《生物化学核心概念》课件

生物化学核心概念欢迎来到生物化学核心概念课程本课程将带您深入探索生命科学的分子基础，从基本的生物分子结构到复杂的代谢网络，从DNA复制到蛋白质合成，全面解析生命活动的化学本质通过系统学习生物化学，我们将理解从分子到细胞再到整个生物体的各种生命现象，掌握现代生物学研究的核心理论和技术，为进一步学习医学、药学、生物技术等应用学科奠定坚实基础课程概述生物化学基础涵盖水、pH、缓冲系统等基础概念，理解生物分子存在的化学环境探讨生物化学发展历程与研究方法，为后续学习奠定基础生物分子结构与功能详细分析蛋白质、糖类、脂质和核酸的分子结构及其在生命活动中的重要功能了解结构与功能的关系是理解生物化学的关键代谢途径与能量转换系统阐述糖、脂肪、氨基酸等代谢网络，介绍能量获取、转化与利用的生化机制，理解生物体内的物质转换和能量流动分子生物学基础讲解DNA复制、转录、翻译等核心过程，了解基因表达调控机制、信号转导及细胞周期控制，深入分子水平理解生命活动生物化学简介分子层次研究基本生物分子结构与功能细胞层次细胞内生化反应与代谢网络组织层次组织特异性生化过程器官层次多组织协同的生化调控生物化学是研究生物体内化学物质和化学反应的科学，它揭示了生命活动的分子本质这一学科弥合了化学与生物学的鸿沟，通过研究分子水平的生命过程，揭示生命现象的化学机制生物化学的历史发展早期研究1800-1900乌勒尔合成尿素，打破有机物只能由生物体合成的观念；巴斯德关于发酵作用的研究；布赫纳发现无细胞发酵，证实酶的存在这一时期奠定了生物化学的基础世纪重大突破20米歇尔证实DNA是遗传物质；沃森和克里克解析DNA双螺旋结构；克雷布斯发现三羧酸循环；默里和芬森研究蛋白质结构生物化学进入黄金时代年后新革命2000人类基因组计划完成；蛋白质组学、代谢组学兴起；CRISPR基因编辑技术发展；高通量测序与生物信息学进步生物化学迎来系统研究时代水与生命特殊物理化学性质氢键与水结构作为溶剂的重要性水具有高比热容、高热水分子间形成的氢键网水作为生命溶剂，能溶传导率和高表面张力等络赋予水独特的物理性解极性物质和离子，为特性，这些性质对维持质，同时也是理解生物生物化学反应提供必需生物体温度稳定、细胞大分子三维结构稳定的的环境，使分子能够自形态和生化反应环境至关键因素由移动和相互作用关重要水对生命的重要性远超过一般溶剂，它不仅是细胞内最丰富的物质，也是大多数生化反应的参与者氢键网络、离子溶解性和温度缓冲作用使水成为生命活动的理想介质值与缓冲系统pH定义与生理意义酸碱平衡与细胞稳态pHpH=-log[H+]，衡量溶液酸碱度的指标人体细胞内pH微环境直接影响酶活性、蛋白质结不同区域pH精确调控血液pH约

7.4，胃液构和代谢反应速率，是维持细胞稳态的关键pH约2，这些精确值对生理功能至关重要参数血液平衡调节生物体内主要缓冲系统pH呼吸系统通过调节CO2排出速率和肾脏通过碳酸氢盐系统、磷酸盐系统、蛋白质缓冲系H+、HCO3-调节，形成高效的酸碱平衡调控统和血红蛋白缓冲系统共同维持体液pH稳网络定氨基酸结构与性质氨基酸是蛋白质的基本构建单元，所有标准氨基酸（甘氨酸除外）都具有手性碳原子，在自然界中主要以L型存在每种氨基酸都具有α-氨基、α-羧基和特异性侧链，侧链的化学性质决定了氨基酸的分类和功能特点蛋白质一级结构氨基酸活化氨基酸与tRNA结合，准备进入蛋白质合成过程肽键形成通过脱水反应形成氨基酸之间的共价键多肽链延长按照特定顺序连接氨基酸形成线性序列序列确定由基因编码决定氨基酸排列顺序蛋白质一级结构是氨基酸通过肽键连接而成的线性序列肽键由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成，具有部分双键特性，使肽键呈现平面构象蛋白质二级结构螺旋结构折叠结构αβα螺旋是蛋白质中最常见的二级结构之一，特点是主链以螺旋方β折叠由伸展的多肽链（β链）通过氢键连接形成可分为平行β式盘绕，每转

3.6个氨基酸，螺距为

0.54nm主链中的C=O与向后折叠（多肽链方向相同）和反平行β折叠（多肽链方向相反），第四个氨基酸的N-H形成氢键，这些氢键平行于螺旋轴，极大地后者更稳定β折叠中氢键垂直于肽链方向稳定了结构β转角连接相邻的β链，形成完整的β折叠结构转角通常含有甘氨基酸侧链指向螺旋外部，彼此不发生空间位阻α螺旋在膜蛋氨酸和脯氨酸无规则卷曲是指不具有规则二级结构的区域，但白和纤维蛋白中特别丰富脯氨酸由于其环状结构常破坏α螺功能同样重要，常参与蛋白质-蛋白质相互作用旋蛋白质三级结构疏水相互作用非极性氨基酸侧链倾向于聚集在蛋白质内部，远离水环境，这是蛋白质折叠的主要驱动力疏水核心形成稳定了蛋白质的整体构象离子键与盐桥带相反电荷的侧链（如赖氨酸和谷氨酸）之间形成的电荷吸引力，跨距离较远的相