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生物化学与分子生物学重点(3)

BIOX.CN 2005-4-25 13:29:33 来源:绿色生命网
 

第七章 生物氧化
一、生物氧化的概念和特点:

物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化。与体外燃烧一样,生物氧化也是一个消耗O2,生成CO2和H2O,并释放出大量能量的过程。但与体外燃烧不同的是,生物氧化过程是在37℃,近于中性的含水环境中,由酶催化进行的;反应逐步释放出能量,相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。

二、线粒体氧化呼吸链:

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:

1. 复合体Ⅰ(NADH-泛醌还原酶):由一分子NADH还原酶(FMN),两分子铁硫蛋白(Fe-S)和一分子CoQ组成,其作用是将(NADH+H+)传递给CoQ。

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。

2. 复合体Ⅱ(琥珀酸-泛醌还原酶):由一分子琥珀酸脱氢酶(FAD),两分子铁硫蛋白和两分子Cytb560组成,其作用是将FADH2传递给CoQ。

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。细胞色素可存在于线粒体内膜,也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有Cytaa3,Cytb(b560,b562,b566),Cytc,Cytc1;而存在于微粒体的细胞色素有CytP450和Cytb5。

3. 复合体Ⅲ(泛醌-细胞色素c还原酶):由两分子Cytb(分别为Cytb562和Cytb566),一分子Cytc1和一分子铁硫蛋白组成,其作用是将电子由泛醌传递给Cytc。

4. 复合体Ⅳ(细胞色素c氧化酶):由一分子Cyta和一分子Cyta3组成,含两个铜离子,可直接将电子传递给氧,故Cytaa3又称为细胞色素c氧化酶,其作用是将电子由Cytc传递给氧。

三、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。

1.NADH氧化呼吸链:其递氢体或递电子体的排列顺序为:NAD+ →[ FMN (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →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。

2.琥珀酸氧化呼吸链:其递氢体或递电子体的排列顺序为: [ FAD (Fe-S)]→CoQ→b(Fe-S)→ c1 → c →aa3 →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。

四、生物体内能量生成的方式:

1.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。

2.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。

五、氧化磷酸化的偶联部位:

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比值约为3;而当底物脱氢以FAD为受氢体时,P/O比值约为2。故NADH氧化呼吸链有三个生成ATP的偶联部位,而琥珀酸氧化呼吸链只有两个生成ATP的偶联部位。

六、氧化磷酸化的偶联机制:

目前公认的机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为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),从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。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。

在电镜下,ATP合酶分为三个部分,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。

七、氧化磷酸化的影响因素:

1.ATP/ADP比值: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。

2.甲状腺激素:甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶,使ATP水解增加,因而使ATP/ADP比值下降,氧化磷酸化速度加快。

3.药物和毒物:

⑴呼吸链的抑制剂: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。能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等;能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇;能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中,CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+,而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。

⑵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,从而使氧化过程释放的能量不能用于ATP的合成反应。主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。

⑶氧化磷酸化的抑制剂:对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化的抑制剂,如寡霉素。

八、高能磷酸键的类型:

生物化学中常将水解时释放的能量>20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键,主要有以下几种类型:

1.磷酸酐键:包括各种多磷酸核苷类化合物,如ADP,ATP等。

2.混合酐键:由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键,主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。

3.烯醇磷酸键:见于磷酸烯醇式丙酮酸中。

4.磷酸胍键:见于磷酸肌酸中,是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用,而必须先将其高能磷酸键转移给ATP,才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶(CPK)催化完成。

九、线粒体外NADH的穿梭:

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。

1.磷酸甘油穿梭系统:这一系统以3-磷酸甘油和磷酸二羟丙酮为载体,在两种不同的α-磷酸甘油脱氢酶的催化下,将胞液中NADH的氢原子带入线粒体中,交给FAD,再沿琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化。因此,如NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体,则只得到2分子ATP。

