《张瑞岩生物化学》课件

《张瑞岩生物化学》欢迎学习《张瑞岩生物化学》课程本课程将深入探讨生物分子的结构、功能及其在生命过程中的作用我们将从基础的分子构成开始，逐步深入到复杂的代谢途径和基因表达调控机制，最终帮助您建立起完整的生物化学知识体系通过本课程的学习，您将了解蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸等生物大分子的特性，掌握细胞能量代谢的核心原理，理解遗传信息的传递与表达过程，并了解现代生物技术的基本应用生物化学的定义和范围学科定义研究范围发展历程生物化学是研究生物体内分子层面上的生物化学研究包括生物大分子（蛋白质、从最初的有机化学分支发展而来，生物化学过程与物质转化的科学它探索生核酸、碳水化合物、脂质）的结构与功化学经历了从描述性到机制研究的转变命体内的化学组成、结构和反应，揭示能、代谢与能量转换、遗传信息的传递随着技术进步，现代生物化学已经与分生命现象的本质和规律作为连接化学与表达、生物膜与细胞信号等领域这子生物学、生物物理学等学科紧密结合，与生物学的桥梁，生物化学为理解生命些研究帮助我们理解从分子到细胞、从形成了综合性的生命科学研究体系过程提供了分子基础组织到整个生物体的各级生命活动生物化学在现代生物学中的地位基础学科地位交叉学科作用生物化学是现代生物学的核心基础生物化学与遗传学、细胞生物学、学科之一，为其他生物学分支提供分子生物学等形成紧密联系，促进了分子层面的解释机制它解释了了生命科学的整体发展它还与医从基因到表型的生物学现象，建立学、农业、环境科学等应用领域相了化学与生物学之间的桥梁，使我互渗透，推动了多学科交叉研究和们能够从分子水平理解生命本质技术创新技术革命贡献生物化学研究推动了分子诊断、基因工程、蛋白质组学等现代生物技术的发展，为解决人类健康、食品安全和环境保护等重大问题提供了科学依据和技术支持基因编辑、疫苗开发等前沿技术均源于生物化学基础研究生物分子的化学基础原子与分子生物体主要由碳C、氢H、氧O、氮N、磷P和硫S六种元素组成这些元素通过共价键、离子键、氢键等化学键连接，形成生物分子碳原子特殊的四面体结构和形成多种化学键的能力，使其成为构建生物分子的核心元素化学键生物分子中的共价键提供了稳定的骨架结构，而非共价键（如氢键、疏水相互作用、离子键和范德华力）则赋予生物分子特定的三维构象这些弱相互作用虽然单个能量较低，但大量存在时能显著影响生物分子的结构和功能反应类型生物化学反应主要包括氧化还原反应、水解与合成反应、异构化反应等这些反应通常需要酶的催化才能在生理条件下高效进行对这些基本反应类型的理解，是研究复杂代谢途径的基础水分子的结构和性质分子结构氢键网络12水分子由一个氧原子和两个氢原水分子之间可以形成氢键，每个子通过共价键连接而成，呈现水分子最多可以与四个邻近水分

104.5°的键角由于氧原子的电子形成氢键这种广泛的氢键网负性高于氢原子，水分子呈现出络赋予了水高沸点、高比热容和极性特征，形成了独特的偶极矩高表面张力等特性，使其成为生这种不对称的电荷分布是水分子命存在的理想溶剂液态水中氢许多特殊性质的基础键的动态形成与断裂对生物反应至关重要生物学意义3水作为生物体主要组成部分，不仅是代谢反应的介质，还直接参与多种生化反应其溶剂特性使离子和极性分子能够溶解，而疏水作用则促进脂质双分子层和蛋白质折叠水的高热容保持了生物体温度稳定，是生命过程的基本保障生物大分子的类型蛋白质核酸碳水化合物由氨基酸通过肽键连接而成的包括DNA和RNA，由核苷酸通包括单糖、寡糖和多糖，主要生物大分子，是细胞结构的重过磷酸二酯键连接形成的聚合由碳、氢、氧原子组成它们要组成部分，也执行大多数生物DNA作为遗传信息的储存不仅是生物体重要的能量来源，物功能作为酶、激素、抗体载体，RNA则参与遗传信息的还参与细胞识别、细胞粘附等和运输蛋白，它们参与几乎所表达过程核酸是遗传信息传过程，同时也是细胞壁和细胞有的生物过程，包括催化代谢递的物质基础，决定了生物体外基质的重要组成部分反应、信号传导、免疫防御和的遗传特性和蛋白质的合成物质运输等脂质一类不溶于水但可溶于有机溶剂的生物分子，包括脂肪、磷脂、类固醇等脂质是生物膜的主要成分，也是能量储存的重要形式，某些脂质还作为信号分子参与细胞通讯氨基酸的结构和性质2018标准氨基酸基本结构侧链类型自然界中蛋白质主要由20种标准氨基酸组成，所有氨基酸都具有一个中心碳原子α碳，连接基于侧链性质，氨基酸可分为非极性疏水性、每种氨基酸都具有独特的化学性质，共同构成着一个氨基-NH₂、一个羧基-COOH、一个极性无电荷、酸性和碱性四大类，决定了它们了蛋白质多样的结构和功能基础氢原子和一个特异性侧链R基团在蛋白质中的排布和相互作用氨基酸在生理pH下通常以两性离子形式存在，氨基质子化为-NH₃⁺，羧基解离为-COO⁻每种氨基酸都有特定的等电点pI，在该pH值下氨基酸呈电中性氨基酸的手性是其重要特征，除甘氨酸外，所有氨基酸在α碳原子处都有手性中心，自然蛋白质中的氨基酸几乎都是L型蛋白质的一级结构定义1蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的线性排列顺序这种排列顺序由基因编码决定，是蛋白质所有高级结构的基础每个蛋白质都有独特的氨基酸序列，决定了其特定的结构和功能肽键形成2氨基酸之间通过脱水缩合反应形成肽键C=O···HN，这是一种共价键，具有部分双键特性，使得肽平面刚性较强且不易旋转肽键的平面性和氢键形成能力对蛋白质高级结构的形成至关重要序列分析3通过测序技术可以确定蛋白质的氨基酸序列序列分析对于研究蛋白质的进化关系、预测二级结构、寻找功能域和比较不同物种间同源蛋白质具有重要意义氨基酸序列是蛋白质进化最保守的特征之一蛋白质的二级结构螺旋α-折叠β-最常见的二级结构之一，呈右手螺旋由伸展的多肽链通过氢键连接形成片1状，每转个氨基酸残基主链

3.6CO状结构可为平行或反平行排列，在2与后面第个氨基酸的形成氢键，4NH球状蛋白和纤维蛋白中广泛存在使结构稳定无规卷曲转角β-4不具有规则重复结构的区域，但仍有使多肽链改变方向的短序列，通常含43特定构象，可提供结构灵活性，常与个氨基酸残基，在蛋白质表面常见，蛋白质功能活性相关对维持整体结构形态重要蛋白质二级结构是指多肽链骨架的局部空间排列方式，主要通过主链肽键平面之间的氢键稳定二级结构的形成不依赖侧链特性，但某些氨基酸倾向于形成特定的二级结构，例如脯氨酸会破坏螺旋拉姆钱德兰图可用于分析和预测蛋白质二级结构α-蛋白质的三级结构空间折叠蛋白质的三级结构是指整个多肽链在三维空间中的折叠方式，形成具有生物活性的特定构象这种折叠将二级结构元件排列成紧密的空间结构，使蛋白质具有特定的形状和表面特性稳定力量三级结构主要由多种非共价相互作用稳定，包括疏水相互作用驱动折叠主力、氢键提供方向性稳定、离子键带电侧链间相互作用、范德华力近距离作用和二硫键共价连接这些力量共同维持蛋白质的稳定构象结构域许多蛋白质包含多个结构域，每个结构域可独立折叠并具有特定功能结构域是蛋白质进化、功能和调控的基本单位一个结构域通常由50-300个氨基酸组成，在功能上常对应一个独立的生物学过程功能关联三级结构直接决定了蛋白质的生物学功能活性位点、结合区域和分子识别表面等功能区域都是由特定的三级结构形成的蛋白质的分子识别、催化活性和调节响应都依赖于精确的三级