《生物化学基础》课件

生物化学基础生物分子是生物体和生命现象的物质基础，是维持生命活动的核心物质一个典型的细胞中含有约一万到十万种不同的生物分子，它们通过精密的相互作用共同构建了生命的奇迹本课程将系统介绍生物大分子的结构与功能，包括蛋白质、核酸、糖类和脂类等主要生物分子，同时深入探讨各类物质代谢途径及其调控机制，为理解生命科学奠定坚实基础通过学习生物化学基础，我们将揭示分子水平上的生命奥秘，了解生命是如何在分子层面上运作的，这对于理解健康与疾病的本质具有重要意义课程大纲基础知识生物化学基本概念、研究方法与历史发展生物大分子蛋白质结构与功能、核酸化学、糖类结构与功能、脂类与生物膜生物催化酶学原理、动力学、调节机制与应用代谢途径代谢与生物氧化、糖类、脂类、氨基酸、核苷酸等物质的代谢通路本课程设计遵循由简到繁、由基础到应用的教学理念，旨在帮助学生系统掌握生物化学的核心知识体系通过理论学习与案例分析相结合的方式，培养学生的科学思维和解决实际问题的能力第一章生物化学绪论学科定义与研究对象历史发展与现状生物化学是研究生物体内化学物从早期酶学研究到现代组学技质的结构、功能及其变化规律的术，生物化学已发展成为生命科学科，研究对象涵盖各类生物分学的核心学科，为现代医学和生子及其代谢途径物技术提供理论基础学科交叉关系生物化学与分子生物学、细胞生物学、遗传学等学科密切相关，同时与医学、农学、环境科学等领域有广泛应用生物化学作为一门基础学科，不仅阐明了生命活动的分子机制，还为疾病防治、药物开发、基因工程等应用领域提供了科学依据随着研究方法的不断创新和技术手段的不断进步，生物化学正在以更深入的视角揭示生命的奥秘生物分子的特点多样性与特异性结构生物分子种类繁多，每类分子都具有独特的化学结构，这种结构多样性是实现生物功能多样性的物质基础生物大分子的复杂性蛋白质、核酸等生物大分子具有复杂的空间构象，这种三维结构对其功能发挥至关重要分子识别与相互作用生物分子间具有高度特异性的识别能力，通过精确的分子间相互作用完成信息传递和生化反应生物催化与代谢调控酶分子能够高效催化生化反应，并通过精密的调控网络维持生物体内环境的稳态生物分子的这些特点使得生命系统具有自我调节、自我更新和适应环境变化的能力理解这些特点有助于我们从分子水平解析生命现象的本质，也为生物技术和医学应用提供理论依据细胞的基本组成70%10%20%水分子小分子物质大分子物质作为细胞中最丰富的物质，水是生化反应的包括无机离子、单糖、氨基酸、核苷酸等，包括蛋白质、核酸、多糖和脂质，是细胞结介质，参与多种生化反应，维持细胞内环境是生物大分子的合成前体构和功能的主要承担者的稳定细胞是生命的基本单位，其内部组分的比例和分布具有高度的有序性水分子作为最普遍的溶剂，为生化反应提供了适宜的环境小分子物质虽然含量较少，但在代谢和信号传导中发挥着关键作用大分子物质则构成了细胞的结构骨架和功能执行系统，是生命活动的主要载体第二章蛋白质化学

（一）氨基酸是蛋白质的基本构建单位，自然界中存在20种常见的氨基酸参与蛋白质的构成每种氨基酸都具有相同的基本结构一个中心碳原子（α-碳）连接一个氨基、一个羧基、一个氢原子和一个特定的侧链（R基团）正是由于侧链结构的差异，赋予了各种氨基酸不同的理化性质，包括极性、电荷、亲水性或疏水性等氨基酸的酸碱性质与其等电点密切相关，这对蛋白质的溶解性、稳定性和功能都有重要影响蛋白质化学

（二）肽键形成氨基酸之间通过脱水缩合形成肽键，这种化学键具有部分双键特性，导致肽链具有刚性平面结构，这是蛋白质空间构象的基础一级结构指氨基酸在多肽链中的排列顺序，这一序列由基因编码决定，是蛋白质结构的最基本层次，决定了蛋白质的所有高级结构二级结构肽链局部区段形成的规则排列方式，最常见的二级结构是α-螺旋和β-折叠，它们主要由肽链主链上的氢键稳定蛋白质的结构具有层次性，从一级结构到高级结构逐步折叠二级结构是多肽链局部的规则排列，α-螺旋呈螺旋状，每转

3.6个氨基酸残基；β-折叠则呈平行或反平行排列的片层状这些结构元素的组合方式直接影响蛋白质的最终三维构象和功能蛋白质化学

（三）四级结构球状蛋白由多个多肽链（亚基）通过非共价键紧密折叠成球形的蛋白质，通常水溶相互作用组装形成的功能性复合体，性好，多见于酶、运输蛋白等功能性三级结构如血红蛋白由四个亚基组成蛋白质纤维状蛋白整个多肽链在三维空间的折叠构象，由多种非共价相互作用（氢键、疏水呈长丝状结构的蛋白质，通常不溶于作用、离子键、范德华力）和二硫键水，具有支持和保护功能，如胶原蛋共同稳定白、角蛋白等4蛋白质的折叠过程是由其一级结构决定的，在适当条件下可自发进行然而，蛋白质在高温、极端pH或某些化学物质作用下会发生变性，失去天然构象和生物活性某些变性蛋白在适宜条件下可恢复其天然结构，这一过程称为复性蛋白质化学