2.苹果酸穿梭系统:此系统以苹果酸和天冬氨酸为载体,在苹果酸脱氢酶和谷草转氨酶的催化下。将胞液中NADH的氢原子带入线粒体交给NAD+,再沿NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化。因此,经此穿梭系统带入一对氢原子可生成3分子ATP。

第八章 氨基酸代谢
一、蛋白质的营养作用:

1.蛋白质的生理功能:主要有:①是构成组织细胞的重要成分;②参与组织细胞的更新和修补;③参与物质代谢及生理功能的调控;④氧化供能;⑤其他功能:如转运、凝血、免疫、记忆、识别等。

2.氮平衡:体内蛋白质的合成与分解处于动态平衡中,故每日氮的摄入量与排出量也维持着动态平衡,这种动态平衡就称为氮平衡。氮平衡有以下几种情况:

⑴氮总平衡:每日摄入氮量与排出氮量大致相等,表示体内蛋白质的合成量与分解量大致相等,称为氮总平衡。此种情况见于正常成人。

⑵氮正平衡:每日摄入氮量大于排出氮量,表明体内蛋白质的合成量大于分解量,称为氮正平衡。此种情况见于儿童、孕妇、病后恢复期。

⑶氮负平衡:每日摄入氮量小于排出氮量,表明体内蛋白质的合成量小于分解量,称为氮负平衡。此种情况见于消耗性疾病患者(结核、肿瘤),饥饿者。

3.必需氨基酸与非必需氨基酸:体内不能合成,必须由食物蛋白质供给的氨基酸称为必需氨基酸。反之,体内能够自行合成,不必由食物供给的氨基酸就称为非必需氨基酸。

必需氨基酸一共有八种:赖氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、蛋氨酸(Met)、苏氨酸(Thr)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、缬氨酸(Val)。酪氨酸和半胱氨酸必需以必需氨基酸为原料来合成,故被称为半必需氨基酸。

4.蛋白质的营养价值及互补作用:蛋白质营养价值高低的决定因素有:① 必需氨基酸的含量;② 必需氨基酸的种类;③ 必需氨基酸的比例,即具有与人体需求相符的氨基酸组成。将几种营养价值较低的食物蛋白质混合后食用,以提高其营养价值的作用称为食物蛋白质的互补作用。

二、蛋白质的消化、吸收与腐败

1.蛋白质的消化:胃蛋白酶水解食物蛋白质为多肽,再在小肠中完全水解为氨基酸。

2.氨基酸的吸收:主要在小肠进行,是一种主动转运过程,需由特殊载体携带。除此之外,也可经γ-谷氨酰循环进行。

3.蛋白质在肠中的腐败:主要在大肠中进行,是细菌对蛋白质及其消化产物的分解作用,可产生有毒物质。

三、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。

1.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。

2.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。转氨基作用可以在各种氨基酸与α-酮酸之间普遍进行。除Gly,Lys,Thr,Pro外,均可参加转氨基作用。较为重要的转氨酶有:

⑴ 丙氨酸氨基转移酶(ALT),又称为谷丙转氨酶(GPT)。催化丙氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应,为可逆反应。该酶在肝脏中活性较高,在肝脏疾病时,可引起血清中ALT活性明显升高。

⑵ 天冬氨酸氨基转移酶(AST),又称为谷草转氨酶(GOT)。催化天冬氨酸与α-酮戊二酸之间的氨基移换反应,为可逆反应。该酶在心肌中活性较高,故在心肌疾患时,血清中AST活性明显升高。

3.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。

4.嘌呤核苷酸循环(PNC):这是存在于骨骼肌和心肌中的一种特殊的联合脱氨基作用方式。在骨骼肌和心肌中,腺苷酸脱氨酶的活性较高,该酶可催化AMP脱氨基,此反应与转氨基反应相联系,即构成嘌呤核苷酸循环的脱氨基作用。

四、α-酮酸的代谢:

