1.生物化学讲义

生物化学

韩秋菊

概述

生物化学即生命的化学，是一门运用化学的原理及方法，研究生命机体的科学，聚焦于研究生命机体的物质组成，维持生命活动的各种化学变化及其联系。

生物化学与多个学科有紧密的联系，通过深入研究生物分子结构与功能，揭示了生物体物质代谢、能量转换、遗传信息传递、神经传导、免疫和细胞间通讯等许多生命奥秘，使人们对生命本质的认识跃进到一个全新的阶段。在药物的合成、开发阶段，一样离不开生物化学的理论知识，生物化学从分子水平上研究健康或疾病状态下人体结构与功能，为疾病预防、诊断与治疗，提供了理论与技术，对推动医药产业的新发展做出了重要的贡献。

第一部分蛋白质结构与功能

蛋白质是由氨基酸残基以肽键相连组成的不分支的长链生物大分子。蛋白质是构成生物体的基本成分，占细胞干重的50%。蛋白质是生命过程的执行者，发挥着极其重要的作用。蛋白质种类繁多，功能较为复杂。已知的生物功能没有一个是离开蛋白质而实现的，生物个体间表现出的差异是由于其体内蛋白质不同。

一、蛋白质的化学组成

蛋白质主要由碳、氢、氧、氮等化学元素组成，还可能含有硫、磷等，是一类重要的生物大分子。蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。

（一）蛋白质的基本单位

1. 氨基酸的结构

蛋白质的组成单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸有20种，除脯氨酸外，均为α-氨基酸。每个氨基酸的α-碳上连接一个羧基，一个氨基，一个氢原子和一个侧链R基团。20种氨基酸结构的差别就在于它们的R基团结构的不同。α－氨基酸结构简式如下图所示。

图1 氨基酸结构通式

2. 氨基酸的分类

根据侧链R基团的极性，可将20种氨基酸分为四大类：非极性R基氨基酸；不带电荷的极性R基氨基酸；带负电荷的R基氨基酸；带正电荷的R基氨基酸。

（1）非极性R基氨基酸：丙氨酸（Ala），缬氨酸（Val），亮氨酸（Leu），异亮氨酸（Ⅱe），脯氨酸（Pro），苯丙氨酸（Phe），色氨酸（Trp），蛋氨酸（Met）

（2）不带电荷的极性R基氨基酸：甘氨酸（GIy），丝氨酸（Ser），苏氨酸（Thr），半胱氨酸（Cys），酪氨酸（Tyr），天冬氨酸（Asn），谷氨酰胺（Gln）；

（3）带正电荷的R基氨基酸：赖氨酸（Lys），精氨酸（Arg），组氨酸（His）；

（4）带负电荷的R基氨基酸：天冬氨酸（Asp），谷氨酸（Glu）。

3. 氨基酸的性质

（1）光吸收特性：各种氨基酸在可见区都没有光吸收，色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸因苯环上含共轭双键，在紫外光区芳香族氨基酸在280nm处有最大吸收峰。

图2 芳香族氨基酸的吸收光谱

（2）氨基酸的两性解离

氨基酸含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，可在酸性溶液中与H+结合，呈带正电荷的阳离子，在碱性溶液中与OH-结合，变成带负电荷的阴离子，因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性。氨基酸的解离方式取决于所处溶液的酸碱度。

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称为这种氨基酸的等电点（isoelectric point, pI）。

（3）氨基酸的茚三酮反应

茚三酮反应指的是茚三酮水合物在弱碱溶液中与氨基酸共加热时，氨基酸被氧化脱氨、脱羧，而茚三酮水合物被还原，其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色的化合物，此化合物在570nm波长处有最大吸收。并且，吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此，可作为氨基酸定量分析方法。

（二）肽的概念及理化性质

1. 肽和氨基酸残基

一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基发生酰化反应，脱去一分子水形成肽键，也称为酰胺键。在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而结构不完整，称为氨基酸残基。

每条多肽链都有两端：即自由氨基端(N端)与自由羧基端(C端)，肽链的方向是N端→C端。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，此平面称为肽平面，又称酰胺平面。

图3 肽键及肽链

2. 体内存在多种重要的生物活性肽

人体内存在多种具有生物活性的低分子量的肽，在代谢调节、神经传导等方面发挥重要的作用。随着肽类药物的发展，化学合成或重组肽类在疾病的预防治疗方面取得显著成效。

（1）谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成，是一种含γ-酰胺键和巯基的三肽。谷胱甘肽有还原型（G-SH）和氧化型（GSSG）两种形式，在生理条件下以还原型谷胱甘肽占绝大多数。谷胱甘肽存在于几乎身体的每一个细胞，能帮助保持正常的免疫系统功能，并具有抗氧化作用和整合解毒作用，半胱氨酸上的巯基为其活性基团（故常简写为G-SH），易与某些药物（如扑热息痛）、毒素（如自由基、铅、汞、砷等重金属）等结合，而具有整合解毒作用。

现已人工研制开发出了谷胱甘肽药物，广泛应用于临床，除利用其巯基以螯合重金属、氟化物、芥子气等毒素中毒外，还作为治疗或辅助治疗的药物应用于肝炎、溶血性疾病以及角膜炎、白内障和视网膜等疾病。此外，谷胱甘肽在延缓衰老、增强免疫力、抗肿瘤等方面广泛应用。

图4 谷胱甘肽图5 GSH和GSSG之间的互换（2）多肽类激素及神经肽

体内有多种激素属于寡肽或多肽，例如由下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴产生的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等。

