糖代谢糖代谢(CarbohydrateMetabolism) 第第阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。第第阶阶段段，小小的的燃燃料料分分子子分分解解为为几几种种常常见见的的中中间间物物，主要是丙酮酸和乙酰主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。可放出少量能量。第第阶阶段段，有有一一条条途途径径组组成成，即即Krebs循循环环，又又叫叫柠柠檬檬酸酸循循环环或或三三羧羧酸酸(TCA)循循环环。中中间间物物被被完完全全氧氧化化成成CO2，生生成成的的电电子子传传递递给给NAD+并并释释放放少少量量能能量量，其其中中的中间物又可作为生物合成的原料。的中间物又可作为生物合成的原料。第第阶阶段段，包包括括电电子子传传递递和和氧氧化化磷磷酸酸化化，电电子子传传递递给给O2，H2O生成，释放的大量能量用于生成，释放的大量能量用于ATP的生成。的生成。糖酵解（糖酵解（Glycolysis）与与发酵（发酵（Fermentation）无无氧氧条条件件下下糖糖的的降降解解过过程程，糖糖经经一一系系列列的的酶酶促促反反应应变变成成丙丙酮酮酸酸，并并生生成成ATP，是是一一切切生生物物细细胞胞中中Glc分分解解产产生生能能量量的的共共同同代代谢谢途途径径，也也称称Glycolyticpathway， 或或 Embden-Meyerhof-Parnas(EMP)pathway。厌厌氧氧生生物物（酵酵母母及及其其他他微微生生物物）把把酵酵解解中中生生成成的的NADH+H+用用于于还还原原丙丙酮酮酸酸生生成成乙乙醛醛，进进而而产生乙醇，称为产生乙醇，称为乙醇（酒精）发酵。乙醇（酒精）发酵。肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，酵解中生成的酵解中生成的NADH+H+用于把丙酮酸用于把丙酮酸乳酸，乳酸，称为称为乳酸发酵。乳酸发酵。碳水化合物进入碳水化合物进入酵解途径的前奏酵解途径的前奏除葡萄糖以外，其他碳水化合物通过除葡萄糖以外，其他碳水化合物通过酵解进入分解代谢，必须首先转变为酵酵解进入分解代谢，必须首先转变为酵解途径的任一中间物。最重要的是贮存解途径的任一中间物。最重要的是贮存多糖（淀粉和糖元）、二糖（麦芽糖、多糖（淀粉和糖元）、二糖（麦芽糖、乳糖、蔗糖、海藻糖）及单糖（果糖、乳糖、蔗糖、海藻糖）及单糖（果糖、甘露糖、半乳糖）。甘露糖、半乳糖）。糖元和淀粉通过相应的磷酸化酶、磷糖元和淀粉通过相应的磷酸化酶、磷酸葡萄糖变位酶生成酸葡萄糖变位酶生成G-6-P进入酵解。其进入酵解。其他单糖可形成多个分支点的中间屋进入他单糖可形成多个分支点的中间屋进入酵解。酵解。糖酵解糖酵解糖酵解糖酵解EMP的能量消耗与生成的能量消耗与生成丙酮酸的代谢命运丙酮酸的代谢命运1）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。2）无无氧氧条条件件下下，丙丙酮酮酸酸转转变变为为乙乙醛醛，进进而生成乙醇。而生成乙醇。3）有有氧氧条条件件下下，丙丙酮酮酸酸氧氧化化脱脱羧羧生生成成乙乙酰酰-CoA，进进入入三三羧羧酸酸循循环环，氧氧化化供供能能（乙乙酰酰-CoA在在能能量量状状态态高高的的情情况况下下可可用用于合成脂类物质）。于合成脂类物质）。4)丙酮酸作为其他物质合成的前体（如丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala）。）。NADH+H+的命运的命运无氧条件下无氧条件下:通过乙醇发酵受氢，解决重氧化通过乙醇发酵受氢，解决重氧化通过乳酸发酵受氢，解决重氧化通过乳酸发酵受氢，解决重氧化有氧条件下有氧条件下:通过呼吸链递氢，最终生成通过呼吸链递氢，最终生成H2O,并并生成生成ATP。酵酵解解途途径径EMP的说明的说明1）己己糖糖激激酶酶(hexokinase)需需要要Mg2+或或其其他他二二价价阳阳离离子子及及ATP供供能能，反反应应不不可可逆逆，是是酵酵解解过过程程的的第第一一个个调调节节（别别构构）酶酶，肌肌肉肉中中受受产产物物G-6-P强强烈烈别别构构抑抑制制。肝肝脏脏中中主主要要是是以以glucokinase存存在在，对对Glc有有特特异异活活性性，不不受受G-6-P的抑制。的抑制。2）果果糖糖磷磷酸酸激激酶酶（phosphofructokinase），需需要要Mg2+及及ATP，是是酵酵解解途途径径的的关关键键反反应应(committedstep,keyreaction,rate-limitingreaction)酶酶，酵酵解解进进行行的的速速度度取取决决于于该该酶酶的的活活性性，酶酶的的调调节节也也是是别别构构调调节节，ATP对对其其有有抑抑制制效效应应，柠柠檬檬酸酸及及脂脂肪肪酸酸的的存存在在会会加加强强ATP的的抑抑制作用，制作用，AMP、ADP及及Pi可消除抑制。可消除抑制。EMP的说明（续）的说明（续）3）3-P-甘甘油油醛醛dHE(phosphoglyceraldehydedHE)活活性性中中心心在在酶酶的的Cys-SH上上，NAD+与与酶酶紧紧密密结结合合，受受氢氢还还原原后后与与酶酶脱脱离离，磷磷酸酸攻攻击击硫硫酯酯键键生生成成1，3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸。只只有有NAD+不不断断取取代代NADH才才能能保保持持酶酶的的催催化化活活力力，否否则则酵酵解解就就要要停停止止。ICH2COOH与与-SH反反应应，可可强强烈烈抑制酶的活性。抑制酶的活性。4）烯烯醇醇（化化）酶酶（enolase）有有Mg2+或或Mn2+存存在在时时，酶酶才才有有活活性性，F-能能与与Mg2+形形成成络络合合物物并并结结合合在在酶酶上上而而抑制酶的活性。抑制酶的活性。5）丙丙酮酮酸酸激激酶酶（pyruvatekinase）别别构构调调节节酶酶，需需要要Mg2+，K+，催催化化的的反反应应有有ATP生生成成，是是酵酵解解途途径径的的重重要要调调节节酶酶，长长链链脂脂肪肪酸酸、乙乙酰酰CoA、ATP、Ala等等均均抑抑制酶活；制酶活；F-1,6-diP可活化此酶。可活化此酶。6）整个酵解途径的反应）整个酵解途径的反应1、3、10为严格不可逆。为严格不可逆。EMP总结总结 1)无无氧氧条条件件下下，Glc分分解解为为乙乙醇醇或或乳乳酸酸，为为无无氧分解氧分解2).酵母等，酵母等，Glc2ethanol+2CO2肌肉等，肌肉等，Glc2lactate3).虽虽无无O2参参与与，但但有有脱脱氢氢反反应应，H的的受受体体为为NAD+，细细胞胞内内NAD少少，必必需需解解决决NADH的的重重氧化。氧化。4).两两种种发发酵酵均均净净生生成成2ATP，且且均均为为底底物物水水平平磷酸化。磷酸化。5).某某些些反反应应需需要要辅辅酶酶或或辅辅助助因因子子，如如NAD+,TPP,Mg2+,K+等。等。丙酮酸激酶的调节作用丙酮酸激酶的调节作用F-6-P对对果糖磷酸激酶的变构果糖磷酸激酶的变构调节作用调节作用磷磷酸酸果果糖糖激激酶酶-1的的活活力力大肠杆菌大肠杆菌PFK四亚基四亚基中的两个中的两个果糖果糖1,6-二磷酸二磷酸ADPF-6-P对果糖磷酸激酶的变构调对果糖磷酸激酶的变构调节作用（续）节作用（续）抑制抑制激活激活F-6-P和和ATP对对EMP的调节作用的调节作用F-6-P对磷酸化和去磷酸化的作用对磷酸化和去磷酸化的作用葡萄糖异生跨越了酵解磷酸果葡萄糖异生跨越了酵解磷酸果糖激酶糖激酶1催化的不可逆反应催化的不可逆反应果糖果糖-1，6-二磷酸酯酶二磷酸酯酶1果糖磷酸激酶果糖磷酸激酶1柠柠檬檬酸酸循循环环是是燃燃料料物物质质氧氧化化分分解解的的中中心心途途径径丙酮酸脱氢酶复合物催化整个丙酮酸脱氢酶复合物催化整个丙酮酸生成乙酰丙酮酸生成乙酰CoA的反应的反应PydHE复合物的调节复合物的调节PyCH3COScoA是是一一个个重重要要的的反反应应步步骤骤，处处于于代代谢谢的的分分支支点点，受受到到严严密密的的调调节作用：节作用：1）产产物物抑抑制制acetylCoA和和NADH都都抑抑制制PydHE复复合合物物，抑抑制制作作用用为为相相应应的的反反应物应物CoA及及NAD+所逆转。所逆转。2） 核核 苷苷 酸酸 反反 馈馈 调调 节节 (Nt feedbackregulation)整整个个酶酶体体系系的的活活性性由由细细胞胞的的能能荷荷水水平平所所调调控控，体体系系受受GTP(ATP)抑抑制制，为为AMP所活化。所活化。PydHE复合物的调节（续）复合物的调节（续）3） 可可 逆逆 磷磷 酸酸 化化 作作 用用 的的 共共 价价 调调 节节（covalentregulation），ATP存存在在时时，Py羧羧化化酶酶分分子子上上的的Ser-OH被被磷磷酸酸激激酶酶催催化化磷磷酸酸化化而而没没有有活活性性，一一旦旦磷磷酸酸基基团团被被磷磷酸酸酯酯酶酶催催化化水水解解（去去磷磷酸酸化化）可可恢恢复复活性。