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第二篇 新陈代谢：途径和能学1

第15章 新陈代谢总论1

一、新陈代谢的基本概念和原理1

（一）新陈代谢包括合成代谢和分解代谢1

（二）代谢反应受自由能驱动2

（三）核苷酸衍生物是能量和活性基团的载体2

（四）代谢的基本要略在于形成ATP、还原力和构造元件用于生物合成2

（五）代谢在分子、细胞和整体三个水平上调节2

二、新陈代谢的主要反应机制3

（一）基团转移反应4

（二）氧化还原反应6

（三）消除、异构化及重排反应7

（四）碳-碳键的形成与断裂反应8

（五）自由基反应10

三、新陈代谢的研究方法11

（一）利用酶的抑制剂研究代谢途径11

（二）利用遗传缺陷症研究代谢途径11

（三）同位素示踪法12

（四）核磁共振波谱法13

（五）色谱-质谱联用法16

提要18

习题19

主要参考书目19

第16章 生物能学20

一、生物能学与热力学20

（一）系统（体系）、性质、状态和过程20

（二）热、功和内能21

（三）热力学第一定律和焓22

（四）热化学22

（五）热力学第二定律和熵23

（六）Gibbs自由能27

二、化学反应中自由能的变化和意义28

（一）化学反应的自由能变化和标准生成自由能28

（二）标准自由能变化和化学平衡的关系30

（三）实际自由能变化决定于反应物和产物的浓度31

（四）偶联反应的标准自由能变化具有可加性32

三、ATP与磷酰基转移34

（一）ATP水解的自由能变化是大的负值34

（二）细胞中影响ATP水解自由能变化的因素35

（三）其他磷酸化合物和硫酯也有大量的水解自由能36

（四）ATP是通过基团转移而不是简单水解提供能量的38

（五）ATP水解生成磷酰基、焦磷酰基和腺苷酰基40

（六）ATP为信息大分子组装、主动运输和肌肉收缩供能41

（七）核苷酸之间的转磷酸作用在所有类型细胞中存在42

（八）无机多磷酸是潜在的磷酰基供体43

（九）ATP系统的动态平衡44

提要45

习题46

主要参考书目47

第17章 六碳糖的分解和糖酵解作用49

一、糖酵解作用的研究历史49

二、糖酵解过程概述51

三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解52

四、糖酵解第一阶段的反应机制52

（一）葡萄糖的磷酸化53

（二）6-磷酸葡糖异构化形成6-磷酸果糖55

（三）6-磷酸果糖形成1，6-二磷酸果糖56

（四）1，6-二磷酸果糖转变为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮57

（五）磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛58

五、酵解第二阶段——放能阶段的反应机制60

（一）3-磷酸甘油醛氧化成1，3-二磷酸甘油酸60

（二）1，3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团形成ATP62

（三）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸63

（四）2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸64

（五）磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸并产生一个ATP分子65

六、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算65

七、丙酮酸的去路66

（一）生成乳酸66

（二）生成乙醇67

八、糖酵解作用的调节69

（一）磷酸果糖激酶是关键酶69

（二）2，6-二磷酸果糖对酵解的调节作用70

（三）己糖激酶和丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用71

