王磊南京医科大学生化教研室课件

南京医科大学生化教研室王磊教学课件欢迎来到南京医科大学生物化学课程本课程由王磊教授主讲，将深入浅出地带领大家探索生命科学的微观世界，揭示生物体内分子的结构、功能与代谢变化规律生物化学是医学教育的基础学科，对理解人体健康与疾病的本质具有重要意义通过本课程的学习，你将掌握从分子层面理解生命过程的能力，为未来的医学实践和科研工作奠定坚实基础课程简介与教学目标课程核心内容定位教学知识体系建设培养生化分析与应用能力本课程聚焦生物大分子的结构与功从分子结构入手，逐步深入代谢网通过系统学习，培养学生运用生物能，代谢途径及其调控机制，以及络，最终达到对整体生命活动的理化学知识解释生理现象、分析疾病生物化学与医学的紧密联系作为解课程将理论与实验相结合，深机制以及探索疾病干预策略的能医学教育的关键基础课程，我们将化对生物化学原理的理解和应用力，为后续医学专业课程和临床实以临床应用为导向，构建系统的生践奠定基础物化学知识体系生物化学的发展简史早期探索（18-19世纪）1828年维勒合成尿素，打破了有机物只能由生物体合成的观念1897年布赫纳发现无细胞酵母提取物能发酵糖，证明了生物化学反应可在体外进行分子结构解析时期（20世纪中期）1953年沃森与克里克阐明DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代1958年桑格完成胰岛素的氨基酸序列测定，为蛋白质结构研究奠定基础现代生物化学发展（20世纪末至今）人类基因组计划的完成、蛋白质组学和代谢组学的兴起，推动生物化学进入系统生物学阶段CRISPR基因编辑技术的发展为生物化学研究提供了强大工中国生物化学学科建设具从20世纪50年代开始，中国生物化学研究逐步发展王应睐、邹承鲁等科学家为中国生物化学学科奠定了坚实基础如今，中国已成为生物化学研究的重要力量南京医科大学生化教研室简介教研室历史与成就主要师资与研究方向南京医科大学生化教研室始建于1935教研室现有教授10名，副教授15名，年，是国内最早设立的医学院校生化教讲师及实验员20余名，其中包括国家研室之一经过数代学者的辛勤耕耘，杰出青年基金获得者2名，长江学者1已发展成为集教学、科研于一体的重要名学术机构主要研究方向涵盖代谢性疾病机制、肿迄今已培养硕博士研究生数百名，发表瘤代谢重编程、细胞信号转导、蛋白质SCI论文千余篇，多次获得国家级和省翻译后修饰等领域，在国内外学术界具部级科研奖励有重要影响力教学特色与创新我们注重理论与实践结合，采用案例教学、PBL教学、翻转课堂等多种教学方法，培养学生的创新思维和解决问题的能力建立了完善的实验教学体系，拥有生物化学与分子生物学国家级实验教学示范中心，为学生提供先进的实验平台生物分子的基本组成水与无机元素有机元素及其生物意义水是生命的摇篮，占人体重量的65-碳、氢、氧、氮、硫、磷是构成生物大70%主要无机元素包括钠、钾、钙、分子的基本元素碳原子的特殊化学性镁、氯等，它们在维持酸碱平衡、渗透质使其能形成多样化的生物分子，是生压和神经传导中扮演重要角色命的核心元素微量元素功能生物分子分类铁、锌、铜、锰等微量元素虽含量极生物分子主要包括蛋白质、核酸、糖类少，但在酶催化、氧运输、免疫功能等3和脂类四大类它们共同构成了细胞的方面具有不可替代的作用缺乏这些元结构和功能单元，是生命活动的物质基素会导致严重的生理功能障碍础蛋白质的结构与功能四级结构1多个蛋白质亚基的空间排列组合三级结构多肽链的空间折叠构象二级结构α-螺旋、β-折叠等局部有序排列一级结构氨基酸的线性排列顺序蛋白质是由20种基本氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子每种氨基酸具有不同的化学性质，它们的排列顺序决定了蛋白质的最终结构和功能蛋白质在生物体内承担着结构支持、催化反应、信号传导、免疫防御等多种关键功能蛋白质的折叠过程受多种因素影响，包括氢键、疏水作用、离子键、范德华力等蛋白质折叠错误可能导致一系列疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病蛋白质的结构分析实验方法X射线晶体学核磁共振NMR技术质谱分析通过分析X射线在蛋白质晶体中利用原子核在磁场中的共振现通过测定蛋白质或肽段的质荷的衍射图案，可以确定原子在三象，测定原子间的空间距离和相比，确定氨基酸序列和翻译后修维空间中的精确位置，是解析蛋互作用，可在溶液状态下研究蛋饰现代质谱技术如液相色谱-白质高分辨率结构的金标准方白质的动态结构和功能NMR串联质谱LC-MS/MS已成为法该技术已解析了数万种蛋白特别适合于研究小分子蛋白和蛋蛋白质组学研究的核心工具，可质的结构，但需要获得高质量的白质的区域动力学变化同时分析成千上万种蛋白质蛋白质晶体冷冻电镜技术将样品快速冷冻在玻璃态冰中，保持其天然结构，然后通过电子显微镜成像近年来随着探测器和图像处理算法的进步，冷冻电镜已能达到接近原子分辨率，尤其适合于研究大型蛋白质复合物酶的本质与分类酶的本质酶是具有高度特异性的生物催化剂，绝大多数为蛋白质，少数为RNA（核酶）它们能降低化学反应的活化能，加速生物化学反应，但本身不改变反应的平衡常数催化机制酶通过与底物形成酶-底物复合物，提供有利的微环境促进反应进行催化过程可能涉及共价催化、酸碱催化、金属离子催化和近程效应等多种机制分类系统国际酶学委员会将酶分为六大类氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶每种酶都有特定的EC编号，反映其催化的反应类型酶的活性中心通常只占整个酶分子的一小部分，其余部分维持适当的三维构象很多酶需要辅因子（如辅酶、金属离子）参与催化酶的专一性体现在对底物结构和反应类型的选择性上，是生物体精确调控生化反应的基础酶促反应动力学基础米氏方程基本原理与的生物学意义Km