神经肽(neuropeptide)是在神经传导过程中起信号转导作用的一类肽。例如与中枢神经产生痛觉抑制密切相关的神经肽（临床用于镇痛）有脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）、强啡肽

（17肽）、孤啡肽（17肽）（一级结构类似于强啡肽）。

二、蛋白质的分子结构

许多氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子称为蛋白质分子。每种蛋白质均有其一定的氨基酸种类、顺序和肽链空间位置。1952年丹麦科学家Linderstrom-Lang最早提出蛋白质的结构可以分成四个层次即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，后三者称为高级结构或空间结构。仅有一条肽链形成的蛋白质只有一级结构、二级结构和三级结构，有2条或两条以上肽链形成的蛋白质才有四级结构。

（一）蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构是指多肽链上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，包含了蛋白质结构的全部信息。蛋白质的一级结构由遗传信息决定，其一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。肽键是一级结构的主要化学键，有的蛋白质还有二硫键。1953年，英国人 F. SangerSanger由于测定了牛胰岛素的一级结构而获得1958年诺贝尔化学奖。

图6 牛胰岛素一级结构

（二）蛋白质的二级结构

指多肽链主链在一级结构基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。

1.α-螺旋

在α-螺旋结构中，多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋上升，螺旋的走向为顺时针方向，即右手螺旋，氨基酸侧链伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。

2.β-折叠

多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基交替地位于锯齿状结构的上下方，一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，分子内相距较远的两个肽段可通过折叠形成相同走向，也可通过回折形成相反走向。

3.β-转角

发生于肽链进行180度回折的转角上。β-转角通常由4个氨基酸残基组成。

4.无规卷曲

指没有确定规律的肽链结构。

5.超二级结构

在许多蛋白质分子中，由2个或以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，成为超二级结构，例如α-螺旋之间，β-折叠之间，以及α-螺旋与β-折叠之间。

（三）蛋白质的三级结构

三级结构指一条多肽链在二级结构的基础上，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，也指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。

三级结构的特点：整个分子紧密、结实；常含有结构域。

（四）蛋白质的四级结构

体内许多功能性蛋白质含有2条或2条以上多肽链，每个多肽链都有其完整的三级结构，成为亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接。蛋白质分子中亚基的种类、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，称为蛋白质的四级结构。

在四级结构中，亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。在2个亚基组成的四级结构蛋白质中，如果亚基相同，称为同源二聚体，如果亚基不同，称为异源二聚体。对于2个以上亚基组成的蛋白质，单一亚基一般没有生物学功能，完整的四级结构是其发挥生物学功能的基础条件。

三、蛋白质的结构与功能

蛋白质的天然结构具有特定空间构象，是其执行特定功能所必需的。

（一）一级结构与功能的关系

一级结构是空间结构的基础，一级结构决定高级结构。换言之，氨基酸组成发生变化能够改变其功能。例如血红蛋白由两条α链和两条β链组成，正常人β链的第六位谷氨酸换成了缬氨酸，就导致分子病--镰刀状红细胞贫血的发生，患者红细胞带氧能力下降，容易出血。

（二）空间结构与功能的关系蛋白质功能依赖其特定的空间结构。如核糖核酸酶变性或复性时，随之空间结构破坏或恢复，生理功能也丧失或恢复。变构效应也说明空间结构改变，功能改变。

1 案例解析：一级结构与分子病

患者，实验室检查血红蛋白80g/L，血细胞比容9.5%，红细胞总数为3?1014/L，白细胞总数为6?109/L，网红细胞总数为0.12，血清铁20μM，次亚硫酸实验阳性；Hb电泳一条带，与HbS同一条带。红细胞形态为镰刀状。患者呈现明显的贫血症状、严重感染以及器官损伤。分析：镰刀状细胞贫血患者的细胞特征；HbS与HbA一级结构的区别；HbS结构与功能的关系。

四、蛋白质的理化性质

（一）蛋白质的两性电离及等电点

蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可解离外，侧链中某些基团在一定的pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。当蛋白质处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，净电荷为零，此时溶液的pH值成为蛋白质的等电点（pI）。当所处溶液的pH值大于某一蛋白质的等电点时，该蛋白质带负电；反之，带正电。

（二）蛋白质的胶体性质

蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体，这是因为蛋白质颗粒表面带有很多极性基团（亲水基团向外翻，疏水基团向内钻），在蛋白质颗粒外面形成一层水膜（水化层）；另外蛋白质颗粒在非等电点状态时带的相同电荷，使蛋白质颗粒间相互排斥，不致相互凝聚沉淀。中性盐、有机溶剂可以破坏蛋白质胶粒的水化膜，引起沉淀。

（三）蛋白质的紫外吸收特征

由于蛋白质中含有Trp、Tyr和Phe残基，使蛋白质在近紫外区280nm有最大特征吸收峰可作蛋白质定量测定。通过测定蛋白质溶液的A280nm可以测定蛋白质浓度。

（四）蛋白质的变性及复性

当受到某些因素影响时，维系天然构象的次级键被破坏，蛋白质失去天然构象，导致生物活性丧失及相关物理、化学性质的改变，这个过程称为蛋白质变性。蛋白质的变性复性实验可以用于蛋白质的折叠研究、说明空间结构与功能的关系。

变性是指一些理化因素，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，导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但溶解度降低，可能凝固和沉淀。