活性。细胞内细胞内ATP/ADP,acetylCoA/CoA,NADH/NAD+高高时时，磷磷酸酸化化作作用用加加强强；Ca2+促促进进去去磷磷酸酸化化作作用用，insulin也也可可刺刺激激去磷酸化作用。去磷酸化作用。柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶(Citricacidsynthetase) 催催化化TCA的的第第一一步步反反应应，反反应应先先生生成成柠柠檬檬酰酰CoA，再再水水解解为为柠柠檬檬酸酸，是是放放能能反反应应，不不可可逆逆。是是TCA的的一一个个调调节节酶酶，活活性性受受ATP、NADH、SuccinylCoA及及长长链链脂脂酰酰CoA的的抑抑制制，对对于于TCA是一个是一个rate-limittingstep。氟乙酰氟乙酰CoA在酶的作用下与草酰乙酸生成氟柠在酶的作用下与草酰乙酸生成氟柠檬酸，顺乌头酸酶只识别柠檬酸，对氟柠檬酸檬酸，顺乌头酸酶只识别柠檬酸，对氟柠檬酸没有作用，致使没有作用，致使TCA中断，这种合成为致死合中断，这种合成为致死合成成(lethalsynthesis)。在代谢研究的应用上，在代谢研究的应用上，这被广泛用于杀虫剂或灭鼠药的生产。这被广泛用于杀虫剂或灭鼠药的生产。TCA循循环环过过程程TCA简简图图 -酮戊二酸酮戊二酸dHE 与与PydHE复复合合物物的的组组成成及及作作用用非非常常相相似似，包包括三个酶组分：括三个酶组分：1） -酮戊二酸酮戊二酸dHE(E1) 2）琥珀酰转移酶琥珀酰转移酶(E2)3）二氢硫辛酸二氢硫辛酸dHE(E3)还还 有有 六六 种种 辅辅 助助 因因 子子 ： TPP, CoA, FAD,NAD+, Lipoic acid(Lipoamide)及及Mg2+。催催化化反应：反应： -Ketoglutarate+CoA+NAD+succinylCoA+CO2+NADH+H+酶也是调节酶，受产物酶也是调节酶，受产物NADH,succinylCoA和和Ca2+抑制；抑制；ATP、GTP对酶有反馈抑制；不受对酶有反馈抑制；不受磷酸化的共价调节。磷酸化的共价调节。vTCA是两用途径是两用途径回补反应回补反应原核、真核原核、真核肝脏和肾脏肝脏和肾脏植物、细菌植物、细菌心脏、骨骼肌心脏、骨骼肌乙醛酸循环乙醛酸循环(GlyoxylateCycle) 微微生生物物和和植植物物可可以以在在产产乙乙酸酸或或产产生生acetylCoA的的化化合合物物中中生生长长，因因为为它它们们存存在在两两种种酶酶：异异柠柠檬檬酸酸裂裂解解酶酶（isocitratelyase）和和苹苹果果酸酸合合成成酶酶（malatesynthetase），这这样样可可使使TCA循循环环中中的的异异柠柠檬檬酸酸不不经经脱脱羧羧而而被被裂裂解解酶酶裂裂解解为为琥琥珀珀酸酸和和乙乙醛醛酸酸，乙乙醛醛酸酸与与另另一一分分子子acetylCoA在在苹苹果酸合成酶作用下缩合形成苹果酸。果酸合成酶作用下缩合形成苹果酸。意义：连接糖与脂的相互转变；意义：连接糖与脂的相互转变；协同协同TCA，造成造成C4的赢余的赢余乙乙醛醛酸酸(Glyoxylate)循循环环乙乙醛醛酸酸循循环环和和TCA循循环环的的关关系系异异柠柠檬檬酸酸脱脱氢氢酶酶活活性性的的调调节节决决定定异异柠柠檬檬酸酸向向乙乙醛醛酸酸循循环环还还是是TCA循循环环TCA的调节的调节1.底物的有效性底物的有效性2.产物的反馈抑制产物的反馈抑制3.变构反馈抑制变构反馈抑制TCA循循环环的的调调节节葡葡萄萄糖糖代代谢谢的的调调节节糖糖代代谢谢调调节节1糖糖代代谢谢调调节节2糖元异生糖元异生由非糖物质合成葡萄糖对于哺乳动物由非糖物质合成葡萄糖对于哺乳动物绝对必需，因脑、神经系统、红细胞、绝对必需，因脑、神经系统、红细胞、睾丸、肾上腺髓质、胚胎组织等首选血睾丸、肾上腺髓质、胚胎组织等首选血液中的葡萄糖作为他们唯一的或主要的液中的葡萄糖作为他们唯一的或主要的燃料分子。人脑每天需要超过燃料分子。人脑每天需要超过120g的葡的葡萄糖。萄糖。由非己糖前体合成葡萄糖的过程称为由非己糖前体合成葡萄糖的过程称为糖元异生。糖元异生发生于所有动物、糖元异生。糖元异生发生于所有动物、植物、真菌和微生物，过程相似。植物、真菌和微生物，过程相似。糖元异生（续）糖元异生（续）哺乳动物糖元异生的前体物质主要有乳酸、哺乳动物糖元异生的前体物质主要有乳酸、丙酮酸、甘油和一些氨基酸。高等动物糖元异丙酮酸、甘油和一些氨基酸。高等动物糖元异生绝大多数发生于肝脏，极少部分发生于肾皮生绝大多数发生于肝脏，极少部分发生于肾皮质。质。植物萌发时，贮存的甘油三酯和蛋白质通植物萌发时，贮存的甘油三酯和蛋白质通过糖异生转变为蔗糖运送到生长的植物，葡萄过糖异生转变为蔗糖运送到生长的植物，葡萄糖及其衍生物是植物细胞壁、核苷酸、辅酶及糖及其衍生物是植物细胞壁、核苷酸、辅酶及其他重要代谢物的合成前体。其他重要代谢物的合成前体。许多微生物可以生长在简单有机物如乙酸、许多微生物可以生长在简单有机物如乙酸、乳酸、丙酸等条件下，通过糖异生把它们转变乳酸、丙酸等条件下，通过糖异生把它们转变为葡萄糖。为葡萄糖。异生与酵解异生与酵解哺乳动物糖异生发生于肝脏，异生过哺乳动物糖异生发生于肝脏，异生过程似乎是酵解过程的逆转反应，两者都程似乎是酵解过程的逆转反应，两者都发生于胞质，必需有相互和协作的调节。发生于胞质，必需有相互和协作的调节。但过程也不是独特的，因为两者享有几但过程也不是独特的，因为两者享有几步共同的反应步骤，十步反应的七步酶步共同的反应步骤，十步反应的七步酶促反应是酵解过程的逆反应。促反应是酵解过程的逆反应。酵解过程的三步不可逆反应在体内不酵解过程的三步不可逆反应在体内不能被用于异生，必需有不同的酶催化反能被用于异生，必需有不同的酶催化反应来逾越三步不可逆反应。应来逾越三步不可逆反应。酵酵解解和和糖糖元元异异生生是是相相反反的的过过程程酵解的三步不可逆反应酵解的三步不可逆反应 己糖激酶己糖激酶1.Glucose+ATPG-6-P+ADP磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶2.F-6-P+ATPF-1,6-dip+ADP丙酮酸激酶丙酮酸激酶3.PEP+ADPPyruvate+ATPPy生成生成PEP糖元异生的前体物质糖元异生的前体物质 1）凡凡可可生生成成Py的的物物质质，包包括括TCA的的中中间间产产物物，但乙酰但乙酰CoA不能作为糖异生的前体；不能作为糖异生的前体；2）大大多多氨氨基基酸酸是是生生糖糖氨氨基基酸酸，如如Ala, Glu,Asp,Ser,Cys,Gly,Arg,His,Thr,Pro,Gln,Asn,Met,Val等等，分分别别变变为为丙丙酮酮酸酸、草草酰酰乙乙酸酸、 -酮戊二酸等进入糖异生；酮戊二酸等进入糖异生；3）肌肉剧烈运动产生的大量乳酸；肌肉剧烈运动产生的大量乳酸；4)反刍动物分解纤维素产生的乙酸、丙酸、反刍动物分解纤维素产生的乙酸、丙酸、丁酸等丁酸等5)奇数脂肪酸分解产生的琥珀酰奇数脂肪酸分解产生的琥珀酰CoA等。等。“无效循环无效循环”FutileCycle生物组织内由两个不同的酶催化两个生物组织内由两个不同的酶催化两个相反的代谢途径，反应的一方需要高能相反的代谢途径，反应的一方需要高能化合物如化合物如ATP参与，而另一方则自动进参与，而另一方则自动进行，这样循环的结果只是行，这样循环的结果只是ATP被水解了，被水解了，而其他反应物并无变化，这种循环被称而其他反应物并无变化，这种循环被称为为“无效循环无效循环”（Futilecycle)。肝脏中有酵解和异生的完整酶系，可肝脏中有酵解和异生的完整酶系，可能存在种无效循环。能存在种无效循环。意义：产生热能、扩大代谢的调控。意义：产生热能、扩大代谢的调控。磷酸己糖支路磷酸己糖支路(HMP) 又又称称己己糖糖单单磷磷酸酸途途径径，戊戊糖糖(磷磷酸酸)支支路路hexosemonophosphatepathway(shunt),pentose phosphate shunt。 Racker(1954)、Gunsalus(1955)发发现现，组组织织中中添添加加酵酵解解抑抑制制剂剂，Glc仍仍可可被被消消耗耗，即即Glc还还有有其其他他的的代代谢谢支支路路。整个途径分为两个阶段整个途径分为两个阶段:氧化阶段：氧化阶段：Glc经脱氢、脱羧变为磷酸戊糖经脱氢、脱羧变为磷酸戊糖非氧化阶段，戊糖经几种不同碳数的糖的转非氧化阶段，戊糖经几种不同碳数的糖的转化，最终重新合成己糖。两个关键酶催化其中化，最终重新合成己糖。两个关键酶催化其中的反应，即转羟乙醛基（转酮）酶的反应，即转羟乙醛基（转酮）酶（transketolase）和转二羟丙酮基（转醛）酶和转二羟丙酮基（转醛）酶(transaldolase)。