《张华生物化学总论》课件

张华生物化学总论欢迎来到张华生物化学总论课程本课程将系统介绍生物化学的基本概念、原理和研究方法，帮助学生理解生命科学的分子基础我们将探索从简单分子到复杂生物大分子的结构与功能，以及它们在生命过程中的代谢和调控机制通过本课程的学习，您将掌握蛋白质、核酸、糖类和脂质等生物大分子的结构与功能，了解生物体内的各种代谢途径及其调控机制，并熟悉现代生物化学的研究方法与技术课程介绍1课程目标2学习要求本课程旨在使学生系统掌握生学生需要具备有机化学和细胞物化学的基本理论、基本知识生物学的基础知识，积极参与和基本技能，培养学生的科学课堂讨论和实验操作，按时完思维能力和实验技能通过学成作业和实验报告建议学生习，学生将能够理解和解释生预习教材内容，课后及时复习命现象的分子机制，为后续相巩固所学知识，并通过阅读相关专业课程的学习奠定坚实基关文献拓展知识面础3考核方式本课程采用平时成绩（30%）和期末考试（70%）相结合的考核方式平时成绩包括出勤、课堂表现、作业完成情况和实验报告质量期末考试采用闭卷笔试形式，考查学生对基本理论和知识的掌握程度生物化学概述定义与范围历史发展与其他学科的关系生物化学是研究生物体内化学物质的结构、生物化学起源于19世纪，经历了描述阶段、生物化学与分子生物学、细胞生物学、遗性质及其在生命活动中作用的科学它探分析阶段和合成阶段的发展从乌勒提取传学等学科密切相关，是现代生命科学的索生命的分子基础，包括生物大分子的结尿素、布赫纳发现无细胞发酵，到DNA双基础它也与医学、农学、环境科学等应构与功能、代谢途径及其调控、基因表达螺旋结构的发现，再到现代的基因组学和用学科有广泛联系，为解决人类健康、食与调控等方面，是理解生命本质的重要学蛋白质组学，生物化学已发展成为现代生品安全、环境保护等问题提供科学依据科命科学的核心学科生物分子的化学基础化学键2共价键、离子键等化学键决定生物分子的基本结构和性质原子与分子1生物体主要由C、H、O、N、P、S等元素组成，这些元素通过化学键形成生物分子非共价相互作用氢键、疏水相互作用等弱相互作用对生物大分子3的稳定和功能至关重要生物分子的化学基础是理解生命现象的物质基础生物体内的分子遵循化学规律，但又呈现出独特的生物学特性生物大分子如蛋白质、核酸等具有高度特异性的结构与功能，这些特性源于它们特定的原子排列和化学键连接方式除了强化学键外，弱相互作用在生物大分子中扮演着极其重要的角色这些弱相互作用虽然单个能量很小，但大量存在时能产生显著的累积效应，决定了生物大分子的三维结构和生物学功能水的性质与生物学意义水的分子结构氢键水的溶剂性质水分子由一个氧原子和两个氢原子通过共价水分子间可以形成氢键，每个水分子最多可水是优良的溶剂，能溶解多种极性和带电物键连接而成，呈V字形结构氧原子具有较以与四个相邻水分子形成氢键这种氢键网质在生物体内，水作为生化反应的介质，强的电负性，使水分子呈现极性，形成一个络赋予水高沸点、高比热容和高表面张力等参与物质运输，并通过水合作用稳定生物大永久偶极子，这是水许多特殊性质的基础特性，对维持生物体内环境稳定至关重要分子的结构，是生命活动不可或缺的物质基础弱相互作用在生物大分子中的作用1静电相互作用静电相互作用发生在带电粒子之间，可以是吸引力或排斥力在生物大分子中，带电的氨基酸侧链可以形成盐桥，稳定蛋白质的三级结构这种相互作用在水溶液中随距离增加而迅速减弱，但在生物大分子的特定微环境中可以产生显著影响2氢键氢键是一种特殊的偶极-偶极相互作用，在生物大分子中广泛存在例如，DNA双螺旋中的碱基配对、蛋白质二级结构中的α螺旋和β折叠都依赖于氢键的形成虽然单个氢键能量较弱，但大量氢键的协同作用能显著稳定生物大分子结构3范德华力范德华力包括偶极-偶极相互作用、偶极-诱导偶极相互作用和诱导偶极-诱导偶极相互作用虽然单个范德华力很弱，但在分子间接触面积大的情况下，累积效应可以产生显著的吸引力，对生物大分子的折叠和聚集具有重要影响4疏水相互作用疏水相互作用源于非极性基团在水环境中的聚集倾向在蛋白质折叠过程中，疏水氨基酸侧链倾向于聚集在分子内部，远离水环境，这是蛋白质形成稳定三级结构的主要驱动力疏水相互作用也是生物膜形成和稳定的基础酸碱平衡生物体内的pH调节1各种缓冲系统协同作用维持pH稳定缓冲溶液2弱酸（碱）及其共轭碱（酸）组成，抵抗pH变化pH的概念3氢离子浓度的负对数，表示溶液酸碱度酸碱平衡是生物体内重要的化学平衡之一pH值反映溶液中氢离子的浓度，对于生物化学反应和生物大分子的结构与功能有着深远影响大多数酶的活性依赖于特定的pH环境，pH变化会影响酶的活性中心结构和催化效率生物体内存在多种缓冲系统，包括碳酸-碳酸氢盐系统、磷酸盐系统和蛋白质缓冲系统等这些系统协同作用，维持细胞内外环境的pH稳定不同组织和细胞器具有不同的最适pH值，例如胃液pH约为2，而血液pH维持在

7.35-

7.45的狭窄范围内氨基酸结构与性质基本结构分类物理化学性质氨基酸是蛋白质的基本构建单位，由中心碳根据侧链的化学性质，20种常见氨基酸可氨基酸具有两性电解质的特性，在不同pH原子（碳）连接氨基、羧基、氢原子和特分为非极性氨基酸（如丙氨酸、缬氨酸）、环境下呈现不同的离子形式每种氨基酸都α征侧链（R基团）组成除甘氨酸外，所有极性非带电氨基酸（如丝氨酸、苏氨酸）、有特定的等电点，在此pH值下氨基酸分子氨基酸的α碳都是手性碳原子，存在L型和D酸性氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸）和碱性呈电中性氨基酸的溶解性、光学活性和酸型光学异构体，而生物体内蛋白质主要由L氨基酸（如赖氨酸、精氨酸）这种分类反碱性质对于理解蛋白质的结构和功能至关重型氨基酸组成映了氨基酸在蛋白质结构中的不同环境和功要能蛋白质的一级结构肽键肽键是通过一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间脱水缩合形成的共价键肽键具有部分双键性质，呈平面结构，限制了多肽链的自由旋转，这对蛋白质高级结构的形成有重要影响多肽链多肽链是由多个氨基酸通过肽键连接而成的线性分子，具有方向性，一端为N端（氨基端），另一端为C端（羧基端）多肽链的氨基酸排列顺序决定了蛋白质的一级结构，也是蛋白质结构与功能多样性的基础氨基酸序列测定测定蛋白质的氨基酸序列是理解其结构与功能的关键步骤传统的爱德曼降解法可以逐个识别多肽链N端的氨基酸，而现代的质谱技术和基因测序技术已成为测定蛋白质一级结构的主要手段蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链局部区域形成的规则结构，主要由肽链主链间的氢键稳定螺旋是一种常见的二级结构，呈右手螺旋状，每α圈螺旋包含