（四）分离与纯化技术检测与定量方法功能分类•盐析和有机溶剂沉淀•紫外吸收法•酶类（催化功能）•离子交换层析•考马斯亮蓝法•结构蛋白（支持功能）•凝胶过滤层析•比色法（Bradford法、BCA法）•运输蛋白（载体功能）•亲和层析•免疫学方法（ELISA、Western•调节蛋白（信号功能）blot）•电泳技术•防御蛋白（保护功能）随着蛋白质组学技术的发展，高通量蛋白质分析已成为研究细胞或组织中蛋白质表达谱的重要手段质谱技术、蛋白质芯片和生物信息学方法的结合，使得大规模蛋白质鉴定和功能研究成为可能，为疾病标志物发现和药物靶点筛选提供了强大工具肌红蛋白与血红蛋白结构特点肌红蛋白含一个血红素基团和一条多肽链；血红蛋白含四个血红素和四条多肽链（两个链和两个链）αβ氧结合机制血红素中的Fe²⁺是结合氧的关键部位，氧结合使血红素平面结构和铁离子位置发生变化氧结合曲线肌红蛋白呈双曲线，无协同效应；血红蛋白呈S形曲线，具有正协同效应血红蛋白的协同氧结合机制对维持机体氧气运输至关重要当一个亚基结合氧分子后，会引起构象变化，提高其他亚基对氧的亲和力，这种构象传递保证了血红蛋白在肺部高效结合氧气，在组织中有效释放氧气多种因素可调节血红蛋白的氧亲和力，如pH降低（Bohr效应）、2,3-二磷酸甘油酸增加和温度升高都会降低血红蛋白对氧的亲和力，促进氧的释放某些遗传性血红蛋白病（如镰状细胞贫血症）是由血红蛋白基因突变导致的第三章核酸化学

（一）核苷酸1由碱基、五碳糖和磷酸基团组成的完整结构单元核苷碱基与五碳糖通过N-糖苷键连接形成的化合物碱基嘌呤（腺嘌呤A、鸟嘌呤G）和嘧啶（胞嘧啶C、胸腺嘧啶T、尿嘧啶U）核酸是携带遗传信息的生物大分子，分为DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）两大类DNA和RNA在结构上有三个主要区别DNA含有2-脱氧核糖，RNA含有核糖；DNA含有胸腺嘧啶，RNA含有尿嘧啶；DNA通常为双链结构，RNA通常为单链结构核苷酸不仅是核酸的基本组成单位，还在能量代谢（如ATP）、辅酶合成（如NAD⁺、FAD）和细胞信号传导（如cAMP）中扮演重要角色核苷酸通过磷酸二酯键连接形成核酸链，这种磷酸二酯键使核酸具有方向性（5→3）核酸化学

（二）双螺旋模型构象多样性超螺旋DNA DNADNAWatson和Crick于1953DNA存在A型、B型和Z DNA分子在空间上的进年提出的DNA双螺旋模型三种主要构象B型为一步扭曲和折叠，可分为型，两条互补的多核苷酸生物体内最常见形式；A正超螺旋和负超螺旋，是链以反平行方式缠绕形成型螺旋较粗且右手旋；Z染色体DNA高度压缩的右手螺旋，碱基对位于内型为左手螺旋，在特定序基础，也影响DNA与蛋侧，磷酸-糖骨架位于外列和环境条件下形成白质的相互作用侧DNA双螺旋的稳定性主要来源于碱基对之间的氢键（A-T形成两个氢键，G-C形成三个氢键）和碱基堆积作用DNA的碱基配对规则（A配对T，G配对C）是遗传信息准确复制和传递的分子基础真核生物的染色质结构是DNA与组蛋白和非组蛋白包装形成的复合体，其基本单位是核小体染色质的结构变化与基因表达调控密切相关，是表观遗传学研究的重要内容核酸化学

（三）信使RNA mRNA携带遗传信息从DNA传递到蛋白质合成系统，是蛋白质合成的模板真核生物mRNA具有5帽子结构、编码区和3多聚A尾巴转运RNA tRNA将特定氨基酸运送到蛋白质合成位点，是遗传密码子与氨基酸之间的翻译者具有特征性的三叶草结构，含有反密码子和氨基酸接受臂核糖体RNA rRNA构成核糖体的主要成分，参与蛋白质合成的催化过程不同大小的rRNA分子（如5S、

5.8S、18S、28S）组装成核糖体亚基非编码RNA不编码蛋白质但具有调控功能的RNA，如microRNA、长链非编码RNA等，通过多种机制参与基因表达调控RNA分子具有结构多样性和功能多样性，除了经典的mRNA、tRNA和rRNA外，近年来发现了众多具有重要调控功能的非编码RNARNA能够形成复杂的二级和三级结构，某些RNA还具有催化活性（核酶），这为RNA世界假说提供了支持核酸化学技术核酸电泳分析利用凝胶介质（琼脂糖或聚丙烯酰胺）在电场作用下分离不同大小的核酸分子，是核酸研究的基础技术核酸杂交技术基于碱基互补配对原理，用标记的核酸探针检测特定序列，应用于Southern杂交、Northern杂交和原位杂交等PCR技术聚合酶链式反应能够在体外快速扩增特定DNA片段，利用耐热DNA聚合酶和温度循环实现指数级扩增测序技术从早期的Sanger测序到现代的高通量测序技术，能够确定DNA的精确序列，已广泛应用于基因组学研究核酸化学技术的发展极大地推动了分子生物学和基因组学的进步实时定量PCR技术可精确测定基因表达水平；基因芯片技术能同时检测成千上万个基因的表达；新一代测序技术的出现大幅降低了测序成本，使全基因组测序成为常规研究手段第四章糖类的结构与功能

