张伟杰-生物化学课件

生物化学绪论生物化学是研究生命现象中化学过程的科学，探索生物体内分子水平上的结构与功能本课程将带领大家深入了解生物大分子的结构、性质及其在生命活动中的作用机制我们将系统学习蛋白质、核酸、酶、糖类、脂类等生物分子的基本知识，以及它们在代谢过程中的变化规律通过掌握生物化学的基础理论和研究方法，我们能够更好地理解生命科学的本质生物化学是现代生命科学的基石，对医学、药学、农业等领域具有重要意义让我们一起踏上探索生命奥秘的旅程！生物化学的定义与研究内容定义研究层次12生物化学是研究生物体内的化生物化学主要在分子水平上研学物质和化学反应的科学，旨究生命现象，包括细胞内分子在揭示生命现象的分子基础的结构与功能、生物大分子之它关注生物体内的分子结构、间的相互作用以及化学反应的性质、分布及其在生命活动中调控机制，是连接化学与生物的作用和变化规律学的桥梁研究内容3研究内容包括生物大分子（蛋白质、核酸、糖类、脂类）的结构与功能、生物体内的代谢过程及其调控、基因表达与调控机制、生物膜结构与功能等方面生物化学的发展历史古典生物化学时期（世纪前）191这一阶段主要是对生物物质的分离和初步鉴定，如乌雷在1828年合成尿素，证明了有机物可以在实验室中人工合成，打破了活力论的分子生物化学时期（世纪末世纪中）219-20束缚这一时期科学家们开始研究生物大分子的结构与功能，如布赫纳发现无细胞发酵现象，证明了酶在细胞外也能发挥作用；桑格测定胰岛素现代生物化学时期（世纪中至今）20-3的氨基酸序列分子生物学兴起后，生物化学研究进入了基因和蛋白质层面，研究方法和技术日益精进，如DNA双螺旋结构的解析、基因组计划的完成等都标志着生物化学研究的深入发展生物化学与其他学科的关系与化学的关系与生物学的关系生物化学源于化学，采用化学的理论与生物化学是现代生物学的基础，它为细方法研究生物体内的化学物质和化学变胞生物学、遗传学、生理学等提供了分12化，特别是有机化学和物理化学为生物子水平的解释，帮助解答生命是什么化学提供了重要的理论基础和研究手段这一根本问题与其他学科的交叉与医学的关系生物化学还与物理学、计算机科学等学生物化学与医学密切相关，许多疾病的43科交叉融合，形成了生物物理学、计算发生与生物化学过程的异常有关，了解生物学等新兴学科，促进了科学的全面这些异常有助于疾病的诊断、预防和治发展疗，是现代医学的重要基础生物化学的研究方法分离纯化技术包括离心分离、色谱技术、电泳技术等，用于从复杂的生物样品中分离和纯化特定的生物分子，为后续研究提供纯净的样品色谱技术主要有层析色谱、气相色谱、高效液相色谱等结构分析技术包括X射线晶体衍射、核磁共振波谱、质谱、电子显微镜等，用于确定生物大分子的三维结构，了解其功能与结构的关系这些技术的发展大大推动了生物化学研究的深入分子生物学技术包括基因克隆、聚合酶链反应PCR、基因测序、基因编辑等，用于研究核酸和蛋白质的序列、功能及其在生命过程中的作用，是现代生物化学研究的重要手段生物信息学方法利用计算机技术对大量的生物数据进行分析和处理，预测生物大分子的结构和功能，探索基因组学、蛋白质组学等领域的规律，为生物化学研究提供了新视角蛋白质的化学组成元素组成氨基酸组成分子量范围蛋白质主要由碳、氢、氧、氮蛋白质由氨基酸通过肽键连接而成自然蛋白质的分子量从几千到几百万道尔顿不C HO四种元素组成，同时还含有少量的硫界中有种常见氨基酸参与蛋白质的组等，小的肽类如胰岛素约有千道尔顿N

205.7和磷其中氮元素是蛋白质区别于成，每种氨基酸都有特定的结构和性质，，而大的蛋白质如血红蛋白可达千道S P64糖类和脂类的重要标志，氮的含量约为决定了蛋白质的功能多样性尔顿以上，反映了蛋白质结构的复杂性和多样性16%氨基酸的结构与性质基本结构物理化学性质分类氨基酸是含有氨基氨基酸具有两性特点，根据侧链基团的性质-R和羧基的既能与酸反应又能与碱，氨基酸可分为非极性NH₂-COOH有机化合物，通常以反应，在特定值（等（疏水性）、极性无电α-pH氨基酸形式存在，即氨电点）下呈现电中性荷、酸性和碱性四类基和羧基连接在同一个不同氨基酸的等电点不这种分类反映了氨基酸碳原子碳上碳还同，这一特性是电泳分在蛋白质结构中的环境αα连接一个氢原子和一个离的基础大多数氨基偏好和可能的相互作用特定的侧链基团酸易溶于水，难溶于有R机溶剂蛋白质的一级结构定义蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即蛋白质的氨基酸序列它是由遗传信息决定的，是蛋白质最基本的结构层次肽键形成氨基酸之间通过脱水缩合反应形成肽键，一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间形成共价键，释放一分子水肽键具有部分双键特性，呈平α--CO-NH-面结构序列测定蛋白质一级结构的测定方法包括埃德曼降解法和质谱法埃德曼降解法是从N端逐个切下氨基酸并鉴定；质谱法通过分析蛋白质酶解片段的质荷比来确定序列序列意义一级结构决定蛋白质的高级结构和功能即使一个氨基酸的变化也可能导致蛋白质结构和功能的显著改变，如镰状细胞贫血症就是因为血红蛋白链第β位氨基酸从谷氨酸变为缬氨酸所致6蛋白质的二级结构螺旋折叠无规卷曲α-β-螺旋是蛋白质常见的二级结构之一，呈折叠是另一种重要的二级结构，由相邻无规卷曲是指那些不形成规则螺旋或α-β-α-β-右手螺旋状，每个螺旋圈约有个氨基酸的多肽链段通过氢键连接形成片状结构折叠的区域，这些区域结构较为灵活，常

