《生物化学基础》课件

生物化学基础欢迎来到《生物化学基础》课程！本课程旨在为学生构建坚实的生物化学理论基础，并培养运用生物化学知识解决实际问题的能力我们将深入探讨生命的化学组成、生物分子的结构与功能、代谢途径、能量转化、信号转导以及基因表达调控等核心内容通过本课程的学习，您将能够理解生物体内的复杂化学过程，为后续的生命科学研究奠定基础本课程将理论与实践相结合，通过案例分析和实验操作，让您更好地掌握生物化学的精髓让我们一起探索生命奥秘！课程目标与学习方法课程目标学习方法掌握生物化学基本概念和原理课前预习，带着问题听课••理解生物分子的结构与功能认真听讲，积极参与讨论••熟悉主要代谢途径及其调控课后复习，及时巩固知识••了解能量转化和信号转导机制完成作业，加深理解••培养运用生物化学知识解决实际问题的能力阅读相关文献，拓展视野••生物化学的重要性理解生命过程解决健康问题12生物化学是理解生命现象的基生物化学在疾病的诊断、治疗石通过研究生物体内的化学和预防中发挥着关键作用许反应，我们可以深入了解生命多疾病的发生与生物化学过程的本质，揭示生命的奥秘生异常有关通过研究这些异常物化学的研究成果为医学、农过程，我们可以开发出新的药业、环境科学等领域的发展提物和治疗方法，改善人类健康供了重要的理论基础推动科技创新3生物化学的研究成果为生物技术的发展提供了强大的动力基因工程、蛋白质工程等新兴技术都离不开生物化学的基础知识这些技术在医药、农业、能源等领域具有广阔的应用前景，将推动科技创新和社会进步生命的化学基础水水的极性水的溶解性水的温度调节水分子由一个氧原子和两个氢原子组成水是一种优良的溶剂，能够溶解许多极水具有较高的比热容，能够吸收大量的，氧原子带负电荷，氢原子带正电荷，性分子和离子化合物这是因为水分子热而不发生明显的温度升高这使得水形成极性分子这种极性使得水分子之能够与这些分子或离子形成氢键或离子能够帮助生物体维持稳定的体温，防止间能够形成氢键，赋予水独特的性质偶极相互作用，从而降低它们的聚集过热或过冷-程度水的特性与生物功能氢键1氢键是水分子间的重要作用力，赋予水高表面张力、高沸点等特性，对维持生物大分子的结构和功能至关重要溶解性2水是良好的溶剂，能溶解极性分子和离子，为细胞内各种生物化学反应提供必要的环境，参与物质的运输和代谢热容量3水的高比热容有助于维持生物体内部温度的稳定，防止剧烈波动，对生物体适应环境变化具有重要意义酸碱平衡与缓冲系统酸碱概念酸是质子供体，碱是质子受体值是衡量溶液酸碱性的指标pH，为中性，为酸性，为碱性pH=7pH7pH7缓冲系统缓冲系统由弱酸及其共轭碱组成，能抵抗外界酸碱的干扰，维持溶液值的稳定生物体内存在多种缓冲系统，如碳酸氢盐pH缓冲系统、磷酸缓冲系统和蛋白质缓冲系统生理意义维持酸碱平衡对生物体的正常生理功能至关重要值的微小pH变化可能影响酶的活性、蛋白质的结构和细胞的代谢缓冲系统在维持生物体酸碱平衡中起着关键作用生物分子概述碳水化合物寡糖2由少数单糖通过糖苷键连接而成，如蔗糖和乳糖单糖1是碳水化合物的基本组成单位，如葡萄糖、果糖和半乳糖多糖由大量单糖通过糖苷键连接而成，如淀3粉、纤维素和糖原单糖、寡糖、多糖的结构与功能单糖寡糖多糖葡萄糖是细胞能量的主蔗糖是常用的食用糖，淀粉是植物储存能量的要来源，果糖是水果中乳糖存在于乳汁中，为主要形式，纤维素是植的主要糖类，半乳糖是婴儿提供能量物细胞壁的主要成分，乳糖的组成部分糖原是动物