Vmax米氏方程描述了酶促反应速率与底物浓度之间的关系v=Km（米氏常数）等于使反应速率达到Vmax一半的底物Vmax[S]/Km+[S]该方程基于酶与底物形成可逆的酶浓度，反映了酶与底物的亲和力Km值越小，亲和力越-底物复合物，然后产物释放的假设大不同酶的Km值差异很大，从微摩尔到毫摩尔范围不等当底物浓度远低于Km时，反应速率与底物浓度成正比；当底物浓度远高于Km时，反应速率接近最大值Vmax，Vmax（最大反应速率）反映了在酶量固定条件下，反应表现为零级反应动力学能达到的最大速度，与酶的催化效率和总量有关kcat（转换数）表示每个酶活性中心单位时间内能转化的底物分子数通过双倒数作图法（Lineweaver-Burk图）可以线性化米氏方程，更便于从实验数据中确定Km和Vmax酶的效率常用催化效率常数kcat/Km表示，接近扩散限制的酶10^7-10^9M^-1s^-1被认为达到了催化完美酶的调控与抑制剂酶活性调控机制酶抑制剂类型与机制酶活性调控是生物体精确控制代谢流向的关键机制基因竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性位点，导致表观Km增表达水平调控决定了酶的总量；而变构调节、共价修饰、大而Vmax不变增加底物浓度可克服此类抑制非竞争蛋白质相互作用等机制则可快速调节已存在酶的活性性抑制剂结合在酶的别构位点，改变酶的构象，降低酶的活性，表现为Vmax降低而Km不变反馈抑制是最常见的调控方式之一，代谢途径的最终产物不可逆抑制剂通常与酶活性中心的关键氨基酸残基形成共可抑制该途径的关键酶，确保产物不会过量产生这种调价键，永久性地灭活酶如有机磷农药抑制乙酰胆碱酯控方式在氨基酸合成等生物合成途径中尤为重要酶，导致神经传递物质积累和中毒症状许多重要药物是酶抑制剂，如他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成，抗生素如青霉素抑制细菌细胞壁合成酶了解酶的抑制机制对药物设计和毒理学研究至关重要碳水化合物基础结构多糖-储能与结构功能二糖-常见营养物质多糖由大量单糖重复单元组成，分子量可达数百万单糖-基本构建单元二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成蔗糖（葡萄糖储能多糖如糖原（动物）和淀粉（植物）由葡萄糖单单糖是最简单的碳水化合物，不能通过水解产生更小+果糖）是日常食品中最常见的糖；乳糖（半乳糖+元组成，是生物体短期能量储存形式结构多糖如纤的糖分子葡萄糖（C₆H₁₂O₆）是人体最重要葡萄糖）是哺乳动物乳汁中的主要糖；麦芽糖（两个维素（植物细胞壁）和几丁质（节肢动物外骨骼）提的能量来源，在血液中以游离形式存在其他重要单葡萄糖）在谷物发芽过程中产生这些二糖在消化过供机械支持和保护功能糖胺聚糖是结缔组织的重要糖包括果糖、半乳糖、核糖等单糖可形成环状结程中需要特定的酶水解为单糖才能被吸收组成部分构，α和β构型的差异对生物学性质有重要影响碳水化合物除了作为能量来源外，还参与多种生物学过程细胞表面的糖蛋白和糖脂在细胞识别、免疫应答和信号传导中发挥关键作用核糖和脱氧核糖是核酸的重要组成部分糖缀合物的结构多样性使其成为生物学信息编码的重要媒介糖类代谢重要通路糖酵解糖酵解是细胞质中将葡萄糖分解为丙酮酸的十步反应过程每分子葡萄糖产生2分子ATP、2分子NADH和2分子丙酮酸关键限速酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，它们是调控点这一过程在有氧和无氧条件下都能进行，是几乎所有细胞获取能量的基本途径三羧酸循环又称柠檬酸循环或克雷布斯循环，在线粒体基质中进行每个循环将一分子乙酰CoA完全氧化为二氧化碳，同时产生3分子NADH、1分子FADH₂和1分子GTP关键酶包括柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体除提供能量外，TCA循环还为多种生物合成反应提供中间产物电子传递链与氧化磷酸化位于线粒体内膜上的电子传递链接受来自NADH和FADH₂的电子，通过一系列氧化还原反应最终将电子传递给氧气生成水这一过程释放的能量用于将质子泵出线粒体基质，形成质子梯度ATP合酶利用质子回流的能量合成ATP这一过程是有氧条件下ATP生成的主要来源，效率远高于糖酵解糖代谢的各途径紧密连接，形成复杂的代谢网络在不同组织和不同生理状态下，这些途径的活性受到精确调控，以满足细胞能量需求和生物合成需要糖代谢异常与多种疾病相关，如糖尿病、癌症和神经退行性疾病等糖原代谢与调控糖原分解糖原合成糖原磷酸化酶从糖原非还原端逐个切下糖原合成始于糖原合成酶将UDP-葡萄葡萄糖，形成葡萄糖-1-磷酸脱支酶糖的葡萄糖部分转移到已有糖原分子将分支点处的葡萄糖残基转移到主链上新的α-1,4-糖苷键形成延长糖链上，确保完全分解肝脏中的葡萄糖-分支酶负责形成α-1,6-糖苷键创建分支6-磷酸酶可将G6P转化为游离葡萄糖释点，增加糖原的溶解度和代谢效率放到血液中维持血糖水平激素调节机制代谢平衡调控胰岛素促进糖原合成，抑制糖原分解；糖原合成和分解不会同时以高速率进而胰高血糖素、肾上腺素和皮质醇则促行，避免无谓的ATP消耗两个过程中进糖原分解这些激素通过影响蛋白激的关键酶受到相反的调控当糖原合成酶A和蛋白激酶B等信号通路，改变关键酶活性增强时，糖原磷酸化酶被抑制，酶的磷酸化状态，从而控制它们的活反之亦然这种精确协调确保能量储存性和释放过程的高效性脂类的分类和结构简单脂质复合脂质主要包括脂肪酸和三酰甘油脂肪酸是由磷脂是细胞膜的主要成分，由甘油骨架、碳氢链和一个羧基组成的一元羧酸，可分两条脂肪酸链和一个含磷的极性头部组为饱和脂肪酸（无双键）和不饱和脂肪酸成，具有两亲性特点主要包括磷脂酰胆（含一个或多个双键）不饱和脂肪酸的碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂双键可呈顺式或反式构型，对脂肪酸的物酰肌醇等理性质和生理功能有重要影响糖脂含有糖基部分，主要存在于细胞膜外三酰甘油由一分子甘油与三分子脂肪酸酯层，参与细胞识别和信号传导鞘脂以鞘化形成，是生物体最主要的能量储存形氨醇为骨架，包括神经鞘磷脂、脑苷脂和式神经节苷脂等衍生脂质固醇类是重要的衍生脂质，胆固醇是其中最著名的代表胆固醇是细胞膜的重要组成部分，影响膜的流动性，同时也是类固醇激素和胆汁酸的前体其他衍生脂质包括脂溶性维生素（A、D、E、K）、类胡萝卜素和前列腺素等前列腺素由花生四烯酸衍生而来，作为局部激素参与多种生理过程的调节脂肪酸的分解与合成脂肪酸β-氧化通路脂肪酸合成途径脂肪酸β-氧化是脂肪酸在线粒体基质中分解的主要途径过程脂肪酸合成主要在细胞质中进行，由脂肪酸合成酶复合体催始于脂肪酸活化形成脂酰CoA，然后通过肉碱穿梭系统进入线化与β-氧化方向相反，但反应机制不同起始底物是乙酰粒体在线粒体中，脂肪酸通过四步循环反应（脱氢、水合、CoA和丙二酰CoA，经过缩合、