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2019年自考生物化学(三)章节知识点汇总

发布日期:2019-07-26 编辑整理:安徽省自考网 【字体:

第一章  概述 

第一节 概述

一、生物分子是生物特有的有机化合物

生物分子泛指生物体特有的各类分子,它们都是有机物。典型的细胞含有一万到十万种生物分子,其中近半数是小分子,分子量一般在500以下。其余都是生物小分子的聚合物,分子量很大,一般在一万以上,有的高达1012,因而称为生物大分子。构成生物大分子的小分子单元,称为构件。氨基酸、核苷酸和单糖分别是组成蛋白质、核酸和多糖的构件。

二、生物分子具有复杂有序的结构

生物分子都有自己特有的结构。生物大分子的分子量大,构件种类多,数量大,排列顺序千变万化,因而其结构十分复杂。估计仅蛋白质就有1010-1012种。生物分子又是有序的,每种生物分子都有自己的结构特点,所有的生物分子都以一定的有序性(组织性)存在于生命体系中。

三、生物结构具有特殊的层次

生物用少数几种生物元素(C、H、O、N、S、P)构成小分子构件,如氨基酸、核苷酸、单糖等;再用简单的构件构成复杂的生物大分子;由生物大分子构成超分子集合体;进而形成细胞器,细胞,组织,器官,系统和生物体。生物的不同结构层次有着质的区别:低层次结构简单,没有种属专一性,结合力强;高层次结构复杂,有种属专一性,结合力弱。生物大分子是生命的物质基础,生命是生物大分子的存在形式。生物大分子的特殊运动体现着生命现象。

四、生物分子都行使专一的功能

每种生物分子都具有专一的生物功能。核酸能储存和携带遗传信息,酶能催化化学反应,糖能提供能量。任何生物分子的存在,都有其特殊的生物学意义。人们研究某种生物分子,就是为了了解和利用它的功能。

五、代谢是生物分子存在的条件

代谢不仅产生了生物分子,而且使生物分子以一定的有序性处于稳定的状态中,并不断得到自我更新。一旦代谢停止,稳定的生物分子体系就要向无序发展,在变化中解体,进入非生命世界。

六、生物分子体系有自我复制的能力

遗传物质DNA能自我复制,其他生物分子在DNA的直接或间接指导下合成。生物分子的复制合成,是生物体繁殖的基础。

七、生物分子能够人工合成和改造

生物分子是通过漫长的进化产生的。随着生命科学的发展,人们已能在体外人工合成各类生物分子,以合成和改造生物大分子为目标的生物技术方兴未艾。

 

第二节  生物元素

在已知的百余种元素中,生命过程所必需的有27种,称为生物元素。生物体所采用的构成自身的元素,是经过长期的选择确定的。生物元素都是在自然界丰度较高,容易得到,又能满足生命过程需要的元素。

一、主要生物元素都是轻元素

主要生物元素C、H、O、N占生物元素总量的95%以上,其原子序数均在8以内。它们和S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl共11种元素,构成生物体全部质量的99%以上,称为常量元素,原子序数均在20以内。另外16种元素称为微量元素,包括B,F,Si,Se,As,I,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Sn,Mo,原子序数在53以内。

二、碳氢氧氮硫磷是生物分子的基本素材

(一)碳氢是生物分子的主体元素

碳原子既难得到电子,又难失去电子,最适于形成共价键。碳原子非凡的成键能力和它的四面体构型,使它可以自相结合,形成结构各异的生物分子骨架。碳原子又可通过共价键与其它元素结合,形成化学性质活泼的官能团。

氢原子能以稳定的共价键于碳原子结合,构成生物分子的骨架。生物分子的某些氢原子被称为还原能力,它们被氧化时可放出能量。生物分子含氢量的多少(以H/C表示)与它们的供能价值直接相关。氢原子还参与许多官能团的构成。与电负性强的氧氮等原子结合的氢原子还参与氢键的构成。氢键是维持生物大分子的高级结构的重要作用力。

(二)氧氮硫磷构成官能团

它们是除碳以外仅有的能形成多价共价键的元素,可形成各种官能团和杂环结构,对决定生物分子的性质和功能具有重要意义。

此外,硫磷还与能量交换直接相关。生物体内重要的能量转换反应,常与硫磷的某些化学键的形成及断裂有关。一些高能分子中的磷酸苷键和硫酯键是高能键。

三、无机生物元素

(一)、利用过渡元素的配位能力

过渡元素具有空轨道,能与具有孤对电子的原子以配位键结合。不同过渡元素有不同的配位数,可形成各种配位结构,如三角形,四面体,六面体等。过渡元素的络和效应在形成并稳定生物分子的构象中,具有特别重要的意义。

过渡元素对电子的吸引作用,还可导致配体分子的共价键发生极化,这对酶的催化很有用。已发现三分之一以上的酶含有金属元素,其中仅含锌酶就有百余种。

铁和铜等多价金属离子还可作为氧化还原载体,担负传递电子的作用。在光系统II中,四个锰原子构成一个电荷累积器,可以累积失去四个电子,从而一次氧化两分子水,释放出一分子氧,避免有害中间产物的形成。细胞色素氧化酶中的铁-铜中心也有类似功能。

(二)、利用常量离子的电化学效应

K等常量离子,在生物体的体液中含量较高,具有电化学效应。它们在保持体液的渗透压,酸碱平衡,形成膜电位及稳定生物大分子的胶体状态等方面有重要意义。

各种生物元素对生命过程都有不可替代的作用,必需保持其代谢平衡。

氟是骨骼和牙釉的成分,以氟磷灰石的形式存在,可使骨晶体变大,坚硬并抗酸腐蚀。所以在饮食中添加氟可以预防龋齿。氟还可以治疗骨质疏松症。但当水中氟含量达到每升2毫克时,会引起斑齿,牙釉无光,粉白色,严重时可产生洞穴。氟是烯醇化酶的抑制剂,又是腺苷酸环化酶的激活剂。
 

第二章  糖类

提 要    

一、定义

糖、单糖、寡糖、多糖、结合糖、呋喃糖、吡喃糖、糖苷、手性

二、结构

1.链式:Glc、Man、Gal、Fru、Rib、dRib

2.环式:顺时针编号,D型末端羟甲基向下,α型半缩醛羟基与末端羟甲基在两侧。

3.构象:椅式稳定,β稳定,因其较大基团均为平键。

三、反应

1.与酸:莫里斯试剂、西里万诺夫试剂。

2.与碱:弱碱互变,强碱分解。

3.氧化:三种产物。

4.还原:葡萄糖生成山梨醇。

5.酯化

6.成苷:有α和β两种糖苷键。

7.成沙:可根据其形状与熔点鉴定糖。

四、衍生物

氨基糖、糖醛酸、糖苷

五、寡糖

蔗糖、乳糖、麦芽糖和纤维二糖的结构

六、多糖

淀粉、糖原、纤维素的结构

粘多糖、糖蛋白、蛋白多糖一般了解

七、计算

比旋计算,注意单位。

 

第一节  概述

一、糖的命名

糖类是含多羟基的醛或酮类化合物,由碳氢氧三种元素组成的,其分子式通常以Cn(H2O)n 表示。

由于一些糖分子中氢和氧原子数之比往往是2:1,与水相同,过去误认为此类物质是碳与水的化合物,所以称为"碳水化合物"(Carbohydrate)。   

实际上这一名称并不确切,如脱氧核糖、鼠李糖等糖类不符合通式,而甲醛、乙酸等虽符合这个通式但并不是糖。只是"碳水化合物"沿用已久,一些较老的书仍采用。我国将此类化合物统称为糖,而在英语中只将具有甜味的单糖和简单的寡糖称为糖(sugar)。

二、糖的分类

根据分子的聚合度分,糖可分为单糖、寡糖、多糖。 也可分为:结合糖和衍生糖。

1.单糖 单糖是不能水解为更小分子的糖。葡萄糖,果糖都是常见单糖。根据羰基在分子中的位置,单糖可分为醛糖和酮糖。根据碳原子数目,可分为丙糖,丁糖,戊糖,己糖和庚糖。

2.寡糖 寡糖由2-20个单糖分子构成,其中以双糖最普遍。寡糖和单糖都可溶于水,多数有甜味。

3.多糖 多糖由多个单糖(水解是产生20个以上单糖分子)聚合而成,又可分为同聚多糖和杂聚多糖。同聚多糖由同一种单糖构成,杂聚多糖由两种以上单糖构成。

4.结合糖 糖链与蛋白质或脂类物质构成的复合分子称为结合糖。其中的糖链一般是杂聚寡糖或杂聚多糖。如糖蛋白,糖脂,蛋白聚糖等。

5.衍生糖 由单糖衍生而来,如糖胺、糖醛酸等。

三、糖的分布与功能

1.分布 糖在生物界中分布很广,几乎所有的动物,植物,微生物体内都含有糖。糖占植物干重的80%,微生物干重的10-30%,动物干重的2%。糖在植物体内起着重要的结构作用,而动物则用蛋白质和脂类代替,所以行动更灵活,适应性强。动物中只有昆虫等少数采用多糖构成外骨胳,其形体大小受到很大限制。

在人体中,糖主要的存在形式:(1)以糖原形式贮藏在肝和肌肉中。糖原代谢速度很快,对维持血糖浓度衡定,满足机体对糖的需求有重要意义。(2)以葡萄糖形式存在于体液中。细胞外液中的葡萄糖是糖的运输形式,它作为细胞的内环境条件之一,浓度相当衡定。(3)存在于多种含糖生物分子中。糖作为组成成分直接参与多种生物分子的构成。如:DNA分子中含脱氧核糖,RNA和各种活性核苷酸(ATP、许多辅酶)含有核糖,糖蛋白和糖脂中有各种复杂的糖结构。

