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第 3 章。细胞和物质代谢

高级类别：【生物学】【生物学索引】(https://jb243.github.io/pages/1457) 

1. 营养素

2. 酶

3. 穿膜运输

a. 蛋白质裂解酶机制

b. 【酶活性与底物的关系】(https://jb243.github.io/pages/1024)

c. 酶的变构调节

d. 营养与烹饪

1.营养素

⑴营养素的分类

① 营养素：食品成分中在体内发挥营养作用的活性成分。

○ 必需营养素：无法直接合成的物质。

② 大量营养素与微量营养素

○ 大量营养素：人体必需的营养素，包括水、碳水化合物、蛋白质、脂肪。

○ 微量营养素：维生素、矿物质等人体必需的微量营养素。

③ 三大营养素 vs 次要营养素

○ 三大营养素：碳水化合物、蛋白质、脂肪，作为能量来源。

○ 次要营养素：维生素、矿物质和水，它们不作为能量来源，但对身体至关重要。

⑵ 水

①水的作用

○ 溶剂

○ 化学反应介导、酸碱平衡、浓度平衡

○ 细胞活性

○ 器官保护与润滑

○ 养分溶解和运输

○ 废物清除

○ 血压和体温调节

② 体液分布

○ 男性体内水分含量：60%

○ 女性体内水分含量：50-55%

○ 新生儿体内水分含量：75%以上

表1. 体液分布

③ 水分流失：成人每天大约需要3升水（1.5升来自食物，1.5升来自饮料）。

表 2. 失水症状

⑶碳水化合物

① 细胞的主要能量来源

○ 4 kcal/g。能量储存在化学键中。

② 吸收率：单糖 > 双糖 > 多糖

③淀粉：植物的葡萄糖聚合物。

④ 糖原：动物的葡萄糖聚合物。

○ 将碳水化合物以糖原形式储存在肝脏和肌肉中。

○ 能源一天耗尽。

⑤ 膳食纤维（例如纤维素）

○ 净化大肠中的消化废物：膳食纤维不被消化。

○ 消化废物：包括细菌、有毒物质、寄生虫等。

○ 增加小肠中胆固醇的吸收并降低癌症风险。

○ 地球上最丰富的碳水化合物。

⑥ 检测试剂

○ 淀粉：碘-碘化钾溶液，碘反应，紫色

○ 葡萄糖、果糖、麦芽糖等：本尼迪克特试验（黄红色，需要加热）

⑷ 蛋白质> ① 细胞的主要能源和主要成分

○ 4 kcal/g。能量储存在化学键中（最后的能源来源）。

② 20种氨基酸的聚合物。氨基酸通过肽键连接。

③ 必需氨基酸

○ 可作为食物食用的氨基酸。 成人 8 个，儿童 10 个。

○ 缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸（儿童用）、精氨酸（儿童用）

○ 动物蛋白：含有所有必需氨基酸。

○ 植物蛋白：很少含有所有必需氨基酸。

○ 氨基酸具有亲水性，不能保存；因此，必须每天供应。

④ 完全蛋白质

○ 含有所有必需氨基酸的蛋白质：肉、蛋

○ 植物蛋白：不是完全蛋白质；素食时必须混合多种成分。

⑤ 限制蛋白质

○ 甚至缺乏一种必需氨基酸的蛋白质。

⑥ 检测试剂：双缩脲测试（紫色）

⑸ 脂肪

①初级能量储存分子，保护重要器官，提供绝缘，并在饥荒时作为储备。

○ 9 kcal/g：能量储存在化学键中。

○ 多余的碳水化合物会以脂肪的形式储存起来。

② 甘油+脂肪酸（烃）尾

③ 脂肪酸

○ 短链脂肪酸（SCT）：6个或更少的碳原子

○ 中链脂肪酸（MCT）：8至10个碳原子

○ 长链脂肪酸（LCT）：12个或更多碳原子

○ 脂肪酸是由乙酰辅酶A（C2）合成的，因此碳原子数为偶数。

④ 必需脂肪酸：体内不能合成的不饱和脂肪酸。

○ 亚油酸和亚麻酸：存在于玉米和红花籽油中的多不饱和脂肪酸；参与细胞膜中磷脂的产生。

○ 花生四烯酸：重要信号分子（如前列腺素）的前体。

○ Omega-3 和 Omega-6：存在于冷水鱼（例如鲑鱼、沙丁鱼）和亚麻籽油中的不饱和脂肪酸，以其保护心脏的功能而闻名。

⑤ 反式脂肪（过渡脂肪）

○ 顺式不饱和脂肪酸可以氢化生成饱和脂肪酸，在此过程中形成反式不饱和脂肪酸或反式脂肪。

○ 示例：起酥油、人造黄油

○ 健康影响：增加患心脏病和糖尿病的风险。

○ WHO建议：反式脂肪应占总热量摄入量的1%以下。

⑥ 检测试剂：苏丹Ⅲ（猩红色）

⑹ 维生素

①功能：一般作为酶活性所需的辅酶，调节新陈代谢和生理功能。

② 维生素原：尚未发挥活性的维生素前体。

○ 例如：β-胡萝卜素、麦角钙化醇

③水溶性维生素（B、C）

○ 概述

○ 烹饪过程中的损失。应作为新鲜蔬菜食用；不能储存在体内，从而可能导致缺乏。

○ 食品中的形式：以压缩片剂或包装补充剂形式提供。

○ 分布：溶解并分布在血液、组织液等体液中。

○ 排泄：容易通过尿液排出，增加缺乏的可能性。

○ 核黄素（维生素 B₂）：FAD、FMN

○ 烟酸（维生素 B₃）：NAD⁺、NADP