还原、脱水和再还原四步循环再脱氢、硫解）逐步从羧基端切下两个碳原子，形成乙酰CoA反应，每轮循环延长两个碳原子和缩短两个碳的脂酰CoA脂肪酸合成酶是一个多功能复合体，包含七个功能域合成过每轮β-氧化产生1分子FADH₂、1分子NADH和1分子乙酰程需要NADPH提供还原力，主要来自戊糖磷酸途径合成的CoA乙酰CoA进入TCA循环进一步氧化一个16碳脂肪酸完主要产物是棕榈酸C16:0，可进一步延长或去饱和形成其他全氧化产生约129分子ATP，能量效率远高于葡萄糖脂肪酸脂肪酸分解和合成在不同细胞器中进行，受到不同酶系统控制，并通过激素和代谢中间物精确调节瘦素、胰岛素和胰高血糖素等激素通过调控关键酶的表达和活性，协调脂肪酸代谢与整体能量状态肥胖和2型糖尿病常伴有脂肪酸代谢异常膜脂与生物膜功能生物膜结构模型生物膜遵循液态镶嵌模型，由脂质双分子层作为基本骨架，膜蛋白嵌入或附着其中膜脂的两亲性特点（亲水头部和疏水尾部）使其自发形成双分子层结构，为细胞提供物理屏障和功能平台磷脂分子特性磷脂是膜的主要成分，包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等不同磷脂头部的电荷特性和脂肪酸尾部的长度、饱和度影响膜的流动性和曲率磷脂不对称分布在膜的两侧，形成功能上的不对称性胆固醇调节作用胆固醇插入磷脂双层中，其刚性环状结构限制磷脂尾部的运动，在高温时降低膜流动性，低温时防止膜过度刚性胆固醇含量的调节是细胞适应环境变化的重要机制生物膜不仅是细胞的边界，还是多种生物学过程的场所膜脂参与细胞信号转导，如磷脂酰肌醇代谢产物作为第二信使膜脂筏是富含胆固醇和鞘脂的微区域，为特定蛋白质提供功能平台膜脂代谢异常与多种疾病相关，如动脉粥样硬化、神经退行性疾病和癌症核酸的分子基础核苷酸基本结构DNA结构特点RNA多样性与功能核苷酸是核酸的基本构建单元，由三部分组DNA通常呈双螺旋结构，两条多核苷酸链通RNA通常为单链结构，糖为核糖，碱基包括成含氮碱基、五碳糖（核糖或脱氧核糖）过碱基间的氢键配对（A-T、G-C）连接，A、G、C、U（代替T）RNA可通过分子和磷酸基团碱基分为嘌呤（腺嘌呤A和鸟并围绕共同轴线螺旋排列DNA的糖为脱氧内碱基配对形成复杂的二级结构主要RNA嘌呤G）和嘧啶（胞嘧啶C、胸腺嘧啶T和尿核糖，碱基包括A、G、C、TDNA分子结类型包括mRNA（传递遗传信息）、嘧啶U）两大类核苷酸通过磷酸二酯键连构稳定，主要功能是储存和传递遗传信息tRNA（转运氨基酸）、rRNA（构成核糖接形成核酸链DNA可形成不同构象，如B型、A型和Z型体）、以及各种非编码RNA（如miRNA、lncRNA等），参与基因表达调控核酸是生命的信息分子，DNA中的遗传信息通过RNA转录和蛋白质翻译实现生物功能核酸序列分析和操作是现代生物技术的基础，如PCR、基因测序、CRISPR基因编辑等理解核酸结构与功能对疾病机制研究和药物开发具有重要意义的复制、损伤与修复DNA复制起始DNA解旋酶打开双螺旋，形成复制起点半保留复制新合成链与模板链配对形成两个双螺旋损伤识别特定蛋白识别DNA损伤位点修复机制不同损伤类型对应特异性修复途径DNA复制是一个高度精确的过程，错误率约为10⁻⁹复制过程需要多种酶和蛋白质协同作用DNA聚合酶催化新链合成；引物酶合成RNA引物提供3-OH端；DNA连接酶连接岡崎片段；拓扑异构酶缓解超螺旋张力DNA损伤来源广泛，包括紫外线辐射导致的嘧啶二聚体、化学物质引起的碱基修饰、自发脱嘌呤/脱嘧啶及氧化损伤等修复系统包括直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、错配修复、重组修复等DNA修复缺陷与多种疾病相关，如色素性干皮症和某些癌症转录与翻译机制转录启动RNA聚合酶在启动子区域结合，在转录因子辅助下打开DNA双链，开始合成RNA真核生物RNA聚合酶II负责mRNA合成，需要一系列基本转录因子（TFIIA、TFIIB等）参与组装前起始复合物启动子上游与下游的调控元件影响转录效率RNA加工修饰真核生物初级转录产物需要经过多步加工5端加帽、3端多腺苷酸化、内含子剪接等选择性剪接使同一基因可产生多种mRNA变体RNA修饰（如甲基化）进一步调控RNA稳定性和功能成熟mRNA经核孔复合体输出到细胞质进行翻译翻译过程翻译在核糖体上进行，分为起始、延伸和终止三个阶段起始涉及起始密码子AUG识别和起始复合物形成；延伸阶段tRNA将氨基酸带到核糖体，通过肽基转移酶活性形成肽键；遇到终止密码子时，释放因子结合导致多肽链释放和核糖体亚基解离翻译后修饰新合成的多肽链可能需要多种修饰才能获得完全功能切除信号肽、糖基化、磷酸化、泛素化等蛋白质折叠得到帮助蛋白（如分子伴侣）辅助某些蛋白质需要跨膜转运到特定亚细胞位置才能发挥功能翻译后修饰显著扩展了蛋白质组的多样性基因表达调控原核生物基因表达调控真核生物调控的复杂性原核生物基因调控相对简单，主要发生在转录水平典型模式真核基因表达调控在多个层面进行染色质水平（DNA甲基是操纵子系统，包括结构基因和调控序列（启动子、操纵基化、组蛋白修饰）、转录水平（转录因子、增强子、沉默因、操纵子）乳糖操纵子是经典例子无乳糖时，阻遏蛋白子）、RNA加工水平（选择性剪接、RNA编辑）、转录后水结合操纵子阻止转录；有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合使其构平（miRNA调控、RNA稳定性）、翻译水平和蛋白质水平象改变，离开操纵子允许转录（翻译后修饰、蛋白质降解）另有正调控系统，如阿拉伯糖操纵子中的CAP蛋白在cAMP存真核调控的显著特点是远距离作用的增强子，它们可位于基因在时促进RNA聚合酶结合原核生物基因组紧凑，往往多个功上游、内含子中甚至下游很远处染色质环化使增强子与启动能相关基因共同转录为一个多顺反子mRNA子接触组织特异性表达通常由多个转录因子协同控制，形成复杂的调控网络表观遗传调控增加了基因表达的复杂性，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA和染色质重塑等机制这些修饰可以稳定遗传，但不改变DNA序列表观遗传变化在发育、分化和疾病过程中起重要作用环境因素也可通过表观遗传机制影响基因表达，形成基因-环境互作信号转导与细胞通讯320+主要信号通路类型第二信使种类囊泡运输信号通路配体与受体内化后在胞内传递cAMP、cGMP、IP

