《生物化学原理》课件

生物化学原理欢迎来到生物化学原理课程本课程将带领您探索生命的分子奥秘，深入理解生物体内的化学反应及其调控网络我们将从分子层面揭示生命现象的本质，探讨蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物大分子的结构与功能通过系统学习代谢途径、酶促反应、能量转换和信号传导等核心内容，您将掌握理解现代生物医学基础的关键知识框架本课程注重理论与实践相结合，将介绍当代生物化学的研究方法和前沿应用绪论生物化学研究对象分子水平理解生命现生物与无生命物质的象联系生物化学从分子视角探索生命生命体内的分子遵循基本化学本质，研究生物体内复杂的化定律，生物化学搭建了有机化学物质及其相互作用通过解学与生物学之间的桥梁，阐明析分子行为，我们能够揭示细生命与非生命物质间的本质联胞功能、代谢变化和遗传信息系与区别传递的机制生物化学发展简史生物化学与相关学科的关系分子生物学生物化学聚焦于遗传信息的传递与表达，研究基因结研究生物体内化学物质的结构、功能及其变构与功能化规律，为理解生命过程提供分子基础2细胞生物学关注细胞结构与功能，研究细胞内各组分间的相互作用医学有机化学应用生物化学原理解释疾病机制，开发诊断方法和治疗药物提供理解生物分子结构、合成与反应机制的化学基础生物化学研究方法简介层析技术基于物质在固定相和流动相中分配系数的差异进行分离电泳分析利用分子电荷和大小的差异在电场中分离生物分子分光光度法测量物质对不同波长光的吸收来定性和定量分析同位素示踪使用放射性或稳定同位素标记生物分子以跟踪代谢过程生命的基本元素和分子结构生命元素组成有机官能团碳形成骨架，能与多种元素形羟基增加溶解度，参与氢键C-OH成稳定化合物氢参与形成极形成羧基酸性基团，参H-COOH性和非极性键，维持分子稳定性氧与多种生化反应氨基碱性-NH₂参与能量释放反应，形成氢键基团，是蛋白质的重要组成硫醇O-氮是蛋白质和核酸的关键组成形成二硫键，稳定蛋白质结N SH磷存在于能量分子和核酸中构磷酸基储存和传递能量，调节P硫参与蛋白质结构稳定细胞功能S生物大分子特征生物大分子通过特定的化学键连接单体形成复杂结构，具有立体特异性和多样的空间构象这些分子的结构与其生物学功能密切相关，微小的结构变化可能导致功能显著改变，体现了结构决定功能的原理水和在生命中的作用pH水的特殊性质与生物缓冲系统pH水分子由于其独特的结构，表现出强烈的极性，能形成氢键网生物体内各组织器官维持特定的范围以确保酶的最佳活性pH络这种特性使水成为优秀的溶剂，能溶解多种极性物质，为生例如，胃液约为，而血液严格控制在之间pH2pH