○ 生物素（维生素 B₇）：存在于辅酶中。

○ 叶酸（维生素 B₉）：也称为叶酸。

○ 功能：嘌呤核苷酸生物合成所必需的，是红细胞的前体，也是细胞分裂所需的氨基酸来源。

○ 从食物中吸收的叶酸进入叶酸代谢途径并被还原为四氢叶酸（THF）。»> ○ 四氢叶酸在嘌呤生物合成过程中提供单个原子。

○ 甲氨蝶呤：一种抗叶酸剂，可抑制二氢叶酸还原酶 (DHFR)。

○ 钴胺素（维生素 B₁₂）

○ 核酸合成，红细胞生成的组成部分。

○ 缺乏症：恶性贫血

○ 与 Co 离子发生作用。

○ 将同型半胱氨酸转化为半胱氨酸。

○ 存在于动物蛋白中。

○ 维生素C

○ 功能1. 胶原蛋白合成

○ 第一^第一。维生素 C 作为脯氨酰羟化酶的辅酶。

○ 第二^第二。脯氨酰羟化酶将富含胶原蛋白的脯氨酸转化为羟脯氨酸。

○ 第三^rd。羟脯氨酸形成牢固的键，在细胞外基质 (ECM) 中实现各种结合功能。

○ 功能2. 增加肠道铁吸收

○ 在胃中，Fe³⁺ 被还原为 Fe²⁺，与维生素 C 结合可促进铁的吸收。

○ 缺乏症：坏血病

④ 脂溶性维生素（A、D、E、K）

○ 概述

○ 脂溶性维生素不易排出体外，会导致中毒。

○ 大多数脂溶性维生素，包括维生素 A 和 D，都储存在肝脏中。

○ 食品中的形式：在补充剂中包装为油基凝胶胶囊。

○ 分布于细胞膜组织等结构中。

○ 不随尿液排泄，而是通过胆汁排出。

○ 维生素A

○ 首次发现于 1912 年，当时霍普金斯博士在牛奶中发现了动物必需的生长因子。

○ 视紫红质的一种成分，视紫红质是一种存在于视网膜视杆细胞中的色素蛋白。

○ 1. 视黄醇：存在于动物性食品中，如肝脏、牛奶、全脂奶粉、黄油、蛋黄、鳕鱼、肝油等。

○ 2. 类胡萝卜素：植物性食品中发现的橙色色素。

○ 在体内转化为维生素A。

○ 类胡萝卜素中，β-胡萝卜素的活性最高。它富含胡萝卜、菠菜和海藻等绿色蔬菜。

○ 缺乏 1. 夜盲症：一种在黑暗环境中暴露于强光后视力受损的病症。

○ 缺乏 2. 干眼症：眼睛干燥。

○ 维生素D（骨化醇）：唯一可以由人体合成的维生素。

○ 第一^第一。皮肤：暴露在紫外线下，7-脱羟基胆固醇会转化为胆钙化醇（维生素 D3）。

○ 第二^第二。肝脏：胆钙化醇通过 25-羟化酶转化为 25-OH 维生素 D3。

○ 第三^第。肾脏：25-OH 维生素 D3 通过 1α-羟化酶进一步转化为骨化三醇（1,25-(OH)2 维生素 D3）。

○ 第四^th。小肠：骨化三醇是维生素 D 的活性形式，可激活钙泵以增强钙的吸收。

○ 缺乏症：佝偻病

○ 维生素E：包括α-生育酚和生育三烯酚。作为脂溶性抗氧化剂，有助于预防不孕症。

○ 不足：衰老。

○ 维生素 K：激活凝血蛋白。

○ 在血液凝固过程中，将凝血酶原中的谷氨酸残基进行羧化。

○ 缺乏：凝血延迟

⑤ 维生素的种类

○ 水溶性维生素

表 3. 水溶性维生素的类型

○ 脂溶性维生素

表 4. 脂溶性维生素的类型

⑺矿物质：又称矿物质或无机物。

① 概述

○ 定义：生物体的组成部分，不包括碳、氢和氧三种主要元素。

○ 成分：约占人体成分的4%。

○ 功能：参与身体生长、身体维持和生殖。

② 无机离子的主要功能

○ 钠 (Na)

○ 维持细胞外液的渗透压。»> ○ 触发动作电位。

○ 建议摄入量：7 克。

○ 摄入过多：

○ 高血压：因为钠会收缩血管并改变激素。

○ 渗透压增加：导致水离开细胞，提高细胞内酸度并破坏蛋白质组成。

○ 食盐过量：刺激消化道，干扰营养吸收。

○ 镁（Mg）

○ 重要性：Mg²⁺ 在分子生物学和聚合酶中发挥着关键作用。

○ ATP酶

○ DNA聚合酶

○ RNA 聚合酶：需要两个 Mg²⁺ 离子。一个与前面 3’-OH 基团的氧结合，另一个与 dNTP 结合。

○ 核酶：需要 Mg²⁺ 和蛋白质辅助才能发挥作用。

○ 磷（P）

○ 磷脂和核酸的组成部分。

○ 磷酸盐与碳酸盐一起充当氢离子的缓冲剂。

○ 大多数磷以磷酸钙的形式存在于骨骼和牙齿中。

○ 分布：广泛存在于所有天然食品中，尤其富含于动物性食品中，如牛奶、乳制品和肉类。

○ 糙米中也含有大量的磷，但大部分以植酸的形式存在，植酸是一种抑制磷吸收的物质。

○ 摄入过多：磷摄入过多会阻碍钙的吸收。

○ 氯 (Cl)

○ 作为无机阳离子的抗衡离子参与调节渗透压。

○ 以盐酸（HCl）形式存在，可维持胃液的酸度，防止细菌发酵，帮助消化。

○ 过量摄入：会导致高血压。

○ 钾 (K)

○ 细胞内液的关键渗透压因素。

○ 酸碱平衡：低钾血症会降低 H⁺ 水平。

○ 尿液形成过程中尿素生成所必需的。

○ 过量的钾摄入会通过尿液排出，因为肾脏不能像钠一样有效地储存钾。

○ 电生理学：参与膜复极化和建立静息电位。

○ 代谢：参与糖原和蛋白质的合成。

○ 过量摄入：可能导致肌肉无力、瘫痪和心脏骤停。

○ 钙 (Ca)