3.6个氨基酸残基，相邻螺旋圈之间通过主链C=O与N-H之间的氢键稳定折叠是另一种重要的二级结构，由相邻的多肽链段通过主链间氢键连接形成片状结构根据相邻链段方向，折叠可分为平行和反平行两ββ种转角则常出现在多肽链的转向处，使多肽链能在空间中折回，常连接螺旋或折叠结构蛋白质中这些二级结构的分布与组合，决定βαβ了其特定的三维空间构象蛋白质的三级结构球状蛋白纤维状蛋白球状蛋白是最常见的蛋白质类型，呈纤维状蛋白呈细长的丝状结构，主要紧密折叠的球形结构其特点是疏水由重复的二级结构单元组成如胶原氨基酸侧链大多朝向蛋白质内部，形蛋白由三条多肽链缠绕成三股螺旋；成疏水核心，而亲水氨基酸侧链则多角蛋白则富含α螺旋，形成两股扭曲暴露于表面与水接触这种结构安排的纤维这类蛋白质通常不溶于水，最大限度地满足了热力学稳定性要求，在生物体中起支持和保护作用，是皮使蛋白质在水环境中保持稳定构象肤、头发、肌腱等组织的主要成分结构稳定因素蛋白质三级结构的稳定依赖于多种分子间相互作用，包括疏水相互作用（主要驱动力）、氢键、离子键（盐桥）、范德华力和二硫键这些力协同作用，使蛋白质能够在特定环境中保持独特的三维结构，从而发挥特定的生物学功能蛋白质的四级结构亚基1蛋白质的四级结构是指由多个多肽链（亚基）组装形成的蛋白质复合体亚基可以是相同的多肽链（同源寡聚体）或不同的多肽链（异源寡聚体）2四级结构的稳定因素每个亚基都具有独立的三级结构，通过非共价相互作用组装成功能性的蛋白质复合体四级结构主要通过亚基间的非共价相互作用稳定，包括疏水相互作用、氢键、离子键和范德华力在某些情况下，亚基间也可能形成二硫键这些相互作用的类型和强度决定了蛋白质复合体的稳定性和动态特性，影响其例子血红蛋白3生物学功能血红蛋白是四级结构的经典例子，由四个亚基组成（两个α链和两个β链），每个亚基含有一个血红素基团血红蛋白的四级结构使其能够协同结合和释放氧气，展示出协同效应和正合作性的特点，这对于高效的氧气运输至关重要蛋白质的变性与复性复性过程1特定条件下蛋白质可恢复天然构象和功能变性机制2破坏稳定蛋白质结构的非共价键，导致构象改变变性因素3高温、极端pH、有机溶剂、重金属离子等蛋白质变性是指蛋白质失去其天然三维结构的过程，但肽键仍然完整，一级结构不变变性可能是可逆或不可逆的，取决于变性条件的严重程度和蛋白质本身的特性轻度变性后，某些蛋白质在适宜条件下可以自发复性，恢复其天然构象和生物活性安芬森实验证明了蛋白质的一级结构包含了足够的信息来指导其正确折叠成特定的三维结构然而，体内蛋白质的折叠通常需要分子伴侣的协助，以防止错误折叠和聚集蛋白质的错误折叠与许多疾病相关，如阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病蛋白质的分离与纯化沉淀法利用蛋白质在不同盐浓度、pH或溶剂条件下的溶解度差异进行分离常用方法包括盐析（如硫酸铵沉淀）、等电点沉淀和有机溶剂沉淀这些方法通常用于初步分离和富集目标蛋白，为后续精细纯化奠定基础层析法基于蛋白质物理化学性质的差异，使其在固定相和流动相之间分配不同而实现分离常用的层析技术包括离子交换层析（基于电荷）、亲和层析（基于特异性结合）、凝胶过滤层析（基于分子大小）和疏水相互作用层析（基于疏水性）电泳法利用蛋白质在电场中的迁移速率差异进行分离聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）是最常用的电泳技术，特别是SDS-PAGE可以根据分子量分离蛋白质等电聚焦则根据蛋白质的等电点进行分离，二维电泳则结合了这两种技术的优势蛋白质的功能酶运输蛋白酶是生物催化剂，能特异性地加速生化反应而运输蛋白负责将分子从一处转移到另一处例本身不被消耗它们通过降低反应活化能，使如，血红蛋白和肌红蛋白运输氧气；脂蛋白运反应在温和条件下迅速进行几乎所有的生化12输脂质；转铁蛋白运输铁离子膜上的通道蛋反应都需要特定酶的催化，如消化酶、代谢酶白和载体蛋白则促进物质跨膜转运，维持细胞等酶的活性受多种因素调控，确保生化反应内环境稳态按需进行结构蛋白受体蛋白结构蛋白为细胞和组织提供机械支持和保护受体蛋白能特异性地识别和结合配体（如激素、如胶原蛋白是结缔组织的主要成分；角蛋白构43神经递质），将细胞外信号转导至细胞内，启成头发、指甲；肌动蛋白和肌球蛋白负责肌肉动相应的生理反应受体蛋白广泛存在于细胞收缩；微管蛋白和微丝蛋白形成细胞骨架，维膜和细胞内，是细胞响应环境变化的关键分子，持细胞形态并参与细胞运动如胰岛素受体、神经递质受体等糖类概述单糖二糖寡糖多糖糖类是生物体内重要的有机化合物，由碳、氢、氧组成，通常具有CH2On的通式作为碳水化合物的主要类型，糖类在生物体内担任多种关键角色它们是主要的能量来源和储备形式，也是细胞结构的重要组成部分，还参与细胞识别和信号传导等过程根据分子中糖单元的数量，糖类可分为单糖（如葡萄糖、果糖）、二糖（如蔗糖、麦芽糖）、寡糖（3-10个单糖单元）和多糖（如淀粉、纤维素、糖原）这种划分反映了糖类结构的复杂性和多样性，也与其在生物体内的不同功能相对应单糖的结构与性质醛糖和酮糖旋光异构环状结构单糖根据羰基类型可分为醛糖和酮糖醛糖单糖分子中存在手性碳原子，导致出现立体单糖在水溶液中主要以环状形式存在，而非含有醛基-CHO，如葡萄糖、半乳糖；酮异构体根据最远离羰基的手性碳的构型，直链形式这是由于羰基与分子内的羟基发糖含有酮基C=O，如果糖这种结构差单糖可分为D型和L型自然界中的单糖主生分子内半缩醛反应形成的根据新生成的异影响了单糖的化学反应性和生物学特性，要是D型，如D-葡萄糖是生物体内最常见的半缩醛碳原子的构型，环状单糖又可分为α例如，与还原性有关的生化反应中，醛糖通单糖，而L型在自然界中相对罕见型和β型，这种构型差异对多糖的结构和性常比酮糖更活泼质有重要影响二糖和寡糖常见二糖还原性与非还原性寡糖的生物学意义二糖由两个单糖通过糖苷键连接而成常二糖可分为还原性和非还原性两类如果寡糖由3-10个单糖通过糖苷键连接而成，见的二糖包括麦芽糖（两个葡萄糖通过α-至少一个单糖的半缩醛羟基未参与糖苷键在生物体内发挥多种重要功能如血型决1,4糖苷键连接）、乳糖（半乳糖和葡萄糖形成，该二糖具有还原性，如麦芽糖和乳定物（ABO血型）是特定的寡糖；母乳中通过β-1,4糖苷键连接）和蔗糖（葡萄糖和糖而当两个单糖的半缩醛羟基都参与糖的寡糖促进有益菌生长；细胞表面的寡糖果糖通过α,β-1,2糖苷键连接）这些二糖苷键形成时，如蔗糖，则为非还原性二糖链参与细胞识别和免疫应答某些寡糖还在自然界和食品中广泛存在，具有重要的还原性与非还原性决定了二糖是否能与斐具有益生元作用，对维持肠道健康有重要生物学和营养学意义林试剂等发生还原反应意义多糖1000+葡萄糖单元淀粉和糖原中的葡萄糖单元数量70%淀粉中淀粉素淀粉中直链淀粉素的平均含量30%淀粉中支链淀粉素淀粉中支链淀粉素的平均含量12%总能量储备健康成人体内糖原占总能量储备的比例多糖是由大量单糖通过糖苷键连接而成的高分子碳水化合物，在生物体内主要发挥能量储存和结构支持两大功能储能多糖包括淀粉和糖原，都由α-葡萄糖聚合而成，但支链结构不同淀粉主要由直链的淀粉素和支链的淀粉粘粉组成，存在于植物中；糖原结构更为复杂多分支，存在于动物肝脏和肌肉中结构多糖如纤维素和几丁质则主要提供结构支持纤维素由β-葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接形成，是植物细胞壁的主要成分；几丁质是由N-乙酰葡萄胺通过β-1,4糖苷键连接而成，是真菌细胞壁和节肢动物外骨骼的重要组成部分这些结构多糖通常不易被消化系统分解，如纤维素是人类膳食纤维的重要来源糖蛋白和糖脂结构特点1糖蛋白是蛋白质与糖类共价结合形成的复合物，糖基通过N-糖苷键（连接天冬酰胺侧链）或O-糖苷键（连接丝氨酸或苏氨酸侧链）与蛋白质连接糖脂则是由脂质与糖类共价结合形成的，如神经节苷脂中的糖基通过与鞘氨醇的连接形成这些糖链修饰赋予了这些分子独特的性质和功能生物学功能2糖蛋白和糖脂在细胞间识别和通讯中发挥关键作用它们参与免疫应答（如抗体是糖蛋白）、配体识别和细胞黏附某些激素（如促甲状腺激素）和酶（如核糖核酸酶B）是糖蛋白，糖基化影响它们的稳定性、溶解度和活性糖脂如神经节苷脂，在神经系统中参与信号转导和细胞发育细胞表面糖衣3细胞表面的糖蛋白和糖脂形成糖萼（Glycocalyx），一个富含碳水化合物的复杂网络，覆盖在细胞膜外侧糖萼具有多种功能保护细胞免受机械损伤和化学物质侵害；参与细胞识别和免疫应答；在受精、组织形成和病原体感染等过程中起重要作用；还参与血型决定（ABO血型系统）脂质概述1分类2生物学功能脂质是一类溶于有机溶剂但不溶或微溶于水的生物分子，结脂质在生物体内发挥多种关键功能作为能量的储存和供应构和功能多样根据化学结构，脂质可分为简单脂（如脂形式（每克脂肪释放约38kJ能量，是糖类和蛋白质的两倍）；肪酸、甘油脂、蜡）、复合脂（如磷脂、糖脂、脂蛋白）、构成生物膜的主要成分，维持细胞结构完整性；参与细胞信固醇类（如胆固醇）、萜类（如维生素A、E、K）和类固醇号传导（如磷脂酰肌醇信号系统）；部分脂质如固醇类可作激素这种多样性反映了脂质在生物体内的广泛功能为激素前体；某些脂质还具有保温、缓冲和保护作用脂肪酸脂肪酸是由碳氢链和一个羧基组成的一类有机酸，是大多数脂质的基本构成单位根据碳链中是否含有双键，脂肪酸可分为饱和脂肪酸（无双键）和不饱和脂肪酸（含一个或多个双键）自然界中的脂肪酸通常含有偶数个碳原子（C4-C24），不饱和脂肪酸的双键多为顺式构型必需脂肪酸是指人体无法合成，必须从食物中获取的脂肪酸，主要包括亚油酸（ω-6系列）和α-亚麻酸（ω-3系列）它们是细胞膜的重要组成部分，也是合成前列腺素等生物活性物质的前体脂肪酸的饱和度影响其熔点饱和脂肪酸熔点较高，不饱和脂肪酸熔点较低这一特性对生物膜的流动性有重要影响，膜中不饱和脂肪酸含量越高，膜越流动，有利于膜功能的正常发挥甘油脂结构物理性质生物学功能甘油脂是一类由甘油与甘油脂的物理性质主要甘油脂在生物体内主要脂肪酸酯化形成的脂质，取决于其所含脂肪酸的作为能量储存形式在主要包括单酰基甘油、长度和饱和度含短链能量盈余时，多余的葡二酰基甘油和三酰基甘和不饱和脂肪酸的甘油萄糖和氨基酸可转化为油（甘油三酯）甘油脂通常为液态油脂，熔甘油三酯储存在脂肪组三酯是最常见的甘油脂，点较低；而含长链饱和织中；能量不足时，甘由一分子甘油与三分子脂肪酸的甘油脂通常为油三酯水解释放脂肪酸，脂肪酸通过酯键连接而固态脂肪，熔点较高进入线粒体进行β-氧化成天然甘油三酯通常这种差异解释了为什么产生能量甘油脂还在含有不同的脂肪酸，这植物油（富含不饱和脂体温调节、机械保护和种多样性赋予了甘油脂肪酸）在室温下呈液态，脂溶性维生素（A、D、不同的物理化学性质而动物脂肪（富含饱和E、K）吸收中发挥重要脂肪酸）呈固态作用磷脂和糖脂结构特点两亲性磷脂是含磷的复合脂质，包括磷脂酰胆磷脂和糖脂的两亲性是其在生物膜中发碱、磷脂酰乙醇胺等其结构由甘油骨挥功能的关键特性其极性头部（磷酸架、两条脂肪酸链和一个含磷的极性头基团或糖基）亲水，面向膜的内外表面部组成糖脂则是含糖的复合脂质，如与水环境接触；而疏水的脂肪酸尾部则神经鞘糖脂，其结构由鞘氨醇骨架、一指向膜内部，远离水环境这种结构特条脂肪酸链和糖基（如半乳糖）组成性使得这些脂质能够自发形成生物膜的这两类脂质都具有两亲性，即同时具有双分子层结构，是细胞膜形成的物质基亲水和疏水部分础生物膜中的作用磷脂和糖脂是生物膜的主要组成部分，参与维持膜的流动性、通透性和稳定性除了作为膜的基本结构成分外，它们还参与多种细胞功能磷脂在信号转导中充当第二信使前体（如磷脂酰肌醇）；糖脂（如神经节苷脂）在细胞识别、免疫应答和神经系统发育中发挥重要作用固醇类化合物结构特点固醇类是一类含四环结构的脂质，其基本骨架由环戊烷并环的四环结构组成胆固醇是动物细胞中最重要的固醇类，其分子由疏水的固醇骨架和一个亲水的羟基组成，具有两亲性植物中的主要固醇为植物甾醇（如谷甾醇），真菌中则含有麦角甾醇，这些差异对于进化生物学和分类学具有重要意义胆固醇的功能胆固醇在生物体内发挥多种关键功能作为细胞膜的重要组成部分，调节膜的流动性和稳定性；是合成类固醇激素（如性激素、肾上腺皮质激素）的前体；是合成维生素D的前体；参与胆汁酸的合成，胆汁酸在脂类消化和吸收中起重要作用虽然高水平的血液胆固醇与心血管疾病相关，但适量胆固醇对维持正常生理功能至关重要类固醇激素类固醇激素是由胆固醇衍生而来的一类脂溶性激素，包括性激素（如雌激素、睾酮）、肾上腺皮质激素（如皮质醇）和维生素D活性形式它们通过与细胞内受体结合，调控基因表达，影响细胞分化、代谢和生理功能由于其脂溶性，类固醇激素可以自由通过细胞膜，在细胞核内与特定受体结合，启动靶基因的转录生物膜的结构与功能流动镶嵌模型膜蛋白膜的流动性生物膜由脂质双分子层构成，其中镶嵌着各膜蛋白根据与脂质双层的关系可分为跨膜膜的流动性受多种因素影响不饱和脂肪酸种膜蛋白这种模型由Singer和Nicolson蛋白（穿过整个脂质双层）、外周蛋白（与含量越高，膜流动性越大；温度升高增加膜于1972年提出，认为膜是一个动态结构，其膜表面结合）和脂锚定蛋白（通过脂质修饰流动性；胆固醇含量增加在低温时增加膜流中脂质和蛋白质可以在膜平面内自由移动与膜连接）膜蛋白执行多种功能物质转动性，高温时则降低流动性，起调节作用这种流动性对于细胞功能（如内吞、外排、运（如通道蛋白、载体蛋白）、信号转导膜流动性对物质转运、信号转导和细胞分裂膜融合）和对环境变化的适应至关重要（如受体蛋白）、酶催化、细胞识别和细胞等生理过程至关重要，也影响细胞对环境温连接等度变化的适应能力核酸概述DNA RNA核酸是携带遗传信息的生物大分子，主要包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的储存和传递载体；RNA则参与遗传信息的表达和调控，包括信使RNA（mRNA）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）等类型核苷酸是核酸的基本构建单位，由三部分组成含氮碱基（嘌呤或嘧啶）、五碳糖（脱氧核糖或核糖）和磷酸基团DNA含有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种碱基；RNA中T被尿嘧啶（U）替代核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成核酸链，链的方向性由5端指向3端的结构DNA碱基配对2A与T、G与C通过氢键特异性配对双螺旋模型1由沃森和克里克于1953年提出DNA的多样性存在A型、B型和Z型等不同构象3DNA的双螺旋结构是遗传学和分子生物学的重要里程碑在经典的B型DNA中，两条互补的多核苷酸链围绕共同轴线盘绕，形成右手螺旋每个螺旋周期约包含10个碱基对，长约