7.35-

7.45化反应提供理想环境生物体通过缓冲系统如碳酸氢盐系统、磷酸盐H₂CO₃/HCO₃⁻水的高比热和蒸发热有助于维持生物体温度稳定，防止剧烈波系统和蛋白质缓冲系统维持稳定，抵抗外H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻pH动水的凝聚力和附着力支持植物体内水分运输和血液循环界环境变化带来的干扰氨基酸基本结构与分类极性非带电氨基酸非极性氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸等，侧链包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等，侧链含有极性基团，能与水形成氢键，通常以碳氢结构为主，疏水性强，倾向于聚分布在蛋白质表面集在蛋白质内部酸性氨基酸碱性氨基酸包括天冬氨酸和谷氨酸，侧链含有羧包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸，侧链在基，在生理下带负电荷，常参与离子生理下带正电荷，常参与离子键形成pH pH键形成和催化反应和核酸结合肽链形成与蛋白质一级结构氨基酸含有氨基和羧基的有机分子，是蛋白质的基本构建-NH₂-COOH单元肽键形成一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合，形成-CO-NH-连接多肽链多个氨基酸通过肽键连接形成的链状结构，具有方向性端端N→C蛋白质一级结构指氨基酸在多肽链中的排列顺序，由基因编码决定，是蛋白质结构的基础蛋白质空间结构四级结构多个蛋白质亚基的组装方式三级结构多肽链在三维空间的完整折叠构象二级结构局部规则排列形式如螺旋和折叠α-β-一级结构氨基酸的线性排列顺序蛋白质功能与生物学作用酶类蛋白质运输蛋白防御蛋白催化生物化学反应，降低活负责物质运输与转运，维持保护机体免受外来物质侵化能，提高反应速率如消细胞内外环境稳态如血红害，包括抗体、补体系统和化酶能分解食物，DNA聚合蛋白运输氧气，钠钾泵维持干扰素等这些蛋白能特异酶参与DNA复制它们具有跨膜离子梯度，脂蛋白参与性识别病原体分子，参与先高度特异性，能识别特定底血液中脂质运输它们通常天性和适应性免疫反应，维物，活性常受温度、pH和具有特定的结合位点和构象护机体健康抑制剂影响变化能力结构蛋白提供细胞和组织的机械支持与弹性如胶原蛋白形成结缔组织，角蛋白构成皮肤和毛发，肌动蛋白和肌球蛋白参与肌肉收缩这类蛋白通常具有高度规则的结构排列蛋白质的分离与鉴定样品制备组织匀浆、细胞破碎、离心分离等初步处理方法，提取目标蛋白并去除杂质分离纯化利用层析法离子交换、凝胶过滤、亲和层析和沉淀法分离特定蛋白质电泳分析分离变性蛋白，双向电泳提高分辨率，蓝染或银染可视化检测SDS-PAGE结构鉴定质谱法测定分子量，射线晶体学和核磁共振解析三维结构，序列分析确X定一级结构蛋白质变性和复性蛋白质变性原理复性现象与应用变性是指蛋白质高级结构被破坏而失去生物活性的过程变性因复性是变性蛋白质在适宜条件下恢复原有构象和功能的过程安子通过干扰维持蛋白质构象的非共价键如氢键、离子键、疏水芬森的核糖核酸酶实验首次证明了蛋白质的一级结构决定高级结相互作用来诱导变性常见变性因子包括构，为理解蛋白质折叠问题奠定基础•热处理破坏氢键和疏水相互作用在生物技术中，复性技术广泛应用于重组蛋白生产例如，人胰岛素通过大肠杆菌表达系统获得，需要从包涵体中提取并进行复•极端pH改变氨基酸侧链电荷状态性处理才能获得活性蛋白•变性剂尿素、盐酸胍干扰多种非共价键•有机溶剂破坏蛋白质水化层分子伴侣蛋白如热休克蛋白HSP在体内辅助新合成蛋白正确折叠，防止错误折叠导致的疾病酶与酶学基本概念酶的特异性酶对底物具有高度特异性，类似锁和钥匙或诱导契合模型，精确识别特定分子如蛋白酶仅断裂肽键，糖苷酶专一分解糖苷键催化机制酶通过降低反应活化能加速反应，而自身不消耗可通过提供有利微环境、转变电子结构、应力作用等方式催化反应一个酶分子每秒可催化数百至数百万次反应活性中心酶分子中与底物结合并参与催化的特定区域，由关键氨基酸残基构成活性中心形状和化学特性与底物互补，确保特异性结合和催化辅因子作用许多酶需要辅因子如辅酶、金属离子才能发挥完整催化功能如ATP需要镁离子结合才能被激酶识别；维生素B衍生物常作为辅酶参与代谢反应酶促反应动力学酶活性的调节别构调节别构效应是指调节分子与酶的别构位点非活性中心结合，引起酶构象变化，进而影响催化活性典型例子是磷酸果糖激酶PFK，当ATP浓度高时，额外的ATP分子作为别构抑制剂与别构位点结合，降低酶活性；而AMP或F-2,6-BP则作为别构激活剂，增强酶活性共价修饰通过可逆的共价修饰调控酶活性，最常见的是磷酸化和去磷酸化例如，糖原磷酸化酶在磷酸化后从b型转变为a型，活性显著增强；而蛋白质磷酸酶可催化去磷酸化过程这种修饰通常由信号级联反应控制，能快速响应细胞内外环境变化酶原激活某些酶以无活性或低活性的前体酶原形式合成，需要通过特定的蛋白水解才能获得完全活性例如，消化酶胰蛋白酶以胰蛋白酶原形式分泌，在十二指肠中被肠激酶切割一小段肽链后激活这种机制能有效防止酶在错误的位置发挥作用基因表达调控通过控制酶的合成和降解来长期调节酶的活性水平如大肠杆菌中的乳糖操纵子系统，只有在乳糖存在时才会诱导表达β-半乳糖苷酶在真核生物中，激素和生长因子可通过影响基因转录和翻译过程调控特定酶的表达量酶的应用与疾病关联5000+已知人体酶数量人体内存在数千种酶，参与几乎所有生命过程30%药物靶点比例现代药物中约三分之一以酶为靶点450+已知酶缺陷疾病酶缺陷导致的遗传代谢病种类众多40+临床酶学检测项目血清酶谱广泛用于疾病诊断与监测酶在医学领域的应用日益广泛临床上，血清中多种酶活性可作为疾病诊断指标，如肝功能检测中的ALT和AST，心肌梗死指标肌钙蛋白和CK-MB，胰腺炎指标淀粉酶等酶替代疗法已成功用于治疗一些遗传性酶缺陷疾病，如高雪氏病的葡萄糖脑苷脂酶替代治疗糖类的分类与功能糖类是生物体中最丰富的有机物之一，根据结构复杂性可分为单糖、寡糖和多糖单糖如葡萄糖和果糖无法水解为更简单的糖，是能量代谢的基本单位寡糖由2-10个单糖组成，如蔗糖葡萄糖+果糖和乳糖葡萄糖+半乳糖多糖由数百至数千个单糖组成，分为同多糖如淀粉、糖原、纤