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构是指由两个或多个多肽链亚基组合形成的复合蛋白质结构这些亚基可以相同同源多聚体或不同异源多聚体，通过非共价相互作用结合在一起四级结构的形成增强了蛋白质的稳定性，并可实现更复杂的功能亚基之间的相互作用主要包括疏水力、静电力、氢键和范德华力，与三级结构稳定力相似但作用于不同多肽链之间许多功能蛋白如血红蛋白、抗体、离子通道和多数酶都具有四级结构，这使它们能够进行协同作用、变构调节和更精细的功能控制蛋白质折叠和变性折叠过程蛋白质折叠是新合成的多肽链从无序状态自发转变为功能性三维结构的过程这一过程遵循热力学原理，朝着自由能最低的构象方向进行折叠通常先形成局部二级结构，然后迅速坍塌成致密构象，最后进行微调达到天然状态折叠漏斗折叠漏斗理论描述了蛋白质从多种未折叠状态向单一天然状态转变的能量景观蛋白质折叠不是沿单一路径进行，而是通过多条可能路径，逐渐减少构象自由度，最终到达能量最低点的天然结构变性因素温度升高、pH极值、有机溶剂、尿素、盐酸胍等因素可导致蛋白质变性，破坏维持其三维结构的弱相互作用变性会使蛋白质失去生物活性，表明结构与功能密切相关某些变性过程是可逆的，称为复性错误折叠蛋白质错误折叠与多种疾病相关，如阿尔茨海默病、帕金森病和朊病毒病细胞内存在分子伴侣如热休克蛋白帮助新合成蛋白质正确折叠，防止错误折叠和聚集，维持蛋白质组的稳态酶的基本概念定义与特性命名与分类酶是生物催化剂，能显著加速生酶按国际酶学委员会分类系EC化反应而自身不被消耗酶主要统分为六大类氧化还原酶、转是蛋白质，少数为核酶酶移酶、水解酶、裂解酶、异构酶RNA的催化效率极高，可使反应速率和连接酶每种酶有系统命名和提高倍，同时具有高度特常用名两种名称系统命名反映10⁶~10¹²异性，仅催化特定底物的特定反酶催化的反应类型，而常用名通应常更简短易记结构组成完整的酶分为蛋白质部分酶蛋白和非蛋白质部分非蛋白质部分可能包括辅酶有机小分子和辅基无机离子，它们参与催化反应但不是永久结合的，也可能包括作为酶分子固有部分的辅基酶的作用机制降低活化能酶通过稳定过渡态来降低反应活化能1底物结合2通过诱导契合调整活性位点构象催化策略3酸碱催化、共价催化、金属离子催化和邻近效应活性位点4提供特异性结合口袋和催化基团酶的催化作用始于底物与酶活性位点的特异性结合，形成酶-底物复合物这一结合过程可能遵循锁钥或诱导契合模型，后者认为底物结合会引起酶构象变化，使活性位点更好地适应底物结合后，酶通过多种催化策略促进反应进行酶降低反应活化能的方式包括提供最佳取向使反应物更容易碰撞；通过静电相互作用稳定过渡态；暂时改变底物电子分布；提供替代反应途径催化反应完成后，产物从酶上释放，酶分子回到原始状态，可进行下一轮催化循环米氏方程和酶动力学底物浓度反应速率米氏方程Michaelis-Menten方程是描述酶促反应动力学的基本公式v=Vmax×[S]/Km+[S]其中v为反应速率，Vmax为最大反应速率，[S]为底物浓度，Km为米氏常数，表示酶达到半最大速率时的底物浓度，反映了酶与底物的亲和力在低底物浓度下[S]≪Km，反应速率与底物浓度呈线性关系；在高底物浓度下[S]≫Km，反应速率接近最大值Vmax，此时酶被底物饱和通过线性化处理如Lineweaver-Burk双倒数作图可从实验数据确定Km和Vmax，进而分析酶的催化效率kcat/Km和特异性酶动力学参数对研究酶的催化机制、抑制剂作用和酶促反应调控具有重要意义酶抑制剂和激活剂可逆抑制不可逆抑制酶激活剂可逆抑制剂与酶形成非共价结合，可分不可逆抑制剂通过共价修饰酶的关键氨酶激活剂能增强酶的催化活性，包括金为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制基酸残基永久灭活酶活性这类抑制剂属离子、变构激活剂和某些小分子辅助竞争性抑制剂与底物竞争同一结合位点，包括组织特异性抑制剂、自杀抑制剂和因子激活机制包括稳定酶的活性构增加而不影响；非竞争性抑制某些重金属离子许多不可逆抑制剂被象、参与催化反应的电子转移、促进底Km Vmax剂与酶或酶底物复合物结合，降低用作药物或研究工具，如神经毒剂二异物结合或帮助产物释放某些酶需要特-而不影响；反竞争性抑制剂只丙基氟磷酸可不可逆地抑制乙酰定激活剂才能发挥完全活性，如胰蛋白Vmax KmDFP与酶底物复合物结合，同时降低和胆碱酯酶酶原需要被胰蛋白酶激活-KmVmax变构酶和反馈调节变构概念正负调节变构酶具有两个或多个不同的结合位点变构激活剂增强酶活性，变构抑制剂降低催化位点结合底物，变构位点结合调节分酶活性变构效应可分为同向协同提高底子变构效应指调节分子结合到变构位点物亲和力和异向协同降低底物亲和力后，引起酶构象变化，从而影响催化位点12变构酶常呈形底物饱和曲线，而非经典的S的活性这种远距离调节机制使细胞能精双曲线，这反映了亚基间的协同作用确控制代谢流量级联放大反馈调节变构调节常与酶级联结合，形成信号放大反馈抑制是代谢途径的重要调控机制，其43系统一个变构效应可触发一系列酶活化，中最终产物抑制途径中的关键酶这种调产生级联放大效应这在激素信号传导和节可防止过度产生代谢物，节约能源和原代谢应激反应中尤为重要，允许微量信号料例如，异亮氨酸通过抑制苏氨酸脱氨引起显著的细胞反应酶调控自身合成，实现精确控制碳水化合物的分类和功能单糖1最简单的糖类，不能水解为更小的糖单位寡糖2由个单糖通过糖苷键连接2-10多糖3由许多单糖重复单位组成的高分子碳水化合物是生物体中含量最丰富的有机物，由碳、氢、氧组成，通常符合的分子式作为生物体的主要能源物质，碳水化C HOₙ₂ₙ合物如葡萄糖通过呼吸作用提供细胞活动所需的能量同时，它们也是重要的结构成分，如纤维素构成植物细胞壁，几丁质构成节肢动物外骨骼在细胞识别和免疫反应中，细胞表面的糖蛋白和糖脂起着关键作用糖基化修饰可影响蛋白质的折叠、稳定性和功能此外，多糖如糖原和淀粉是能量储存的重要形式，核糖和脱氧核糖是核酸的组成部分碳水化合物的代谢紊乱与多种疾病相关，如糖尿病和糖原累积症单糖的结构和性质直链与环状结构立体异构单糖可以以开链醛糖或酮糖或环单糖具有多个手性中心，产生众状形式存在，在水溶液中主要以多立体异构体系统根据最远D/L环状形式存在环化是由于羰基端手性碳原子的构型分类构α/β碳与链上的羟基发生分子内亲核型则表示环化后形成的新手性中加成反应，形成半缩醛结构常心异头碳上羟基的取向这些立见的环状结构有六元的吡喃环和体异构形式具有不同的生物活性五元的呋喃环和理化性质重要单糖葡萄糖₆₁₂₆是最主要的能量来源，主要以葡萄糖形式存在果C