（一）立体异构单糖基本结构因手性碳原子存在，单糖具有多种立体含有醛基或酮基的多羟基化合物，按碳异构体，如D型和L型，以及各种差向异原子数分为三碳糖、五碳糖、六碳糖等构体衍生物环化与变旋光通过羟基修饰形成多种糖衍生物，如氨单糖分子中羰基与羟基反应形成环状结基糖、磷酸糖、糖醛酸等，具有特定生构，产生和两种异构体，在溶液中可αβ物学功能相互转化葡萄糖是生物体中最重要的单糖，作为主要能源物质参与细胞代谢在水溶液中，葡萄糖以环状结构为主，α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖可通过变旋光现象相互转化果糖作为酮糖，甜度高于葡萄糖，广泛存在于水果和蜂蜜中半乳糖是乳糖的组成部分，在糖脂和糖蛋白合成中具有重要作用糖类的结构与功能

（二）二糖结构储能多糖结构多糖二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成，如麦芽淀粉是植物的储能多糖，由直链淀粉（α-1,4糖纤维素是植物细胞壁的主要成分，由β-1,4糖苷糖（两个葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接）、蔗糖苷键）和支链淀粉（α-1,4和α-1,6糖苷键）组键连接的葡萄糖单元组成，形成不溶性纤维；（葡萄糖和果糖通过α,β-1,2糖苷键连接）和乳成；糖原是动物的储能多糖，结构与支链淀粉几丁质是节肢动物外骨骼的主要成分，由N-乙糖（葡萄糖和半乳糖通过β-1,4糖苷键连接）类似但分支更多酰氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接形成不同的糖苷键类型导致多糖具有不同的物理化学性质和生物功能α-1,4糖苷键形成的多糖（如淀粉）易被人体消化酶水解；而β-1,4糖苷键形成的多糖（如纤维素）人体不能消化，但作为膳食纤维有益肠道健康糖原颗粒在肝脏和肌肉中储存，是动物体内重要的能量储备形式糖类的结构与功能

（三）糖蛋白蛋白多糖糖脂蛋白质与糖基共价结合形成的复合物，由蛋白核心和共价连接的糖胺聚糖侧链脂质分子与单糖或寡糖结合形成的复合糖基可通过N-糖基化或O-糖基化方式连组成的大分子，是细胞外基质的重要成物，是生物膜的重要组成部分神经节接到蛋白质上糖蛋白广泛存在于细胞分代表性分子如软骨素硫酸盐、透明苷脂在神经系统中尤为丰富，参与细胞膜表面和细胞外基质中，参与细胞识质酸和肝素等，具有保水、润滑和调节识别和信号转导，某些糖脂还作为血型别、免疫反应和信号传导等过程细胞行为等功能抗原存在于红细胞表面细胞表面的糖类分子形成复杂的糖衣（糖萼），不仅保护细胞，还作为细胞身份的标识物参与细胞间的相互识别和通讯这些糖类分子在胚胎发育、组织形成、免疫应答、病原体感染和癌症转移等生物学过程中扮演关键角色糖生物学已成为现代生命科学研究的前沿领域第五章脂类和生物膜

（一）脂类和生物膜

（二）流动镶嵌模型Singer和Nicolson于1972年提出的生物膜模型，描述膜为动态流动的磷脂双分子层，其中嵌有蛋白质脂质双分子层磷脂分子排列成两层，亲水头部朝向水相，疏水尾部相互靠拢形成疏水内区膜蛋白3分为穿膜蛋白、周边蛋白和脂锚定蛋白，执行转运、识别、酶催化等多种功能生物膜是一个高度动态的结构，脂质分子可在同一层内自由扩散（侧向运动），但很少从一层跳到另一层（翻转运动）膜的流动性受温度、脂肪酸饱和度和胆固醇含量的影响，适当的流动性对膜功能至关重要膜的不对称性是其重要特征，内外两层的脂质组成不同，如磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺主要分布在内层，而磷脂酰胆碱和鞘磷脂主要分布在外层膜蛋白在膜中的分布也具有不对称性，这种不对称性对细胞信号传导和物质转运具有重要意义脂类和生物膜

（三）被动转运物质顺浓度梯度方向，无需能量输入的转运方式，包括简单扩散（如O₂、CO₂穿过膜）和易化扩散（通过通道蛋白或载体蛋白，如葡萄糖转运）主动转运物质逆浓度梯度方向，需要能量输入的转运方式，包括原发性主动转运（直接利用ATP，如Na⁺-K⁺泵）和继发性主动转运（利用离子梯度，如Na⁺-葡萄糖协同转运）膜电位细胞膜两侧的电位差，通常细胞内为负电位，是神经和肌肉细胞功能的基础，由离子通道和离子泵的协同作用维持信号转导膜受体蛋白接收外部信号分子并将信息传递到细胞内部，激活特定的生化反应级联，如G蛋白偶联受体、酪氨酸激酶受体等细胞膜是细胞与外界环境交流的界面，通过各种转运机制精确控制物质进出，维持细胞内环境的稳态离子通道是特化的膜蛋白，允许特定离子快速通过，可受电压、配体或机械力调控，在神经传导和肌肉收缩中发挥关键作用第六章酶化学