2.功能 糖在生物体内的主要功能是构成细胞的结构和作为储藏物质。植物细胞壁是由纤维素,半纤维素或胞壁质组成的,它们都是糖类物质。作为储藏物质的主要有植物中的淀粉和动物中的糖原。此外,糖脂和糖蛋白在生物膜中占有重要位置,担负着细胞和生物分子相互识别的作用。

糖在人体中的主要作用:(1)作为能源物质。一般情况下,人体所需能量的70%来自糖的氧化。(2)作为结构成分。糖蛋白和糖脂是细胞膜的重要成分,蛋白聚糖是结缔组织如软骨,骨的结构成分。(3)参与构成生物活性物质。核酸中含有糖,有运输作用的血浆蛋白,有免疫作用的抗体,有识别,转运作用的膜蛋白等绝大多数都是糖蛋白,许多酶和激素也是糖蛋白。(4)作为合成其它生物分子的碳源。糖可用来合成脂类物质和氨基酸等物质。

 

第二节 单糖 

一、单糖的结构

(一)单糖的链式结构

单糖的种类虽多,但其结构和性质都有很多相似之处,因此我们以葡萄糖为例来阐述单糖的结构。

葡萄糖的分子式为C6H12O6,具有一个醛基和5个羟基,我们用费歇尔投影式表示它的链式结构:

以上结构可以简化:

(二)葡萄糖的构型

葡萄糖分子中含有4个手性碳原子,根据规定,单糖的D、L构型由碳链最下端手性碳的构型决定。人体中的糖绝大多数是D-糖。

(三)葡萄糖的环式结构

葡萄糖在水溶液中,只要极小部分(<1%)以链式结构存在,大部分以稳定的环式结构存在。环式结构的发现是因为葡萄糖的某些性质不能用链式结构来解释。如:葡萄糖不能发生醛的NaHSO3加成反应;葡萄糖不能和醛一样与两分子醇形成缩醛,只能与一分子醇反应;葡萄糖溶液有变旋现象,当新制的葡萄糖溶解于水时,最初的比旋是+112度,放置后变为+52.7度,并不再改变。溶液蒸干后,仍得到+112度的葡萄糖。把葡萄糖浓溶液在110度结晶,得到比旋为+19度的另一种葡萄糖。这两种葡萄糖溶液放置一定时间后,比旋都变为+52.7度。我们把+112度的叫做α-D(+)-葡萄糖,+19度的叫做β-D(+)-葡萄糖。
 

第三章  脂类 

提 要 

一、概念 

脂类、类固醇、萜类、多不饱和脂肪酸、必需脂肪酸、皂化值、碘值、酸价、酸败、油脂的硬化、甘油磷脂、鞘氨醇磷脂、神经节苷脂、脑苷脂、乳糜微粒

二、脂类的性质与分类  单纯脂、复合脂、非皂化脂、衍生脂、结合脂

单纯脂

脂肪酸的俗名、系统名和缩写、双键的定位

三、油脂的结构和化学性质

(1)水解和皂化  脂肪酸平均分子量=3×56×1000÷皂化值

(2)加成反应  碘值大,表示油脂中不饱和脂肪酸含量高,即不饱和程度高。

(3)酸败

蜡是由高级脂肪酸和长链脂肪族一元醇或固醇构成的酯。

四、磷脂(复合脂)

(一)甘油磷脂类

最常见的是卵磷脂和脑磷脂。卵磷脂是磷脂酰胆碱。脑磷脂是磷脂酰乙醇胺。

卵磷脂和脑磷脂都不溶于水而溶于有机溶剂。磷脂是兼性离子,有多个可解离基团。在弱碱下可水解,生成脂肪酸盐,其余部分不水解。在强碱下则水解成脂肪酸、磷酸甘油和有机碱。磷脂中的不饱和脂肪酸在空气中易氧化。

(二)鞘氨醇磷脂

神经鞘磷脂由神经鞘氨醇(简称神经醇)、脂肪酸、磷酸与含氮碱基组成。脂酰基与神经醇的氨基以酰胺键相连,所形成的脂酰鞘氨醇又称神经酰胺;神经醇的伯醇基与磷脂酰胆碱(或磷脂酰乙醇胺)以磷酸酯键相连。

磷脂能帮助不溶于水的脂类均匀扩散于体内的水溶液体系中。

非皂化脂

(一)萜类 是异戊二烯的衍生物

多数线状萜类的双键是反式。维生素A、E、K等都属于萜类,视黄醛是二萜。天然橡胶是多萜。

(二)类固醇 都含有环戊烷多氢菲结构

固醇类 是环状高分子一元醇,主要有以下三种:

动物固醇 胆固醇是高等动物生物膜的重要成分,对调节生物膜的流动性有一定意义。胆固醇还是一些活性物质的前体,类固醇激素、维生素D3、胆汁酸等都是胆固醇的衍生物。

植物固醇 是植物细胞的重要成分,不能被动物吸收利用。

1,酵母固醇 存在于酵母菌、真菌中,以麦角固醇最多,经日光照射可转化为维生素D2。

2.固醇衍生物类

胆汁酸 是乳化剂,能促进油脂消化。

强心苷和蟾毒 它们能使心率降低,强度增加。

性激素和维生素D 

3. 前列腺素

结合脂

1.糖脂。它分为中性和酸性两类,分别以脑苷脂和神经节苷脂为代表。

脑苷脂 由一个单糖与神经酰胺构成。

神经节苷脂 是含唾液酸的糖鞘脂,有多个糖基,又称唾液酸糖鞘脂,结构复杂。

2.脂蛋白

根据蛋白质组成可分为三类:核蛋白类、磷蛋白类、单纯蛋白类,其中单纯蛋白类主要有水溶性的血浆脂蛋白和脂溶性的脑蛋白脂。

血浆脂蛋白根据其密度由小到大分为五种:

乳糜微粒 主要生理功能是转运外源油脂。

极低密度脂蛋白(VLDL) 转运内源油脂。

低密度脂蛋白(LDL) 转运胆固醇和磷脂。

高密度脂蛋白(HDL) 转运磷脂和胆固醇。

极高密度脂蛋白(VHDL) 转运游离脂肪酸。

脑蛋白脂不溶于水,分为A、B、C三种。top

 

第一节 概述 

一、脂类是脂溶性生物分子

脂类(lipids)泛指不溶于水,易溶于有机溶剂的各类生物分子。脂类都含有碳、氢、氧元素,有的还含有氮和磷。共同特征是以长链或稠环脂肪烃分子为母体。脂类分子中没有极性基团的称为非极性脂;有极性基团的称为极性脂。极性脂的主体是脂溶性的,其中的部分结构是水溶性的。

二、分类

1.单纯脂 单纯脂是脂肪酸与醇结合成的酯,没有极性基团,是非极性脂,又称中性脂。三酰甘油、胆固醇酯、蜡等都是单纯脂。蜡是由高级脂肪酸和高级一元醇形成的酯。

2.复合脂 复合脂又称类脂,是含有磷酸等非脂成分的脂类。复合脂含有极性基团,是极性脂。磷脂是主要的复合脂。

3.非皂化脂 包括类固醇、萜类和前列腺素类。 不含脂肪酸,不能被碱水解,称为非皂化脂。类固醇又称甾醇,是以环戊烷多氢菲为母核的一种脂类。胆固醇是人体内最重要的类固醇,它因有羟基而属于极性脂。萜类是异戊二烯聚合物,前列腺素是二十碳酸衍生物。

4.衍生脂 指上述物质的衍生产物,如甘油、脂肪酸及其氧化产物,乙酰辅酶A。

5.结合脂类 脂与糖或蛋白质结合,形成糖脂和脂蛋白。

三、分布与功能

(一)三酰甘油是储备能源

三酰甘油主要分布在皮下、胸腔、腹腔、肌肉、骨髓等处的脂肪组织中,是储备能源的主要形式。三酰甘油作为能源储备有以下优点:

1.可大量储存 在三大类能源物质中,只有三酰甘油能大量储备。体内糖原的储量少(不到体重的1%),储存期短(不到半天),而三酰甘油储量可高达体重的10-20%以上,并可长期储存。

2.功能效率高 由于脂肪酸的还原态远高于其他燃料分子,所以体内氧化三酰甘油的功能价值可高达37Kj/g,而氧化糖和蛋白质分别只有17和16Kj/g。

3.占空间少 可以无水状态存在。而1克糖原可以结合2克水,所以1克无水的脂肪储存的能量是1克水合的糖原的6倍多。

4.还有绝缘保温、缓冲压力、减轻摩擦振动等保护功能。

(二)极性脂参与生物膜的构成

磷脂、糖脂、胆固醇等极性脂是构成人体生物膜的主要成分。他们构成生物膜的水不溶性液态基质,规定了生物膜的基本特性。膜的屏障、融合、绝缘、脂溶性分子的通透性等功能都是膜脂特性的表现,膜脂还给各种膜蛋白提供功能所必须的微环境。脂类作为细胞表面物质,与细胞的识别、种特异性和组织免疫等有密切关系。
 

第四章  蛋白质 

提要 

一. 概念

简单蛋白、结合蛋白、基本氨基酸、等电点、甲醛滴定法、Edman降解、一级结构、肽键、构型与构象、二面角、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构、四级结构、亚基、别构蛋白、分子病、水化层、双电层、蛋白质的变性与复性、盐析与盐溶

二.氨基酸

分类、基本氨基酸的结构、分类、名称、符号、化学反应、鉴定、蛋白质的水解

三.蛋白质的结构

一级结构 结构特点、测定步骤、常用方法、酶

二级结构 四种 结构特点、数据、超二级结构

三级结构 主要靠疏水键维持

四级结构 变构现象

结构与功能的适应、结构变化对功能的影响、典型蛋白质

四.蛋白质的性质

分子量的测定方法、酸碱性、溶解性、变性、颜色反应

 

