称，葡萄糖激酶） 酶的分类 氧化还原酶 AH2+B A+BH2 转移酶 Ax+C A+Cx 水解酶 AB+H2O AH+BOH 裂
17、解酶 A B+C 异构酶 A B 合成酶 A+B C， 需要 ATP 酶活性 (enzyme activity) 酶活性的表示方法： 酶活性指的是 酶的催化能力，用反应速度来衡量，即单位时间里产物的增加或底物的减少。 V= dP / dt = - dS / dt。测定方法： 吸光度测定、气体分析、电化学分析等。 酶的特点 高效性：酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高 108 -1020 倍。比其他催化反应高 106 -1013倍。例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O+ O2 Fe3+ 催化，效率为 6 104 mol/mol. s 过氧化氢酶催化，效率为 6 106 mol/mol.s
18、 7 专一性 ：即对底物的选择性或特异性。 一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。 绝对专一性 一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。例如，脲酶只催化尿素水解成 CO2 和 NH3。 相对专一性 一种酶作用于一类化合物或一类化学键。例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有不同的要求。 立体专一性 指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。例如，乳酸脱氢酶专一地催化 L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应的定向进行。 酶的应用 酶基因的缺失引起遗传病酶活性的高低作为疾病诊断指标 酶作为试剂用 于临床检验和科学研究酶和酶的抑制剂作为
19、治疗药物 酶制剂作为饲料添加剂 酶用于食品加工 酶用于工业生产 酶的化学本质 已知的上千种酶绝大部分是蛋白质 单纯酶：少数，例如：溶菌酶（催化水解细菌多糖细胞壁） 结合酶：大多数 结合酶 = 酶蛋白 + 辅因子 辅因子包括 :辅酶、辅基和金属离子。 酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决定反应的专一性。 辅酶、辅基的作用：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化反应的性质。有十几种 . 辅酶与辅基的异同点 : 它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有关。但 是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。 金属离子的作用：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白
20、的构象；酶的“活性中心”的部分。 酶的活性中心（ active site）与酶的催化活性有关的基团称为必需基团 活性中心内的必需基团 必需基团 活性中心外的必需基团 结合基团（与底物结合，决定专一性） 8 活性中心 催化基团（影响化学键稳定性 ,决定催化能力） 酶原激活 无活性的酶原（ proenzyme），在特定的条件下，通过部分肽段的有限水解，转变成有活性的酶。如，动物 的消化酶。 活化能 化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。 中间产物学说 酶介入了反应过程。通过
21、形成不稳定的过渡态中间复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步反应都只需较少的能量活化 ,从而使整个反应的活化能降低。形成过渡态中间复合物是关键。 诱导契合学说（ induced fit） 诱导契合学说认为，酶和底物都有自己特有的构象，在两者相互作用时，一些基团通过相互取向，定位以形成 中间复合物。 催化机理 邻近与定向效应：增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。 张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。 酸碱催化：活性中心的一些基团，如 His， Asp 作为质子的受体或供体，参与传递质子。 共价催化：酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反应易于进行。 疏水效应
