《生物化学概要》课件

生物化学概要课程简介生物化学定义研究对象和方法研究生命现象的分子基础和化生物大分子结构与功能的实验学本质分析与其他学科的关系生物化学的发展历史1尿素合成1828维勒首次人工合成有机物2酶理论1890s布赫纳发现无细胞酵母提取物可发酵3DNA双螺旋1953沃森和克里克揭示DNA结构4基因组测序2003人类基因组计划完成生物分子的基本分类蛋白质糖类生命活动的执行者能量来源与结构组分1核酸4脂类遗传信息的携带者能量储存与膜结构形成水和生物大分子水的特性水在生命过程中的作用•极性溶剂•生物大分子溶剂•高比热容•参与生化反应•氢键形成能力强•稳定生物大分子结构•表面张力大•调节细胞内环境氨基酸结构特点分类方式•基本结构α-碳连接氨基、羧•按侧链极性非极性、极性基和侧链非带电、带正电、带负电•分子内可形成两性离子•按必需性必需氨基酸、非必需氨基酸•除甘氨酸外均为手性分子•按结构脂肪族、芳香族、含硫理化性质•等电点与两性性质•酸碱性与滴定曲线•光学活性与旋光性肽和蛋白质氨基酸基本结构单元肽键形成脱水缩合反应多肽链氨基酸线性排列蛋白质具有特定功能的多肽蛋白质高级结构一级结构氨基酸序列二级结构α-螺旋、β-折叠三级结构空间折叠构象四级结构多亚基组装蛋白质功能酶催化生化反应•特异性识别底物•降低活化能结构蛋白形成细胞骨架•胶原蛋白•微管蛋白信号蛋白传递细胞信号•受体蛋白•激素蛋白质研究方法样品制备组织匀浆、细胞裂解、超声处理分离纯化盐析、层析、电泳结构分析X射线晶体学、NMR、冷冻电镜功能研究酶学分析、结合试验、基因敲除糖类概述单糖最基本的糖单元寡糖2-10个单糖连接多糖3多个单糖形成的高分子糖类的生物学功能50%70%100+能量供应结构组分信息传递人体每日能量来源占比植物细胞壁中纤维素比例已知糖基化修饰的蛋白质种类脂类概述脂类是一组疏水性或两亲性分子，结构多样，功能各异脂类的生物学功能能量储存脂肪组织中甘油三酯提供9kcal/g生物膜组分磷脂双分子层形成细胞膜基本结构信号分子类固醇激素和二酰甘油等参与信号转导保护功能构成皮肤表层防护屏障核酸概述DNA结构RNA结构•双链螺旋结构•通常为单链结构•脱氧核糖为戊糖•核糖为戊糖•四种碱基A、T、G、C•四种碱基A、U、G、C•碱基配对A-T，G-C•可形成复杂二级结构•主要存在于细胞核内•存在多种类型mRNA、tRNA、rRNA核酸的生物学功能遗传信息储存遗传信息传递1DNA作为遗传物质保存基因信息DNA信息通过转录形成RNA2基因表达调控蛋白质合成非编码RNA参与调控网络mRNA指导蛋白质合成生物膜磷脂双分子层膜蛋白胆固醇形成膜的基本骨架执行特定功能的膜组分调节膜流动性和稳定性跨膜运输运输类型能量消耗浓度梯度关系代表例子被动运输无需能量顺浓度梯度简单扩散、通道蛋白、载体蛋白主动运输需要ATP逆浓度梯度钠钾泵、钙泵、质子泵协同运输间接利用能量一种顺梯度，葡萄糖-钠协同一种逆梯度转运酶的基本概念定义特性命名系统•生物催化剂•通用名常以-酶结尾•降低反应活化能•系统名反映反应类型•不改变反应平衡•EC编号四位数字分类•高效高特异性酶分类•氧化还原酶•转移酶•水解酶•裂解酶•异构酶•连接酶酶的作用机制底物结合底物与酶活性中心相互识别结合底物活化酶诱导底物构象变化，降低活化能化学转化催化基团促进化学键断裂或形成产物释放产物从酶表面释放，酶可再次催化酶动力学酶的调节别构调节共价修饰调节剂分子结合于非活性中心的别构位点通过化学基团修饰改变酶活性•正向调节活化剂•磷酸化/去磷酸化•负向调节抑制剂•糖基化•可逆、快速•泛素化•蛋白水解活化维生素和辅酶维生素类型代表维生素对应辅酶主要功能水溶性维生素B1硫胺素TPP脱羧反应水溶性维生素