（四）丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用71

（五）5-磷酸木酮糖对糖代谢调节作用72

（六）癌组织中糖代谢紊乱72

九、其他六碳糖进入糖酵解途径72

（一）果糖73

（二）半乳糖74

（三）甘露糖76

提要76

习题77

主要参考书目77

第18章 柠檬酸循环79

一、丙酮酸转化成乙酰辅酶A的过程79

二、柠檬酸循环82

三、柠檬酸循环的化学总结算87

四、柠檬酸循环的调控88

五、柠檬酸循环在代谢中的双重角色89

六、乙醛酸途径90

提要92

习题92

主要参考书目93

第19章 氧化磷酸化作用94

一、氧化还原电势94

（一）氧化还原电势94

（二）生物体中某些重要氧还电对的氧化还原电势97

（三）标准还原电势差和自由能变化的关系98

（四）标准电动势和平衡常数的关系98

二、电子传递和氧化呼吸链99

（一）电子传递过程的总体自由能释放99

（二）呼吸链概念的建立100

（三）电子传递链100

（四）电子传递链详情101

（五）电子传递的抑制剂108

三、氧化磷酸化作用109

（一）线粒体的结构109

（二）氧化磷酸化作用机制110

（三）质子梯度的形成112

（四）ATP合成机制113

（五）氧化磷酸化的解偶联和抑制116

（六）细胞溶胶内的NADH的再氧化118

（七）氧化磷酸化的调控119

（八）一个葡萄糖分子彻底氧化产生ATP分子数的总结算121

（九）氧的不完全还原121

提要123

习题125

主要参考书目125

第20章 戊糖磷酸途径127

一、戊糖磷酸途径的发现127

二、戊糖磷酸途径的主要反应127

三、戊糖磷酸途径反应速率的调控132

四、戊糖磷酸途径的生物学意义133

提要134

习题134

主要参考书目135

第21章 糖异生和糖的其他代谢途径136

一、糖异生作用136

（一）糖异生作用的途径136

（二）糖异生途径总览139

（三）由丙酮酸形成葡萄糖的能量消耗及意义139

（四）糖异生作用的调节140

（五）乳酸的再利用和可立氏循环141

二、葡萄糖的转运141

三、乙醛酸途径142

四、寡糖类的生物合成和分解142

（一）概论142

（二）乳糖的生物合成和分解144

（三）糖蛋白的生物合成147

（四）糖蛋白糖链的分解代谢155

提要155

习题156

主要参考书目156

第22章 糖原的分解和生物合成158

一、糖原的生物学意义158

二、糖原的降解158

（一）糖原磷酸化酶159

（二）糖原脱支酶162

（三）磷酸葡糖变位酶的作用163

（四）6-磷酸葡糖磷酸酶164

三、糖原的生物合成165

（一）糖原生物合成的研究经历了缓慢的历程165

（二）催化糖原合成的三种酶166

四、糖原代谢的调控168

（一）糖原磷酸化酶的调节机制169

（二）糖原合酶的调节机制171

（三）G蛋白及其对激素信号的传递作用172

（四）糖原累积症172

提要173

习题174

主要参考书目174

第23章 光合作用175

一、光合作用的概况175

（一）日光是地球上所有生物能的最终来源175

（二）光合作用的发现175

（三）光合作用的场所——叶绿体176

（四）光合作用的总过程177

（五）光合作用所需的光是可见光179

二、叶绿素的光反应性：光吸收180

（一）叶绿素吸收光能供光合作用之需180

（二）辅助集光色素扩展光吸收的范围181

（三）叶绿素分子在膜上被组织成光合单位182

（四）叶绿素通过共振（或激子）传递把吸收来的能量汇集到反应中心183

三、光驱动的电子流：中心光化学事件184

（一）光合细菌只有两种类型反应中心中的一种184

（二）热力学和动力学的因素防止内转换引起的能量散失188

（三）生氧光合生物同时具有两种类型的反应中心188

（四）生氧光合生物反应中心的分子构造190

（五）生氧光合细胞中PSⅡ和PSⅠ以串联方式起作用191

（六）细胞色素b6f复合体连接PSⅡ和PSⅠ193

（七）水被放氧复合体光解194