维素和杂多糖如透明质酸、肝素糖类在生物体内发挥多种关键功能能量来源和储存葡萄糖、糖原、结构支持纤维素、几丁质、细胞识别与免疫糖蛋白、糖脂以及细胞外基质成分透明质酸单糖的结构与异构体单糖基本结构异构现象单糖是最简单的糖类，包含多个羟基和一个醛基或酮基单糖存在多种异构现象，包括构型异构和构象异构构型异构指-OH根据含碳数量可分为三碳糖丙糖、五碳糖戊糖和六碳糖己分子具有相同分子式但立体结构不同，如葡萄糖和半乳糖都是糖等根据功能基团类型，可分为醛糖如葡萄糖和酮糖如果，但羟基在碳链上的空间排列不同C₆H₁₂O₆糖异构体是指环状结构中新生成的半缩醛羟基与环平面α/β-OH单糖通常以环状结构存在，六碳糖形成六元环吡喃型，五碳糖的空间关系当该羟基与环上相连并位于环平面同侧时为构C1α形成五元环呋喃型环化过程中，醛基或酮基与远端羟基反应型，位于环平面异侧时为构型这种异构性对糖类的生物学特β形成半缩醛结构性影响显著，如糖苷键形成淀粉，而糖苷键形成纤α-1,4-β-1,4-维素多糖结构与生物学意义淀粉植物储能多糖，由α-1,4-糖苷键连接的直链淀粉支链淀粉酶可水解和α-1,4与α-1,6-糖苷键形成分支的支链淀粉组成直链淀粉呈螺旋状结构，与碘反应呈蓝色；支链淀粉结构更为紧密，与碘反应呈红紫色淀粉颗粒在植物细胞中以半晶体形式存在，在消化过程中被淀粉酶逐步水解糖原动物储能多糖，结构与支链淀粉相似但分支更多更短，约每8-12个葡萄糖单位有一个分支点主要储存在肝脏和肌肉中，可在血糖低时迅速水解释放葡萄糖维持血糖稳定糖原合成与分解受激素严格调控，失调可导致糖原贮积病等遗传代谢疾病纤维素植物细胞壁主要成分，由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖长链组成由于β键的空间排列，纤维素呈直线型结构而非螺旋状，多条链间形成氢键网络构成坚固的微纤维人体缺乏分解β-1,4-糖苷键的酶，无法消化纤维素，但其作为膳食纤维促进肠道蠕动具有重要生理意义杂多糖由不同单糖单位组成的复杂多糖，如透明质酸葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺组成存在于结缔组织、关节滑液中，具有润滑和保水功能；硫酸软骨素是软骨的重要成分；肝素则具有抗凝作用，被广泛用作临床抗凝药物糖酵解途径预备阶段投入阶段葡萄糖经磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，后转变为果糖-1,6-二磷酸这一阶段消耗2个ATP分子，为后续反应做准备六碳化合物被裂解为两个三碳化合物甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸氧化阶段甘油醛-3-磷酸被氧化为1,3-二磷酸甘油酸，同时NAD⁺被还原为NADH这一步是整个糖酵解途径中唯一的脱氢反应，为后续产能提供了基础每个葡萄糖分子在此阶段产生2个NADH产能阶段1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸，同时产生ATP底物水平磷酸化之后经过一系列反应，最终形成丙酮酸，并再次产生ATP每个葡萄糖分子在此阶段产生4个ATP厌氧代谢分支在氧气不足条件下，丙酮酸被转化为乳酸动物组织或乙醇酵母这些反应同时氧化NADH为NAD⁺，使糖酵解途径能够持续进行在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环进一步氧化糖异生与葡萄糖合成主要发生部位主要途径与关键酶生理意义与疾病关联糖异生主要在肝脏进行，部分在肾脏皮糖异生与糖酵解大部分步骤是可逆的，但糖异生是维持血糖稳定的关键途径，特别质这些组织含有完整的糖异生酶系，能存在三个不可逆步骤需要特殊旁路丙是在禁食或低碳水化合物饮食状态下异1够将非糖前体转化为葡萄糖肝脏是维持酮酸磷酸烯醇丙酮酸，由丙酮酸羧化酶常的糖异生调控与多种疾病相关，如型糖→2血糖平衡的核心器官，能根据体内环境变和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶催化；果糖尿病患者常表现为肝脏糖异生过度活跃，2-化调整糖异生和糖原分解的速率二磷酸果糖磷酸，由果糖二导致空腹血糖升高肝硬化患者可能因肝1,6-→-6--1,6-磷酸酶催化；葡萄糖磷酸葡萄细胞功能损伤而糖异生能力下降，导致低3-6-→糖，由葡萄糖磷酸酶催化血糖风险增加-6-糖代谢调控及其疾病三羧酸循环（）TCA柠檬酸异柠檬酸酮戊→→α-柠檬酸合成二酸乙酰与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，CoA经脱水、加水和氧化脱羧反应，产生释放这一步是循环的起点，由柠CoA和这一阶段完成第一个碳NADH CO₂檬酸合成酶催化原子的脱除琥珀酸富马酸苹果酸酮戊二酸琥珀酰→→→α-→CoA→草酰乙酸琥珀酸经脱氢生成，加水和脱氢生成氧化脱羧并与结合，产生和FADH₂CoA NADH草酰乙酸可再次接受乙酰；随后释放同时合成或NADH CoACO₂CoA GTP启动新循环ATP三羧酸循环是有氧代谢的核心途径，在线粒体基质中进行每一个乙酰完整氧化可产生个、个和个或CoA3NADH1FADH₂1GTP，同时释放个除产生还原当量和外，循环还为生物合成提供中间体，如酮戊二酸可用于谷氨酸合ATP2CO₂NADH FADH₂TCAα-成，草酰乙酸可用于天冬氨酸合成呼吸链与生物氧化复合体复合体复合体合成酶I IIIIV ATPNADH脱氢酶接收NADH电子，将其泛醌-细胞色素c氧化还原酶将电子从细胞色素c氧化酶将电子从细胞色素c利用质子浓度梯度的能量催化ADP与传递给泛醌，同时将质子泵出线粒体泛醇传递给细胞色素c，质子泵出内膜传递给最终受体氧，生成水并泵出质Pi结合形成ATP，完成氧化磷酸化内膜子呼吸链是位于线粒体内膜上的蛋白质复合体系统，负责接收三羧酸循环产生的还原当量NADH和FADH₂中的高能电子这些电子经过有序的传递，最终将氧还原为水，同时释放能量将质子H⁺泵出线粒体内膜，形成跨膜质子梯度质子顺浓度梯度通过ATP合成酶流回线粒体基质，驱动ADP与无机磷Pi合成ATP，这一过程称为氧化磷酸化，是细胞获取能量的主要途径理论上，每个NADH可产生约