变性后的蛋白质在除去变性因素后，重新恢复天然构象和生物活性的过程称为蛋白质的复性。

（五）蛋白质的显色反应

1.茚三酮反应。蓝色常用于氨基酸的定性或定量分析，参见氨基酸部分。

2.双缩脲反应。蛋白质和多肽分子中的肽键与双缩脲试剂反应呈紫色。氨基酸无此反应，当蛋白质溶液中的蛋白质不断增多时，氨基酸浓度上升，其双缩脲显色的深度逐渐降低，因此这一反应可用于检测蛋白质水解程度

（六）蛋白质的沉淀

沉淀是溶液中的溶质由液相变成固相析出的过程。蛋白质从溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。蛋白质沉淀常用的方法有盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、生物碱试剂与某些酸（如三氯醋酸）沉淀等。

第二部分核酸的结构与功能

一、核酸的种类和组成

（一）核酸的种类

核酸是由核苷酸组成的多核苷酸长链分子，有两种类型：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。

（二）核酸的组成

核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。单核苷酸是组成核酸的基本单位。组成RNA的核苷酸为核糖核苷酸，组成DNA的核苷酸为脱氧核糖核苷酸。碱基和戊糖缩合形成核苷，核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。

碱基是构成核苷酸的基本组分之一，分为嘌呤和嘧啶两类。常见的嘌呤包括腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤(guanine,G)，常见的嘧啶包括胞嘧啶(cytosine, C)、胸腺嘧啶(thymine,T)、尿嘧啶(uracil,U)。其中，DNA的碱基中有A、G、C和T；而RNA中的碱基有A、G、C和U。

二、DNA结构与功能

（一）DNA的一级结构

指在其多核苷酸链中各个核苷酸之间的连接方式，核苷酸种类、数量以及核苷酸的排列顺序。由于核苷酸之间的差异在于碱基的不同，因此，核酸的一级结构也就是它的碱基序列。

核苷酸之间的连接方式是3’，5’-磷酸二酯键。DNA的书写顺序是5’—3’。

（二）DNA的二级结构

DNA二级结构的是双螺旋结构，这一发现揭示了DNA作为遗传信息载体的物质本质，为DNA作为复制模板和基因转录模板提供了结构基础。

DNA双螺旋结构的要点如下：

1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成

围绕同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。两条链一条链的方向是5’—3’，另一条链的方向是3’—5’，呈现反向平行。DNA双螺旋结构的直径是2.37nm，螺距是3.54nm。

2.核糖与磷酸位于外侧

由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水的碱基位于内侧。从外观看，DNA双螺旋结构含有一个大沟和一个小沟。

3.DNA双链之间碱基互补

一条链上腺嘌呤与另一条链上胸腺嘧啶形成两个氢键，一条链上鸟嘌呤与另一条链上胞嘧啶形成三个氢键，即互补碱基对。DNA的两条链称为互补链。碱基对平面与双螺旋结构的螺旋轴垂直。每个螺旋平均有10.5个碱基对，每两个碱基对之间旋转36度，每两个相邻的碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm。

4.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持DNA双螺旋结构的稳定

相邻的两个碱基对平面会彼此重叠，由此产生疏水性的碱基堆积力，其与碱基对之间的氢键共同维系DNA双螺旋结构的稳定。最主要的是碱基堆积力。

图7 DNA双螺旋结构示意图

（三）DNA的高级结构

DNA双链能盘绕形成超螺旋结构，当盘绕方向与DNA双螺旋方向相同时，其超螺旋结构为正超螺旋；反之为负超螺旋。

三、RNA结构与功能

（一）tRNA的结构

是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸，由一条长70~90个核苷酸并折叠成三叶草形的短链组成的。其功能主要是携带氨基酸进入核糖体，在mRNA指导下合成蛋白质。

（二）mRNA的结构

又称信使RNA，指的是携带遗传信息，在蛋白质合成时充当模板的RNA。从脱氧核糖核酸（DNA）转录合成的带有遗传信息的一类单链核糖核酸（RNA）。它在核糖体上作为蛋白质合成的模板，决定肽链的氨基酸排列顺序。

在生物体内，mRNA丰度最小，占细胞RNA总量的2%-5%。但是，mRNA种类最多，大小不同，在所有RNA中，mRNA的寿命最短。

1.真核生物mRNA的5’端有特殊帽结构

大部分真核细胞mRNA的5’端有一反式的7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷，被称为5’-帽结构。其能有帽结合蛋白形成复合体，有助于维持mRNA的稳定性，协同mRNA从胞核向胞质转运。原核生物mRNA没有这种特殊的帽结构。

2.真核生物mRNA的3，端有多聚腺苷酸尾

在真核生物mRNA的3，端有一段由80-250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾（poly-A）。

3.mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列

mRNA为蛋白质的生物合成提供模板。成熟的mRNA由编码区和非编码区组成。从成熟mRNA的5，-端的第一个AUG（起始密码子）至终止密码子之间的核苷酸序列称为开放读码框架，决定多肽链的氨基酸序列。开放读码框架还有非编码序列，分别称为5，-UTR和3，-UTR。

（三）rRNA的结构

核糖体RNA即rRNA，是细胞内含量最多的一类RNA，也是3类RNA中相对分子质量最大的一类RNA，它与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是在mRNA的指导下将氨基酸合成为肽链。

四、核酸的理化性质

（一）核酸的一般性质

DNA微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大，溶于偏碱的溶剂中，但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。容易受机械作用力而断裂。DNA为线性高分子，DNA溶液有高度的黏性。