3.4nm螺旋结构中，碱基对位于内侧，形成疏水核心；而负电荷的磷酸骨架则位于外侧，与水环境接触碱基配对遵循互补原则腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）通过两个氢键配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）通过三个氢键配对这种特异性配对是DNA复制、修复和基因表达的分子基础除经典的B型DNA外，还存在A型DNA（更宽、更短的右手螺旋）和Z型DNA（左手螺旋）等构象，这些不同构象在特定生理条件下或特定DNA序列中形成，可能与基因表达调控相关的结构与类型RNA1mRNA（信使RNA）2tRNA（转运RNA）3rRNA（核糖体RNA）mRNA携带遗传密码，指导蛋白质的合成tRNA在蛋白质合成中充当适配器，将氨rRNA是核糖体的主要组成部分，与蛋白质它是DNA中特定基因的单链转录本，含有基酸运送到核糖体其特征性的三叶草结构一起形成核糖体亚基真核生物核糖体含有5帽子、编码区和3多聚腺苷酸尾巴在真包含接受臂（连接氨基酸）、反密码子臂28S、18S、

5.8S和5S四种rRNA，原核生核生物中，初级转录本中的内含子在核内被（识别mRNA上的密码子）和D臂、TΨC物则含有23S、16S和5S rRNArRNA不剪除，只有外显子被连接形成成熟mRNA，臂tRNA的三级结构呈倒L形，适于在仅具有结构作用，还具有催化功能，在肽键然后转运到细胞质中参与翻译过程翻译过程中与mRNA和核糖体相互作用形成中起主要作用（核糖体是一种核酶）mRNA的稳定性和翻译效率受多种因素调不同的tRNA特异性识别不同的氨基酸和相rRNA基因通常存在多个拷贝，形成核仁组控，影响蛋白质的表达水平应的密码子织者区域核酸的理化性质变性与复性紫外吸收核酸杂交核酸的变性是指双链核酸在高温、极端pH核酸中的碱基具有共轭双键结构，能强烈核酸杂交是指互补单链核酸之间通过碱基或变性剂作用下，氢键断裂，双链分离成吸收波长260nm附近的紫外光在双链配对形成双链的过程不仅同源DNA链间单链的过程这一过程可通过紫外吸收增核酸中，碱基通过堆积相互作用排列紧密，可以杂交，DNA与RNA之间也可以形成加（超色效应）来监测当条件适宜时，减弱了紫外吸收；当双链分离成单链时，杂交分子杂交的特异性取决于碱基序列互补的单链核酸可以重新结合形成双链，这种堆积作用减弱，紫外吸收增强，称为的互补性，杂交条件（温度、离子强度）称为复性或退火核酸的变性和复性是分超色效应核酸的紫外吸收特性是其定量影响杂交的严格性核酸杂交是子杂交、PCR等技术的基础，也是理解核分析的基础，纯DNA或RNA溶液260nm Southern印迹、Northern印迹、原位酸结构稳定性的重要方面处吸光度为1时，浓度分别约为50μg/ml杂交等分子生物学技术的基础，广泛应用和40μg/ml于基因检测和表达分析核酸的分离与检测提取方法核酸提取的基本步骤包括细胞裂解、去除蛋白质和其他杂质、核酸沉淀和溶解常用方法有酚-氯仿提取法（利用有机溶剂分离蛋白质）、盐析法（利用高浓度盐使蛋白质沉淀）和柱层析法（如硅胶膜吸附）不同样本类型（如血液、组织、植物）可能需要特定的预处理步骤，以提高核酸的产量和纯度电泳电泳是分离和分析核酸的重要技术，利用核酸分子在电场中向正极移动的特性琼脂糖凝胶电泳主要用于大片段DNA分离（如限制性酶切片段、PCR产物），而聚丙烯酰胺凝胶电泳适用于小片段DNA和RNA（如测序、microRNA分析）电泳后可用溴化乙锭或SYBR Green等染料染色，在紫外光下观察荧光条带，实现核酸的可视化和半定量分析PCR技术聚合酶链式反应（PCR）是一种体外扩增特定DNA片段的技术，由变性、退火和延伸三个步骤组成借助耐热DNA聚合酶和特异性引物，可在几小时内将目标序列扩增数百万倍PCR技术已发展出多种变型，如实时定量PCR（qPCR，用于定量分析）、逆转录PCR（RT-PCR，用于RNA分析）和多重PCR（同时扩增多个靶标）等，广泛应用于基因检测、分子诊断和科学研究酶的概述定义酶的命名与分类辅酶与辅基酶是一类具有催化功能的生物分子，绝大多数国际酶学委员会将酶分为六大类氧化还原酶许多酶需要非蛋白质组分协助催化，这些组分是蛋白质，少数是RNA（核酶）它们能够特（催化氧化还原反应）、转移酶（催化官能团称为辅因子辅因子包括无机离子（如Mg²⁺、异性地识别底物并降低反应的活化能，显著加转移）、水解酶（催化水解反应）、裂解酶Zn²⁺）和有机分子辅酶辅酶通常参与化学速生化反应而本身不被消耗酶的催化效率极（催化非水解裂解）、异构酶（催化异构化反反应，如NAD⁺/NADH在氧化还原反应中传高，某些酶每秒可催化数百万次反应几乎所应）和连接酶（催化连接反应）每种酶都有递电子和氢原子许多辅酶源自维生素，如有生命过程都依赖于酶的参与，如代谢、能量系统命名和常用名，如葡萄糖-6-磷酸异构酶FAD源自核黄素（维生素B₂），辅酶A源自泛转换、DNA复制和蛋白质合成等（EC

5.

3.

1.9）常被称为磷酸葡萄糖异构酶酸（维生素B₅）酶的作用特点10⁶-10¹²37°C催化效率提高倍数最适温度酶可使反应速率提高数百万至数万亿倍多数人体酶的最适温度接近体温6-