3.6残基螺旋内部通过肽链与之间的根据肽链方向可分为平行折叠和反平行在蛋白质表面形成环状结构，连接螺旋C=O NHβ-α-氢键稳定，使螺旋结构紧密有序螺旋折叠折叠是许多纤维蛋白（如丝素和折叠，对蛋白质的柔性和功能具有重α-β-β-β-在球蛋白和膜蛋白中广泛存在蛋白）的主要结构要意义蛋白质的三级结构定义蛋白质的三级结构是指肽链在空间的折叠方式，是整个肽链（包括二级结构元件）所形成的三维空间构象这种空间结构对蛋白质发挥特定的生物学功能至关重要稳定力三级结构主要由多种非共价键和相互作用维持，包括氢键、疏水相互作用、离子键（盐桥）、范德华力以及二硫键（共价键）其中疏水相互作用是维持蛋白质稳定构象的主要力量结构域大分子蛋白质常由几个相对独立的结构单元（结构域）组成，每个结构域可能具有特定的功能结构域通常含有100-200个氨基酸残基，可以独立折叠成稳定的三维结构测定方法蛋白质三级结构的主要测定方法包括X射线晶体衍射、核磁共振NMR波谱和冷冻电子显微镜技术这些方法能够提供蛋白质原子水平的精确结构信息蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构是指由两个或多个肽链（亚基）通过非共价键相互作用形成的多亚基蛋白质复合体每个亚基都有自己的一级、二级和三级结构，它们通过特定的相互作用组装成具有特定功能的蛋白质复合体四级结构的稳定主要依靠亚基间的疏水相互作用、氢键、离子键等非共价键亚基的组装方式和相对位置对蛋白质的功能具有决定性作用例如，血红蛋白由四个亚基（两个链和两个链）组成，四个亚基之间的相互作用和构象变化使血红蛋白能够高效地结合和释放氧气αβ许多酶、受体、离子通道和转运蛋白都具有四级结构，这种结构允许蛋白质进行复杂的调节和特异性功能的实现蛋白质的生物学功能催化功能1酶是最重要的一类蛋白质，它们作为生物催化剂，能够加速生物体内的化学反应，而自身不被消耗几乎所有的生命活动都需要酶的参与，从简单的水解反应到复杂的DNA复制，都离不开特定酶的催化作用结构支持2结构蛋白如胶原蛋白、角蛋白和弹性蛋白等，为细胞和组织提供机械支持和保护胶原蛋白是人体最丰富的蛋白质，主要存在于结缔组织中，如皮肤、肌腱和骨骼运输功能3许多蛋白质负责运输小分子和离子，如血红蛋白运输氧气，血清白蛋白运输脂肪酸，膜转运蛋白运输葡萄糖和离子等这些蛋白质确保必要物质在体内的正常运输和分布调节功能4激素、细胞因子和生长因子等蛋白质通过与特定受体结合，调节基因表达和细胞活动免疫球蛋白（抗体）识别和中和外来物质，是机体免疫防御的重要组成部分核酸的化学组成53元素种类基本组分核酸主要由碳C、氢H、氧O、氮N和磷P核酸由三种基本组分构成含氮碱基、五碳糖和五种元素组成，其中磷元素是核酸区别于其他生磷酸这三种组分通过特定方式连接形成核苷酸物大分子的特征元素，进而组装成核酸分子2核酸类型自然界中存在两种主要类型的核酸脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA，它们在五碳糖和部分碱基的种类上有所差异核酸是生物体内携带遗传信息的重要大分子，其化学组成与结构直接关系到遗传信息的储存和传递磷酸基团带负电荷，使核酸在生理pH下呈现酸性特征核酸中所含的碱基可分为嘌呤碱基（腺嘌呤A、鸟嘌呤G）和嘧啶碱基（胞嘧啶C、胸腺嘧啶T、尿嘧啶U），它们的特定配对是双螺旋结构形成的基础核苷酸的结构与性质基本结构五碳糖差异核苷酸由三部分组成含氮碱基、五碳中的五碳糖是脱氧核糖，而DNA2-RNA糖和磷酸基团碱基通过糖苷键与五1N-中是核糖二者的区别在于位碳原子2碳糖的位连接形成核苷，核苷再与磷酸21上，脱氧核糖缺少一个羟基-OH酯化形成核苷酸生物学功能碱基类型核苷酸不仅是核酸的基本组成单位，还核苷酸中的碱基可分为嘌呤碱基（、A G4参与多种重要的生物过程，如是细）和嘧啶碱基（、、）含有ATP CT UDNA3胞能量代谢的主要载体，是重要的、、、四种碱基，而中被cAMP AG CT RNAT U第二信使取代的结构DNA一级结构的一级结构是指脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸链，这种连接方式使链具有方向1DNA3,5-DNA性，一端为端（磷酸端），另一端为端（羟基端）53二级结构的经典二级结构是模型描述的双螺旋结构，两条互补的多核苷酸链以DNA Watson-Crick2反平行方式盘旋，碱基对位于内侧，磷酸糖骨架在外侧碱基间的氢键（形成两个-A-T氢键，形成三个氢键）和碱基堆积作用维持了双螺旋的稳定性G-C特殊结构除了经典的型外，还存在型和型此外，还可B DNAA ZDNA DNA3以形成发夹结构、十字结构和三链等特殊构象，这些结构可DNA能在基因表达调控中发挥作用的结构RNA特征结构描述功能意义化学组成由核糖、磷酸和碱基核糖上位的使2OH RNA组成，代替比更不稳定，易于水A,G,C,U UDNA中的解DNA T空间构象通常为单链分子，但可通这种灵活性使能够执RNA过分子内碱基配对形成复行多种功能，不仅传递信杂的二级和三级结构息，还能催化反应结构多样性包括发夹、茎环、假结、这些结构元件对的功RNA内环和交叉连接等多种结能至关重要，如的tRNA构元件三叶草结构种类差异主要包括、不同类型的在基因表mRNA tRNARNA、以及多种非编码达的不同阶段发挥作用，rRNA确保遗传信息的准确传递RNA核酸的生物学功能信息表达1基因表达与调控生物催化2催化生物化学反应信息存储3遗传信息的储存信息传递4遗传信息的传递DNA作为遗传物质，是遗传信息的主要储存形式，它将遗传信息以碱基序列的形式保存并在细胞分裂时通过复制传递给子代DNA的信息通过转录过程被传递到RNA，特别是信使RNAmRNA，而后mRNA通过翻译过程指导蛋白质的合成除了mRNA，其他类型的RNA也有重要功能转运RNAtRNA在翻译过程中负责携带氨基酸；核糖体RNArRNA是核糖体的重要组成部分；非编码RNA如miRNA和siRNA参与基因表达的调控；核酶如核糖体中的rRNA具有催化活性，能够促进特定的生化反应近年来，科学家们发现RNA在基因调控、细胞分化和发育等方面具有更为广泛的功能，为理解生命本质提供了新视角酶的概念与特性催化剂本质高度特异性受环境影响酶是生物催化剂，能够显著加酶对底物具有高度特异性，只酶的活性受温度、pH值、离子速生化反应的速率而自身不被能催化特定的底物或特定类型强度等环境因素的影响每种消耗与无