（二）核酸的紫外吸收特征

由于嘌呤和嘧啶都含有共轭双键，核酸溶液在260 nm附近有一个最大吸收峰，在230 nm 有一个低谷，RNA的吸收光谱与DNA无显著差别。

（三）核酸的变性及复性

1.变性：在一定条件下，受到某些物理和化学因素的作用，DNA的双螺旋结构破坏，氢键断裂，碱基有规律的堆积被破坏，双螺旋松散，双链分离成两条缠绕的无定形的多核苷酸单链的过程称为变性。引起DNA变性的因素主要有：（1）高温，（2）强酸强碱，（3）有机溶剂等。

2.复性：变性DNA分开的两条链在适当条件下重新生成双链结构的过程。热变性的DNA 经缓慢冷却后复性的过程，称为退火。

（四）核酸的分子杂交

当两条不同来源的DNA（或RNA）链或DNA链与RNA链之间存在互补顺序时，在一定条件下可以发生互补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。杂交过程可以发生在DNA单链之间、RNA单链之间以及DNA单链与RNA 单链之间凡是能水解核酸的酶都称为核酸酶。

第三部分酶的作用和辅酶

一、酶的基本概念和作用特点

（一）酶

酶是活细胞合成的具有高度催化效率和高度特异性的一类生物大分子。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶。

（二）酶催化剂的特性

酶作为催化剂具有高效性；高度的专一性；反应条件温和；酶容易变性；酶活性的可调节性；催化活性易受外界条件影响；催化活性在细胞内受严格调控；某些酶催化活性与辅助因子有关。

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。

（三）酶的种类

酶分子可根据其化学组成的不同，可分为单纯酶和结合酶（全酶）两类。结合酶则是由酶蛋白和辅助因子两部分构成，酶蛋白部分主要与酶的底物特异性有关，辅助因子则与酶的催化活性有关。辅因子包括:有机小分子和金属离子。

二、酶的作用机制

（一）酶的活性中心

1.概念

酶蛋白分子中能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位称为酶的活性中心。包括两个功能位点，结合位点保证底物正确结合在酶的催化位点附近，决定了酶的专一性。催化位点主要负责底物键的断裂及新键的形成，决定了酶的催化能力。在含有辅因子的酶中，辅因子或其上的某些基团也参与酶活性中心的组成。

2.酶活性中心的特点

只占酶分子结构中很小部分(1-2%)；具有特定的三维结构，酶和底物结合的专一性取决于活性中心中原子的精致排列；并不是和底物的形状正好互补，具有柔性；以弱键与底物结合；位于酶分子的一个凹穴中，形成疏水区。

酶分子中只有部分基团与酶活性有关，称作酶的必需基团。参与构成酶的活性中心的化学基团，有些是与底物相结合的，称为结合基团，有些是催化底物反应转变成产物的，称为催化基团，这两类基团统称为活性中心内必需基团。在酶的活性中心以外，也存在一些化学基团，主要与维系酶的空间构象有关，称为酶活性中心外必需基团。

多数酶在细胞合成时即具有活性，但有少数酶在细胞合成时，没有催化活性，需要经一定的加工剪切才有活性。这类无活性的酶的前体。在合适的条件下和特定的部位，无活性的酶原向有活性的酶转化的过程，称为酶原的激活。

（二）酶的专一性和高效性机制

1．酶的专一性酶的专一性指一种酶只能催化某一种或某一类物质发生特定的反应。

1.高效性机制酶的催化效率通常比非催化反应高108-1020倍，比一般催化剂高107-1013。

2.酶的活性与酶量具有可调节性体内许多酶的酶活性与酶量受体内代谢物或激素的

调节。

3.酶具有不稳定性在某些理化因素（高温、强酸、强碱）的作用下，酶会发生变性而

失去催化活性。

（三）同工酶

同工酶是指催化相同的化学反应，但是酶的分子结构、理化性质不同的一组酶。同工酶虽然在一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似，所以能催化相同的反应。

三、酶促反应动力学

底物浓度、酶浓度、温度和pH值、激活剂与抑制剂都对酶促反应速度产生影响。

（一）底物浓度对反应速度的影响

1.底物对酶促反应的饱和现象

在酶浓度不变时，不同的底物浓度与反应速度的关系为一矩形双曲线，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矩形双曲线，称为米氏双曲线。

图8 底物对酶促反应速率的影响

2.米氏方程及米氏常数

根据酶-底物中间复合物学说，推算出注明的米氏方程。其中Km为米氏常数，Vmax为最大反应速率。米氏常数Ｋm对于酶是特征性的。Km是酶的特征性常数，在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。

（二）酶浓度对反应速度的影响

当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比，即ν=k[E]。

（三）温度对反应速度的影响

一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快，但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降。酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就

称为酶的最适温度。酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。

（四）pH对反应速度的影响

pH可影响酶分子尤其是活性中心上必需基团和催化基团的解离程度，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。在特定pH条件下，酶、底物和辅酶的解离情况适宜于相互结合，使酶反应速度达到最大值，这个pH称为最适pH。最适pH不是酶的特征常数，它受底物浓度、缓冲溶液的种类、浓度及酶的纯度影响。