第一节 蛋白质通论

一、蛋白质的功能多样性

蛋白质是原生质的主要成分,任何生物都含有蛋白质。自然界中最小、最简单的生物是病毒,它是由蛋白质和核酸组成的。没有蛋白质也就没有生命。

自然界的生物多种多样,因而蛋白质的种类和功能也十分繁多。概括起来,蛋白质主要有以下功能:

1.催化功能 生物体内的酶都是由蛋白质构成的,它们有机体新陈代谢的催化剂。没有酶,生物体内的各种化学反应就无法正常进行。例如,没有淀粉酶,淀粉就不能被分解利用。

2.结构功能 蛋白质可以作为生物体的结构成分。在高等动物里,胶原是主要的细胞外结构蛋白,参与结缔组织和骨骼作为身体的支架,占蛋白总量的1/4。细胞里的片层结构,如细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白与脂类组成的。动物的毛发和指甲都是由角蛋白构成的。

3.运输功能 脊椎动物红细胞中的血红蛋白和无脊椎动物体内的血蓝蛋白在呼吸过程中起着运输氧气的作用。血液中的载脂蛋白可运输脂肪,转铁蛋白可转运铁。一些脂溶性激素的运输也需要蛋白,如甲状腺素要与甲状腺素结合球蛋白结合才能在血液中运输。

4.贮存功能 某些蛋白质的作用是贮存氨基酸作为生物体的养料和胚胎或幼儿生长发育的原料。此类蛋白质包括蛋类中的卵清蛋白、奶类中的酪蛋白和小麦种子中的麦醇溶蛋白等。肝脏中的铁蛋白可将血液中多余的铁储存起来,供缺铁时使用。

5.运动功能 肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白是运动系统的必要成分,它们构象的改变引起肌肉的收缩,带动机体运动。细菌中的鞭毛蛋白有类似的作用,它的收缩引起鞭毛的摆动,从而使细菌在水中游动。

6.防御功能 高等动物的免疫反应是机体的一种防御机能,它主要也是通过蛋白质(抗体)来实现的。凝血与纤溶系统的蛋白因子、溶菌酶、干扰素等,也担负着防御和保护功能。

7.调节功能 某些激素、一切激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质。

8.信息传递功能 生物体内的信息传递过程也离不开蛋白质。例如,视觉信息的传递要有视紫红质参与,感受味道需要味觉蛋白。视杆细胞中的视紫红质,只需1个光子即可被激发,产生视觉。

9.遗传调控功能 遗传信息的储存和表达都与蛋白质有关。DNA在储存时是缠绕在蛋白质(组蛋白)上的。有些蛋白质,如阻遏蛋白,与特定基因的表达有关。β-半乳糖苷酶基因的表达受到一种阻遏蛋白的抑制,当需要合成β-半乳糖苷酶时经过去阻遏作用才能表达。

10.其他功能 某些生物能合成有毒的蛋白质,用以攻击或自卫。如某些植物在被昆虫咬过以后会产生一种毒蛋白。白喉毒素可抑制生物蛋白质合成。

二、蛋白质的分类

(一)按分子形状分类

1.球状蛋白 外形近似球体,多溶于水,大都具有活性,如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。球状蛋白的长度与直径之比一般小于10。

2.纤维状蛋白 外形细长,分子量大,大都是结构蛋白,如胶原蛋白,弹性蛋白,角蛋白等。纤维蛋白按溶解性可分为可溶性纤维蛋白与不溶性纤维蛋白。前者如血液中的纤维蛋白原、肌肉中的肌球蛋白等,后者如胶原蛋白,弹性蛋白,角蛋白等结构蛋白。

(二)按分子组成分类

1.简单蛋白 完全由氨基酸组成,不含非蛋白成分。如血清清蛋白等。根据溶解性的不同,可将简单蛋白分为以下7类:清蛋白、球蛋白、组蛋白、精蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和硬蛋白。

2.结合蛋白 由蛋白质和非蛋白成分组成,后者称为辅基。根据辅基的不同,可将结合蛋白分为以下7类:核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、血红素蛋白、黄素蛋白和金属蛋白。

三、蛋白质的元素组成与分子量

1.元素组成 所有的蛋白质都含有碳氢氧氮四种元素,有些蛋白质还含有硫、磷和一些金属元素。

蛋白质平均含碳50%,氢7%,氧23%,氮16%。其中氮的含量较为恒定,而且在糖和脂类中不含氮,所以常通过测量样品中氮的含量来测定蛋白质含量。如常用的凯氏定氮:

蛋白质含量=蛋白氮×6.25

其中6.25是16%的倒数。

2.蛋白质的分子量 蛋白质的分子量变化范围很大,从6000到100万或更大。这个范围是人为规定的。一般将分子量小于6000的称为肽。不过这个界限不是绝对的,如牛胰岛素分子量为5700,一般仍认为是蛋白质。蛋白质煮沸凝固,而肽不凝固。较大的蛋白质如烟草花叶病毒,分子量达4000万。

四、蛋白质的水解

氨基酸是蛋白质的基本结构单位,这个发现是从蛋白质的水解得到的。蛋白质的水解主要有三种方法:1. 酸水解\2. 碱水解\3. 酶水解。



第五章 酶类 
提要 
一.概述
酶的特性 酶的分类 
二.酶的结构
单纯酶 结合酶 辅酶与辅基 单体酶 寡聚酶 多酶体系 活性中心 同工酶
三.酶的催化机制
诱导契合假说 酶加快反应速度的因素
四.酶促发应动力学
米氏方程 米氏常数及意义 bi-bi反应 影响酶促反应的因素 激活剂 抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制
五.酶的调节
变构调节 共价修饰调节 酶原 酶原激活 

 

第一节 概述

一、定义

酶是一种生物催化剂,是有催化功能的蛋白质。

二、人们对酶的认识过程

1833年佩延(Payen)和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质,这种物质能将淀粉水解成可溶性糖,被称为淀粉糖化酶(diastase),意思是“分离”。所以后人命名酶时常加词尾-ase。由于他们用乙醇沉淀等方法提纯得到了无细胞的酶制剂,并发现了酶的催化特性和热不稳定性,所以一般认为他们首先发现了酶。

19世纪西方对发酵现象的研究推动了对酶的进一步研究。巴斯德提出“酵素”一词,认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。现在日本还经常使用“酵素”一词(ferment)。1878年德国人库恩(Kuhne)提出“Enzyme”一词,意为“在酵母中”。1896年德国人巴克纳(Buchner)兄弟用石英砂磨碎酵母细胞,得到了能催化发酵的无细胞滤液,证明发酵是一种化学反应,与细胞的活力无关。这项发现涉及到了酶的本质,有人认为这是酶学研究的开始。

1913年米凯利斯(Michaelis)和门顿(Menten)利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理—米氏学说,使酶学可以定量研究。1926年美国人J. B. Sumner从刀豆中结晶出脲酶(第一个酶结晶),并提出酶是蛋白质的观点。后来陆续得到多种酶的结晶,证明了这种观点,萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。此后多种酶被发现、结晶、测定结构,并产生了酶工程等分支学科。

进入80年代后,核糖酶(ribozyme)、抗体酶、模拟酶等相继出现,酶的传统概念受到挑战。1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA前体具有自我剪接功能,并于1986年证明其内含子L-19 IVS具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的RNA,底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。还有人在实验室中设计合成新的核糖酶。甚至有人发现博莱霉素等肽类抗生素也有催化能力。这些新发现不仅增加了对酶的本质的研究,也有助于对生命起源等问题的探讨,使酶学研究进入新的阶段。

三、酶的特性

酶是生物体产生的,有催化能力的蛋白质。细胞内的蛋白质,90%都有催化活性。酶是一种生物催化剂,与一般催化剂一样,只改变反应速度,不改变化学平衡,并在反应前后本身不变。但酶作为生物催化剂,与一般的无机催化剂相比有以下特点:

1.催化效率高 酶的催化效率比无机催化剂高106-1013倍。举例来说,1mol马肝过氧化氢酶在一定条件下可催化5×106摩尔过氧化氢分解,在同样条件下1mol铁只能催化6×10-4摩尔过氧化氢分解。因此,这个酶的催化效率是铁的1010倍。也就是说,用过氧化氢酶在1秒内催化的反应,同样数量的铁需要300年才能反应完。

2.专一性强 一般催化剂对底物没有严格的要求,能催化多种反应,而酶只催化某一类物质的一种反应,生成特定的产物。因此酶的种类也是多种多样的。酶催化的反应称为酶促反应,酶促反应的反应物称为底物。酶只催化某一类底物发生特定的反应,产生一定的产物,这种特性称为酶的专一性。

各种酶的专一性不同,包括结构专一性和立体专一性两大类,结构专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。绝对专一性指酶只催化一种底物,生成确定的产物。如氨基酸:tRNA连接酶,只催化一种氨基酸与其受体tRNA的连接反应。相对专一性指酶催化一类底物或化学键的反应。如醇脱氢酶可催化许多醇类的氧化反应。还有许多酶具有立体专一性,对底物的构型有严格的要求。如乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸,不能催化D-乳酸的反应。

3.反应条件温和 酶促反应不需要高温高压及强酸强碱等剧烈条件,在常温常压下即可完成。

4.酶的活性受多种因素调节 无机催化剂的催化能力一般是不变的,而酶的活性则受到很多因素的影响。比如底物和产物的浓度、pH值以及各种激素的浓度都对酶活有较大影响。酶活的变化使酶能适应生物体内复杂多变的环境条件和多种多样的生理需要。生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体的代谢进行调节。