储存能量的主要形式糖类的代谢途径简介糖酵解1糖异生2磷酸戊糖途径3糖原合成与分解4糖类代谢途径是生物体内重要的能量代谢途径糖酵解是将葡萄糖分解为丙酮酸的过程，糖异生是将非糖物质转化为葡萄糖的过程磷酸戊糖途径产生和戊糖，糖原合成与分解调节血糖水平NADPH生物分子脂类脂肪酸1甘油三酯2磷脂3类固醇4脂类是生物体内重要的组成部分，包括脂肪酸、甘油三酯、磷脂和类固醇等脂肪酸是构成脂类的基本单位，甘油三酯是主要的储能物质，磷脂是细胞膜的主要成分，类固醇具有多种生理功能脂肪酸、甘油三酯、磷脂分子结构特点功能脂肪酸长链羧酸能量来源，合成其他脂类甘油三酯甘油与三个脂肪酸酯储能物质，保温，保化护内脏磷脂甘油与两个脂肪酸和细胞膜的主要成分，一个磷酸基团酯化信号转导类固醇与脂溶性维生素胆固醇维生素维生素维生素维生素A DE K类固醇包括胆固醇、性激素和肾上腺皮质激素等，具有调节生理功能的作用脂溶性维生素包括维生素、、和，对视觉、骨骼、免疫和凝血等功能至关重要缺乏这些维生素A DE K可能导致各种疾病脂类的生物学功能细胞膜的组成能量储存信号转导磷脂是细胞膜的主要成分，形成脂双层结甘油三酯是主要的储能物质，单位质量释类固醇激素作为信号分子，参与调节基因构，维持细胞的完整性，调节物质的进出放的能量高于糖类和蛋白质，为生物体提表达和生理功能，如性发育、免疫和应激供能量储备反应生物分子蛋白质蛋白质是生物体中最重要的生物分子之一，由氨基酸通过肽键连接而成蛋白质具有多种功能，包括催化、运输、结构支持、免疫和信号转导等蛋白质的结构复杂，分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构氨基酸的结构与分类结构分类氨基酸是具有一个氨基（）、一个羧基（）和一根据基的性质，氨基酸可分为非极性氨基酸、极性非带电氨基-NH2-COOH R个侧链（基）的有机分子氨基酸的碳原子连接着氨基、羧酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸不同的氨基酸具有不同的理化性Rα-基、氢原子和基质，影响蛋白质的结构和功能R肽键与蛋白质的形成肽键多肽链12肽键是连接两个氨基酸的共价多个氨基酸通过肽键连接形成键，由一个氨基酸的羧基与另多肽链多肽链具有端和N C一个氨基酸的氨基脱水形成端，端是含有自由氨基的氨N肽键具有部分双键性质，限制基酸，端是含有自由羧基的C肽链的旋转氨基酸蛋白质的形成3一条或多条多肽链通过特定的方式折叠和组装形成具有特定三维结构的蛋白质蛋白质的结构决定其功能蛋白质的四级结构一级结构二级结构蛋白质的一级结构是指氨基酸的排列顺序一级结构决定了蛋白质的蛋白质的二级结构是指多肽链中局部区域的构象，如螺旋和折叠αβ高级结构和功能二级结构由肽链中的氢键维持三级结构四级结构蛋白质的三级结构是指整个多肽链的三维结构，包括螺旋、折叠和蛋白质的四级结构是指由多个亚基组成的蛋白质的结构亚基之间通αβ其他结构的排列方式三级结构由各种非共价键维持过非共价键相互作用蛋白质的功能多样性酶1酶是生物催化剂，加速生物化学反应的速率酶具有高度的特异性，只能催化特定的反应结构蛋白2结构蛋白提供细胞和组织的结构支持，如胶原蛋白和角蛋白运输蛋白3运输蛋白结合并运输特定的分子或离子，如血红蛋白和转铁蛋白免疫蛋白4免疫蛋白参与免疫应答，识别和清除外来物质，如抗体蛋白质的变性与复性变性蛋白质变性是指蛋白质的高级结构被破坏，导致蛋白质失去其生物活性变性因素包括高温、强酸、强碱、有机溶剂和重金属离子等复性在某些情况下，变性的蛋白质可以恢复其天然结构和生物活性，这种现象称为复性复性需要特定的条件和辅助因子生物分子核酸DNA