戊戊糖糖磷磷酸酸支支路路的的氧氧化化反反应应戊糖磷酸支路的非氧化反应戊糖磷酸支路的非氧化反应戊戊糖糖磷磷酸酸支支路路的的碳碳架架转转变变HMP的两个关键酶的两个关键酶转酮酶或转转酮酶或转羟乙醛基酶羟乙醛基酶转醛酶或转二转醛酶或转二羟羟丙酮基酶丙酮基酶HMP途径的意义途径的意义 1）产产生生NADPH，为为生生物物合合成成提提供供还还原原力，如脂肪酸合成、固醇合成；力，如脂肪酸合成、固醇合成；2）产生磷酸戊糖，参与核酸代谢；产生磷酸戊糖，参与核酸代谢；3）NADPH使使红红细细胞胞内内GSSGGSH,对对维持红细胞的还原性重要；维持红细胞的还原性重要；4）非线粒体氧化体系中有重要作用；非线粒体氧化体系中有重要作用；5)植物光合作用植物光合作用CO2合成合成Glc的部分反的部分反应途径。应途径。糖醛酸途径（糖醛酸途径（GlucuronicAcidPathway,UronicAcidPathway） 由由G-6-P或或G-1-P开开始始，经经UDP-glucuronicacid的代谢途径。的代谢途径。（1）G-6-P转转化化为为UDPG，再再由由NAD连连接接的的脱脱氢酶催化，氧化为氢酶催化，氧化为UDP-GlcUA；（2）抗坏血酸的合成；抗坏血酸的合成；（3）UDP-GlcUA生成生成UDP-Iduronate;（4）UDP-GlcUA与与药药物物或或异异物物作作用用，生生成成水水溶性加成物由尿中排出；溶性加成物由尿中排出；（5）GlcUA经脱氢、脱羧等生成经脱氢、脱羧等生成(磷酸磷酸)木酮木酮糖与糖与HMP相联。相联。 糖糖醛醛酸酸途途径径糖糖醛醛酸酸途途径径（续续）糖醛酸途径的意义糖醛酸途径的意义1） 肝肝 脏脏 中中 糖糖 醛醛 酸酸 与与 药药 物物 或或 含含 -OH,-COOH,-NH2,-SH等等异异物物结结合合，随随尿尿、胆胆汁排出而解毒；汁排出而解毒；2）UDP-uronicacid是是糖糖醛醛酸酸基基供供体体，可可形成许多有重要功能的粘多糖；形成许多有重要功能的粘多糖；3）可可转转化化为为抗抗坏坏血血酸酸（VitC），人人及及其其他灵长类不能合成；他灵长类不能合成；4)形成木酮糖形成木酮糖与与HMP相联系。相联系。多糖（多糖（Polysaccharides）由许多单糖或单糖衍生物聚合而成，缩合时单糖分子以糖苷键相连，一般无甜味、无还原性、酸或酶的作用下可水解为双糖、寡糖或多糖，重要的有淀粉、糖元、纤维素、几丁质、粘多糖等。可分为同多糖和杂多糖。 淀粉（淀粉（Starch）广泛存在于植物的种子和根茎中，热水处理25分钟能溶解的部分为直链淀粉（amylose, soluble starch），不溶解的部分为支链淀粉（amylopectin）直链淀粉平均250-300个-D-Glc通过-1，4糖苷键相连，旋转卷曲成螺旋状，每6个Glc残基盘旋一圈，与KI-I2呈（深）兰色。水解的唯一双糖为麦芽糖、唯一单糖为葡萄糖。支链淀粉由2000-22000个Glc残基组成，大约每24-30个Glc就有一个-1，6糖苷键的分支，与KI-I2呈紫（红）色。水解时只生成一种双糖-（+）麦芽糖。 糖元（糖元（Glycogen）有动物淀粉之称，细菌细胞中也有存在，动物组织内主要的贮藏多糖。肝脏、肌肉中含量多，分别称为肝糖元、己糖元。结构与支链淀粉相似，但分支长度较短，一般由8-12个Glc残基组成，分支多，分子量高达106-108。与KI-I2呈红褐色或棕红色。水解终产物是葡萄糖。 纤维素（纤维素（Cellulose）自然界中分布最广的糖，以纤维二糖（cellobiose）为基本单位缩合而成，纤维状、僵硬、不溶于水的分子，分子不分支，约由10000-15000个-D-Glc残基组成。水解需高温、高压和酸，人体消化酶不能水解纤维素，食草动物利用肠道寄生菌分泌的纤维素酶（cellulase）将部分纤维素水解为葡萄糖。 几丁质（壳多糖）（几丁质（壳多糖）（Chitin） 存在于节肢动物昆虫、甲壳类动物外骨骼及真菌细胞壁，地球上仅次于纤维素的第二大类糖。由N-乙酰-D-葡萄糖胺以（14）糖苷键缩合而成，分子线状不分支。几丁质系列开发在保健及医疗上的应用。透明质酸透明质酸（Hyaluronicacid,hyaluronan）高等动物组织中发现，细菌中也有存在，主要存在于结缔组织如眼球玻璃体、鸡冠、脐带、软骨等组织。主要功能是在组织中吸着水，有润滑剂作用，对组织起保护作用。糖胺聚糖中结构最简单的一种，有重复的二糖结构单位，D-GlcUA与GlcNAc以-1，3糖苷键相连，二糖单位间以-1，4连接，分子链状、无分支，分子量很大，可达1000万以上，分子中不含硫酸取代基，生理pH下为多聚阴离子。 透明质酸（透明质酸（Hyaluronicacid)硫酸软骨素硫酸软骨素（Chondroitinsulfate）软骨的主要成分，广泛存在于结缔组织、筋腱、皮肤等。分子量一般低于10万（约250个重复二糖），个别可超过30万，有4-硫酸软骨素（硫酸软骨素A）和6-硫酸软骨素（硫酸软骨素C）两种，二糖单位为D-GlcUA与GalNAc以-1，3相连，糖链生成后由专一性酶在4位或6位进行硫酸化。 6-硫酸软骨素硫酸软骨素硫酸皮肤素硫酸皮肤素(Dermatansulfate) 又称硫酸软骨素B，最初从猪皮中分离，存在于许多动物组织，如猪肠胃黏膜、脐带、肌腱等。二糖单位为L-IduUA与GalNAc以-1，3相连。 硫酸皮肤素硫酸皮肤素肝素（肝素（Heparin）最早由肝脏和心脏中分离到，以肝脏中丰富，广泛存在于哺乳动物组织和体液中，猪肠黏膜是较好的材料来源。结构复杂，由D-GlcN与L-IduUA或D-GlcUA组成二糖单位，同时C2上的-NH2和C6上的-OH分别被硫酸酯化。常被用作抗凝剂，防止血栓形成，输血时添加肝素作抗凝剂。 结合糖（复合糖，糖复合物）结合糖（复合糖，糖复合物）糖与非糖物质如脂类或蛋白共价结合，分别形成糖脂（Glycolipids）、糖蛋白(Glycoproteins)及蛋白多糖（proteoglycans）等糖复合物。 糖脂（糖脂（Glycolipids）种类很多，革兰氏阴性菌细胞壁含有十分复杂的脂多糖，其分子结构一般包括三部分： 外层专一性寡糖链中心多糖链脂质其中，外层部分的组分随菌株而异，可使人体致病。脂多糖在细胞表面与细胞的各种识别事件相关，如鞘糖脂决定人类血型A、B、O。糖蛋白（糖蛋白（Glycoproteins）自然界中分布最广的一类复合糖，几乎所有的细胞都能合成糖蛋白，由短链寡糖与蛋白质共价连成，连接通过2种不同类型的糖苷键，一种是糖链上的半缩醛羟基与肽链上的Thr, Ser, HyPro, HyLys的-OH形成O-糖苷键；另一种是半缩醛羟基与肽链上的Asn的-NH2形成N-糖苷键。 蛋白聚（多）糖蛋白聚（多）糖（Proteoglycans） 蛋白质与糖胺聚糖以共价键连成的大分子复合物，糖胺聚糖链连在核心蛋白上，是具有多聚阴离子的杂多糖，由氨基己糖和己糖醛酸交替排列成线性顺序，不同部位还有硫酸取代基。有三种不同的糖肽键连接，D-Xyl与Ser的-OH形成O-糖肽键；GlcNAc与Asn形成N-糖肽键；GalNAc与Thr或Ser的-OH形成O-糖肽键。 胞胞外外基基质质蛋蛋白白多多糖糖聚聚合合体体 蛋白多糖结构蛋白多糖结构膜蛋白多糖膜蛋白多糖脂类生物化学脂类生物化学（Lipids and Lipid Biochemistry） 生物脂类是一类范围很广的化合物，化学成分及结构差异极大，脂类定义的特点就是水不溶性(water insoluble)（即脂溶性，fat-soluble），因此，多数脂类都易溶于乙醚、氯仿、己烷、苯等有机溶剂，而不溶于水。 脂类功能脂类功能 脂类的功能也是多样的，（1）脂肪和油是很多生物主要的能量贮存形式；（2）磷脂及固醇组成了生物膜约一半的部分；（3）有些脂类虽然数量相对较低，但在酶的辅助因子、电子载体、光吸收色素、疏水稳定体、乳化剂、激素及胞间信息等方面都起着关键作用；（4）还有些脂类有防止机械损伤及防止热量散发的保护作用。 脂类分类脂类分类 根据化学结构及脂的组成，脂类可分为：1单纯脂类（质）（Simole lipids），包括脂肪、油和蜡；2复合脂类（Lipid complex），包括磷脂（甘油磷脂和鞘磷脂）和糖脂（脑苷脂和神经节苷脂）；3异戊二烯类（Isoprenes），包括多萜类及固醇和类固醇类。 皂化反应皂化反应（Saponification）及及皂化值皂化值（Saponification Number）甘油三酯的酯键对酸碱敏感，可被水解，脂肪在KOH或NaOH条件下加热，可产生甘油和脂肪酸的钠或钾盐，这种盐被称为皂。水解1g甘油三酯所需KOH的mg数为皂化值，从皂化值的数量可略知混合脂肪酸或混合脂肪的平均相对分子量，平均相对分子量=3561000/皂化值。肥皂的作用是通过形成微小聚积物（胶粒）而溶解或分散水不溶性物质而达到去污的目的。 酸败酸败（Racidity）和和酸值酸值（Acid Number）脂肪长期暴露于潮湿闷热的空气中，受到空气的作用，游离脂肪酸被氧化、断裂生成醛、酮及低分子量脂肪酸，产生难闻的恶臭味，称之酸败。