1.再氨基化为氨基酸。

2.转变为糖或脂:某些氨基酸脱氨基后生成糖异生途径的中间代谢物,故可经糖异生途径生成葡萄糖,这些氨基酸称为生糖氨基酸。个别氨基酸如Leu,Lys,经代谢后只能生成乙酰CoA或乙酰乙酰CoA,再转变为脂或酮体,故称为生酮氨基酸。而Phe,Tyr,Ile,Thr,Trp经分解后的产物一部分可生成葡萄糖,另一部分则生成乙酰CoA,故称为生糖兼生酮氨基酸。

3.氧化供能:进入三羧酸循环彻底氧化分解供能。

五、氨的代谢:

1.血氨的来源与去路:

⑴血氨的来源:①由肠道吸收;②氨基酸脱氨基;③氨基酸的酰胺基水解;④其他含氮物的分解。

⑵血氨的去路:①在肝脏转变为尿素;②合成氨基酸;③合成其他含氮物;④合成天冬酰胺和谷氨酰胺;⑤直接排出。

2.氨在血中的转运:氨在血液循环中的转运,需以无毒的形式进行,如生成丙氨酸或谷氨酰胺等,将氨转运至肝脏或肾脏进行代谢。

⑴丙氨酸-葡萄糖循环:肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸,后者经血液循环转运至肝脏再脱氨基,生成的丙酮酸经糖异生转变为葡萄糖后再经血液循环转运至肌肉重新分解产生丙酮酸,这一循环过程就称为丙氨酸-葡萄糖循环。

⑵谷氨酰胺的运氨作用:肝外组织,如脑、骨骼肌、心肌在谷氨酰胺合成酶的催化下,合成谷氨酰胺,以谷氨酰胺的形式将氨基经血液循环带到肝脏,再由谷氨酰胺酶将其分解,产生的氨即可用于合成尿素。因此,谷氨酰胺对氨具有运输、贮存和解毒作用。

3.鸟氨酸循环与尿素的合成:体内氨的主要代谢去路是用于合成尿素。合成尿素的主要器官是肝脏,但在肾及脑中也可少量合成。尿素合成是经鸟氨酸循环的反应过程来完成,催化这些反应的酶存在于胞液和线粒体中。其主要反应过程如下:NH3+CO2+2ATP →氨基甲酰磷酸→胍氨酸→精氨酸代琥珀酸→精氨酸→尿素+鸟氨酸。

尿素合成的特点:①合成主要在肝脏的线粒体和胞液中进行;②合成一分子尿素需消耗四分子ATP;③精氨酸代琥珀酸合成酶是尿素合成的关键酶;④尿素分子中的两个氮原子,一个来源于NH3,一个来源于天冬氨酸。

六、氨基酸的脱羧基作用:

由氨基酸脱羧酶催化,辅酶为磷酸吡哆醛,产物为CO2和胺。

1.γ-氨基丁酸的生成:γ-氨基丁酸(GABA)是一种重要的神经递质,由L-谷氨酸脱羧而产生。反应由L-谷氨酸脱羧酶催化,在脑及肾中活性很高。

2.5-羟色胺的生成:5-羟色胺(5-HT)也是一种重要的神经递质,且具有强烈的缩血管作用,其合成原料是色氨酸。合成过程为:色氨酸→5羟色氨酸→5-羟色胺。

3.组胺的生成:组胺由组氨酸脱羧产生,具有促进平滑肌收缩,促进胃酸分泌和强烈的舒血管作用。

4.多胺的生成:精脒和精胺均属于多胺,它们与细胞生长繁殖的调节有关。合成的原料为鸟氨酸,关键酶是鸟氨酸脱羧酶。

七、一碳单位的代谢:

一碳单位是指只含一个碳原子的有机基团,这些基团通常由其载体携带参加代谢反应。常见的一碳单位有甲基(-CH3)、亚甲基或甲烯基(-CH2-)、次甲基或甲炔基(=CH-)、甲酰基(-CHO)、亚氨甲基(-CH=NH)、羟甲基(-CH2OH)等。