3、DAG、Ca²⁺等小分子在细信号；G蛋白偶联受体通路通过G蛋白活化腺苷胞内传递和放大外部信号它们激活特定蛋白激酸环化酶或磷脂酶C；受体酪氨酸激酶通路受体酶，引发级联反应，最终影响基因表达或细胞功能二聚化后自磷酸化激活下游通路500+人类蛋白激酶数量蛋白激酶通过磷酸化修饰下游蛋白，改变其活性、定位或互作能力丝氨酸/苏氨酸激酶和酪氨酸激酶是两大主要家族，形成复杂的信号网络细胞通讯是多细胞生物协调功能的基础，包括内分泌信号（远距离，通过血液）、旁分泌信号（近距离，扩散至邻近细胞）、自分泌信号（作用于产生细胞本身）和接触依赖性信号（需要细胞直接接触）信号转导异常与多种疾病相关，如癌症（生长因子信号过度活化）、糖尿病（胰岛素信号缺陷）等能量代谢基础能量来源与转换ATP的结构与功能生物体的能量最初来源于太阳，通过ATP（三磷酸腺苷）由腺嘌呤、核糖光合作用转化为化学能动物通过食和三个磷酸基团组成高能磷酸键水物链获取能量，在体内通过食物分解解释放能量，ATP→ADP+Pi约释放释放能量，并转化为ATP的化学能，