互作用有助于稳定蛋白质远程结构二硫键两个半胱氨酸侧链巯基之间形成的共价键，提供较强的结构稳定性，在分泌蛋白和胞外蛋白中特别常见氢键网络多个氢键协同作用形成网络，共同维持蛋白质的特定折叠构象，增强结构稳定性蛋白质三级结构是指单条多肽链完全折叠后形成的三维空间构象这一过程涉及多种作用力的精细平衡，包括疏水相互作用、氢键、离子键和二硫键等三级结构的准确形成对蛋白质功能至关重要蛋白质四级结构2-12典型亚基数多数具有四级结构的蛋白质含有2-12个亚基4血红蛋白亚基由两对α和β亚基组成的四聚体结构65,000分子量Da人血红蛋白的平均分子量23亚基接触面典型亚基间相互作用涉及约23个氨基酸蛋白质四级结构是指由多个多肽链（亚基）通过非共价相互作用组装形成的高级结构亚基之间的相互作用主要包括氢键、疏水相互作用、盐桥和范德华力四级结构使蛋白质获得更复杂的功能和调节机制蛋白质功能多样性结构蛋白运输蛋白提供细胞和组织的结构支持胶原蛋白是结缔组织的主要成分，具有三股螺旋结负责分子和离子的运输血红蛋白负责氧气运输，具有协同氧结合特性转铁蛋构，赋予组织张力强度角蛋白则富含二硫键，形成坚韧的结构保护表皮和附属白在血液中运输铁离子，防止铁的毒性效应血浆白蛋白则运输脂肪酸、激素和结构药物分子防御蛋白通讯蛋白保护机体免受病原体和有害物质侵害抗体识别并结合特定抗原，激活免疫应答参与细胞信号传导受体蛋白识别并结合特定配体，触发细胞内信号转导激素补体系统蛋白通过级联反应直接裂解病原体抗冻蛋白保护极地生物免受低温损蛋白如胰岛素调节代谢活动细胞因子协调免疫细胞活动，调控炎症反应和伤口伤愈合酶的基本概念识别底物形成酶底物复合物-酶的活性位点专一性识别特定底物分子底物与活性位点结合，引起构象变化释放产物催化反应反应完成后产物释放，酶分子可重复使用通过降低活化能促进化学键的断裂或形成酶是生物催化剂，能够显著加速生化反应而不改变反应的平衡大多数酶是蛋白质，少数是RNA（核酶）酶的命名通常以-酶结尾，如淀粉酶、脂肪酶国际酶学委员会按催化反应类型将酶分为六大类氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶酶动力学酶活性调节竞争性抑制非竞争性抑制竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性位点，其分子结构通常与非竞争性抑制剂结合在酶的变构位点，而非活性位点，导致酶构底物相似这种抑制可通过增加底物浓度来克服，因为高浓度底象改变，活性下降这种抑制不能通过增加底物浓度克服在物会增加与抑制剂竞争的优势在Lineweaver-Burk图上表现为增Lineweaver-Burk图上表现为增加y轴截距但不改变x轴截距加斜率但不改变y轴截距•不与底物竞争，不可通过增加底物浓度克服•可逆性抑制，可通过增加底物浓度克服•降低Vmax但不影响Km•改变Km值但不改变Vmax•典型例子重金属离子对多种酶的抑制•典型例子琥珀酸脱氢酶的丙二酸抑制变构调节是酶活性调控的另一重要机制，变构效应物结合在远离活性位点的变构位点，通过诱导蛋白质构象变化影响酶活性变构激活剂提高酶活性，变构抑制剂降低酶活性磷酸果糖激酶受ATP抑制和AMP激活的调控是典型例子糖类结构单糖最简单的糖类，不能水解为更小的糖二糖两个单糖通过糖苷键连接寡糖3-10个单糖单元组成的短链多糖大量单糖单元形成的高分子单糖是糖类的基本单元，如葡萄糖、果糖和半乳糖这些单糖在水溶液中以环状结构存在，形成α或β构型，并展现变旋光性现象葡萄糖以六元环（吡喃糖）形式最稳定，果糖则倾向于形成五元环（呋喃糖）结构糖类的生物学功能能量储存结构支持糖原在动物肝脏和肌肉中储存能纤维素是植物细胞壁的主要成分，量，可快速分解释放葡萄糖应对能提供结构支持和保护几丁质构成量需求植物中的淀粉则是主要的节肢动物的外骨骼和真菌细胞壁能量储备形式，分为直链淀粉和支透明质酸是结缔组织中的重要结构链淀粉这些多糖通过酶促水解释成分，具有保水和润滑作用这些放单糖，进入代谢途径产生ATP结构性多糖赋予组织特定的物理性质细胞识别细胞表面的糖蛋白和糖脂作为分子身份证，参与细胞识别、黏附和信号传导血型抗原就是由特定糖链决定的病原体常利用宿主细胞表面特定糖结构作为附着和入侵的靶点免疫系统也通过识别糖分子模式区分自身和非自身脂质分类脂肪酸与三酰甘油磷脂与细胞膜脂肪酸是含有羧基的长链烃，可饱和或磷脂是细胞膜的主要成分，具有亲水性不饱和三酰甘油由甘油与三个脂肪酸头部和疏水性尾部的两亲性特征常见酯化形成，是动物体内最主要的能量储的包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷存形式脂肪组织中储存的三酰甘油可脂酰丝氨酸这种两亲性结构使磷脂在在能量需求时分解释放脂肪酸，进行