22、：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触 温度对酶促反应速度的影响 一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，酶会因热变 性，导致催化活性下降。 最适温度（ optimum T）：使酶促反应速度达到最大时的温度。 最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在 37 0C -40 0C左右。有的温泉微生物的酶非常耐热，也有的酶在较低的温度下活性反而高。 溶液 pH 值对酶促反应速度的影响 9 最适 pH（ optimum pH）：使酶促反应速度达到最大时溶液的 pH。酶的最适 pH 与酶的性质、底物和
23、缓冲体系有关。在最适 pH时，酶和底物之间有最好的结合状态。 酶浓度对酶促反应速度的影响 在其他条件确定时，反应速度与酶的浓度成正比。 一个可 以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化（ G ）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无关。 底物浓度对酶促反应速度的影响 在其他条件确定的情况下，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。当底物浓度较高时， v 也随着 S的增加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度也达到最大值（ 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。反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线，称
24、为米氏双曲线，其数学表达式为米氏方程 . 米氏常数及其意义 由米氏方程可知，米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度 ,即当 v = 1/2Vm时， Km = S 米氏常数 Km=(k-1+k+2)/k+1 在反应的起始阶段， k+2 k-1， m k-1 k+1 平解离 此时， m越大，说明和之间的亲和力越小，复合物越不稳定。 当 m越小时，说明和的亲和力越大，复合物越稳定，也越有利于反应。 米氏常数 m对于酶是特征性的。每一种酶对于它的一种底物只有一个米氏常数。 激活剂对酶促反应速度的影响 金属离子 如 Mg+ 对磷酰基转移酶， Cu+对一些氧化酶， Cl-对淀粉酶有激活作用。一些有机
25、小分子 如 Vit C，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基酶有激活作用。 抑制剂对酶促反应速度的影响 酶的抑制剂（ inhibitor） :凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。酶抑制作用分为可逆抑制作用和不可逆抑制作用两大类。 可逆抑制作用（ reversible inhibition） 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、超滤等物理方法被除去，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，又可以分为竞争性抑制、 非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合抑制等。 竞争性抑制（ competitive inhibitor） 10 竞争性抑制剂因具有与底