HOD-糖是最甜的天然糖，为酮糖半乳糖是乳糖的组分，重要于脑发育核糖和脱氧核糖是核酸的组分甘露糖和岩藻糖则常见于糖蛋白结构中二糖和多糖的结构特点二糖结构同多糖杂多糖二糖由两个单糖通过糖苷键连接而成由同一种单糖重复单位构成的多糖如由不同种类单糖或单糖衍生物组成的多糖苷键形成时伴随脱水反应，根据参与淀粉和连接的葡萄糖链、糖糖如透明质酸葡萄糖醛酸和乙酰葡α-1,4α-1,6N-成键的碳原子位置分为和糖苷键常原类似淀粉但分支更多、纤维素萄糖胺交替连接、肝素硫酸化二糖单位α-β-β-1,4见二糖包括麦芽糖两个葡萄糖以连接的葡萄糖链、几丁质乙酰葡萄糖重复、果胶部分甲酯化的聚半乳糖醛α-1,4N-键连接、蔗糖葡萄糖和果糖以键胺聚合物这些多糖的生物功能主要受酸杂多糖常见于结缔组织、细胞外基α,β-1,2连接、乳糖半乳糖和葡萄糖以键单糖类型和糖苷键类型影响质和细胞表面，参与多种生物学过程β-1,4连接糖原和淀粉的比较特征糖原淀粉来源动物组织主要在肝脏和肌肉植物组织主要在种子、块茎和水果组成成分仅由α-D-葡萄糖组成由直链淀粉支链淀粉酶和支链淀粉淀粉粉组成分支程度高度分支，约每8-12个葡萄糖支链淀粉中约每20-25个葡萄糖单位有一个分支单位有一个分支分子量较大，约10⁷-10⁸道尔顿较小，约10⁵-10⁶道尔顿碘反应与碘反应呈红棕色直链淀粉与碘反应呈蓝色，支链淀粉呈紫红色水溶性形成胶体溶液直链淀粉不溶于冷水，支链淀粉部分溶解生物功能动物体内快速动员的能量储备植物的长期能量储存糖原和淀粉都是由α-葡萄糖聚合而成的储能多糖，但它们在结构和生理功能上存在显著差异糖原具有更多分支，更易于快速分解，适合动物需要迅速调动能量的生理特性；而淀粉结构相对简单，分解速度较慢，适合植物的长期能量储存需求脂质的分类和功能简单脂质复合脂质类固醇衍生脂质主要包括脂肪甘油三酯和蜡甘油含有额外基团的脂质，如磷脂含磷含有环戊烷多氢菲骨架的脂质，如胆包括脂溶性维生素A、D、E、K、三酯由一分子甘油与三分子脂肪酸酯酸基团、糖脂含糖基和脂蛋白与固醇和类固醇激素胆固醇是动物细前列腺素和内源性大麻素等这些分化而成，是生物体内最重要的能量储蛋白质结合磷脂是生物膜的主要胞膜的重要组成部分，影响膜流动性，子虽然数量少但功能重要，作为信号存形式每克脂肪氧化可产生约38kJ成分，具有两亲性特点，能自发形成也是类固醇激素和胆汁酸的前体类分子参与细胞通讯前列腺素调节炎能量，是碳水化合物的两倍多蜡则脂双层糖脂在细胞表面参与细胞识固醇激素包括性激素、肾上腺皮质激症反应、血压和血小板聚集；内源性主要作为保护性涂层，存在于植物表别和信号传导脂蛋白则负责脂质在素等，作为重要的信号分子调节生理大麻素影响神经系统功能；脂溶性维面和昆虫外骨骼上血液中的运输过程生素则参与多种代谢和调控过程脂肪酸的结构和性质基本结构物理性质12脂肪酸由碳氢链和一个羧基-碳链越长，脂肪酸的熔点越高，COOH组成，通式为水溶性越低不饱和度增加使熔CH₃CH₂COOH天然脂肪点降低，因为顺式双键导致分子ₙ酸通常含有偶数个碳原子常见的弯曲，减弱了分子间的范德华力有16或18个，可分为饱和脂肪酸这解释了为什么饱和脂肪如牛油无双键和不饱和脂肪酸含有一在室温下为固体，而不饱和脂肪个或多个双键不饱和脂肪酸的如植物油为液体双键多为顺式构型生物学意义3必需脂肪酸如亚油酸ω-6和α-亚麻酸ω-3不能由人体合成，必须从食物中获取它们是细胞膜的重要组成部分，也是前列腺素等信号分子的前体脂肪酸的氧化是重要的能量来源，尤其在饥饿状态下不同脂肪酸比例影响膜流动性和细胞功能甘油三酯的合成和水解合成甘油三酯的合成主要通过甘油-3-磷酸途径进行首先，甘油被甘油激酶磷酸化为甘油-3-磷酸；然后，甘油-3-磷酸酰基转移酶将脂酰辅酶A的脂肪酸转移到甘油-3-磷酸上，形成磷脂酸；磷脂酸经磷脂酸磷酸酶脱磷酸形成甘油二酯；最后，甘油二酯酰基转移酶催化第三个脂肪酸加入完成合成水解甘油三酯的水解由脂肪酶催化，逐步水解酯键释放脂肪酸和甘油在消化系统中，胰脂肪酶是主要的消化酶，它优先水解甘油三酯的1,3位置在脂肪组织中，激素敏感脂肪酶和脂滴三酰甘油脂肪酶协同作用，响应激素信号如肾上腺素调控脂肪分解代谢调控甘油三酯代谢受营养状态严格调控进食后，胰岛素促进甘油三酯合成并抑制分解；而在饥饿状态下，升高的胰高血糖素和肾上腺素水平则促进脂肪分解，释放脂肪酸作为能量来源肥胖时，这种调控机制常发生紊乱，导致脂质代谢异常磷脂和生物膜磷脂结构膜结构膜功能磷脂由甘油骨架、两条脂肪酸链和一个含磷生物膜由磷脂双分子层构成，嵌入其中的是生物膜不仅是细胞和细胞器的边界，还控制的极性头部组成其两亲性特点疏水尾部蛋白质、胆固醇和糖脂流体镶嵌模型描述物质进出、维持离子梯度和传递信号膜蛋和亲水头部使其在水环境中自发组装成双了膜的动态性质脂质和蛋白质可在膜平白可作为通道、转运体、受体、酶和结构支——分子层常见磷脂包括磷脂酰胆碱、磷面内自由扩散膜的非对称性内外叶脂质架膜上的脂筏是富含胆固醇和鞘脂的微区PC脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂组成不同对膜功能至关重要膜的流动性域，为特定蛋白质提供平台，参与信号传导PE PS酰肌醇，它们的头部基团不同，赋予了受温度、不饱和脂肪酸含量和胆固醇浓度的磷脂还可作为信号分子前体，如衍生物在PI PI不同的生物学功能影响细胞信号通路中发挥关键作用固醇类化合物的结构和功能胆固醇结构特点动物细胞膜的关键组成，影响膜流动性和刚2固醇类以环戊烷多氢菲为基本骨架，由四个性1相连的环状结构组成类固醇激素由胆固醇衍生的信号分子，包括糖皮质激3素、盐皮质激素和性激素植物固醇5胆汁酸植物中类似胆固醇的化合物，如谷固醇和β-豆固醇胆固醇代谢产物，促进脂类消化吸收的乳化4剂胆固醇是人体内最丰富的固醇类化合物，既可从食物中获取，也能在肝脏合成肝脏中的还原酶是胆固醇合成的限速酶，也是降HMG-CoA胆固醇药物他汀类的靶点胆固醇在细胞膜中的比例影响膜的物理特性，高浓度降低流动性但提高机械稳定性类固醇激素通过结合细胞内受体调控基因表达雄激素如睾酮和雌激素如雌二醇控制性特征发育和生殖功能；皮质醇调节代谢和应激反应；醛固酮则调控盐和水平衡胆固醇代谢紊乱与多种疾病相关，包括动脉粥样硬化、胆石症和某些遗传性疾病核酸的组成和结构核酸和是携带遗传信息的生物大分子，由核苷酸单体聚合而成每个核苷酸由三部分组成一个含氮碱基、一个五碳DNA RNA糖中为脱氧核糖，中为核糖和一个磷酸基团核苷酸通过磷酸二酯键连接，形成一条方向性的链DNA RNA5→3含有四种碱基腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶中的被尿嘧啶取代碱基根据结构可分为嘌呤DNA AG C T RNA T UA和，双环结构和嘧啶、和，单环结构通过特异性碱基配对与，与，核酸可形成双链结构，这在复制和遗GCTUAT/U GC DNA传信息传递中至关重要的双螺旋结构DNA模型1Watson-Crick1953年提出的DNA双螺旋模型，两条多核苷酸链以相反方向平行排列，通过碱基间的氢键连接碱基配对遵循特异性原则腺嘌呤A与胸腺嘧啶T形成两个氢键，鸟嘌呤G与胞嘧啶C形成三个氢键这种特异性配对是DNA复制和转录的基础结构特征2经典的B型DNA是右手双螺旋，每转含约10个碱基对，螺距为