（一）酶的本质酶是具有催化活性的蛋白质（极少数RNA也具有催化活性，称为核酶），能够特异性地加速生物化学反应，但自身不改变，也不影响反应的平衡点命名与分类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、异构酶和连接酶系统命名包含反应类型和底物信息，如葡萄糖-6-磷酸异构酶催化机制酶通过降低反应活化能加速反应，关键是形成酶-底物复合物，底物与活性中心的精确结合导致特异性催化，包括诱导契合、张力和方向性等多种催化策略酶的高效催化能力和高度特异性是生命过程精确调控的基础酶通过提供理想的化学微环境，使底物分子处于有利于反应的状态，从而大大加速反应速率，有些酶可使反应速率提高10¹²倍以上酶催化反应通常遵循Michaelis-Menten动力学模型，通过测定反应速率与底物浓度的关系，可以确定关键动力学参数Km（米氏常数）和Vmax（最大反应速率），这些参数反映了酶的催化效率和底物亲和力酶化学

（二）酶化学

（三）辅酶与辅基多酶复合体酶的特异性•辅酶非蛋白质有机分子，与酶可逆•多个功能相关的酶形成的超分子复合•底物特异性只识别特定底物或结构结合，参与催化反应体类似的底物•主要辅酶NAD⁺/NADP⁺、•代表性例子丙酮酸脱氢酶复合体、•立体特异性区分立体异构体，如L-FAD、辅酶A、生物素、四氢叶酸等脂肪酸合成酶氨基酸氧化酶•辅基金属离子（Zn²⁺、Fe²⁺、•优点提高代谢效率，减少中间产物•反应特异性只催化某一特定类型的Cu²⁺等）与酶牢固结合扩散，便于协同调控化学反应辅酶通常由维生素衍生而来，许多辅酶在反应中作为功能团的转移载体，如NAD⁺/NADH在氧化还原反应中转移氢原子，辅酶A在代谢中转移酰基多酶复合体中的底物传递机制使连续反应的中间产物直接从一个活性中心传递到下一个，极大提高了反应效率酶的特异性是其最重要特征之一，这种特异性是由酶的三维结构决定的酶的催化效率通常用转换数（kcat，表示每个酶分子每秒能转化的底物分子数）和特异性常数（kcat/Km，表示酶催化效率和底物结合能力的综合指标）来衡量酶化学

（四）酶量调节可逆共价修饰通过调控酶的合成和降解速率，改变酶的数如磷酸化、乙酰化、甲基化等，可迅速改变量，属于长期调节方式酶的活性状态多酶系统调控变构调节通过反馈抑制、前馈激活等机制协调调控代调节物分子与酶的变构位点结合，引起构象谢通路变化，调控活性同工酶是结构和功能相似但由不同基因编码的酶，在不同组织或发育阶段表达，如乳酸脱氢酶（LDH）有五种同工酶某些同工酶在临床上具有重要的诊断价值，如心肌梗死时血清中肌酸激酶（CK-MB）和乳酸脱氢酶（LDH₁）活性显著升高酶工程技术通过蛋白质设计和定向进化等方法改造酶的性质，创造出具有新功能或优化性能的酶酶在医学（酶诊断和酶治疗）、工业（食品加工、纺织、造纸）和环境保护（生物降解）等领域有广泛应用随着合成生物学的发展，人工设计的酶催化系统将在能源转化和绿色化学中发挥越来越重要的作用第七章代谢总论与生物氧化代谢的基本概念代谢组织与调控代谢是生物体内所有化学反应的总代谢途径在细胞内有明确的空间组和，分为分解代谢（分解复杂分子释织，如糖酵解在细胞质中进行，而三放能量）和合成代谢（合成复杂分子羧酸循环在线粒体中进行代谢调控消耗能量）代谢途径是一系列连续包括酶活性调节、基因表达调控和激的酶促反应，由多个酶按特定顺序催素系统调控等多个层次化完成高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物，水解时释放大量能量，如ATP（三磷酸腺苷）、磷酸肌酸、磷酸烯醇式丙酮酸等这些化合物在能量转移和储存中起关键作用ATP是细胞内最重要的能量载体，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成ATP水解为ADP和无机磷酸时释放约

7.3kcal/mol的能量，这一能量可驱动各种需能反应ATP的能量货币作用使细胞能高效地储存和利用能量，是生命活动持续进行的基本保证生物氧化氧化还原反应电子从一个分子转移到另一个分子的过程，失电子为氧化，得电子为还原，在代谢中常伴随氢原子或氢离子的转移生物氧化概念生物体内的氧化过程，通过多步酶促反应逐步释放能量，与燃烧相比更为温和高效线粒体结构双层膜结构，内膜高度折叠形成嵴，增大表面积，是电子传递链和ATP合成的场所电子传递系统由多个氧化还原酶和辅酶组成，将NADH和FADH₂的电子传递给O₂，同时将能量转化为质子梯度呼吸链包含四个主要的蛋白质复合体（复合物I-IV）和两个可移动的电子载体（辅酶Q和细胞色素c）复合物I（NADH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，通过辅酶Q传递给复合物III（细胞色素bc₁复合物），再通过细胞色素c传递给复合物IV（细胞色素c氧化酶），最终将电子传递给分子氧形成水氧化磷酸化化学渗透理论ATP合成酶P/O比Mitchell于1961年提出，也称为F₀F₁-ATP合酶或每传递一对电子（或每消认为电子传递过程中泵出复合物V，是一个旋转分耗一原子氧）所能合成的的质子在线粒体内外膜形子马达，利用质子梯度驱ATP分子数NADH的成质子梯度（质子动力动ATP合成F₀部分嵌入P/O比约为