β-水环境中自发形成双分子层，构成细胞氧化产生能量膜的基本骨架类固醇与激素类固醇具有特征性的四环结构胆固醇是细胞膜的重要组成部分，影响膜流动性类固醇激素如睾酮、雌二醇和皮质醇调控多种生理过程，包括性发育、代谢和应激反应它们通过结合胞内受体调控基因表达前列腺素属于二十碳类花生四烯酸衍生物，是重要的信号分子，参与炎症反应、血小板聚集和平滑肌收缩等过程它们通过细胞表面特异性受体发挥作用，激活细胞内信号转导级联反应鉴于其在炎症中的关键作用，前列腺素合成抑制是许多非甾体抗炎药的作用机制生物膜结构膜蛋白类型膜流动性与脂筏膜转运系统整合蛋白跨越整个磷脂双层，其疏水区域与脂细胞膜具有流动性，脂质和蛋白质可在膜平面细胞膜控制物质进出，既是屏障也是管道被双层相互作用，亲水部分暴露于细胞内外环境内自由移动膜流动性受多种因素影响，包括动转运包括简单扩散和协助扩散，不消耗能量周边蛋白则通过非共价键与整合蛋白或膜脂亲不饱和脂肪酸含量、胆固醇浓度和温度脂筏主动转运需要ATP提供能量，可逆浓度梯度转运水头部相互作用，位于膜表面不同类型的膜是富含胆固醇和鞘脂的膜微区域，流动性较低，物质转运蛋白高度特异，通道蛋白形成水通蛋白执行特定功能转运蛋白、受体蛋白、酶为特定信号分子提供平台，参与细胞信号传导道，载体蛋白则经历构象变化运送底物或结构蛋白核酸结构核苷酸基本结构核苷酸是核酸的基本单元，由三部分组成含氮碱基（嘌呤或嘧啶）、五碳糖（DNA中为脱氧核糖，RNA中为核糖）和磷酸基团DNA含四种碱基腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶TRNA中T被尿嘧啶U替代核苷酸通过5-3磷酸二酯键连接形成多核苷酸链双螺旋结构DNADNA以双螺旋结构存在，两条互补的多核苷酸链以反向平行方式盘绕，碱基对位于内侧，形成氢键A总是与T配对（形成两个氢键），G总是与C配对（形成三个氢键）这种特异性配对是DNA复制和遗传信息传递的基础DNA双螺旋每

10.5个碱基对完成一圈，螺旋直径约2nm结构多样性RNA与DNA不同，RNA通常以单链形式存在，但可通过分子内碱基配对形成复杂的二级和三级结构主要RNA类型包括信使RNAmRNA携带遗传信息；转运RNAtRNA负责氨基酸运输；核糖体RNArRNA是核糖体结构组分；非编码RNA如微小RNAmiRNA参与基因表达调控代谢概述同化代谢异化代谢需能量的合成反应，构建复杂分子释放能量的分解反应，降解复杂分子代谢调节能量耦联通过各种机制精确控制代谢流向通过ATP等高能化合物连接两类代谢代谢是生物体内进行的所有化学反应的总和，分为同化代谢（合成反应）和异化代谢（分解反应）同化代谢消耗能量，构建复杂分子如蛋白质、核酸和多糖；异化代谢则分解复杂分子，释放能量这两类代谢通过共同的中间产物和能量载体紧密联系糖酵解葡萄糖活化葡萄糖被己糖激酶磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，消耗1个ATP这一步锁定葡萄糖在细胞内，并稍微提高活性异构化与第二次磷酸化经过异构化后，果糖-6-磷酸被磷酸果糖激酶磷酸化形成果糖-1,6-二磷酸，消耗第2个ATP这是糖酵解的首要调控点裂解与氧化果糖-1,6-二磷酸裂解为两个三碳分子，经一系列反应生成两分子1,3-二磷酸甘油酸，同时将NAD+还原为NADH生成ATP每分子1,3-二磷酸甘油酸转化为丙酮酸过程中产生2个ATP，两分子共产生4个ATP净产量为2个ATP糖酵解是所有生物体内葡萄糖分解的中心途径，不需氧气参与这一过程将一分子葡萄糖转化为两分子丙酮酸，净产生两分子ATP和两分子NADH尽管产能效率不高，但糖酵解速度快，可在短时间内提供大量ATP丙酮酸命运有氧条件无氧条件在有充足氧气的条件下，丙酮酸进入线粒体，经丙酮酸脱氢酶复在缺氧条件下，丙酮酸有两种主要命运在动物细胞中，乳酸脱合体转化为乙酰CoA这一过程伴随脱羧和脱氢，生成CO2和氢酶将丙酮酸还原为乳酸，同时将NADH氧化为NAD+；在酵母等NADH乙酰CoA进入三羧酸循环，进一步氧化生成更多ATP微生物中，丙酮酸经脱羧形成乙醛，再被乙醇脱氢酶还原为乙醇丙酮酸脱氢酶复合体包含三种酶和五种辅酶，是连接糖酵解和TCA循环的关键环节该复合体受产物抑制，能量充足时活性降这些无氧途径的主要功能是再生NAD+，维持糖酵解持续进行低乳酸发酵在剧烈运动的肌肉中尤为重要，酒精发酵则是酿酒和面包制作的基础三羧酸循环乙酰进入脱氢与脱羧CoA乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸经过一系列氧化脱羧反应，产生NADH和FADH2草酰乙酸再生底物水平磷酸化完成循环并准备接受新的乙酰CoA琥珀酰CoA转化为琥珀酸时产生GTP三羧酸循环TCA循环是