（八）PSⅠ和PSⅡ在类囊体膜上的定位195

四、光驱动的ATP合成：光合磷酸化196

（一）质子梯度把电子流和磷酸化偶联起来196

（二）光合磷酸化的机制——化学渗透196

（三）循环和非循环光合磷酸化197

（四）叶绿体的ATP合酶与线粒体的相似198

（五）盐细菌的光合磷酸化198

（六）光合作用中能量的利用效率199

五、暗反应：CO2固定199

（一）CO2固定与核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶199

（二）经过Calvin循环CO2固定为糖201

（三）Calvin循环反应可以分为3个阶段203

（四）Calvin循环中4种酶受光的间接激活206

六、光呼吸和C4途径207

（一）光呼吸是rubisco加氧酶活性引起的207

（二）在C4植物中CO2固定和rubisco活性是分开的208

（三）CAM植物中CO2吸收和rubisco作用是暂时被分开的211

提要211

习题212

主要参考书目213

第24章 脂质的代谢214

一、三酰甘油的消化、吸收和转运214

二、脂肪酸的氧化216

（一）脂肪酸的活化216

（二）脂肪酸转入线粒体216

（三）β氧化218

（四）脂肪酸氧化是高度的放能过程223

三、不饱和脂肪酸的氧化223

（一）不饱和脂肪酸的氧化223

（二）奇数碳原子脂肪酸的氧化生成丙酰-CoA225

（三）过氧化物酶体中脂肪酸的β氧化226

（四）脂肪酸还可发生α或ω氧化227

（五）脂肪酸β氧化酶的进化227

四、酮体228

（一）乙酰-CoA的代谢结局228

（二）肝中酮体的形成228

（三）肝外组织使用酮体作为燃料229

五、脂肪酸代谢的调节229

（一）脂肪酸进入线粒体的调控230

（二）心脏中脂肪酸氧化的调节230

（三）激素对脂肪酸代谢的调节230

（四）根据机体代谢需要的调控231

（五）长时间膳食的改变导致相关酶水平的调整231

六、脂质的生物合成231

（一）贮存脂肪231

（二）脂肪酸的生物合成232

（三）脂酰甘油的生物合成242

（四）磷脂类的生物合成243

（五）鞘磷脂和鞘糖脂的生物生成250

（六）类二十烷酸的生物合成253

（七）胆固醇的生物合成258

（八）胆固醇转化产物的生物合成266

提要272

习题274

主要参考书目274

第25章 蛋白质降解和氨基酸的分解代谢276

一、蛋白质的降解276

（一）蛋白质降解的特性276

（二）蛋白质降解的反应机制277

（三）机体对外源蛋白质的需要及其消化作用278

二、氨基酸分解代谢279

（一）氨基酸的脱氨基作用280

（二）氧化脱氨基作用：谷氨酸脱氢酶283

（三）其他的脱氨基作用284

（四）联合脱氨作用284

（五）氨基酸的脱羧基作用284

（六）氨的命运286

三、尿素的形成288

（一）尿素循环的发现288

（二）尿素循环289

（三）尿素循环的调节290

四、氨基酸碳骨架的氧化途径291

（一）形成乙酰-CoA的途径292

（二）α-酮戊二酸途径297

（三）形成琥珀酰-CoA的途径303

（四）形成延胡索酸途径303

（五）形成草酰乙酸途径306

五、生糖氨基酸和生酮氨基酸306

六、由氨基酸衍生的其他重要物质306

（一）氨基酸与一碳单位306

（二）氨基酸与生物活性物质309

七、氨基酸代谢缺陷症314

提要315

习题316

主要参考书目317

第26章 氨基酸的生物合成和生物固氮318

一、生物固氮318

二、氨的同化作用——氨通过谷氨酸和谷氨酰胺掺入生物分子319

三、氨基酸的生物合成320

（一）由α-酮戊二酸形成的氨基酸——谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸、赖氨酸321

（二）由草酰乙酸形成的氨基酸——天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、苏氨酸、赖氨酸（细菌、植物）、异亮氨酸325