2.5个ATP，每个FADH₂可产生约

1.5个ATP某些药物如DNP可解偶联电子传递和ATP合成，导致能量以热形式释放氧化应激与自由基活性氧的来源与特性抗氧化防御系统活性氧主要包括超氧阴离子、过氧化氢和羟为应对氧化损伤，细胞进化出复杂的抗氧化防御系统，包括ROS O₂⁻H₂O₂自由基等高活性分子正常细胞代谢过程中，约的·OH1-2%•超氧化物歧化酶SOD催化O₂⁻转化为H₂O₂氧气被转化为，主要来源包括ROS•过氧化氢酶将H₂O₂分解为水和氧•线粒体电子传递链泄漏•谷胱甘肽过氧化物酶利用谷胱甘肽GSH清除H₂O₂•NADPH氧化酶活性•非酶性抗氧化剂维生素C、维生素E、类胡萝卜素等•过氧化物酶体代谢抗氧化防御系统的失衡与多种慢性疾病相关，如心血管疾病、神•细胞色素P450酶系统经退行性疾病和癌症等增强抗氧化能力是许多预防策略的基适量参与细胞信号转导和防御病原体，但过量会导致础ROS ROS氧化应激，损伤生物大分子脂类的分类与结构脂肪酸脂肪酸是具有一个羧基和长碳氢链的有机酸，分为饱和不含双键和不饱和含一个或多个双键脂肪酸常见饱和脂肪酸如棕榈酸C16:0和硬脂酸C18:0，不饱和脂肪酸如油酸C18:1和亚油酸C18:2不饱和脂肪酸双键可呈顺式或反式构型，自然界中主要为顺式甘油三酯甘油三酯由一分子甘油与三分子脂肪酸酯化形成，是生物体主要储能脂类根据所含脂肪酸种类可分为简单甘油三酯三个相同脂肪酸和混合甘油三酯含不同脂肪酸饱和脂肪酸含量高的甘油三酯熔点高，室温下呈固态脂肪；不饱和脂肪酸含量高则熔点低，呈液态油磷脂和糖脂磷脂是生物膜的主要成分，由甘油骨架、两条脂肪酸链和一个含磷的极性头基组成，具有两亲性主要类型包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等糖脂含有糖基而非磷酸基团，如脑苷脂在神经细胞膜中丰富，参与细胞识别和信号传导固醇类固醇类脂质以四环骨架为特征，最重要的代表是胆固醇胆固醇是动物细胞膜的重要组成部分，调节膜流动性，同时也是类固醇激素、胆汁酸和维生素D的前体植物含有植物固醇如谷固醇，而非胆固醇胆固醇过高与动脉粥样硬化等疾病相关脂肪酸的氧化β-活化与转运脂肪酸首先在细胞质中被脂酰CoA合成酶活化，消耗一个ATP形成脂酰CoA长链脂酰CoA需要肉碱转运蛋白协助穿越线粒体内膜进入基质，而中短链脂肪酸可直接进入氧化循环β-每轮β-氧化包括四个反应步骤