有氧代谢的核心途径，发生在线粒体基质中一个完整的循环将乙酰CoA完全氧化为二氧化碳，同时产生还原当量3NADH,1FADH2和1个GTP这些还原当量进入电子传递链，通过氧化磷酸化产生大量ATP电子传递链复合物INADH脱氢酶，接收来自NADH的电子，将质子泵出线粒体基质复合物III细胞色素bc1复合物，接收来自辅酶Q的电子，将质子泵出基质复合物IV细胞色素c氧化酶，将电子传递给最终受体氧气，形成水合成酶ATP利用质子梯度驱动ATP合成电子传递链是由嵌入线粒体内膜的四个主要蛋白质复合体组成的电子传递系统复合物INADH脱氢酶和复合物II琥珀酸脱氢酶分别接收来自NADH和FADH2的电子，然后通过辅酶Q将电子传递给复合物III细胞色素bc1复合体，再经细胞色素c传给复合物IV细胞色素c氧化酶，最终将电子传递给氧气形成水氧化磷酸化3复合物泵送I H+每对电子从NADH传递时泵出的质子数4复合体和III IV泵出4个H+（每复合体2个）

2.5的比NADH P/O每对电子从NADH开始产生的ATP数量

1.5的比FADH2P/O每对电子从FADH2开始产生的ATP数量氧化磷酸化是将电子传递链释放的能量转化为ATP的过程，基于Mitchell提出的化学渗透理论该理论认为电子传递过程中泵出的质子在线粒体内膜两侧形成质子电化学梯度（质子动力势），包括pH梯度和膜电位ATP合酶（复合物V）利用质子顺浓度梯度流回基质的能量合成ATP糖异生糖原代谢糖原合成糖原分解糖原合成始于糖原合成酶启动蛋白，该蛋白与一个UDP-葡萄糖分糖原磷酸化酶从非还原端逐一切除葡萄糖单位，通过磷酸解产生子自身糖基化形成引物糖原合成酶将UDP-葡萄糖的葡萄糖基团葡萄糖-1-磷酸，不消耗ATP当达到距分支点4个残基处时，转转移到引物或生长中的糖原链上，形成α-1,4-糖苷键分支酶将移酶将三个葡萄糖单位移至另一链末端，去分支酶水解α-1,6键一段α-1,4连接的葡萄糖链（至少7个单位）切下并通过α-1,6键连释放自由葡萄糖磷酸化酶的活化涉及级联反应，始于肾上腺素接到另一条链上，形成分支点或胰高血糖素结合受体•需要ATP活化葡萄糖（形成UDP-葡萄糖）•磷酸化酶a（活性型）和b（非活性型）•糖原合成酶活性受磷酸化抑制•激素通过cAMP信号转导激活•胰岛素促进糖原合成•产物抑制机制调节总体速率脂肪酸氧化活化与转运脂肪酸通过脂酰CoA合成酶活化，再进入线粒体氧化循环β-四步反应释放乙酰CoA和电子载体能量产出NADH、FADH2和乙酰CoA进入能量产生途径脂肪酸β-氧化是细胞获取储存脂肪能量的主要途径过程始于脂肪酸被脂酰CoA合成酶活化，消耗ATP形成脂酰CoA长链脂酰CoA通过肉碱穿梭系统进入线粒体，而中短链脂肪酸可直接进入脂肪酸氧化的核心是β-氧化循环，包括四个连续步骤酰CoA脱氢酶催化的脱氢反应产生FADH2；水合酶催化的加水反应；第二次脱氢反应产生NADH；最后硫解反应释放乙酰CoA并缩短脂肪酸碳链脂肪酸合成底物活化乙酰CoA首先被乙酰CoA羧化酶羧化形成丙二酰CoA，这是脂肪酸合成的限速步骤乙酰CoA和丙二酰CoA都必须从线粒体转运到细胞质，通过柠檬酸-丙二酰CoA穿梭系统这些活化底物为链延长提供碳源脂肪酸合成酶哺乳动物脂肪酸合成酶是一个多功能复合酶，具有七个催化功能它以组装线方式工作，将乙酰基和丙二酰基通过连续加成反应延长脂肪酸链，每个循环延长2个碳原子，最终产物通常是棕榈酸C16来源NADPH脂肪酸合成需要大量NADPH提供还原力主要来源包括戊糖磷酸途径中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶，以及苹果酸酶和细胞质异柠檬酸脱氢酶这些途径协同确保合成所需的还原当量供应脂肪酸合成虽然看似β-氧化的逆过程，但实际有重要区别合成发生在细胞质而非线粒体；使用不同的辅酶NADPHvs.NAD+/FAD；中间体以硫酯形式与酰基载体蛋白ACP结合而非CoA；以及由一个多功能酶复合体完成而非独立酶胆固醇代谢27碳原子数胆固醇分子的碳骨架数量60%内源性合成体内胆固醇约60%由肝脏合成30%降低率LDL他汀类药物可降低血LDL水平1000酶活性HMG-CoA还原酶过度活跃可提高合成率1000倍胆固醇是细胞膜的重要组成部分，也是类固醇激素和胆汁酸的前体胆固醇生物合成是一个复杂的多步骤过程，始于乙酰CoA，关键中间体包括甲羟戊酸和角鲨烯羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶HMG-CoA还原酶催化的反应是限速步骤，也是他汀类降胆固醇药物的靶点氨基酸代谢转氨基作用氨的处理氨基从氨基酸转移到α-酮酸尿素循环将有毒氨转化为无毒尿素氨基酸重要性碳骨架利用维持蛋白质平衡与生理功能脱氨后的骨架进入能量代