899.99%最适pH范围专一性多数细胞内酶的最适pH在中性附近酶对底物的识别准确率可高达

99.99%以上酶的高效性是其最显著的特点之一通过提供替代反应途径，酶能显著降低反应的活化能（通常降低20-80kJ/mol），使生化反应在温和条件下快速进行例如，过氧化氢在铂催化下分解需数小时，而在过氧化氢酶催化下仅需几秒钟这种高效性对于维持生命过程的速率和协调性至关重要酶的专一性指酶只催化特定的化学反应和特定的底物这种专一性源于酶的活性中心与底物之间的精确互补，符合锁钥或诱导契合模型专一性可表现为化学专一性（只催化特定类型的化学键）、底物专一性、立体专一性和区域专一性酶的可调节性则通过多种机制实现，如底物浓度变化、变构效应、共价修饰和基因表达水平调控，确保生化反应按需进行酶促反应动力学底物浓度[S]mM反应速率vμmol/min米氏方程是描述酶促反应动力学的基础方程，由Michaelis和Menten于1913年提出该方程表达了酶促反应速率（v）与底物浓度（[S]）之间的关系v=Vmax×[S]/Km+[S]其中，Vmax是最大反应速率，当所有酶分子都与底物结合时达到；Km是米氏常数，等于使反应速率达到Vmax一半时的底物浓度，反映了酶与底物的亲和力Km和Vmax是酶的重要动力学参数，可通过Lineweaver-Burk双倒数作图等方法测定Km值越小，表示酶与底物亲和力越高；Vmax与酶的总量和转换数（kcat，单位时间内每个活性中心转化的底物分子数）有关酶活性通常用国际单位（U）表示，1U定义为在标准条件下每分钟转化1μmol底物所需的酶量现代酶学还引入了kcat/Km作为衡量酶催化效率的参数，接近扩散限制的酶具有最高的催化效率影响酶活性的因素温度影响酶活性的双重效应随温度升高，分子热运动加剧，碰撞频率增加，反应速率上升；但过高温度会导致酶蛋白变性，活性下降大多数人体酶的最适温度接近37°C，而某些极端环境微生物的酶可在高温或低温下保持活性pH对酶活性的影响主要通过改变酶蛋白和底物的离子化状态，影响它们的相互作用和催化活性底物浓度影响酶促反应的速率，遵循饱和动力学低浓度时，速率随浓度增加而近似线性增加；高浓度时，速率逐渐接近最大值Vmax酶浓度的增加通常导致反应速率成比例增加，但可能受产物抑制等因素限制抑制剂通过与酶或酶-底物复合物结合，降低酶活性，如许多药物和毒素都是酶抑制剂活化剂则通过稳定过渡态、提供有利结合位点等方式增强酶活性酶的抑制竞争性抑制非竞争性抑制反馈抑制竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心，非竞争性抑制剂不与底物竞争，而是结合反馈抑制是一种重要的代谢调控机制，代结构通常与底物相似抑制剂结合时阻止在酶的其他位点，改变酶的构象，降低其谢途径的最终产物抑制该途径中的关键酶底物结合，但不影响未被占据的酶分子的催化活性这种抑制不能通过增加底物浓这种机制多通过变构效应实现产物（效催化活性这种抑制可通过增加底物浓度度克服，因为抑制剂和底物可以同时与酶应物）结合在酶的变构位点，引起酶构象来克服，因为高浓度底物会增加底物与抑结合，形成无活性的酶-底物-抑制剂复合变化，降低催化活性反馈抑制能防止代制剂的竞争优势在动力学上表现为物在动力学上表现为Vmax降低，而谢产物过度积累，实现按需生产，是生Vmax不变，而表观Km增大许多药物Km不变重金属离子（如汞、铅）对含物体内稳态调控的重要方式，如谷氨酰胺如他汀类降胆固醇药物就是竞争性抑制剂巯基的酶的抑制通常属于这类合成酶受谷氨酰胺反馈抑制酶的调节酶原激活1不可逆激活，如蛋白水解酶前体的活化共价修饰2磷酸化、甲基化等可逆修饰改变酶活性别构调节3效应物结合引起构象变化，调节酶活性别构调节是一种重要的酶活性调节机制，基于效应物结合引起的蛋白质构象变化别构酶通常具有多个亚基和多个配体结合位点，效应物结合在远离活性中心的别构位点，通过诱导构象变化影响活性中心的结构和功能别构效应可以是激活性的（正效应）或抑制性的（负效应），提供了精细调节酶活性的机制共价修饰是调节酶活性的另一重要机制，涉及氨基酸侧链的化学修饰最常见的是蛋白质磷酸化，由蛋白激酶催化，将ATP的磷酸基团转移到丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上去磷酸化则由蛋白磷酸酶催化其他共价修饰包括乙酰化、甲基化、泛素化等酶原激活是蛋白酶等水解酶特有的调节方式，酶以无活性前体（酶原）形式合成，通过限制性蛋白水解切除肽段后获得活性，如胰蛋白酶原激活为胰蛋白酶维生素与辅酶维生素辅酶形式参与的代谢过程缺乏症状硫胺素B₁硫胺素焦磷酸TPP脱羧反应，如丙酮酸脱脚气病，神经炎氢酶复合体核黄素B₂黄素腺嘌呤二核苷酸氧化还原反应，如脂肪口角炎，舌炎FAD酸β-氧化烟酰胺B₃烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化还原反应，如糖酵糙皮病NAD⁺解泛酸B₅辅酶ACoA酰基转移反应，如脂肪疲劳，抵抗力下降酸合成维生素B₆吡哆醛磷酸PLP氨基转移反应，转氨酶皮炎，神经炎叶酸四氢叶酸THF一碳单位转移，核酸合巨幼红细胞性贫血成维生素B₁₂腺苷钴胺甲基转移，异构化反应恶性贫血，神经损伤维生素是人体必需但不能或不能充分合成的一类有机化合物，必须从食物中获取根据溶解性，维生素分为水溶性（B族维生素、维生素C）和脂溶性（维生素A、D、E、K）两大类水溶性维生素主要作为辅酶或辅酶前体参与代谢反应；脂溶性维生素则参与视觉（维生素A）、钙磷代谢（维生素D）、抗氧化（维生素E）和凝血（维生素K）等过程生物氧化概述电子传递链1生物氧化的核心过程是电子传递链，位于线粒体内膜上它由一系列递增电位的电子载体组成，包括复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（琥珀酸脱氢酶）、泛醌、复合物III（细胞色素c还原酶）、细胞色素c和复合物IV（细胞色素c氧化酶）电子最终传递给分子氧，形成水氧化磷酸化2电子在传递链中流动时释放能量，用于将质子（H⁺）从线粒体基质泵入膜间隙，形成质子梯度这种质子动力势是一种储能形式，通过ATP合酶（复合物V）催化的化学渗透耦联过程，驱动ADP和无机磷酸合成ATP这一过程是有氧生物获取能量的主要途径，每分子NADH可产生约