①脱氢反应，由脂酰CoA脱氢酶催化，产生反式脂烯酰CoA和FADH₂；

②加水反应，由脂烯酰CoA水合酶催化，生成L-3-羟基脂酰CoA；

③再次脱氢，由L-3-羟基脂酰CoA脱氢酶催化，产生3-酮脂酰CoA和NADH；

④硫解反应，由β-酮硫解酶催化，生成乙酰CoA和新的脂酰CoA减少两个碳原子能量产出以棕榈酸C16:0完全氧化为例，经7轮β-氧化生成8个乙酰CoA、7个FADH₂和7个NADH乙酰CoA进入TCA循环进一步氧化产能总计约产生131个ATP，能量效率远高于葡萄糖氧化约32个ATP，证明脂肪是高效的能量储存形式特殊脂肪酸氧化不饱和脂肪酸氧化需要额外的异构酶转换双键构型；奇数碳脂肪酸氧化最终产生丙酰CoA，经特殊途径转化为琥珀酰CoA进入TCA循环；极长链脂肪酸C22在过氧化物酶体中经α-和β-氧化缩短链长后再进入线粒体完成氧化脂类合成与调控合成场所与脂肪酸氧化不同，脂肪酸合成主要在细胞质中进行，以肝脏、脂肪组织和乳腺为主要场所合成所需的乙酰CoA由线粒体转运至细胞质，转变为合成起始物质丙二酰CoA葡萄糖通过糖酵解和戊糖磷酸途径提供合成所需的NADPH2合成酶系脂肪酸合成酶FAS是一个多功能酶复合体，包含七种催化活性它以丙二酰CoA作为起始单位，以乙酰CoA为延伸单位，经四步反应缩合、还原、脱水、再还原不断延长碳链每次循环碳链增加两个碳原子，主要产物是棕榈酸C16:0不饱和脂肪酸形成哺乳动物可在已合成的饱和脂肪酸中引入双键形成单不饱和脂肪酸，如油酸C18:1，但缺乏合成必需脂肪酸亚油酸C18:2和亚麻酸C18:3的酶系，必须从食物中获取植物则具有合成多不饱和脂肪酸的能力胆固醇合成与调控胆固醇合成在内质网进行，起始于乙酰CoA，经30多步反应完成HMG-CoA还原酶是限速酶，受多种因素调控饮食胆固醇、类固醇激素和胆汁酸通过负反馈抑制其活性；胰岛素促进而胰高血糖素抑制其活性他汀类药物通过抑制此酶降低胆固醇合成，用于高胆固醇血症治疗脂代谢相关疾病核酸结构与功能核酸基本组成单位双螺旋结构DNA核酸由核苷酸聚合而成，每个核苷酸由和提出的双螺旋模Watson CrickDNA三部分组成含氮碱基、五碳糖和磷酸型是分子生物学的里程碑两条多核苷基团含有腺嘌呤、鸟嘌呤酸链以相反方向平行排列，通过碱基互DNA A、胞嘧啶和胸腺嘧啶四种碱补配对、形成双螺旋结构G CT A-T G-C基，以及脱氧核糖；含有、、碱基位于内侧并通过氢键相连，糖磷RNA AG-和尿嘧啶，以及核糖碱基通过酸骨架在外侧形成负电荷支架双螺旋C U糖苷键与糖相连形成核苷，再与磷有主沟和次沟，可与蛋白质特异性结N-酸酯化形成核苷酸合结构适合稳定储存遗传信DNA息结构特点RNA与不同，通常为单链结构，但可通过分子内碱基配对形成复杂的二级和三DNA RNA级结构，如发夹、茎环和假结等分为多种类型信使携带遗传信RNA RNAmRNA息；转运负责氨基酸转运；核糖体参与构成核糖体；还有多RNAtRNA RNArRNA种非编码如和等，参与基因表达调控RNA miRNAlncRNA遗传信息的传递与表达复制DNA半保留复制机制确保遗传信息准确传递给子代转录RNA聚合酶将DNA遗传信息转录为RNA分子翻译核糖体将mRNA信息翻译为蛋白质调控多层次调控机制确保基因表达的精确性分子生物学的中心法则阐述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动方向在真核生物中，这一过程更为复杂，包含了多种调控机制转录过程的调控涉及转录因子结合、染色质重塑和DNA甲基化等，而翻译过程则受mRNA稳定性、miRNA调控和翻译起始因子调节等影响遗传信息流动的特殊情况包括RNA病毒可通过逆转录酶将RNA转录为DNA；某些RNA病毒如流感病毒的RNA直接作为模板合成蛋白质；prion蛋白可通过构象变化将信息从蛋白质传递给蛋白质，这些都是对中心法则的补充和扩展信号转导途径将细胞外信号传入细胞核，通过调节转录因子活性影响基因表达，实现环境与基因组间的信息交流复制的具体过程DNA起始与解链DNA复制始于复制起始点Origin ofReplication,ORI，起始蛋白结合并招募解旋酶Helicase打开双链形成复制气泡解旋酶以6个亚基组成的环状结构围绕单链DNA，消耗ATP水解能量沿5→3方向移动，使双链解开单链结合蛋白SSB迅速结合暴露的单链DNA，防止其重新退火或形成二级结构引物合成与延伸DNA聚合酶只能在已有的3-OH端添加核苷酸，因此需要引物提供起始点引物由RNA聚合酶原核生物或引物酶真核生物合成短RNA片段在引导链上，DNA聚合酶III原核或δ/ε真核沿5→3方向连续延伸在随从链上，合成方向与复制叉移动方向相反，因此以短片段冈崎片段不连续合成，每片段长约1000-2000核苷酸引物去除与连接DNA聚合酶I原核或FEN1和RNase H真核去除RNA引物并用DNA填补空缺DNA连接酶催化相邻冈崎片段间的磷酸二酯键形成，完成DNA的连续性复制过程中还有多种辅助蛋白参与，如拓扑异构酶缓解超螺旋张力，螺旋酶加速解链，校对功能确保复制准确性错误率约为10⁻⁹基因转录及其调节染色质水平调控组蛋白修饰和DNA甲基化影响染色质开放性转录因子结合激活因子或抑制因子调节RNA聚合酶活性转录复合物形成基础转录因子与RNA聚合酶组装转录起始复合物聚合酶活性RNA负责催化RNA合成的核心酶基因转录是由DNA合成RNA的过程，由RNA聚合酶催化转录过程分为起始、延伸和终止三个阶段在起始阶段，RNA聚合酶识别并结合启动子区域，在真核生物中需要基础转录因子如TFIIA、TFIIB等辅助形成起始复合物启动子上游常含有增强子或沉默子序列，与特定转录因子结合调控转录效率真核基因转录后加工包括5端加帽、3端多腺苷酸化和RNA剪接剪接过程中，内含子被切除而外显子连接形成成熟mRNA选择性剪接使一个基因可产生多种mRNA变体，增加了基因组的表达多样性RNA干扰通过小分子RNA如siRNA、miRNA介导，可降解特定mRNA或抑制其翻译，是一种重要的转录后调控机制翻译机制mRNA翻译起始肽链延伸翻译终止蛋白质折叠与修饰起始tRNA携带甲硫氨酸结合小核糖体A位接收载有特定氨基酸的当核糖体A位遇到终止密码子新合成的多肽链在分子伴侣协助下核糖体亚基，识别mRNA上的起tRNA密码子-反密码子配对，P UAA、UAG或UGA时，终止因折叠成正确的三维结构许多蛋白始密码子AUG大核糖体亚基加位携带生长中的肽链肽基转移酶子RF代替tRNA结合，催化最后质还需要翻译后修饰才能获得完全入形成完整的翻译复合物真核生催化P位肽链转移到A位氨基酸一个肽基从tRNA上释放，完成多功能，如糖基化、磷酸化、乙酰化物通常采用扫描机制识别起始密码上核糖体移位一个密码子，将A肽合成核糖体解离为亚基，可重等某些蛋白质经过信号肽引导进子，需要多种起始因子eIFs参位tRNA移至P位，原P位tRNA离新参与翻译翻译效率受多种因素入特定细胞器如内质网、线粒体或与开E位这一过程循环进行，肽链影响，包括mRNA二级结构、稀叶绿体等逐渐延长有密码子和miRNA等核酸代谢异常与疾病基因突变癌基因与抑癌基因病毒感染镰状细胞贫血是由β-珠蛋白基原癌基因如RAS家族在正常调病毒依赖宿主细胞的核酸代谢因第6位密码子单点突变控细胞生长分裂中发挥作用，机制复制其基因组HIV病毒感GAG→GTG导致的，使谷氨但激活突变可转变为癌基因促染CD4+T细胞，通过逆转录酶酸被缬氨酸替代这看似微小进肿瘤形成抑癌基因如p53和将RNA转录为DNA并整合到宿的变化使血红蛋白在缺氧条件Rb通过调控细胞周期和凋亡抑主基因组，导致获得性免疫缺下异常聚合，导致红细胞变形制肿瘤发生，其失活突变与多陷综合征乙肝病毒HBV能够成镰刀状，血流受阻和溶血种癌症相关不同癌症具有特整合入宿主DNA，增加肝癌风该病是常染色体隐性遗传病，征性突变谱，如肺癌中EGFR突险抗病毒药物通常靶向病毒杂合子具有疟疾抵抗力，是自变、乳腺癌中BRCA1/2突变特异性核酸代谢酶如聚合酶、然选择与疾病平衡的典例等整合酶等药物靶点干扰核酸代谢的药物广泛用于肿瘤和病毒感染治疗抗代谢药如5-氟尿嘧啶和甲氨蝶呤通过干扰核苷酸合成抑制肿瘤细胞增殖拓扑异构酶抑制剂如多柔比星阻断DNA复制和转录精准治疗方法如基因替代疗法、CRISPR基因编辑和反义核酸药物直接修正核酸代谢异常维生素与辅酶13基本维生素数量人体需要的基本维生素，包括水溶性和脂溶性两类200+辅酶参与反应维生素衍生的辅酶参与的代谢反应数量30%全球人口缺乏率至少一种维生素摄入不足的人口比例8族维生素B参与能量代谢的B族维生素数量维生素是人体必需但无法自身合成或合成不足的有机化合物，主要通过饮食获取按溶解性可分为水溶性维生素B族和C和脂溶性维生素A、D、E、K水溶性维生素不易储存，需定期补充；脂溶性维生素可在体内储存，但过量摄入可能导致毒性多数维生素在体内转化为辅酶，参与酶促反应例如，维生素B₁硫胺素转化为硫胺素焦磷酸TPP，参与α-酮酸的脱羧反应；烟酰胺B₃转化为NAD⁺和NADP⁺，作为氧化还原反应的电子载体；维生素K参与凝血因子的γ-羧基化维生素缺乏导致特征性疾病，如维生素C缺乏导致坏血病，维生素D缺乏导致佝偻病维生素在代谢中的作用抗氧化保护能量代谢维生素和是重要抗氧化剂，清除自由基保C E护细胞免受氧化损伤维生素在水相中发C族维生素衍生的辅酶参与糖、脂肪和蛋白质B挥作用，维生素保护膜脂质硒辅助谷胱甘E的分解代谢，释放能量如参与丙TPPB₁肽过氧化物酶活性酮酸脱氢复合体反应，辅酶泛酸携带活化A乙酰基视觉功能维生素视黄醇是视紫红质的前体，关键A参与光感受和视觉信号转导缺乏会导致夜盲症和干眼病，严重时可致失明血液凝固骨骼健康维生素是凝血因子、、、和蛋白KⅡⅦⅨⅩ、合成必需，通过谷氨酰羧化酶作用介C Sγ-维生素调节钙磷代谢，促进钙吸收和骨矿D导钙结合能力化维生素参与骨蛋白羧基化，调节骨Kγ-形成和重塑过程激素与细胞信号转导激素分类与作用特点信号转导基本机制激素是由内分泌腺分泌的化学信使，通过血液运输至靶细胞发挥作细胞信号转导是将胞外信号转化为胞内响应的过程，主要通过以下用根据化学结构可分为肽类激素如胰岛素、生长激素，几种机制