谢或合成途径氨基酸代谢的第一步通常是转氨基作用，由转氨酶催化氨基从氨基酸转移到α-酮戊二酸，形成谷氨酸和新的α-酮酸谷氨酸脱氢酶随后催化谷氨酸脱氨，释放氨并再生α-酮戊二酸这些反应既参与氨基酸降解，也涉及非必需氨基酸的合成，是氨基酸代谢的核心环节核苷酸代谢1嘌呤核苷酸从头合成嘧啶核苷酸从头合成嘌呤核苷酸合成始于磷酸核糖焦磷酸嘧啶合成与嘌呤不同，先构建碱基再与核PRPP，经过10步反应形成肌苷酸IMP，糖结合起始基质是谷氨酰胺、ATP和碳再转化为腺苷酸AMP和鸟苷酸GMP这酸氢盐，形成二氢尿嘧啶后与PRPP结合，一复杂过程需要氨基酸、叶酸和ATP提供最终形成尿苷酸UMP，再转化为胞苷酸碳氮源和能量肝脏是主要合成场所，第CMP二氢尿嘧啶合成酶催化的第一步一步和两个分支点是关键调控位点是限速反应，受终产物抑制挽救途径与降解细胞中核苷酸不断周转，挽救途径直接利用碱基或核苷重新合成核苷酸，比从头合成节能嘌呤核苷酸最终降解为尿酸，嘧啶降解为β-氨基酸尿酸在灵长类不能进一步降解，过量可导致痛风多种抗癌药和免疫抑制剂针对这些途径核苷酸代谢受到精细调控，确保四种核苷酸的平衡供应从头合成途径中的反馈抑制是主要调控机制，如ATP和GTP抑制其各自合成的第一步嘌呤和嘧啶合成相互协调，以维持DNA复制和RNA合成所需的适当比例代谢整合肝脏代谢中心肝脏是代谢的中央调控站，进行糖异生、糖原储存、脂肪合成、胆固醇代谢和解毒作用在进食状态下，肝脏储存葡萄糖为糖原，合成脂肪酸和胆固醇；在饥饿状态下，分解糖原，进行糖异生和酮体生成，维持血糖稳定并为大脑提供替代能源脂肪组织能量仓库脂肪组织是最大的能量储存库，进食时在胰岛素作用下摄取葡萄糖和脂肪酸，合成三酰甘油储存；饥饿时在胰高血糖素和肾上腺素作用下进行脂解，释放脂肪酸和甘油进入血液，供其他组织利用白色脂肪储能，棕色脂肪产热肌肉能量消耗骨骼肌是主要的葡萄糖消耗者和蛋白质储存库静息时主要氧化脂肪酸获能；轻度活动时氧化葡萄糖；剧烈运动时依赖糖酵解和肌酸磷酸长期饥饿时，肌肉蛋白质分解释放氨基酸用于肝脏糖异生，支持大脑功能不同代谢状态触发特定的整合调控进食后，升高的血糖刺激胰岛素分泌，促进组织摄取葡萄糖、合成糖原和脂肪，抑制分解代谢饥饿时，胰高血糖素、肾上腺素和皮质醇水平升高，促进糖原分解、糖异生和脂肪分解，提供能量这种整合调控确保各组织在不同生理状态下协同工作复制DNA复制起始DNA解旋酶识别并结合起始点，解开双螺旋，形成复制泡单链结合蛋白稳定单链DNA，防止其重新配对引物酶合成RNA引物，为DNA聚合酶提供3-OH起点链延长DNA聚合酶III沿5→3方向延伸新链，连续合成前导链，不连续合成后随链后随链形成冈崎片段，每个片段需要新的RNA引物DNA聚合酶I移除RNA引物并填补空缺，DNA连接酶连接相邻片段校对与终止DNA聚合酶具有3→5外切酶活性，可校对并纠正错配碱基复制终止于特定序列或当两个复制叉相遇末端处理解决线性染色体末端不完全复制问题，由端粒酶负责DNA复制遵循半保留复制原理，即新合成的双链DNA各含一条亲代链和一条子代链这一过程的核心特征是高保真度（错误率约10^-9）、高效率（大肠杆菌每分钟复制1000个核苷酸）和高度协调（多种酶和蛋白质精确配合）修复DNA常见损伤类型DNADNA面临多种内源性和外源性损伤氧化损伤（活性氧导致碱基修饰和链断裂）；烷基化（化学试剂添加烷基）；脱嘌呤/脱嘧啶（糖苷键断裂）；紫外线损伤（形成嘧啶二聚体）；电离辐射（导致单链或双链断裂）；化学交联（DNA链间或链内交联）错配修复系统错配修复MMR系统识别并修复DNA复制过程中引入的错配碱基和小型插入/缺失MutS蛋白识别错配，MutL促进错配链的切除，聚合酶填补空缺，连接酶密封缺口遗传性非息肉性结肠癌与MMR基因突变相关核苷酸切除修复核苷酸切除修复NER系统处理导致DNA结构扭曲的大型损伤，如紫外线引起的嘧啶二聚体包括损伤识别、双侧切除、移除损伤片段、合成新DNA和连接四个步骤色素性干皮症是NER缺陷的典型疾病双链断裂修复双链断裂DSB是最严重的DNA损伤，有两种主要修复机制非同源末端连接NHEJ直接连接断裂末端，可能引入错误；同源重组HR使用姐妹染色单体作为模板，准确修复损伤，但限于S和G2期BRCA1/2基因与HR相关，其突变增加乳腺癌风险转录基础转录起始链延长RNA聚合酶在启动子区域结合形成转录起RNA聚合酶沿DNA模板链5→3方向移动，始复合物原核生物使用单一RNA聚合酶，根据碱基互补原则合成RNA与DNA复制真核生物有三种RNA聚合酶I、II、III分别不同，转录不需引物，也不具校对功能转录不同类型RNA真核转录需要通用转延长过程中可能发生暂停或终止，受调控录因子如TFIID识别TATA盒协助聚合酶结因子影响核糖核苷三磷酸作为底物加入合并打开DNA双链生长的RNA链