3.4nm，直径为2nm脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，带负电荷；碱基对位于内侧，相互平行堆叠，通过疏水力和π-π堆叠作用稳定螺旋结构形成了大沟和小沟，是蛋白质识别和结合的重要位点构象多样性3除B型外，DNA还有A型更紧密的右手螺旋，脱水条件下形成和Z型左手螺旋，在高盐条件和特定序列中形成这种多样性与DNA功能和基因调控有关DNA还可形成三链、四链结构和发夹结构等特殊构象，在基因组内发挥特定作用稳定因素4DNA双螺旋的稳定性主要来自碱基配对间的氢键、碱基堆叠的疏水相互作用以及溶液中离子的静电屏蔽作用温度升高或pH改变会导致双链解链变性；条件恢复后，互补链可重新配对复性GC含量越高，DNA的热稳定性越强，因为GC对含三个氢键的类型和功能RNA信使RNA mRNA携带DNA编码的遗传信息到核糖体，作为蛋白质合成的模板真核生物mRNA含5帽子结构、5非翻译区、编码区、3非翻译区和多腺苷酸尾巴这些结构对mRNA的稳定性、翻译效率和细胞定位至关重要mRNA占细胞总RNA的3-5%，但种类最多，反映了基因表达的复杂性转运RNA tRNA将氨基酸运送到核糖体，作为mRNA密码子和蛋白质氨基酸序列之间的转换器tRNA呈独特的三叶草二级结构和L形三级结构，一端含有反密码子，另一端连接特定氨基酸氨基酰-tRNA合成酶负责将正确的氨基酸连接到对应tRNA上，确保翻译准确性核糖体RNA rRNA与蛋白质一起构成核糖体，提供蛋白质合成的结构和催化功能rRNA是细胞中最丰富的RNA类型约80%真核生物核糖体含28S、18S、

5.8S和5S四种rRNA核糖体的肽基转移酶活性主要由rRNA提供，证明RNA具有催化功能，支持RNA世界假说非编码RNA不编码蛋白质但具有调控功能的RNA，包括microRNA调控基因表达、长链非编码RNA参与染色质修饰和转录调控、小核RNA参与RNA剪接、小核仁RNA参与rRNA加工等这些RNA在基因表达精细调控、细胞分化和发育中发挥关键作用，丰富了基因组功能核酸的理化性质紫外吸收特性1核酸由于含有芳香性碱基，在260nm处有强烈的紫外吸收这一特性常用于测定核酸浓度和纯度纯净的DNA溶液OD260/OD280比值约为

1.8，RNA约为

2.0当DNA变性时，由于碱基堆叠减少，UV吸收增加约40%高色效应，可用于监测DNA变性过程变性和复性2高温、极端pH或变性剂如尿素可导致双链DNA解链为单链冷却或恢复正常条件时，互补链可重新退火形成双链复性DNA的熔解温度Tm是50%DNA解链时的温度，受GC含量、离子强度和序列特性影响这些特性是分子杂交等技术的基础碱基互补性3核酸的碱基配对规则A与T/U，G与C使DNA和RNA具有互补性，能形成双链结构这种互补性是DNA复制、转录和翻译的分子基础，也是PCR、DNA测序、基因芯片等分子生物学技术的原理序列特异性碱基配对使核酸成为识别和信息存储的理想分子化学稳定性4DNA比RNA更稳定，因为2-OH缺失减少了自催化水解RNA容易在碱性条件下水解，限制了其作为遗传物质的能力核酸易被核酸酶降解，细胞使用多种机制保护核酸，如DNA包装成染色质、RNA形成特定二级结构或与蛋白质结合核酸的化学修饰如甲基化可改变其稳定性和功能生物能学基本概念热力学定律自由能变化氧化还原电位第一定律能量守恒能量不能被创造吉布斯自由能变化是判断反应自发氧化还原反应涉及电子的转移，可用标ΔG或销毁，只能从一种形式转换为另一种性的关键指标ΔG=ΔH-TΔS，其中准氧化还原电位E°表征E°越正，物形式生物系统遵循这一原则，通过代ΔH为焓变化，反映能量变化；ΔS为熵质越易得电子氧化剂；E°越负，物质谢将化学能转换为其他形式的能量第变化，反映系统无序度变化；为绝对越易失电子还原剂标准氧化还原电T二定律熵增原理自发过程总是朝着温度当ΔG0时，反应自发进行；位与标准自由能变化关系为ΔG°=-熵增加系统无序度增加的方向进行ΔG0时，反应非自发；ΔG=0时，系统nFΔE°，其中n为转移电子数，F为法生物体通过消耗能量维持有序结构，本处于平衡状态生物过程通常将不利反拉第常数细胞利用氧化还原电位差驱质上是开放系统应与有利反应偶联，确动合成和物质转运ΔG0ΔG0ATP保总自由能变化为负的结构和功能ATP分子结构能量转换循环ATP三磷酸腺苷ATP由腺嘌呤、核糖和ATP在能量转换过程中扮演中心角色，人体每天合成和消耗约50-75kg ATP，三个磷酸基团组成关键特征是其高将食物分子氧化释放的能量捕获并转但实际存在量仅约50-100g，表明能磷酸键，特别是最外两个磷酸基团化为可用形式ATP水解为ADP和无ATP快速循环利用ATP主要通过氧之间的键这些键水解时释放大量能机磷酸Pi，释放的能量可用于驱动化磷酸化、底物水平磷酸化和光合磷量~

30.5kJ/mol，使ATP成为理想的非自发反应、进行机械工作如肌肉收酸化合成ADP、AMP和Pi浓度增加能量货币磷酸基团间的静电排斥和缩、维持离子梯度通过ATP酶或进时会激活能量产生途径，形成精确的共振稳定性的差异是高能磷酸键特性行生物合成ATP是连接分解代谢和能量平衡调控系统，使细胞能根据需的分子基础合成代谢的枢纽求调整ATP产生代谢调节ATP/ADP比率是细胞能量状态的重要指标，影响多种代谢途径的活性高ATP/ADP比率抑制分解代谢如糖酵解并促进合成代谢如糖原合成；低比率则产生相反效果ATP还可通过腺苷受体作为细胞外信号分子，参与神经传递、血管舒张和免疫调节等过程氧化还原反应和电子传递链氧化还原概念1氧化是指失电子或失氢过程，还原是指得电子或得氢过程电子载体2NAD⁺/NADH、FAD/FADH₂、泛醌等在代谢中传递电子电子流动3电子从低电位NADH流向高电位O₂，释放能量生物体内的氧化还原反应是能量获取的主要方式在有氧呼吸中，食物分子中的电子经过一系列载体传递给最终电子受体氧分子，形成完整的电子传递链电子传递过程中释放的能量用于将质子泵到线粒体内膜外侧，形成质子梯度线粒体电子传递链包括四个主要复合体复合体INADH脱氢酶、复合体II琥珀酸脱氢酶、复合体III细胞色素bc₁复合体和复合体IV细胞色素c氧化酶此外，泛醌和细胞色素c作为移动载体，在复合体之间传递电子电子传递过程中可能产生活性氧ROS，细胞具有多种抗氧化机制应对氧化损伤糖酵解过程102反应步骤产能阶段糖酵解是将葡萄糖分解为丙酮酸的10步反应过程，在糖酵解分为两个阶段前5步为能量投入阶段，消耗2细胞质基质中进行每个葡萄糖分子产生2个丙酮酸、个ATP将葡萄糖活化；后5步为产能阶段，产生4个2个ATP和2个NADH ATP，净得2个ATP3关键酶糖酵解过程中有三个关键调控酶己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶，它们催化不可逆反应，是代谢调控的主要位点糖酵解是最古老的能量获取途径之一，几乎存在于所有生物中在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体经三羧酸循环进一步氧化；在无氧条件下，丙酮酸可转化为乳酸动物或乙醇酵母，使NAD⁺再生，维持糖酵解持续进行糖酵解受多种因素调控ATP/AMP比例能量状态、柠檬酸浓度三羧酸循环活性、果糖-2,6-二磷酸浓度激素信号等癌细胞常表现为有氧糖酵解Warburg效应，即使在氧气充足条件下也主要依靠糖酵解产能，这是肿瘤代谢的重要特征三羧酸循环概述柠檬酸合成循环入口乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸2丙酮酸脱氢形成乙酰CoA，进入循环1脱羧氧化柠檬酸经过一系列反应，脱掉两个CO₂3循环完成5底物水平磷酸化草酰乙酸再生，可接受新的乙酰CoA，循环继续琥珀酰CoA转化为琥珀酸时产生GTP相当于4ATP三羧酸循环克雷布斯循环是有氧呼吸的核心过程，在线粒体基质中进行每转一圈，完全氧化一分子乙酰CoA，产生3个NADH、1个FADH₂、1个GTP或ATP和2个CO₂这些还原性辅酶NADH和FADH₂进入电子传递链，最终产生大量ATP三羧酸循环不仅是能量代谢的枢纽，也是中间代谢的中心循