（三）丙酮酸族的生物合成：L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸331

（四）丝氨酸族的生物合成：L-丝氨酸、L-甘氨酸、L-半胱氨酸的生物合成及固硫作用333

（五）芳香族氨基酸及组氨酸的生物合成335

四、氨基酸生物合成的调节340

（一）通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制340

（二）通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成342

五、氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物342

（一）氧化氮的形成343

（二）谷胱甘肽343

（三）肌酸的生物合成345

（四）卟啉、血红素的生物合成345

（五）短杆菌肽S352

（六）D-氨基酸的形成354

提要354

习题354

主要参考书目355

第27章 核酸的降解和核苷酸代谢356

一、核酸和核苷酸的分解代谢356

（一）核酸的降解356

（二）核苷酸的分解357

（三）嘌呤碱的分解357

（四）嘧啶碱的分解358

二、核苷酸的生物合成359

（一）嘌呤核糖核苷酸的合成359

（二）嘧啶核糖核苷酸的合成366

（三）核苷—磷酸转变为核苷三磷酸368

（四）脱氧核糖核苷酸的合成368

三、辅酶核苷酸的生物合成373

（一）烟酰胺核苷酸的合成373

（二）黄素核苷酸的合成374

（三）辅酶A的合成374

提要375

习题375

主要参考书目376

第28章 新陈代谢的调节控制377

一、细胞代谢调节控制的基本原理377

（一）代谢途径相互联系形成网络377

（二）代谢保持动力学的稳态378

（三）代谢调节点常是远离平衡的反应379

（四）代谢控制分析379

（五）代谢的协同调节380

二、酶活性和酶量的调节383

（一）酶活性的变构调节：前馈和反馈384

（二）产能反应与需能反应的调节384

（三）酶活性的特异激活和抑制385

（四）酶原激活、共价修饰和级联反应386

（五）酶量的调节387

三、细胞对代谢途径的分隔与控制388

（一）细胞结构和酶的区域化分布388

（二）细胞膜结构对代谢的调节389

（三）信号途径对代谢的调节390

四、机体在整体水平上对细胞代谢的调节控制391

（一）激素和递质对代谢的调节391

（二）神经对代谢的调节394

（三）各器官间代谢的协调396

五、代谢紊乱造成疾病397

（一）糖尿病与胰岛素397

（二）肥胖病与脂代谢紊乱398

（三）长期禁食和饥饿造成的代谢紊乱398

提要399

习题401

主要参考书目402

第三篇 遗传信息：传递和表达403

第29章 基因和染色体403

一、基因概念的演变404

（一）孟德尔的遗传因子假说404

（二）摩尔根的基因学说和染色体理论405

（三）基因是编码多肽链和RNA的一段DNA406

二、基因和基因组的结构407

（一）原核生物的基因和基因组结构407

（二）真核生物的基因和基因组结构408

三、染色体的结构409

（一）染色体不同层次的结构409

（二）细菌拟核的结构410

（三）真核生物染色体的结构411

四、染色质重塑414

（一）组蛋白变异和修饰415

（二）DNA的修饰417

（三）染色质重塑和基因表达调节419

五、基因的进化419

（一）进化热力学和动力学420

（二）生命的起源：化学进化和“RNA世界”学说420

（三）生物的进化：驱动力、多样性和适应性423

（四）基因和基因组的进化425

（五）表观遗传对生物进化的作用426

提要426

习题428

主要参考书目429

第30章 DNA的复制和修复430

一、DNA的复制430

（一）DNA的半保留复制430

（二）DNA的复制起点和复制方式432

（三）DNA聚合反应和有关的酶435

（四）DNA的半不连续复制439

（五）DNA复制的拓扑性质440

（六）DNA的复制过程442

（七）真核生物DNA的复制445

二、DNA的损伤修复449

（一）错配修复449

（二）直接修复449

（三）切除修复450

（四）重组修复451

（五）应急反应和易错修复452

三、DNA的突变453

（一）突变的类型453

（二）诱变剂的作用454

（三）诱变剂和致癌剂的检测455

提要456

习题457

主要参考书目458

第31章 DNA的重组459

一、同源重组459

（一）Holliday模型459

（二）细菌的基因转移与重组460

（三）重组有关的酶462

二、特异位点重组463

（一）λ噬菌体DNA的整合与切除464

（二）细菌的特异位点重组465

（三）免疫球蛋白基因的重排465

三、转座重组468

（一）细菌的转座因子468