机催化剂相比，酶的化学反应这种特异性源于酶都有其最适温度和pH值，超的催化效率通常高出数百万倍酶的三维结构与底物分子之间出适宜范围会导致酶的构象变，使生命活动得以在温和条件的精确匹配，常被比喻为锁和化，活性降低甚至完全丧失下高效进行钥匙或诱导契合关系活性可调节酶的活性可通过多种方式调节，包括别构调节、共价修饰、酶原激活和酶抑制剂等这些调节机制使细胞能够根据生理需要精确控制代谢途径的速率酶的作用机制无酶反应酶促反应酶通过降低化学反应的活化能来加速反应速率酶与底物结合形成酶-底物复合物，这种结合使底物处于有利于反应的构象，并使反应过渡态的能量降低，从而减少了反应所需的能量障碍酶促反应通常遵循诱导契合模型，即酶与底物结合后，酶的活性位点构象发生变化，更好地适应底物，增强酶-底物相互作用活性位点通常位于酶分子表面的凹陷处，含有参与催化的关键氨基酸残基大多数酶促反应可以简化为三个步骤1酶与底物结合形成ES复合物；2催化反应发生，底物转化为产物；3产物释放，酶分子恢复原状可再次催化反应上图显示了酶如何降低反应能垒，加速反应进行酶的活性调节底物浓度调节别构调节酶促反应速率与底物浓度有关，遵循米氏方程底物浓度低时，反应速率许多酶具有调节位点，当效应分子与之结合时，会引起酶构象变化，进而随底物浓度增加而近似线性增加；当底物浓度远高于Km值时，酶趋于饱和影响活性位点与底物的亲和力别构激活剂增强酶活性，别构抑制剂降低，反应速率接近最大反应速率Vmax酶活性这种机制在代谢途径的反馈调节中尤为重要共价修饰酶原激活酶通过可逆的共价修饰调节活性，如磷酸化、糖基化、乙酰化等蛋白激某些酶以无活性的前体（酶原）形式合成，需要通过特定的蛋白水解作用酶催化的磷酸化是最常见的修饰方式，可激活或抑制酶活性，对细胞信号去除一段肽链才能激活这种机制常见于消化酶和凝血因子等，可防止酶转导至关重要在错误的时间和地点发挥作用酶的分类与命名氧化还原酶转移酶水解酶裂解酶催化氧化还原反应，涉及电子催化官能团从一个分子转移到催化水解反应，通常断裂催化底物分子断裂为两个产物C-O转移典型例子包括脱氢酶、另一个分子包括转氨酶、激、、等化学键包括，不需要水参与如脱羧酶催C-N C-C氧化酶和还原酶如乳酸脱氢酶和甲基转移酶等如己糖激蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等化脱去羧基，醛缩酶催化断裂酶催化乳酸与丙酮酸之间酶催化磷酸基团转移到葡如胰蛋白酶水解蛋白质中的肽键果糖二磷酸醛缩LDH ATPC-C-1,6-的可逆转化，是糖酵解过程的萄糖上，形成葡萄糖磷酸，键，胰脂肪酶水解脂肪中的酯酶在糖酵解中将六碳糖分解为-6-关键酶是糖代谢的第一步键两个三碳糖维生素的分类与功能脂溶性维生素包括维生素、、、，它们能溶于脂肪和有机溶剂，不溶于水这类维A D E K生素可在体内储存，过量摄入可能导致毒性维生素参与视觉过程；维生A素促进钙吸收；维生素是抗氧化剂；维生素参与血液凝固DEK水溶性维生素包括维生素和族维生素（、、、、、、、），它C BB1B2B3B5B6B7B9B12们溶于水，体内不易储存，需要经常补充水溶性维生素主要作为辅酶参与多种代谢反应，如（硫胺素）是丙酮酸脱氢酶复合体的辅酶B1维生素缺乏症不同维生素缺乏会导致特定的疾病，如维生素缺乏导致夜盲症；维生素A D缺乏导致佝偻病；维生素缺乏导致坏血病；维生素缺乏导致脚气病；维C B1生素缺乏导致恶性贫血等B12糖的化学组成元素组成基本结构单元12糖类是碳水化合物的一种，主糖类的基本结构单元是单糖，要由碳、氢和氧三种如葡萄糖、果糖和半乳糖等C HO元素组成大多数糖的分子式单糖不能通过水解反应分解为可表示为，其中更简单的糖单糖通过糖苷键CH₂On n≥3这种组成反映了糖类的基本连接形成二糖和多糖，如蔗糖特征，即含有多个羟基的醛或、麦芽糖、淀粉和纤维素等酮功能基团3糖分子中的关键功能基团包括羟基、醛基或酮基-OH-CHO C=O羟基使糖具有良好的水溶性；醛基或酮基使糖具有还原性，可以被氧化剂如费林试剂氧化，这是鉴别还原糖的重要依据单糖的结构与性质单糖是最简单的糖类，不能通过水解反应分解为更简单的糖根据含有的碳原子数目，单糖可分为三碳糖（如丙糖）、四碳糖（如赤藓糖）、五碳糖（如核糖）和六碳糖（如葡萄糖）等根据所含的羰基类型，单糖可分为醛糖（如葡萄糖）和酮糖（如果糖）单糖在水溶液中主要以环状结构存在，这是由于羰基与远端羟基之间形成半缩醛结构所致六碳糖通常形成六元环（吡喃型），五碳糖常形成五元环（呋喃型）环化过程使原来的羰基碳原子变成新的手性中心，产生和两种异构体，这种现象称为变旋现象αβ单糖具有良好的水溶性和甜味，多数单糖（如葡萄糖）具有还原性，可以被氧化剂如费林试剂和托伦试剂氧化单糖是生物体能量代谢的重要物质，如葡萄糖是人体主要的能量来源二糖和多糖的结构与性质二糖多糖生物学意义二糖由两个单糖通过糖苷键连接而成根多糖是由多个单糖通过糖苷键连接而成的糖类在生物体中具有重要功能作为能量据单糖间连接的方式不同，二糖可分为还高分子化合物，分子量通常很大多糖可来源（如葡萄糖）；作为能量储备（如糖原性和非还原性两类麦芽糖和乳糖是还分为同多糖（如淀粉、糖原和纤维素）和原、淀粉）；作为结构成分（如纤维素、原性二糖，因为它们保留了一个游离的醛杂多糖（如透明质酸、硫酸软骨素）淀几丁质）；参与细胞识别和信号传递（如基；而蔗糖是非还原性二糖，两个单糖的粉由糖苷键连接的直链淀粉和含有糖蛋白、糖脂）不同的糖结构决定了它α-1,4还原性基团相互连接，失去了还原性分支的支链淀粉组成；纤维素由们的特定功能α-1,6β-糖苷键连接的葡萄糖组成1,4糖代谢概述摄入与消化分解代谢膳食中的碳水化合物（如淀粉、蔗糖）葡萄糖通过糖酵解、丙酮酸氧化、三羧在消化道中被淀粉酶和二糖酶水解为单酸循环和电子传递链完全氧化为和CO₂1糖（主要是葡萄糖），然后被肠道吸收，释放能量合成在氧气不足H₂O