环中间体可供给多种生物合成途径，如氨基酸、卟啉和脂肪酸的合成；同时，循环也能接受来自蛋白质和脂肪酸分解的碳骨架，实现不同营养物质的最终氧化循环中的多种酶受反馈调节，确保能量产生与需求匹配三羧酸循环的调节能量状态感应三羧酸循环敏感地响应细胞能量状态变化高ATP/ADP比率和高NADH/NAD⁺比率抑制循环活性，低比率则促进循环进行这种反馈调节确保能量产生与细胞需求相匹配，防止能量过剩或不足ATP对异柠檬酸脱氢酶的抑制作用是能量状态调控的典型例子关键酶调节三羧酸循环中有三个主要调控点柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体这些酶受底物水平、产物浓度、能量状态和特定激活剂/抑制剂调控例如，NADH抑制异柠檬酸脱氢酶，而ADP和钙离子激活该酶；琥珀酸和ATP抑制柠檬酸合成酶活性变构调节钙离子是重要的变构激活剂，在肌肉收缩等能量需求增加时，胞质钙浓度上升，激活多种脱氢酶激素信号通过影响酶的磷酸化状态也参与调控例如，胰岛素促进葡萄糖氧化，使丙酮酸脱氢酶处于活性状态；而在饥饿状态下，丙酮酸脱氢酶被抑制，保存葡萄糖用于糖异生补充反应三羧酸循环中间体可通过补充反应anaplerotic reactions补充当中间体用于生物合成时，需要补充以维持循环功能主要补充反应包括丙酮酸羧化酶催化的丙酮酸转化为草酰乙酸，以及谷氨酸脱氢为α-酮戊二酸的反应这些反应对维持三羧酸循环的完整性至关重要电子传递链和氧化磷酸化电子传递复合体质子动力势12位于线粒体内膜上的四个主要蛋白复合体依次为复合体INADH脱氢电子传递过程中，复合体I、III和IV将质子从基质泵入膜间隙，形成跨膜酶、复合体II琥珀酸脱氢酶、复合体III细胞色素bc₁复合体和复合质子梯度这一梯度包含化学势pH差和电势膜电位两部分，统称为体IV细胞色素c氧化酶NADH将电子输入复合体I，FADH₂将电子输质子动力势质子动力势是细胞生物能学的核心，不仅驱动ATP合成，入复合体II，电子依次经过复合体III和IV，最终传递给氧，形成水还为多种物质转运提供能量合酶效率与调控3ATP4ATP合酶复合体V是利用质子梯度合成ATP的分子马达，由F₁和F₀氧化磷酸化是高效的能量转换过程，NADH经氧化磷酸化可产生约

2.5两部分组成F₀嵌入膜中，形成质子通道；F₁突出于基质侧，含有个ATP，FADH₂产生约

1.5个ATPP/O比每个氧原子消耗产生的ATP催化位点质子沿浓度梯度流回基质时，驱动F₀转子旋转，引起F₁数反映效率解偶联蛋白可使质子泵形成的梯度以热形式释放，不产构象变化，促进ADP和Pi结合形成ATP每3-4个质子流动可合成1个生ATP，在产热和调节活性氧水平方面有重要作用ATP糖异生作用生理意义1糖异生是从非碳水化合物前体如乳酸、丙氨酸、甘油和某些氨基酸合成葡萄糖的过程其主要生理意义是维持血糖稳定，特别是在禁食或剧烈运动期间，为大脑和红细胞提供持续的葡萄糖供应肝脏是糖异生的主要场所，肾脏在长期饥饿时也能进行糖异生代谢途径2糖异生基本上是糖酵解的逆过程，但有几个关键步骤不同糖酵解中的三个不可逆反应己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶在糖异生中由不同酶催化丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶绕过丙酮酸激酶、果糖-1,6-二磷酸酶绕过磷酸果糖激酶和葡萄糖-6-磷酸酶绕过己糖激酶能量需求3糖异生是高能耗过程，合成1分子葡萄糖需要6个高能磷酸键4个ATP，2个GTP和2个NADH这反映了从热力学角度看，生物合成途径通常比分解途径需要更多能量投入在饥饿状态下，脂肪酸氧化提供的ATP和NADH支持糖异生，实现脂肪向糖的转化激素调控4糖异生受多种激素精细调控胰高血糖素和肾上腺素促进糖异生，机制包括激活关键酶如丙酮酸羧化酶、增加底物供应通过促进蛋白质和脂质分解和诱导糖异生酶基因表达相反，胰岛素通过抑制糖异生酶基因表达和激活拮抗酶如丙酮酸激酶强烈抑制糖异生糖原的合成和分解糖原是动物体内主要的葡萄糖储存形式，主要存在于肝脏占重量的10%和肌肉占重量的2%中糖原合成糖原生成过程始于葡萄糖-6-磷酸，经过葡萄糖-1-磷酸，形成UDP-葡萄糖这一活化单糖糖原合成酶催化UDP-葡萄糖中葡萄糖残基转移到糖原链上，形成α-1,4-糖苷键；支链酶则催化形成α-1,6-糖苷键，创造分支点糖原分解由糖原磷酸化酶催化，该酶从非还原末端逐个切下葡萄糖残基，同时加入磷酸，形成葡萄糖-1-磷酸，不消耗ATP当达到分支点时，转移酶和脱支酶协同作用去除分支肝脏中的葡萄糖-6-磷酸酶可将葡萄糖-6-磷酸转化为葡萄糖释放入血，而肌肉缺乏此酶，产生的葡萄糖-6-磷酸只能用于本组织的能量代谢糖原代谢受激素和代谢物精细调控胰岛素促进糖原合成，抑制糖原分解；胰高血糖素和肾上腺素则产生相反效果这些激素通过影响酶的磷酸化状态，例如通过cAMP-蛋白激酶A信号通路，来快速调节糖原代谢酶活性脂肪酸的氧化β-氧化过程活化与运输能量产出氧化是脂肪酸在线粒体中被氧化降解的主脂肪酸需先在细胞质中被活化为脂酰，脂肪酸氧化产生大量能量以棕榈酸β-CoAβ-C16要途径，每个循环缩短脂肪酸碳链两个碳原此反应由脂酰合成酶催化，消耗个为例，完全氧化可产生个₂、个CoA17FADH7子，产生一分子乙酰该过程包括四个长链脂酰无法直接穿过线粒体内和个乙酰这些乙酰进入CoA ATPCoA NADH8CoA CoA连续步骤脱氢₂、水合、膜，需借助肉碱穿梭系统脂酰先转化三羧酸循环进一步氧化，最终通过氧化磷酸FAD→FADHCoA再次脱氢⁺和硫解裂对于为脂酰肉碱，进入线粒体后再转回脂酰化产生大量计算表明，一分子棕榈酸NAD→NADH CoAATP偶数碳脂肪酸，最终产物全部为乙酰；这一系统是长链脂肪酸氧化的限速步骤，也完全氧化可净产生约个，能量效率CoA106ATP奇数碳脂肪酸则最终产生一分子丙酰是代谢调控的关键点远高于碳水化合物CoA酮体的生成和利用酮体合成1酮体包括β-羟丁酸、乙酰乙酸和少量丙酮，主要在肝脏线粒体中由乙酰CoA合成当碳水化合物缺乏而脂肪酸氧化增加时，过多的乙酰CoA超过三羧酸循环处理能力，转而形成酮体HMG-CoA合成酶是酮体生成的限速酶，其活性在饥饿状态下大幅增加酮体释放与转运2肝脏合成的酮体释放入血，由血液转运至外周组织血浆中酮体浓度正常时低于

0.5mM，在长期饥饿或不控制的糖尿病时可升至7-10mM酮体作为水溶性分子，不需要白蛋白等蛋白载体就能在血液中转运，能快速响应能量需求变化酮体利用3大多数组织特别是脑、心脏和骨骼肌可利用酮体作为替代能源在适应性酮症期间，脑可获得高达70%的能量需求来自酮体利用过程中，β-羟丁酸脱氢酶将β-羟丁酸氧化为乙酰乙酸，后者分解为两分子乙酰CoA进入三羧酸循环肝脏本身缺乏关键酶，不能利用酮体生理意义4酮体产生是人体在饥饿时的重要适应机制，有多重生理意义为脑提供替代能源减少对血糖依赖；减少肌肉蛋白质分解节约蛋白质；提高代谢效率每单位氧气产生更多ATP过量酮体积累导致酮症酸中毒，是糖尿病的严重并发症，可致命蛋白质的消化和吸收口腔与胃部消化蛋白质消化始于胃，而非口腔唾液中无蛋白酶胃酸pH

1.5-