30.5kJ/mol能量ATP是细胞内能量用于驱动各种生命活动的即时货币，不适合长期储存能量能量平衡与调控ATP的生成途径人体每天周转约60-70kg ATP，但任底物水平磷酸化在糖酵解和TCA循一时刻仅存在约50g通过精确调控环中直接将高能磷酸基团转移到ADPATP合成和消耗的平衡，维持能量稳上氧化磷酸化在线粒体内膜上，态能量代谢紊乱与多种疾病相关，电子传递链产生的质子梯度驱动ATP如肥胖、糖尿病、神经退行性疾病合酶合成ATP，是有氧条件下ATP生等成的主要方式生物氧化及呼吸链生物氧化是生物体内物质的氧化过程，通过呼吸链完成电子逐步传递到氧气的过程线粒体是细胞的能量工厂，其内膜上排列着呼吸链复合体呼吸链由四个主要复合体组成复合体I（NADH脱氢酶）、复合体II（琥珀酸脱氢酶）、复合体III（细胞色素b-c1复合体）和复合体IV（细胞色素c氧化酶）电子从NADH或FADH₂经复合体I或II进入呼吸链，经泛醌、复合体III、细胞色素c、复合体IV，最终传递给氧气生成水在这个过程中，复合体I、III、IV将质子泵出线粒体基质到膜间隙，形成质子梯度ATP合酶（也称复合体V）利用质子回流的能量合成ATP这种化学渗透机制高效地将氧化能转化为ATP的化学能代谢物的跨膜运输主动运输机制被动运输比较转运蛋白家族主动运输需要能量输入，可将物质逆浓度梯度运被动运输不消耗能量，物质沿浓度梯度方向移SLC（溶质载体）家族包含400多个成员，负责输初级主动运输直接利用ATP水解能量，如动简单扩散主要适用于小型非极性分子（如各种小分子物质的跨膜运输，如氨基酸、糖类、Na⁺/K⁺-ATPase和Ca²⁺-ATPase次级主O₂、CO₂和脂溶性小分子）穿过脂双层促进核苷和离子等不同组织表达特定的SLC转运蛋动运输利用离子浓度梯度的电化学能进行协同运扩散通过特异性载体蛋白进行，如葡萄糖转运蛋白谱系，满足其代谢和功能需求输或反向运输，如葡萄糖Na⁺共转运体和白GLUT家族和水通道蛋白线粒体内膜含有特殊转运蛋白系统，如腺嘌呤核Na⁺/Ca²⁺交换体离子通道是膜跨越蛋白，形成水性通道使特定离苷酸转位酶（交换ATP/ADP）和磷酸盐载体ABC转运蛋白家族是重要的主动转运蛋白，参与子快速通过根据开关机制分为电压门控、配体这些转运蛋白确保线粒体与细胞质之间的代谢物药物、脂质和多肽的转运，与多药耐药性相关门控和机械门控通道离子通道功能异常与多种交换，维持能量代谢的正常运行P-糖蛋白是最著名的ABC转运蛋白，能将多种疾病相关，如囊性纤维化和某些神经肌肉疾病药物泵出细胞氨基酸代谢与疾病氨基酸合成与分解概述人体可合成11种非必需氨基酸，其余9种必需氨基酸需从食物获取氨基酸分解首先去除α-氨基（转氨基作用和氧化脱氨基作用），氨基转变为尿素经肾脏排出碳骨架根据其最终去向分为糖原性（可转化为葡萄糖）和酮原性（转化为酮体）特殊代谢产物功能除构成蛋白质外，氨基酸还是多种重要生物分子的前体色氨酸转化为5-羟色胺（血清素）；酪氨酸产生儿茶酚胺类神经递质和黑色素；精氨酸为一氧化氮合成提供底物；甲硫氨酸提供甲基用于DNA甲基化和其他甲基化反应氨基酸代谢异常疾病苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙氨酸蓄积，干扰脑发育；枫糖尿症支链氨基酸代谢障碍；同型半胱氨酸血症甲硫氨酸代谢异常，增加心血管疾病风险；高苯丙氨酸血症、酪氨酸血症等这些疾病多为常染色体隐性遗传，可通过新生儿筛查早期发现氨基酸代谢网络与其他代谢途径紧密连接某些氨基酸可直接进入TCA循环（如谷氨酸）；一些氨基酸参与糖异生过程（如丙氨酸）；支链氨基酸对肌肉能量代谢和蛋白质合成具有特殊意义肝脏是氨基酸代谢的中心器官，也是尿素循环的唯一场所嘌呤、嘧啶代谢合成路径1嘌呤核苷酸从头合成始于磷酸核糖焦磷酸PRPP，通过多步酶促反应形成肌苷酸IMP，再转化为腺苷酸AMP和鸟苷酸GMP嘧啶合成以天冬氨酸和氨基甲酰磷酸为起始物质，经过途中酶催化形成尿苷酸UMP，再转化为胞苷酸CMP和胸苷酸TMP补救途径2核苷酸的补救合成利用游离碱基或核苷，是能量高效的再利用方式主要酶包括腺嘌呤磷酸核糖转移酶APRT和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRTHGPRT缺陷导致Lesch-Nyhan综合征，特征为高尿酸血症和严重神经行为异常分解代谢3嘌呤最终分解为尿酸，在人体内几乎不再进一步代谢，通过肾脏排出嘧啶降解产物如β-氨基异丁酸和β-丙氨酸等，最终可进入TCA循环尿酸在血液中接近饱和，若浓度过高可形成尿酸盐晶体沉积在关节中，导致痛风核苷酸代谢受到严格调控ATP、GTP等终产物对自身合成途径的关键酶有反馈抑制作用嘌呤合成第一步受PRPP合成酶活性调控，该酶受嘌呤核苷酸抑制和PRPP激活多种抗肿瘤药物和免疫抑制剂靶向核苷酸代谢通路，如甲氨蝶呤抑制二氢叶酸还原酶和6-巯基嘌呤HGPRT底物等激素分子的生化基础蛋白质/多肽激素类固醇激素氨基酸衍生物激素由氨基酸组成，如胰岛素、生长激素、促甲源自胆固醇，包括肾上腺皮质激素、性激素来源于酪氨酸或色氨酸等氨基酸，如甲状腺状腺激素等这类激素通常不能透过细胞和维生素D等脂溶性使其能透过细胞膜，激素T

3、T4和儿茶酚胺类肾上腺素、去膜，与细胞膜表面受体结合，通过第二信使与胞内或核内受体结合，形成激素-受体复甲肾上腺素甲状腺激素通过核受体作系统如cAMP、IP3/DAG和Ca²⁺传递信合物直接调控基因转录合成后通常不储用，调控代谢和发育儿茶酚胺通过膜受体号，激活细胞内信号级联反应这些激素合存，而是根据需要即时合成作用较慢但持主要是G蛋白偶联受体作用，调节应激反成后贮存在分泌颗粒中，根据需要释放，作续时间长，多通过特异性结合蛋白在血液中应、心血管功能和能量代谢用迅速但持续时间较短运输激素系统形成复杂的调控网络，通常采用负反馈机制维持稳态下丘脑-垂体-靶腺轴是典型例子，如下丘脑分泌促甲状腺激素释放激素→垂体分泌促甲状腺激素→甲状腺分泌甲状腺激素→抑制上游激素分泌激素分泌异常导致多种疾病，如糖尿病胰岛素缺乏或抵抗、甲亢/甲减、库欣综合征皮质醇过多等血糖稳态维持机制胰岛素作用机制胰高血糖素逆向调节多激素协同调控胰岛素由胰腺细胞分泌，是唯一降低血糖的胰高血糖素由胰腺细胞分泌，当血糖降低时除胰高血糖素外，其他升糖激素包括肾上βα激素当血糖升高时，葡萄糖进入细胞促进释放增加其主要作用是提高血糖激活肝腺素和去甲肾上腺素（应激状态下快速动员β胰岛素释放胰岛素结合细胞表面受体激活脏糖原磷酸化酶促进糖原分解；诱导糖异生肝糖原）；糖皮质激素（促进蛋白质分解提胞内信号通路，促进GLUT4转运体转位到细酶表达增强糖异生；促进脂肪分解提供糖异供糖异生底物，长期作用）；生长激素（抑胞膜，增加葡萄糖摄取；同时激活糖原合成生底物胰高血糖素与胰岛素形成拮抗平制外周葡萄糖利用，促进脂肪分解）这些酶促进糖原合成，抑制糖原分解和糖异生衡，共同维持血糖稳定激素与胰岛素形成复杂的调控网络，维持血糖在