中和1g油脂中游离脂肪酸所消耗KOH的mg数称为酸值，可表示酸败的程度。 卤化卤化（Halogenation）和碘价碘价（碘化值, Iodine Number） 油脂中不饱和双键与卤素发生加成反应，生产卤代脂肪酸，称为卤化作用。100g油脂所能吸收的碘的g数碘值，可以用来判断油脂中不饱和双键的多少。 维生素维生素A、D、K、E是脂溶性维生素是脂溶性维生素 维生素A, D, K, E是脂溶性维生素, 是异戊二烯类化合物, 调节生物体的代谢和一些重要的生理生化活动. -胡萝卜素胡萝卜素VitA胆固醇胆固醇VitD磷脂酶的作用磷脂酶的作用A1广泛存在于动物的细胞器、微粒体中，专一水广泛存在于动物的细胞器、微粒体中，专一水解磷脂分子解磷脂分子C1上的酯键，水解产物为溶血性磷脂上的酯键，水解产物为溶血性磷脂（Lysophosphatidyllipid)，为溶血性磷脂酶。为溶血性磷脂酶。A2大量存在于蛇毒、蝎毒、蜂毒等，专一水解大量存在于蛇毒、蝎毒、蜂毒等，专一水解C2上的酯键，产物为溶血性；为溶血性磷脂酶。上的酯键，产物为溶血性；为溶血性磷脂酶。B专一水解专一水解A2水解产物水解产物1-脂酰磷脂脂酰磷脂C1上的酯键，也上的酯键，也是溶血性磷脂酶。是溶血性磷脂酶。C主要存在于动物脑、蛇毒和微生物中，作用于磷主要存在于动物脑、蛇毒和微生物中，作用于磷脂酸脂酸C3位的磷酸酯键。位的磷酸酯键。D主要存在于高等植物，水解主要存在于高等植物，水解C3位第位第2个磷酸酯键。个磷酸酯键。磷脂酶的作用位点磷脂酶的作用位点脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化FFA是是人人及及哺哺乳乳动动物物的的主主要要能能源源物物质质，除除脑脑组组织织外外，大大多多数数组组织织都都能能氧氧化化FFA，以肝脏和肌肉最为活跃。以肝脏和肌肉最为活跃。四个四个阶段阶段脂肪酸的活化脂肪酸的活化脂酰脂酰CoA的生成的生成脂酰基进入线粒体脂酰基进入线粒体脂酰脂酰CoA的的-氧化氧化三羧酸循环和氧化磷酸化三羧酸循环和氧化磷酸化脂肪酸的活化肉碱脂肪酸的转运氧化 酮体的生成部位：肝细胞肝细胞 线粒体原料：乙酰CoA 产物：乙酰乙酸、 羟丁酸、 丙酮生理意义：生理意义：酮酮体体是是脂脂肪肪酸酸在在肝肝脏脏正正常常代代谢谢的的中中间间产产物物，是是肝肝脏脏输出能源输出能源的一种形式。的一种形式。酮酮体体分分子子小小，水水溶溶性性大大，易易于于通通过过血血脑脑屏屏障障和和肌肌肉肉毛细血管壁，是脑组织和肌肉组织的重要能源。毛细血管壁，是脑组织和肌肉组织的重要能源。正正常常情情况况下下，脑脑组组织织仅仅能能利利用用葡葡萄萄糖糖作作为为能能源源，不不能能氧氧化化脂脂肪肪酸酸。饥饥饿饿或或糖糖供供应应不不足足时时脂脂肪肪动动员员，肝肝脏脏将将脂脂肪肪酸酸转转化化为为酮酮体体，酮酮体体分分子子小小，水水溶溶性性大大，易易于于通通过过血血脑脑屏屏障障和和肌肌肉肉毛毛细细血血管管壁壁，成成为为脑脑组组织织和和肌肌肉肉组组织织主主要要的的能能源源，也也因因此此减减少少了了作作为为糖糖异异生生原料的肌肉蛋白质的降解。原料的肌肉蛋白质的降解。DNA复制复制 DNA的复制机制的复制机制 DNA的半保留复制 亲代DNA分子每一条链各自作为模板，合 成一条互补链，新合成的两条链中一条是旧链，一条为新链。 1958年Matthew Messelson and Franklin Stahl 用令人信服的实验证明了DNA的半保留复制机制DNA复制的起点和方向复制的起点和方向 大肠杆菌复制有一个固定的起点，向两个方向进行 复制叉和复制眼DNA复制的几种方式复制的几种方式 形、滚环式、D型、线性染色体DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶是DNA合成中起主要作用的酶，催化总反应 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + ppi DNA 延伸的DNA DNA聚合酶I (DNA Polymerase I、PolI) DNA聚合酶催化DNA合成的共同特点 DNA聚合酶I具有 5 3聚合活性 3 5外切酶活性(校阅作用 Proofreading) 5 3外切酶活性 DNA复制模型DNA半保留复制实验DNA聚合酶的关键特征 忠实性 催化效率 DNA聚合酶的催化活性依赖于聚合酶的持续合成能(Processivity)大肠杆菌中至少有三种DNA聚合酶 PolI、PolII、PolIIIPolI为一条多肽链，经枯草杆菌蛋白酶水解分为大片段(Klenow片段)和小片段PolIII是大肠杆菌中最重要的复制酶，由十种亚基组成，亚基决定了PolIII全酶的持续合成能力多聚酶链式反应 (PCR)切口平移 (Nick translation)DNA连接酶 (DNA Ligase) T4和E.coli DNA连接酶作用机制引物和引发酶 引物通常是RNA寡核苷酸链而不是DNA。引物是由特殊的酶-引发酶 (Primase)合成的DNA Ligase 的作用冈崎片段和冈崎片段和DNA半不连续合成半不连续合成 复制叉上DNA合成的三种可能模型 前导链 (Leading Strand) 后随链 (Lagging Strand)拓扑异构酶拓扑异构酶(Topoisomerase) TopoI型、TopoII型、Gyrase解旋酶解旋酶(Helicase)SSB蛋白蛋白(SingleStrandBindingProtein)大肠杆菌染色体复制的三个过程大肠杆菌染色体复制的三个过程 起始 延伸 终止起始大肠杆菌复制起点核苷酸序列特征DnaA蛋白是复制起始的关键蛋白延伸前导链合成后随链合成引发体（Primosome)RNA引物的去除后随链模板的looping模型终止线性染色体的端粒线性染色体的端粒(telomere)和端粒酶和端粒酶(telomerase)解决了线性染色体解决了线性染色体3端短缺端短缺的问题的问题 复制叉上DNA合成的三种模型DNA复制叉上的蛋白质复制叉上的蛋白质复制叉的三维结构复制叉的三维结构RNA引物通过引物通过PolI53外切酶活性除去外切酶活性除去DNA复制时滞后链的模板成环模型复制时滞后链的模板成环模型细菌复制叉上引发体的作用细菌复制叉上引发体的作用线性染色体线性染色体DNADNA端粒结构及端粒酶作用端粒结构及端粒酶作用PolymeraseChainReaction(PCR) Born on December 28, 1944Born on December 28, 1944Awarded the Nobel Prize Awarded the Nobel Prize Chemistry in 1993Chemistry in 1993In April, 1983, In April, 1983, KaryKary Mullis took a drive on Mullis took a drive on a moonlit California a moonlit California mountain road and mountain road and changed the course of changed the course of molecular biology. molecular biology. During that drive, he During that drive, he conceived the conceived the Polymerase Chain Polymerase Chain Reaction (PCR).Reaction (PCR).Principle of PCRPrinciple - PCR componentsDNA template, which contains the region of the DNA fragment to be amplified One pair of primer, which determine the beginning and end of the region to be amplified DNA-Polymerase, which catalysis the region to be amplified dNTPs, from which the DNA-Polymerase builds the new DNA Buffer, which provides a suitable chemical environment for the DNA-Polymerase Mg2+ , activate the DNA-PolymerasePrinciple-ProcedureqThe PCR process consists of a series of twenty to thirty