○ 胞吐作用：与神经细胞中神经递质的释放有关。

○ 作为血液凝固过程中的辅助因子。

○ 参与骨骼和心肌收缩。

○ 稳定桥粒中的钙粘蛋白，以实现细胞间连接。

○ 99%的钙分布在骨骼和牙齿中。

○ 第二信使：充当第二信号分子。

○ 当钙离子含量低时：钠通道保持广泛开放，导致过度活跃。

○ 当钙离子高时：钠通道大部分关闭，导致强度降低。

○ 钙含量高的中年女性可能会出现体力下降的情况。

○ 缺乏：骨质疏松、生长发育迟缓

○ 过量：肾结石

○ 锰（Mn）

○ 铁 (Fe)

○ 造血作用：体内一半以上的铁是血红蛋白的组成部分。

○ 氧气输送：无机铁盐能够快速吸收氧气。二价铁 (Fe²⁺) 铁盐比三价铁 (Fe³⁺) 盐吸收更好，但两者的吸收率均低于 10%。

○ 增强吸收：在胃中，Fe³⁺ 被还原为 Fe²⁺，与维生素 C 结合，可促进铁的吸收。

○ 植酸存在于谷物壳以及菠菜和萝卜叶等物质中，与铁结合形成不溶性复合物，阻碍铁的吸收。»> ○ 茶和咖啡中的单宁以及膳食纤维也会抑制铁的吸收。

○ 缺乏症：贫血

○ 钴 (Co)

○ 铜 (Cu)

○ 锌（Zn）

○ 对于蛋白质和胶原蛋白的合成至关重要，是生长、伤口愈合和保持皮肤健康所必需的。

○ 锌很容易被破坏，很少能通过食物摄入足够的量。

○ 富含海鲜、红肉、坚果、豆类和牛奶。

○ 蛋白水解酶需要锌离子才能发挥全部活性。

○ 缺乏：与铁不同，长期潜在的锌缺乏不会立即表现出症状。

○ 过量：急性锌中毒。

○ 硒 (Se)

○ 作为抗氧化剂，防止细胞结构受损。

○ 谷胱甘肽

○ 过氧化氢：其机制的关键成分。

○ 碘 (I)