一碳单位通常由其载体携带,常见的载体有四氢叶酸(FH4)和S-腺苷同型半胱氨酸,有时也可为VitB12。

常见的一碳单位的四氢叶酸衍生物有:①N10-甲酰四氢叶酸(N10-CHO FH4);②N5-亚氨甲基四氢叶酸(N5-CH=NH FH4);③N5,N10-亚甲基四氢叶酸 (N5,N10-CH2-FH4);④N5,N10-次甲基四氢叶酸 (N5,N10=CH-FH4);⑤N5-甲基四氢叶酸(N5-CH3 FH4)。

苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸和色氨酸代谢降解后可生成N10-甲酰四氢叶酸,后者可用于嘌呤C2原子的合成;苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸和组氨酸代谢降解后可生成N5,N10-次甲基四氢叶酸,后者可用于嘌呤C8原子的合成;丝氨酸代谢降解后可生成N5,N10-亚甲基四氢叶酸,后者可用于胸腺嘧啶甲基的合成。

八、S-腺苷蛋氨酸循环:

蛋氨酸是体内合成许多重要化合物,如肾上腺素、胆碱、肌酸和核酸等的甲基供体。其活性形式为S-腺苷蛋氨酸(SAM)。SAM也是一种一碳单位衍生物,其载体可认为是S-腺苷同型半胱氨酸,携带的一碳单位是甲基。

从蛋氨酸形成的S-腺苷蛋氨酸,在提供甲基以后转变为同型半胱氨酸,然后再反方向重新合成蛋氨酸,这一循环反应过程称为S-腺苷蛋氨酸循环或活性甲基循环。

九、芳香族氨基酸的代谢:

在神经组织细胞中的主要代谢过程为:苯丙氨酸→酪氨酸→多巴→多巴胺→去甲肾上腺素→肾上腺素。多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素统称儿茶酚胺。在黑色素细胞中,多巴可转变为黑色素。苯丙氨酸羟化酶遗传性缺陷可致苯丙酮酸尿症,酪氨酸酶遗传性缺陷可致白化病。

第九章 核苷酸代谢
一、核苷酸类物质的生理功用:

核苷酸类物质在人体内的生理功用主要有:

① 作为合成核酸的原料:如用ATP,GTP,CTP,UTP合成RNA,用dATP,dGTP,dCTP,dTTP合成DNA。

② 作为能量的贮存和供应形式:除ATP之外,还有GTP,UTP,CTP等。

③ 参与代谢或生理活动的调节:如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使。

④ 参与构成酶的辅酶或辅基:如在NAD+,NADP+,FAD,FMN,CoA中均含有核苷酸的成分。

⑤ 作为代谢中间物的载体:如用UDP携带糖基,用CDP携带胆碱,胆胺或甘油二酯,用腺苷携带蛋氨酸(SAM)等。

二、嘌呤核苷酸的合成代谢:

1.从头合成途径:利用一些简单的前体物,如5-磷酸核糖,氨基酸,一碳单位及CO2等,逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径。这一途径主要见于肝脏,其次为小肠和胸腺。

嘌呤环中各原子分别来自下列前体物质:Asp → N1;N10-CHO FH4 → C2 ;Gln → N3和N9 ;CO2 → C6 ;N5,N10=CH-FH4 → C8 ;Gly → C4 、C5 和N7。

合成过程可分为三个阶段:

⑴ 次黄嘌呤核苷酸的合成:在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下,消耗ATP,由5'-磷酸核糖合成PRPP(1'-焦磷酸-5'-磷酸核糖)。然后再经过大约10步反应,合成第一个嘌呤核苷酸——次黄苷酸(IMP)。

⑵ 腺苷酸及鸟苷酸的合成:IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下,由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸(AMP-S),然后裂解产生AMP;IMP也可在IMP脱氢酶的催化下,以NAD+为受氢体,脱氢氧化为黄苷酸(XMP),后者再在鸟苷酸合成酶催化下,由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸(GMP)。