cycles.qThree steps in one circle: Melting Annealing ElongationPrinciple of PCRProcedureMeltingtemperature&time93 94 for 30s 1 min;Higher T affect polymerase activityAnnealingtemperature&time30 60 for 30s 1 min;Elongationtemperature&time70 75 (common 72 ) for 1 2 min;Higher T affect primer / template complexCycleDepend on the temple concentration; 30-40 cyclesIncubation :reform the secondary structure切口平移切口平移DNA损伤修复损伤修复化学诱变因素化学诱变因素烷化剂、亚硝酸、嵌入剂物理诱变因素物理诱变因素电离辐射(UV、X射线、射线) ； 链断裂、交联、环打开紫外照射引起嘧啶二聚体的形成紫外照射引起嘧啶二聚体的形成修复机制修复机制光复活(光复活酶) 切除修复 通过N-糖苷酶识别并切除错误碱基 uvrABC核酸酶 错配修复 重组修复 SOS修复细胞修复系统缺损与癌症有一定关系细胞修复系统缺损与癌症有一定关系切除修复缺损 着色性干皮病(Xeroderma Pigmentosum Xp) 错配修复缺损 遗传性非息肉结肠癌(Hereditary Nonpolyposis Colorectal Cancer HPCC)DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 一、一、DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变） 由自发的或环境的因素引起由自发的或环境的因素引起DNADNA一级一级结构的任何异常的改变称为结构的任何异常的改变称为DNADNA的损的损伤，也称为突变（伤，也称为突变（mutationmutation）。）。常见的常见的DNADNA的损伤包括碱基脱落、碱的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。基修饰、交联，链的断裂，重组等。 （一）引起突变的因素：（一）引起突变的因素：1 1自发因素：自发因素： (1)(1)自自发发脱脱碱碱基基：由由于于N-N-糖糖苷苷键键的的自自发发断断裂裂，引引起起嘌嘌呤呤或或嘧嘧啶啶碱碱基基的的脱脱落落。每每日可达近万个核苷酸残基。日可达近万个核苷酸残基。 (2)(2)自自发发脱脱氨氨基基：胞胞嘧嘧啶啶自自发发脱脱氨氨基基可可生生成成尿尿嘧嘧啶啶，腺腺嘌嘌呤呤自自发发脱脱氨氨基基可可生生成成次次黄黄嘌嘌呤呤。每每日日可可达达几几十十到到几几百百个个核核苷苷酸残基。酸残基。 (3)(3)复制错配：由于复制时碱基配对错复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。误引起的损伤，发生频率较低。 2 2物理因素：物理因素：由由紫紫外外线线、电电离离辐辐射射、X X射射线线等等引引起起的的DNADNA损损伤伤。其其中中，X X射射线线和和电电离离辐辐射射常常常常引引起起DNADNA链链的的断断裂裂，而而紫紫外外线线常常常常引引起起嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的形形成成，如如TTTT，TCTC，CCCC等等二二聚聚体体。这这些些嘧嘧啶啶二二聚聚体体由由于于形形成成了了共共价价键键连连接接的的环环丁丁烷烷结结构构，因因而而会会引引起起复复制制障障碍。碍。 UV照射形成嘧啶二聚体 3 3化学因素：化学因素： (1)(1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速加速C C脱氨基生成脱氨基生成U U，A A脱氨基生成脱氨基生成I I。 (2)(2)烷烷基基化化剂剂：这这是是一一类类带带有有活活性性烷烷基基的的化化合合物物，可可提提供供甲甲基基或或其其他他烷烷基基，引引起起碱碱基基或或磷磷酸酸基基的的烷烷基基化化，甚甚至至可可引引起起邻邻近近碱基的交联。碱基的交联。 (3)DNA(3)DNA加加合合剂剂：如如苯苯并并芘芘，在在体体内内代代谢谢后后生生成成四四羟羟苯苯并并芘芘，与与嘌嘌呤呤共共价价结结合合引引起起损伤。损伤。 (4)(4)碱碱基基类类似似物物：如如5-FU5-FU，6-MP6-MP等等，可可掺入到掺入到DNADNA分子中引起损伤或突变。分子中引起损伤或突变。 (5)(5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起物等，可引起DNADNA链的断裂。链的断裂。 （二）（二）DNADNA突变的类型：突变的类型： 碱基的转换碱基的转换（三）三）DNADNA突变的效应：突变的效应： 1 1同同义义突突变变：基基因因突突变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子第第三三位位碱碱基基的的改改变变但但不不引引起起暗暗码码子子意意义义的的改改变变，其其翻翻译译产产物物中中的的氨氨基基酸酸残残基基顺顺序序不不变变，但但有有时时可可引引起起翻译效率降低。翻译效率降低。 2 2误误义义突突变变：基基因因突突变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子碱碱基基被被置置换换，其其意意义义发发生生改改变变，翻翻译译产产物物中中的的氨氨基基酸酸残基顺序发生改变。残基顺序发生改变。 3 3无无义义突突变变：基基因因突突变变导导致致mRNAmRNA暗暗码码子子碱碱基基被被置置换换而而改改变变成成终终止止暗暗码码子子，引引起起多多肽肽链链合合成成的的终止。终止。 4 4移码突变：基因突变导致移码突变：基因突变导致mRNAmRNA暗码子碱基暗码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。发生改变。 二、二、DNADNA损伤的修复损伤的修复 DNADNA损伤的修复方式可分为直接修复损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类。和取代修复两大类。 （一）直接修复：（一）直接修复： 1 1光复活：光复活：（light repairinglight repairing）：）：这这是是一一种种广广泛泛存存在在的的修修复复作作用用。光光复复活活能能够够修修复复任任何何嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的损损伤伤。其其修修复复过过程程 为为 ： 光光 复复 活活 酶酶 （ photo-photo-lyaselyase) )识识别别嘧嘧啶啶二二聚聚体体并并与与之之结结合合形形成成复复合合物物在在300300600nm600nm可可见见光光照照射射下下，酶酶获获得得能能量量，将将嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的丁丁酰酰环环打打开开，使使之之完完全全修修复复光光复活酶从复活酶从DNADNA上解离。上解离。 光复活光复活 2 2转甲基作用：转甲基作用：在在转转甲甲基基酶酶的的催催化化下下，将将DNADNA上上的的被被修修饰饰的的甲甲基基去去除除。此此时时，转转甲甲基基酶酶自自身身被被甲甲基化而失活。基化而失活。 3 3直接连接：直接连接：DNADNA断断裂裂形形成成的的缺缺口口，可可以以在在DNADNA连连接接酶酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。的催化下，直接进行连接而封闭缺口。 （二）取代修复：二）取代修复： 1 1切除修复切除修复(excision repairing)(excision repairing)：这这也也是是一一种种广广泛泛存存在在的的修修复复机机制制，可可适适用用于于多多种种DNADNA损损伤伤的的修修复复。该该修修复复机机制制可可以以分分别别由由两两种种不不同同的的酶酶来来发发动动，一一种种是是核酸内切酶，另一种是核酸内切酶，另一种是DNADNA糖苷酶。糖苷酶。 切除修复切除修复切除修复切除修复 2 2重组修复重组修复(recombination (recombination repairing)repairing)：这这是是DNADNA的的复复制制过过程程中中所所采采用用的的一一种种有有差差错错的的修修复复方式。方式。 