①水溶性，通过膜受体作用；类固醇激素如皮质醇、睾酮，脂

②蛋白偶联受体通路受体激活蛋白，引发第二信使

1.G GPCRG溶性，直接通过细胞膜进入细胞作用于核受体；氨基酸衍生

③如、、水平变化，调控下游蛋白激酶活性cAMP IP₃DAG物如甲状腺素、肾上腺素，作用机制多样受体酪氨酸激酶通路生长因子受体自身磷酸化后激活

2.RTK激素特点包括高效性，微量即可产生显著效应；特异性，

①②多条信号通路，如和路径RAS-MAPK PI3K-AKT仅作用于具有特定受体的靶细胞；可调控性，通常通过反馈机

③离子通道受体配体结合直接改变离子通透性，如乙酰胆碱受

3.制精确调控分泌量体核受体类固醇激素受体结合激素后影响基因转录

4.信号通路间存在交叉互作，形成复杂的信号网络，确保细胞对环境变化的精确响应细胞信号放大与调节多个下游效应单一信号激活多条下游通路信号分子活化各级激酶依次活化形成放大链第二信使产生如cAMP、Ca²⁺等小分子大量合成受体激活少量激素分子结合膜受体细胞信号转导系统的一个重要特点是信号放大能力，使少量初始刺激产生显著的细胞响应以肾上腺素激活cAMP信号通路为例一个肾上腺素分子激活一个受体，每个受体可激活数十个G蛋白；每个G蛋白激活的腺苷酸环化酶可产生数百个cAMP；cAMP激活的蛋白激酶APKA能磷酸化数千个底物蛋白这种级联反应使得信号放大数万倍信号通路的调节机制确保信号传导的特异性和时效性这些机制包括

