生物化学与分子生物学课件

生物化学与分子生物学欢迎来到生物化学与分子生物学的世界！本课程将带您探索生命的微观层面，揭示生物体内各种化学反应和分子机制的奥秘我们将从生物大分子的基本组成开始，逐步深入到酶的催化、代谢途径、基因表达调控以及基因工程等前沿技术希望通过本课程的学习，您能对生命科学有一个更深刻的理解生物化学的定义和研究目标定义研究目标生物化学是研究生物体内化学成分及其变化规律的科学它旨在生物化学的研究目标包括阐明生物大分子的结构与功能；揭示阐明生命现象的化学本质，探索生物体内的分子结构、功能和相生物代谢途径的调控机制；理解遗传信息的传递与表达；以及探互作用索生物体内各种生理过程的化学基础生物大分子的基本组成蛋白质核酸12由氨基酸通过肽键连接而成，是生物体结构和功能的重要组包括DNA和RNA，由核苷酸组成，是遗传信息的载体，参成部分，参与催化、运输、免疫等多种生理过程与基因的复制、转录和翻译碳水化合物脂质34由单糖组成，是生物体的主要能量来源，参与细胞识别、信包括脂肪、磷脂、类固醇等，是生物膜的重要组成部分，参号传递等过程与能量储存、信号传递等过程蛋白质的结构与功能一级结构二级结构三级结构氨基酸的线性序列，决局部区域的折叠模式，整个多肽链的三维结定了蛋白质的基本性如螺旋和折叠构，由各种化学键维αβ质持四级结构多个亚基的组装，形成具有功能的蛋白质复合物核酸的结构与遗传信息DNA1双螺旋结构，由脱氧核苷酸组成，是遗传信息的长期储存者RNA2单链结构，由核糖核苷酸组成，参与基因的转录和翻译遗传信息3DNA中的碱基序列决定了蛋白质的氨基酸序列，从而决定了生物体的性状碳水化合物的功能能量来源结构成分葡萄糖是细胞的主要能量来源，纤维素是植物细胞壁的主要成通过糖酵解和氧化磷酸化产生分，几丁质是昆虫外骨骼的主要ATP成分细胞识别糖蛋白和糖脂参与细胞间的识别和信号传递脂质的结构和种类脂肪磷脂类固醇甘油三酯，由甘油和脂肪酸组成，是能量细胞膜的主要成分，具有亲水和疏水两包括胆固醇、性激素等，参与信号传递和储存的主要形式端调节生物大分子的化学键共价键离子键1原子间共享电子对形成的强化学键，如肽带相反电荷的离子之间的吸引力形成的化2键、磷酸二酯键学键范德华力氢键4分子间弱相互作用力，包括伦敦分散力、3氢原子和电负性原子之间的吸引力形成的偶极-偶极作用等弱化学键酶的化学结构与催化机制全酶1具有活性的酶，由辅酶或辅基和酶蛋白组成辅酶2与酶蛋白结合的小分子有机物，参与催化反应辅基3与酶蛋白结合的金属离子或有机小分子，参与催化反应酶蛋白4酶的主要成分，提供活性位点酶的分类和调节氧化还原酶1催化氧化还原反应转移酶2催化基团转移反应水解酶3催化水解反应裂合酶4催化裂解反应酶的调节包括底物浓度、产物浓度、酶的修饰、激活剂和抑制剂等生物氧化与能量代谢Glycolysis CitricAcid CycleOxidative Phosphorylation生物氧化是指生物体内有机物氧化分解，释放能量的过程能量代谢是指生物体内能量的获取、转化和利用的过程生物氧化与能量代谢密切相关，通过生物氧化，生物体可以获取能量，并将其转化为ATP等形式，供细胞利用解糖代谢路径葡萄糖起始分子，通过一系列酶促反应分解果糖二磷酸-1,6-重要的中间产物丙酮酸最终产物，可进一步氧化分解或转化为乳酸和ATP NADH能量和还原力，供细胞利用糖异生途径定义意义糖异生是指由非糖类物质（如乳酸、甘油、氨基酸）合成葡萄糖糖异生可以维持血糖的稳定，为大脑和红细胞提供葡萄糖，防止的过程主要发生在肝脏和肾脏中低血糖症的发生三羧酸循环乙酰CoA柠檬酸1进入循环的起始分子，与草酰乙酸结合循环的第一个产物2草酰乙酸4α-酮戊二酸循环的最终产物，与乙酰CoA结合，循环3重要的中间产物，参与氨基酸代谢重新开始三羧酸循环又称柠檬酸循环或克雷布斯循环，是有机物氧化分解的中心途径，释放大量的能量和还原力电子传递链与氧化磷酸化脱氢酶NADH1复合体I，将NADH中的电子传递给泛醌细胞色素还原酶2复合体III，将泛醌中的电子传递给细胞色素c细胞色素氧化酶3复合体IV，将细胞色素c中的电子传递给氧气，生成水合成酶ATP4利用质子梯度合成ATP脂肪酸代谢脂肪酸合成脂肪酸氧化在细胞质中进行，以乙酰CoA为原料，合成脂肪酸在线粒体中进行，将脂肪酸分解为乙酰CoA，释放能量生物膜的结构与功能磷脂双分子层膜蛋白生物膜的基本结构，具有流动性镶嵌或贯穿于脂双层中，参与物和选择通透性质运输、信号传递等过程膜脂除磷脂外，还包括胆固醇等，影响膜的流动性和稳定性细胞信号转导通路信号分子与受体结合，启动信号转导受体接收信号分子，激活细胞内信号通路信号蛋白传递信号，放大信号，调控细胞功能效应分