5.稳定性差 酶是蛋白质,只能在常温、常压、近中性的条件下发挥作用。高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、剧烈搅拌、甚至泡沫的表面张力等都有可能使酶变性失活。不过自然界中的酶是多种多样的,有些酶可以在极端条件下起作用。有些细菌生活在极端条件下,如超噬热菌可以生活在90℃以上环境中,高限为110℃;噬冷菌最适温度为-2℃,高于10℃不能生长;噬酸菌生活在pH1以下,噬碱菌的最适pH大于11;噬压菌最高可耐受1035个大气压。这些噬极菌的胞内酶较为正常,但胞外酶却可以耐受极端条件的作用。有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完成的反应。

四、酶的命名与分类

1.命名

酶的命名法有两种:习惯命名与系统命名。习惯命名以酶的底物和反应类型命名,有时还加上酶的来源。习惯命名简单,常用,但缺乏系统性,不准确。1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型,两个底物间用冒号隔开,水可省略。如乙醇脱氢酶的系统命名是:醇:NAD+氧化还原酶。

2.分类

按照催化反应的类型,国际酶学委员会将酶分为六大类。在这六大类里,又各自分为若干亚类,亚类下又分小组。亚类的划分标准:氧化还原酶是电子供体类型,移换酶是被转移基团的形状,水解酶是被水解的键的类型,裂合酶是被裂解的键的类型,异构酶是异构作用的类型,合成酶是生成的键的类型。

(1)氧化还原酶 催化氧化还原反应,如葡萄糖氧化酶,各种脱氢酶等。是已发现的量最大的一类酶,其氧化、产能、解毒功能,在生产中的应用仅次于水解酶。需要辅因子,可根据反应时辅因子的光电性质变化来测定。按系统命名可分为19亚类,习惯上可分为4个亚类:

2脱氢酶:受体为NAD或NADP,不需氧。

2氧化酶:以分子氧为受体,产物可为水或H2O2,常需黄素辅基。

2过氧物酶:以H2O2为受体,常以黄素、血红素为辅基

2氧合酶(加氧酶):催化氧原子掺入有机分子,又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。

(2)移换酶类 催化功能基团的转移反应,如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。移换酶也叫转移酶,多需要辅酶,但反应不易测定。按转移基团性质,可分为8个亚类,较重要的有:

2一碳基转移酶:转移一碳单位,与核酸、蛋白质甲基化有关。

2磷酸基转移酶:常称为激酶,多以ATP为供体。少数蛋白酶也称为激酶(如肠激酶)。

2糖苷转移酶:与多糖代谢密切相关,如糖原磷酸化酶。

(3)水解酶类 催化底物的水解反应,如蛋白酶、脂肪酶等。起降解作用,多位于胞外或溶酶体中。有些蛋白酶也称为激酶。可分为水解酯键(如限制性内切酶)、糖苷键(如果胶酶、溶菌酶等)、肽键、碳氮键等11亚类。

(4)裂合酶类 催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。

(5)异构酶类 催化同分异构体之间的相互转化。包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类。   

(6)合成酶类 催化由两种物质合成一种物质,必须与ATP分解相偶联。也叫连接酶,如DNA连接酶。共5个亚类。

3.酶的编号

国际酶学委员会根据酶的类别,给每种酶规定了统一的编号。酶的编号由EC和4个用圆点隔开的数字组成。EC表示酶学委员会,第一个数字表示酶的类别,第二个数字表示酶的亚类,第三个数字表示酶的小组,第四个数字表示酶在小组中的序列号。如EC1.1.1.1表示这个酶是氧化还原酶,电子供体是醇,电子受体是NAD+,序列号是1,即乙醇脱氢酶。胰蛋白酶的编号是EC3.4.4.4,4个数字分别表示它的类型是水解酶;水解的键是肽键;是内切酶而不是外切酶;序列号是4。多功能酶可以有多个编号。

五、酶的活力

1.定义 指酶催化一定化学反应的能力。

2.单位 在特定条件下,1分钟内转化1微摩尔底物所需的酶量为一个活力单位(U)。温度规定为25度,其他条件取反应的最适条件。

比活:每毫克酶蛋白所具有的酶活力。单位是u/mg。比活越高则酶越纯。

转化数:每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化的底物分子数(TN)。相当于酶反应的速度常数kp。也称为催化常数(Kcat)。1/kp称为催化周期。碳酸酐酶是已知转换数最高的酶之一,高达36×106每分,催化周期为1.7微秒。

3.测定 一般采用测定酶促反应初速度的方法来测定活力,因为此时干扰因素较少,速度保持恒定。反应速度的单位是浓度/单位时间,可用底物减少或产物增加的量来表示。因为产物浓度从无到有,变化较大,而底物往往过量,其变化不易测准,所以多用产物来测定。
 

第六章 核酸

提要 

一.概述

核酸分类 分布与功能 

二.核苷酸

碱基 嘌呤与嘧啶 DNA与RNA中的核苷与核苷酸 多磷酸核苷酸 环核苷酸

三.DNA的结构

磷酸二酯键 DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构 DNA的拓扑结构

四.RNA的结构

DNA与RNA的区别 RNA的种类与功能 tRNA的结构特点 mRNA的结构特点

五.核酸的理化性质

紫外吸收 DNA的变性与复性 限制性内切酶 

第一节 概述一发现

核酸占细胞干重的5-15%,1868年被瑞士医生Miescher发现,称为“核素”。在很长时间内,流行“四核苷酸假说”,认为核酸是由等量的四种核苷酸构成的,不可能有什么重要功能。

1944年Oswald Avery通过肺炎双球菌的转化实验首次证明DNA是遗传物质。正常肺炎双球菌有一层粘性发光的多糖荚膜,有致病性,称为光滑型(S型);一种突变型称为粗糙型(R型),无荚膜,没有致病能力(缺乏UDP-葡萄糖脱氢酶)。1928年,格里菲斯发现肺炎双球菌的转化现象,即将活的粗糙型菌和加热杀死的光滑型菌混合液注射小鼠,可致病,而二者单独注射都无致病性。这说明加热杀死的光滑型菌体内有一种物质使粗糙型菌转化为光滑型菌。艾弗里将加热杀死的光滑型菌的无细胞抽提液分级分离,然后测定各组分的转化活性,于1944年发表论文指出“脱氧核糖型的核酸是型肺炎球菌转化要素的基本单位”。

其实验证据如下:

1.纯化的、有高度活性的转化要素的化学元素分析与计算出来的DNA组成非常接近。

2.纯化的转化要素在光学、超速离心、扩散和电泳性质上与DNA的相似。

3.其转化活性不因抽取去除蛋白质或脂类而损失。

4.用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响其转化活性。

5.用RNA酶处理也不不影响其转化活性。

6. DNA酶可使其转化活性丧失。

艾弗里的论文发表后,有些人仍然坚持蛋白质是遗传物质,认为他的分离不彻底,是混杂的微量的蛋白质引起的转化。1952年,Hershey和Chase的T2噬菌体旋切实验彻底证明遗传物质是核酸,而不是蛋白质。他们用35S标记蛋白质,用32P标记核酸。用标记的噬菌体感染细菌,然后测定宿主细胞的同位素标记。当用硫标记的噬菌体感染时,放射性只存在于细胞外面,即噬菌体的外壳上;当用磷标记的噬菌体感染时,放射性在细胞内,说明感染时进入细胞的是DNA,只有DNA是连续物质,所以说DNA是遗传物质。

1956年,Fraenkel Conrat的烟草花叶病毒(TMV)重建实验证明,RNA也可以作为遗传物质。把TMV在水和酚中震荡,使蛋白质与RNA分开,然后分别感染烟草,只有RNA可以使烟草感染,产生正常后代。

1953年DNA的双螺旋结构模型建立,被认为是本世纪自然科学的重大突破之一。由此产生了分子生物学、分子遗传学、基因工程等学科和技术,此后的30年间,核酸研究共有15次获得诺贝尔奖,占总数的1/4,可见核酸研究在生命科学中的重要地位。

二、核酸的分类

核酸是由核苷酸组成的大分子,分子量最小的是转运RNA,分子量25kd左右;人类染色体DNA分子量高达1011kd。核酸分为DNA和RNA两类,DNA主要集中在细胞核中,在线粒体和叶绿体中也有少量DNA。RNA主要分布在细胞质中。对病毒来说,或只含DNA,或只含RNA。因此可将病毒分为DNA病毒和RNA病毒。

核酸可分为单链(single strand,ss)和双链(double strand,ds)。DNA一般为双链,作为信息分子;RNA单双链都存在。

第二节 核苷酸一、核苷酸的结构

核苷酸可分解成核苷和磷酸,核苷又可分解为碱基和戊糖。因此核苷酸由三类分子片断组成。戊糖有两种,D-核糖和D-2-脱氧核糖。因此核酸可分为两类:DNA和RNA。

(一)碱基(base)

核酸中的碱基分为两类:嘌呤和嘧啶。

1.嘧啶碱(pyrimidine,py) 是嘧啶的衍生物,共有三种:胞嘧啶(cytosine,Cyt)、尿嘧啶(uracil,Ura)和胸腺嘧啶(thymine,Thy)。其中尿嘧啶只存在于RNA中,胸腺嘧啶只存在于DNA中,但在某些tRNA中也发现有极少量的胸腺嘧啶。胞嘧啶为两类核酸所共有,在植物DNA中还有5-甲基胞嘧啶,一些大肠杆菌噬菌体核酸中不含胞嘧啶,而由5-羟甲基胞嘧啶代替。因为受到氮原子的吸电子效应影响,嘧啶的2、4、6位容易发生取代。

2.嘌呤碱(purine,pu) 由嘌呤衍生而来,常见的有两种:腺嘌呤(adenine,Ade)和鸟嘌呤(guanine,Gua)。嘌呤分子接近于平面,但稍有弯曲。自然界中还有黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸、茶叶碱、可可碱和咖啡碱。前三种是嘌呤核苷酸的代谢产物,是抗氧化剂,后三种含于植物中,是黄嘌呤的甲基化衍生物,具有增强心脏功能的作用。