4.4-

6.7mmol/L的狭窄范围内血脂代谢与心血管健康高密度脂蛋白HDL好胆固醇，促进胆固醇逆转运低密度脂蛋白LDL向外周组织运送胆固醇极低密度脂蛋白VLDL从肝脏输送内源性脂质乳糜微粒CM运输饮食来源的脂质脂蛋白是血液中脂质的主要运输形式，由脂质核心（三酰甘油和胆固醇酯）和表面单层（磷脂、游离胆固醇和载脂蛋白）组成不同类型脂蛋白按密度递增排列乳糜微粒→极低密度脂蛋白→中间密度脂蛋白→低密度脂蛋白→高密度脂蛋白载脂蛋白是脂蛋白表面的蛋白质成分，如apoB-

100、apoA-I等，参与脂蛋白代谢和受体识别动脉粥样硬化是心脑血管疾病的主要病理基础，其形成涉及多步骤内皮功能障碍→LDL在内皮下氧化修饰→巨噬细胞吞噬氧化LDL形成泡沫细胞→炎症反应→平滑肌细胞增殖和迁移→纤维斑块形成高LDL和低HDL是重要危险因素他汀类药物通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成，是目前最有效的血脂调节药物维生素与辅酶类别代表维生素生化功能缺乏症水溶性维生素维生素B1硫胺素TPP辅酶形式参与α-酮酸脱羧脚气病、威尼克脑病水溶性维生素维生素B2核黄素FAD、FMN辅酶参与氧化还口角炎、舌炎原反应水溶性维生素烟酸维生素B3NAD⁺、NADP⁺辅酶参与氧糙皮病化还原水溶性维生素维生素B6吡哆醇PLP辅酶形式参与氨基转移癫痫样发作、贫血水溶性维生素维生素B12钴胺素甲基转移反应，同型半胱氨酸恶性贫血、神经损伤代谢水溶性维生素叶酸四氢叶酸参与一碳单位转移巨幼红细胞性贫血水溶性维生素维生素C抗坏血酸抗氧化剂，羟化反应辅因子坏血病，牙龈出血脂溶性维生素维生素A视黄醇视觉循环，细胞分化调节夜盲症，角膜干燥脂溶性维生素维生素D钙化醇钙磷代谢调节，基因表达调控佝偻病，骨质疏松脂溶性维生素维生素E生育酚抗氧化剂，保护细胞膜神经肌肉功能障碍脂溶性维生素维生素K参与凝血因子γ-羧基化出血倾向免疫分子的生化本质抗体结构与功能细胞因子的信号作用抗体免疫球蛋白是由B淋巴细胞产生的Y形糖蛋白，由两条重细胞因子是免疫细胞分泌的小分子蛋白质，介导细胞间通讯链和两条轻链通过二硫键连接形成每条链包含可变区和恒定主要类别包括白细胞介素IL调节免疫应答；肿瘤坏死因子区，可变区形成抗原结合位点，决定抗体特异性；恒定区决定TNF参与炎症和细胞死亡；干扰素IFN具有抗病毒作用；抗体类型IgG、IgM、IgA、IgE、IgD和效应功能趋化因子引导免疫细胞迁移；转化生长因子TGF调控细胞增殖和分化抗体识别抗原的分子基础是互补决定区CDR与抗原表位之间的精确三维互补，涉及多种非共价力抗原-抗体结合的亲和细胞因子通过与特异性受体结合激活下游信号通路，如JAK-力和特异性使抗体成为免疫防御和生物医学应用的核心分子STAT、MAPK和NF-κB等，调控基因表达受体多为跨膜蛋白，具有胞外配体结合域和胞内信号域，配体结合导致受体二聚化和胞内区域的相互磷酸化主要组织相容性复合体MHC是细胞表面的多态性糖蛋白，参与抗原呈递MHC I类分子存在于几乎所有有核细胞表面，呈递胞内抗原；MHC II类分子主要分布在专业抗原呈递细胞上，呈递胞外抗原理解免疫分子的生化基础对疫苗开发、免疫治疗和自身免疫病机制研究具有重要意义细胞周期与生化调控G1期Gap1S期Synthesis细胞质增长、蛋白质合成活跃G1后期存在DNA复制发生，染色体数量加倍Cyclin限制点R点，通过后细胞承诺完成分裂周E-CDK2和Cyclin A-CDK2复合物活化，进期Cyclin D-CDK4/6复合物磷酸化Rb蛋一步磷酸化Rb完全激活E2F参与复制的关白，部分释放E2F转录因子，激活DNA复制键蛋白包括解旋酶、DNA聚合酶、连接酶所需基因表达等复制检查点确保DNA完整复制M期Mitosis G2期Gap2细胞分裂，包括前期、中期、后期和末期为有丝分裂准备，合成与分裂相关蛋白Cyclin B-CDK1全面活化，磷酸化多种底物Cyclin B-CDK1M期促进因子,MPF开始3启动染色体凝缩、核膜崩解、纺锤体形成等积累G2检查点确保DNA复制完整无损，解过程纺锤体检查点确保染色体正确连接到决可能的DNA损伤，防止带有异常的细胞进纺锤体入分裂细胞凋亡是程序性细胞死亡，对组织稳态维持至关重要主要途径包括外源性途径死亡受体激活和内源性途径线粒体介导关键执行者是caspase蛋白酶级联，活化的caspase切割多种细胞底物导致细胞解体Bcl-2家族蛋白如Bcl-