2.5分子ATP自由基3生物氧化过程中，约1-2%的氧会形成超氧阴离子（O₂⁻·）等活性氧自由基这些自由基具有强氧化性，可损伤DNA、蛋白质和脂质生物体进化出抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶，以及维生素E、维生素C等非酶抗氧化物氧化应激与多种疾病和衰老相关糖的分解代谢糖酵解糖酵解是葡萄糖分解的第一阶段，发生在细胞质中，不需氧参与一分子葡萄糖通过10个酶促反应分解为两分子丙酮酸，同时产生2ATP和2NADH关键调控酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体；无氧条件下，丙酮酸转化为乳酸或乙醇，以再生NAD⁺，维持糖酵解持续进行柠檬酸循环又称三羧酸循环或克雷布斯循环，发生在线粒体基质中丙酮酸首先脱羧形成乙酰CoA，然后进入循环每转一圈，输入一分子乙酰CoA（2碳），释放两分子CO₂，产生3NADH、1FADH₂和1GTP（相当于1ATP）循环中的关键调控酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶，受能量状态和代谢中间产物浓度调控磷酸戊糖途径又称戊糖磷酸途径或己糖单磷酸鞘氨醇，与糖酵解平行，发生在细胞质中该途径有两个阶段氧化阶段产生NADPH，用于还原性生物合成（如脂肪酸合成）和抗氧化防御；非氧化阶段重排糖骨架，产生核糖-5-磷酸等五碳糖，用于核苷酸和核酸合成葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是该途径的限速酶，受NADPH/NADP⁺比值调控糖的合成代谢糖异生糖原合成糖异生是从非糖前体（如丙酮酸、乳酸、甘糖原合成是将葡萄糖储存为糖原的过程，主油和大多数氨基酸）合成葡萄糖的过程，主要发生在肝脏和肌肉中葡萄糖首先磷酸化要发生在肝脏和肾脏这一过程大体上是糖为葡萄糖-6-磷酸，然后转变为葡萄糖-1-磷酵解的逆转，但有三个不可逆步骤需要特殊酸，再活化为UDP-葡萄糖糖原合酶催化酶催化1丙酮酸羧化为草酰乙酸；2草酰UDP-葡萄糖中的葡萄糖转移到现有糖原链乙酸转变为磷酸烯醇丙酮酸；3果糖-1,6-二上，形成α-1,4-糖苷键；支链酶则催化α-1,6-磷酸转变为果糖-6-磷酸糖异生在禁食或剧糖苷键的形成，创建分支点胰岛素促进糖烈运动时维持血糖水平，受胰高血糖素和皮原合成，而胰高血糖素则促进糖原分解，以质醇促进，胰岛素抑制维持血糖稳态光合作用光合作用是绿色植物、藻类和某些细菌利用光能将二氧化碳和水转化为糖和氧气的过程包括两个阶段光反应（在类囊体膜上进行）和暗反应（在叶绿体基质中进行）光反应通过光系统I和II捕获光能，产生ATP和NADPH；暗反应（卡尔文循环）利用ATP和NADPH将CO₂固定为糖核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）是关键酶，催化CO₂与核酮糖-1,5-二磷酸的结合，是地球上最丰富的蛋白质脂肪酸的分解代谢β-氧化活化转运1脂肪酸β-氧化是主要的脂肪酸分解途径脂肪酸先活化后转运入线粒体基质2酮体形成氧化循环43肝脏中过量乙酰CoA转化为酮体供其他组织利用每循环脱去2碳,产生乙酰CoA和还原当量脂肪酸β-氧化是一个循环过程，每个循环脱去脂肪酸末端的2个碳原子，形成一分子乙酰CoA该过程首先需要脂肪酸活化（与CoA结合形成脂酰CoA）和转运（通过肉碱穿梭系统）β-氧化的每个循环包括四个步骤脱氢、水合、再脱氢和硫解完全氧化一分子棕榈酸（16碳）产生7FADH₂、7NADH和8乙酰CoA，通过电子传递链和柠檬酸循环可产生大量ATP在禁食或碳水化合物摄入不足时，肝脏中过量的乙酰CoA不能完全通过柠檬酸循环氧化，会转化为酮体（丙酮酸、乙酰乙酸和β-羟丁酸）酮体可溶于水，通过血液运输到其他组织（如脑、肌肉），作为替代能源被利用酮体通过一系列反应重新转化为乙酰CoA，进入柠檬酸循环产生能量长期严重饥饿或糖尿病患者可能出现酮症酸中毒，由于血液中酮体浓度过高导致血液酸化脂肪酸的合成代谢不饱和脂肪酸的合成1需特定的去饱和酶引入双键链长延伸2依靠脂肪酸延长酶系统延长碳链脂肪酸合成酶3多功能复合酶催化脂肪酸从头合成脂肪酸合成是在细胞质中进行的从头合成过程，不同于β-氧化的逆转脂肪酸合成酶是一个巨大的多功能酶复合体，包含七个功能域合成过程从乙酰CoA和丙二酰CoA开始，通过一系列缩合、还原、脱水和再还原反应，每次循环增加2个碳原子NADPH提供还原力，最终合成16碳的棕榈酸脂肪酸合成受胰岛素促进，而被胰高血糖素抑制棕榈酸可进一步延长或去饱和碳链延长在内质网上进行，由脂肪酸延长酶系统催化不饱和脂肪酸的合成需要特定的去饱和酶，在脂肪酸分子中引入双键哺乳动物缺乏ω-3和ω-6去饱和酶，无法合成亚油酸（ω-6）和α-亚麻酸（ω-3），这些必需脂肪酸必须从膳食获取合成的脂肪酸进一步用于合成甘油脂、磷脂等复杂脂质，参与能量储存、生物膜形成等生理过程蛋白质的分解代谢蛋白质水解1蛋白质分解代谢的第一步是蛋白质的水解，将大分子蛋白质分解为氨基酸这一过程由多种蛋白酶催化，包括胃蛋白酶（在胃中作用）、胰蛋白酶和糜蛋白酶2氨基酸的脱氨基作用（在小肠中作用）细胞内蛋白质的降解主要通过泛素-蛋白酶体系统和溶酶体途径进行泛素-蛋白酶体系统选择性地标记和降解受损或不需要的蛋白质，对细胞氨基酸通过两种主要方式脱去氨基转氨基作用和氧化脱氨基作用转氨基作用质量控制至关重要由转氨酶催化，将氨基从氨基酸转移到α-酮酸（通常是α-酮戊二酸），形成谷氨酸和新的α-酮酸氧化脱氨基作用主要由谷氨酸脱氢酶催化，将谷氨酸转化为α-酮戊二酸，同时释放氨和还原NADP⁺脱氨基作用产生的氨对生物体有毒，尿素循环3需要进一步转化尿素循环是肝脏中将有毒的氨转化为无毒尿素的主要途径该循环由五个酶催化的反应组成，跨越线粒体和细胞质循环的第一步是碳酸氢铵和ATP反应形成氨甲酰磷酸；随后与鸟氨酸反应形成瓜氨酸；瓜氨酸经过一系列反应最终产生尿素和重新生成的鸟氨酸尿素通过血液运输到肾脏，经尿液排出体外尿素循环障碍可导致高氨血症，严重影响神经系统功能氨基酸的合成代谢非必需氨基酸的合成氨基酸代谢紊乱人体可以合成约11种氨基酸，称为非必需氨基酸丙氨氨基酸代谢紊乱通常由特定酶缺陷引起，导致某些氨基酸、天冬氨酸和谷氨酸可通过相应α-酮酸的氨基化直接酸或其代谢产物在体内积累苯丙酮尿症是由苯丙氨酸合成；谷氨酰胺和天冬酰胺通过谷氨酸和天冬氨酸的酰羟化酶缺陷导致，使苯丙氨酸不能转化为酪氨酸，导致胺形成；丝氨酸源自3-磷酸甘油醛；甘氨酸可从丝氨酸苯丙氨酸及其代谢产物积累，严重影响神经系统发育12转化而来；脯氨酸和精氨酸源自谷氨酸；酪氨酸由苯丙枫糖尿症是由支链α-酮酸脱氢酶复合体缺陷引起，影响氨酸羟化而来；半胱氨酸则源自蛋氨酸亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的代谢一碳单位代谢与叶酸氨基酸作为生物活性物质前体一碳单位代谢在氨基酸代谢和核酸合成中至关重要叶氨基酸除了作为蛋白质的构建单位外，还是多种生物活酸（以四氢叶酸形式）作为一碳单位的载体，参与甘氨性物质的前体色氨酸是5-羟色胺（血清素）和烟酸的酸和丝氨酸的相互转化、组氨酸合成，以及嘌呤和嘧啶43前体；酪氨酸是儿茶酚胺（如肾上腺素）和甲状腺激素核苷酸的合成维生素B12则参与一碳单位在甲基形式的前体；精氨酸是一氧化氮的前体；组氨酸脱羧后生成和甲酰基形式之间的转化叶酸或维生素B12缺乏可导组胺；谷氨酸是γ-