RNA1脱氧核糖核酸，储存遗传信息，控制细核糖核酸，参与基因表达，包括转录、2胞的生长、发育和繁殖翻译和调控核酸是生物体中储存和传递遗传信息的生物分子，包括和是遗传信息的载体，参与基因表达的过程核酸由核苷DNA RNADNA RNA酸组成，核苷酸由碱基、糖和磷酸组成核苷酸的结构与组成碱基糖磷酸包含腺嘌呤（）包含脱氧核糖，磷酸基团连接核苷酸，DNA ADNA、鸟嘌呤（）、胞嘧包含核糖脱氧核形成核酸链磷酸基团G RNA啶（）和胸腺嘧啶（糖比核糖少一个氧原子带负电荷，赋予核酸酸C T），包含腺嘌呤（性RNA）、鸟嘌呤（）、A G胞嘧啶（）和尿嘧啶C（）U的双螺旋结构DNA碱基配对1磷酸二酯键2双螺旋3的双螺旋结构由沃森和克里克发现由两条互补的链组成，两条链以反向平行的方式排列碱基之间通过氢键配对，与配DNA DNAA T对，与配对磷酸二酯键连接核苷酸，形成核酸链G C的类型与功能RNA1mRNA2tRNA3rRNA有多种类型，包括、和是信使，携带遗传信息从到核糖体是转运，携带氨基RNA mRNAtRNA rRNA mRNA RNADNA tRNA RNA酸到核糖体是核糖体，组成核糖体，参与蛋白质合成rRNA RNA复制的原理DNA特点描述半保留复制每个新分子包含一条旧链和DNA一条新链起始于复制起点复制从特定的序列开始，称DNA为复制起点聚合酶聚合酶催化链的延伸，DNA DNA DNA只能从到方向延伸53转录与翻译的过程转录是将序列复制成序列的过程，由聚合酶催化翻译是将序列翻译成蛋白质序列的过程，发生在核糖体上转录和翻译是基因表达的两个关键步骤DNA RNARNARNA酶的概述生物催化剂活性位点催化机制酶的活性位点是酶分子中与底物结合并进行催化的区域活性位点的结酶通过降低反应的活化能来加速反应的速率酶通过多种机制实现催化构和化学性质决定了酶的特异性，包括酸碱催化、共价催化和金属离子催化等酶是生物催化剂，能够加速生物化学反应的速率酶具有高度的特异性，只能催化特定的反应酶在生物体内发挥着至关重要的作用，参与各种代谢途径和生理过程酶的特性与作用机制特性作用机制高效性酶能显著加速反应速率降低活化能酶降低反应所需的能量••特异性酶只能催化特定的反应形成中间体酶与底物形成中间体••专一性酶只能作用于特定的底物提供反应环境酶提供适宜的反应环境••可调节性酶活性受多种因素影响•酶的分类与命名氧化还原酶1催化氧化还原反应，如脱氢酶和氧化酶转移酶2催化官能团的转移，如氨基转移酶和磷酸转移酶水解酶3催化水解反应，如蛋白酶和脂肪酶裂合酶4催化底物中化学键的断裂或形成，如醛缩酶和脱羧酶影响酶活性的因素温度在一定范围内，酶活性随温度升高而增加，超过最适温度，酶活性下降值pH酶具有最适值，偏离最适值，酶活性下降pH