转录终止原核生物终止依赖终止子序列形成RNA发夹结构或Rho蛋白真核生物终止更复杂，RNA聚合酶II转录的mRNA在特定位点被切割并加上多聚A尾，实际终止点可能在切割位点下游数百个核苷酸正确终止对防止干扰邻近基因表达至关重要真核生物转录过程远比原核生物复杂，具有独特特点在细胞核内进行；染色质结构影响转录可及性；需要大量转录因子；启动子结构复杂，包括核心启动子和近端调控元件；常具有远端增强子或抑制子；以及存在转录后RNA加工加工RNA端修饰与可变剪接3剪接RNA大多数真核mRNA3端经多聚腺苷化修饰特异性内切酶帽子修饰5RNA剪接过程切除内含子并连接外显子，由剪接体完成在AAUAAA信号下游切割RNA，多聚A聚合酶添加约200个5帽子形成是真核mRNA首个修饰，在转录起始后不久进剪接体由snRNA和蛋白质组成，识别内含子边界特定序列腺苷多聚A尾增加mRNA稳定性，促进核输出和翻译行过程包括RNA5端三磷酸去除一个磷酸；鸟嘌呤核（5剪接位点、3剪接位点和分支点）剪接通过两步转可变剪接允许一个基因产生多个mRNA变体，通过选择性苷酸以5-5三磷酸键连接；鸟嘌呤的N7位甲基化形成7-甲酯反应完成首先5剪接位点断裂并与分支点腺苷连接形使用不同外显子或剪接位点，极大增加蛋白质多样性基鸟苷m7G帽子结构保护mRNA免受5→3外切酶降成套索结构；然后3剪接位点断裂，两个外显子连接解，并协助核-胞质转运和翻译起始RNA加工是基因表达调控的重要层次绝大多数真核基因含有内含子，通过可变剪接，人类约2万个基因可产生超过10万种蛋白质剪接异常与多种疾病相关，包括β-珠蛋白基因剪接突变导致的β-地中海贫血翻译过程翻译起始真核生物翻译起始需要多种起始因子eIFs小核糖体亚基先与起始tRNA携带甲硫氨酸和起始因子结合，形成43S复合物然后识别mRNA5帽，沿mRNA扫描直到遇到起始密码子通常是AUG大核糖体亚基加入形成功能性80S核糖体，准备开始肽链合成肽链延长延长过程是一个循环氨基酰-tRNA在延长因子辅助下进入A位；肽基转移酶催化P位肽链转移到A位tRNA的氨基酸上；核糖体移位一个密码子，将肽酰-tRNA从A位移至P位，释放E位的空tRNA这一循环持续进行直至遇到终止密码子翻译终止当终止密码子UAA、UAG或UGA进入A位时，被释放因子识别释放因子活化肽基转移酶，导致肽链从最后一个tRNA释放随后核糖体解离为两个亚基，可再次参与翻译一个mRNA通常被多个核糖体同时翻译，形成多聚核糖体遗传密码是三联体密码，64个可能的密码子编码20种氨基酸和终止信号密码具有普遍性（几乎所有生物共用），但也有例外（如线粒体密码）密码表现简并性（多个密码子可编码同一氨基酸）和无歧义性（一个密码子只编码一种氨基酸）第三位摆动现象允许tRNA通过非标准配对识别多个密码子蛋白质合成后修饰端部修饰基团添加蛋白质N端常发生甲硫氨酸切除和乙酰化糖基化、磷酸化、甲基化等修饰改变功能定位分选结构成熟根据信号序列转运至特定细胞区室折叠形成二级、三级结构和四级结构蛋白质合成后修饰PTM对蛋白质获得完全功能至关重要N端修饰包括起始甲硫氨酸切除（由甲硫氨酸氨肽酶催化）和N-乙酰化（增加稳定性）C端修饰常见于GPI锚修饰（膜蛋白）和酰胺化（增加稳定性）常见侧链修饰包括磷酸化（丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸，调节酶活性和信号转导）、糖基化（赖氨酸、天冬酰胺，影响折叠和识别）、泛素化（赖氨酸，标记蛋白质降解）基因表达调控原核调控系统操纵子模型是原核基因调控的经典机制真核转录调控2启动子与增强子协同控制基因表达表观遗传调控染色质修饰决定基因可及性非编码调控RNAmiRNA、lncRNA参与多层次调控操纵子模型是理解原核生物基因表达调控的基础乳糖操纵子包含调节基因lacI和结构基因lacZ,lacY,lacA，受启动子和操纵子控制无乳糖时，抑制蛋白结合操纵子，阻止转录；有乳糖时，乳糖与抑制蛋白结合，使其脱离操纵子，允许转录另一种机制是色氨酸操纵子的阻抑终止，在色氨酸缺乏时允许转录信号转导信号识别跨膜受体识别并结合特异性信号分子（配体），包括G蛋白偶联受体（七次跨膜，激活G蛋白）、酪氨酸激酶受体（二聚化后自磷酸化）、细胞因子受体（与JAK激酶相关）和离子通道受体（直接改变膜通透性）受体激活是信号转导的第一步信号传递与放大受体激活触发胞内信号传递，通常伴随级联放大主要第二信使包括环磷酸腺苷cAMP、磷脂酰肌醇二磷酸PIP2衍生物、二酰甘油DAG和钙离子蛋白激酶级联如MAPK途径和PI3K-Akt途径能逐级放大信号，将一个分子的结合转化为数千分子的磷酸化反应信号响应信号通路最终导致多种细胞响应改变代谢活性（如胰岛素激活代谢酶）；调控基因表达（如激素激活转录因子）；改变细胞骨架（影响细胞形态和迁移）；调控细胞周期和存活信号通路通常有负反馈机制，确保适当响应强度和持续时间G蛋白偶联受体GPCR激活后，α亚基与βγ复合物分离，分别调控不同效应物Gαs激活腺苷酸环化酶，增加cAMP；Gαi抑制腺苷酸环化酶；Gαq激活磷脂酶C，生成IP3和DAG，IP3促进钙离子释放，DAG激活蛋白激酶CGPCR是最大的受体家族，也是药物靶点的主要来源细胞周期与凋亡期期G1S细胞生长并合成蛋白质，准备DNA复制DNA复制，染色体数量加倍期期M