2.5使蛋白质变性，暴露肽键胃蛋白酶主细胞分泌为无活性胃蛋白酶原，胃酸激活水解蛋白质内部，特别是芳香族氨基酸邻近的肽键，产生大肽和少量小肽与氨基酸小肠消化大部分蛋白质消化发生在小肠，尤其是十二指肠和空肠胰腺分泌多种蛋白酶原如胰蛋白酶原、糜蛋白酶原，进入小肠后被肠激酶或已活化的胰蛋白酶激活这些酶具有不同特异性，共同作用可水解几乎所有肽键小肠刷状缘膜上的氨基肽酶和二肽酶进一步水解小肽至氨基酸吸收过程氨基酸、二肽和三肽通过小肠上皮细胞吸收氨基酸通过特异性转运蛋白转运，分为几个系统处理不同类型氨基酸小肽则通过肽转运蛋白PepT1以共转运方式吸收，在细胞内被肽酶水解为氨基酸这些氨基酸通过基底侧膜转运蛋白进入血液，经门静脉系统到达肝脏蛋白质周转人体蛋白质不断分解和重新合成，称为蛋白质周转每天约有250-300g蛋白质被分解再合成，大大超过日常膳食摄入量50-100g周转速率因蛋白质而异血浆蛋白可能数天更新一次，而结构蛋白如胶原则更新缓慢周转使机体能根据需要调整各种蛋白质水平，同时清除损伤蛋白质氨基酸的分解和尿素循环脱氨基氨的转运氨基酸分解的第一步通常是脱氨基，由转氨游离氨对神经系统有毒性，需转化为无毒形酶催化，将氨基转移到酮戊二酸上，形成α-式运输谷氨酰胺脑和肌肉主要形式和丙谷氨酸和相应的酮酸酮酸进入各自代α-α-12氨酸肌肉释放形式是主要运输载体血液谢途径，最终氧化为₂和₂或转化为CO HO中少量氨以₄⁺形式存在，大部分被肝NH葡萄糖和酮体脏清除碳骨架代谢尿素形成氨基酸碳骨架酮酸可分为生糖型可转化尿素循环是肝脏中将氨转化为尿素的主要途α-为葡萄糖、酮糖型产生乙酰或酮体和径，由五个酶催化循环始于线粒体中氨与CoA43既生糖又酮糖型三类不同氨基酸的碳骨架碳酸氢盐和结合形成氨基甲酰磷酸，后ATP进入代谢途径的位点不同，决定了其最终代与鸟氨酸结合形成瓜氨酸，瓜氨酸在细胞质谢命运中进一步转化，最终再生鸟氨酸并产生尿素尿素循环是首个被发现的循环代谢途径汉斯克雷布斯发现，早于三羧酸循环该循环消耗个高能磷酸键个和个来合成一分·43ATP1GTP子尿素，反映了排除氨的重要性肝功能衰竭可导致高氨血症和肝性脑病复制的基本原理DNA起始1DNA复制始于特定的起始位点ORI，真核生物基因组中有多个复制起始点起始过程需要解旋酶解开双螺旋，单链结合蛋白稳定单链，引物酶合成RNA引物，为DNA聚合酶提供3-OH端复制起始是严格调控的过程，确保每个DNA序列在每个细胞周期中只复制一次延伸2DNA聚合酶催化脱氧核苷酸按照模板链的指导聚合，遵循碱基配对原则A-T，G-C聚合酶只能在5→3方向合成DNA，因此在领先链上可连续合成，而在滞后链上需要多段短片段冈崎片段合成后再连接DNA连接酶负责连接相邻的DNA片段多种蛋白质形成复制叉，协同工作确保高效准确的复制终止3当相邻复制叉相遇或达到染色体末端时，复制终止真核生物末端复制存在特殊问题线性DNA末端的RNA引物被移除后，无法被DNA聚合酶填补，导致每轮复制末端缩短端粒酶是特殊的反转录酶，可在染色体末端添加重复序列，解决末端复制问题端粒酶在大多数体细胞中不活跃，与细胞衰老和肿瘤发生有关校对与保真4DNA聚合酶具有3→5外切酶活性，能检查并纠正刚合成的错配碱基，显著提高复制准确性这种校对功能使DNA复制的错误率降至约10⁻⁷至10⁻⁸复制后还有错配修复系统进一步检查错误，进一步将错误率降低到10⁻⁹至10⁻¹⁰，确保遗传信息的精确传递修复机制DNA直接修复某些DNA损伤可被直接修复，无需切除损伤碱基或核苷酸光反应酶能直接修复紫外线导致的嘧啶二聚体，利用光能将连接的嘧啶分开O⁶-甲基鸟嘌呤甲基转移酶能直接去除O⁶位甲基化鸟嘌呤上的甲基，修复烷化剂造成的损伤这类修复机制操作简单，但每个酶分子通常只能修复一次损伤切除修复切除修复系统包括碱基切除修复BER和核苷酸切除修复NERBER修复单个损伤碱基DNA糖基化酶识别并切除损伤碱基，AP内切酶切断无碱基位点，聚合酶填补缺口，连接酶密封NER处理引起DNA结构畸变的损伤，如嘧啶二聚体，通过切除包含损伤在内的一段寡核苷酸，再合成新DNA填补错配修复错配修复系统修正DNA复制过程中逃过聚合酶校对的错误系统识别新合成链上的错配碱基通过识别缺少甲基化的新链，切除包含错配在内的一段DNA，然后使用原始链为模板精确重建缺陷的错配修复与多种癌症如遗传性非息肉性结肠癌相关，显示其在维持基因组稳定性中的重要作用双链断裂修复双链断裂DSB是最严重的DNA损伤形式，主要通过非同源末端连接NHEJ或同源重组HR修复NHEJ直接连接断裂末端，可能丢失或添加核苷酸，是非细胞周期特异性的；HR利用姐妹染色单体作为模板进行精确修复，主要在S期和G2期BRCA1/2等肿瘤抑制基因产物参与HR，其突变增加乳腺癌和卵巢癌风险转录的基本过程起始转录始于RNA聚合酶与启动子结合真核生物有三种RNA聚合酶I、II、III，负责不同RNA的合成RNA聚合酶II转录mRNA，需多种转录因子协助识别启动子并形成转录起始复合物起始阶段包括DNA局部解旋形成转录气泡，暴露模板链供RNA聚合酶读取延伸RNA聚合酶沿模板链5→3方向移动，催化核糖核苷酸按照碱基互补配对原则A对U，G对C添加到新生RNA的3末端与DNA复制不同，转录不需要引物，可直接合成RNA聚合酶前方DNA继续解旋，后方重新配对，转录气泡随聚合酶移动延伸阶段可能发生暂停和回溯，受多种因素调控终止真核生物转录终止涉及RNA的加工对于蛋白质编码基因，RNA聚合酶II遇到多聚腺苷酸信号序列后，转录物被切割，加上polyA尾，聚合酶继续转录一段距离后脱离模板终止确保不同基因的转录互不干扰，是基因表达调控的重要环节转录水平调控转录是基因表达调控的主要层次转录因子结合于增强子或沉默子调控聚合酶活性；染色质修饰影响DNA可及性；各种共激活因子和共抑制因子调节转录因子功能转录调控整合细胞内外信号，确保基因在正确时间、正确位置表达适量产物加工和剪接RNA真核生物的初级转录产物前体需经过一系列加工步骤才能成为成熟主要加工包括端加帽在转录起始后不久发生，添加mRNA mRNA5甲基鸟嘌呤三磷酸帽子结构，保护免受核酸酶降解，辅助核质运输和翻译起始；端多聚腺苷酸化在特定信号序列下游7-mRNA3AAUAAA切割，添加约个腺苷酸残基，增加稳定性；内含子剪接去除非编码区内含子，连接编码区外显子RNA200剪接由剪接体完成，剪接体是由小核和蛋白质组成的大型核糖核蛋白复合物剪接过程通过两步转酯反应进行首先，内含子RNA RNA5端剪接位点的与分支点形成磷酸二酯键，创建套索结构；然后，外显子连接，内含子以套索形式释放可变剪接使同一基因能产生G