ATP2进入血液循环时，丙酮酸可转化为乳酸调节机制合成代谢糖代谢受多种激素调控，特别是胰岛素在能量充足时，过量的葡萄糖转化为糖和胰高血糖素胰岛素促进葡萄糖摄取4原储存在肝脏和肌肉中，或转化为脂肪和糖原合成，抑制糖异生；胰高血糖素3储存在脂肪组织在需要时，通过糖异则促进肝糖原分解和糖异生，提高血糖生途径，非糖物质（如氨基酸、乳酸）水平可转化为葡萄糖糖酵解过程第一阶段磷酸化1葡萄糖首先被己糖激酶磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，消耗1分子ATP；葡萄糖-6-磷酸异构为果糖-6-磷酸；果糖-6-磷酸再被磷酸果糖激酶磷酸化为果糖-1,6-二磷酸，再消耗1分子ATP这一阶段需要投入2分子ATP第二阶段裂解2果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶的作用下，裂解为两个三碳分子二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸在三磷酸异构酶的作用下，转变为甘油醛-3-磷酸此时，1分子葡萄糖转化为2分子甘油醛-3-磷酸第三阶段氧化与产能3甘油醛-3-磷酸脱氢转化为1,3-二磷酸甘油酸，同时NAD⁺还原为NADH；1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，同时产生1分子ATP；3-磷酸甘油酸经过一系列反应最终生成丙酮酸，再产生1分子ATP这一阶段每分子甘油醛-3-磷酸产生2分子ATP和1分子NADH糖异生过程糖异生是从非糖前体物质（如氨基酸、乳酸、甘油）合成葡萄糖的过程，主要发生在肝脏和肾脏这一过程对维持血糖水平至关重要，特别是在禁食状态下糖异生与糖酵解不是简单的逆过程糖酵解中的三个不可逆步骤（己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应）在糖异生中需要绕道进行丙酮酸首先转化为草酰乙酸，再转化为磷酸烯醇丙酮酸；果糖-1,6-二磷酸在果糖-1,6-二磷酸酶的作用下去磷酸化为果糖-6-磷酸；葡萄糖-6-磷酸在葡萄糖-6-磷酸酶的作用下生成葡萄糖糖异生是一个高能耗过程，如上图所示，从2分子丙酮酸合成1分子葡萄糖需消耗6分子ATP，2分子GTP和2分子NADH糖异生受多种激素调控，如胰高血糖素和肾上腺皮质激素促进糖异生，而胰岛素抑制糖异生糖原的合成与分解糖原合成糖原合成始于葡萄糖-6-磷酸，它首先转化为葡萄糖-1-磷酸，再与UTP反应生成UDP-葡萄糖糖原合酶将UDP-葡萄糖中的葡萄糖转移到现有糖原链的非还原端，通过α-1,4糖苷键连接分支酶将部分α-1,4连接的葡萄糖链段转移并形成α-1,6糖苷键，创建分支点糖原分解糖原分解由磷酸化酶催化，该酶使用无机磷酸而非水来断裂α-1,4糖苷键，产生葡萄糖-1-磷酸，称为磷酸解反应当达到距分支点4个葡萄糖残基处时，转移酶将3个葡萄糖残基转移到另一链上，留下单个葡萄糖残基连接在分支点然后α-1,6-葡萄糖苷酶（去分支酶）水解α-1,6糖苷键调节机制糖原代谢受激素和代谢状态的严格调控胰岛素促进糖原合成，通过激活糖原合酶和抑制磷酸化酶；胰高血糖素和肾上腺素则促进糖原分解，通过级联放大效应激活磷酸化酶代谢信号如AMP/ATP比值升高也可促进糖原分解，为机体提供能量磷酸戊糖途径23主要阶段主要功能磷酸戊糖途径（又称戊糖磷酸途径或己糖单磷酸途该途径具有三个主要功能产生NADPH用于还原生径）分为氧化阶段和非氧化阶段氧化阶段生成物合成反应；生成核糖-5-磷酸用于核苷酸和核酸合NADPH和核糖-5-磷酸；非氧化阶段将五碳糖转化成；连接糖酵解途径，允许非氧化阶段的中间产物为三碳糖和六碳糖中间产物重新进入糖酵解6葡萄糖分子数在完整的磷酸戊糖途径中，6分子葡萄糖-6-磷酸进入，产生6分子CO₂、12分子NADPH和5分子葡萄糖-6-磷酸回到糖酵解途径，这种物质平衡对维持细胞代谢很重要磷酸戊糖途径的第一步是葡萄糖-6-磷酸脱氢反应，由葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD催化，生成6-磷酸葡萄糖酸内酯和NADPH这是该途径的限速步骤，G6PD缺乏可导致溶血性贫血接下来，内酯水解为6-磷酸葡萄糖酸，再经脱羧反应生成核糖-5-磷酸，同时产生第二分子NADPH和CO₂生物氧化概述定义与意义生物氧化是指生物体内有机物质被氧化以释放能量的过程，是生物体获取能量的主要方式这些反应通常涉1及电子和氢的转移，最终电子传递给氧气，形成水主要途径生物氧化的主要途径包括糖酵解、丙酮酸氧化、三羧酸循环和电子传递链这些途径2共同构成了从食物到的能量转换系统，是细胞能量代谢的核心ATP能量转换生物氧化过程中释放的能量部分用于合成，部分以热能形ATP3式散失是细胞中最主要的能量载体，可以为各种生命活ATP动提供直接的能量来源三羧酸循环三羧酸循环（又称柠檬酸循环或克雷布斯循环）是有氧呼吸的关键环节，发生在线粒体基质中它接收来自糖酵解的丙酮酸，将其完全氧化为，同时产生还原当量（和）和少量CO₂NADH FADH₂ATP循环始于乙酰与草酰乙酸结合形成柠檬酸乙酰主要来源于丙酮酸的氧化脱羧，这一步由丙酮酸脱氢酶复合体催化随后，柠檬酸经过CoA CoA一系列酶促反应，依次转化为顺乌头酸、异柠檬酸、酮戊二酸、琥珀酰、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸，最终回到草酰乙酸，完成一个循环α-CoA在一个完整的三羧酸循环中，每分子乙酰产生分子、分子、分子（或）和分子这些还原当量随后进入电子CoA3NADH1FADH₂1GTP ATP2CO₂传递链，通过氧化磷酸化产生大量三羧酸循环不仅是能量代谢的中心，也是多种生物合成途径的起点，提供了多种中间代谢物ATP电子传递链复合体（脱氢酶）1I