○ 甲状腺是唯一吸收碘的器官，这是甲状腺癌放射治疗中使用的原理。

○ 甲状腺素等甲状腺激素的组成部分，影响胎儿和儿童细胞的发育和生长。

○ 有助于白细胞的组成。

○ 适度调节哺乳期母亲的乳汁分泌。

○ 缺乏：导致甲状腺功能亢进（例如甲状腺肿、格雷夫斯病（巴塞杜氏病））和克汀病等病症。

③ 矿物种类汇总

○ 其他少量需要的微量矿物质包括：铬（Cr）、钴（Co）、铜（Cu）、锰（Mn）、钼（Mb）、硒（Se）、锌（Zn）

④ 摄入量

○ 矿物质不能由人体合成。

○ 所需量相对较少：每日需求量从不足 1 毫克到约 2500 毫克不等。

○ 由于它们是水溶性的，矿物质在煮沸过程中可能会损失。

⑻ 维生素和矿物质的比较

① 维生素是含有碳的有机物质，而矿物质则不是。

② 植物和细菌可以合成某些维生素，但不能合成矿物质。

③维生素容易被空气、光、热等破坏，而矿物质化学性质稳定，不易被破坏。

⑼ 植物化学物质：在植物中发现的具有较强生理活性的生物活性化合物。

① 色素：具有抗氧化作用，有助于预防衰老和慢性疾病。

② 异黄酮：存在于大豆中，作用与女性荷尔蒙相似，可缓解更年期症状，预防骨质疏松。

③ 大蒜和洋葱：含有有益于心脏健康的物质。

⑽ 卡路里和代谢率

① 卡路里：1克水的温度升高1°C所需的能量。千卡 (kcal) 通常缩写为“C”。

② 细胞能量利用：细胞利用营养能量进行工作和维持体温。

③ 代谢率：衡量体内酶促反应速度的指标。

○ 每日推荐摄入量：普通成年男性2700大卡/天，普通成年女性2100大卡/天。

○ 基础代谢率（75%）：休息时的能量消耗，受甲状腺激素的影响。

○ 活动代谢率（25%）：特定活动每小时所需的能量消耗。

④ 化学反应作为能源：

○ C-C债券：长期储能

○ C-H债券：长期储能

○ C-OH键：短期储能

⑾ 营养失衡

① 营养缺乏

○ 当卡路里摄入量长期不足以满足身体化学能需求时就会发生。

○ 导致糖原、脂肪和蛋白质分解，导致肌肉减少和大脑蛋白质缺乏。

○ 示例 1. 撒哈拉以南非洲：大约 2 亿人由于干旱、战争或艾滋病流行而缺乏足够的营养。

○ 示例 2. 神经性厌食症（强迫性禁食）。

② 营养过剩

○ 当动物消耗的食物超过其能量需求时，就会发生这种情况，并将多余的营养物质储存为糖原或体脂肪。

○ 冬眠动物必需的。

③ 营养不良

○ 由于缺乏一种或多种必需营养素而引起的病症。

○ 示例 1. 维生素 A 缺乏 → 通过提供 β-胡萝卜素（例如黄金大米）来解决。

○ 示例 2. 食草动物吃生长在缺磷土壤中的植物 → 骨骼脆弱。

○ 示例 3. 饮食中缺乏必需氨基酸 → 蛋白质缺乏。

⑿ 营养需求评估

① 将人类用于研究目的会引起伦理问题。

② 血色素沉着病：一种遗传性疾病，即使没有异常的铁消耗，铁也会积聚。

③ 流行病学研究：研究人群层面的健康和疾病。

○ 示例：当发育中的大脑和脊髓无法闭合时，就会出现神经管缺陷，但叶酸的摄入可显着减少胎儿发育过程中的这些缺陷。

⒀酸性和碱性食物

①酸性食物

○ 定义：燃烧时留下富含磷、硫、氯等酸性元素的灰分的食品。» ○ 例如：蛋黄（磷蛋白含量高）、水果（由于柠檬酸和苹果酸）、作为能量和蛋白质主要来源的食物。

② 碱性食品

○ 定义：燃烧时留下灰分，富含钙、钾、钠、铁等碱性元素的食品。

○ 例如：蛋清。

2.酶

⑴新陈代谢：体内的所有化学反应。

① 吉布斯自由能：如果ΔH - TΔS < 0，则反应是自发的。

② 在生物学中，ΔH近似等于ΔG（ΔH≒ΔG）。

○ 放热反应：ΔH < 0，与分解代谢有关。

○ 吸热反应：ΔH > 0，与合成代谢有关。

③ 即使反应是自发的，如果活化能（阈值能量）太高，反应速度也会变慢。

④ 活化能

○ 定义：反应分子引发化学反应所需的最小能量。

○ 较低的活化能通过增加可反应的分子数量来提高反应速率。

○ 催化剂：与反应物底物结合，降低活化能，提高反应速率。

○ 酶：生物催化剂

⑵ 特点

① 特点1. 底物特异性：酶仅作用于与其活性位点形状和三维结构相匹配的特定底物来催化反应。

○ 锁和钥匙模型：表明酶的活性位点与底物完美匹配的模型。