G2有丝分裂，细胞分裂为两个子细胞细胞继续生长，准备分裂细胞周期是细胞生长和分裂的有序过程，包括间期G1,S,G2和有丝分裂期MG1期是主要生长阶段，其末端有限制点，一旦通过，细胞将完成整个周期S期进行DNA复制，G2期为细胞分裂做准备，M期包括染色体分离和细胞质分裂周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶CDK是关键调控分子，它们的周期性表达和激活驱动细胞周期进程免疫生物化学抗体结构与功能抗原抗体相互作用补体系统与细胞因子-抗体免疫球蛋白是Y形糖蛋白，由两条重链和两条抗原-抗体相互作用基于分子互补性，涉及氢键、静补体系统由30多种血浆蛋白组成，可通过经典途径轻链通过二硫键连接每条链都有恒定区和可变区，电力、范德华力和疏水相互作用，通常具有高亲和抗体激活、替代途径微生物表面直接激活或凝集可变区形成抗原结合位点根据重链恒定区不同，力和高特异性这种相互作用的强度用亲和常数Ka素途径糖分子识别激活活化的补体参与病原体抗体分为IgG、IgM、IgA、IgE和IgD五类，具有不同表示，典型值为10^7-10^11M^-1抗原表位决定簇裂解、调理作用和炎症促进细胞因子是免疫细胞功能抗体通过Fab区特异性结合抗原，通过Fc区是被抗体识别的特定区域，可以是连续的线性或分泌的蛋白质信使，包括白细胞介素、干扰素、肿与免疫细胞受体和补体相互作用，介导效应功能非连续的构象性氨基酸序列瘤坏死因子等，通过特异性受体调控免疫应答强度和类型生物化学研究技术I分离纯化技术质谱分析层析技术基于物质在固定相和流动相中分配系质谱分析通过测量分子碎片的质荷比确定分子数的差异，包括凝胶过滤层析按分子大小量和结构现代生物质谱使用软电离技术ESI、分离；离子交换层析基于带电性质；亲和层MALDI，能分析大分子蛋白质组学应用质谱析利用特异性结合；疏水相互作用层析基于鉴定复杂混合物中的蛋白质，通常结合液相色疏水性电泳则利用电场中分子移动速率差谱LC-MS/MS提高分辨率蛋白质酶解后产生异，如聚丙烯酰胺凝胶电泳PAGE分离蛋白质，的肽段指纹图谱可与数据库比对，实现蛋白质琼脂糖凝胶电泳分离核酸鉴定核磁共振与同位素标记核磁共振NMR通过测量原子核在磁场中的共振频率提供分子结构信息它可以分析溶液中蛋白质结构，研究动态构象变化和分子相互作用同位素标记技术使用放射性同位素如32P、35S或稳定同位素如13C、15N跟踪生化反应同位素标记与显像技术结合广泛应用于代谢研究、药物动力学和临床诊断现代生物化学研究依赖多学科技术整合X射线晶体学是解析蛋白质静态三维结构的主要方法，需要制备高质量蛋白质晶体，获得衍射数据冷冻电镜技术进步使其成为结构生物学的重要工具，可分析大型蛋白质复合物和膜蛋白，且不需结晶生物化学研究技术II技术1PCR聚合酶链式反应PCR是体外扩增特定DNA片段的强大技术其基本步骤包括变性94-98°C,使DNA双链分离；退火50-65°C,引物与单链DNA结合；延伸72°C,DNA聚合酶合成新链这三步循环30-40次，目标序列呈指数级扩增实时定量PCRqPCR通过荧光信号实时测序技术监测产物积累，用于基因表达分析DNA测序技术经历了从Sanger测序到高通量测序的革命性发展第一代Sanger法基于双脱氧链终止原理，第二代测序如Illumina基于边合成边测序原理，可并行分析数百万DNA片CRISPR-Cas9段第三代测序如PacBio和纳米孔技术能产生更长读长单细胞测序技术可分析单个细胞基因组和转录组，揭示细胞异质性CRISPR-Cas9是革命性基因编辑工具，源自细菌免疫系统Cas9核酸酶在引导RNAgRNA指导下切割特定DNA序列，产生双链断裂细胞通过非同源末端连接常引入突变或同源重组可引入精确修改修复断裂这一技术已广泛用于基因敲除、敲入、激活或抑制，为基单细胞分析础研究和疾病治疗提供了强大工具单细胞技术克服了传统混合样本分析的局限，揭示细胞群体内的异质性单细胞RNA测序可绘制细胞类型图谱；单细胞蛋白质组学分析细胞间信号通路差异；单细胞代谢组学研究代谢异质性空间转录组学技术结合组织学位置信息，保留细胞在组织中的空间关系，为理解细胞相互作用提供新视角生物化学与疾病代谢性疾病神经退行性疾病代谢性疾病源于代谢途径异常