2.5，FADH₂势），这一梯度是ATP合膜中形成质子通道，F₁部的P/O比约为

1.5这一比成的直接驱动力该理论分位于基质侧催化ATP合值反映了氧化磷酸化的能解释了电子传递与ATP合成当质子沿浓度梯度流量转换效率，是细胞能量成的偶联机制，Mitchell回基质时，引起F₀转子旋代谢的重要参数因此获得1978年诺贝尔化转，带动F₁合成ATP学奖氧化磷酸化的抑制剂可作用于不同环节呼吸链抑制剂如鱼藤酮、氰化物等阻断电子传递；解偶联剂如2,4-二硝基酚可使质子通过膜泄漏，破坏质子梯度而不影响电子传递；ATP合成酶抑制剂如寡霉素可特异性阻断ATP合成这些物质在生物化学研究和某些病理状态中具有重要意义第八章糖代谢

（一）预备阶段葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸→果糖-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸，消耗2ATP裂解阶段果糖-1,6-二磷酸裂解为两分子三碳化合物（甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸）能量生成阶段两分子甘油醛-3-磷酸→两分子1,3-二磷酸甘油酸→两分子3-磷酸甘油酸→两分子2-磷酸甘油酸→两分子磷酸烯醇式丙酮酸→两分子丙酮酸，产生4ATP和2NADH糖酵解是细胞分解葡萄糖获取能量的主要途径，在几乎所有生物中都存在在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环进一步氧化；在无氧条件下，丙酮酸转化为乳酸（动物组织）或乙醇和二氧化碳（酵母），这一过程可再生NAD⁺，使糖酵解持续进行糖酵解的关键调节酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶，它们催化不可逆反应，是调控点ATP、柠檬酸等能量丰富信号可抑制磷酸果糖激酶-1活性，而AMP、果糖-2,6-二磷酸等能量不足信号则激活该酶，从而调节糖酵解速率糖代谢

（二）糖原分解糖原合成糖原→葡萄糖-1-磷酸→葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖（肝葡萄糖→UDP-葡萄糖→糖原，关键酶为糖原合成酶脏）或直接进入糖酵解（肌肉），关键酶为糖原磷酸化酶糖原贮存病激素调节由于糖原代谢相关酶缺陷导致的一组遗传性疾病，胰岛素促进糖原合成，肾上腺素和胰高血糖素促进表现为不同器官的糖原异常积累糖原分解糖原是由α-1,4糖苷键连接的直链和α-1,6糖苷键连接的分支点组成的多糖，是动物体内主要的葡萄糖储备形式肝糖原在血糖低时可分解释放葡萄糖维持血糖平衡；肌糖原则主要供肌肉收缩时快速获取能量糖原代谢受磷酸化级联反应调控，激素通过激活蛋白激酶和磷酸酶影响糖原合成酶和糖原磷酸化酶的活性状态糖异生是从非糖前体（如丙酮酸、乳酸、甘油和氨基酸）合成葡萄糖的过程，主要在肝脏进行，对维持血糖稳定至关重要糖异生途径与糖酵解途径大部分反应可互相逆转，但有三步不可逆反应需要特殊的旁路酶丙酮酸羧化酶、果糖-1,6-双磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶糖异生在饥饿和运动状态下尤为活跃糖代谢

（三）生成NADPH1为还原性生物合成提供电子，如脂肪酸合成和抗氧化防御核糖磷酸合成-5-为核苷酸合成提供五碳糖骨架与糖酵解的连接通过中间代谢物实现糖酵解与磷酸戊糖途径的物质交换磷酸戊糖途径（又称戊糖磷酸途径或六磷酸葡萄糖旁路）分为氧化阶段和非氧化阶段氧化阶段将葡萄糖-6-磷酸转化为核糖-5-磷酸，同时产生两分子NADPH；非氧化阶段通过一系列可逆反应将五碳糖转化为三碳和六碳中间产物，与糖酵解途径相连红细胞中该途径特别活跃，为维持谷胱甘肽还原态提供NADPH，保护血红蛋白免受氧化损伤糖代谢紊乱与多种疾病相关葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏是一种X连锁遗传病，患者红细胞容易受氧化损伤导致溶血糖尿病是最常见的代谢性疾病，特征是血糖调节异常，可导致多器官并发症糖原累积病则由糖原代谢酶缺陷引起，根据缺陷酶的不同分为多种类型，影响肝脏、肌肉等器官功能柠檬酸循环第九章脂类代谢

（一）脂肪消化与吸收通过胰脂肪酶作用和胆盐乳化，脂肪分解为甘油和脂肪酸，以乳糜微粒形式经淋巴系统进入血液脂肪酸活化脂肪酸在细胞质中与ATP和辅酶A反应，形成脂酰CoA，由酯酰CoA合成酶催化β-氧化过程在线粒体中进行，每个循环脱去两个碳原子，产生乙酰CoA、NADH和FADH₂特殊脂肪酸氧化不饱和脂肪酸需额外酶促步骤；奇数碳脂肪酸最终产生丙酰CoA，转化为琥珀酰CoA进入TCA循环脂肪酸β-氧化是脂肪酸分解的主要途径，在线粒体中进行长链脂肪酸必须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β-氧化过程包括四个连续反应脱氢（产生FADH₂）、水合、再脱氢（产生NADH）和硫解（释放乙酰CoA），这一循环持续进行直至整个脂肪酸被完全氧化不饱和脂肪酸的氧化需要额外的酶（顺式-反式异构酶和2,4-二烯酰CoA还原酶）来处理双键奇数碳脂肪酸氧化的最后产物是丙酰CoA，经过三步反应转化为琥珀酰CoA进入TCA循环脂肪酸氧化产生的还原当量和乙酰CoA通过呼吸链和TCA循环最终产生大量ATP，使脂肪成为高效的能量储存形式脂类代谢