此外,一些植物激素,如玉米素、激动素等也是嘌呤类物质,可促进细胞的分裂、分化。一些抗菌素是嘌呤衍生物。如抑制蛋白质合成的嘌呤霉素,是腺嘌呤的衍生物。

生物体中(A+T)/(G+C)称为不对称比率,不同生物有所不同。比如人的不对称比率为1.52,酵母为79,藤黄八叠球菌为0.35。

3.稀有碱基 除以上五种基本的碱基以外,核酸中还有一些含量极少的稀有碱基,其中大多数是甲基化碱基。甲基化发生在核酸合成以后,对核酸的生物学功能具有重要意义。核酸中甲基化碱基含量一般不超过5%,但tRNA中可高达10%。

(二)核苷

核苷是戊糖与碱基缩合而成的。糖的第一位碳原子与嘧啶的第一位氮原子或嘌呤的第九位氮原子以糖苷键相连,一般称为N-糖苷键。戊糖是呋喃环,C1是不对称碳原子,核酸中的糖苷键都是β糖苷键。碱基与糖环平面互相垂直。糖苷的命名是先说出碱基名称,再加“核苷”或“脱氧核苷”。

在tRNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用Ψ表示),它的核糖与嘧啶环的C5相连。

规定用三字母符号表示碱基,用单字母符号表示核苷,前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带'的数字编号,碱基用不带'的数字编号。

(三)核苷酸

核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。核糖核苷的糖环上有三个羟基,可形成三种核苷酸:2'、3'和5'-核糖核苷酸。脱氧核糖只有3'和5'两种。生物体内游离存在的多是5'核苷酸。用碱水解RNA可得到2'和3'核糖核苷酸的混合物。

稀有碱基也可形成相应的核苷酸。在天然DNA中已找到十多种脱氧核糖核苷酸,在RNA中找到了几十种核糖核苷酸。

(四)多磷酸核苷酸

细胞内有一些游离的多磷酸核苷酸,它们具有重要的生理功能。5'-NDP是核苷的焦磷酸酯,5'-NTP是核苷的三磷酸酯。最常见的是5'-ADP和5'-ATP。ATP上的磷酸残基由近向远以αβγ编号。外侧两个磷酸酯键水解时可释放出7.3千卡能量,而普通磷酸酯键只有2千卡,所以被称为高能磷酸键(~P)。因此ATP在细胞能量代谢中起极其重要的作用,许多化学反应需要由ATP提供能量。高能磷酸键不稳定,在1NHCl中,100℃水解7分钟即可脱落,而α磷酸则稳定得多。利用这一特性可测定ATP和ADP中不稳定磷的含量。

细胞内的多磷酸核苷酸常与镁离子形成复合物而存在。GTP,CTP,UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用,但不普遍。UDP在多糖合成中可作为携带葡萄糖的载体,CDP在磷脂的合成中作为携带胆碱的载体。各种三磷酸核苷酸都是合成DNA或RNA的前体。

鸟嘌呤核苷四磷酸酯和五磷酸酯在代谢调控中起作用,在大肠杆菌中,它们参与rRNA合成的控制。

(五)环化核苷酸

磷酸同时与核苷上两个羟基形成酯键,就形成环化核苷酸。最常见的是3',5'-环化腺苷酸(cAMP) 和cGMP。它们是激素作用的第二信使,起信号传递作用。可被磷酸二酯酶催化水解,生成相应的5'-核苷酸。

二、有关缩写符号

碱基用三字母符号表示,核苷用大写单字母符号表示,前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带'的数字编号,碱基用不带'的数字编号。

稀有核苷(修饰核苷)也用单字母符号表示,如D表示二氢尿嘧啶核苷,T表示胸苷。如果碱基上有修饰基团,就在表示核苷的大写字母前加上代表修饰基团的小写字母,在这个小写字母的右上方写明修饰位置,右下方写明修饰基团的数量(如只有一个可省略)。如m2G表示2-N-甲基鸟苷,m2,2,73G表示N2,N2,7-三甲基鸟苷,S4U表示4-硫代尿苷。核糖上的修饰基团写在表示核苷的大写字母右边,如Cm表示2'-O-甲基胞苷。

核苷酸可在核苷符号旁加小写p表示,写在左边表示5'核苷酸,写在右边表示3'核苷酸。写几个就表示几个磷酸。3',5'-环化核苷酸可在前面加小写c,2',3'-环化核苷酸可在核苷符号后加〉P,如U〉P表示2',3'-环化尿苷酸。

三、核苷酸的功能

1.作为核酸的成分。

2.为需能反应提供能量。UTP用于多糖合成,GTP用于蛋白质合成,CTP用于脂类合成,ATP用于多种反应。

3.用于信号传递。如cAMP、cGMP是第二信使。

4.参与构成辅酶。如NAD、FAD、CoA等都含有AMP成分。

5.参与代谢调控。如鸟苷四磷酸等可抑制核糖体RNA的合成。又如反义RNA。

 

第三节  DNA的结构 

一、DNA的一级结构

1.定义

DNA是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸。它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序,即碱基序列。

2.结构

在DNA分子中,相邻核苷酸以3',5'-磷酸二酯键连接构成长链,前一个核苷酸的3'-羟基与后一个核苷酸的5'-磷酸结合。链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架,链的一端有自由的5'-磷酸基,称为5'端;另一端有自由3'-羟基,称为3'端。在DNA中,每个脱氧核糖连接着碱基,碱基的特定序列携带着遗传信息。

3.书写

书写DNA时,按从5'向3'方向从左向右进行,并在链端注明5'和3',如5'pApGpCpTOH3'。也可省略中间的磷酸,写成pAGCT。这是文字式缩写。还有线条式缩写,用竖线表示戊糖,1'在上,5'在下。

二、DNA的二级结构

(一)双螺旋结构的建立

DNA双螺旋结构的阐明,是本世纪最重大的自然科学成果之一。在40年代,人们已经发现脱水DNA的密度很高,X射线衍射表明DNA中有0.34nm和3.4nm的周期性结构。1950年,Chargaff通过对碱基的分析发现了互补配对规律:在任何DNA中,A=T,G=C,所以有A+G=T+C。

1953年Watson和Crick根据Wilkins的DNAX-射线衍射数据和碱基组成规律,建立了DNA的双螺旋结构模型,从而揭开了现代分子生物学的序幕。当年Watson只有24岁,在剑桥Cavendish实验室进修,他在美国时就认识到核酸的重要性,所以在大家都在研究蛋白质时致力于核酸研究,从而得到了划时代的成果。

Watson和Crick阐明的是B-DNA结晶的结构模型,与细胞内存在的DNA大体一致。近年来又发现,局部DNA还可以其他双螺旋或三螺旋的形式存在。

(二)B-DNA双螺旋结构的要点

1.基本结构

DNA双螺旋是由两条反向、平行、互补的DNA链构成的右手双螺旋。两条链的脱氧核糖磷酸骨架反向、平行地按右手螺旋走向,绕一个共同的轴盘旋在双螺旋的外侧,两条链的碱基一一对应互补配对,集中地平行排列在双螺旋的中央,碱基平面与轴垂直。DNA双螺旋中的两条链互为互补链。

2.基本数据

双螺旋外径2nm,螺距3.4nm,每10对碱基上升一圈。因此每对碱基距离0.34nm,夹角36度。

3. 作用力

有两种作用力稳定双螺旋的结构。在水平方向是配对碱基之间的氢键,A=T对形成两个氢键,GC对形成三个氢键。这些氢键是克服两条链间磷酸基团的斥力,使两条链互相结合的主要作用力。在垂直方向,是碱基对平面间的堆积力。堆积力是疏水力与范德华力的共同体现。氢键与堆积力两者本身都是一种协同性相互作用,两者之间也有协同作用。

4.大小沟

脱氧核糖磷酸骨架并未将碱基对完全包围起来,在双螺旋表面有两个与双螺旋走向一致的沟,一个较深较宽,称大沟;一个较窄较浅,称小沟。大沟一侧暴露出嘌呤的C6、N7和嘧啶的C4、C5及其取代基团;小沟一侧暴露出嘌呤的C2和嘧啶的C2及其取代基团。因此从两个沟可以辨认碱基对的结构特征,各种酶和蛋白因子可以识别DNA的特征序列。

5.修正

以上模型是DNA的平均特征,由于碱基序列的影响,在局部会有所差异。如两个核苷酸之间的夹角可以从28度到42度不等,互补配对的碱基之间有一定夹角,称为螺旋桨状扭曲。螺旋一圈含有10.4个碱基对。

(三)DNA的其他结构

DNA纤维在92%的相对湿度下可形成B-DNA。DNA钠盐、钾盐或钙盐在75%的相对湿度下可形成A型结构,它也是右手螺旋,但碱基略有倾斜(19度),螺距和骨架结构也稍有不同,每匝11个碱基对,短粗。其生物学意义在于它与双链RNA及DNA-RNA杂合体在溶液中的构象极其相似。由于2'-羟基的存在,RNA不易采取B型构象,所以在转录时,DNA要采取A型构象。一些有机溶剂和蛋白质可将B型DNA变成A型构象。

在66%相对湿度的DNA锂盐纤维中发现有C型结构。可以认为C型构象在浓盐溶液和乙二醇溶液中发生。此时堆积力降低,氢键结合能量相对增加。C型结构也是右手螺旋,存在于染色质和某些病毒中。此外还有D型及被称为T和P的两种亚稳态结构。富含A-T对的DNA区域有较大的结构多样性。

DNA还有左手螺旋,即Z-DNA。其骨架呈锯齿走向,在嘌呤与嘧啶交替排列的寡聚DNA中发现,也是反平行互补的双螺旋,每匝12个碱基对,螺旋细长。这说明DNA的碱基序列不仅储存遗传信息,也储存了自身高级结构的信息。Z-DNA作为特殊的结构标志,与基因表达的调控有关。