NADH接收来自NADH的电子，NADH被氧化为NAD⁺，同时将电子传递给辅酶Q（泛醌）这一过程伴随着质子从线粒体基质泵入膜间隙，建立质子梯度复合体I是电子传递链中最大的蛋白质复合体复合体（琥珀酸脱氢酶）2II催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时将电子传递给辅酶Q与复合体I不同，复合体II不泵质子，因此不直接贡献于质子动力势复合体II是三羧酸循环的一部分，也参与电子传递链复合体（细胞色素还原酶）3III c接收来自还原型辅酶Q的电子，将其传递给细胞色素c这一过程也伴随着质子从基质泵入膜间隙复合体III包含多种细胞色素和铁硫蛋白，催化Q循环，提高能量利用效率复合体（细胞色素氧化酶）4IV c接收来自细胞色素c的电子，将其传递给氧分子，最终还原氧生成水此过程也泵质子进入膜间隙复合体IV含有多种细胞色素和铜离子，是有氧呼吸的末端氧化酶氧化磷酸化合酶结构化学渗透机制能量产量ATP合酶（复合体）是一个复杂的蛋白质化学渗透学说解释了如何利用质子梯度合氧化磷酸化是细胞产生的主要途径ATP VATP复合体，由和两部分组成嵌入线成电子传递链在泵质子过程中建立氧化一分子通过电子传递链可产生F₀F₁F₀ATP NADH粒体内膜，形成质子通道；突出在基质侧了跨膜质子梯度，形成质子动力势质子约分子；氧化一分子可产生F₁

2.5ATP FADH₂，含有催化中心，负责的合成整个沿浓度梯度通过合酶返回基质时释放约分子结合糖酵解和三羧酸循环ATP ATP

1.5ATP酶复合体看起来像一个棒棒糖，是头的能量用于驱动与无机磷酸结合形成，一分子葡萄糖完全氧化可产生约F₁ADP30-32部，是柄部分子F₀ATP ATP脂类的化学组成基本成分元素组成脂类是一组以脂肪酸为主要成分脂类主要由碳、氢和氧C HO的生物分子，通常含有脂肪酸和组成，某些脂类如磷脂还含有磷醇（如甘油）不同类型的脂质和氮脂类中氧的比例低P N在结构和功能上差异显著，但都于碳水化合物，这使得脂类存储具有一定程度的疏水性，这是由的能量密度更高，每克脂肪氧化脂肪酸的碳氢链段提供的释放的能量约为糖类的两倍分类脂类可分为简单脂（如甘油三酯）、复合脂（如磷脂、糖脂）和衍生脂（如胆固醇、脂溶性维生素）这种分类反映了脂类结构的多样性和功能的广泛性，从能量储存到细胞膜组成都有脂类参与脂肪酸的结构与性质基本结构饱和与不饱和物理性质脂肪酸是含有长碳氢链和末端羧基饱和脂肪酸碳链中不含双键，如棕榈酸饱和脂肪酸的熔点较高，室温下常为固态-的有机酸自然界常见的脂肪酸和硬脂酸不饱和脂肪酸；不饱和脂肪酸熔点较低，常为液态碳COOH C16:0C18:0碳链长度为个碳原子，大多数为偶含有一个或多个双键，如油酸和链越长，越疏水，水溶性越差在生物膜12-24C18:1数碳原子脂肪酸的基本结构决定了其两亚油酸不饱和脂肪酸的双键通中，不饱和脂肪酸的存在增加了膜的流动C18:2亲性特点，羧基亲水，碳氢链疏水常为顺式构型，使碳链产生弯曲，影响其性，这对膜功能至关重要物理性质甘油脂的结构与性质基本结构物理性质生物学功能甘油脂是甘油与脂肪酸甘油脂高度疏水，不溶甘油三酯是生物体主要形成的酯类，包括单酰于水，溶于有机溶剂的能量储存形式，每克基甘油、二酰基甘油和含有饱和脂肪酸的甘油脂肪氧化约释放能38kJ三酰基甘油（甘油三酯三酯熔点较高，常为固量，是糖类的两倍多）甘油三酯是最常见态（如动物脂肪）；含脂肪组织中储存的甘油的甘油脂，由一分子甘不饱和脂肪酸的甘油三三酯可在需要时被水解油与三分子脂肪酸通过酯熔点较低，常为液态，释放脂肪酸和甘油，酯键连接而成（如植物油）为细胞提供能量磷脂和糖脂的结构与性质磷脂结构糖脂结构生物膜中的作用磷脂是含磷的复合脂，主要包括磷脂酰胆糖脂是含糖的复合脂，由脂肪酸和糖基通磷脂和糖脂是生物膜的主要成分在水环碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂过糖苷键连接而成神经节苷脂是重要的境中，磷脂自发形成双分子层，疏水的脂酰肌醇等典型的磷脂由甘油骨架、两条糖脂之一，富含于神经组织糖脂的糖部肪酸尾部朝内，亲水的头部朝外，这种结脂肪酸链和一个含磷的极性头部组成，是分暴露在细胞表面，参与细胞识别和信号构是细胞膜的基础糖脂主要分布在膜的典型的两亲性分子传导外层，参与细胞间的识别和通讯固醇类的结构与性质胆固醇植物甾醇磷脂糖脂其他脂类固醇类是一组含有四环戊烷多氢菲结构的脂类化合物，是类固醇的重要组成部分胆固醇是动物细胞中最主要的固醇，而植物中则主要含有植物甾醇如谷甾醇和豆甾醇胆固醇是一种多环结构的脂类，由四个相连的环和一个羟基组成，具有一定的两亲性，但主要表现为疏水性胆固醇在哺乳动物细胞膜中含量丰富，在维持膜的流动性和稳定性方面发挥重要作用温度升高时，胆固醇减少膜的流动性；温度降低时，则阻止膜脂紧密排列，防止膜过于刚性胆固醇还是多种重要生物分子的前体，包括类固醇激素（如性激素和皮质激素）、维生素D和胆汁酸虽然胆固醇对人体至关重要，但血液中胆固醇水平过高与动脉粥样硬化和心血管疾病风险增加相关脂类代谢概述合成代谢分解代谢脂肪酸合成主要在细胞质中进行，以甘油三酯在脂肪组织中被脂肪酶水解乙酰CoA为起始原料，在脂肪酸合酶消化与吸收为脂肪酸和甘油游离脂肪酸通过β-的作用下逐步延长碳链新合成的脂氧化在线粒体中分解为乙酰CoA，后肪酸与甘油-3-磷酸结合形成甘油三酯膳食脂肪在胰脂肪酶和胆汁酸的作用者进入三羧酸循环完全氧化甘油可，储存在脂肪组织中胆固醇合成以调节机制下被消化为脂肪酸、单酰基甘油和甘转化为甘油-3-磷酸，进入糖酵解或糖乙酰CoA为起始原料，经过多步反应油，然后被小肠吸收吸收的脂类在脂类代谢受多种因素调控，包括激素异生途径在肝脏中完成肠道上皮细胞中重新合成甘油三酯，（如胰岛素、肾上腺素）、饮食状态与胆固醇、磷脂和载脂蛋白一起形成和能量需求胰岛素促进脂肪酸合成乳糜微粒进入淋巴系统，最终进入血和抑制脂肪分解；饥饿状态则激活脂液循环肪分解和β-氧化，为机体提供能量2314脂肪酸的分解活化脂肪酸在细胞质中被酰基-CoA合成酶活化，形成脂肪酰-CoA，消耗1分子ATP这一步是脂肪酸氧化的前提，使