（二）合成部位与前体脂肪酸合成酶复合体主要在细胞质中进行，乙酰CoA和丙二酰CoA作为碳源，NADPH提供还原由多功能多肽链组成的大型酶复合体，含有六种催化活性和一个酰基载体蛋力，ATP提供能量白（ACP），能够有效协调合成过程中的多步反应合成反应循环延长与不饱和化每个循环添加两个碳原子，依次经过缩合、第一次还原、脱水和第二次还原棕榈酸可在内质网中进一步延长碳链或引入双键，形成各种长链饱和和不饱四个步骤，直至形成棕榈酸（C16）和脂肪酸脂肪酸的合成与分解在不同细胞器中进行，使用不同的辅酶，并且催化反应顺序相反，这种分隔机制使合成和分解可以独立调控脂肪酸合成需要大量NADPH，主要来源于磷酸戊糖途径和苹果酸酶反应乙酰CoA由线粒体转运到细胞质需经过柠檬酸-丙酮酸穿梭系统哺乳动物不能合成亚油酸和亚麻酸（必需脂肪酸），必须从食物中获取，这是因为缺乏在C12位后引入双键的酶系统脂肪酸合成受多种因素调控，包括底物可得性、激素水平和转录调控胰岛素促进脂肪酸合成，而胰高血糖素则抑制合成；高碳水化合物饮食增加脂肪酸合成酶基因表达脂类代谢

（三）甘油三酯的合成与分解磷脂与糖脂的代谢类固醇的生物合成甘油三酯是最主要的储能脂类，合成从磷脂是生物膜的主要成分，其生物合成胆固醇是动物细胞膜的重要组成和类固甘油-3-磷酸开始，逐步添加三个脂酰基以磷脂酸为关键中间体，可分为两条路醇激素的前体，其合成始于乙酰CoA，形成脂肪组织和肝脏是主要合成场径CDP-甘油途径和CDP-胆碱途径第一个关键中间产物是甲羟戊酸，最终所分解过程由脂肪酶催化，释放甘油鞘脂类（如神经节苷脂和脑苷脂）是神通过约30个酶促反应形成胆固醇合成和脂肪酸这一过程受激素严格调控，经系统中重要的膜脂，由丝氨酸和棕榈过程主要在内质网进行，限速酶是如肾上腺素和胰高血糖素促进分解，胰酰CoA缩合开始合成磷脂代谢异常与HMG-CoA还原酶，是调控胆固醇合成岛素则促进合成多种神经系统疾病相关的主要靶点类固醇化合物具有共同的四环结构，包括胆固醇、胆汁酸、类固醇激素和维生素D等这些分子在生物体内执行多种重要功能，如维持膜流动性、促进脂溶性物质消化吸收、调节代谢和发育等胆固醇合成是一个高度耗能的过程，每分子胆固醇需消耗18分子乙酰CoA、36分子ATP和16分子NADPH脂类代谢

（四）酮体的生成与利用脂蛋白代谢与转运酮体（β-羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮）是肝脂蛋白是运输脂质的复合颗粒，包括几种脏中脂肪酸β-氧化产生的乙酰CoA的重要主要类型乳糜微粒（CM）、极低密度脂代谢产物，尤其在糖原耗尽的饥饿状态蛋白（VLDL）、低密度脂蛋白（LDL）下脑组织在长期饥饿时可适应使用酮体和高密度脂蛋白（HDL）它们在脂质运作为能量来源，这是维持脑功能的重要适输和稳态维持中发挥关键作用LDL将胆应机制糖尿病患者由于胰岛素缺乏，脂固醇运输到外周组织，而HDL参与胆固醇肪酸大量动员和氧化，可能导致严重的酮的逆向运输，将多余胆固醇运回肝脏排症酸中毒泄脂质代谢紊乱与疾病高脂血症是脂蛋白代谢异常导致的血液中脂质水平升高，是动脉粥样硬化和心血管疾病的主要危险因素肥胖与脂肪组织过度积累相关，可引发多种代谢综合征脂肪肝是肝细胞内脂质（主要是甘油三酯）异常积累，可由酒精滥用、糖尿病或药物毒性等因素导致脂质代谢调控网络复杂，涉及多种转录因子和激素信号通路核受体如过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）家族在脂质代谢调控中作用显著，是多种降脂药物的靶点脂质代谢组学是研究生物体内所有脂质分子的新兴学科，为理解脂质代谢复杂网络和疾病发病机制提供了新视角第十章氨基酸代谢

（一）氨基酸代谢基本途径氨基酸吸收氨基酸可用于蛋白质合成、转化为其他生物分子或作为能蛋白质消化小肠上皮细胞通过特异性转运蛋白吸收氨基酸，包括量来源大部分氨基酸的代谢始于脱去氨基，生成相应的从胃部蛋白酶（胃蛋白酶）开始，在小肠中由胰蛋白酶、Na⁺-依赖性和Na⁺-非依赖性转运系统不同的氨基酸α-酮酸，这是氨基酸碳骨架进入能量代谢的关键步骤糜蛋白酶等继续分解，最终生成氨基酸、二肽和三肽这有不同的转运系统，某些转运系统缺陷可导致特定氨基酸些酶以inactive zymogen形式分泌，需要激活才具有活吸收障碍疾病性，这种机制防止了消化酶对分泌组织的自我消化转氨基作用是氨基酸代谢的第一步，由转氨酶催化，将氨基从氨基酸转移到α-酮酸（通常是α-酮戊二酸）上，形成新的氨基酸（通常是谷氨酸）和相应的α-酮酸谷氨酸脱氢酶可将谷氨酸氧化脱氨基，生成α-酮戊二酸和氨血清中转氨酶活性（如ALT和AST）是肝功能检查的重要指标氨的代谢主要通过尿素循环完成，这是哺乳动物排除多余氮的主要途径尿素循环通过五个酶促反应，将有毒的氨转化为无毒的尿素，其中两个反应在线粒体中进行，三个在细胞质中进行尿素循环的第一个酶（碳酰磷酸合成酶I）是调节点，被N-乙酰谷氨酸激活尿素循环缺陷可导致高氨血症和相关神经系统症状氨基酸代谢

