生化纲要 10-15

生物氧化 概述

生物氧化的概念和特点 自由能的变化 高能化合物 定义：一般将含有20.9kJ/mol以上能量的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，含有高能的键称为高能键。高能键常以“～”符号表示。 高能磷酸化合物 高能非磷酸化合物 线粒体氧化呼吸链： 电子传递链的成员 NAD（NADH）

单递氢体，双电子载体，非蛋白组分。 黄素蛋白

FAD或FMN为辅基，双递氢体 铁硫蛋白：

分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫。其分子中的铁离子与硫原子构成一种特殊的正四面体结构，称为铁硫中心或铁硫簇，铁硫蛋白是单电子传递体。 泛醌（CoQ）

是存在于线粒体内膜上的一种脂溶性醌类化合物。分子中含对苯醌结构，可接受二个氢原子而转变成对苯二酚结构，是一种双递氢体。 非蛋白组分 细胞色素类

这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，为单电子传递体。 电子传递链复合物

在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。 这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。主要的复合体有： 复合体Ⅰ（NADH-泛醌还原酶）：

将（NADH+H+）的氢和电子传递给CoQ。 复合体Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）： 1个琥珀酸脱氢酶（FAD），2个铁硫蛋白和2个Cytb560组成， 作用是将FADH2的氢和电子传递给CoQ。 复合体Ⅲ（泛醌-细胞色素c还原酶）： 作用是将电子由泛醌传递给Cytc。 复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）：

由1个Cyta和一个Cyta3组成，含两个铜离子，直接将电子传递给氧，故Cytaa3又称为细胞色素c氧化酶， 作用是将电子由Cytc传递给氧。 呼吸链成分的排列顺序：

由上述递氢体或递电子体组成了NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链两条呼吸链。 NADH氧化呼吸链

其递氢体或递电子体的排列顺序为：

NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→c→复合体Ⅳ→1/2O2。

丙酮酸、α-酮戊二酸、异柠檬酸、苹果酸、β-羟丁酸、β-羟脂酰CoA和谷氨酸脱氢后经此呼吸链递氢。 琥珀酸氧化呼吸链

其递氢体或递电子体的排列顺序为：

[FAD]→复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→c→复合体Ⅳ→1/2O2。

琥珀酸、3-磷酸甘油（线粒体）和脂酰CoA脱氢后经此呼吸链递氢。 电子传递链的抑制剂

能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链的抑制剂。 抑制复合体Ⅰ 巴比妥、鱼藤酮等 抑制复合体Ⅲ 抗霉素A

抑制复合体Ⅳ

CO、H2S和CN-、N3-。 氧化磷酸化

生物体内能量生成的方式 氧化磷酸化：

在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化。 底物水平磷酸化：

直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。 光合磷酸化

氧化磷酸化的偶联机制： 化学渗透学说

形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。

氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用（氧化还原袢）被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），

ATP合酶：

这种形式的能量，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。

分为三个部分，即头部，柄部和基底部。但如用生化技术进行分离，则只能得到F0（基底部+部分柄部）和F1（头部+部分柄部）两部分。ATP合酶的中心存在质子通道，当质子通过这一通道进入线粒体基质时，其能量被头部的ATP合酶催化活性中心利用以合成ATP。 P/O比

每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。 当底物脱氢以NAD+为受氢体时，P/O比值为2.5； 当底物脱氢以FAD为受氢体时，P/O比值为1.5。

能荷调节

ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。 氧化磷酸化的偶联部位 复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ偶联。

NADH氧化呼吸链有三个生成ATP的偶联部位， 琥珀酸氧化呼吸链只有两个生成ATP的偶联部位。 抑制剂和解偶联剂 解偶联剂：

不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP的磷酸化的试剂称为解偶联剂。 其机理是增大了线粒体内膜对H+的通透性，使H+的跨膜梯度消除， 2,4-二硝基酚。

氧化磷酸化的抑制剂：

抑制F0-F1ATP酶活性，阻断质子回到基质。从而阻断磷酸化；进而抑制呼吸链。 线粒体的穿梭系统：

胞液中的3-磷酸甘油醛或乳酸脱氢，均可产生NADH。这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。 磷酸甘油穿梭系统：

两种不同的α-磷酸甘油脱氢酶，一个以NADH为辅酶，一个以FAD为辅酶，NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体只得到1.5分子ATP。 苹果酸穿梭系统：