①受体脱敏如G蛋白偶联受体内化；

②磷酸酶去磷酸化信号分子；

③信号适应和交叉抑制；

④负反馈环路抑制上游组分；

⑤支架蛋白确保信号通路特异性信号通路失调与多种疾病相关，如癌症增殖信号异常、免疫疾病炎症信号过度、糖尿病胰岛素信号受阻等代谢整合与机体平衡生物能量与热力学生物体内的能量转换遵循热力学定律，但与非生命系统相比更加精细和高效第一定律能量守恒指出能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转变为另一种形式生物体从食物中获取化学能，转化为等高能化合物，再用于驱动各种生命活动ATP是细胞的主要能量货币，其高能磷酸键水解释放约的能量的特殊性在于它释放的能量接近大多数生化反应所需的ATP

7.3kcal/mol ATP能量，既不会浪费也不会供应不足人体每天合成和消耗约体重公斤数的，但总量仅约，表明快速循环利用直接ATP ATP100g ATPATP驱动的过程包括肌肉收缩、主动运输、生物合成和细胞信号等通过将能量密集存储于高能磷酸键中，生物体实现了能量的有效保存和定向利用新陈代谢的整体观点同化代谢合成代谢构建复杂分子的能量消耗过程异化代谢分解代谢分解复杂分子释放能量的过程代谢途径交叉互联通过中间体和调控机制连接动态平衡维持细胞和机体水平的代谢稳态新陈代谢是一个高度整合的网络，由数千种生化反应相互关联组成这些反应可分为同化代谢合成代谢和异化代谢分解代谢两大类同化代谢需要能量输入，将简单分子组装成复杂分子，如光合作用、糖异生、蛋白质和脂质合成等异化代谢释放能量，将复杂分子分解为简单分子，如糖酵解、β-氧化和蛋白质降解等代谢途径通过中间代谢物和调节机制紧密连接例如，乙酰CoA是糖类、脂肪和某些氨基酸代谢的交汇点；ATP/ADP比率和NAD⁺/NADH比率调节多种代谢途径；同一酶可能参与多条代谢路径这种互联性使细胞能够根据需要灵活调配资源，适应环境变化代谢组学研究揭示了代谢网络的复杂性和整体性，为理解疾病机制和药物作用提供了新视角分子实验技术初步聚合酶链式反应PCRPCR是体外DNA扩增技术，能在几小时内将特定DNA片段复制数十亿倍其核心步骤包括变性95℃、退火50-65℃和延伸72℃，通过温度循环实现指数级扩增关键组分包括模板DNA、引物对、耐热DNA聚合酶如Taq和dNTPsPCR广泛应用于基因诊断、DNA克隆和法医鉴定等领域电泳分析电泳利用生物分子在电场中因电荷和大小差异而迁移速率不同的原理进行分离DNA电泳通常使用琼脂糖凝胶，RNA和蛋白质多用聚丙烯酰胺凝胶核酸因磷酸骨架带负电荷，在电场中向阳极移动，大小决定迁移速度染料如溴化乙锭可与DNA结合发荧光用于检测基因克隆技术分子克隆使特定DNA片段在宿主细胞中大量复制基本步骤包括

①目标基因扩增或从基因组提取；

②使用限制性内切酶处理目标DNA和载体；

③连接酶催化目标DNA与载体连接；

④转化/转染宿主细胞；

⑤筛选含有重组DNA的克隆该技术是蛋白质表达、基因功能研究和基因治疗的基础蛋白质组学与代谢组学20,000+人类蛋白编码基因通过选择性剪接和修饰可产生10万多种蛋白2,000+代谢物种类人体内检测到的小分子代谢物数量5-8数据级别变化从基因组到代谢组信息复杂度增长的数量级60%药物靶向比例以蛋白质为靶点的药物在所有药物中的占比蛋白质组学研究特定时间和条件下细胞、组织或生物体中所有蛋白质的表达、结构和功能与基因组学相比，蛋白质组更为复杂且动态变化，受转录后和翻译后调控现代蛋白质组学主要基于质谱和计算生物学方法，通过液相色谱-质谱联用LC-MS/MS进行大规模蛋白质鉴定和定量二维凝胶电泳结合质谱分析是传统蛋白质组学方法代谢组学研究生物系统中所有小分子代谢物的定性和定量代谢组是基因和蛋白表达的最终产物，直接反映生物体的生理状态核磁共振NMR和质谱是主要分析技术，能快速检测数百种代谢物靶向代谢组学关注特定代谢物；非靶向代谢组学全面分析所有检测到的代谢物这些组学技术为疾病生物标志物发现、药物研发和个体化医疗提供了新工具生物信息学工具生物信息学是应用计算技术分析和解释生物数据的交叉学科核心数据库包括核酸序列、蛋白质序GenBank/EMBL/DDBJUniProt列、蛋白质结构和代谢途径这些数据库存储海量生物分子信息，支持检索、比对和分析序列比对工具如可快速PDBKEGGBLAST在数据库中寻找同源序列，而多序列比对工具如识别序列间保守区域Clustal现代分子生物化学研究高度依赖生物信息学分析蛋白质结构预测工具如通过深度学习算法从氨基酸序列预测三维结构；分AlphaFold子对接软件如模拟药物与蛋白质靶点的结合；代谢通路分析工具整合组学数据揭示代谢网络变化这些工具极大提高了实验效AutoDock率，降低研究成本对生物化学专业学生而言，掌握基本生物信息学技能已成为必备素质，能够链接实验数据与生物学意义医学案例分析型糖尿病分子机制22型糖尿病的核心机制包括胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能衰竭在分子水平，肌肉和脂肪组织胰岛素受体信号通路受损，IRS-1/PI3K/AKT通路活性下降导致GLUT4转位减少，葡萄糖摄取降低肝脏胰岛素抵抗使糖异生增强，进一步加重高血糖慢性高血糖和游离脂肪酸增加导致β细胞氧化应激和内质网应激，加速细胞凋亡家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症FH是一种常染色体显性遗传病，主要由LDL受体LDLR基因突变引起正常LDL受体将血液中的LDL颗粒内化并降解，突变导致受体功能丧失，血液中LDL-C水平显著升高其他致病基因包括载脂蛋白BAPOB和前蛋白转化酶枯草溶菌素/kexin9型PCSK9杂合子FH患者血LDL-C通常为正常值2倍，纯合子可达正常值6-10倍，极易发生早发性冠心病药物靶点与机制基于对代谢紊乱分子机制的理解，已开发多种靶向药物