（二）氨基酸碳骨架去向根据最终代谢产物将氨基酸分为糖原性、酮原性或两者兼有氨基酸的生物合成非必需氨基酸可由人体合成，必需氨基酸需从食物中获取一碳单位代谢四氢叶酸作为载体，参与嘌呤、嘧啶和某些氨基酸的合成氨基酸根据其碳骨架的代谢产物可分为三类糖原性氨基酸（可转化为葡萄糖，如丙氨酸、天冬氨酸等）、酮原性氨基酸（可转化为酮体，如亮氨酸、赖氨酸）和糖原兼酮原性氨基酸（如苯丙氨酸、色氨酸）氨基酸碳骨架代谢的关键中间产物包括丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酰CoA和乙酰CoA等，这些中间产物可进入TCA循环或其他代谢途径哺乳动物能合成约半数氨基酸（非必需氨基酸），其余（必需氨基酸）必须从食物中获取一碳单位代谢是许多合成途径的关键，四氢叶酸作为一碳单位的主要载体参与甲基、亚甲基和甲酰基的转移叶酸缺乏会导致红细胞发育异常和巨幼红细胞性贫血色氨酸代谢产生5-羟色胺（血清素）和烟酸，酪氨酸则是儿茶酚胺和黑色素的前体，这些代谢物在神经传递和色素形成中具有重要作用氨基酸代谢

（三）氨基酸除了作为蛋白质的构建单位外，还是许多重要生物活性分子的前体通过脱羧作用，氨基酸可形成相应的生物胺，如组氨酸→组胺、谷氨酸→γ-氨基丁酸GABA、色氨酸→5-羟色胺、酪氨酸→多巴胺等，这些生物胺在神经传递、免疫调节和血管舒缩等生理过程中发挥重要作用氨基酸代谢紊乱可导致多种遗传性疾病苯丙酮尿症是由苯丙氨酸羟化酶缺陷引起的，导致苯丙氨酸和苯丙酮酸积累，严重影响脑发育；白化病是酪氨酸酶缺陷导致的黑色素合成障碍；枫糖尿症则是支链氨基酸代谢缺陷所致许多这类疾病可通过新生儿筛查早期发现，通过饮食控制等方法减轻症状第十一章核苷酸代谢嘌呤核苷酸的从头合成以磷酸核糖焦磷酸PRPP为起点，通过多步反应合成肌苷酸IMP，再转化为AMP和GMP，需要多种氨基酸和叶酸提供氮原子和一碳单位嘧啶核苷酸的从头合成先合成嘧啶环再连接核糖磷酸，以谷氨酰胺、CO₂和天冬氨酸为原料，通过碳酰磷酸合成酶II开始反应，最终形成UMP，并可进一步转化为CTP补救合成途径利用游离碱基或核苷，在核苷酸磷酸化酶和核苷激酶作用下重新合成核苷酸，是能量节约的合成方式核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸最终分解为尿酸，嘧啶核苷酸分解为β-氨基酸、CO₂和NH₃核苷酸代谢受到严格调控，主要通过反馈抑制和变构调节实现嘌呤核苷酸合成的第一步由磷酸核糖焦磷酸合成酶催化，该酶受AMP、GMP和IMP抑制；嘌呤合成的分支点酶（如AMP合成酶和GMP合成酶）则分别受最终产物AMP和GMP抑制嘧啶合成中，天冬氨酸氨甲酰转移酶是关键调节点，受CTP抑制和ATP激活核苷酸代谢异常与多种疾病相关痛风是由于嘌呤代谢异常导致尿酸积累，形成尿酸盐结晶沉积在关节处引起炎症；Lesch-Nyhan综合征是HGPRT缺陷导致的严重神经系统障碍；免疫缺陷性疾病如腺苷脱氨酶缺乏症会导致T细胞功能缺陷核苷酸代谢抑制剂广泛用于抗肿瘤和抗病毒治疗，如甲氨蝶呤（DHFR抑制剂）和5-氟尿嘧啶（胸苷酸合成酶抑制剂）第十二章核酸的生物合成

（一）半保留复制机制原核生物DNA复制真核生物DNA复制DNA复制过程中，双链解从单一复制起点开始，双向从多个复制起点同时开始，开，每条链都作为模板合成进行，涉及多种蛋白质解复制泡融合形成复制叉，过新的互补链，最终形成两个旋酶打开双螺旋，单链结合程更为复杂，包含多种特异完全相同的双链分子，每个蛋白稳定单链，引物酶合成性聚合酶和协同蛋白，与染包含一条原始链和一条新合RNA引物，DNA聚合酶III色质结构重组紧密协调真成链，这一机制由延伸新链，DNA聚合酶I去核细胞末端的端粒DNA复Meselson和Stahl在1958除引物并填补空隙，DNA制需要特殊的端粒酶年实验证实连接酶连接DNA片段DNA复制是一个高度精确的过程，错误率约为10⁻⁹至10⁻¹⁰，这种高保真性主要归功于DNA聚合酶的校对功能（3→5外切酶活性）和复制后的错配修复系统DNA复制具有半不连续性，即前导链连续合成，而后随链以冈崎片段形式不连续合成这是由于DNA聚合酶只能在5→3方向延伸，而两条模板链方向相反核酸的生物合成