B2核黄素FAD,FMN氧化还原反应水溶性维生素B3烟酸NAD+,NADP+氧化还原反应脂溶性维生素维生素K-血液凝固代谢概述分解代谢能量转换1大分子分解为小分子，释放能量通过ATP等高能分子储存能量代谢调控合成代谢3通过信号传导调控代谢流向小分子合成大分子，消耗能量糖酵解葡萄糖活化1ATP消耗，葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸碳链裂解六碳化合物两个三碳化合物→能量生成产生4ATP净增2ATP和2NADH丙酮酸形成最终产物两分子丙酮酸柠檬酸循环柠檬酸形成乙酰CoA进入乙酰CoA与草酰乙酸缩合2丙酮酸脱羧后与CoA结合1脱羧反应3两次CO2释放5底物再生4还原当量产生草酰乙酸再生，循环继续每循环产生3NADH、1FADH

2、1GTP电子传递链和氧化磷酸化复合物INADH脱氢酶复合物II琥珀酸脱氢酶复合物III细胞色素bc1复合物IV细胞色素氧化酶ATP合酶合成ATP糖异生36绕过反应ATP消耗糖酵解中不可逆步骤的替代反应数每分子葡萄糖合成所需ATP数量11关键酶糖异生特有酶的数量糖原代谢糖原合成糖原分解•葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖-1-磷酸•糖原磷酸化酶从非还原端释放葡萄糖-1-磷酸•糖原合成酶延长α-1,4糖苷键•去支酶处理α-1,6分支点•支链酶形成α-1,6糖苷键•磷酸葡萄糖变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸•促进激素胰岛素•促进激素胰高血糖素、肾上腺素脂肪酸代谢脂肪酸β-氧化脂肪酸合成•脂肪酸活化形成酰基CoA•乙酰CoA羧化为丙二酰CoA•脱氢、水合、再脱氢、硫解•脂肪酸合成酶复合体催化延长•每循环缩短两个碳•还原剂NADPH•产物乙酰CoA、NADH、FADH2•每循环延长两个碳调控机制•饥饿促进β-氧化•高碳水饮食促进脂肪酸合成•互斥调控避免徒劳循环胆固醇代谢合成起始3分子乙酰CoA合成HMG-CoA限速步骤HMG-CoA还原酶催化生成甲羟戊酸异戊二烯形成甲羟戊酸转化为活性异戊二烯鲨烯合成六个异戊二烯单位缩合环化反应鲨烯环化形成胆固醇四环结构氨基酸代谢尿素循环氨基氮来源氨基甲酰磷酸合成1氨基酸脱氨基产生氨第一个氮原子进入循环2精氨酸水解鸟氨酸反应43释放尿素，鸟氨酸再生形成瓜氨酸核苷酸代谢嘌呤核苷酸代谢嘧啶核苷酸代谢•从头合成以PRPP为起始物•先合成碱基，后连接核糖•核糖磷酸骨架上逐步构建碱基•起始物谷氨酰胺和CO2•首先形成肌苷酸IMP•形成氨基甲酰磷酸•IMP转化为AMP和GMP•关键中间体尿苷酸UMP•降解最终生成尿酸•降解产物β-氨基异丁酸复制DNADNA复制是一个精确的、半保留的过程，需要多种酶协同作用修复DNA碱基切除修复识别并切除错误碱基核苷酸切除修复切除含错误碱基的DNA片段错配修复识别并修复复制过程中的碱基错配双链断裂修复修复由辐射等引起的双链断裂转录转录起始RNA聚合酶结合启动子，解旋DNA链延伸按照DNA模板添加互补核苷酸校对检查并修正错误配对转录终止识别终止信号，释放RNA链加工RNA5加帽添加7-甲基鸟苷帽子剪接切除内含子，连接外显子3多聚腺苷酸化添加150-200个腺苷酸翻译起始1起始因子、起始tRNA与小核糖体亚基结合延伸2氨酰-tRNA带来氨基酸，肽链增长终止3终止密码子被释放因子识别，多肽链释放翻译后修饰糖基化磷酸化折叠与组装添加糖链到特定氨基酸添加磷酸基团分子伴侣辅助正确折叠残基•由蛋白激酶催化•二硫键形成•N-连接糖基化天•主要修饰丝氨酸、•亚基组装冬酰胺残基苏氨酸和酪氨酸•O-