26、物相似的结构，与底物竞争酶的活性中心，与酶形成可逆的 EI 复合物，减少的酶与底物结合的机会，使酶的反应速度降低的作用。这种抑制作用可通过增加底物浓度来解除。竞争性抑制的动力学特点是 Vmax不变，而 Km增大 非竞争性抑制（ non-competitive inhibitor） 非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的必需基团结合，形成 EI 或 ESI 复合物，结果不能进一步形成产物 P，于是使酶反应受到 抑制，这种作用不能通过增加底物浓度的方法来消除。 在可逆的非竞争性抑制作用中：抑制剂结合在活性中心以外；抑制剂的结合阻断了反应的发生。非竞争性抑制作用的动力学特点是 Vmax变小，而 Km 不
27、变。 不可逆抑制（ irreversible inhibition） 抑制剂与酶反应中心的活性基团以 共价 形式结合，从而抑制酶活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。例如：有机磷农药中毒（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂 1605、 1059等）。乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋性神经递质乙酰胆碱 不能及时清除降解，而是过量地积累引起中毒。 酶活性的调节 反馈控制 ( feed Back) 终产物 P 对途径开头和分支点上的关键酶活性的调节。字母 e 表示酶。 + 表示激活， - 表示抑制。 变构调节 变构酶有特征性的 S 形动力学曲线。变构剂或底物浓度，
28、在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度显著的改变，因此更具可调节性。 变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或分支点上，通过反馈控制来调节。 调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称异促变构。变构剂与 底物结合在同一个亚基上，称同促变构。 化学修饰 (chemical modification )又称酶的共价修饰 有磷酸化 /脱磷酸，腺苷酰化 /脱腺苷酰以及甲基化 /脱甲基等形式。酶的活性在两种状态之间变化。这个化学修饰过程也是由酶催化的 糖酵解 (Glycolysis) 糖的无氧氧化 同工酶（ isozyme） 指催化相同的化学反
29、应，但是理化性质不同的酶。如，氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米11 氏常数等不同。如乳酸脱氢酶同工酶 LDH，由 2种亚基（ M和 H）组合成 5种 4聚体 H4和 M4分别在心肌中和在肌肉中活性最高。 酵解 是在无氧或缺氧的条件下，葡萄糖或糖原分解成乳酸并且有能量（ ATP）释放的过程。 总反应为 : 葡萄糖 2 乳酸 + 能量 第一阶段 葡萄糖（ 6C）断裂变为 2个磷酸丙糖（ 3C） 注意，这个过程消耗了 2个 ATP分子 第二阶段 生成丙酮酸 在这个阶段发生了氧化反应（生成 NADH）和第一次形成了高能键，共产生了 2个 ATP分子 接着，烯醇化酶催化的反应使分子内部基团重排能量重新
30、分布，形成了第二个高能键，共生成 2个 ATP分子 第三阶段 丙酮酸还原成乳酸 在无氧的条件下，丙 酮酸在乳酸脱氢酶的催化下，加氢还原生成乳酸，所需的 NADH 来自第二阶段的反应。 糖酵解的生理意义 是动物机体在无氧或供氧不充分的情况下通过分解葡萄糖或糖原获得部分能量的重要方式。运动和使役的动物肌肉，一些供氧不足的组织，如视网膜、皮肤、睾丸以及肿瘤等组织通过这个途径获得部分能量。酵解途径与糖的有氧氧化途径、磷酸戊糖途径以及异生途径都有密切联系。 有氧氧化（ aerobic oxidation） 有氧条件下 ,葡萄糖彻底氧化生成 CO2和 H2O,并伴有能量释放的过程 过程分三阶段 ,第一阶段
31、在胞液 (同酵解 )，后两个阶 段在线粒体中进行 第一阶段 由葡萄糖 2 丙酮酸 第二阶段 丙酮酸的氧化 丙酮酸（ 3C）转变为乙酰 CoA（ 2C），在线粒体中进行，由丙酮酸脱氢酶系催化，为不可逆反应，它包含有三个酶 。 注意 产物为 2分子乙酰 CoA 第三阶段 三羧酸循环 1937年 Crebs提出。又称柠檬酸循环或 Crebs循环。 以乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合成柠檬酸（含 3 个羧基）的反应为起始，对乙酰基团进行氧化脱羧再生成草酰乙酸的单向循环反应序列。在线粒体中进行。 12 三羧酸循环的产物 乙酰 CoA（ 2C）经过三 羧酸循环完全分解释放 2个 CO2，同时生成 3个 NAD