○ 诱导拟合模型：该模型表明，当酶与底物结合时，它会变成完全互补的形状以适应底物。

○ 第一^第一。底物的形状与酶的活性位点大致相似。

○ 第二^第二。当底物与活性位点结合时，酶会改变形状并对化学键施加压力。

○ 第三^第。这种形状变化会分解基质并释放其单体。

○ 同工酶（酶多样性）

○ 不同的酶参与相同的生化反应。

○ 根据作用的细胞而具有不同的特性（例如己糖激酶、乳糖脱氢酶（LDH））

○ 每种酶均受其特定最终产物的反馈调节，导致不同的酶根据最终产物的类型而具有活性。

② 特点2. 循环利用：反应前后酶量相同。

④ 特征3. 酶只影响反应速率，不影响反应热的大小。

⑤ 特征 4. 来自共同祖先：当其他生物体使用相同的酶时。

⑵ 酶的组成

①酶的分类：分为RNA酶（称核酶）和蛋白质酶。酶通常称为蛋白质酶。

② 活性位点：与底物结合的位点。

③ 全酶：表现出全部活性的酶。

④脱辅基酶：构成酶的蛋白质部分。

⑤ 辅因子：构成酶的非蛋白质部分。附加到活动站点以完成活动站点。

○ 辅酶：酶活性所需的有机分子。

○ 示例：维生素衍生物、NAD⁺、FAD 

○ 无机离子：Fe²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等金属元素。

○ 辅基：一种与酶牢固且永久结合的辅因子。

○ 卟啉环是形成辅基的代表性化学结构，示例如下：

○ 实施例1. 血红蛋白血红素基：卟啉环中含有Fe²⁺的有机化合物。

○ 示例 2. 肌红蛋白

○ 示例 3. 叶绿素

○ 实施例 4. 细胞色素 P450 (CYP)> ⑥ 大多数水解酶，如淀粉酶、胃蛋白酶和脂肪酶，仅由蛋白质组成

⑶ 酶催化机制

①酸碱催化

② 共价催化

③金属离子催化

④静电催化

⑤ 邻近和方向效应

⑥ 过渡态复合物的优先结合

⑷ 影响酶作用的因素

① 因子 1. 底物浓度

○ 与米氏方程相关

○ 初始反应速率随着底物浓度的增加而增加，达到一定水平后趋于恒定。

○ 一旦所有酶都被底物饱和，初始反应速率不再随着底物浓度的增加而增加。

② 系数 2. 温度

○ 随着温度升高，动能高于活化能的分子数量增加，从而提高反应速率。

○ 在酶具有最佳结构的最佳温度下，涉及酶的化学反应是最快的。

○ 如果温度超过最佳水平，蛋白质会因热而发生不可逆变性，即使降低温度也无法恢复。

③ 因子 3. pH

○ 在最佳pH值下，涉及酶的化学反应最快。

○ 组成酶的氨基酸残基的带电状态取决于氢离子浓度的变化，因此如果超出最佳pH值，就会改变蛋白质的净电荷，引起静电排斥并改变酶的结构。

○ 最适 pH 值示例

○ 胃蛋白酶：pH = 1.5

○ 过氧化氢：pH = 7.6

○ 胰蛋白酶：pH = 7.7

○ 延胡索酸酶：pH = 7.8

○ 核糖核酸：pH = 7.8

○ 精氨酸酶：pH = 9.7

④ 酶反应速率指标

○ 1单位酶：1分钟内可产生1μmol产物的酶活力。

○ 酶活力=酶单位/酶量（ml）

⑸ 酶的分类：由IUPAC定义。又称酶委托号。

① EC1：氧化还原酶

○ 一种氧化还原介导的酶，可传输氢、氧和电子。

○ 类型 1.“反应物 + 脱氢酶”（例如乳糖脱氢酶、乙醇脱氢酶）

② EC2：转移酶

○ 将甲基、酰基、氨基等官能团转移到其他物质上。

○ 类型 1. “反式 + 反应物 + -酶”（例如转氨酶、乙酰转移酶）

○ 类型 2. “反应物 + -激酶”（例如己糖激酶）

③ EC3：水解酶

○ 参与水解、缩合。

○ 类型 1. “反应物 + -ase”（例如蛋白酶、肽酶）

④ EC4：裂解酶

○ 通过裂解基材的C-C、C-O、C-N、C-S键等来催化原子团的添加或去除。

○ 加成反应涉及双底物反应，而消除反应涉及单底物反应。

○ EC4.4：碳氮键断裂酶

○ EC4.5：碳卤键断裂酶

○ EC4.6：磷氧键断裂酶

○ 类型1.“反应物+脱羧酶”（例如丙酮酸脱羧酶）

⑤ EC5：异构酶

○ 重新排列物质结构的酶。

○ 类型 1. “反应物 + 异构酶”（例如，磷酸葡萄糖异构酶）

○ 类型 2. “反应物 + 变位酶”