pH底物浓度在一定范围内，酶活性随底物浓度增加而增加，达到饱和后，酶活性不再增加酶浓度在底物充足的条件下，酶活性与酶浓度成正比酶的抑制作用竞争性抑制1抑制剂与底物竞争酶的活性位点，降低酶活性非竞争性抑制2抑制剂与酶的非活性位点结合，改变酶的构象，降低酶活性反竞争性抑制3抑制剂与酶底物复合物结合，降低酶活性-辅酶与辅因子辅酶辅酶是有机小分子，与酶结合并参与催化反应，如和NAD+FAD辅因子辅因子是无机离子，与酶结合并参与催化反应，如和Mg2+Zn2+代谢概述生物化学反应网络代谢调控通过多种机制调节代谢途径的活性，包2括酶的活性、基因表达和信号转导代谢途径1一系列相关的生物化学反应，由酶催化，产物作为下一个反应的底物代谢网络多个代谢途径相互连接，形成复杂的代谢网络，实现生物体内的物质转化和能3量流动代谢途径的类型分解代谢合成代谢将复杂的分子分解为简单的分子，释将简单的分子合成为复杂的分子，消放能量，如糖酵解和脂肪酸氧化耗能量，如蛋白质合成和复制DNA能量代谢的基本原理热力学1熵2自由能3能量代谢遵循热力学定律生物体需要能量来维持生命活动能量代谢涉及能量的获取、转化和利用自由能是衡量反应能否自发进行的指标细胞的能量货币ATP结构1合成2利用3是细胞的能量货币，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成水解释放能量，为细胞的各种生命活动提供动力通过氧化磷ATP ATP ATP酸化、糖酵解和三羧酸循环合成糖酵解途径阶段反应产物能量投入阶段葡萄糖磷酸化和异构2ATP化能量释放阶段甘油醛磷酸氧化-3-4ATP,2NADH,和底物水平磷酸化丙酮酸2三羧酸循环NADH FADH2GTP CO2三羧酸循环（循环）是细胞呼吸的核心途径，发生在线粒体基质中循环将乙酰氧化为，释放能量，并产生和，为氧化磷酸化提供电子TCA TCACoA CO2NADH FADH2氧化磷酸化与电子传递链电子传递链合成酶ATP电子传递链由一系列蛋白质复合物组成，位于线粒体内膜上电子从合成酶利用质子梯度产生的能量合成质子梯度由电子传递ATP ATP和传递到氧气，释放能量，用于的合成链维持NADH FADH2ATP氧化磷酸化是细胞呼吸的最后阶段，发生在线粒体内膜上氧化磷酸化包括电子传递链和合成两个过程氧化磷酸化是细胞产生的主要ATPATP途径糖异生途径底物过程丙酮酸将非糖物质转化为葡萄糖••乳酸需要能量（和）••ATP GTP甘油关键酶丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶••氨基酸•脂肪酸的氧化氧化β-1脂肪酸在细胞质中激活，然后进入线粒体在线粒体中，脂肪酸通过β-氧化途径逐步降解，产生乙酰、和乙酰进入CoA FADH2NADH CoA三羧酸循环，和进入氧化磷酸化，产生FADH2NADH ATP酮体生成2在糖供应不足的情况下，脂肪酸氧化产生的乙酰不能完全进入三羧CoA酸循环，部分乙酰转化为酮体酮体可以作为大脑和肌肉的能量来CoA源蛋白质的分解代谢蛋白质水解蛋白质被蛋白酶水解为氨基酸蛋白酶存在于胃、肠和细胞内氨基酸脱氨基氨基酸脱氨基产生氨和酮酸氨是有毒物质，需要转化为尿素排出体外α-酮酸可以进入三羧酸循环或转化为葡萄糖α-氨基酸的代谢命运蛋白质合成1氨基酸用于合成新的蛋白质，维持细胞的结构和功能能量来源2氨基酸可以转化为酮酸，进入三羧酸循环，产生能量α-转化为其他分子3氨基酸可以转化为其他生物分子，如神经递质和激素尿素循环氨的毒性氨是有毒物质，对神经系统具有毒性生物体需要将氨转化为无毒的尿素排出体外尿素循环过程尿素循环发生在线粒体和细胞质中，将氨、和天冬氨酸转CO2化为尿素尿素通过肾脏排出体外光合作用能量的获取与转化光反应暗反应1在叶绿体类囊体膜上进行，吸收光能，在叶绿体基质中进行，利用光反应产生将水分解为氧气、质子和电子，产生2的和，将固定为糖ATP