32、H2， 1个 FADH2， 1个GTP（或 ATP）。 NADH2 和 FADH2 所携带的 H原子来自循环中代谢中间物的脱氢。 在有氧条件下，每 2个 H原子可以通过呼吸链（电子传递系统）传递给 1/2O2，生成 H2O，并且有能量释放用以合成 ATP。 1 分子 NADH2 经呼吸链生成 1分子 H2O和 2.5个 ATP 1 分子 FADH2 经呼吸链生成 1分子 H2O和 1.5个 ATP 以 1分子的葡萄糖完全氧化为例进行能量计算 第一阶段（胞液）：生成 2ATP生成 2NADH2计 7（ 5） ATP 第二阶段（线粒体）： 2NADH2 2CO2 计 5ATP 第三阶段（线粒体）
33、： 6NADH24CO2 2FADH2 2GTP（或 2ATP） 计 20ATP 共计 32（ 30） ATP和 6CO2 有氧氧化的生理意义 糖的有氧氧化是动物获得能量的主要方式。糖的有氧氧化是糖、脂和氨基酸等营养物质分解代谢的共同归宿。糖的有氧氧化也是糖、脂和氨基酸等营养物质互相转变和联系的共同枢纽。糖的有氧氧化途径为嘌呤、嘧啶、尿素的合成提供二氧化碳，也是大自然碳循环的重要组成部分。 磷酸戊糖途径（ pentose phosphate pathway） 不依赖于有氧或无氧的葡萄糖分解途径，约有 30%的葡萄糖经过这条途径代谢，在胞液中进行，尤其在合成代谢旺盛的组织中活跃。 从 6-P-葡
34、萄糖开始，经过两个阶段： 1. 氧化阶段 产生 NADPH2、 CO2和 5-P-核酮糖； 2. 非氧化阶段 通过基团的交换和分子内部的重组， 5-P-核酮糖又转变为磷酸己糖。 磷酸戊糖途径的生理意义 途径生成的 NADPH 用于还原性生物合成，如脂肪酸、胆固醇、脱氧核苷酸、谷胱甘肽等的合成，维持细胞的还原性，也可以氧化供能。途径生成的磷酸核糖是合成核苷酸的原料 。与糖的酵解途径和有氧氧化途径相联系，也是其他单糖代谢和转变的途径。与植物的光合过程有密切联系 糖的异生作用 非糖物质可以通过糖代谢途径中的某个代谢中间产物沿着糖的分解途径逆转转变成葡萄糖或糖13 原，称为糖的异生作用，发生在肝脏和肾
35、脏中。异生作用不是糖分解代谢的简单逆转，必须克服那些由关键酶所催化的不可逆反应造成的“能障”。主要有三个反应 , 异生过程必须设法“绕过”这三个不可逆的反应 . 己糖激酶（葡萄糖激酶，肝） : 葡萄糖 ATP 葡萄糖 -6-磷酸 磷酸果糖激酶 : 果糖 -6-磷酸 ATP 果糖 -1,6-二磷酸 丙酮酸激酶 : 磷酸烯醇式丙酮酸 ATP 丙酮酸 +ATP 糖异生的反应过程 要克服糖分解代谢途径中的三个障碍 (不可逆反应 ) 苹果酸在转运草酰乙酸时发挥了载体的作用 异生作用的意义和乳酸的利用 在糖的来源不足时，如饥饿、禁食等情况下，异生作用是维持机体血糖水平的重要手段，对神经组织、大脑、胎儿尤其
36、重要。反刍动物 50%葡萄糖的来源通过丙酸的异生作用 (见脂代谢 )。肝脏在氧化来自肌糖原酵解生成的乳酸同时，还可将其转变为葡萄糖或肝 糖原，实现对乳酸的再利用 , 称为 Coris 循环。 糖原的分解与合成 糖原结构 糖原 ( glycogen )，又称动物淀粉，支链，分子量数百万以上。主要由葡萄糖以 （ 1， 4）糖苷键相连（ 93%），以少量（ 1， 6）糖苷键（ 7%）形成分支。有肝糖原和肌糖原。 糖原分解 在磷酸化酶催化下糖原被磷酸解生成葡萄糖 -1-磷酸 ,其分支由脱支酶催化水解脱去 ,生成葡萄糖。葡萄糖 -1-磷酸在磷酸葡萄糖变位酶的作用下转变成葡萄糖 -6-磷酸，后者或者进入糖
37、的氧化分解途径 , 或者在葡萄糖磷酸酶 (肝脏 )作用下水解成葡萄糖，释放进入 血液。 糖原合成 过多摄入的葡萄糖可以通过合成糖原贮存在肝和肌肉中 .但是每个葡萄糖分子都首先要磷酸化成为 6-P-葡萄糖，再异构成 1-P-葡萄糖，后者再进一步活化为尿苷二磷酸葡萄糖 (UDPG)。再在糖原引物的非还原端逐个加上葡萄糖基，同时释放出 UDP，糖原合成酶是这个反应的关键酶。糖原的分支由分支酶催化形成 . 糖代谢各途径之间的联系 第一个交汇点： 6-磷酸葡萄糖 第二个交汇点： 3-磷酸甘油醛 14 第三个交汇点：丙酮酸 糖代谢的调节 途径的相互影响，有氧条件下，细胞能量水平的提高，通过高浓度的 ATP