⑥ EC6：连接酶

○ ATP 用于在两种物质之间形成新的键。

○ 类型 1. “反应物 + 连接酶”（例如 DNA 连接酶）

⑹ 米氏方程

⑺ 抑制剂：在生物体中，存在反馈抑制机制来调节酶，但与抑制剂不同的是，反应是可逆的。

① 不可逆抑制

○ 示例 1. 青霉素»> ○ 一种细菌细胞壁（肽聚糖）转肽酶抑制剂，由于与活性位点具有半永久性共价键而有效

○ 由于其与活性位点半永久共价结合，因此非常有效。

○ 示例 2. 沙林毒气

○ 乙酰胆碱分解为胆碱和乙酸。乙酸解离成乙酸根离子和H⁺。

○ 第一^第一。沙林毒气不可逆地与乙酰胆碱酯酶的活性位点结合。

○ 第二^第二。乙酰胆碱水平增加 (↑)。 

○ 第三^第。导致肌肉痉挛、瞳孔收缩、意识混乱和呼吸困难。

② 可逆抑制

○ 分为竞争性抑制、非竞争性抑制、非竞争性抑制。

○ 在讨论竞争性、非竞争性或非竞争性抑制时，通常不强调可逆抑制和不可逆抑制之间的区别。

③竞争性抑制

○ 与底物竞争相同的活性位点，抑制酶促反应。

○ 米氏方程

○ 不会改变活性酶的形状。

○ 示例

○ 布洛芬：抑制前列腺素的产生。

○ 丙二酸-琥珀酸脱氢酶：琥珀酸脱氢酶氧化琥珀酸。然而，丙二酸是琥珀酸的竞争性抑制剂，它与酶的活性位点结合，防止琥珀酸氧化。

○ 他汀-HMG-CoA 还原酶

○ Gleevec-Bcl-abr 的 Ras 磷酸化

○ HIV蛋白酶抑制剂

○ 抗抑郁药、抗生素和杀虫剂

④ 非竞争性抑制

○ 抑制剂与酶-底物复合物结合，抑制酶促反应。

○ 米氏方程

⑤ 非竞争性抑制剂

○ 通过与活性位点以外的变构位点结合来抑制酶促反应，导致非竞争性参与酶促反应。

○ 米氏方程

○ 改变活性酶的形态。

⑻ 合作社

① 通过底物本身调节酶活性，而不是抑制剂或激活剂。

② 正协同性：在多底物酶中，一种底物的结合促进其他底物的结合。

③ 负协同性：存在但极为罕见。

④反应式：在协同作用下，一旦形成ES₁，则迅速生成ES_n，因此无需考虑ES₁、…、ES_n-1等中间态。

⑤ 示例： 血红蛋白 血氧饱和度

○ 血红蛋白由四个亚基组成，每个亚基都有一个氧结合位点。

○ 血红蛋白的氧饱和度曲线呈 S 形。

○ 当一个氧分子与一个位点结合时，其余结合位点的氧亲和力会增加。

○ 然而，在低氧地区，一旦一个氧分子解离，其余的氧分子也可能解离。

○ 肌红蛋白具有单一亚基，缺乏协同性，因此呈现双曲线氧饱和度曲线。⑼ 酶活性调节机制

① 抑制器调节

② 协同调节

③ 变构控制

○ 调节分子：与蛋白质结合、改变其三维结构从而改变其功能的小分子。

○ 调节分子不是底物。

○ 调节分子包括抑制剂或激活剂。

○ 变构调节

○ 指激活剂或抑制剂与底物结合位点以外的位点结合，调节酶的活性。

○ 这些替代结合位点称为变构位点。

○ 变构调节既可以发生在催化可逆反应的酶中，也可以发生在催化不可逆反应的酶中。

○ 示例：ATP 作为抑制剂，ADP 作为激活剂，调节参与细胞呼吸的酶。

○ PFK-1（磷酸果糖激酶-1）是一种催化 F-6-ⓟ（果糖 6-磷酸）转化为 F-1,6-二磷酸的酶。

○ ATP 作为 PFK-1 的底物，也充当酶的变构调节剂。

○ x 轴为 ATP 浓度、y 轴为 PFK-1 活性的图表形成钟形曲线。

○ 应用1.抑制剂

○ 一般变构调节不会像抑制剂那样完全阻止反应。

○ 抑制剂与酶的结合，触发变构调节，被称为非竞争性抑制。

○ 竞争性抑制剂与底物附着的活性位点结合，而不是与其他位点结合，因此不被视为变构调节。

○ 应用2. 反馈抑制

○ 指代谢途径的最终产物与参与初始步骤的酶结合、抑制途径并调节代谢的机制。

④ 通过磷酸化调节

⑤ 调节蛋白

○ 示例：Ca²⁺-钙调蛋白的 NO 合酶调节

⑽ 酶固定化：将酶固定在特定位置

① 包埋（encapsulation）：应用最广泛的物理酶固定化方法。

○ 多孔中空纤维

○ 短纤

○ 凝胶基质

○ 微胶囊

②化学键合：化学酶固定化方法，利用酶的官能团与载体表面官能团之间的化学力来固定酶。

③ 有效因子=有扩散限制的反应速率/无扩散限制的反应速率

○ 通过固定化酶，反应速度提高了多少？

○ 酶浓度越高，有效因子越低：意味着无论固定如何，由于浓度高，反应发生良好。

⑽ 酶测定

①紫外光谱仪

○ 260 nm 光谱仪：测量核酸氮碱基的吸光度。

○ 280 nm 光谱仪：最常用，测量 Phe、Trp、Tyr 苯基的吸光度。

○ 340 nm 光谱仪：NADH 吸光度测量。

○ 405 nm光谱仪：茚三酮与氨基酸反应生成570 nm吸光度的紫色产物。

○ 455 nm 光谱仪：β-胡萝卜素吸光度测量。

○ 474 nm 光谱仪：番茄红素吸光度测量。

○ 500 nm 光谱仪：类胡萝卜素吸光度测量。

○ 560 nm 光谱仪：血红蛋白吸光度测量。

○ 680 nm、700 nm 光谱仪：叶绿素吸光度测量。

○ 840 nm、870 nm光谱仪：光合细菌色素分子的吸收测量。

② Bradford法：测定考马斯蓝G染料与蛋白质结合引起的波长变化。

○ 优点：加药非常快速且简单。» ○ 缺点：染料与蛋白质的结合程度各不相同。

○ 应用：Pierce 660 nm 蛋白质检测

③ BCA法（二辛可宁酸法）：通过氨基酸中的酰胺键还原铜离子进行测定。

○ 目前最常用的蛋白质定量方案。

○ 优点：蛋白质之间差异极小，灵敏度极佳

图 1. BCA 方法和 Bradford 方法之间的灵敏度差异

○ 缺点：需要大量制备试剂，流程复杂，易受其他还原剂、铜螯合剂或高浓度缓冲液干扰。

○ 还原剂示例：DTT、β-ME

○ 铜螯合剂示例：EDTA、EGTA

○ 步骤 1. Cu²⁺ → Cu⁺

○ 减少主要由半胱氨酸、胱氨酸、酪氨酸和色氨酸驱动。

○ 与 Bradford 方法不同，肽骨架也参与还原反应，导致蛋白质之间的差异最小。

○ 步骤 2. 该试剂与 Cu⁺ 形成复合物，导致颜色变化。

○ 苹果绿 Cu²⁺ 转变为紫色 Cu⁺-BCA 络合物。

图 2. Cu⁺ 络合物形成反应

○ 相关方案：包括缩二脲反应、Lowry 法和 Peterson 法等变体。

④ 荧光蛋白检测

○ Thermo Scientific Quanti-iT、Qubit 和 NanoOrange 蛋白质检测

○ NanoOrange 蛋白定量试剂盒

○ CBQCA 蛋白定量试剂盒

○ EZQ 蛋白定量试剂盒

○ 荧光计

○ Invitrogen 量子比特荧光计

⑾ 酶的例子

① 示例 1. 葡萄糖转运蛋白 (GLUT)：在细胞膜中转运葡萄糖。

○ 特性：双向。只有D型葡萄糖才能被葡萄糖载体转运。通过细胞膜12次。

○ GLUT1：存在于所有细胞中。 K_m = 1 毫摩尔

○ GLUT2：存在于肝脏、胰腺β细胞和小肠中。 K<sub​​>m</sub> = 10-20 mM。首先是由于高血糖导致的低敏感性。

○ GLUT3：存在于大脑中，富含免疫细胞。 K<sub​​>m</sub> = 1 mM。由于大脑的高能量需求而导致高灵敏度。

○ GLUT4：存在于肌肉和脂肪中。 K<sub​​>m</sub> = 5 至 10 mM。有条件地由胰岛素表达。

○ GLUT5：存在于果糖载体和小肠中。

○ GLUT与胰岛素分泌机制

图3. GLUT与胰岛素分泌机制

○ 第一^第一。血糖浓度增加。

○ 第二^第二。葡萄糖通过 GLUT2 进入胰腺 β 细胞。

○ 第三^第。葡萄糖经历糖酵解和 TCA 循环，产生大量 ATP。葡萄糖激酶充当葡萄糖传感器。

○ 第四^th。生成的 ATP 会阻断 ATP 敏感的 K⁺ 通道，增加细胞内的阳离子含量。

○ 第 5。细胞膜去极化，打开 Ca²⁺ 通道。

○ 第六^th。 Ca²⁺ 进入 β 细胞并促进胰岛素囊泡的释放，从而增加血液中的胰岛素水平。»> ○ 7^th。胰岛素进入肌肉细胞并促进 GLUT4 囊泡易位至细胞膜。