A2-5多种和蛋白质异构体，极大丰富了蛋白质组多样性，对组织特异性基因表达和发育调控至关重要mRNA遗传密码和翻译过程翻译阶段参与分子主要事件起始起始因子eIF家族、起始tRNA、小核糖体亚基结合mRNA，识别核糖体亚基起始密码子，起始tRNA与之配对，大亚基结合形成完整核糖体延伸延伸因子eEF家族、氨酰tRNA、氨酰tRNA进入A位，肽基从P位肽基转移酶转移到A位氨基酸，核糖体移位，重复循环直至遇到终止密码子终止释放因子eRF家族、核糖体解释放因子识别终止密码子，催化离因子肽链释放，核糖体亚基解离，可进入新一轮翻译遗传密码是DNA或RNA碱基序列与蛋白质氨基酸序列之间的对应关系密码子是mRNA上连续的三个核苷酸，指定一个氨基酸或翻译终止信号64个可能的密码子中，61个编码20种氨基酸存在简并性，3个为终止密码子UAA、UAG、UGAAUG同时是甲硫氨酸密码子和主要起始密码子，常与特定序列环境配合指示翻译起始位点翻译是在核糖体上进行的，核糖体由RNA和蛋白质组成，含有E、P、A三个tRNA结合位点和mRNA通道翻译精确度由tRNA对密码子的识别和核糖体对不匹配的校对共同保证多肽链合成速度约为每秒2-5个氨基酸一个mRNA可同时被多个核糖体翻译形成多聚核糖体，提高蛋白质合成效率翻译过程消耗大量能量，每加入一个氨基酸需要至少4个高能磷酸键蛋白质的翻译后修饰磷酸化糖基化泛素化最常见的可逆修饰，由蛋白激酶催化涉及向蛋白质添加碳水化合物基团，通过三步酶促反应E1激活、E2结合、在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上添主要有N-连接糖基化糖基连接至天冬E3连接将泛素76个氨基酸的小蛋白加磷酸基团磷酸化可改变蛋白质的酰胺侧链和O-连接糖基化糖基连接共价连接到靶蛋白赖氨酸残基上单构象、活性、亚细胞定位和与其他分至丝氨酸或苏氨酸侧链糖基化在内泛素化可调节蛋白质功能和定位，而子的相互作用，是细胞信号传导的核质网和高尔基体中进行，影响蛋白质多聚泛素化尤其是K48链通常标记心机制蛋白磷酸酶可去除磷酸基团，折叠、稳定性、细胞间识别和免疫反蛋白质被26S蛋白酶体降解泛素-蛋使修饰可逆，允许快速调节蛋白功能应膜蛋白和分泌蛋白通常都经过糖白酶体系统是细胞内主要的蛋白质降基化修饰解途径蛋白水解许多蛋白质合成为前体或前体蛋白，需通过特异性蛋白酶切除某些肽段获得活性如胰岛素从前胰岛素切除C肽；蛋白酶通常作为无活性酶原合成，需激活切割；分泌蛋白的信号肽在进入内质网后被切除有些蛋白质如胶原蛋白需多步蛋白水解形成功能性结构基因表达调控原核生物操纵子模型乳糖操纵子色氨酸操纵子正负双重调控乳糖操纵子是雅各布和莫诺提出的经典基因与乳糖操纵子相反，色氨酸操纵子展示了负某些操纵子如阿拉伯糖操纵子同时受正调控调控模型，包含调控基因和结构基因调控机制操纵子编码色氨酸生物合成和负调控除阻遏蛋白外，还有激活蛋白lacI trp、、编码阻遏蛋白，结途径的酶当色氨酸丰富时，色氨酸与阻遏如参与调控在与环磷酸腺苷lacZ lacYlacA lacICAP CAP构基因编码乳糖代谢所需酶阻遏蛋白结合蛋白结合形成活性复合物，结合操作子阻止结合后，能与启动子特定位点结合，cAMP于操作子阻止转录；当乳糖存在转录；色氨酸缺乏时，阻遏蛋白无活性，基促进聚合酶结合，增强转录水operator RNAcAMP时，其代谢产物别乳糖与阻遏蛋白结合，使因表达启动这种反馈调节确保色氨酸合成平反映葡萄糖可用性，实现碳源偏好的代谢其构象改变无法结合，解除阻遏，启动与需求匹配，防止资源浪费调控，体现了操纵子调控的复杂性与精确性DNA转录基因表达调控真核生物转录因子转录起始复合物1RNA聚合酶与基本转录因子结合启动子特异性转录因子2结合增强子或沉默子调节特定基因表达辅助调节因子3协调染色质修饰和转录因子活性信号通路整合4细胞内外信号影响转录因子活性真核生物转录调控比原核生物复杂得多，涉及多层次协同作用基本转录因子如TFIIA、TFIIB等与RNA聚合酶II一起形成转录起始复合物，是转录的基本机器特异性转录因子则结合于远离启动子的DNA调控元件增强子或沉默子，通过DNA弯曲或辅助因子介导与基本转录机器相互作用转录因子通常含有DNA结合域和转录激活/抑制域常见的DNA结合结构域包括锌指、螺旋-环-螺旋、亮氨酸拉链等转录因子的活性受多种机制调控蛋白表达水平、翻译后修饰如磷酸化、辅因子结合、亚细胞定位变化等信号通路通过影响这些机制，将细胞外信号如激素、生长因子转化为特定基因表达的变化，实现环境适应和发育程序控制基因表达调控表观遗传学甲基化组蛋白修饰1DNA2DNA甲基化是最常见的表观遗传修饰，主要发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上，组蛋白八聚体H2A、H2B、H

3、H4各两个与DNA缠绕形成核小体，是染色形成5-甲基胞嘧啶由DNA甲基转移酶DNMTs催化，使用S-腺苷甲硫氨酸质的基本单位组蛋白尾部可被多种翻译后修饰，包括乙酰化活跃转录、甲作为甲基供体启动子区高度甲基化通常与基因沉默相关，机制包括直接阻基化激活或抑制，取决于位点、磷酸化、泛素化和SUMO化等这些修饰通碍转录因子结合或招募甲基CpG结合蛋白MBPs和组蛋白去乙酰化酶，形成过改变染色质结构或招募特定蛋白因子，调节基因表达、DNA修复和染色质抑制性染色质结构重塑染色质重塑非编码34RNAATP依赖性染色质重塑复合物能改变核小体位置、组成和结构，影响DNA可长链非编码RNAlncRNAs和微小RNAmiRNAs在表观遗传调控中发挥重要及性重塑复合物如SWI/SNF、ISWI和CHD家族，利用ATP水解能量滑动、作用lncRNAs可招募染色质修饰复合物到特定基因位点；miRNAs通过与排出或重构核小体这些活动配合组蛋白修饰，可创建开放或压缩的染色质mRNA配对导致其降解或翻译抑制这些RNA介导的调控参与X染色体失活、区域，从而启动或抑制特定基因转录，对细胞记忆和发育程序至关重要基因印记和转座子沉默等关键生物学过程，构成表观遗传调控的又一层次重组技术概述DNA剪切与连接DNA限制性内切酶是重组DNA技术的基础工具，能在特定DNA序列通常为回文序列处切割双链DNA不同酶产生平端或黏性末端，后者更有利于定向克隆DNA连接酶通常为T4DNA连接酶能催化DNA片段之间的连接，形成完整的重组DNA分子这些酶使科学家能精确操作DNA片段，创建新的DNA分子载体系统载体是能自主复制并携带外源DNA的分子，常见类型包括质粒小型环状DNA，适合小片段克隆、噬菌体可装载较大DNA、人工染色体BAC、YAC，适合大片段克隆和表达载体含强启动子，用于蛋白表达理想的载体应具备复制起点、选择标记、多克隆位点和适当大小等特点转化与筛选重组DNA分子需要导入宿主细胞通常是大肠杆菌、酵母或培养的哺乳动物细胞进行扩增或表达常用方法包括化学转化、电穿孔、脂质体转染和病毒介导的转导成功转化的细胞通过抗生素抗性、蓝白筛选或荧光标记等方式筛选这些技术使科学家能有效分离含有目标重组DNA的克隆应用前景重组DNA技术广泛应用于基础研究、医学诊断和治疗、农业育种和工业生产包括基因克隆与表达、基因敲除/敲入模型构建、基因治疗、重组蛋白药物生产如胰岛素、转基因作物开发和工业酶生产等近年来，CRISPR-Cas9等基因编辑技术进一步拓展了应用广度和精度技术及其应用PCR组分原理1模板DNA、引物对、耐热DNA聚合酶、dNTPs和缓聚合酶链式反应通过DNA片段的体外指数级扩增2冲液变种技术循环步骤43实时定量PCR、反转录PCR、巢式PCR和多重PCR等变性95°C、退火50-65°C和延伸72°C反复循环PCR技术由Kary