氨基丁酸（GABA）的前体这些生致巨幼红细胞性贫血和神经系统损伤物活性物质在神经传递、激素调节和免疫功能等方面发挥重要作用核苷酸的代谢嘌呤核苷酸的代谢嘧啶核苷酸的代谢核苷酸的降解嘌呤核苷酸（如ATP、GTP）的合成包括从头合嘧啶核苷酸（如UTP、CTP）的从头合成始于氨核苷酸降解是细胞回收核酸组分的重要途径核酸成和补救途径两种方式从头合成始于5-磷酸核糖，基甲酰磷酸和天冬氨酸的反应，形成尿苷一磷酸首先被核酸酶水解为核苷酸，然后去除磷酸基团形通过多步反应形成肌苷酸（IMP），然后转化为腺（UMP），然后转化为UTP和CTP与嘌呤不同，成核苷，再通过核苷磷酸化酶去除核糖形成游离碱苷酸（AMP）和鸟苷酸（GMP）补救途径利用嘧啶环是在与核糖连接前合成的补救途径也是嘧基嘌呤碱基最终氧化为尿酸，尿酸在人体内是嘌游离的嘌呤碱基或核苷，通过磷酸化形成核苷酸，啶核苷酸合成的重要途径，特别是在分裂快速的细呤代谢的终产物，但在大多数哺乳动物中，尿酸可更为经济嘌呤核苷酸的降解最终产物是尿酸，通胞中嘧啶核苷酸的降解产物更为水溶，如β-丙氨进一步被尿酸氧化酶氧化为更易溶的尿囊素人类过尿液排出痛风是由尿酸在关节和组织中沉积引酸和NH₃，不易形成结晶沉积物缺乏这种酶，使我们更易患痛风起的疾病复制DNA10^6碱基/分钟人类DNA聚合酶复制速率10^-9错误率复制过程中的碱基错配率3→5校对方向DNA聚合酶的外切酶活性方向5→3合成方向DNA链延伸的唯一方向DNA复制是细胞分裂前将遗传信息精确复制的过程，遵循半保留复制模式每条子链都包含一条原有的母链和一条新合成的链复制起始于特定的起始位点，双链DNA在解旋酶作用下解开，形成复制叉单链结合蛋白稳定单链状态，拓扑异构酶缓解超螺旋张力DNA聚合酶只能在已有的引物上延伸DNA链，因此需要引物酶合成RNA引物由于DNA聚合酶只能在5→3方向合成DNA，导致两条新链合成方式不同前导链可连续合成；而滞后链则分段合成，形成冈崎片段RNA引物最终被DNA聚合酶I去除并用DNA替代，DNA连接酶连接相邻片段染色体端粒区域复制需要特殊的端粒酶，以防止端粒缩短DNA复制具有高度准确性，错误率约为10⁻⁹，这归功于DNA聚合酶的3→5外切酶校对活性和复制后修复系统复制DNA10^6碱基/分钟人类DNA聚合酶复制速率10^-9错误率复制过程中的碱基错配率3→5校对方向DNA聚合酶的外切酶活性方向5→3合成方向DNA链延伸的唯一方向DNA复制是细胞分裂前将遗传信息精确复制的过程，遵循半保留复制模式每条子链都包含一条原有的母链和一条新合成的链复制起始于特定的起始位点，双链DNA在解旋酶作用下解开，形成复制叉单链结合蛋白稳定单链状态，拓扑异构酶缓解超螺旋张力DNA聚合酶只能在已有的引物上延伸DNA链，因此需要引物酶合成RNA引物由于DNA聚合酶只能在5→3方向合成DNA，导致两条新链合成方式不同前导链可连续合成；而滞后链则分段合成，形成冈崎片段RNA引物最终被DNA聚合酶I去除并用DNA替代，DNA连接酶连接相邻片段染色体端粒区域复制需要特殊的端粒酶，以防止端粒缩短DNA复制具有高度准确性，错误率约为10⁻⁹，这归功于DNA聚合酶的3→5外切酶校对活性和复制后修复系统的修复DNA直接修复直接修复是最简单的DNA修复方式，不需要切除损伤的核苷酸例如，光解酶可直接修复紫外线引起的胸腺嘧啶二聚体；O⁶-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶可去除鸟嘌呤O⁶位的烷基，恢复正常碱基这些修复酶通常是一次性的，每修复一次损伤就失去活性，需要新合成的酶替代直接修复能高效准确地修复特定类型的DNA损伤切除修复切除修复包括碱基切除修复BER和核苷酸切除修复NER两种主要类型BER主要修复单个碱基的小损伤，如氧化、烷基化或脱氨基DNA糖基酶识别并切除损伤的碱基，形成无碱基位点；AP核酸内切酶切断无碱基位点的DNA骨架；聚合酶填充缺口；连接酶封闭切口NER则处理扭曲DNA双螺旋的大型损伤，如紫外线引起的嘧啶二聚体NER系统识别并切除含损伤的DNA片段约30个核苷酸，然后合成新片段填补缺口错配修复错配修复系统校正DNA复制过程中产生的碱基错配和小的插入/缺失该系统首先识别新合成链上的错配（通过缺乏甲基化等特征区分新链），然后切除包含错配的DNA片段，并根据模板链合成正确的序列错配修复对维持基因组稳定性至关重要，修复缺陷与多种癌症相关，如遗传性非息肉性结直肠癌Lynch综合征错配修复系统的效率是DNA复制高保真度的重要保障转录1RNA聚合酶RNA聚合酶是催化RNA合成的关键酶真核生物有三种主要的RNA聚合酶RNA聚合酶I转录核糖体RNArRNA，RNA聚合酶II转录信使RNAmRNA和大多数小核RNA，RNA聚合酶III转录转运RNAtRNA和5S rRNA原核生物只有一种RNA聚合酶RNA聚合酶不需要引物，可直接起始RNA合成，并沿DNA模板链5→3方向延伸RNA链2转录起始转录起始于启动子区域，这是一段特定的DNA序列，RNA聚合酶和转录因子识别并结合在原核生物中，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，RNA聚合酶II需要多种通用转录因子TFIIA、TFIIB等协助识别启动子并形成转录起始复合物转录起始复合物形成后，DNA局部解开，形成转录气泡，RNA聚合酶开始合成RNA3转录终止转录终止机制在原核和真核生物中有所不同在原核生物中，有两种主要终止方式Rho依赖性终止（需要Rho蛋白）和Rho非依赖性终止（依靠发夹结构和U富集区）在真核生物中，RNA聚合酶II转录终止更为复杂，通常与RNA的3末端加工（如多聚腺苷酸化）偶联，包括特定终止信号的识别和RNA链的释放终止后，RNA聚合酶从DNA模板上解离，可重新参与下一轮转录加工RNARNA加工是真核生物中初级转录本转变为成熟RNA的过程5帽子是最早的加工步骤之一，在转录起始后不久进行它涉及三个酶促反应RNA三磷酸酶去除5末端γ-磷酸；鸟嘌呤转移酶添加鸟嘌呤核苷酸，形成5-5三磷酸键；甲基转移酶将甲基添加到鸟嘌呤的N7位置，形成标准的7-甲基鸟嘌呤帽m⁷G5帽子保护mRNA免受核酸酶降解，并参与核质转运和翻译起始3多聚A尾的加工包括特定位点的切割和腺苷酸的添加多聚腺苷化特异性因子CPSF识别AAUAAA信号，切割和多聚腺苷化刺激因子CstF识别下游GU/U富集元件，协同确定切割位点切割后，多聚A聚合酶添加多达250个腺苷酸残基RNA剪接是去除内含子并连接外显子的过程，主要通过剪接体完成这个大型核糖核蛋白复合物识别内含子两端的保守序列和分支点，通过两次转酯反应切除内含子并连接外显子选择性剪接通过不同方式组合外显子，增加蛋白质多样性遗传密码第一位第二位第三位U CA GUPhe SerTyr CysUPhe SerTyr CysCLeu Ser终止终止ALeu Ser终止Trp GCLeu ProHis ArgULeu ProHis ArgCLeu ProGln ArgALeu ProGln ArgGA IleThr AsnSer UIleThr AsnSer CIleThr LysArg AMet/起始Thr LysArg GGVal AlaAsp GlyUVal AlaAsp GlyCVal AlaGlu GlyAVal AlaGlu