○ 第八^th。来自 GLUT4 囊泡的 GLUT4 在肌肉细胞膜上表达。

○ 9^th。 GLUT4 比 GLUT2 更敏感，有助于肌肉和脂肪吸收葡萄糖，从而降低血糖水平。

② 实施例2. 蔗糖水解酶

○ 一种将蔗糖分解为葡萄糖和果糖的水解酶。

○ 仅具有活性位点的单体结构，缺乏变构结构。

③ 实施例3. 乳糖脱氢酶（LDH）

○ 由H（热形态）或M（肌肉形态）4个单位组成。

○ 共五种：H₄、H₃M、H₂M₂、HM₃、M₄ 

○ H的等电点为5.7，M的等电点为8.4。

○ 肌肉：丙酮酸→肌肉中的乳酸，形成LDH（∵肌肉进行乳酸发酵）。

○ 肝脏：乳酸→丙酮酸，通过肌肉形成LDH（∵肝脏进行糖异生）。

○ 心脏：乳酸→丙酮酸通过心脏形成LDH（∵心脏使用乳酸作为能量来源）。

④ 实施例 4. 己糖激酶

○ 己糖激酶 I：存在于肌肉中，对葡萄糖具有非常高的底物亲和力。

○ 己糖激酶 IV：存在于肝脏中，对葡萄糖的底物亲和力较低。

⑤ 实施例5. 乙醇分解

图 4. 乙醇分解

⑥ 示例 6. 乳糖不耐症 

○ 婴儿期乳糖酶分泌良好，但成年后其产量减少。

○ 在欧洲国家，乳糖不耐症不太常见。

○ 过程：小肠乳糖酶缺乏→无法消化乳糖→细菌发酵乳糖→引起胀气和腹泻。

图 5. 乳糖不耐受

3。通过膜运输

⑴ 组件 1. 细胞膜：遵循流体镶嵌模型。

⑵ 成分2. 膜蛋白

① 概述

○ 穿透细胞膜疏水内部的膜蛋白。

○ 超过 50% 的人类药物以膜蛋白为目标。

② 1型. 整合膜蛋白

○ 跨膜蛋白。膜穿透是α螺旋结构

○ 特征1： 跨膜区采用α螺旋结构。

○ 特征2： 脯氨酸和甘氨酸不能形成α螺旋，因此不能存在于跨膜区域。

○ 示例：通道蛋白、载体蛋白、泵

○ 功能：酶反应（通常仅一侧突出）、信号转导

③ 1-1型. 转运蛋白：负责转运物质。

○ 分类 1：基于转运机制：载体蛋白、通道蛋白、泵蛋白（见下文）。

○ 分类 2：基于能源使用

○ 被动运输和主动运输

○ 如果运输的分子非常大，则不属于主动运输，而是称为胞吞作用或胞吐作用。

○ 基于协同转运的分类

○ 单分子转运：水通道蛋白、葡萄糖转运蛋白（GluT）等。

○ Symporters（同向协同转运蛋白）：Na⁺-葡萄糖协同转运蛋白、H⁺-蔗糖协同转运蛋白等。

○ Antiporters（相反方向协同转运蛋白）：Na⁺-H⁺交换器、Na⁺-Ca²⁺交换器、G3P-pi交换器等。

④ 1-2 型。 整合素：与细胞外基质 (ECM) 相互作用。

⑤ 2型. 外周膜蛋白» ○ 附着在细胞膜上：通过静电相互作用粘附在细胞膜上。

○ 糖蛋白的存在：附着有糖蛋白。

⑥ 水疗图：识别跨膜区域。

⑦ 完整膜蛋白（膜级分）和外周膜蛋白（可溶性级分）的简单分离实验

○ 第一^第一。使用物理方法（例如超声处理）部分破坏细胞膜。

○ 第二^第二。离心分离组分。

○ 第三^第。上清液含有可溶性蛋白质。

○ 第 4。向沉淀中添加表面活性剂（例如去垢剂）可以提取膜蛋白。

⑧ 膜蛋白的提取

○ 整合膜蛋白：使用 SDS 或 Triton X-100 等去污剂提取，破坏细胞膜。

○ 外周膜蛋白：通过改变 pH 值、加热或使用 NaCl 或尿素，增加亲水性来提取。

○ 尿素：由于其强亲水性，尿素消除了除二硫键外的所有 R-R 相互作用。

⑶ 传输机制 1. 被动传输：被动传输涉及沿浓度梯度的扩散，不使用能量。

①简单扩散：分子从高浓度向低浓度的运动（浓度梯度越陡则速度越快）。

○ 通过磷脂双层运输疏水性小分子。

○ 不需要能源。

○ 继续直至达到平衡。

② 促进扩散：亲水性和带电物质通过膜蛋白的扩散。

○ 通道蛋白（孔蛋白）

○ 定义：通过易化扩散形成运输水分子或亲水性溶质的通道的蛋白质。

○ 离子选择性：仅允许特定离子通过。

○ 表现出与简单扩散类似的行为并且不会饱和。

○ 分类 1. 基于依赖的通道

○ 配体门控通道：由配体激活，例如乙酰胆碱受体。

○ 电压门控通道：由膜电位变化激活，例如动作电位通道。

○ 机械门控通道：由机械刺激激活，例如听觉毛细胞。

○ 分类 2. 离子通道（离子载体）：快速增加特定无机离子通过细胞膜的渗透性。

○ 示例：H⁺ 离子通道（DNP）、K⁺ 离子通道（缬氨霉素）

○ 载体蛋白（搬运蛋白）

○ 定义：改变结构以通过易化扩散运输特定溶质的蛋白质。

○ 运输速度比通道蛋白慢 1,000 倍以上。

○ 遵循米氏动力学，可以与酶类似地饱和。

图6. 载体蛋白的机制

○ 水：唯一通过离子通道和载体蛋白运输的分子。

③ 渗透：游离H₂O从高浓度（低盐溶液）穿过只允许水通过的半透膜向低浓度（高盐溶液）扩散的现象。

○ 公式

○ 低渗溶液：渗透浓度低于细胞内部的溶液。在动物细胞中引起溶血，是植物细胞浑浊的自然环境。

○ 植物细胞和低渗溶液»> ○ 水势=渗透压-膨压（前提是膨压≥0）

○ 水势 = 0 或膨胀压 = 渗透压的条件：膨胀

○ 等渗溶液：与细胞内渗透浓度相同的溶液。为动物细胞提供稳定的环境，但会导致植物细胞枯萎。

○ 细胞内渗透浓度 = 0.9% = 0.3 M = 300 mOsmol

○ 高渗溶液：渗透浓度高于细胞内部的溶液。引起动物细胞的细胞收缩和植物细胞的质壁分离。

○ 水通道蛋白：在结构上分类为通道，但与一般通道蛋白不同，可以饱和。