图9 温度和Ph对酶促反应速率的影响

（五）抑制剂对酶促反应速度的影响

凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。抑制作用分为可逆和不可逆抑制作用两种。

1.不可逆抑制剂与酶共价结合

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。

此类抑制剂一般是非生物来源，抑制剂与酶的活性中心的必需基团（－OH，－SH）以共价键结合，如低浓度的重金属离子Hg2+、Ag+、As3+可与酶分子SH结合，使酶活抑制；抑制反应不可逆。例如：有机磷农药中毒。

2.可逆抑制作用

抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，结合是可逆的，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。

2 案例解析：酶的调控

患者，误食杏仁后出现恶心、呕吐、流涎、水样腹泻，伴有头痛、头晕、呼吸紧促等。体温38度，脉搏触不到，呼吸10次/分，呼吸有杏仁味。血压测不到，瞳孔散大，对光散射消失，皮肤发红，口唇发紫，牙关紧闭，心音低钝。诊断为苦杏仁中毒

分析：氰化物中毒的生化原理。解救原理是什么。

第四部分糖代谢

糖是人类一种基本的营养物质,是人体一切活动的能量主要供给者，与健康的关系非常密切，在生理上起到产生热能、节约蛋白质消耗等作用。

糖的主要生理作用包括供给能量，人体所需能量的70%是由糖氧化分解提供的。人体内作为能源的糖主要是糖原和葡萄糖，糖原是糖的储存形式，在肝脏和肌肉中含量最多，而葡萄糖是糖的运输形式，也是糖的直接使用形式。并且，糖是组织细胞的重要组成成分，血糖低下可导致乏力头晕，严重者甚至会昏迷、死亡。当机体供糖能量不足时，可动用蛋白质和脂肪代谢产生能量来弥补。

一、糖的分解代谢

糖的分解代谢主要是指葡萄糖在生物细胞内氧化分解并释放出分子中蕴藏着的化学能的过程,是生物获得维持生命所必需的代谢能的方式。糖的分解代谢糖的分解代谢有3条途径：糖酵解、糖有氧氧化及磷酸戊糖途径。

（一）糖无氧氧化

1.糖酵解的概念

糖的无氧氧化又称糖酵解（glycolysis）。葡萄糖或糖原在无氧或缺氧条件下，分解为乳酸同时产生少量ATP的过程，由于此过程与酵母菌使糖生醇发酵的过程基本相似，故称为糖酵解。催化糖酵解反应的一系列酶存在于细胞质中，因此，糖酵解全部反应过程均在细胞质中进行。糖酵解是所有生物体进行葡萄糖分解代谢所必须经过的共同阶段。

在无氧条件下，从糖的降解代谢中获得能量的途径，也是大多数生物进行葡萄糖有氧氧化的一个准备途径。在此过程中，六碳的葡萄糖分子经过十多步酶催化的反应，分裂为两分子三碳的丙酮酸，同时使两分子腺苷二磷酸(ADP)与无机磷酸(Pi)结合生成两分子腺苷三磷酸(ATP)。

丙酮酸的进一步代谢，因生物种属的不同以及供氧情况的差别而有不同的道路。例如在无氧情况下，强烈收缩的动物肌肉细胞中，丙酮酸还原为乳酸，在许多微生物中可分解为乙醇或乙酸等；在有氧情况下，则氧化成二氧化碳和水。

2.糖酵解的过程

糖酵解过程是从葡萄糖开始分解生成丙酮酸的过程，全过程共有10步酶催化反应。

（1）葡萄糖磷酸化生成6-磷酸-葡糖

糖酵解第一步反应是由己糖激酶催化葡萄糖的C6被磷酸化，形成6-磷酸葡萄糖。该激酶需要Mg2+离子作为辅助因子，同时消耗一分子ATP，该反应是不可逆反应，是糖酵解的第一个限速步骤，己糖激酶是糖酵解的第一个关键酶。

（2）6-磷酸-葡糖异构转化为6-磷酸果糖

这是一个醛糖-酮糖同分异构化反应，此反应由磷酸己糖异构酶催化醛糖和酮糖的异构转变，需要Mg2+离子参与，该反应可逆。

（3）6-磷酸果糖磷酸化生成1，6-二磷酸果糖

这是第二个磷酸化反应，由磷酸果糖激酶催化6-磷酸果糖磷酸化生成1，6-二磷酸果糖，消耗了第二个ATP分子。该反应不可逆，是糖酵解的第二个限速步骤。

（4）1，6-二磷酸果糖裂解

此反应是可逆的，在醛缩酶的作用下，使己糖磷酸1，6-二磷酸果糖C3和C4之间的键断裂，生成一分子3-磷酸甘油醛和一分子磷酸二羟丙酮。

（5）3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的相互转换

3-磷酸甘油醛是酵解下一步反应的底物，所以磷酸二羟丙酮需要在丙糖磷酸异构酶的催化下转化为3-磷酸甘油醛，才能进一步酵解。

上述的5步反应为糖酵解的耗能阶段，1分子葡萄糖经过两次磷酸化消耗了2分子ATP，产生了2分子的3-磷酸甘油醛。而之后的5步反应才开始产生能量。

（6）3-磷酸甘油醛的氧化

3-磷酸甘油醛在NAD+和H3P04存在下，由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化生成1，3-二磷酸甘油酸，这一步是酵解中唯一的氧化反应。

（7）1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸

在磷酸甘油酸激酶的作用下，将1，3-二磷酸甘油酸高能磷酰基转给ADP形成ATP和3-磷酸甘油酸。这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程称为底物水平磷酸化。