GlyG遗传密码是连接核酸序列与蛋白质氨基酸序列的解码规则每三个连续的核苷酸（密码子）指定一个氨基酸或终止信号标准遗传密码包含64个密码子，编码20种氨基酸和3个终止信号AUG既编码甲硫氨酸，也作为起始密码子，通常标志翻译起始位点；UAA、UAG和UGA是终止密码子，标志翻译终止遗传密码具有以下特点简并性，即多个密码子可编码同一氨基酸（如亮氨酸有6个密码子）；无歧义性，即一个密码子只编码一种氨基酸；连续性，即密码子之间无间隔或重叠；普适性，即大多数生物使用相同的密码表（少数如线粒体有轻微变异）密码子的第三位（摇摆位）允许最大的变异，反映了摇摆配对的现象，这也是遗传密码简并性的物理基础蛋白质的生物合成翻译过程tRNA和氨基�yl-tRNA合成酶蛋白质合成分为三个阶段起始、延伸和终止翻译核糖体tRNA是翻译过程中的适配器分子，一端通过反密码子起始需要多种起始因子，真核生物通常在mRNA5帽核糖体是蛋白质合成的分子机器，由rRNA和蛋白质组识别mRNA上的密码子，另一端携带相应的氨基酸子处开始扫描，直到识别到AUG起始密码子翻译延成真核核糖体（80S）包含大亚基（60S）和小亚氨基�yl-tRNA合成酶负责将正确的氨基酸连接到对伸过程中，氨基�yl-tRNA在延伸因子协助下进入A位，基（40S）；原核核糖体（70S）则包含50S大亚基和应的tRNA上，这一过程称为氨基��化，需要ATP提与密码子配对；肽基从P位转移到A位tRNA上的氨基30S小亚基核糖体含有三个tRNA结合位点A位供能量每种氨基酸都有特定的氨基�yl-tRNA合成酸，形成肽键；核糖体移动一个密码子，A位tRNA移（氨酰tRNA位）、P位（肽酰tRNA位）和E位（出酶，它能精确识别正确的tRNA和氨基酸，确保翻译的至P位，原P位tRNA移至E位后离开当遇到终止密码口位）核糖体的肽基转移酶活性位于大亚基，催化准确性该酶的特异性是遗传密码准确表达的第一道子时，终止因子识别并结合，导致新合成的多肽链释肽键形成；小亚基则负责mRNA和tRNA的结合以及保障放，翻译终止解码功能翻译后修饰糖基化磷酸化泛素化糖基化是最常见的翻译后蛋白质磷酸化是一种关键泛素化是将泛素（一种76修饰之一，涉及将糖基连的调节机制，由蛋白激酶个氨基酸的小蛋白）共价接到蛋白质上N-糖基化催化，将磷酸基团共价连连接到靶蛋白赖氨酸残基发生在天冬酰胺侧链上，接到丝氨酸、苏氨酸或酪上的过程这一过程由三通常在蛋白质合成过程中氨酸残基上磷酸化可改类酶（E1激活酶、E2结合于内质网内进行；O-糖基变蛋白质的电荷、构象和酶和E3连接酶）协同完成化则发生在丝氨酸或苏氨活性，常作为分子开关调单泛素化可调节蛋白质定酸侧链上，主要在高尔基控蛋白质功能磷酸化是位和活性，而多泛素化体中完成糖基化影响蛋可逆的，蛋白磷酸酶可去（尤其是通过赖氨酸48连白质的折叠、稳定性、细除磷酸基团，恢复蛋白质接的聚泛素链）则常标记胞内运输和功能，对细胞原始状态这一动态修饰蛋白质被26S蛋白酶体降表面受体、分泌蛋白和细在信号转导、代谢调控和解泛素-蛋白酶体系统是胞通讯尤为重要细胞周期控制中扮演核心细胞蛋白质质量控制和调角色节的关键机制基因表达调控概述原核生物的调控真核生物的调控原核生物的基因表达调控主要发生在转录水平，经典模型是Jacob真核生物的基因表达调控更为复杂，发生在多个水平染色质水平和Monod提出的乳糖操纵子操纵子是相邻的基因，其表达由同（染色质重塑、组蛋白修饰、DNA甲基化），转录水平（转录因一启动子控制，产生多顺反录本调控通常涉及阻遏物或激活物与子结合增强子和沉默子），RNA加工水平（选择性剪接），翻译操作子（调控DNA序列）的相互作用如大肠杆菌乳糖操纵子在水平（miRNA调控、5UTR结构），以及蛋白质水平（翻译后修无乳糖时，阻遏物与操作子结合，阻断转录；有乳糖时，乳糖与阻饰、蛋白质定位和降解）这种多层次调控允许细胞对环境变化做遏物结合，使其构象改变，无法结合操作子，转录得以进行出精确响应，并维持细胞特异性基因表达模式信号转导概述信号分子信号分子是细胞间通讯的化学媒介，包括激素、神经递质、细胞因子、生长因子等根据作用方式，信号分子可分为内分泌（远距离作用）、旁分泌（近距离作用）、自分泌（作用于产生细胞本身）和神经分泌（通过突触传递）信号分子的化学性质多样类固醇和甲状腺激素等脂溶性分子可直接穿透细胞膜；而多肽激素、胺类、蛋白质等水溶性分子则需与膜受体结合，触发细胞内信号级联反应受体受体是识别特定信号分子并将其信息传递到细胞内的蛋白质膜受体包括三大类G蛋白偶联受体（七次跨膜，通过G蛋白传递信号）、酪氨酸激酶受体（二聚化后自身磷酸化，激活下游信号分子）和离子通道受体（配体结合导致通道开放，允许特定离子流动）细胞内受体主要位于细胞质或核内，如类固醇激素受体，配体结合后转位至核内，调控基因表达第二信使第二信使是细胞内小分子，在信号转导过程中放大和传递信号主要的第二信使包括环腺苷酸cAMP，由腺苷酸环化酶产生，激活蛋白激酶A；肌醇-1,4,5-三磷酸IP₃和甘油二酯DAG，由磷脂酶C水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸产生，IP₃释放细胞内钙储存，DAG激活蛋白激酶C；钙离子Ca²⁺，作为重要的细胞内信使，调节多种蛋白激酶和其他效应蛋白；环鸟苷酸cGMP，参与视觉信号转导和血管舒张等过程激素作用的分子机制类固醇激素肽类激素类固醇激素（如雌激素、睾酮、皮质醇）源肽类激素（如胰岛素、生长激素、促肾上腺自胆固醇，具有脂溶性，可自由通过细胞膜皮质激素）是由氨基酸组成的水溶性分子，进入细胞它们与位于细胞质或核内的特异无法穿透细胞膜它们与细胞膜上的特异性性受体结合，形成激素-受体复合物这种复受体结合，启动细胞内信号转导级联反应合物作为转录因子，结合到靶基因的激素应以胰岛素为例，其结合胰岛素受体（一种酪答元件HRE上，招募辅激活因子或辅抑制氨酸激酶受体）后，引起受体自磷酸化，激因子，调控基因表达类固醇激素作用较慢活胰岛素受体底物IRS和磷脂酰肌醇3-激酶（需数小时至数天），但持续时间长，能引PI3K等下游分子，最终导致葡萄糖转运体起深远的细胞变化，影响代谢、生长和发育GLUT4转位到细胞膜，促进葡萄糖摄取肽等多方面生理过程类激素作用迅速（秒至分钟），但持续时间短氨基酸衍生物激素氨基酸衍生物激素包括甲状腺激素（由酪氨酸衍生）和儿茶酚胺（如肾上腺素，由酪氨酸衍生）甲状腺激素（T₃、T₄）虽来源于氨基酸，但因脂溶性高，作用机制类似类固醇激素，进入细胞后与核受体结合，调控基因表达儿茶酚胺则主要通过G蛋白偶联受体（如α和β肾上腺素受体）作用，激活腺苷酸环化酶或磷脂酶C，产生cAMP或IP₃/DAG等第二信使，进一步激活下游蛋白激酶和效应蛋白，快速调节细胞功能，如心率、血管收缩和糖原分解等细胞凋亡凋亡的分子机制2内源途径和外源途径激活效应Caspase导致细胞死亡凋亡的生物学意义1程序性细胞死亡在发育和组织平衡中至关重要凋亡与疾病凋亡异常与多种疾病相关，如癌症和神经退行性疾病3细胞凋亡是一种程序性细胞死亡形式，特征是细胞皱缩、染色质凝集、DNA断裂和凋亡小体形成，不引起炎症反应凋亡在胚胎发育（如指间组织清除）、免疫系统功能（如T细胞选择）和组织稳态维持中起关键作用，每天人体约有数十亿细胞通过凋亡被清除和替换凋亡不足可导致癌症、自身免疫疾病等，而过度凋亡则与神经退行性疾病、AIDS等相关凋亡有两条主要信号途径外源途径由死亡受体（如Fas、TNF受体）激活，通过接头蛋白FADD和起始Caspase-8；内源途径受细胞内压力（如DNA损伤、氧化应激）触发，涉及线粒体外膜通透性增加和细胞色素c释放，激活Apaf-1和Caspase-9这两条途径最终汇聚于效应Caspase（如Caspase-