NADPHCO2和ATP NADPH光反应与暗反应光反应暗反应光能被叶绿素吸收，水分解产生氧气利用光反应产生的和，ATP NADPH和，将固定为糖ATP NADPHCO2植物固碳途径途径C41途径2CAM途径3C3植物通过不同的途径固定途径是最常见的固碳途径，但效率较低途径和途径是在高温和干旱环境下进化的固碳途径CO2C3C4CAM，效率较高信号转导细胞间的通讯信号分子1受体2信号通路3细胞通过信号分子进行通讯信号分子与受体结合，激活细胞内的信号通路，最终导致细胞的生理变化信号转导是细胞通讯的关键过程细胞信号的类型信号类型描述例子内分泌信号信号分子通过血液运激素输到远距离靶细胞旁分泌信号信号分子作用于附近生长因子的靶细胞自分泌信号信号分子作用于自身免疫细胞细胞直接接触信号信号分子通过细胞间细胞连接的直接接触传递受体与配体的相互作用受体是细胞膜上的蛋白质，与信号分子（配体）结合受体与配体的结合激活细胞内的信号通路受体类型包括蛋白偶联受体、酪氨酸激酶受体和配体门控离子通道G常见的信号通路通路通路通路MAPK PI3K/Akt JAK-STAT参与细胞生长、分化和凋亡的调控参与细胞生长、存活和代谢的调控参与免疫应答和炎症反应的调控细胞内的信号通路是复杂的蛋白质网络，负责传递和放大信号常见的信号通路包括通路、通路和通路MAPK PI3K/Akt JAK-STAT这些通路在细胞的生长、分化、存活和代谢中发挥着重要作用基因表达调控转录调控翻译调控转录后调控通过调节基因的转录速率来控制基因表达通过调节的翻译速率来控制基因通过调节的稳定性、剪接和修饰mRNA mRNA表达来控制基因表达甲基化与组蛋白修饰DNA甲基化DNA1在的胞嘧啶碱基上添加甲基，通常抑制基因表达DNA组蛋白修饰2在组蛋白的氨基酸残基上添加化学修饰，如乙酰化、甲基化和磷酸化，影响基因表达转录因子的作用结合激活转录抑制转录DNA转录因子结合到的特定序列，调一些转录因子激活基因的转录，增加一些转录因子抑制基因的转录，减少DNA节基因的转录的产生的产生mRNA mRNA干扰RNAsiRNA1小干扰，与互补结合，降解或抑制RNA mRNA mRNAmRNA的翻译miRNA2微小，与互补结合，抑制的翻译RNAmRNAmRNA生物化学技术分离与分析蛋白质纯化将目标蛋白从复杂的混合物中分离出来测序DNA确定分子的碱基序列DNAPCR聚合酶链式反应，扩增分子DNA蛋白质纯化方法色谱根据蛋白质的理化性质分离蛋白质，如2离子交换色谱、凝胶过滤色谱和亲和色谱离心1根据分子量和密度分离蛋白质电泳根据蛋白质的电荷和分子量分离蛋白质3测序技术DNA测序新一代测序Sanger传统的测序方法，利用双脱氧核高通量、快速的测序方法，如DNADNA苷酸终止链的延伸测序和测序DNA IlluminaPacBio技术PCR变性1退火2延伸3（聚合酶链式反应）是一种体外扩增分子的技术包括三个步骤变性、退火和延伸广泛应用于基因克隆、基因诊PCR DNAPCR PCR断和法医鉴定等领域生物化学的应用医药与健康药物开发1疾病诊断2基因治疗3生物化学在医药与健康领域具有广泛的应用，包括药物开发、疾病诊断和基因治疗生物化学的研究成果为疾病的预防和治疗提供了新的思路和方法疾病的生物化学基础疾病生物化学基础糖尿病胰岛素分泌不足或胰岛素抵抗，导致血糖升高癌症基因突变导致细胞生长失控心血管疾病脂代谢紊乱导致动脉粥样硬化。