（二）真核生物的转座因子471

提要472

习题474

主要参考书目474

第32章 RNA的生物合成和加工475

一、DNA指导下RNA的合成475

（一）DNA指导的RNA聚合酶475

（二）启动子和转录因子479

（三）链的延伸和延伸因子483

（四）终止子和终止因子484

（五）转录的调节控制485

（六）RNA生物合成的抑制剂486

二、RNA的转录后加工488

（一）原核生物中RNA的加工488

（二）真核生物中RNA的一般加工490

（三）RNA的剪接、编辑和再编码493

（四）RNA生物功能的多样性504

（五）RNA的降解505

三、RNA指导下RNA和DNA的合成505

（一）RNA的复制505

（二）RNA的逆转录508

（三）逆转座子的种类和作用机制513

提要514

习题516

主要参考书目516

第33章 蛋白质合成、加工和定位518

一、遗传密码518

（一）遗传密码的破译518

（二）遗传密码的基本性质521

（三）RNA对遗传密码的解读524

二、蛋白质合成有关RNA和装置526

（一）核糖体526

（二）转移RNA和氨酰-tRNA合成酶529

（三）信使RNA531

三、蛋白质合成的步骤533

（一）氨酰-tRNA的合成533

（二）多肽链合成的起始535

（三）多肽链合成的延伸536

（四）多肽链合成的终止539

（五）多肽链的折叠、加工和修饰540

四、蛋白质合成的忠实性542

（一）蛋白质合成忠实性需要消耗能量542

（二）合成酶的校对功能提高了忠实性543

（三）核糖体对忠实性的影响543

五、蛋白质的定位543

（一）蛋白质的信号肽和跨膜运输544

（二）糖基化在蛋白质定位中的作用546

（三）线粒体和叶绿体蛋白质的定位546

（四）核蛋白质的定位547

六、蛋白质合成的抑制物549

提要550

习题551

主要参考书目552

第34章 基因表达调节553

一、基因表达调节的基本原理553

（一）基因表达不同水平上的调节553

（二）反式作用因子和顺式作用元件的调节553

（三）正调节和负调节554

（四）调节蛋白具有结合DNA的结构域554

（五）调节蛋白具有蛋白质-蛋白质相互作用结构域555

二、原核生物基因表达调节556

（一）细菌功能相关的基因组成操纵子556

（二）细菌的降解物阻遏557

（三）合成途径操纵子的衰减作用558

（四）核糖体蛋白与rRNA的协同合成559

（五）mRNA翻译的调节和小RNA的调节作用560

三、真核生物基因表达调节563

（一）转录前水平的调节564

（二）转录水平的调节565

（三）RNA加工和剪接的调节569

（四）翻译水平的调节570

（五）RNA干扰和多种RNA的调节571

（六）翻译后加工的调节572

（七）蛋白质降解的调节573

提要575

习题576

主要参考书目576

第35章 基因工程、蛋白质工程及相关技术578

一、DNA克隆的基本原理578

（一）DNA限制酶与片段连接578

（二）分子克隆的载体与宿主580

（三）外源基因导入宿主细胞584

二、基因的分离、合成和测序586

（一）基因文库的构建586

（二）cDNA文库的构建587

（三）克隆基因的分离与鉴定589

（四）聚合酶链反应扩增基因592

（五）DNA的化学合成594

（六）基因定位诱变595

（七）DNA序列的测定597

三、克隆基因的表达597

（一）外源基因在原核细胞中的表达597

（二）原核细胞基因表达产物的分离和鉴定599

（三）外源基因在真核细胞中的表达600

四、转基因植物和转基因动物604

（一）获得转基因植物的方法604

（二）获得转基因哺乳动物的方法607

（三）基因工程的安全性610

五、蛋白质工程612

（一）蛋白质的分子设计和改造612

（二）蛋白质的实验进化612

（三）蛋白质工程的进展614

六、基因工程的应用与展望615

（一）基因工程开辟了生物学研究的新纪元615

（二）基因工程促进了生物技术产业的兴起616

（三）基因工程研究的展望618

提要619

习题620

主要参考书目622

第36章 基因组学及蛋白质组学623

一、全基因组DNA序列的测定和注释623

（一）全基因组测序的基本内涵624

（二）大肠杆菌全基因组DNA序列的测定和注释626

（三）人类基因组DNA序列的测定和注释627

二、功能基因组学628

（一）转录谱分析628

（二）基因敲除629

（三）基因敲低629

三、蛋白质组学630

（一）利用二维电泳技术高通量分离蛋白质630

（二）通过质谱技术对蛋白质的高通量鉴定630

（三）蛋白质-蛋白质相互作用网络的分析631

（四）蛋白质翻译后修饰的高通量鉴定631

（五）人类蛋白质组工程632

（六）系统生物学632

提要632

习题632

主要参考书目633

索引634