（8）甘油酸-3-磷酸转变为甘油酸-2-磷酸

在磷酸甘油酸变位酶催化下，甘油酸-3-磷酸分子中C3的磷酸基团转移到C2上，形成甘油酸-2-磷酸，需要Mg2+离子参与，此步反应是可逆的。

（9）甘油酸-2-磷酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸

在烯醇化酶催化下，甘油酸-2-磷酸脱水，分子内部能量重新分布而生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇磷酸键，这是糖酵解途径中第二种高能磷酸化合物。

（10）丙酮酸的生成

在丙酮酸激酶催化下，磷酸烯醇式丙酮酸分子高能磷酸基团转移给ADP生成ATP，是糖酵解途径第二次底物水平磷酸化反应，需要Mg2+和K+参与，反应不可逆。

在糖酵解产能的5步反应中，2分子磷酸丙糖经过两次底物水平磷酸化转变成2分子丙酮酸，总共生成4分子ATP。

3.丙酮酸被还原成乳酸

此反应由乳酸脱氢酶催化，丙酮酸还原成乳酸所需的氢原子由NADH+H+提供，后者来自上述第6步反应中的3-磷酸甘油醛的脱氢反应。在缺氧情况下，这一对氢用于还原丙酮酸生成乳酸，NADH+H+重新转变成NAD，糖酵解得以重复进行。

图10 糖的无氧氧化

4.糖酵解的调节

（1）激素的调节胰岛素可诱导GK、PFK-1、PK的合成，因而使糖酵解过程增强。

（2）代谢物对限速酶的变构调节

磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是三个限速酶中催化效率最低的，故而是糖酵解途径中最重要的调节点。当细胞内能量消耗增多，ATP浓度降低，AMP、ADP浓度增加，则磷酸果糖激酶-1被激活，糖分解速度加快，使ATP生成量增加；当细胞内有足够的ATP储备时，ATP浓度增加，AMP、ADP浓度下降，磷酸果糖激酶-1被抑制，糖分解速度减慢，减少ATP生成量，避免能量的浪费；当饥饿时，机体动员储存脂肪分解氧化，生成大量乙酰CoA，乙酰CoA可与草酰乙酸缩合成柠檬酸，抑制磷酸果糖激酶-1的活性，从而减少糖的分解，以维持饥饿状态下血糖浓度。

（3）丙酮酸激酶是糖酵解的另一个重要调节点

丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点，果糖-1,6-二磷酸是丙酮酸激酶的别构激活剂，而ATP则有抑制作用。

（4）己糖激酶受到反馈抑制调节

己糖激酶受其反应底物葡糖-6-磷酸的反馈抑制，而葡萄糖激酶由于不存在葡糖-6-磷酸的别构部位，故不受葡糖-6-磷酸的影响。

5.糖酵解的生理意义

糖酵解可以把释放的自由能转移到ATP中，可以迅速提供能量。糖酵解也是果糖、甘露糖、半乳糖等己糖的共同降解途径。果糖及甘露糖通过己糖激酶的催化作用可转变成果糖-6-磷酸，果糖还可以通过一系列酶的作用转变成3-磷酸甘油醛。半乳糖可以在一些酶催化下转变成1-磷酸葡萄糖。有些先天性代谢疾病是由于上述果糖与半乳糖代谢中的某些酶缺失所致。如缺失磷酸果糖醛缩酶，则果糖-1-磷酸在肝、肠及肾中堆积引起肝肿大及肝肾及肠吸收功能衰退，患这种病的儿童不能服用果糖或蔗糖。

（二）糖有氧氧化

1.有氧氧化的概念

葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和二氧化碳的反应过程就叫做有氧氧化，并且有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数细胞都通过它来获得能量。

2.有氧氧化的过程

糖的有氧氧化主要发生在线粒体中，分为三个阶段：第一阶段为糖酵解途径，葡萄糖转变成2分子丙酮酸，在胞液中进行；第二阶段为乙酰辅酶A的生成，丙酮酸进入线粒体，由丙酮酸脱氢酶复合体催化，经氧化脱羧基转化成乙酰CoA；第三阶段为三羧酸循环，包括电子的跨膜传递生成的ATP和底物水平磷酸化生成的ATP，同时生成二氧化碳和水。

（1）葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸

见糖无氧氧化的第一阶段

（2）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA

丙酮酸在线粒体经过5步反应氧化脱羧生成乙酰CoA的总反应式为：

丙酮酸+NAD++HS-CoA→乙酰CoA+NADH+H++CO2，这一反应由丙酮酸脱氢酶复合体催化，在真核生物中，该复合体存在于线粒体中。

（3）乙酰CoA进入柠檬酸循环

以乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含有三个羧基的柠檬酸开始，因而被称之为三羧酸循环，又称为柠檬酸循环。

图11 三羧酸循环示意图

3.有氧氧化的调节

糖的有氧氧化是主要的产能途径。鉴于体内对能量的不同需求，需要对有氧氧化的速率加以调节，其本质是条件有氧氧化三个阶段的7个关键酶的活性。其中，糖酵解的调节已阐述，这里主要介绍丙酮酸脱氢酶复合体的调节与柠檬酸循环的调节。

（1）丙酮酸脱氢酶复合体的调节

丙酮酸脱氢酶复合体的酶活性调节方式有两种，包括别构调节和化学修饰，丙酮酸脱氢酶复合体的反应产物乙酰CoA和NADH+H+对酶由别构抑制作用。另外，在丙酮酸脱氢酶激酶催化下，丙酮酸脱氢酶复合体可被磷酸化而失去活性，丙酮酸脱氢酶磷酸酶则使之失去磷酸化而恢复活性。