糖尿病是最常见的代谢紊乱，1型源于胰岛β细胞破坏导致神经退行性疾病与蛋白质错误折叠和聚集密切相关阿尔茨海默病特征是β-淀粉样蛋白斑块胰岛素缺乏，2型主要由胰岛素抵抗引起分子水平上，胰岛素受体信号通路缺陷导致和Tau蛋白神经纤维缠结，导致突触功能障碍和神经元死亡帕金森病则与α-突触核蛋白在GLUT4转位障碍，影响葡萄糖摄取痛风则由嘌呤代谢异常、尿酸生成增加或排泄减少引多巴胺能神经元中形成路易体有关，同时存在线粒体功能障碍和氧化应激亨廷顿病由HTT起，尿酸晶体沉积在关节导致炎症基因CAG重复扩增引起，导致蛋白质聚集癌症生物化学基础遗传性代谢病癌症是一组基因组不稳定性疾病，涉及多种生化机制关键改变包括生长信号自主性遗传性代谢病是由单基因缺陷导致的代谢酶或转运蛋白异常苯丙酮尿症由苯丙氨酸羟化（如EGFR过表达）；抑癌基因失活（如p53突变）；凋亡抵抗（如Bcl-2上调）；无限复制潜酶缺陷引起，导致苯丙氨酸积累，影响脑发育；高半胱氨酸血症影响含硫氨基酸代谢，增能（端粒酶激活）；血管生成（VEGF分泌）；代谢重编程（瓦伯格效应，即使在有氧条件加血栓风险；糖原贮积病是一组糖原代谢酶缺陷疾病，导致肝脏、肌肉等组织糖原异常积下偏好糖酵解）；以及免疫逃逸机制累；溶酶体贮积病则源于溶酶体酶缺陷，导致大分子无法降解生物化学与药物开发药物靶点的生物化学基础药物靶点是药物分子与生物系统相互作用的特定分子位点主要靶点类型包括酶（如血管紧张素转换酶）；受体（如G蛋白偶联受体和核受体）；离子通道（如钙通道）；转运蛋白（如神经递质转运体）；核酸（如某些抗生素靶向细菌核糖体RNA）理想靶点应具有关键生理功能、明确的疾病关联性、药物可及性和选择性结构生物学与药物设计基于结构的药物设计利用靶蛋白三维结构信息指导药物分子设计这一过程包括确定活性位点或关键结合区域；分子对接筛选潜在化合物；结构优化改善亲和力、选择性和药代动力学特性结构生物学技术（X射线晶体学、核磁共振、冷冻电镜）对阐明药物-靶点相互作用至关重要，已成功用于HIV蛋白酶抑制剂等药物开发代谢组学应用代谢组学分析生物样本中所有代谢物的集合，已成为药物研发的重要工具应用包括发现新靶点和生物标志物；评估药物毒性机制；研究药物代谢和药物-药物相互作用；预测个体药物反应差异代谢组学结合质谱和核磁共振等分析技术，能检测数百至数千种代谢物，提供疾病代谢特征和药物作用机制的全景图个体化医疗的生物化学原理基于人群间遗传和代谢差异药物基因组学研究基因变异如何影响药物代谢和反应，如细胞色素P450酶多态性导致药物代谢速率差异药物代谢组学分析代谢物谱变化预测药物反应这些方法支持正确药物、正确剂量、正确患者的精准治疗模式，提高疗效并减少不良反应前沿研究与未来展望系统生物学系统生物学将生物系统视为相互连接的网络，通过整合多层次数据研究系统行为计算生物化学发展了代谢网络模型、信号通路模拟和蛋白质相互作用网络分析这些方法能预测代谢流分布，识别关键调节节点，揭示药物和疾病的系统级影响多尺度模型将分子水平与细胞和组织水平的变化联系起来合成生物学合成生物学结合生物化学与工程学原理，设计和构建新的生物系统代谢工程改造细胞产生有价值化合物，如药物前体、生物燃料和生物材料基因线路设计创建具有可编程功能的细胞，如能感知环境信号并响应的细胞传感器非天然氨基酸和扩展遗传密码允许合成具有新功能的蛋白质，为基础研究和应用开辟新途径生物信息学与大数据生物信息学工具整合和分析海量生物数据，识别模式和关联基因组学、转录组学和蛋白质组学数据的整合揭示基因调控网络和蛋白质功能机器学习算法预测蛋白质结构、药物-靶点相互作用和代谢途径，加速科学发现云计算和分布式计算平台使复杂生物系统的模拟成为可能多领域应用生物化学知识正推动多个领域创新医学（精准靶向药物、基因治疗、免疫疗法）；农业（抗逆作物、营养强化、可持续生产）；环境（生物修复、可降解材料、碳捕获）；能源（生物燃料、生物氢、酶催化）交叉学科合作正加速生物化学从基础研究到实际应用的转化未来生物化学研究将更加注重整合观念，从分子到系统理解生命过程单细胞和空间分辨技术将揭示细胞异质性和组织微环境如何影响生化过程生物合成和生物制造将利用细胞作为微型工厂，通过设计代谢途径生产复杂分子复习与总结分子基础生物分子结构与功能是理解生命过程的基础代谢网络2物质转换与能量流动构成生命活动的核心遗传信息3基因表达与调控机制决定细胞身份与功能实验技术4先进方法支持从分子到系统的多层次研究应用转化生物化学原理在医学、农业等领域的实际应用本课程系统介绍了生物化学的核心概念，从基本的水和缓冲系统，到复杂的代谢网络和基因表达调控通过学习蛋白质、糖类、脂质和核酸的结构与功能，我们理解了这些生物分子如何协同工作，支持生命过程能量代谢、信号转导和遗传信息流动的机制揭示了生物体精确调控和适应环境的能力。