38、 抑制肌肉磷酸己 糖激酶的活性以降低酵解途径的活性，这种有氧氧化抑制酵解途径称巴斯德效应。磷酸戊糖途径中的 6-P-葡萄糖酸（作为一种竞争性抑制剂）也可以抑制磷酸己糖异构酶，从而抑制酵解和有氧氧化途径。激素的影响：激素对糖代谢的影响主要有胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素和糖皮质激素等。 细胞能量水平的调节 糖的过量摄入，除了部分供能以外，糖原的合成增加；而运动使糖的分解加快，糖原的合成变慢。缺乏糖的供应，糖异生作用加强。 途径中关键酶的活性在相当程度上受到细胞能量水平（主要是细胞中腺嘌呤核苷酸， ATP和 ADP、AMP的相对比例）的 影响，这些核苷酸常是糖代谢途径关键酶的变构调节剂。 脂类的生理
39、功能 动物机体的脂类（ lipids）分为脂肪和类脂两大类。 脂肪指甘油三酯 （ Triglyceride, TG)，主要是储脂，既是能量来源，也是能量储备，其储量与营养状况有关 .。类脂指除脂肪以外的其他脂类。包括磷脂、糖脂、胆固醇及其酯，它们是组织脂的主要成分，如细胞膜的成分，其含量是稳定的。此外还有其他的脂溶性分子。 脂肪的动员 ( adipokinetic action） 指在 激素敏感脂酶 作用下脂肪组织中的脂肪水解为脂肪酸和甘油并释放入血液供 其他组织利用的过程。激素敏感脂酶的活性受多种激素调控，胰岛素下调，肾上腺素与胰高血 糖素上调其活性。 甘油的分解 按糖代谢途径进行分解。注意
40、，甘油必须从脂肪组织中转运到肝脏进行分解，因为催化甘油磷酸化的甘油激酶为肝脏、肾中特有。 脂肪酸的 -氧化 脂肪酸的分解氧化发生在 -碳原子上，每次降解生成一个乙酰 CoA和比原来少两个碳原子的脂酰 CoA, 如此循环往复。乙酰 CoA经过三羧酸循环彻底氧化分解并释放能量。脂肪酸的氧化在线粒体的基质中进行。 以 偶数饱和脂肪酸 软脂酸（又称棕榈酸， 16： 0 ）为例 (1) 脂肪酸的活化 生成脂酰 CoA RCH2CH2CH2COOH+HSCoA+ATP RCH2CH2CH2CO-SCoA + AMP + PPi 催化该反应的酶为脂酰 CoA 合成酶（硫激酶），反应消耗了一个 ATP分子中的
41、 2个高能键 15 (2) 转移 从胞液到线粒体 L-(CH3)3N+- CH2CH(OH)CH2COO L- -羟 - -三甲氨基丁酸（肉碱， carnitine） (3) 脱氢注意生成了 FADH (4) 加水 至此完成 1次 -氧化 , 生成 1分子乙酰 CoA 以及少了 2个碳原子的 脂酰 CoA，再经过脱氢，加水，再脱氢，硫解的多次循环往复，可以 将偶数脂肪酸完全降解成乙酰 CoA。 脂肪酸 -氧化 脂肪酸活化（胞液） 转移（肉碱系统） 脱氢 -加水 -再脱氢 -硫解 -循环往复（线粒体） 产生的 FADH和 NADH进入呼吸链 , 乙酰 CoA进入三羧酸循环氧化分解 以软脂酸为例的
42、能量计算 软脂酸（ 16： 0） + 8HSCoA + 7NAD+7FAD+7H2O 8乙酰 CoA+7NADH2+7FADH2 8 乙酰 CoA 80ATP 7NADH2 17.5ATP 7FADH2 10.5ATP 总计 =108-2=106ATP（注意： -2 ） 奇数脂肪酸的代谢 在反刍动物一半以上的血糖来自丙酸的异生作用 . 酮体的生成与利用 酮体（ ketone body）是一类小分子有机酸，是脂肪酸在肝中分解氧化时产生的特有的中间代谢物，有乙酰乙酸（ 也有称 -酮丁酸）、 -羟丁酸和丙酮。在肝脏中由乙酰 CoA 缩合生成，在肝外组织，如脑、心、骨骼肌中利用。 解酮作用（ keto
43、lysis） 由于 肝内缺乏分解酮体所需要的硫激酶，酮体的分解须在肝外组织中进行（需要乙酰乙酸 -琥珀酰 CoA转移酶，又称转硫酶 , 其作用相当于硫激酶），最终将酮体转变成乙酰 CoA进入三羧酸循环氧化分解。 酮体的生理意义与酮病（ ketosis） 肌肉组织对脂肪酸的利用是有限的，而酮体分子小，水溶性，是易于利用的能源分子。如心肌、肾皮质、长时间运动中的骨骼肌都可以利用酮体。 大脑不能直接利用脂肪酸。饥饿引起血糖水平降16 低时，大脑转而利用酮体以减少对葡萄糖的依赖。过多的脂肪摄入，长期饥饿，葡萄糖供应短缺（常见于高产乳牛，妊娠期的母畜等 ），导致脂肪大量动员，产生过量的乙酰 CoA，可缩