脂肪酸具有更高的化学活性，为后续反应做准备转运长链脂肪酰-CoA分子太大，不能直接穿过线粒体内膜肉碱棕榈酰转移酶ⅠCPT-Ⅰ将脂肪酰基从CoA转移到肉碱上，形成脂肪酰肉碱，后者通过肉碱转位酶转运到线粒体基质在基质中，肉碱棕榈酰转移酶Ⅱ将脂肪酰基重新转移到CoA上，肉碱释放并回到膜间隙氧化β-线粒体基质中的脂肪酰-CoA经过一系列氧化、水合、再氧化和硫解反应，循环去除两个碳原子，生成乙酰CoA每次循环生成1分子NADH、1分子FADH₂和1分子乙酰CoAβ-氧化循环持续进行，直到整个脂肪酸链被完全分解能量产生β-氧化产生的乙酰CoA进入三羧酸循环，完全氧化释放能量；NADH和FADH₂通过电子传递链产生ATP一分子棕榈酸C16:0完全氧化可产生约129分子ATP，远高于一分子葡萄糖产生的ATP数量脂肪酸的合成27主要场所合成酶复合体组分脂肪酸合成主要在细胞质中进行，而脂肪酸氧化则在线脂肪酸合成酶是一个多功能酶复合体，包含7个功能域粒体中进行这种空间分离允许两个相反的过程同时进β-酮酰-ACP合成酶、酰基-丙二酰转移酶、脱氢酶、烯行，并受到不同的调控机制控制酰还原酶、β-酮酰还原酶、脱水酶和酰基载体蛋白ACP8合成棕榈酸需要的乙酰-CoA合成一分子棕榈酸C16:0需要8分子乙酰-CoA（1个作为起始单位，7个作为延长单位），14个还原当量NADPH和7个ATP脂肪酸合成与β-氧化是一对相反的过程，但两者的具体反应机制和酶系统有显著差异脂肪酸合成是在细胞质中由脂肪酸合成酶这一多功能酶复合体催化的，起始底物是乙酰-CoA和丙二酰-CoA（来自乙酰-CoA的羧化）合成过程通过反复的四步循环进行缩合反应、β-酮基还原、脱水和烯酰还原每个循环延长脂肪酸链两个碳原子，直到合成16碳的棕榈酸这些反应需要NADPH作为还原当量的供体，而NADPH主要来自磷酸戊糖途径和苹果酸酶反应甘油脂的代谢甘油三酯合成1甘油三酯合成主要在肝脏和脂肪组织中进行甘油-3-磷酸（来自糖酵解的二羟丙酮磷酸或甘油的磷酸化）与脂肪酰-CoA反应形成磷脂酸，磷脂酸去磷酸化生甘油三酯分解成二酰基甘油，再与第三个脂肪酰-CoA反应形成甘油三酯2甘油三酯水解是由脂肪组织中的甘油三酯脂肪酶逐步催化的首先水解为二酰基甘油和一个脂肪酸，然后二酰基甘油被水解为单酰基甘油和另一个脂肪酸，调节机制3最后单酰基甘油被水解为甘油和第三个脂肪酸甘油三酯代谢受多种激素调控胰岛素促进甘油三酯合成，抑制分解；肾上腺素和胰高血糖素则促进甘油三酯分解血糖水平、能量状态和饮食也影响甘油疾病相关三酯代谢的方向4甘油三酯代谢紊乱与多种疾病相关，如高甘油三酯血症、肥胖、脂肪肝和胰腺炎等长期高脂饮食可导致甘油三酯在肝脏和血液中积累，增加心血管疾病风险磷脂的代谢合成途径分解途径信号转导作用磷脂的合成主要发生在磷脂的分解由磷脂酶催磷脂代谢产物如磷脂酸内质网中磷脂酰胆碱化磷脂酶和分别、二酰基甘油、肌醇A₁A₂-是最丰富的磷脂，水解和位的酯三磷酸等是重要PC sn-1sn-21,4,5-其合成途径有两条肯键，释放脂肪酸；磷脂的第二信使，参与细胞尼迪途径以磷脂酸为前酶水解磷酸二酯键，信号转导磷脂酰肌醇C-体，经过二酰基甘油中产生二酰基甘油和磷酸二磷酸被磷4,5-PIP₂间体合成；甲基化途化头基；磷脂酶水解脂酶水解生成二酰基PC DC径则通过磷脂酰乙醇胺胆碱磷酸键，产生磷脂甘油和肌醇三磷-1,4,5-的连续甲基化形成酸和头基酸，它们分别激活蛋白PC激酶和促进钙离子释C放胆固醇的代谢合成途径胆固醇在肝脏中合成，以乙酰-CoA为原料，经过约30个酶促反应完成关键步骤包括乙酰-CoA转化为羟甲基戊二酰-CoAHMG-CoA；HMG-CoA还原为甲羟戊酸，这是由HMG-CoA还原酶催化的限速步骤；甲羟戊酸经过多步反应形成鲨烯；鲨烯环化形成胆固醇前体，经进一步修饰形成胆固醇转运与代谢胆固醇在体内以脂蛋白形式运输低密度脂蛋白LDL将肝脏合成的胆固醇运送到外周组织；高密度脂蛋白HDL则将外周组织的多余胆固醇运回肝脏，这一过程称为逆向胆固醇转运肝脏是胆固醇代谢的中心，负责胆固醇的合成、清除和转化排泄与转化胆固醇主要通过两种方式排出体外一是转化为胆汁酸，随胆汁排入肠道；二是直接分泌到胆汁中胆汁酸约95%在肠道被重吸收，剩余5%随粪便排出，这是胆固醇排泄的主要途径胆固醇还可转化为类固醇激素和维生素D调节机制胆固醇代谢受多种因素调控胆固醇水平升高会抑制HMG-CoA还原酶活性，减少胆固醇合成；同时增加LDL受体的合成，促进胆固醇的清除胆汁酸也通过负反馈机制抑制其自身的合成这些调节机制有助于维持胆固醇的稳态氨基酸代谢概述蛋白质合成1氨基酸的主要用途能量供应2葡萄糖缺乏时的备用能源氮的转运与排泄3通过血液运输氨基酸氮特殊分子的合成4如激素、神经递质等氨基酸在体内代谢主要涉及两个方面氨基酸的降解与合成氨基酸的降解始于脱氨基反应，释放出氨基转变为铵离子，碳骨架则进入各种代谢途径铵离子主要通过尿素循环在肝脏中转化为尿素，随尿液排出体外根据碳骨架的去向，氨基酸可分为糖原性氨基酸（碳骨架可转化为葡萄糖）、酮原性氨基酸（碳骨架转化为酮体）和既糖原又酮原的氨基酸这种分类反映了氨基酸在能量代谢中的不同角色氨基酸代谢与机体其他代谢过程紧密相连氨基酸可通过转氨基作用与α-酮酸相互转化，为糖异生提供底物；氨基酸的碳骨架可进入三羧酸循环，参与能量代谢；某些氨基酸还是重要生物活性分子的前体，如色氨酸是5-羟色胺的前体，酪氨酸是儿茶酚胺的前体氨基酸的分解氨基酸的分解始于脱氨基反应，主要通过两种机制转氨基作用和氧化脱氨基作用转氨基作用由转氨酶催化，将氨基从氨基酸转移到α-酮戊二酸上，生成α-酮酸和谷氨酸氧化脱氨基作用则由谷氨酸脱氢酶催化，将谷氨酸氧化脱氨基为α-酮戊二酸和铵离子不同氨基酸的碳骨架有不同的分解途径支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）的分解在线粒体中进行，涉及转氨基、脱羧和脱氢等反应；含