①二甲双胍通过活化AMPK抑制糖异生；

②GLP-1受体激动剂模拟肠促胰岛素激素增强胰岛素分泌；

③SGLT2抑制剂阻断肾小管葡萄糖重吸收；

④他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成；

⑤PCSK9抑制剂通过增加LDL受体数量降低LDL-C精准医疗理念促进了基于个体遗传背景的代谢药物选择，提高治疗效果生物化学与现代医学发展分子诊断技术生物药物与蛋白质工程基于生物化学原理的分子诊断彻底变革重组技术实现了胰岛素、生长激DNA了疾病诊断方式、基因芯片和高素等蛋白质药物的大规模生产，解决了PCR通量测序技术能快速检测特定基因突变提取困难和免疫原性问题单克隆抗体和表达改变；质谱分析能鉴定疾病特异药物如曲妥珠单抗赫赛汀和贝伐珠单的代谢物谱或蛋白质标志物；单细胞组抗阿瓦斯汀通过特异性结合分子靶点学技术揭示了细胞异质性在疾病进展中治疗癌症和自身免疫性疾病蛋白质工的作用这些技术使疾病早期诊断和风程技术可改善药物半衰期、热稳定性和险预测成为可能免疫原性，创造性能更优的生物药物基因与细胞治疗基因治疗通过导入功能性基因或修复缺陷基因治疗遗传病基因编辑CRISPR-Cas9技术精确修改特定序列，已用于治疗镰状细胞贫血和地中海贫血等单基因DNAβ-病细胞治疗将病人细胞基因改造使其识别肿瘤抗原，已成功用于某些白血CAR-T T病治疗这些前沿技术正从实验室走向临床，为过去无法治愈的疾病带来希望课程总结与未来展望核心知识体系本课程系统介绍了生物分子结构、代谢途径、能量转换和信息传递的基本原理，建立了理解生命过程的分子基础技术方法进步从经典生化分析到现代组学技术，实验方法不断革新，使我们能以前所未有的分辨率观察生命活动系统生物学视角从单一分子和反应到整合的代谢网络，全局理解生物复杂性成为现代生物化学的重要趋势前沿研究方向代谢组学与表观遗传学交叉、蛋白质相互作用网络、合成生物学和系统生物医学是未来发展热点推荐阅读与学习资源权威教材《Lehninger生物化学原理》—最受欢迎的生物化学教材，内容全面且深入浅出《斯特耶生物化学》—图解丰富，概念清晰《沃特与沃特生物化学》—临床医学导向，医学院校首选《张曼君分子生物学》—国内优秀教材，中文表述准确注重理解核心概念和代谢途径的内在联系，而非机械记忆在线资源国际知名MOOC平台如Coursera和edX提供多所顶尖大学的生物化学课程，可免费学习Khan Academy生物化学系列视频简明扼要，适合入门PDB-101网站提供蛋白质结构教育资源和三维可视化工具KEGG数据库是学习代谢途径的优秀资源，提供交互式代谢图谱学术期刊《自然》、《科学》和《细胞》是发表重大生物化学突破的顶级期刊专业期刊如《生物化学杂志》JBC、《生物化学与分子生物学趋势》TIBS和《自然化学生物学》报道最新研究进展对初学者，建议关注综述性文章，可从最新研究中获取系统性理解讨论与答疑复习建议作业与考核方式有效复习生物化学的建议

①绘制思维导图，特课后思考题课程评估包括

①平时作业30%每章节都有别是代谢途径，注重理解而非记忆；

②定期小组学习生物化学不仅需要掌握知识点，更需要培养分习题需完成，重点培养问题分析能力；

②实验报讨论，相互解释概念可发现理解盲点；

③应用情析问题的能力建议同学们思考以下问题

①为告20%完成3个经典生化实验并提交规范报境学习，将抽象概念与生理病理现象联系；

④定什么酶催化反应如此高效？

②代谢途径的调控点告；

③期中考试20%覆盖前半学期内容，侧期复习，利用间隔重复巩固记忆；

⑤练习解题，为何往往是不可逆反应？

③为什么多数代谢途径重基本概念和反应；

④期末考试30%综合性特别是计算类问题和案例分析题欢迎在课后或线需要消耗高能磷酸键？

④基因表达调控的意义是评估，包括选择题、计算题和综合分析题，考察知上提出疑问，我们将及时解答什么？这些问题将帮助你建立更深层次的理解识整合能力。