连接糖基化丝氨酸/苏氨酸残基基因表达调控原核生物抑制状态诱导状态阻遏调控乳糖缺乏时，抑制蛋白结合操作子乳糖存在时，抑制蛋白失活色氨酸操纵子受产物阻遏基因表达调控真核生物翻译调控mRNA降解、翻译抑制RNA加工调控选择性剪接、RNA修饰转录调控3启动子活性、转录因子结合染色质水平调控4组蛋白修饰、DNA甲基化信号转导概述信号分子激素、生长因子、神经递质受体识别细胞膜受体或细胞内受体信号级联第二信使、蛋白磷酸化细胞响应基因表达变化、代谢调整、细胞分裂蛋白偶联受体G信号分子结合配体与受体七跨膜区结合受体构象变化激活相关G蛋白G蛋白亚基解离α亚基与βγ亚基分离效应器激活腺苷酸环化酶或磷脂酶C活化第二信使产生cAMP或IP3和DAG酪氨酸激酶受体配体结合生长因子与受体结合受体二聚化形成活性受体复合物自身磷酸化3酪氨酸残基被磷酸化接头蛋白募集4SH2结构域蛋白结合磷酸化位点细胞周期2S期G1期DNA复制1细胞生长，合成RNA和蛋白质G2期3准备分裂，合成微管蛋白G0期5M期暂时或永久退出周期有丝分裂和细胞质分裂4细胞凋亡外源性途径内源性途径•死亡配体结合膜受体•Bcl-2家族调控线粒体膜通透性•FADD接头蛋白募集•细胞色素c释放•Caspase-8激活•Apaf-1与Caspase-9形成凋亡体•最终激活执行caspase•最终激活执行caspase癌症的分子基础原癌基因抑癌基因•促进细胞增殖的基因•抑制细胞增殖的基因•突变使其过度活化•突变导致功能丧失•例如Ras、Myc、Her2•例如p

53、Rb、BRCA癌症发生的多步骤•基因组不稳定性•逃避免疫系统•去分化和侵袭•促进血管生成生物化学实验技术电泳琼脂糖凝胶电泳等电聚焦SDS-PAGE根据分子量分离蛋白质分离DNA片段根据等电点分离蛋白质生物化学实验技术层析层析技术通过分子与固定相和流动相的不同相互作用进行分离纯化生物化学实验技术质谱样品制备消化、纯化、上样离子化ESI或MALDI方法质量分析分析质荷比检测器检测离子信号数据分析生成质谱图生物化学实验技术Western blot蛋白质提取1裂解细胞，提取总蛋白电泳分离SDS-PAGE分离蛋白质转膜电转移至PVDF或硝酸纤维素膜封闭降低非特异性结合抗体孵育一抗识别特定蛋白质显影检测特定蛋白质条带基因工程技术DNA片段获取2载体制备3DNA连接PCR扩增或限制性内切酶消化质粒载体酶切处理DNA连接酶催化重组DNA形成转化宿主细胞筛选和鉴定重组DNA导入大肠杆菌抗生素筛选和DNA测序确认蛋白质组学代谢组学样品制备分析平台数据处理细胞、组织或体液GC-MS、LC-MS、代谢物鉴定、定量样品的代谢物提取NMR等技术和统计分析数据整合与其他组学数据结合分析生物信息学序列分析结构生物信息学•序列比对和同源性搜索•蛋白质结构预测•进化分析和系统发生•分子对接和药物设计•基因预测和注释•蛋白质-蛋白质相互作用数据库和工具•NCBI、Uniprot、PDB等数据库•BLAST、HMMER等序列分析工具•R、Python等程序语言生物化学在医学中的应用70%5000+诊断依赖性生化标志物依赖生化检测的疾病诊断比例已发现的疾病相关生化标志物数量60%药物研发基于生化机制的药物研发比例生物化学在农业中的应用作物改良农药开发•基因编辑技术提高作物产量•靶向特定生化通路•调控代谢通路增强抗逆性•生物农药研发•改善作物营养品质•降低环境毒性•延长储存期限•提高防治效果生物化学在工业中的应用生物材料酶工程生物能源可降解塑料和生物基聚合物定向进化改造工业酶生物燃料和生物质能源转化总结与展望前沿发展合成生物学、精准医疗、基因编辑多学科融合2生物化学与人工智能、纳米技术结合基础理论生命分子机制与细胞代谢网络。