3 3SOSSOS修复：修复： 这这是是一一种种在在DNADNA分分子子受受到到较较大大范范围围损损伤伤并并且且使使复复制制受受到到抑抑制制时时出出现现的的修修复复机机制制，以以SOSSOS借喻细胞处于危急状态。借喻细胞处于危急状态。 DNADNA分分子子受受到到长长片片段段高高密密度度损损伤伤，使使DNADNA复制过程在损伤部位受到抑制。复制过程在损伤部位受到抑制。损损伤伤诱诱导导一一种种特特异异性性较较低低的的新新的的DNADNA聚聚合酶，以及重组酶等的产生。合酶，以及重组酶等的产生。由由这这些些特特异异性性较较低低的的酶酶继继续续催催化化损损伤伤部部位位DNADNA的的复复制制，复复制制完完成成后后，保保留留许许多多错误的碱基，从而造成突变。错误的碱基，从而造成突变。 RNA合成和加工由RNA聚合酶催化的反应NTP(NMP)n RNA聚合酶 (NMP)n+1 + PPi RNA 延伸的RNADNA是RNA合成的模板 1961年S.Spiegelman用分子杂交方法证明了DNA与RNA之间的对应关系原核生物中的转录 E.coli中由一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成 E.coli的RNA聚合酶全酶由核心酶(2、亚基)和亚基组成 E.coli中有多种不同亚基；亚基在决定RNA聚合酶起始转录中起关键作用 DNA两条链中有一条被转录为RNA(模板链与非模板链) E.coli的启动子(Promoter) DNA上与转录起始相关，RNA聚合酶与之专一结 合并起始转录的核苷酸顺序 启动子上的两个保守顺序 -10区(Pribnow box) 5 TATAAT 3 -35区 5 TTGACA 3 足迹法(Footprinting)提供了RNA聚合酶与启动子之间相互作用的信息并用于确定作用位点的核苷酸顺序原核生物RNA合成的三个阶段: 起始、延伸、终止起始、延伸、终止 起始起始: 不同亚基可以辨别不同的启动子，具有调控不同基因转录起始的作用， 以适应环境变化及生物生长发育不同阶段的需求。 RNA起始核苷酸是pppG或pppA 封闭复合物和开放复合物的形成 延伸延伸: 核心酶负责RNA的延伸 RNA的延伸方向5 3 终止终止: 终止子结构 不需因子的终止 需因子的终止原核生物RNA合成的抑制剂 利福霉素 放线菌素D就某一确定活化基因的转录，只能以就某一确定活化基因的转录，只能以DNA双链的一条双链的一条链作为模板，这种现象称为链作为模板，这种现象称为不对称转录不对称转录（asymmetrictranscription）。）。v不对称转录：不对称转录：两重含义：两重含义：一是指双链一是指双链DNA只有一股单链只有一股单链用作模板。用作模板。二是指同一单链上可以二是指同一单链上可以交错出现交错出现模板链和编码链。模板链和编码链。DNA双链在转录过程中只有一条链中的其中某一活双链在转录过程中只有一条链中的其中某一活化基因片段起作用，该链称化基因片段起作用，该链称模板链模板链（templatestrand），），又称又称有意义链或有意义链或Watson链链；与其互补的链称为；与其互补的链称为编码链编码链（codingstrand），），又称反义链或又称反义链或Crick链。链。转录模板转录模板转录生成的转录生成的RNA链与编码链的碱基序列相似，以链与编码链的碱基序列相似，以U取代取代T二、二、RNA聚合酶聚合酶(DNA dependent RNA polymerase, DDRP, RNA-pol)v原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）RNA聚合酶：聚合酶：4种亚基种亚基 、 、 、 组成的五聚体蛋白质，分子量组成的五聚体蛋白质，分子量480kD。亚基亚基分子量分子量功能功能 36512决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618与转录全过程有关（催化）与转录全过程有关（催化） 155613结合结合DNA模板（开链）模板（开链） 70263辨认起始点辨认起始点核心酶（核心酶（coreenzyme）： 2能催化能催化NTP按模板的指引合成按模板的指引合成RNA，在转录延长全过在转录延长全过程中均起作用程中均起作用全酶（全酶（holoenzyme）：）： 2 ，即即 亚基亚基+核心酶核心酶 亚基的功能是辨认转录起始点，转录起始阶段需要全酶亚基的功能是辨认转录起始点，转录起始阶段需要全酶v真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶种类种类IIIIII转录产物转录产物45s-rRNAhnRNA5s-rRNA、tRNA、snRNA对鹅膏蕈碱对鹅膏蕈碱耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感的反应的反应v模板与酶的辨认结合模板与酶的辨认结合 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。操纵子每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列（原核生物）。调控包括若干个结构基因及其上游的调控序列（原核生物）。调控序列中的启动子（序列中的启动子（promotor）是）是RNA聚合酶结合模板聚合酶结合模板DNA的部的部位，也是控制转录的关键部位。位，也是控制转录的关键部位。 启动子（启动子（promotor）：）：指指RNA聚合酶识别、结合并开始转录的一段聚合酶识别、结合并开始转录的一段DNA序列。序列。原核生物启动子序列按功能的不同可分为原核生物启动子序列按功能的不同可分为三个部位，即起始三个部位，即起始部位、结合部位、识别部位。部位、结合部位、识别部位。操纵子（操纵子（operon）：）：起始部位：起始部位： 指指DNA分子上开始转录的作用位点，该位点有与分子上开始转录的作用位点，该位点有与转录生成转录生成RNA链的第一个核苷酸互补的碱基，该碱基链的第一个核苷酸互补的碱基，该碱基的序号为的序号为+1。识别部位：识别部位：RNA聚合酶聚合酶 亚基的识别部位。亚基的识别部位。中心部位在中心部位在35bp35bp处处, ,该序列的碱基富含该序列的碱基富含TTGACATTGACA。结合部位：结合部位： 是是DNADNA分子上与分子上与RNARNA聚合酶的核心酶结合的部位，其聚合酶的核心酶结合的部位，其长度为长度为7bp7bp，中心部位在中心部位在10bp10bp处，碱基序列具有高度保处，碱基序列具有高度保守性，富含守性，富含TATAATTATAAT序列，故称之为序列，故称之为 TATATATA盒（盒（TATA boxTATA box），），又称普里布诺序列（又称普里布诺序列（PribnowPribnow box box）。）。该序列中富含该序列中富含ATAT碱碱基，维持双链结合的氢键相对较弱，导致该处双链基，维持双链结合的氢键相对较弱，导致该处双链DNADNA易易发生解链，有利于发生解链，有利于RNARNA聚合酶的结合。聚合酶的结合。顺式作用元件：真核生物编码基因两侧的顺式作用元件：真核生物编码基因两侧的DNA序列，可序列，可影响自身基因的表达活性，通常是非编码序列，包括影响自身基因的表达活性，通常是非编码序列，包括启动子、增强子、沉默子启动子、增强子、沉默子反式作用因子：与顺式作用元件结合而调控基因转录的反式作用因子：与顺式作用元件结合而调控基因转录的蛋白质因子，常被称为转录调节因子或转录因子。蛋白质因子，常被称为转录调节因子或转录因子。在反式作用因子中，直接或间接结合在反式作用因子中，直接或间接结合RNA聚合酶的，则聚合酶的，则称为转录因子（称为转录因子（transcriptionfactor,TF）。）。研究地较研究地较深入，种类较多的是深入，种类较多的是TFII。RNA转录延伸期转录泡模型转录延伸期转录泡模型转录终止转录终止终止子：在模板终止子：在模板DNA分子上所转录的分子上所转录的RNA行将结束时，会出行将结束时，会出现带有终止信号的序列，称为终止子（现带有终止信号的序列，称为终止子（terminator）。）。1.非依赖非依赖Rho的转录终止子的转录终止子2.依赖依赖Rho的转录终止子的转录终止子终止因子：协助终止因子：协助RNA聚合酶识别终止信号的辅助因子为蛋白聚合酶识别终止信号的辅助因子为蛋白质，称为终止因子。质，称为终止因子。大肠杆菌大肠杆菌E.coli存在两类终止子存在两类终止子终止子结构终止子结构不依赖不依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止依赖依赖Rho因子的转录终止因子的转录终止RNA转录的转录的抑制剂抑制剂真核生物RNA的合成与加工真核生物RNA聚合酶 真核生物中有三种RNA聚合酶 (RNA聚合酶I、II、III),每一种RNA聚合酶转录不同的RNA产物并与专一的启动子结合RNA聚合酶II识别的启动子 启动子的基本特征 称为转录因子的特殊蛋白质与启动子的相互作用RNA聚合酶III识别的启动子在基因内 (爪蟾5s rRNA基因)真核生物RNA前体加工 加帽 (Cap0、CapI、CapII三种帽子结构) 加尾 (AAUAAA是加尾信号) 甲基化 (m6A)真核生物三种真核生物三种RNA聚合酶的比较聚合酶的比较v5-端帽的形成端帽的形成mRNA的的帽子结构（帽子结构（GpppmG）是在是在5-端形成的。