2、Bax、Bad等调控线粒体外膜通透性，平衡促凋亡和抗凋亡信号凋亡异常与多种疾病相关，如癌症凋亡抑制和神经退行性疾病凋亡过度生物化学实验方法总览分光光度法电泳分析层析技术基于物质对特定波长光的吸收能利用带电分子在电场中迁移速率差基于物质在固定相和流动相中分配力，用于定量分析紫外-可见分光异进行分离聚丙烯酰胺凝胶电泳系数不同实现分离主要类型高光度计测定蛋白质280nm、核酸PAGE分离蛋白质，SDS-PAGE效液相色谱HPLC高效分离多种生260nm浓度；酶活性测定通过底根据分子量分离；脉冲场凝胶电泳物分子；亲和层析利用特异性结合物或产物的光吸收变化计算反应速PFGE分离大片段DNA；毛细管分离目标分子；凝胶过滤色谱根据率；比色法测定各种代谢物，如葡电泳结合高灵敏检测系统可分离少分子大小分离；离子交换色谱基于萄糖葡萄糖氧化酶法、胆固醇量复杂混合物；等电聚焦IEF根据分子电荷差异分离；气相色谱分离等蛋白等电点分离挥发性物质同位素与放射性技术放射性同位素标记如³H、¹⁴C、³²P、³⁵S用于示踪代谢途径、测定酶活性和核酸杂交等自动放射显影记录放射性标记分子在凝胶或膜上的位置；闪烁计数法定量测定β放射性；稳定同位素如¹³C、¹⁵N结合质谱分析代谢通量现代分子生物学技术应用基因扩增技术聚合酶链式反应PCR是体外扩增特定DNA片段的强大工具通过温度循环使DNA变性、引物退火和延伸，目标序列呈指数级扩增关键组分包括耐热DNA聚合酶Taq或Pfu、引物、dNTPs和模板DNA改良版包括实时荧光定量PCR监测产物积累动态、数字PCR绝对定量、多重PCR同时扩增多个靶点等基因组编辑技术CRISPR-Cas9系统是最新一代基因编辑工具，源自细菌防御病毒的免疫系统包含两个关键组分向导RNAgRNA识别目标DNA序列；Cas9核酸酶切割DNA形成双链断裂细胞修复断裂可通过非同源末端连接产生基因敲除或同源定向修复精确编辑该技术具有简单、高效、多靶点等优势，已广泛应用于基础研究、作物改良和疾病治疗高通量分析平台新一代测序技术NGS实现大规模平行测序，单次实验可获取数百亿碱基信息应用包括全基因组测序、外显子组测序、转录组测序RNA-seq、表观基因组图谱等蛋白质组学技术结合质谱和生物信息学，实现数千蛋白质的同时鉴定和定量单细胞分析技术突破传统混合样本限制，揭示细胞异质性，为精准医学提供支持分子生物学技术的发展促进了生物医学研究革命性进步限制性内切酶和DNA连接酶等工具实现了DNA片段的切割和连接，形成基因克隆的基础表达载体系统用于异源蛋白表达，蛋白质互作分析技术如酵母双杂交、免疫共沉淀、近邻生物素化等阐明蛋白质功能网络这些技术合力推动生物化学研究从传统描述性阶段进入分子精确解析阶段临床生物化学基础临床生物化学检验是医学诊断的核心支柱，通过测定体液中的生化指标反映人体生理病理状态标本收集和处理至关重要血液常采用抗凝剂（如EDTA、肝素）防止凝固；离心分离血清或血浆；部分项目要求空腹，某些检测需要特殊保存条件以维持分析物稳定性肝功能检查包括转氨酶（ALT、AST）评估肝细胞损伤；碱性磷酸酶（ALP）和γ-谷氨酰转肽酶（GGT）反映胆汁淤积；白蛋白和凝血因子评估肝脏合成功能；胆红素指示肝脏代谢和排泄功能肾功能指标有肌酐和尿素氮评估肾小球滤过功能；电解质（钠、钾、氯、钙等）反映肾小管功能；尿蛋白和尿微量白蛋白检测肾小球滤过屏障完整性参考范围受多种因素影响，包括年龄、性别、种族、分析方法等肿瘤生物化学机制基因调控异常代谢重编程信号通路失调原癌基因（如RAS、MYC）活化促进细胞增殖和存华伯格效应即使在氧气充足条件下，癌细胞仍偏好糖生长因子信号（如EGFR、IGF1R）过度活化；活；抑癌基因（如TP

53、RB）失活导致细胞周期检查酵解产能谷氨酰胺代谢亢进提供氮源和碳骨架脂肪PI3K/AKT/mTOR通路持续激活促进细胞生长和代点失效表观遗传改变，包括DNA甲基化异常、组蛋酸合成增强为膜合成和信号传导提供物质这些代谢改谢；Wnt、Notch等发育信号通路异常激活；炎症信白修饰改变和非编码RNA表达异常，共同参与肿瘤发变满足肿瘤快速增殖需求，并提供对药物和环境应激的号（如NF-κB通路）慢性活化这些信号异常形成复生抵抗力杂网络，支持肿瘤生长、侵袭和转移肿瘤微环境是肿瘤细胞与基质细胞（如肿瘤相关巨噬细胞、成纤维细胞）和细胞外基质共同形成的生态系统乏氧、酸性和营养缺乏是肿瘤微环境的典型特征，这些条件选择性支持更具侵袭性的克隆扩张肿瘤免疫逃逸机制包括下调MHC分子表达；分泌免疫抑制因子；表达PD-L1等免疫检查点分子靶向肿瘤代谢特征的治疗策略包括糖酵解抑制剂、谷氨酰胺代谢阻断剂、脂肪酸合成抑制剂等糖尿病的生化基础胰岛素作用机制胰岛素抵抗机制胰岛素结合细胞表面受体活化受体酪氨酸激酶胰岛素抵抗是2型糖尿病的核心病理机制，表活性，引发胞内信号级联反应胰岛素受体底现为正常浓度胰岛素产生减弱的生物学效应物IRS磷酸化后招募并激活PI3K，进而活化分子机制包括受体后信号通路缺陷，如IRSPKB/Akt和下游效应分子主要生理作用包蛋白丝氨酸残基过度磷酸化；PI3K和Akt活性括促进GLUT4葡萄糖转运体转位到细胞降低；脂肪因子（如TNF-α、游离脂肪酸）干膜，增加葡萄糖摄取；激活糖原合成酶，促进扰信号传导；细胞器应激（如内质网应激和线糖原合成；抑制糖原磷酸化酶和PEPCK，减少粒体功能障碍）；慢性炎症状态糖异生胰岛素还影响脂质代谢（抑制脂解，促进脂肪胰岛素抵抗导致高胰岛素血症，长期代偿最终合成）和蛋白质代谢（促进氨基酸摄取和蛋白导致β细胞功能耗竭和相对胰岛素不足质合成）高血糖的生化后果持续高血糖导致多种生化变化，解释慢性并发症的发生蛋白质糖基化生成晚期糖基化终产物AGEs，改变蛋白质结构和功能；多元醇途径活化消耗NADPH，增加氧化应激；蛋白激酶C激活影响血管功能；己胺途径活化及糖毒性均导致炎症反应和血管内皮功能障碍这些改变共同导致微血管并发症（视网膜病变、肾病变、神经病变）和大血管并发症（心脑血管疾病）肥胖与代谢综合征脂肪组织功能脂肪组织不仅是能量储存器官，还是活跃的内分泌器官白色脂肪组织主要储存能量，分泌多种脂肪因子（脂联素、瘦素等）；棕色脂肪组织富含线粒体，参与产热肥胖状态下，脂肪组织发生重塑脂肪细胞肥大，脂肪组织血供不足导致局部缺氧，巨噬细胞浸润增加，形成慢性炎症状态脂肪细胞信号网络脂肪组织分泌多种脂肪因子参与全身代谢调控瘦素抑制食欲，提高能量消耗；脂联素提高胰岛素敏感性，具有抗炎和抗动脉粥样硬化作用；抵抗素和TNF-α促进胰岛素抵抗；白细胞介素-6促进炎症反应肥胖时脂肪因子分泌谱发生改变，瘦素和胰岛素抵抗，脂联素水平下降，炎症因子升高代谢综合征发生机制代谢综合征是腹部肥胖、高血压、高血糖和血脂异常的综合表现胰岛素抵抗是其共同病理基础导致肝脏脂质合成增加，VLDL分泌增多；异位脂肪沉积（如肝脏、肌肉、胰腺）加剧胰岛素抵抗；交感神经系统活性增高导致血压升高；高胰岛素血症促进肾脏钠潴留代谢疾病生化标志物高敏C反应蛋白hs-CRP反映低度炎症状态；糖化血红蛋白HbA1c反映长期血糖控制水平；血脂谱（总胆固醇、甘油三酯、HDL-C、LDL-C）评估脂质代谢状况；胰岛素和C肽评估胰岛β细胞功能；HOMA-IR指数评估胰岛素抵抗程度；脂肪因子（脂联素、瘦素）代谢紊乱反映常见代谢性罕见病介绍疾病类型代表疾病生化缺陷临床表现诊断方法氨基酸代谢障碍苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶缺陷进行性智力障碍，肤色较浅血苯丙氨酸升高氨基酸代谢障碍枫糖尿症支链α-酮酸脱氢酶复合体缺陷喂养困难，昏迷，尿液有枫糖味血支链氨基酸升高有机酸代谢障碍甲基丙二酸血症甲基丙二酰辅酶A变位酶缺陷酸中毒，高氨血症，发育迟缓尿甲基丙二酸升高尿素循环障碍鸟氨酸转氨甲酰酶缺乏症OTC酶缺陷高氨血症，神经系统症状血氨升高，尿内酰胺升高糖原累积症糖原贮积症I型葡萄糖-6-磷酸酶缺陷低血糖，肝肿大，生长迟缓肝活检，基因检测溶酶体贮积症高雪氏病β-葡萄糖脑苷脂酶缺陷肝脾肿大，骨骼变形，神经症状酶活性测定，基因检测线粒体疾病MELAS综合征线粒体DNA突变脑卒中样发作，肌病，乳酸酸中毒肌活检，基因检测遗传代谢病是由于单基因缺陷导致特定酶或转运蛋白功能异常，进而引起代谢途径障碍的一组疾病虽然单个疾病罕见，但总体发病率约1/500新生儿筛查是早期发现代谢病的重要手段，常用串联质谱MS/MS技术同时检测多种氨基酸和酰基肉碱早期诊断和干预对改善预后至关重要，治疗策略包括饮食限制、酶替代、辅因子补充和器官移植等药物生化与酶学基础90%572肝脏药物代谢比例人类CYP450同工酶数量药物代谢主要相数肝脏是药物代谢的主要器官，含有丰富的药物代谢细胞色素P450酶是最重要的I相代谢酶家族，其中I相反应涉及氧化、还原和水解，增加极性；II相酶系统肝功能不全患者常需调整药物剂量以避免CYP3A