子改变细胞行为，如基因表达、细胞代谢等基因的复制与转录复制转录1以DNA为模板，合成新的DNA分子，保以DNA为模板，合成RNA分子，将遗传2证遗传信息的传递信息传递给蛋白质合成复制和转录是基因表达的基础，保证了遗传信息的准确传递和利用加工与翻译RNA剪接RNA1去除RNA前体中的内含子，保留外显子加帽RNA2在RNA5端添加帽子结构，保护RNA免受降解加尾RNA3在RNA3端添加polyA尾，增加RNA的稳定性翻译4以mRNA为模板，合成蛋白质基因表达的调控转录调控翻译调控表观遗传调控通过转录因子与DNA的结合，调控基因的通过RNA结合蛋白与mRNA的结合，调控通过DNA甲基化和组蛋白修饰，调控基因转录起始基因的翻译效率的表达损伤与修复DNA损伤修复DNA DNA由紫外线、化学物质等引起的细胞通过各种机制修复DNA损DNA结构改变伤，维持基因组的稳定性修复机制DNA包括碱基切除修复、核苷酸切除修复、错配修复等细胞周期与细胞分裂G1期细胞生长和准备复制S期DNA复制G2期细胞准备分裂M期细胞分裂细胞凋亡与凋亡信号执行阶段Caspase蛋白酶激活，降解细胞内蛋白质清除阶段凋亡细胞被吞噬细胞清除启动信号细胞接2收凋1亡信号，启动3凋亡程序干细胞的特性与分化全能干细胞1可以分化成所有类型的细胞，包括胚胎和胚胎外组织多能干细胞2可以分化成多种类型的细胞，但不包括胚胎外组织单能干细胞3只能分化成一种类型的细胞原核细胞基因组结构环状DNA1原核细胞的基因组是环状DNA分子质粒2小型环状DNA分子，携带额外的基因无核膜3原核细胞没有核膜，DNA直接位于细胞质中真核生物基因组的组织线性DNA染色质核膜真核生物的基因组是线性DNA分子DNA与组蛋白结合形成染色质真核细胞有核膜，DNA位于细胞核中基因工程技术概述DNA重组基因克隆将不同来源的DNA片段连接在一将目的基因复制到载体中，并在起宿主细胞中扩增基因转移将目的基因导入宿主细胞测序技术的发展DNA测序Sanger第一代测序技术，准确但成本高二代测序高通量测序技术，成本低，速度快三代测序单分子测序技术，无需PCR扩增，可直接测序长片段DNA基因克隆的步骤获取目的基因构建重组DNA分子1通过PCR或化学合成获得目的基因将目的基因插入载体2筛选阳性克隆4转化宿主细胞3筛选含有目的基因的宿主细胞将重组DNA分子导入宿主细胞重组技术应用DNA基因工程药物1如胰岛素、干扰素等基因工程疫苗2如乙肝疫苗等基因工程食品3如转基因玉米、大豆等人类基因组计划目标1测定人类基因组的全部DNA序列意义2为人类疾病的诊断、治疗和预防提供基础蛋白质组学研究方法双向电泳质谱蛋白质芯片分离蛋白质的常用方法鉴定蛋白质的常用方法高通量分析蛋白质表达和相互作用基因表达谱分析技术微阵列检测基因表达水平的常用方法测序RNA高通量测序技术，可用于检测基因表达水平和发现新的RNA分子生物信息学在基因组学中的应用基因组注释识别基因组中的基因和其他功能元件比较基因组学比较不同物种的基因组，研究进化关系基因组变异分析识别基因组中的单核苷酸多态性（SNP）和其他变异生物芯片技术蛋白质芯片2用于检测蛋白质表达水平和蛋白质相互作用芯片DNA1用于检测基因表达水平和基因组变异细胞芯片3用于研究细胞行为和药物筛选基因治疗的原理与策略基因替代1用正常的基因替代突变的基因基因添加2将正常的基因添加到细胞中基因沉默3抑制突变基因的表达干细胞在再生医学中的应用组织修复1利用干细胞修复受损的组织器官移植2利用干细胞培养新的器官合成生物学与代谢工程合成生物学代谢工程设计和构建新的生物系统优化细胞的代谢途径，提高产量生物化学与分子生物学在医学中的应用疾病诊断药物开发利用生物化学和分子生物学方法利用生物化学和分子生物学方法诊断疾病开发新药基因治疗利用基因治疗方法治疗疾病生物化学与分子生物学在农业中的应用转基因作物培育抗虫、抗旱、高产的转基因作物生物农药开发生物农药，减少化学农药的使用动物育种利用分子标记辅助育种，提高动物的生产性能生物化学与分子生物学在环境保护中的应用生物监测2利用生物指标监测环境污染生物修复1利用微生物修复受污染的环境生物降解3利用微生物降解污染物生物化学与分子生物学前沿发展趋势单细胞测序1研究单个细胞的基因组、转录组和蛋白质组基因编辑CRISPR2精确编辑基因组的技术人工智能3应用于生物数据的分析和预测生物化学与分子生物学的伦理问题基因编辑1基因编辑技术的伦理问题基因治疗2基因治疗的安全性和有效性问题生物化学与分子生物学的未来展望个性化医疗精准农业合成生物学根据个体的基因组信息，制定个性化的诊根据作物的基因组信息，进行精准的种植设计和构建新的生物系统，解决能源、环疗方案和管理境和健康问题。