三、DNA的三级结构

(一)超螺旋

DNA的三级结构是指双螺旋的进一步扭曲。其基本形式是超螺旋,即螺旋的螺旋。三级结构决定于二级结构。B-DNA以每10个碱基一圈盘绕时能量最低,处于伸展状态;当盘绕过多或不足时,就会出现张力,形成超螺旋。盘绕过多时形成正(右手)超螺旋,不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的,所以只有双链闭合环状DNA和两端固定的线形DNA才能形成超螺旋,有切口的DNA不能形成超螺旋。无论是真核生物的双链线形DNA,还是原核生物的双链环形DNA,在体内都以负超螺旋的形式存在,密度一般为100-200bp一圈。DNA形成负超螺旋是结构与功能的需要。

(二)高级结构的动态变化

在细胞内DNA的高级结构是变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用,改变DNA的二级结构和三级结构,是生物功能的需要。DNA的复制、转录、重组、修复,都伴随着其高级结构的变化。在生物体内,改变高级结构有以下三种方法:

在解链酶的作用下,破坏碱基对间的氢键,使DNA局部解链成为单链区,以增加未解链的双链区的盘绕数,从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。

通过局部形成Z-DNA(左手)双螺旋,也可增加B-DNA部分的盘绕数,减少负超螺旋。

通过拓扑异构酶切断DNA的一条或两条链,在双螺旋张力的推动下,使断端绕互补链旋转,释放张力后再连接,可消除超螺旋,也可引入超螺旋。



第七章  维生素 

第一节  概  述

一、定义

维生素是机体必需的多种生物小分子营养物质。1894年荷兰人Ejkman用白米养鸡观察到脚气病现象,后来波兰人Funk从米糠中发现含氮化合物对此病颇有疗效,命名为vitamine,意为生命必须的胺。后来发现并非所有维生素都是胺,所以去掉词尾的e,成为Vitamin。

维生素有以下特点:

1.是一些结构各异的生物小分子;

2.需要量很少;

3.体内不能合成或合成量不足,必需直接或间接从食物中摄取;

4.主要功能是参与活性物质(酶或激素)的合成,没有供能和结构作用。水溶性维生素常作为辅酶前体,起载体作用,脂溶性维生素参与一些活性分子的构成,如VA构成视紫红质,VD构成调节钙磷代谢的激素。

二、分类

维生素的结构差异较大,一般按溶解性分为脂溶性和水溶性两大类。

脂溶性维生素 不溶于水,易溶于有机溶剂,在食物中与脂类共存,并随脂类一起吸收。不易排泄,容易在体内积存(主要在肝脏)。包括维生素A(A1,A2)、D(D2,D3)、E(α,β,γ,δ)、K(K1,K2,K3)等。

水溶性维生素 易溶于水,易吸收,能随尿排出,一般不在体内积存,容易缺乏。包括B族维生素和维生素C。

三、命名

维生素虽然是小分子,但结构较复杂,一般不用化学系统命名。早期按发现顺序及来源用字母和数字命名,如维生素A、维生素AB2等。同时还根据其功能命名为“抗…维生素”,如抗干眼病维生素(VA)、抗佝偻病维生素(VD)等。后来又根据其结构及功能命名,如视黄醇(VA1)、胆钙化醇(VD3)等。

四、人体获取维生素的途径

1.主要由食物直接提供 维生素在动植物组织中广泛存在,绝大多数维生素直接来源于食物。少量来自以下途径:

2.由肠道菌合成 人体肠道菌能合成某些维生素,如VK、VB12、吡哆醛、泛酸、生物素和叶酸等,可补充机体不足。长期服用抗菌药物,使肠道菌受到抑制,可引起VK等缺乏。

3.维生素原在体内转变 能在体内直接转变成维生素的物质称为维生素原。植物食品不含维生素A,但含类胡萝卜素,可在小肠壁和肝脏氧化转变成维生素A。所以类胡萝卜素被称为维生素A原。

4.体内部分合成 储存在皮下的7-脱氢胆固醇经紫外线照射,可转变成VD3。因此矿工要补照紫外线。人体还可利用色氨酸合成尼克酰胺,所以长期以玉米为主食的人由于色氨酸不足,容易发生糙皮病等尼克酰胺缺乏症。

五、有关疾病

机体对维生素的需要量极少,一般日需要量以毫克或微克计。维生素缺乏会引起代谢障碍,出现维生素缺乏症。过多也会干扰正常代谢,引起维生素过多症。因水溶性维生素容易排出,所以维生素过多症只见于脂溶性维生素,如长期摄入过量维生素A、D会中毒。

 

第二节 脂溶性维生素 

一、维生素A

维生素A又称抗干眼醇,有A1、A2两种,A1是视黄醇,A2是3-脱氢视黄醇,活性是前者的一半。肝脏是储存维生素A的场所。

植物中的类胡萝卜素是VA前体,一分子β胡萝卜素在一个氧化酶催化下加两分子水,断裂生成两分子VA1。这个过程在小肠粘膜内进行。类胡萝卜素还包括α、γ胡萝卜素、隐黄质、番茄红素、叶黄素等,前三种加水生成一分子VA1,后两种不生成VA1。

维生素A与暗视觉有关。维生素A在醇脱氢酶作用下转化为视黄醛,11-顺视黄醛与视蛋白上赖氨酸氨基结合构成视紫红质,视紫红质在光中分解成全反式视黄醛和视蛋白,在暗中再合成,形成一个视循环。维生素A缺乏可导致暗视觉障碍,即夜盲症。食用肝脏及绿色蔬菜可治疗。全反式视黄醛主要在肝脏中转变成11-顺视黄醛,所以中医认为“肝与目相通”。

维生素A的作用很多,但因缺乏维生素A的动物极易感染,所以研究很困难。已知缺乏维生素A时类固醇激素减少,因为其前体合成时有一步羟化反应需维生素A参加。另外缺乏维生素A时表皮黏膜细胞减少,角化细胞增加。有人认为是因为维生素A与细胞分裂分化有关,有人认为是因为维生素A与粘多糖、糖蛋白的合成有关,可作为单糖载体。维生素A还与转铁蛋白合成、免疫、抗氧化等有关。

维生素A过量摄取会引起中毒,可引发骨痛、肝脾肿大、恶心腹泻及鳞状皮炎等症状。大量食用北极熊肝或比目鱼肝可引起中毒。

二、维生素D

又称钙化醇,是类固醇衍生物,含环戊烷多氢菲结构。可直接摄取,也可由维生素D原经紫外线照射转化。植物油和酵母中的麦角固醇转化为D2(麦角钙化醇),动物皮下的7-脱氢胆固醇转化为D3(胆钙化醇)。

维生素D与动物骨骼钙化有关。钙化需要足够的钙和磷,其比例应在1:1到2:1之间,还要有维生素D的存在。

维生素D3先在肝脏羟化形成25-羟维生素D3,然后在肾再羟化生成1,25-(OH)2-D3。第二次羟化受到严格调控,平时只产生无活性的24位羟化产物,只有当血钙低时才有甲状旁腺素分泌,使1-羟化酶有活性。1,25-(OH)2-D3是肾皮质分泌的一种激素,作用于肠粘膜细胞和骨细胞,与受体结合后启动钙结合蛋白的合成,从而促进小肠对钙磷的吸收和骨内钙磷的动员和沉积。

食物中维生素D含量少,同时又缺乏紫外线照射的人易发生骨折。肝胆疾病、肾病、或某些药物也会抑制羟化。摄入过多也会引起中毒,发生迁移性钙化,导致肾、心、胰、子宫及滑膜粘蛋白钙化。高血钙也会导致肾结石,而骨骼却因钙被抽走而疏松软化。

三、维生素E

又称生育酚,含有一个6-羟色环和一个16烷侧链,共有8种其色环的取代基不同。α生育酚的活性最高。

存在于蔬菜、麦胚、植物油的非皂化部分,对动物的生育是必需的。缺乏时还会发生肌肉退化。生育酚极易氧化,是良好的脂溶性抗氧化剂。可清除自由基,保护不饱和脂肪酸和生物大分子,维持生物膜完好,延缓衰老。

维生素E很少缺乏,毒性也较低。早产儿缺乏会产生溶血性贫血,成人回导致红细胞寿命短,但不致贫血。

四、维生素K

天然维生素K有K1、K2两种,都由2-甲基-1,4-萘醌和萜类侧链构成。人工合成的K3无侧链。K1存在于绿叶蔬菜及动物肝脏中,K2由人体肠道细菌合成。

维生素K参与蛋白质谷氨酸残基的γ-羧化。凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ肽链中的谷氨酸残基在翻译后加工过程中,由蛋白羧化酶催化,成为γ-羧基谷氨酸(Gla)。这两个羧基可络合钙离子,对钙的输送和调节有重要意义。有关凝血因子与钙结合,并通过钙与磷脂结合形成复合物,发挥凝血功能。这些凝血因子称为维生素K依赖性凝血因子。

缺乏维生素K时常有出血倾向。新生儿、长期服用抗生素或吸收障碍可引起缺乏。

 

第三节 水溶性维生素 

一、硫胺素(VB1)

由一个取代的噻唑环和一个取代的嘧啶环组成,因噻唑环含硫,嘧啶环有氨基取代而得名。他就是Funk发现的vitamine。

硫胺素与ATP反应,生成其活性形式:硫胺素焦磷酸(TPP),即脱羧辅酶。其分子中氮和硫之间的碳原子性质活泼,易脱氢。生成的负碳离子有亲核催化作用。羧化辅酶作为酰基载体,是α酮酸脱羧酶的辅基,也是转酮醇酶的辅基,在糖代谢中起重要作用。缺乏硫胺素会导致糖代谢障碍,使血液中丙酮酸和乳酸含量增多,影响神经组织供能,产生脚气病。主要表现为肌肉虚弱、萎缩,小腿沉重、下肢水肿、心力衰竭等。可能是由于缺乏TPP而影响神经的能源与传导。