此系统以苹果酸和天冬氨酸为载体，苹果酸脱氢酶和谷草转氨酶的催化。将胞液中NADH的氢原子带入线粒体交给NAD+，经此穿梭系统一对氢原子可生成2.5分子ATP。 其他末端氧化酶系统 脂类代谢

脂类是脂肪和类脂的总称，是一大类不溶于水而易溶于有机溶剂的化合物。其中，脂肪主要是指甘油三酯，类脂则包括磷脂（甘油磷脂和鞘磷脂）、糖脂（脑苷脂和神经节苷脂）、胆固醇及胆固醇酯。 甘油三酯的分解代谢： 脂肪的降解

脂肪酶（简称脂酶，lipase）： 脂肪酶、

甘油二酯脂肪酶 甘油单酯脂肪酶 甘油代谢 甘油激酶

磷酸甘油脱氢酶 脂肪酸的分解 β氧化途径

定义、部位、酶反应（酶、辅因子、能量、反应物结构式等）、调节、意义；

体内大多数的组织细胞均可以此途径氧化利用脂肪酸。其代谢反应过程可分为三个阶段： (1)活化：在线粒体外膜或内质网进行此反应过程。 脂肪酸硫激酶（脂酰CoA合成酶）催化生成脂酰CoA。 每活化一分子脂肪酸，需消耗两分子ATP。 (2)进入线粒体：

两种肉碱脂肪酰转移酶（酶Ⅰ和酶Ⅱ）催化的移换反应。肉碱脂肪酰转移酶Ⅰ是脂肪酸β-氧化的关键酶。 ⑶β-氧化：

脱氢：脂肪酰CoA在脂肪酰CoA脱氢酶的催化下，生成FADH2和α,β-烯脂肪酰CoA。 水化：在水化酶的催化下，生成L-β-羟脂肪酰CoA。

再脱氢：在L-β-羟脂肪酰CoA脱氢酶的催化下，生成β-酮脂肪酰CoA和NADH+H+。

硫解：在硫解酶的催化下，分解生成1分子乙酰CoA和1分子减少了两个碳原子的脂肪酰CoA。后者可继续氧化分解，直至全部分解为乙酰CoA。

生成的乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化分解。

偶数碳脂肪酸氧化化学计量：

软脂酸(16C)为例：一分子软脂酸可经七次β-氧化全部分解为八分子乙酰CoA： β-氧化可得4×7=28分子ATP，

八分子乙酰CoA可得10×8=80分子ATP， 故一共可得108分子ATP，

减去活化时消耗的两分子ATP，故软脂酸可净生成106分子ATP。

对于偶数碳原子的长链脂肪酸，可按下式计算：ATP净生成数目=（碳原子数÷2-1）×4+（碳原子数÷2）×10-2。 其他氧化途径 α氧化 ω氧化

奇数碳脂肪酸氧化 不饱和脂肪酸氧化 酮体代谢 乙醛酸循环

定义、部位、酶反应（酶、辅因子、能量、反应物结构式等）、调节、意义；

许多植物、微生物能够以乙酸为碳源合成其生长所需的其它含碳化合物，同时种子发芽时可以将脂肪转化成糖，这都是因为存在着一个类似于三羧酸循环的乙醛酸循环的缘故， 该循环不存在于动物中。 甘油三酯的合成代谢

合成的亚细胞部位主要在胞液。

首先需要合成长链脂肪酸和3-磷酸甘油

然后再将二者缩合起来形成甘油三酯（脂肪）。

脂肪酸合成

定义、部位、酶反应（酶、辅因子、能量、反应物结构式等）、调节、意义；

脂肪酸合成的原料是葡萄糖氧化分解后产生的乙酰CoA，由胞液中的脂肪酸合成酶系催化，不是β-氧化过程的逆反应。 脂肪酸合成的直接产物是软脂酸，然后再将其加工成其他种类的脂肪酸。 饱和脂肪酸的从头合成 乙酰CoA转运出线粒体： 柠檬酸-丙酮酸穿梭作用