Mullis于1983年发明，使用耐热DNA聚合酶通常为Taq聚合酶，来自嗜热菌在短时间内大量扩增特定DNA片段PCR的关键在于引物设计两条引物通常15-30个核苷酸长需特异性结合目标序列两端，方向相对，确定扩增区域通过30-40个热循环，目标序列可被扩增数十亿倍，使极微量DNA可被检测和分析PCR技术应用广泛在分子克隆中用于制备插入片段；在诊断中检测病原体或遗传疾病；在法医学中分析微量DNA样本；在古DNA研究中扩增降解样本；在研究中进行基因表达分析通过RT-PCR和定点突变引入实时定量PCR通过荧光标记实时监测扩增产物积累，用于基因表达定量和病毒载量测定PCR已成为现代生物科学不可或缺的基本技术基因克隆和测序基因组文库构建1将生物体全基因组DNA片段化并克隆入载体，创建代表整个基因组的克隆集合目标基因筛选2通过核酸杂交、PCR或功能互补等方法从文库中鉴定目标基因序列测定3使用Sanger法或新一代测序技术确定DNA精确序列序列分析与应用4通过生物信息学分析序列功能并用于后续研究与应用基因克隆始于基因组文库构建从生物样本中提取DNA，用限制酶或机械方法片段化，连接到适当载体，转化宿主细胞cDNA文库则从mRNA逆转录获得，只含表达基因目标基因可通过核酸探针杂交基于序列互补性、PCR扩增需知道部分序列或表达筛选基于功能识别等方法从文库中分离DNA测序技术经历了快速发展传统的Sanger双脱氧链终止法长期作为金标准，每次可读取700-900bp新一代测序NGS如Illumina、Ion Torrent技术通过大规模平行测序极大提高了通量，但读长较短第三代测序如PacBio和Oxford Nanopore技术提供更长读长，有助于组装和解析复杂区域测序后的序列分析可确定基因结构、调控元件、进化关系等，为基因功能研究和应用开发提供基础蛋白质组学技术样品制备分离与鉴定定量分析蛋白质组分析始于样品制备，包括组织传统上，二维凝胶电泳用于蛋白蛋白质组定量方法包括标记和非标记技2-DE裂解、蛋白质提取和去除干扰物质如质分离，根据等电点和分子量区分数千术标记技术如同位素标记、SILAC脂质、核酸和高丰度蛋白根据研究种蛋白质现代方法多采用液相色谱、在不同样品间引入质量iTRAQ TMT目的，可能还需进行亚细胞分级分离与质谱联用液相色谱根据蛋差异，允许同时分析多个样品非标记LC MS细胞器或蛋白质复合物纯化许多研白质理化性质分离混合物，而质谱则精技术如光谱计数和特征峰面积比较，依究关注翻译后修饰，需特殊富集技术分确测定肽段质量并进行序列分析串联赖于检测信号强度估算相对丰度绝对离低丰度修饰蛋白，如抗体亲和纯化磷质谱可进一步碎片化肽段，提定量通常需标准曲线，如使用已知浓度MS/MS酸化蛋白或糖基化蛋白供更详细的结构信息，支持蛋白质准确的同位素标记肽段这些方法可研究蛋鉴定白表达变化、翻译后修饰动态和蛋白-蛋白相互作用代谢组学和系统生物学代谢组学研究生物系统中所有小分子代谢物的综合特征主要分析平台包括核磁共振和质谱，前者无损、高重现性但灵敏度较NMR MS低，后者高灵敏度、宽覆盖范围但需样品处理代谢组分析可分为靶向针对特定代谢物和非靶向全谱分析两种策略通过代谢物指纹图谱比较，可发现不同生理状态、疾病或药物干预下的代谢变化，为生物标志物发现和代谢途径理解提供依据系统生物学整合多层次组学数据基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学，构建生物系统的全局视图计算模型如代谢通量平衡分析和动力学模型可预测系统行为，指导实验设计通过迭代改进的实验模型循环，系统生物学致力于解释细胞、组织和生物体复杂的FBA-调控机制和应对环境变化的策略这种整体观方法对理解复杂疾病、开发精准医疗和工程化细胞生物生产系统具有重要意义生物信息学在生物化学中的应用数据库资源序列分析结构预测与分析生物信息学提供丰富的数据库资源用于生序列分析工具包括序列比对BLAST、蛋白质二级结构预测如PSIPRED、三维物化学研究，包括核酸序列库GenBank、FASTA、多序列比对Clustal、结构预测AlphaFold、RoseTTAFold和EMBL、蛋白质序列库UniProt、MUSCLE、系统发育分析MEGA、分子对接AutoDock等工具极大促进了结RefSeq、结构库PDB、代谢途径库PhyML和功能预测InterProScan等通构生物学研究基于结构的药物设计利用KEGG、MetaCyc和相互作用库过比较同源序列，可推断未知基因或蛋白靶蛋白三维结构筛选或设计能特异性结合STRING等这些数据库不仅存储原始的可能功能，识别保守域和活性位点，追的小分子结构比较和分类CATH、数据，还提供注释、分类和可视化工具，踪分子进化历史序列分析是最基本的生SCOP揭示蛋白质结构与功能的关系，指支持从序列到功能的综合理解数据库间物信息学应用，为实验设计和结果解释提导蛋白质工程和酶催化机制研究的相互链接形成生物信息网络，实现多维供理论基础度数据整合系统级分析生物信息学支持对大规模组学数据的系统级分析，如基因表达聚类、调控网络重建、代谢通量分析和表型关联研究整合多源数据可构建计算模型模拟细胞代谢网络，预测基因敲除效应或药物干预结果这些系统方法有助于理解生物化学过程的复杂性和生物系统的自组织特性，为合成生物学和代谢工程提供指导生物化学在医学中的应用临床生化诊断药物研发精准医疗临床生化检验是现代医学诊断的基石，通过测生物化学原理贯穿药物研发全过程靶点发现精准医疗将生物化学、分子生物学和基因组学量血液、尿液或其他体液中的生化标志物评估与验证基于对疾病相关分子机制的理解；高通融合，实现个体化疾病预防、诊断和治疗药器官功能和疾病状态如肝功能检查ALT、量筛选利用酶学和受体结合原理快速评估候选物基因组学研究基因变异与药物反应的关系，AST、胆红素、肾功能检查肌酐、尿素氮、化合物；药物代谢研究药代动力学预测药物指导药物选择和剂量调整；代谢组学分析揭示心肌损伤标志物肌钙蛋白、CK-MB和血糖检在体内的吸收、分布、代谢和排泄特性；药物疾病特异性代谢特征，开发新型生物标志物；测等生化指标变化可反映特定组织的损伤或相互作用分析预防不良反应现代药物研发越蛋白质组学研究鉴定疾病相关蛋白，发现新的代谢紊乱，为疾病诊断、严重程度评估和治疗来越依赖于对分子水平疾病机制的深入理解，治疗靶点这些方法共同推动医学从一刀切效果监测提供客观依据如酶抑制剂、受体调节剂和信号通路干预等靶向精准个体化方向发展向策略课程总结和未来展望生物化学的综合视角技术革新推动学科发展12回顾本课程，我们从分子水平系统探讨了生命生物化学是技术驱动的学科，新技术不断推动的化学基础，从最基本的生物分子结构与性质，认知边界扩展近年来，高通量测序技术使基到复杂的代谢网络与基因表达调控，再到现代因组研究成本大幅降低；冷冻电镜技术革命性生物技术与医学应用生物化学提供了理解生地改变了蛋白质结构解析方法；人工智能算法命过程的分子框架，连接了化学反应与生物功如AlphaFold在蛋白质结构预测领域取得突能，解释了从基因型到表型的转变机制这种破；单细胞技术揭示了细胞异质性的分子基础整合视角使我们能够从分子层面理解健康与疾未来，随着纳米技术、生物传感器和实时成像病，为生物医学研究提供理论基础技术的发展，我们将能更精细地观察和操控生物分子，深入理解生命现象面向未来的挑战与机遇3生物化学面临诸多前沿挑战揭示蛋白质折叠完整机制，解析复杂生物膜系统功能，阐明细胞命运决定的分子基础，开发高效能源转换系统等同时，学科交叉融合创造了新机遇合成生物学设计人工生物系统；系统生物学整合多层次数据构建可预测模型；代谢工程开发绿色生产工艺；生物医学工程创新诊疗技术这些发展将促进生物化学从描述性向预测性和设计性学科转变作为未来科研工作者、医药行业专业人员或科技教育者，深厚的生物化学基础将帮助你在各自领域作出贡献希望通过本课程学习，您不仅掌握了核心知识，更培养了分析问题和解决问题的能力，为探索生命科学奥秘和应对人类健康挑战做好准备。