硫胺素在糙米、油菜、猪肝、鱼、瘦肉中含量丰富。但生鱼中含有破坏B1的酶,咖啡、可可、茶等饮料也含有破坏B1的因子。

二、核黄素(VB2)

核黄素是异咯嗪与核醇的缩合物,是黄素蛋白的辅基。它有两种活性形式,一种是黄素单核苷酸(FMN),一种是黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。这里把核黄素看作核苷,即把异咯嗪看作碱基,把核醇看作核糖。

异咯嗪的N1、N10能可逆地结合一对氢原子,所以可作为氧化还原载体,构成多种黄素蛋白的辅基,在三羧酸循环、氧化磷酸化、α酮酸脱羧、β氧化、氨基酸脱氨、嘌呤氧化等过程中起传递氢和电子的作用。

主要从食物中摄取,如谷类、黄豆、猪肝、肉、蛋、奶等,也可由肠道细菌合成。冬季北方缺少阳光,植物合成V-B2也少,常出现口角炎。缺乏V-B2还可引起唇炎、舌炎、贫血等。

三、泛酸(VB3)

也叫遍多酸,广泛存在,极少缺乏。由一分子β丙氨酸与一分子羧酸缩合而成。

泛酸可构成辅酶A,是酰基转移酶的辅酶。也可构成酰基载体蛋白(CAP),是脂肪酸合成酶复合体的成分。

四、吡哆素(VB6)

包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺3种,可互相转化。吡哆素是吡啶衍生物,活性形式是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,是转氨酶、氨基酸脱羧酶的辅酶。磷酸吡哆醛的醛基作为底物氨基酸的结合部位,醛基的邻近羟基和对位氮原子还参与催化部位的构成。在转氨反应中,磷酸吡哆醛结合氨基酸,释放出相应的α酮酸,转变为磷酸吡哆胺,再结合α酮酸释放氨基酸,又变成磷酸吡哆醛。

缺乏V-B6可引起周边神经病变及高铁红细胞贫血症。因为5-羟色胺、γ-氨基丁酸、去甲肾上腺素等神经递质的合成都需要V-B6(氨基酸脱羧反应),而血红素前体的合成也需要V-B6。肉、蛋、蔬菜、谷类中含量较多。新生婴儿易缺乏。

五、尼克酰胺(VPP)

尼克酰胺和尼克酸分别是吡啶酰胺和吡啶羧酸,都是抗糙皮病因子,又称VPP。其活性形式有两种,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。在体内先合成去酰胺NAD,再接受谷氨酰胺提供的氨基成为NAD,再磷酸化则成为NADP。

NAD和NADP是脱氢辅酶,分别称为辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ。二者利用吡啶环的N1和N4可逆携带一个电子和一个氢原子,参与氧化还原反应。辅酶Ⅰ在分解代谢中广泛接受还原能力,最终传给呼吸链放出能量。辅酶Ⅱ则只从葡萄糖及葡萄糖酸的磷酸酯获得还原能力,用于还原性合成及羟化反应。需要尼克酰胺的酶多达百余种。

人体能用色氨酸合成尼克酸,但合成率极低(60:1),而且需要B1、B2、B6,所以仍需摄取。抗结核药异烟肼的结构与尼克酰胺类似,两者有拮抗作用,长期服用异烟肼时应注意补充尼克酰胺。花生、豆类、肉类和酵母中含量较高。

尼克酸或烟酸肌醇有舒张血管的作用,可用于冠心病等,但可降低cAMP水平,使血糖及尿酸升高,有诱发糖尿病及痛风的风险。长期使用大量尼克酸可能损害肝脏。

六、生物素(biotin)

由杂环与戊酸侧链构成,又称维生素H,缺乏可引起皮炎。在生鸡蛋清中有抗生物素蛋白(avidin),能与生物素紧密结合,使其失去活性。

生物素侧链羧基可通过酰胺键与酶的赖氨酸残基相连。生物素是羧基载体,其N1可在耗能的情况下被二氧化碳羧化,再提供给受体,使之羧化。如丙酮酸羧化为草酰乙酸、乙酰辅酶A羧化为丙二酰辅酶A等都由依赖生物素的羧化酶催化。

花生、蛋类、巧克力含量最高。

以上六种维生素都与能量代谢有关。下面两种维生素与生血有关。

七、叶酸(folic acid,FA)

又称维生素M,由蝶酸与谷氨酸构成。活性形式是四氢叶酸(FH4),即蝶呤环被部分还原。四氢叶酸是多种一碳单位的载体,分子中的N5,N10可单独结合甲基、甲酰基、亚氨甲基,共同结合甲烯基和甲炔基。因此在嘌呤、嘧啶、胆碱和某些氨基酸(Met、Gly、Ser)的合成中起重要作用。缺乏叶酸则核酸合成障碍,快速分裂的细胞易受影响,可导致巨红细胞贫血(巨大而极易破碎)。

叶酸容易缺乏,特别是孕妇。叶酸分布广泛,肉类中含量丰富。苯巴比妥及口服避孕药等药物干扰叶酸吸收与代谢。

八、钴胺素(VB12)

是一个抗恶性贫血的维生素,存在于肝脏。分子中含钴和咕啉。咕啉类似卟啉,第六个配位可结合其他集团,产生各种钴胺素,包括与氢结合的氢钴胺素、与甲基结合的甲基钴胺素、与5'-脱氧腺苷结合的辅酶B12等。

一些依赖辅酶B12的酶类催化1,2迁移分子重排反应,即相邻碳原子上氢原子与某一基团的易位反应。例如在丙酸代谢中,催化甲基丙二酰辅酶A转变为琥珀酰辅酶A的变位酶就以辅酶B12为辅助因子。

甲基钴胺素可作为甲基载体,接受甲基四氢叶酸提供的甲基,用于合成甲硫氨酸。甲硫氨酸可作为通用甲基供体,参与多种分子的甲基化反应。因为甲基四氢叶酸只能通过这个反应放出甲基,所以缺乏钴胺素时叶酸代谢障碍,积累甲基四氢叶酸。缺乏钴胺素可导致巨红细胞贫血。

胃粘膜能分泌一种粘蛋白,可与V-B12结合,促进吸收,称为内因子。缺乏内因子时易被肠内细菌及寄生虫夺去,造成缺乏。素食者也易缺乏。

九、抗坏血酸(V-C)

是烯醇式L-古洛糖酸内酯,有较强的酸性。容易氧化,是强力抗氧化剂,也可作为氧化还原载体。

抗坏血酸还参与氨基酸的羟化。胶原中脯氨酸和赖氨酸的羟化都需要抗坏血酸作为酶的辅因子。缺乏抗坏血酸会影响胶原合成及结缔组织功能,使毛细血管脆性增高,发生坏血病。

肾上腺皮质激素的合成也需要V-C参加羟化。V-C可还原铁,促进其吸收;保护A、E及某些B族维生素免遭氧化。

 

第四节 其他辅酶

五、辅酶Q

又称泛醌,广泛存在于线粒体中,与细胞呼吸链有关。泛醌起传递氢的作用。

六、硫辛酸

是酵母和一些微生物的生长因子,可以传递氢。有氧化型和还原型。



第八章  抗生素 

 

第一节 概述

一、发现

一类微生物抑制或杀死其他种类微生物的作用称为拮抗作用。拮抗作用是微生物界的普遍现象,早在微生物发现之前,人们已经利用拮抗作用治病,如我国人利用豆腐上的霉治疗疮,美洲人用发霉的面包治疗伤口化脓等。

随着微生物学的发展,人们认识到了拮抗作用的本质,开始有意识地研究。本世纪初,已经分离出多种抗生素,但其效率不高,毒性较大,没有实用价值。1929年,英国人Flemming在培养葡萄球菌时,发现从空气中落到培养基上的一种青霉菌能抑制其周围的葡萄球菌生长。他进一步研究发现青霉菌分泌一种抗菌物质,能抑制葡萄球菌生长,于是把它命名为青霉素。他没有进行动物试验,青霉素也没有用于临床。直到1940年,牛津大学研究小组提出“青霉素是一种化学治疗剂”,才将它应用于临床。同年,瓦克斯曼发现链霉素,抗生素时代开始,陆续发现了许多抗生素,成功地治疗了肺炎、结核等传染病,使人类寿命显著提高。此后三十年间,发现的抗生素有数千种,有上百种被广泛应用,抗生素已经成为一个独立的工业部门。

二、概念

抗生素是能以低浓度抑制或影响活的机体生命过程的次级代谢产物及其衍生物。

抗生素的概念是不断扩大的,最初只包括对微生物的作用,现在已经有抗肿瘤、抗真菌、抗病毒、抗原虫、抗寄生虫以及杀虫、除草的抗生素。近年来把来源于微生物的酶抑制剂也包括在抗生素中,总数已超过9000种。

三、作用机理

(一)作用特点

1.选择性作用 一种抗生素只对一定种类的微生物有作用,即抗菌谱。青霉素一般只对革兰氏阳性菌有作用,多粘菌素只对革兰氏阴性菌有作用,它们的抗菌谱较窄。氯霉素、四环素等对多种细菌及某些病毒都有抑制作用,称为广谱抗生素。