3、-

6、-7），这些蛋白酶水解关键细胞蛋白，导致细胞骨架解体、细胞核崩解和最终的细胞死亡Bcl-2家族蛋白（包括促凋亡成员如Bax和抗凋亡成员如Bcl-2）在调控内源途径中扮演核心角色，决定细胞生死癌症的分子生物学基础原癌基因与抑癌基因癌症的代谢特点癌症发生的分子基础涉及两类关键基因的改变原癌基因的激活和抑癌基因的失活原癌基因癌细胞表现出独特的代谢特征，如Warburg效应—即即使在氧气充足条件下也主要通过糖酵解（如RAS、MYC）编码促进细胞生长和分裂的蛋白质，其突变可导致过度活化，失去正常调控产能，而非氧化磷酸化这种代谢转变虽然能量效率较低，但为癌细胞提供了生物合成前体和抑癌基因（如TP

53、RB）编码抑制异常细胞生长的蛋白质，其功能丧失会解除对细胞生长的抗氧化保护癌细胞还表现出谷氨酰胺代谢增强、脂肪酸合成上调、线粒体功能改变等特点限制癌症通常需要多个基因改变的积累，这一过程可能需要数年至数十年，解释了许多癌症这些代谢改变支持癌细胞的快速增殖需求，并提供了潜在的治疗靶点精准理解癌症代谢的分发生的年龄相关性子机制，为开发新型抗癌策略提供了重要方向123细胞周期调控细胞周期的精确调控对维持正常细胞生长至关重要关键调控点包括G1/S检查点（决定DNA复制启动）和G2/M检查点（决定有丝分裂启动）细胞周期蛋白（Cyclin）和细胞周期依赖性激酶（CDK）复合物通过磷酸化关键底物推动周期进程p53是重要的细胞周期守门员，响应DNA损伤等应激，激活p21抑制CDK活性，阻止受损细胞分裂在大多数癌症中，细胞周期调控机制被破坏，导致细胞不受限制地增殖生物化学研究方法分离纯化技术是生物化学研究的基础，常用方法包括离心分离（基于密度差异分离细胞组分）、各种层析技术（如离子交换、亲和、凝胶过滤层析，基于分子不同物理化学性质分离）、电泳技术（如SDS-PAGE蛋白分离、脉冲场凝胶电泳分离大DNA）和超滤技术（利用半透膜分离不同大小分子）这些技术的发展使得从复杂生物样品中获得高纯度生物分子成为可能结构分析技术用于揭示生物分子的三维结构和相互作用，包括X射线晶体学（提供高分辨率静态结构）、核磁共振波谱（可分析溶液中的动态结构）、冷冻电子显微镜（近年快速发展的结构生物学工具）、质谱（分析分子量和一级结构）和各种光谱技术（如圆二色谱分析蛋白二级结构）功能研究技术则包括酶学分析、细胞与分子成像、基因编辑（如CRISPR-Cas9）、组学技术（基因组学、蛋白质组学等）和生物信息学分析等，这些方法综合应用，使我们能全面理解生物分子的结构、功能和相互作用网络。