线粒体内的乙酰CoA，生成柠檬酸，穿过线粒体内膜进入胞液， 裂解重新生成乙酰CoA，草酰乙酸转变为丙酮酸后重新进入线粒体， 丙二酸单酰CoA的合成：

乙酰CoA羧化酶（需生物素）的催化，羧化为丙二酸单酰CoA。

乙酰CoA羧化酶是脂肪酸合成的关键酶，属于变构酶，其活性受柠檬酸和异柠檬酸的变构激活，受长链脂酰CoA的变构抑制。

脂肪酸合成循环： 胞液中脂肪酸合成酶系

类似于β-氧化逆反应的循环反应过程：缩合→加氢→脱水→再加氢。 氢原子来源于NADPH，故对磷酸戊糖旁路有依赖。 每经过一次循环反应，延长两个碳原子。

脂肪酸合成酶系在低等生物中是一种由一分子脂酰基载体蛋白（ACP）和七种酶单体所构成的多酶复合体；

但在高等动物中，则是由一条多肽链构成的多功能酶，通常以二聚体形式存在，每个亚基都含有一ACP结构域。

软脂酸的碳链延长 不饱和脂肪酸 3-磷酸甘油的生成

由糖代谢生成（脂肪细胞、肝脏）：磷酸甘油脱氢酶。 脂肪动员生成的甘油转运至肝脏经磷酸化：甘油激酶。

甘油三酯的合成

磷脂酸：磷酸甘油脂酰基转移酶。

脂肪：磷酸酶，二酰甘油脂酰基转移酶。

含氮化合物代谢 氨基酸的分解代谢 氨基酸的脱氨基作用：

氨基酸主要通过三种方式脱氨基，即氧化脱氨基，联合脱氨基和非氧化脱氨基。 氧化脱氨基

反应过程包括脱氢和水解两步，反应主要由L-氨基酸氧化酶和谷氨酸脱氢酶所催化。L-氨基酸氧化酶是一种需氧脱氢酶，该酶在人体内作用不大。谷氨酸脱氢酶是一种不需氧脱氢酶，以NAD+或NADP+为辅酶。该酶作用较大，属于变构酶，其活性受ATP，GTP的抑制，受ADP，GDP的激活。 转氨基作用：

由转氨酶催化，将α-氨基酸的氨基转移到α-酮酸酮基的位置上，生成相应的α-氨基酸，而原来的α-氨基酸则转变为相应的α-酮酸。转氨酶以磷酸吡哆醛(胺)为辅酶。 联合脱氨基作用：

转氨基作用与氧化脱氨基作用联合进行，从而使氨基酸脱去氨基并氧化为α-酮酸的过程，称为联合脱氨基作用。可在大多数组织细胞中进行，是体内主要的脱氨基的方式。 氨基酸的脱羧基作用 氨基酸炭架的分解

生糖氨基酸，生酮氨基酸 氨基酸的合成 氨的同化

氨甲酰磷酸合成酶 Gln合成

谷氨酸脱氢酶 谷氨酰氨合成酶 谷氨酸合成酶 碳架的合成 必需氨基酸 缬氨酸、亮氨酸

异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸 苯丙氨酸、色氨酸 半必须氨基酸 半胱氨酸 酪氨酸 精氨酸 组氨酸 丙氨酸族

丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸 丙氨酸族合成途径 丝氨酸族

丝氨酸、甘氨酸和半胱氨酸 天冬氨酸族

天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸、赖氨酸和异亮氨酸。 甲硫氨酸、苏氨酸赖氨酸合成 谷氨酸族

谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸 芳香族

苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸 组氨酸 核苷酸的分解

嘌呤核苷酸的降解 嘧啶核苷酸的降解 核苷酸的合成

所有生物均能合成核苷酸 从头合成途径（核苷酸） 补救合成途径

嘌呤核苷酸的生物合成

嘌呤类核苷酸的前体是IMP 在PRPP上开始

嘌呤环各原子的来源 嘧啶核苷酸的生物合成 第一个嘧啶环是乳清酸

第一个嘧啶核苷酸是乳清核苷酸 嘧啶环各原子的来源 嘌呤核苷酸补救合成 嘧啶核苷酸补救合成 核酸的生物合成与降解 遗传学的中心法则

DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。 RNA复制 RNA反转录。 DNA的生物合成 DNA半保留复制 1．半保留复制： DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semiconservativereplication)。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M.Meselson和F.Stahl所完成的实验所证明。 2．有一定的复制起始点：

DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。 3．需要引物(primer)：

DNA聚合酶必须以一段具有3'端自由羟基（3'-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。 4．双向复制：

DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制。 5．半不连续复制：

由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。 领头链(leadingstrand)：以3'→5'方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的。 随从链(laggingstrand)：以5'→3'方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的。

冈崎片段(Okazaki fragment)：DNA在复制时，随从链所形成的一些子代DNA短链。在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。 原核生物的DNA复制 DNA复制的条件 1．底物：