2.选择性毒力 抗生素对人和动物的毒力远小于对病菌的毒力,称为选择性毒力。通常抗生素可在极低浓度下有选择地抑制或杀死微生物。选择性毒力是化学治疗的基础。

3.耐药性 细菌在抗生素的作用下,大批敏感菌被抑制或杀死,但也有少数菌株会调整或改变代谢途径,变成不敏感菌,产生耐药性。

A.机理:

a.酶促破坏:如β-内酰胺酶(青霉素酶)使青霉素水解,氨基环醇类抗生素常被钝化,如磷酸化、酰苷酰化、N-乙酰化等。

b.细菌改变敏感部位:链霉素通过与30S亚基结合而抑制蛋白质合成,某些细菌小亚基上的蛋白发生突变,不与链霉素结合,产生耐药性。

c.降低细胞膜的通透性:细菌可以合成抗生素透过的阻碍物,可以发生突变使抗生素不被转运,也可以产生将抗生素运出体外的拮抗系统。

B.产生与传播:耐药性的产生是由于突变造成的,抗生素的作用是将未突变的微生物杀死,从而使突变体被选择出来。有些耐药性基因位于抗性质粒上,可以通过细菌的接合而传播。

C.对策:除寻找新的抗生素以外,在临床上应该合理使用抗生素,避免滥用,防止耐药菌的产生。也可通过耐药机理的研究寻找对策,如用抑制剂抑制青霉素酶。

(二)作用机理

1.抑制核酸的合成 有些抗生素可抑制核酸的合成,其抑制机理是多种多样的。例如,博莱霉素可引起DNA链的断裂;丝裂霉素C能与DNA形成交联,抑制DNA的复制;利福霉素则通过与细菌RNA聚合酶的结合来抑制转录反应。

2.抑制蛋白质的合成 蛋白质的合成十分复杂,因此抑制的作用点也很多。

(1)抑制氨基酸的活化。例如,吲哚霉素是色氨酸的类似物。

(2)抑制蛋白质合成的起始。如氨基环醇类抗生素。链霉素与小亚基结合。

(3)抑制肽链的延伸。如四环素,封闭小亚基的氨酰位点。氯霉素主要是与细菌核糖体的50S亚基结合而抑制肽酰基转移反应。

(4)使翻译提前终止。如嘌呤霉素。

3.改变细胞膜的通透性 多肽抗生素如多粘菌素E、短杆菌素S等具有表面活性剂的作用,能降低细菌细胞膜的表面张力,改变膜的通透性,甚至破坏膜的结构。这样细胞内物质外泄,使细菌死亡。

4.干扰细胞壁的形成 青霉素、头孢菌素等可干扰细胞壁的形成,使细菌变形,甚至破裂、死亡。

5.干扰细菌的能量代谢。如抗霉素A、寡霉素等,是氧化磷酸化的抑制剂。

四、来源

(一)微生物来源

抗生素的来源广泛,但最主要的是微生物,特别是土壤微生物,占70%左右。有应用价值的抗生素几乎都是微生物产生的。

1.放线菌目 是抗生素的主要来源,已知的抗生素中有45%是放线菌产生的。其中主要集中在链霉菌属,其次是小单孢菌属和诺卡氏菌属。此外,近年来有许多新抗生素来源于这三个属以外,即所谓稀有放线菌属。链霉菌属发现最早,研究最多,常见的链霉素、土霉素、四环素等都来自链霉菌属。

2.细菌 对细菌的研究比放线菌长,但一直因为毒性较大而应用不多。芽孢杆菌属的多粘芽孢杆菌和枯草杆菌,假单孢菌属的绿脓杆菌和肠道细菌是主要来源。芽孢杆菌产生的多数是肽类,如多粘菌素和短杆菌肽等。其中多粘菌素类是重要的抗革兰氏阴性细菌的抗生素之一。这些抗生素肾毒性较大,主要作为局部用药。

3.真菌 主要来自不完全菌纲曲霉菌科的青霉属和曲霉属,以β内酰胺类为主。

(二)非微生物来源

植物中,长春花碱等用于抗肿瘤,从卫矛科植物中提取出的美登素对有丝分裂有显著的抑制作用。

近年来,人们开始从海洋生物中寻找抗生素。从海绵动物门中得到了多种新颖独特的抗微生物、抗肿瘤、抗病毒的化合物,如具有抗病毒作用的核苷类化合物等。

此外,化学诱变、基因工程技术等技术已经用于菌种改良,半合成抗生素已经大规模生产。

 

第二节  重要抗生素简介

一、β-内酰胺类抗生素

主要包括青霉素和头孢菌素两大类。有天然的和半合成的两类,都有一个β内酰胺环。可通过抑制转肽酶干扰细胞壁的合成。主要抗革兰氏阳性菌,但有些经过改造的可抗阴性菌。青霉素的使用使人类寿命出现第二次飞跃(牛痘为第一次),提高了20岁。1980年全世界抗生素总产量为25000吨,其中青霉素17000吨,头孢1200吨。下面简单介绍青霉素的一些特点。

1.结构 由母核与侧链构成,侧链决定其特异性。母核包括β内酰胺环和四氢噻唑环。

2.理化性质 是一元酸,可成盐。其盐易溶于水,酸易溶于有机溶剂。医药上常用钾盐和钠盐,为白色结晶或粉末。水溶液不稳定,极易失效。不耐热,一般冰箱保存。其盐的结晶纯品干燥时可室温保存数年。

酸、碱、重金属及青霉素酶可使其β内酰胺环破裂,导致失效。青霉素酰化酶可使其侧链裂解下来,得到6-氨基青霉烷酸(6-APA)。它是青霉素半合成的母核,在上面再连接其他侧链,即可得到不同的青霉素。

3.改造 对青霉素的改造主要有三种方法:改造母核、更换侧链、与其他物质结合(通过羧基成盐)。

更换侧链有生物合成法和半合成法,前者是在发酵液中加入各种侧链前体,后者是在母核上人工连接各种侧链。半合成以前多采用化学法,由于三废污染较大,现在采用酶促合成,用大肠杆菌或巨大芽孢杆菌的青霉素G酰化酶裂解廉价的青霉素G,再用黑色假单孢杆菌的青霉素酰化酶催化苯甘氨酸与母核的缩合,即可得到广谱的氨苄青霉素。因为第二步的酶不催化苯乙酸的缩合,所以第一步反应后不必分离,可直接进行缩合反应。

羧基上的改造,主要是与钾、钠、铵或某些有机碱成盐。钾盐和钠盐易溶于水,适于肌肉或静脉注射,作用快;普鲁卡因青霉素复盐难溶,肌注可起缓释作用,延长其在血液中的持久性。

母核的改造,除直接重排噻唑环外,还可用其他结构相似的母核。

头孢菌素与青霉素相似,其母核为7-氨基头孢烷酸(7-ACA),含有二氢噻嗪环。头孢菌素较耐酸和重金属,毒性低,但天然头孢活性较低,常用半合成进行改造。

二、多肽类抗生素

绝大多数肽类抗生素是由细菌或放线菌产生的,特别是芽孢杆菌属,能极为专一地产生肽类抗生素。菌株往往合成一系列很相似的抗生素,相互只差几个氨基酸。

肽类抗生素只有一小部分呈线状,其余都是大的环状化合物,称为环状肽。有些完全由氨基酸以肽键构成,称为纯肽;有些含有非氨基酸成分,称为杂肽。

与其他肽或蛋白质相比,肽类抗生素有以下特点:

1.常出现特殊氨基酸,而某些普通氨基酸(组氨酸、甲硫氨酸等)却很少见。常有D-氨基酸、β-氨基酸、不饱和的、N-甲基化的、带有复杂杂环的氨基酸。

2.常有非氨基酸成分,如脂肪酸、脂肪胺、羟基酸、糖、杂环和金属等。

3.有特殊结构,如4-16个残基组成的大环、大环上附加的小环等,却没有游离的氨基和羧基。

4.分子量小,在300-3000之间,平均1000。

5.彼此之间非常相似。

6.能抵御酶的进攻。

7.不是由核糖体合成,而是由特殊的酶合成。

博莱霉素是线状肽中研究较多,有临床价值的代表。它是碱性水溶性糖肽复合物,起抗癌作用。优点是对骨髓细胞无毒,无免疫原性。缺点是抗癌谱窄(鳞状细胞癌、恶性淋巴肉瘤),肺毒性较大。经多种改造,可降低毒性及扩大抗癌谱。它有选择地与DNA结合,从而抑制有丝分裂,使DNA双链结构不稳定,并引起单链断裂。它还抑制DNA连接酶的作用,促进DNA酶的活性,并进行DNA的降解。

多粘菌素是环状肽的代表,含脂肪酸。碱性,抗革兰氏阴性菌,不诱导细菌耐药性的发展。各种组分抗菌谱几乎无差别。有轻微毒性,主要是肾毒性和神经毒性。多粘菌素B和E毒性较低,首先应用。主要机制是引起细菌细胞膜损伤,使胞内物质泄漏。

三、氨基环醇类

含有环己醇及氨基糖,又称氨基糖苷类。抗菌能力强,作用广泛,临床上用于治疗细菌感染。链霉素、卡那霉素等都属于此类。可影响核糖体与信使RNA及转运RNA的结合,使蛋白质合成停止。

极性强,易溶于水。一般呈碱性,可成盐。无色,有旋光性。通常对热、稀酸、稀碱稳定。抗菌谱较广,细菌能产生抗药性主要原因是产生钝化酶,如乙酰转移酶、磷酸转移酶、核苷酸转移酶等,将药物酰化、磷酸化等。有交叉耐药现象,即一种酶抑制多种药物。

对肾脏及听觉有害,有累积性,长期使用可引起耳聋。毒性与氨基有关,氨基越多,毒性越大。

四、安莎霉素类

含安莎桥链结构,即以一个脂肪链连接芳香核的两个不相邻位置。根据芳香核的不同,可分为苯安莎霉素和萘安莎霉素。前者如有极高抗白血病活性的美登素,后者主要有抗结核的利福霉素。利福霉素作用于细菌的RNA多聚酶,对动物酶几乎无作用。美登素可抑制微管形成,从而抑制真核细胞有丝分裂。



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