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）的分解产生硫化物和甲硫基化合物；芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的分解涉及苯环的开环和侧链的氧化上图显示了不同类型氨基酸的相对分解速率支链氨基酸和芳香族氨基酸的分解速率较高，这可能与它们在蛋白质中的含量和代谢需求有关氨基酸分解的调控与机体的能量状态和营养状况密切相关，蛋白质饥饿和糖尿病等病理状态会加速氨基酸的分解氨基酸的生物合成必需氨基酸非必需氨基酸哺乳动物无法合成或合成不足的氨基机体可以自行合成的氨基酸，包括丙酸，包括苯丙氨酸、缬氨酸、色氨酸氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、亮氨、谷氨酰胺、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸、赖氨酸和组氨酸（成人）这些酸、酪氨酸和半胱氨酸（在蛋氨酸充氨基酸必须从食物中获取缺乏任何足时）这些氨基酸的合成途径各不一种必需氨基酸都会导致蛋白质合成相同，但都涉及碳骨架的获取和氨基受限，影响生长和健康的引入合成途径非必需氨基酸的合成主要通过以下途径从酮酸获得碳骨架，通过转氨基作用引α-入氨基；从其他氨基酸转化而来，如丝氨酸转化为甘氨酸；直接从代谢中间产物合成，如从磷酸甘油酸合成丝氨酸这些途径高度整合，与机体的整体代谢网络紧3-密相连氨的代谢与尿素循环氨的转运形式氨的来源氨在血液中主要以谷氨酰胺的形式转运体内氨主要来源于氨基酸的脱氨基反应，谷氨酰胺在肝脏和肾脏释放氨肝脏、肠道细菌产生的氨和肾脏排泄的氨1是处理氨的主要场所，将氨转化为尿素氨在高浓度时对神经系统有毒性，因此2；肾脏则通过分泌氨来调节酸碱平衡必须迅速转化为无毒形式排出尿素循环的调节尿素循环尿素循环受底物浓度和激素调控高蛋尿素循环是将氨转化为尿素的主要途径4白饮食增加氨的产生，上调尿素循环酶，在肝脏中进行循环始于氨与碳酸结3的活性；糖皮质激素也促进尿素循环合形成氨基甲酰磷酸，后者与鸟氨酸结尿素循环障碍可导致高氨血症和肝性脑合形成瓜氨酸，瓜氨酸经过一系列反应病等疾病最终生成尿素和鸟氨酸，完成循环核苷酸代谢概述核苷酸的重要性核苷酸是核酸（和）的基本组成单位，也是许多辅酶（如、、）和信号分子（如）的重1DNA RNAATP NAD⁺FAD cAMP要组成部分核苷酸代谢的调控对维持细胞功能和遗传信息的稳定至关重要合成途径核苷酸有两种合成途径从头合成途径和补救途径从头合成是指从简单前体（如氨基酸、核2糖磷酸）开始合成核苷酸；补救途径则是利用预先存在的核苷和碱基重新合成核苷酸，这是-5-一种节能的机制分解途径核苷酸的分解涉及去磷酸化、糖苷键水解和碱基的进一步分解嘌呤核苷酸最终分解为尿酸，在人体中主要以尿酸盐形式排出；嘧啶核苷3酸则分解为氨基酸、二氧化碳和氨，最终转化为易溶性代谢物排出β-嘌呤核苷酸的代谢从头合成嘌呤核苷酸的从头合成始于磷酸核糖，通过多步反应逐步构建嘌5-PRPP呤环第一个形成的嘌呤核苷酸是肌苷酸，它是腺苷酸和鸟苷IMP AMP酸的共同前体这一过程需要消耗大量能量和参与多种氨基酸（如甘GMP氨酸、天冬氨酸）相互转化嘌呤核苷酸之间可以相互转化可通过脱氨基作用转化为，可AMP IMPIMP通过氧化和氨基化反应转化为核苷酸之间的相互转化允许细胞根据需GMP要调整不同核苷酸的比例，维持核苷酸池的平衡降解途径嘌呤核苷酸降解的最终产物是尿酸和首先去磷酸化为核苷，后AMP GMP者在嘌呤核苷磷酸化酶的作用下释放嘌呤碱基腺嘌呤在腺嘌呤脱氨酶的作用下转化为次黄嘌呤，后者与鸟嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化为尿酸嘧啶核苷酸的代谢从头合成相互转化降解途径嘧啶核苷酸的从头合成与嘌呤不同，先合可以转化为其他嘧啶核苷酸经嘧啶核苷酸的降解途径比嘌呤简单尿嘧UMP UMP成嘧啶环，再与核糖磷酸结合合成始于磷酸化生成，在合成酶的作啶和胸腺嘧啶首先还原为二氢衍生物，再UTP UTPCTP谷氨酰胺、碳酸氢盐和，生成氨甲酰用下转化为在合成过程中，开环形成氨基酸（丙氨酸和氨基异ATP CTPDNAβ-β-β-天冬氨酸，后者环化形成二氢尿嘧啶，进通过胸苷酸合成酶的甲基化反应转丁酸）这些产物可进一步代谢为易溶性dUMP一步反应生成尿嘧啶单磷酸化为这些转化反应确保了不同嘧啶物质，如、和丙酸，通过尿液-5-UMP dTMPCO₂NH₃β-是其他嘧啶核苷酸的前体核苷酸的平衡排出体外UMP的复制DNA复制起始DNA复制始于特定的起始位点（ori位点）起始复合物结合在ori位点上，解开双螺旋结构，形成复制泡DNA解旋酶继续解开双螺旋，形成复制叉单链结合蛋白稳定单链DNA，防止重新结合引物合成DNA聚合酶不能直接在单链DNA上起始合成，需要引物提供3羟基原始RNA聚合酶（引发酶）在模板链上合成短的RNA引物，为DNA聚合酶提供起始点这一步骤在领先链和滞后链上都需要链延伸DNA聚合酶在引物的3端添加脱氧核苷酸，沿5→3方向延伸领先链合成是连续的，而滞后链则以短片段（冈崎片段）的形式不连续合成DNA聚合酶具有3→5外切酶活性，可校正错误配对的核苷酸片段连接与修饰RNA引物被DNA聚合酶I的5→3外切酶活性去除，同时合成DNA填补空缺DNA连接酶将相邻的DNA片段连接起来，形成连续的DNA链新合成的DNA可能还需进一步修饰，如甲基化，以维持特定的表观遗传状态的转录RNA起始阶段1RNA聚合酶在启动子区域结合，形成闭合复合物在细菌中，RNA聚合酶核心酶与σ因子结合形成全酶，特异性识别启动子；在真核生物中，需要多种转录因子协助RNA聚合酶II结合到启动子结合后，DNA双螺旋局部解开，形成转录泡延伸阶段2RNA聚合酶沿着模板链（3→5方向）移动，按照碱基配对原则将核苷酸加到RNA链的3端（5→3方向合成）与DNA复制不同，转录不需要引物合成的RNA链与DNA模板链形成RNA-DNA杂