⑷ 运输机制2. 主动运输：运输蛋白逆其电化学浓度梯度移动特定的离子和分子。

① 特点

○ 称为泵的载体蛋白的参与：主动运输不以通道形式发生。

○ 利用 ATP 磷酸化或光能激发

○ 单向运输

②泵：参与主动运输的运输蛋白质。分为P型、V型、F型

③ P型泵：通过水解ATP，将磷酸基团附着在泵上，并引起泵的结构变化来运输物质。

○ Na⁺ / K⁺ 泵：仅存在于动物体内。将 3 个 Na⁺ 分子泵出细胞，将 2 个 K⁺ 分子泵入细胞。

○ 示例：当葡萄糖被[小肠]吸收时(https://jb243.github.io/pages/82)。

○ K⁺ 泵：存在于植物、细菌和真菌中。泵送亲水性营养物质，例如糖。

○ H⁺ 泵（P 型）：存在于植物、细菌和真菌中。有糖和乳糖的症状。

○ H⁺ / K⁺ 泵：参与胃壁壁细胞的盐酸分泌。 Cl^- 通过被动运输进行运输。

○ Ca²⁺ 泵：用于平滑内质网中的钙储存。

④ V型泵：直接利用ATP水解产生的能量。

○ 液泡膜质子泵

○ H⁺ 泵（V 型）：在溶酶体和液泡内创建酸性环境。

○ 抑制剂：巴弗洛霉素

⑤ F型泵：ATP合成酶充当泵来移动H⁺离子。

○ 细菌视紫红质

○ 进行光依赖运输。

○ 在细菌和古细菌中，H⁺ 离子在光照下会被泵出。

○ C-P-Q（胡萝卜素-卟啉-萘醌）：从细菌中分离出来的质子泵。

⑥ 直接主动运输（初级主动运输）：直接利用能量进行物质运动的运输。

⑦ 间接主动运输（二次主动运输）：利用另一种物质的主动运输的运输。

⑧ 代理商

○ 梭菌素：激活质子泵。

○ 钒酸盐：抑制质子泵。

⑸ 运输机制3. 胞吞作用和胞吐作用：大分子不能通过被动或主动运输进行运输。

① 特征：利用ATP。

② 类型1. 胞吐作用：膜包围的囊泡与细胞膜融合并释放大分子。

○ 示例：胰岛素。胰岛素不是通过易化扩散分泌的。

③ 类型 2. 内吞作用：大分子周围形成囊泡，将其转运到细胞中。分为第四类～第六类。

○ 示例：血液中的铁与转铁蛋白载体结合进行内吞作用。

○ 过量的细胞松弛素 D 通过阻止肌动蛋白聚合来抑制内吞作用。

④ 2-1. 吞噬作用：利用伪足主动吸收物质。

○ 少量的细胞松弛素 D (10 μM) 可抑制吞噬作用。> ⑤ 2-2. 胞饮作用：涉及细胞膜特定区域内陷的随机吸收。

○ 有时包括受体介导的内吞作用作为胞饮作用的一部分。

○ 巨胞饮

○ 癌细胞的一个显着特征。

○ 机制：由 RAS 途径促进，有助于癌细胞摄取药物 (ref)。

○ 功能 1. 在营养或生长因子缺乏时增强，利用细胞外物质产生谷氨酰胺。

○ 功能 2. 通过 RAS 过度表达巨胞饮作用可导致 methuosis，一种非凋亡性细胞死亡形式 (ref)。

○ 信号分子：CTBP1、Rac1、Rabankyrin-5。

○ 抑制剂：EIPA（5-（N-乙基-N-异丙基）阿米洛利）。

⑥ 2-3. 受体介导的内吞作用

○ 通过与底物结合的受体形成囊泡，选择性地吸收物质。

○ 示例 1. 网格蛋白介导的内吞作用 (CME)：包括 LDL 受体介导的内吞作用。

○ 第一^第一。 LDL与其受体结合后，通过受体介导的内吞作用被封装在囊泡中并转运至细胞内。

○ 第二^第二。适应素、网格蛋白包被的小凹和动力参与膜内陷。

○ 网格蛋白：在内吞过程中包裹囊泡膜的蛋白质。形成一层。

○ Dynamin：一种参与囊泡形成的 GTP 酶，负责将囊泡与膜分离。

○ 脱壳：从囊泡中去除适应素和网格蛋白。

○ 第三^第。受体囊泡与早期内体融合。

○ 第四^th。 LDL 与受体分离，进入早期内体。

○ 第 5。回收：受体囊泡分离并移回细胞膜。

○ 第六^th。与受体囊泡分离的早期内体与源自高尔基体的初级溶酶体囊泡合并。

○ 7^th。融合后，它成为次级溶酶体囊泡（成熟内体）。

○ 第八^th。成熟的内体与甘露糖途径融合形成完整的溶酶体。

○ 9^th。胆固醇被分离。

○ 抑制剂：Dynasore（动力抑制剂）、氯丙嗪、pitstop 2

○ 示例 2. 小穴介导的内吞作用 (CvME)

○ 形成大小约为 60 nm 的囊泡。

○ 抑制剂：Dynasore、制霉菌素、filipin。

○ 示例 3. 白蛋白途径

○ 3-1. gp60 介导的内吞作用

○ 3-2. SPARC 介导的内吞作用

○ 3-3. gp18、gp30 介导的内吞作用

○ 3-4. Megalin/cubilin 介导的内吞作用

○ 3-5. FcRn 介导的内吞作用。

○ 实施例 4. 转胞吞作用：通过内吞作用形成的囊泡穿过膜。

○ 示例 5. B 细胞受体

○ 未成熟的 B 细胞表达 IgD，它与抗原结合，通过溶酶体摄取和断裂。

○ 片段化抗原在粗内质网中被标记为 MHC II 类，将三级结构转化为一级结构。

○ 实施例6. Fc受体介导的内吞作用

○ 抑制剂：白皮脂醇

○ 实施例7. 甘露糖受体介导的内吞作用

○ 抑制剂：甘露聚糖

○ 实施例8. 肠上皮细胞

○ 肠上皮细胞通过转胞吞作用将 IgA 定位到肠腔以消除细菌。

○ 【通用靶标受体和配体】(https://jb243.github.io/pages/841)

输入时间：2015年6月25日10:01

修改：2019.2.16 09:45