端形成的。转录产物第一个核苷酸往往是转录产物第一个核苷酸往往是5-三磷酸鸟苷三磷酸鸟苷pppG。mRNA成熟过程中，先由磷酸酶把成熟过程中，先由磷酸酶把5-pppG水解，水解，生成生成5-ppG或或5-pG。然后，然后，5-端与另一三磷酸鸟苷端与另一三磷酸鸟苷（pppG）反应，生成三磷酸双鸟苷。在甲基化酶的作用下，反应，生成三磷酸双鸟苷。在甲基化酶的作用下，第一或第二个鸟嘌呤碱基发生甲基化，形成帽子结构。第一或第二个鸟嘌呤碱基发生甲基化，形成帽子结构。mRNA的转录后加工的转录后加工加冒、加尾、剪接加冒、加尾、剪接三种帽结构三种帽结构帽子结构的功能：帽子结构的功能：帽子结构是前体帽子结构是前体mRNA在细胞核内的稳定因素，也是在细胞核内的稳定因素，也是mRNA在细胞质内的稳定因素，没有帽子结构的转录产在细胞质内的稳定因素，没有帽子结构的转录产物很快被核酸酶水解。物很快被核酸酶水解。帽子结构可以促进蛋白质生物合成起始复合物的生成，帽子结构可以促进蛋白质生物合成起始复合物的生成，因此提高了翻译强度。因此提高了翻译强度。v3-端尾巴的形成端尾巴的形成真核生物的成熟的真核生物的成熟的mRNA3-端通常都有端通常都有100200个腺个腺苷酸残基，构成多聚腺苷酸（苷酸残基，构成多聚腺苷酸（polyA）尾巴。尾巴。加尾过程是在核内进行的。加工过程先由核酸外切酶加尾过程是在核内进行的。加工过程先由核酸外切酶切去切去3-末端一些过剩的核苷酸，然后由多聚腺苷酸酶催化，末端一些过剩的核苷酸，然后由多聚腺苷酸酶催化，以以ATP为底物，在为底物，在mRNA3-末端逐个加入腺苷酸，形成末端逐个加入腺苷酸，形成poly尾。尾。3-末端切除信号是末端切除信号是3-端一段保守序列端一段保守序列AAUAAA。功能：功能：1. mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式由细胞核进入细胞质所必需的形式2.大大提高了大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性在细胞质中的稳定性 断裂基因（断裂基因（splitegene） 真核生物的结构基因，由若干个编码真核生物的结构基因，由若干个编码区和非编码区相区和非编码区相互隔开但又连续镶嵌而成，编码一个由连续氨基酸组成的互隔开但又连续镶嵌而成，编码一个由连续氨基酸组成的完整蛋白质，因此称为断裂基因。完整蛋白质，因此称为断裂基因。 外显子（外显子（exon):结构基因中有表达活性的编码区。结构基因中有表达活性的编码区。内含子（内含子（intron):结构基因中无表达活性的非编码区。结构基因中无表达活性的非编码区。vmRNA的剪接的剪接 hnRNA（hetero-nuclearRNA,hnRNA） 核内出现的转录初级产物，分子量往往比在胞浆内出核内出现的转录初级产物，分子量往往比在胞浆内出现的成熟现的成熟mRNA大几倍，甚至数十倍，核内的初级大几倍，甚至数十倍，核内的初级mRNA称称为杂化核为杂化核RNA。 snRNA（smallnuclearRNA,snRNA）核内的小型核内的小型RNA。碱基数在碱基数在100300bp范围。范围。snRNA和核和核内的蛋白质组成核糖核酸蛋白体，称为并接体（内的蛋白质组成核糖核酸蛋白体，称为并接体（splicesome），），并接体结合在并接体结合在hnRNA的内含子区段，并把内含子弯曲使两端（的内含子区段，并把内含子弯曲使两端（5和和3端相互靠近端相互靠近），利于剪接过程的进行。），利于剪接过程的进行。真核生物基因是断裂基因真核生物基因是断裂基因(split gene) 外显子(exon)与内含子(intron)内含子的剪接方式 GroupI型和II型内含子剪接 1982年Cech等发现具有自我剪接功能的RNA(Ribozyme) GroupIII型内含子剪接 剪接需要称为SnRNP(Small nuclear Ribonucleoprotein)的作用；剪接在剪接体 (Spliceosome)中进行 GroupIV 剪接反应需要ATP和核酸内切酶 tRNA前体加工不同剪接模式使单个基因产生不同功能的蛋白质异常剪接引起疾病 (-地中海贫血)tRNA的前体加工的前体加工tRNA转录后加工还包括各种稀有碱基的生成转录后加工还包括各种稀有碱基的生成甲基化：甲基化：AmAGmG还原反应：还原反应：UDHU核苷内的转位反应：核苷内的转位反应：U 脱氨反应：脱氨反应：AI3-端加上端加上CCA-OH反转录反转录 RNA指导的DNA聚合酶是反转录酶 反转录现象的发现是对中心法则的发展 某些反转录病毒引起癌症或AIDS翻译（翻译（translation）是指以新生的是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸的三联体遗传密为模板，把核苷酸的三联体遗传密码翻译成氨基酸序列，合成多肽链的过程，是基因表达的最码翻译成氨基酸序列，合成多肽链的过程，是基因表达的最终目的。终目的。v 参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质生物合成的物质蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系模板：模板：mRNA原料：原料：20种编码氨基酸种编码氨基酸氨基酸运载体：氨基酸运载体：tRNA场所：核蛋白体场所：核蛋白体酶：氨基酰酶：氨基酰-tRNA合成酶、合成酶、转肽酶转肽酶蛋白质因子：起始因子（蛋白质因子：起始因子（initiationfactors,IF;eIF）延长因子（延长因子（elongationfactors,EF）释放因子（释放因子（releasefactors,RF）核蛋白体释放因子（核蛋白体释放因子（ribosomalreleasefactors,RRF）vmRNA是翻译的直接模板是翻译的直接模板开放阅读框架（开放阅读框架（openreadingframe,ORF） mRNA从从53方向，从起始密码到终止密方向，从起始密码到终止密码的序列，称为一个开放阅读框架。码的序列，称为一个开放阅读框架。 遗传密码（遗传密码（geneticcodon）开放阅读框架内每开放阅读框架内每3个碱基组成的三联体，决定一个个碱基组成的三联体，决定一个氨基酸，称为遗传密码。氨基酸，称为遗传密码。遗传密码的特点遗传密码的特点（一）遗传密码的连续性（一）遗传密码的连续性（commaless）（二（二）简并性简并性（degeneracy）（三）三）摆动性（摆动性（wobble）（四）通用性（四）通用性（universal）AUGUGAUAAUAG密码的摆动性密码的摆动性mRNA上的密码子与上的密码子与tRNA上的反密码子相互辨认，大上的反密码子相互辨认，大多数情况下是遵从碱基配对规律的。但也可出现不严格的配多数情况下是遵从碱基配对规律的。但也可出现不严格的配对，这种现象就是遗传密码的摆动性。对，这种现象就是遗传密码的摆动性。tRNA分子上有相当分子上有相当多的稀有碱基，其中次黄嘌呤（多的稀有碱基，其中次黄嘌呤（insosine，I）常出现于反密常出现于反密码子第一位，是最常见的摆动现象。码子第一位，是最常见的摆动现象。v核蛋白体是肽链合成的场所核蛋白体是肽链合成的场所 核蛋白体由大、小亚基组成，每个亚基含有不同的核蛋白体由大、小亚基组成，每个亚基含有不同的蛋白质和蛋白质和rRNA，原，原核生物和真核生物又各有不同。核生物和真核生物又各有不同。30S60S40S50S70S80SvtRNA和氨基酰和氨基酰-tRNA（一）氨基酰（一）氨基酰-tRNA合成酶合成酶tRNA携带携带并转运氨基酸，氨基酸的结合位点是并转运氨基酸，氨基酸的结合位点是tRNA3-末端的末端的-CCA-OH。氨基酸和氨基酸和tRNA在氨基酰在氨基酰-tRNA合成酶（合成酶（aminoacyl-tRNAsynthetase）的催化下合成氨基酰的催化下合成氨基酰-tRNA（aminoacyl-tRNAAacyl-tRNA）。）。氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、合成酶具有绝对专一性，对氨基酸、tRNA两种底物都能高度特异性地识别。两种底物都能高度特异性地识别。