以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotidetriphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。 2．模板(template)：

以亲代DNA的两股链解开后，分别作为模板进行复制。 3．引发体(primosome)和RNA引物(primer)：

引发体由引发前体与引物酶（primase）组装而成。引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体；引物酶本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP）。

4．DNA聚合酶（DNAdependentDNApolymerase,DDDP）：

在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶Ⅰ（polⅠ），DNA聚合酶Ⅱ（polⅡ），DNA聚合酶Ⅲ（polⅢ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。

polⅠ为单一肽链的大分子蛋白质，具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填补缺口以及修复损伤。

polⅡ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，其功能不明。

polⅢ是由十种亚基组成的不对称二聚体，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，与DNA复制功能有关。 5．DNA连接酶(DNAligase)：

DNA连接酶可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，而使两段DNA连接起来。该酶催化的条件是：①需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；②未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的；③需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。 6．单链DNA结合蛋白（singlestrandbindingprotein,SSB）： 又称螺旋反稳蛋白（HDP）。这是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。其作用为：①稳定单链DNA，便于以其为模板复制子代DNA；②保护单链DNA，避免核酸酶的降解。 7．解螺旋酶（unwindingenzyme）：

又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白，每解开一对碱基，需消耗两分子ATP。 8．拓扑异构酶(topoisomerase)：

拓扑异构酶可将DNA双链中的一条链或两条链切断，松开超螺旋后再将DNA链连接起来，从而避免出现链的缠绕。 原核生物DNA合成过程 ——半不连续复制 复制的起始

⑴预引发：①解旋解链，形成复制叉：由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，形成两条单链DNA。单链DNA结合蛋白（SSB）结合在单链DNA上，形成复制叉。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。②引发体组装：由引发前体蛋白因子识别复制起始点，并与引发酶一起组装形成引发体。 ⑵引发：在引发酶的催化下，以DNA链为模板，合成一段短的RNA引物。 复制的延长

⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以亲代DNA链为模板，从5'→3'方向聚合子代DNA链。

⑵引发体移动：

引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，随从链重新合成RNA引物，继续进行链的延长。 a去除引物，填补缺口：RNA引物被水解，缺口由DNA链填补，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。 b连接冈崎片段：在DNA连接酶的催化下，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。 复制的终止 ter序列

真核生物DNA复制

真核生物DNA复制的特点 真核生物DNA聚合酶

真核生物端粒（telomere）的形成 DNA复制的保真性机制

为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关： 聚合酶判断碱基配对 聚合酶的校对机制 使用RAN引物 dNTP浓度 DNA的突变 基因突变类型 置换

转换：嘌呤-嘌呤；嘧啶-嘧啶 颠换：嘌呤-嘧啶；嘧啶-嘌呤 插入和缺失

增加碱基对或减少碱基对 导致突变的因素 化学因素

各种导致DNA分子结构变换的化合物 均是致癌物 物理因素 各类高能辐射 紫外、X-射线 γ-射线

均是致癌诱因 基因重组

DNA的损伤与修复

由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤。常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。 引起DNA损伤的因素 环丁基二聚体 脱嘌呤作用 脱氨基作用 DNA的修复 光复活：

由光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物，在可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复。 切除修复： 核酸内切酶

特异性的核酸内切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶识别DNA受损伤的部位，并在该部位的5'端作一切口；

由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）从5'→3'端逐一切除损伤的单链；

在DNA聚合酶的催化下，以互补链为模板，合成新的单链片段以填补缺口； 由DNA连接酶催化连接片段，封闭缺口。 核苷酸切除修复 碱基切除修复 DNA糖基化酶 重组修复

DNA复制时，损伤部位导致子链DNA合成障碍，形成空缺； 此空缺诱导产生重组酶（重组蛋白RecA），该酶与空缺区结合，并催化子链空缺与对侧亲链进行重组交换； 对侧亲链产生的空缺以互补的子链为模板，在DNA聚合酶和连接酶的催化下，重新修复缺口； 亲链上的损伤部位继续保留或以切除修复方式加以修复。 SOS修复

这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态 RNA的生物合成

RNA转录合成的特点：

在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA。 转录的不对称性

指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。

能够转录RNA的那条DNA链称为有意义链（模板链）， 与之互补的另一条DNA链称为反意义链（编码链）。 转录的单向性

RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，RNA链的合成方向为5'→3'连续合成。 有特定的起始和终止位点：

RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。 RNA转录合成的条件： 底物：

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