⑶三磷酸嘌呤核苷的合成:AMP/GMP被进一步磷酸化,最后生成ATP/GTP,作为合成RNA的原料。ADP/GDP则可在核糖核苷酸还原酶的催化下,脱氧生成dADP/dGDP,然后再磷酸化为dATP/dGTP,作为合成DNA的原料。

2.补救合成途径:又称再利用合成途径。指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程。这一途径可在大多数组织细胞中进行。其反应为:A + PRPP → AMP;G/I + PRPP → GMP/IMP。

3.抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制:能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物,通常是属于嘌呤、氨基酸或叶酸的类似物,主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用,来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成,因而具有抗肿瘤治疗作用。在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似物主要是6-巯基嘌呤(6-MP)。6-MP的化学结构与次黄嘌呤类似,因而可以抑制IMP转变为AMP或GMP,从而干扰嘌呤核苷酸的合成。

三、嘌呤核苷酸的分解代谢:

嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下,脱去磷酸生成嘌呤核苷,然后再在核苷酶的催化下分解生成嘌呤碱,最后产生的I和X经黄嘌呤氧化酶催化氧化生成终产物尿酸。痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常,可致血中尿酸水平升高,以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾脏,临床上表现为皮下结节,关节疼痛等。可用别嘌呤醇予以治疗。

四、嘧啶核苷酸的合成代谢:

1.从头合成途径:指利用一些简单的前体物逐步合成嘧啶核苷酸的过程。该过程主要在肝脏的胞液中进行。嘧啶环中各原子分别来自下列前体物:CO2→C2 ;Gln→N3 ;Asp →C4 、C5 、C6 、N1 。嘧啶核苷酸的主要合成步骤为:

⑴尿苷酸的合成:在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ的催化下,以Gln,CO2,ATP等为原料合成氨基甲酰磷酸。后者在天冬氨酸转氨甲酰酶的催化下,转移一分子天冬氨酸,从而合成氨甲酰天冬氨酸,然后再经脱氢、脱羧、环化等反应,合成第一个嘧啶核苷酸,即UMP。

⑵胞苷酸的合成:UMP经磷酸化后生成UTP,再在胞苷酸合成酶的催化下,由Gln提供氨基转变为CTP。

⑶脱氧嘧啶核苷酸的合成:①CTP→CDP→dCDP→dCTP。②dCDP→dCMP→dUMP→dTMP→dTDP→dTTP。胸苷酸合成酶催化dUMP甲基化,甲基供体为N5,N10-亚甲基四氢叶酸。

2.补救合成途径:由分解代谢产生的嘧啶/嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成途径。以嘧啶核苷的补救合成途径较重要。主要反应为:UR/CR + ATP → UMP/CMP;TdR + ATP → dTMP。

3.抗代谢药物对嘧啶核苷酸合成的抑制:能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物,通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成。主要的抗代谢药物是5-氟尿嘧啶(5-FU)。5-FU在体内可转变为F-dUMP,其结构与dUMP相似,可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性,从而抑制胸苷酸的合成。

五、嘧啶核苷酸的分解代谢:

嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下,除去磷酸和核糖,产生的嘧啶碱可在体内进一步分解代谢。不同的嘧啶碱其分解代谢的产物不同,其降解过程主要在肝脏进行。

胞嘧啶和尿嘧啶降解的终产物为(β-丙氨酸 + NH3 + CO2 );胸腺嘧啶降解的终产物为(β-氨基异丁酸 + NH3 + CO2 )。
第十一章 DNA的生物合成
一、遗传学的中心法则和反中心法则:

DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;通过转录和翻译,将遗传信息传递给蛋白质分子,从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。但在少数RNA病毒中,其遗传信息贮存在RNA中。因此,在这些生物体中,遗传信息的流向是RNA通过复制,将遗传信息由亲代传递给子代;通过反转录将遗传信息传递给DNA,再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质,这种遗传信息的流向就称为反中心法则。

二、DNA复制的特点:

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(semiconservative replication)。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。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,这一条链被称为领头链(leading strand)。而以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,这条链被称为随从链(lagging strand)。DNA在复制时,由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小,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。