合体，而非模板链则游离终止阶段3转录在终止信号处结束在细菌中，有两种主要的终止机制Rho依赖性终止和Rho非依赖性终止在真核生物中，转录终止与RNA的3末端加工密切相关，涉及多种蛋白质复合物的参与加工4RNA在真核生物中，初始转录产物（前体mRNA）需要进一步加工5端加帽、3端多聚腺苷酸化和内含子剪切这些修饰对RNA的稳定性、输出和翻译效率至关重要RNA加工是基因表达调控的重要环节蛋白质的翻译起始阶段1翻译始于起始密码子（通常是AUG）在细菌中，核糖体30S亚基结合mRNA和起始tRNA（携带甲酰蛋氨酸），形成30S起始复合物，再结合50S亚基形成70S起始复合物在真核生物中，过程更复杂，涉及多种起始因子，形成80S起始复合物延伸阶段2延伸因子将氨酰-tRNA引导到核糖体A位，如果反密码子与密码子匹配，核糖体催化肽键形成，将肽链从P位tRNA转移到A位tRNA上易位过程中，A位tRNA移至P位，P位tRNA退出，核糖体沿mRNA移动一个密码子终止阶段3当核糖体遇到终止密码子（UAA、UAG或UGA）时，没有tRNA能与之配对，而是由释放因子识别释放因子促使肽链从最后一个tRNA上释放，核糖体解离为亚基，完成翻译过程翻译后修饰4新合成的蛋白质可能需要翻译后修饰才能获得完全功能，如折叠、切割、糖基化、磷酸化等这些修饰对蛋白质的结构、稳定性、定位和功能至关重要，是蛋白质成熟的必要步骤基因表达调控转录后调控1RNA加工、稳定性和降解转录调控2启动子活性和转录因子翻译调控3翻译起始和效率表观遗传调控4DNA甲基化和组蛋白修饰翻译后调控5蛋白质修饰和降解基因表达调控是生物体精确控制基因产物合成的过程，发生在从DNA到蛋白质的多个层次转录调控是最基本的调控机制，主要通过转录因子与DNA特定序列的结合实现转录因子可以是激活因子或抑制因子，分别促进或抑制RNA聚合酶的活性表观遗传调控不改变DNA序列，而是通过DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等机制影响基因表达这些修饰可以改变染色质结构，影响转录因子和转录机器的可及性转录后调控包括RNA剪接、RNA编辑、microRNA调控等，影响mRNA的稳定性和翻译效率翻译调控则涉及翻译起始因子的活性、核糖体结合位点的可及性等翻译后调控主要通过蛋白质修饰（如磷酸化、糖基化）和蛋白质降解调节蛋白质的活性和寿命重组技术概述DNA基本概念基本工具主要应用重组技术是将来自不同来源的重组技术的基本工具包括限制性内切重组技术广泛应用于基础研究、医学DNA DNA DNA DNA片段重新组合，创造出自然界中不存在的酶（用于特定位点切割）、连、农业和工业在基础研究中，用于研究DNA DNA分子这一技术革命性地改变了生物接酶（用于连接片段）、载体（如质基因功能和调控；在医学中，用于生产蛋DNA DNA学研究和生物技术应用，是现代生物技术粒、噬菌体，用于携带外源）和宿主白质药物和基因治疗；在农业中，用于开DNA的基础重组技术的核心是操细胞（如大肠杆菌，用于扩增重组分发转基因作物；在工业中，用于生产酶和DNADNADNA作、修饰和转移的方法子）这些工具使得研究人员能够精确操其他生物制品作分子DNA技术及应用PCR聚合酶链式反应PCR是一种体外扩增特定DNA片段的技术，由Kary Mullis于1983年发明PCR的基本原理是模拟DNA复制的过程，通过温度循环和热稳定DNA聚合酶的作用，使目标DNA序列指数级扩增PCR反应包括三个主要步骤变性（94-98℃，使DNA双链分离）、退火（50-65℃，引物与单链DNA结合）和延伸（72℃，DNA聚合酶合成新链）这三个步骤构成一个循环，通常进行25-35个循环，理论上每个循环可使DNA量翻倍PCR技术在分子生物学研究和应用中不可或缺，用途广泛基因克隆、DNA测序、基因突变检测、亲子鉴定、法医学分析、病原体检测等PCR的变种如定量PCR（qPCR）、逆转录PCR（RT-PCR）、数字PCR等进一步拓展了应用范围，使DNA/RNA的定量分析成为可能基因测序技术19772005首次测序年份新一代测序开始年份DNASanger测序法和Maxam-Gilbert测序法分别由第二代测序技术（NGS）如454测序、Illumina测Frederick Sanger和Walter Gilbert开发，奠定了序和SOLiD测序开始商业化应用这些技术通过大DNA测序的基础Sanger测序法基于双脱氧链终止规模并行测序，显著提高了测序通量和降低了成本原理，成为第一代测序的主流方法，推动了基因组学的快速发展2010单分子测序开始年份第三代测序技术如Pacific Biosciences的SMRT测序和Oxford Nanopore的纳米孔测序开始应用这些技术能够测序单个DNA分子，读长更长，无需PCR扩增，但早期准确率较低基因测序技术已经从初期的劳动密集型手工操作发展为高度自动化、高通量的流程现代测序平台可以在数天内完成全基因组测序，而第一个人类基因组测序计划耗时13年测序成本也从最初的每个碱基数美元降至现在的每百万碱基几分美元生物化学在医学中的应用疾病诊断药物开发生物化学检测是临床诊断的基础血液药物设计基于对生物靶点（如受体、酶生化分析可检测肝功能、肾功能、血糖）的分子理解结构生物学和计算机辅、血脂等指标；酶学分析如心肌酶谱可助药物设计帮助开发高选择性药物；药1辅助诊断心肌梗死；激素水平测定可诊物代谢研究预测药物在体内的转化和清2断内分泌疾病；分子诊断技术如、PCR除；药物基因组学分析个体对药物的反基因芯片可检测病原体和基因突变应差异，推动精准医疗预防医学疾病治疗4生物标志物筛查可早期发现疾病风险；生物化学知识指导疾病治疗代谢疾病3营养生物化学指导健康饮食；环境生物如糖尿病通过调节糖代谢治疗；酶替代化学研究污染物对健康的影响；遗传咨疗法用于治疗先天性酶缺陷；单克隆抗询基于对遗传病生化基础的理解，帮助体靶向治疗肿瘤和自身免疫性疾病；基评估遗传风险因治疗尝试纠正遗传缺陷。