4、CYP2D

6、CYP2C9参与大多数药物代反应包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化等，进一毒性作用谢这些酶的遗传多态性是个体用药反应差异的重步增加水溶性促进排泄要原因药物的生物化学作用机制多样，包括与受体结合（如β受体阻滞剂）；抑制特定酶活性（如他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶）；影响离子通道功能（如钙通道阻滞剂）；干扰神经递质合成、释放或清除（如SSRIs抑制5-HT再摄取）；修饰DNA或蛋白质（如烷化剂）等药物代谢酶诱导和抑制是药物相互作用的重要机制诱导剂（如利福平）促进酶表达增加药物清除；抑制剂（如酮康唑）抑制酶活性延长药物半衰期抗生素和抗肿瘤药物分子作用抗生素作用机制抗肿瘤药物分子机制β-内酰胺类（青霉素、头孢菌素）抑制细菌细胞壁肽聚糖烷化剂（环磷酰胺等）与DNA形成共价交联，阻断复制合成，通过与青霉素结合蛋白（PBPs）共价结合，阻断抗代谢药物（如甲氨蝶呤）干扰核苷酸合成拓扑异构酶肽聚糖交联大环内酯类（红霉素等）结合细菌核糖体抑制剂（如依托泊苷）阻断DNA拓扑变化抗微管药物50S亚基，阻断肽链延伸氨基糖苷类（链霉素等）结合（如紫杉醇）干扰微管动态平衡，阻断有丝分裂激素类30S亚基，导致蛋白质误译氟喹诺酮类抑制DNA旋转酶药物（如他莫昔芬）竞争性结合激素受体靶向治疗药物和拓扑异构酶IV，阻断DNA复制针对特定分子，如酪氨酸激酶抑制剂（伊马替尼等）和单克隆抗体（曲妥珠单抗等）细菌耐药机制包括产生降解酶（如β-内酰胺酶）；改变药物靶点（如PBP突变）；减少药物摄取或增加外排；改肿瘤耐药机制包括药物外排泵（如P-糖蛋白）过表达；变代谢途径多重耐药细菌（如MRSA、CRE）对多种抗药物代谢或解毒增强；靶点改变；DNA损伤修复增强；细生素产生耐药，治疗困难胞凋亡途径缺陷；干细胞样特性维持等联合用药和个体化治疗是克服耐药的重要策略前沿生物大分子的结构解析冷冻电镜技术近年来实现了革命性突破，成为解析大型蛋白质复合物和膜蛋白结构的主力该技术将生物样品快速冷冻在玻璃态冰中，保持其天然状态，使用低剂量电子束成像，通过计算机图像处理将二维投影重建为三维结构2017年该技术获诺贝尔化学奖最新发展包括直接电子探测器提高信噪比；运动校正算法减少样品漂移影响；人工智能辅助图像处理其他结构生物学新技术包括微电子衍射MicroED适用于难以生长大晶体的蛋白质；X射线自由电子激光XFEL可对微小晶体进行飞行中衍射；集成混合方法结合多种技术优势，如冷冻电镜与晶体学、质谱或核磁共振联用AlphaFold等AI预测工具已能从氨基酸序列准确预测蛋白质结构，甚至蛋白质复合物结构，为理解蛋白质功能和药物设计提供强大支持前沿多组学与系统生物学基因组学1研究生物体全部遗传信息转录组学分析所有基因表达和调控模式蛋白质组学3研究全部蛋白质及其相互作用代谢组学4检测所有代谢物变化反映功能状态系统生物学整合多组学数据，从整体角度理解生命系统与传统生物学研究单个基因或蛋白质不同，系统生物学构建网络模型描述组分间相互作用和调控关系这种方法特别适合研究复杂疾病，如癌症、代谢综合征等，这些疾病通常不是单一因素导致，而是多个通路和基因网络共同作用的结果数据整合分析实例结合临床肝癌样本的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组数据，鉴定了驱动肿瘤生长的关键信号网络，发现了传统方法难以识别的隐藏驱动因素；整合多组学数据解析人类微生物组与宿主代谢的相互作用，揭示了肠道菌群影响药物代谢的分子机制南京医科大学研究团队利用多组学分析，发现了胰腺癌特异性代谢特征和潜在干预靶点前沿合成生物学在医学中的应用基因线路设计合成生物学以工程学思维设计生物系统，创建人工基因线路执行特定功能基本组件包括传感器模块（检测特定信号）；处理模块（整合信号并做出决策）；执行模块（产生所需输出）常用设计元件有启动子、转录因子、核糖体结合位点、终止子等计算机辅助设计工具和标准化生物元件库极大促进了合成线路的开发效率细胞工厂构建改造微生物或哺乳动物细胞生产医用分子通过调整细胞代谢网络，优化底物利用，减少副产物积累，提高目标产物产量例如工程化大肠杆菌生产青蒿素前体；酵母细胞生产阿片类药物；CHO细胞生产复杂单克隆抗体代谢流分析、基因组尺度模型和高通量筛选技术加速了细胞工厂的优化过程医学应用实例CAR-T细胞治疗工程化T细胞表达嵌合抗原受体，特异性识别并杀伤肿瘤细胞溶瘤病毒设计能特异性在肿瘤微环境中复制的病毒合成益生菌工程化益生菌在肠道检测疾病标志物并释放治疗分子生物传感器设计微生物或细胞系检测血糖或其他生理指标并控制药物释放组织工程结合生物材料和基因工程细胞创建功能性人工组织或器官医学科研中的生物化学研究范例代谢重编程与肿瘤发生肠道菌群与胰岛素抵抗表观遗传与细胞命运决定南京医科大学肿瘤代谢研究团队发现了一代谢病研究中心利用宏基因组学与代谢组干细胞与发育生物学实验室发现组蛋白甲种新型代谢调控机制代谢酶丙酮酸激酶学联合分析，发现特定肠道菌群代谢产物基化酶EZH2通过调控染色质状态，在心M2PKM2除催化功能外，还可通过与转与2型糖尿病发生密切相关通过小鼠模型肌细胞分化过程中起关键作用敲低录因子STAT3相互作用，促进恶性肿瘤的验证，证实这些代谢产物通过影响肝脏胰EZH2导致心脏发育相关基因表达上调，能量代谢重编程该研究揭示了代谢调控岛素信号通路，诱导胰岛素抵抗这一发促进干细胞向心肌细胞分化这一机制有与基因表达间的新型联系，为肿瘤代谢治现为基于微生物组的代谢疾病预防和治疗望应用于心肌再生医学，为心脏疾病治疗疗提供了新靶点提供了新思路提供新策略实验课教学安排与考核基础技能培训（第1-2周）实验安全教育，移液器使用，溶液配制，pH测定，离心机操作等这些基本技能是后续实验的基础，要求学生掌握科学的操作2蛋白质实验（第3-6周）方法和严谨的实验态度第一次实验报告占总成绩5%蛋白质提取与纯化，电泳分析，Western blot技术，酶活性测定等通过这些实验，学生能理解蛋白质的性质和研究方法实验核酸实验（第7-10周）3报告和操作技能占总成绩20%DNA提取，PCR扩增，重组DNA技术，基因表达分析等这部分实验帮助学生掌握分子生物学的基本技术和思路实验报告和小综合设计实验（第11-14周）组讨论占总成绩25%学生分组进行综合性实验设计和实施，如代谢物检测，细胞信号通路研究等这部分培养学生的实验设计能力和团队协作精神技能考核与总结（第15-16周）实验方案、过程和结果报告占总成绩40%实验技能闭卷考试，包括实验原理理解和操作规范考核实验笔记和实验态度评价这部分占总成绩10%优秀实验报告将有机会参加校级实验技能大赛创新创业能力培养课外科研竞赛实践基地介绍创新能力培训学校定期组织挑战杯大学生课外学术科学校与多家生物医药企业、研究所、医院学校定期开设创新思维工作坊，邀请业界技作品竞赛、全国大学生生命科学竞赛、建立了实习和科研合作关系学生可申请专家讲解生物医药领域的创新案例和方法全国大学生创新创业大赛等活动鼓励学前往这些机构进行实习或开展毕业设计论开设科技论文写作、专利申请、项目生组队参与，将生物化学知识转化为实际校企合作实践基地包括江苏先声药业、路演等专题培训，提升学生科研成果转化应用竞赛前有专家指导和培训，帮助学南京传奇生物科技、江苏恒瑞医药等学能力鼓励学生积极申报国家级、省级大生掌握项目规划和实施能力生在实践基地不仅能接触前沿技术，还能学生创新训练计划项目，在实践中锻炼创了解产业发展和市场需求新能力我校设立了生物医学创新创业孵化基地，为学生提供从创意到产品的全链条支持基地配备基础实验设备、会议空间和路演场地，并提供法律、财务、市场等方面的咨询服务每年举办生命科学创业计划大赛，优胜项目可获得启动资金支持和导师指导，帮助学生将科研成果转化为创业项目学科交叉与生化人才培养展望系统生物学与精准医疗整合多学科知识解决复杂生命问题生物信息学与人工智能大数据分析驱动生物学研究生物化学与材料科学开发生物相容新材料及诊疗技术基础生化与临床医学从分子机制到疾病诊疗转化未来生物化学人才需具备跨学科视野和综合能力我们将推动课程体系改革，增加数据科学、计算生物学、纳米技术等交叉领域课程，培养学生解决复杂问题的能力同时加强实践教学，建立基础研究-应用开发-临床转化全链条培养模式，提高学生科研创新和成果转化能力职业发展方向多元化毕业生可继续深造攻读硕博学位，进入高校、科研院所从事基础研究；可进入医药企业、生物技术公司从事药物研发、质量控制等工作；可选择医院检验科、病理科等部门应用专业知识服务临床；也可进入政府监管部门、投资机构、专利代理等相关行业我们将通过校友网络、行业合作等多种方式，为学生提供职业规划指导和发展平台问题讨论与答疑典型思考题典型实验问题

1.讨论糖异生与酮体生成在禁食状态下对维持血

1.蛋白质提取过程中如何避免蛋白酶降解？糖稳态的相对贡献

2.Western blot检测时背景过高的可能原因及解

2.比较分析胆固醇合成与脂肪酸合成的调控机制决方案？异同

3.PCR反应无产物或产物非特异性的常见原因及

3.探讨线粒体功能障碍如何导致多种神经退行性优化策略？疾病

4.酶活性测定中，如何确定合适的反应时间和酶

4.分析基因表达调控的表观遗传机制如何影响疾量？病发生

5.细胞培养实验中污染的预防和处理方法？

5.评价不同膜转运机制在药物吸收、分布和排泄中的作用互动环节设置课前预习问题每次课前布置2-3个与课程内容相关的预习问题，学生通过网络学习平台提交答案课堂讨论采用问题导向式教学法，设置临床案例分析环节，引导学生应用生化知识解释疾病机制辩论式讨论针对学术前沿或争议性问题，组织学生分组辩论，培养批判性思维能力在线答疑利用微信群、QQ群等平台，建立师生交流渠道，及时解答学生疑问总结与展望课程要点回顾本课程系统介绍了生物分子结构与功能、代谢途径及其调控、基因表达与调控、信号转导等核心内容，建立了从分子、细胞到整体的生物化学知识体系通过理论与实验相结合的教学模式，培养了学生的科研思维和实践能力学科前沿进展生物化学研究正经历从还原论向整体论的转变，单分子研究、多组学分析和系统生物学方法并驾齐驱新技术如冷冻电镜、基因编辑、单细胞分析等推动研究进入更精细层次生物大数据与人工智能的结合正在改变生物学研究范式未来发展与挑战生物化学研究面临从认识生命本质到调控生命过程的转变，合成生物学、基因治疗、代谢工程等领域方兴未艾同时，人口老龄化带来的慢性疾病、新发传染病、抗生素耐药等全球性健康挑战，需要生物化学提供基础理论和技术支持作为医学院校学生，你们将成为生物化学知识与临床实践的桥梁希望通过本课程的学习，不仅掌握了专业知识，更培养了科学思维和终身学习能力在医学与生命科学快速发展的时代，保持好奇心和批判精神，不断更新知识结构，才能在未来的职业生涯中不断创新和进步最后引用英国生物化学家克里克的话生物学研究的最终目标是用物理和化学的语言来解释生命现象希望各位同学能在这一伟大征程中贡献自己的力量，为人类健康事业和生命科学发展作出贡献！。