（2）柠檬酸循环的条件

在柠檬酸循环中有三步不可逆反应，分别由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和 -酮戊二酸脱氢酶复合体催化。柠檬酸循环的速率主要取决于这些关键酶的活性调节，分别受到底物供应量、产物反馈抑制的调节。

4.有氧氧化的意义

（1）为机体的生理活动提供能量。糖在有氧条件下彻底氧化释放的能量远多于糖酵解。在正常生理条件下，体内大多数组织细胞皆从糖的有氧氧化获得能量，1摩尔葡萄糖在体内经有氧氧化彻底分解可净生成30或32分子ATP。

（2）糖有氧氧化途径中许多中间代谢产物是体内合成其他物质的原料，故与其他物质代谢密切联系。

（3）糖有氧氧化途径与糖的其他代谢途径亦有密切联系，如糖酵解、磷酸戊糖途径、糖醛酸、果糖、半乳糖的代谢等。

（三）磷酸戊糖途径

戊糖途径的主要特点是葡萄糖直接氧化脱氢和脱羧，不必经过糖酵解和三羧酸循环，脱氢酶的辅酶不是NAD+而是NADP+，产生的NADPH作为还原力以供生物合成，而不是传递给O2，无ATP的产生和消耗。

1.磷酸戊糖途径的过程

图12 磷酸戊糖途径示意图

2. 磷酸戊糖途径的生理意义：（1）NADPH是生物合成（如脂肪酸、胆固醇等的生物合成）中的供氢体，NADPH还可维持红细胞内还原型谷胱甘肽的含量。（2）5–磷酸核糖是生物体合成核苷酸和核酸的原料。（3）磷酸戊糖途径与糖有氧分解及糖无氧分解相互联系。

二、糖原的合成与糖异生

(一) 糖异生

1.糖异生的概念

生物体将多种非糖物质转变成葡萄糖或糖原的过程。由简单的非糖前体（乳酸、甘油、生糖氨基酸等）转变为糖（葡萄糖或糖原）的过程。糖异生不是糖酵解的简单逆转。虽然由丙酮酸开始的糖异生利用了糖酵解中的七步近似平衡反应的逆反应，但还必需利用另外四步酵解中不曾出现的酶促反应，绕过酵解过程中不可逆的三个反应。糖异生保证了机体的血糖水平处于正常水平。

2.糖异生的意义

（1）糖异生作用的主要生理意义是保证在饥饿情况下，血糖浓度的相对恒定。

（2）糖异生作用与乳酸的作用密切关系。在激烈运动时，肌肉糖酵解生成大量乳酸，后者经血液运到肝脏可再合成肝糖原和葡萄糖，因而使不能直接产生葡萄糖的肌糖原间接变成血糖，并且有利于回收乳酸分子中的能量，更新肌糖原，防止乳酸酸中毒的发生。

（3）协助氨基酸代谢

进食蛋白质后，肝中糖原含量增加；禁食晚期、糖尿病或皮质醇过多时，由于组织蛋白质分解，血浆氨基酸增多，糖的异生作用增强，因而氨基酸成糖可能是氨基酸代谢的主要途径。

（4）促进肾小管泌氨的作用

长期禁食后肾脏的糖异生可以明显增加，发生这一变化的原因可能是饥饿造成的代谢性酸中毒，体液pH降低可以促进肾小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成，使成糖作用增加，当肾脏中α－酮戊二酸经草酰乙酸而加速成糖后，可因α－酮戊二酸的减少而促进谷氨酰胺脱氨成谷氨酸以及谷氨酸的脱氨，肾小管细胞将NH3分泌入管腔中，与原尿中H+结合，降低原尿H+的浓度，有利于排氢保钠作用的进行，对于防止酸中毒有重要作用。

三、血糖及其调节

（一）血糖的来源和去路

血液中的葡萄糖成为血糖，其水平相对稳定，维持在 3.89-6.11mmol/L,因为血糖的来源和去路保持动态平衡的结构。血糖的来源主要有食物消化吸收提供，肝糖原分解补充的葡萄糖以及非糖物质通过糖异生途径补充的血糖。血糖的去路有4个：有氧氧化分解供能，合成肝糖原和肌糖原储备；转变成其他糖；转变成脂肪或氨基酸。

（二）血糖的调节

1. 胰岛素是降低血糖的激素胰岛素是由胰腺β细胞分泌，是体内唯一能降低血糖的激素，胰岛素的分泌受血糖控制，血糖升高使胰岛素分泌增多，血糖降低使其分泌减少。

2.体内有多种升高血糖的激素

（1）胰高血糖素是升高血糖的主要激素胰高血糖素由胰腺α细胞分泌，血糖降低或血中氨基酸升高可促进胰高血糖素分泌。胰高血糖素升高血糖的机制是使血糖来源增强、去路减弱。

（2）糖皮质激素可升高血糖主要机制包括促进肌蛋白分解而使糖异生原料增多，阻止体内葡萄糖的分解利用，促进脂肪总动员，促进机体利用脂肪酸功能。

（3）肾上腺素能升高血糖主要在应激状态下发挥调节作用。

第五部分脂类代谢

脂类是人体需要的重要营养素之一，供给机体所需的能量、提供机体所需的必需脂肪酸，是人体细胞组织的组成成分。脂质是脂肪和类脂的总称，脂肪又称为甘油三酯，类脂包括固醇及其酯、磷脂和糖脂。