三、DNA复制的条件:

1.底物:以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)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(DNA dependent DNA polymerase, DDDP):

⑴种类和生理功能: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(pol Ⅰ),DNA聚合酶Ⅱ(pol Ⅱ),DNA聚合酶Ⅲ(pol Ⅲ),这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。pol Ⅰ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。pol Ⅱ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性,其功能 不明。pol Ⅲ是由十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。

在真核生物中,目前发现的DNA聚合酶有五种。其中,参与染色体DNA复制的是pol α(延长随从链)和pol δ(延长领头链),参与线粒体DNA复制的是pol γ,polε与DNA损伤修复、校读和填补缺口有关,pol β只在其他聚合酶无活性时才发挥作用。

⑵DNA复制的保真性: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:①遵守严格的碱基配对规律;②在复制时对碱基的正确选择;③对复制过程中出现的错误及时进行校正。

5.DNA连接酶(DNA ligase):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(single strand binding protein, 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(unwinding enzyme):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。

四、DNA生物合成过程:

1.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。

2.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。

3.复制的终止:

⑴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。

⑵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。

⑶真核生物端粒(telomere)的形成:端粒是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分,通常膨大成粒状。线性DNA在复制完成后,其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶(telomerase)的催化下,进行延长反应。端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体,它可以其RNA为模板,通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。

五、DNA的损伤:

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损伤的因素有:

1.自发因素:

(1)自发脱碱基:由于N-糖苷键的自发断裂,引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。

(2)自发脱氨基:C自发脱氨基可生成U,A自发脱氨基可生成I。

(3)复制错配:由于复制时碱基配对错误引起的损伤。

2.物理因素:由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中,X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂,而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成,如TT,TC,CC等二聚体。

3.化学因素:

(1)脱氨剂:如亚硝酸与亚硝酸盐,可加速C脱氨基生成U,A脱氨基生成I。

(2)烷基化剂:这是一类带有活性烷基的化合物,可提供甲基或其他烷基,引起碱基或磷酸基的烷基化,甚至可引起邻近碱基的交联。

(3)DNA加合剂:如苯并芘,在体内代谢后生成四羟苯并芘,与嘌呤共价结合引起损伤。

(4)碱基类似物:如5-FU,6-MP等,可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。

(5)断链剂:如过氧化物,含巯基化合物等,可引起DNA链的断裂。

六、DNA突变的类型:

1.点突变:转换——相同类型碱基的取代。颠换——不同类型碱基的取代。插入——增加一个碱基。缺失——减少一个碱基。

2.复突变:插入—— 增加一段顺序。缺失—— 减少一段顺序。倒位—— 一段碱基顺序发生颠倒。易位—— 一段碱基顺序的位置发生改变。重组—— 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换。

七、DNA突变的效应:

1.同义突变:基因突变导致mRNA密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变,其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变。

2.误义突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换,其意义发生改变,翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。

3.无义突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换而改变成终止暗码子,引起多肽链合成的终止。

4.移码突变:基因突变导致mRNA密码子碱基被置换,引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。

八、DNA损伤的修复:

DNA损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。直接修复包括光复活、转甲基作用和直接连接作用,均属于无差错修复。取代修复包括切除修复、重组修复和SOS修复,后二者属于有差错倾向修复。

1.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。

2.转甲基作用:在转甲基酶的催化下,将DNA上的被修饰的甲基去除。此时,转甲基酶自身被甲基化而失活。

3.直接连接:DNA断裂形成的缺口,可以在DNA连接酶的催化下,直接进行连接而封闭缺口。

4.切除修复:这种修复机制可适用于多种DNA损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动,一种是核酸内切酶,另一种是DNA糖苷酶。①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;②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;③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;④由DNA连接酶催化连接片段,封闭缺口。

5.重组修复:①DNA复制时,损伤部位导致子链DNA合成障碍,形成空缺;②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;③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;④亲链上的损伤部位继续保留或以切除修复方式加以修复。

6.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。




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