氨基酸氨基酸+ATP+tRNA氨基氨基酰酰-tRNA+AMP+ppi Mg2+氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶 起始密码子起始密码子AUG同时编码甲硫氨酸；原核生物的起始密同时编码甲硫氨酸；原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即即N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(fmet)蛋白质的生物合成过程蛋白质的生物合成过程翻译过程分为三个阶段翻译过程分为三个阶段一、翻译的起始一、翻译的起始二、翻译的延长二、翻译的延长三、翻译的终止三、翻译的终止一、翻译的起始一、翻译的起始翻译起始是把带有甲硫氨酸（原核生物为甲酰甲硫氨翻译起始是把带有甲硫氨酸（原核生物为甲酰甲硫氨酸）的起始酸）的起始tRNA连同连同mRNA结合到核蛋白体上，生成翻译结合到核蛋白体上，生成翻译起始复合物（起始复合物（translationalinitiationcomplex）。）。4.核蛋白体大亚基结合核蛋白体大亚基结合原核生物起始复合物的生成原核生物起始复合物的生成1.核蛋白体亚基的分离核蛋白体亚基的分离2.mRNA在核蛋白体小亚基上就位在核蛋白体小亚基上就位3.fmet-tRNA的结合的结合70SSD序列：序列：大肠杆菌大肠杆菌mRNA翻译起始子翻译起始子AUG的上的上游游813个核苷酸之前有个核苷酸之前有46个核苷酸个核苷酸组成的富含组成的富含嘌呤嘌呤的序列。这一序列以的序列。这一序列以AGGA为核心，称之为为核心，称之为SD序列。该序列与序列。该序列与30s小亚基小亚基上上16srRNA3-端端富富含含嘧啶嘧啶序列结合，稳固了序列结合，稳固了mRNA与小亚基的结合。与小亚基的结合。因此又称为因此又称为核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS）。）。met-tRNA与与核蛋白体核蛋白体小亚基的结合小亚基的结合mRNA在核蛋白体在核蛋白体小亚基上就位小亚基上就位核蛋白体大亚基结合核蛋白体大亚基结合80SCBP-1,CBP-2 原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋白体核蛋白体70s80sS-D序列序列有有无无5-帽结构帽结构无无有有起始因子起始因子少少多多起始复合物形成起始复合物形成mRNA先于先于甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNA结合于结合于小亚基小亚基甲硫氨酰甲硫氨酰-tRNA先结合小亚先结合小亚基，然后基，然后mRNA借助借助CBP及及其它起始因子结合于小亚基其它起始因子结合于小亚基原核生物和真核生物的翻译起始复合物生成比较原核生物和真核生物的翻译起始复合物生成比较起始因子起始因子IF和和eIFeIF4F（CBP-2）eIF4E（CBP-1）二、肽链的延长二、肽链的延长翻译过程的肽链延长，也称为核蛋白体循环（翻译过程的肽链延长，也称为核蛋白体循环（ribosomalcycle）延长过程所需的蛋白质因子称为延长因子（延长过程所需的蛋白质因子称为延长因子（EF）：）： 每次核蛋白体循环可分为每次核蛋白体循环可分为三步：进位（三步：进位（entrance）或注或注册（册（registration）、）、成肽（成肽（peptidebondformation）、）、转转位（位（translocation）。每。每循环一次，肽链延长一个氨基酸，循环一次，肽链延长一个氨基酸，如此不断重复，直至肽链合成终止。如此不断重复，直至肽链合成终止。（一）进位（一）进位 也称为注册，指氨基酰也称为注册，指氨基酰-tRNA根据遗传密码的根据遗传密码的指引，进入核蛋白体的指引，进入核蛋白体的A位。需位。需EFT的协助。的协助。（二）成肽（二）成肽A、P位的氨基酸形成肽键位的氨基酸形成肽键transpeptidaseP位上位上fmet-tRNAimet所携带所携带的甲酰甲硫氨酰转移到的甲酰甲硫氨酰转移到A位，位，与与A位上的氨基酸形成位上的氨基酸形成肽键肽键P位上无负载的位上无负载的tRNA脱落，脱落，P位空载位空载生成的二肽酰生成的二肽酰-tRNA在在A位位（三）转位（三）转位由转位酶（由转位酶（translocase）催化，其活性存在于催化，其活性存在于EF-G原有带肽链的原有带肽链的tRNA由由A位转移至位转移至P位位核蛋白体核蛋白体向向mRNA的的3端端移动相当于一个密码子移动相当于一个密码子的距离，下一个密码子定位于的距离，下一个密码子定位于A位，空着的位，空着的A位等待接位等待接受下一个氨基酰受下一个氨基酰-tRNA第一个核蛋白体循环第一个核蛋白体循环P位为二肽位为二肽第二个循环第二个循环P位上为三肽位上为三肽第三个循环第三个循环P位上为四肽位上为四肽EFT转位酶转位酶（EFG）转肽酶转肽酶肽链延伸方向：肽链延伸方向：N端端C端端三、肽链合成的终止三、肽链合成的终止1.终止密码的辨认终止密码的辨认当翻译至当翻译至A位位出现出现mRNA的终止密码时，因无氨的终止密码时，因无氨基酰基酰-tRNA与之对应，与之对应，RF-1、RF-2能识别终止密码，进入能识别终止密码，进入A位。位。2.RF-3激活核蛋白体激活核蛋白体上的转肽酶，水解使上的转肽酶，水解使P位上肽与位上肽与tRNA分离分离3.在在RR的作用下，的作用下，tRNA，mRNA及及RF均从核蛋白体脱落均从核蛋白体脱落v翻译后加工翻译后加工翻译后加工翻译后加工（post-translationalprocessing）：肽链从肽链从核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理，成为有活性核蛋白体释放后，经过细胞内各种修饰处理，成为有活性的成熟蛋白质的过程。的成熟蛋白质的过程。高级结构的修饰：亚基聚合、辅基连接高级结构的修饰：亚基聚合、辅基连接一级结构的修饰：去除一级结构的修饰：去除N-甲酰基或甲酰基或N-甲硫氨酸、个甲硫氨酸、个别氨基酸的修饰、水解修饰别氨基酸的修饰、水解修饰靶向输送靶向输送蛋白质合成后的靶向输运蛋白质合成后的靶向输运蛋白质靶向运输（蛋白质靶向运输（proteintargeting）蛋白质合蛋白质合成后定向地到达其执行功能的目标地点。靶向输送是成后定向地到达其执行功能的目标地点。靶向输送是对对分泌性蛋白质分泌性蛋白质而言。而言。分泌性蛋白质（分泌性蛋白质（secretoryproteins）穿过合穿过合成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质，可统称为成所在的细胞到其它组织细胞去的蛋白质，可统称为分泌性蛋白质。例如各种肽类激素、各种血浆蛋白、分泌性蛋白质。例如各种肽类激素、各种血浆蛋白、凝血因子、抗体等。凝血因子、抗体等。分泌性蛋白质可穿过膜性结构（细胞膜、亚细胞分泌性蛋白质可穿过膜性结构（细胞膜、亚细胞结构膜）结构膜）信号肽（信号肽（singlepeptide）：未成熟分泌性蛋白质中可未成熟分泌性蛋白质中可被细胞转运系统识别的被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序列特征性氨基酸序列,富含疏水性氨基富含疏水性氨基酸。酸。有有碱性碱性N-末端、疏水核心区末端、疏水核心区和和加工区加工区三个区段。三个区段。信号假说（信号假说（thesignalhypothesis）信号肽识别粒子（信号肽识别粒子（signalpeptiderecognizationparticles,SRP）对接蛋白（对接蛋白（dockingprotein,DP）1SRP识别信号肽识别信号肽2SRP把核蛋白把核蛋白体带到膜内侧面体带到膜内侧面3SRP与与DP识别、结合识别、结合4膜通道开放，信膜通道开放，信号肽带动合成的蛋号肽带动合成的蛋白质沿通道穿过膜白质沿通道穿过膜5信号肽再沿通道折回时被信号肽再沿通道折回时被膜上的信号肽酶切除，成膜上的信号肽酶切除，成熟的蛋白质被分泌到膜外熟的蛋白质被分泌到膜外v蛋白质的生物合成的干扰和抑制蛋白质的生物合成的干扰和抑制抗生素（抗生素（antibiotics）:能杀灭或抑制细菌的一类药能杀灭或抑制细菌的一类药物，抑制细菌代谢过程或基因信息传递特别是翻译过程。物，抑制细菌代谢过程或基因信息传递特别是翻译过程。最早的抗生素是在微生物中提取，目前也可按其抑制最早的抗生素是在微生物中提取，目前也可按其抑制代谢及信息传递的原理设计和化学合成。代谢及信息传递的原理设计和化学合成。常用抗生素对翻译过程的作用位点常用抗生素对翻译过程的作用位点1.四环素（四环素（tetracyclin）族）族2.氯霉素（氯霉素（chloromycetin）3.链霉素（链霉素（streptomycin）卡那霉素（卡那霉素（karamycin）4.嘌呤酶素（嘌呤酶素（puromycin）5.放线菌酮（放线菌酮（cycloheximide）