一、脂肪的代谢

（一）脂肪的分解代谢

1.脂肪的水解脂肪动员指储存在脂肪细胞内的脂肪在脂肪酶的作用下，逐步水解，释放游离脂肪酸和甘油供其他组织氧化利用的过程。在禁食、饥饿或交感神经兴奋时，肾上腺素、去甲肾上腺素和胰高血糖素分泌增加，激活脂肪酶，促进脂肪动员。

2.甘油的氧化分解

甘油可直接经血液到达肝、肾、肠等组织利用，在甘油激酶的作用下，甘油转变为3-磷酸甘油。然后脱氢成磷酸二羟丙酮，循糖酵解途径分解，或转变成葡萄糖。肝的甘油激酶活性最高，脂肪动员产生的甘油主要被肝摄取利用，而脂肪及骨骼肌因甘油激酶活性很低，对甘油的摄取有限。

3.脂酸的氧化分解

脂肪酸在体内氧化分解从羧基端β-碳原子开始，每次断裂2个碳原子，即“β氧化学说”。在氧充足时，脂肪酸可活化、转移到线粒体，β氧化生成乙酰CoA及乙酰CoA进入柠檬酸循环彻底氧化四个阶段，释放大量ATP。

4.酮体的生成和利用

脂肪酸在肝内β氧化产生大量的乙酰CoA，部分被转变成酮体，向肝外输出。酮体包括乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮。肝组织有活性较强的酮体合成酶系，但是缺乏利用酮体的酶，因此肝外许多组织由于含有活性较强的酮体利用酶，能够将酮体重新裂解成乙酰CoA，通过柠檬酸循环彻底氧化，因此，肝内生成的酮体需要经血液运至肝外组织氧化利用。

（二）脂肪的合成代谢

1. 不同来源的脂肪酸在不同器官以不同途径合成甘油三酯

（1）肝、脂肪组织及小肠是甘油三酯合成的主要场所

体内甘油三酯合成在细胞质中完成，以肝合成能力最强。但是，肝细胞不能储存甘油三酯。脂肪细胞可大量储存，是机体存储甘油三酯的“脂库”。

（2）甘油和脂肪酸是合成甘油三酯的基本原料

机体能分解葡萄糖产生3-磷酸甘油，也能利用葡萄糖分解代谢中间产物乙酰CoA合成脂肪酸，也可由糖合成大量甘油三脂。小肠粘膜细胞主要利用摄取的甘油三酯消化产物重新合成甘油三酯。脂肪组织还可水解极低密度脂蛋白甘油三酯，释放脂肪酸用于合成甘油三酯。

（3）甘油三酯合成有甘油一酯途径和甘油二酯途径

2.内源性脂肪酸的合成需先合成软脂酸再加工延长

（1）软脂酸由乙酰CoA在脂肪酸合酶催化下合成，主要在内质网和线粒体内进行。不饱和脂肪酸的合成需要多种去饱和酶催化，这一过程受到代谢物和激素等的调节。

二、磷脂的代谢

（一）甘油磷脂分解代谢

甘油磷脂的分解靠存在于体内的各种磷脂酶将其分解为脂肪酸、甘油、磷酸等，然后再进一步降解。

（二）甘油磷脂的生物合成

全身各组织细胞内质网均有合成磷脂的酶系，因此均能合成甘油磷脂，但是以肝、肾及肠等组织最为活跃。主要以脂肪酸、甘油、磷酸盐、胆碱、丝氨酸、肌醇、ATP、CTP等。甘油磷脂的合成途径有两条。

1.甘油二酯合成途径

磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺通过此代谢途径合成。合成过程中需消耗CTP，所需胆碱及乙醇胺以CDP-胆碱和CDP-乙醇胺的形式提供。

2.CDP-甘油二酯合成途径

磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸和心磷脂通过此途径合成。合成过程中需消耗CTP，所需甘油二酯以CDP-甘油二酯的活性形式提供。

三、胆固醇的代谢

（一）胆固醇的合成

1．体内胆固醇的合成主要场所是肝脏

除成年动物脑组织及成熟红细胞外，几乎全身组织均可合成胆固醇，其中肝脏是主要合成器官，胆固醇合成酶系存在于胞质及光面内质网膜。

2.乙酰CoA和NADPH是胆固醇合成基本原料合成1分子胆固醇需18分子乙酰CoA、36分子ATP和16分子NADPH。

3.胆固醇合成由以HMG-CoA还原酶为关键酶的一系列酶促反应完成

（二）胆固醇在体内的代谢转化

转化为胆汁酸是胆固醇的主要去路。正常人每天约合成1-1.5g胆固醇，其中40%在肝被转化成胆汁酸，随胆汁排出。胆固醇是肾上腺皮质、睾丸、卵巢等合成类固醇激素的原料。

第六部分蛋白质代谢

蛋白质代谢指蛋白质在细胞内的代谢途径。各种生物均含有水解蛋白质的蛋白酶或肽酶，这些酶的专一性不同，但均能破坏肽键，使各种蛋白质水解成氨基酸。因此，蛋白质代谢以氨基酸为核心。

一、氨基酸的分解代谢

氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。

（一）氨基酸的脱氨基作用

氨基酸脱去氨基生成相应的α-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，氧化脱氨基作用以及联合脱氨基作用。

1.转氨基作用