44、合成酮体。在糖尿病人，由于糖的大量损失，草酰乙酸转入异生途径而使三羧酸循环变得不畅，糖不能有效氧化分解，促使乙酰 CoA 累积 , 也导致了酮体的大量形成。结果是酮体在血液中的浓度增加，当其超过肝外组织的利用能力时，引起酮血、酮尿等，以至酸中毒，即酮病。 胆固醇的生物合成 70%-80%的胆固醇由肝脏合成，少量由小肠合成。合成胆固醇的场所是胞液的微粒体部分，原料是乙酰 CoA。合成一个分子的胆固醇需要 18 分子的乙酰 CoA，并由柠檬酸 -丙酮酸循环和磷酸戊糖途径提供 10分子的 NADPH，期间 ATP生成焦磷酸酯中间物和脱去二氧化碳。 HMGCoA 还原酶是途径的关键酶，受胆固醇的反馈抑
45、制。 胆固醇在动物体内的转化 胆固醇的母核 -环戊烷多氢菲难以分解，但其侧链可以氧化、还原和降解转变为生理活性分子。转变为胆汁酸是胆固醇代谢的主要去路，包括胆酸、脱氧胆酸、鹅胆酸、牛黄胆酸、甘氨胆酸等，它们作为表面活性剂，促进脂类的消化吸收。转变成类固醇激素。 在肾上腺皮质球状带、束状带和网状带细胞合成睾丸酮、皮质醇和雄激素；睾丸间质细胞合成睾丸酮；卵巢卵泡内膜细胞及黄体合成雌二醇和孕酮。转化为 7-脱氢胆固醇 在皮下经紫外线照射转变为维生素 D3 脂蛋白的分类与功能 乳糜（ CM） 组成： TG，磷脂，胆固醇， ApoB48， A-I， A-II, 蛋白质含量少，密度低 合成部位：小肠黏膜细
46、胞，经淋巴系统进入血液 生理功能：转运外源性甘油三酯和胆固醇到心脏、肌肉和脂肪组织 极低密度脂蛋白（ VLDL） 组成： TG，磷脂，胆固醇， ApoB100， ApoE, 蛋白质含量少，密度低 合成部位：肝细胞 生理功能：转运内源性甘油三酯到肝外组织储存和利用 低密度脂蛋白（ LDL） 组 成：主要是胆固醇及其酯， ApoB-100，含蛋白质，较低的密度 合成部位：在血浆中由 CM的残余和 VLDL的代谢物转化而来 生理功能：是血浆中胆固醇的主要携带者并运送到组织，并调控胆固醇的合成 高密度脂蛋白（ HDL） 17 组成：主要是胆固醇及其酯，蛋白质含量高，较高的密度 合成部位：肝，小肠 生理
47、功能：机体胆固醇的“清扫机”，逆向转运胆固醇到肝脏转化处理 低密度脂蛋白通过受体介导的内吞途径向组织运输胆固醇 胆固醇在组织细胞中的去向与作用主要有 : 1）细胞膜摄取 2）转化成其他活性物质 3）反馈抑制 HMGCoA还原酶 4）激活卵磷脂胆固醇脂酰转移酶 (LCAT) 5) 减少 LDL受体的合成 氨基酸的一般分解代谢 脱羧作用（ decarboxylation）氨基酸的脱氨基作用（ deamination） 指氨基酸脱去氨基生成相应的 -酮酸的过程。动物的脱氨基作用主要在肝脏和肾脏中进行。 脱氨基方式 转氨基作用氧化脱氨基作用联合脱氨基作用 氧化脱氨基作用 动物体内有 L-氨基酸和 D-
48、氨基酸的氧化酶，它们属于需氧脱氢酶，其辅基分别是 FMN 和 FAD,可以催化氨基酸的氧化脱氨。但是由于 L-氨基酸氧化酶的活性低 ,D-氨基酸氧化酶又缺乏可利用的底物，它们的作用不大。而 L-谷 氨酸脱氢酶能专一地使 L-谷氨酸实现氧化脱氨 , 生成 -酮戊二酸，且活性强、分布广。 转氨作用 在转氨酶 (transaminase)的催化下，一种氨基酸的 -氨基转移到 另一种 -酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸和 -酮酸，这种作用称为转氨基作用。转氨酶的辅酶是磷酸吡哆醛。 -酮戊二酸常是氨基的受体而转变成 L-谷氨酸。谷草转氨酶 GOT (心肌 ,肝脏 ) 谷丙转氨酶 GPT (肝脏 ) 联合脱
49、氨基作用（ combinant deamination） 指转氨基作用和氧化脱氨基作用联合反应 . 氨基酸与 -酮戊二酸 经转 氨作用生成 -酮酸和 L-谷氨酸，后者经 L-谷氨酸脱氢酶作用 脱去氨生成 -酮戊二酸。大部分氨基酸的脱氨借助于转氨酶和 L- 谷氨酸脱氢酶的协同作用或称联合转氨基作用完成。 氨基酸的脱羧作用（ decarboxylation） 氨基酸在脱羧酶的作用下形成胺类的反应。磷酸吡哆醛是脱羧酶的辅酶。生成的胺类常有特殊18 的生理和药理作用。 氨的来源和去路 氨的来源 脱氨基作用 嘌呤和嘧啶的分解 饲料添加 肠道细菌分解氨基酸 高水平的血氨是有毒性的，可以引起脑功能紊乱 氨的去路 再与 -酮酸合成氨基酸