（二）转录的基本过程RNA聚合酶RNA的后加工转录是以DNA为模板合成RNA的过程，包原核生物只有一种RNA聚合酶，而真核生真核生物的初级转录产物（前体RNA）需括起始、延伸和终止三个阶段RNA聚合物有三种主要的RNA聚合酶RNA聚合酶I要经过一系列加工修饰才能成熟，包括5加酶结合到启动子区域，打开DNA双链，以（合成rRNA），RNA聚合酶II（合成帽（保护mRNA并辅助翻译起始）、3多聚一条链为模板，按照碱基互补配对原则（A-mRNA和大多数snRNA），RNA聚合酶A尾（增加稳定性和翻译效率）、RNA剪接U，G-C）合成RNA合成过程是5→3方III（合成tRNA和5S rRNA）真核RNA（去除内含子，连接外显子）和RNA编辑向进行的，不需要引物，转录终止后RNA聚合酶是复杂的多亚基蛋白质复合物，需要（修改个别核苷酸）等过程聚合酶和新合成的RNA链释放多种转录因子协助识别启动子和调控转录RNA剪接是真核基因表达的关键步骤，由剪接体（spliceosome）执行，这是一个由小核核糖核蛋白（snRNP）和其他蛋白质组成的大型复合体剪接过程精确识别内含子边界的保守序列（5剪接位点、分支点和3剪接位点），通过两步转酯反应切除内含子并连接外显子选择性剪接使一个基因可以产生多种不同的mRNA和蛋白质，极大增加了基因组的表达多样性此外，RNA干扰（RNAi）是一种通过小干扰RNA（siRNA）或微小RNA（miRNA）调控基因表达的机制，在发育和疾病中发挥重要作用，也已发展成为研究基因功能的强大工具第十三章蛋白质的生物合成

（一）遗传密码的特点翻译的分子机制遗传密码是mRNA上碱基三联体（密码子）与翻译是按照mRNA序列合成多肽链的过程，需氨基酸之间的对应关系，具有特定特性三联体要mRNA（信息模板）、tRNA（携带氨基性（每三个核苷酸编码一个氨基酸）、简并性酸）、核糖体（反应场所）、氨基酸和多种蛋白（多个密码子可编码同一氨基酸）、无重叠性因子共同参与翻译遵循5→3方向进行，多肽（每个核苷酸只属于一个密码子）、普遍性（绝链从N端到C端延伸翻译过程中mRNA上相邻大多数生物共用相同的密码表）和无义性的密码子被连续读取，相应的氨基酸通过肽键连（UAA、UAG、UGA作为终止密码子不编码氨接形成多肽链基酸）tRNA与氨基酸活化tRNA是翻译过程中的关键适配器分子，一端含有反密码子识别mRNA上的密码子，另一端连接特定的氨基酸氨基酸与tRNA的连接需要氨酰-tRNA合成酶催化，这一过程消耗ATP，是保证翻译准确性的第一道关口每种氨基酸都有专一的氨酰-tRNA合成酶，能够精确识别对应的tRNA和氨基酸核糖体是蛋白质合成的分子机器，由大小两个亚基组成，在真核生物中分别为60S和40S，组合形成80S核糖体核糖体上有三个主要位点A位（接受位点）、P位（肽基位点）和E位（退出位点）tRNA分子按A→P→E的顺序依次通过这三个位点核糖体既是物理支架，又是核糖核蛋白酶，催化肽键形成的化学反应现代研究表明，核糖体的催化中心主要由rRNA而非蛋白质组成，这一发现支持了RNA世界假说，即早期生命形式可能以RNA为主要功能分子核糖体结构和功能的研究对抗生素开发具有重要意义，许多抗生素如氯霉素、红霉素和四环素等都是通过干扰细菌核糖体功能发挥抗菌作用蛋白质的生物合成

（二）翻译起始在起始因子辅助下，小核糖体亚基结合mRNA和起始tRNA携带甲硫氨酸，大亚基随后加入形成完整核糖体，mRNA的AUG起始密码子定位于P位肽链延伸延伸因子辅助下，携带氨基酸的tRNA进入A位，催化P位氨基酸与A位氨基酸形成肽键，核糖体移动使新肽链-tRNA复合物移至P位翻译终止当终止密码子UAA、UAG或UGA进入A位，释放因子结合导致水解肽链-tRNA键，新合成的多肽链释放，核糖体解离为两个亚基翻译后修饰是蛋白质成熟的重要步骤，包括N端甲硫氨酸的去除、特定氨基酸的化学修饰（如磷酸化、糖基化、乙酰化、甲基化等）、蛋白水解和二硫键的形成这些修饰对蛋白质的稳定性、活性、定位和相互作用至关重要蛋白质折叠是新合成多肽链获得功能性三维结构的过程，可在翻译过程中同步进行，也可在翻译完成后发生分子伴侣（如热休克蛋白和分子伴侣素）辅助蛋白质正确折叠，防止错误折叠和聚集蛋白质定向运输确保蛋白质被送到正确的细胞区室，依赖于蛋白质序列中的定位信号信号识别颗粒（SRP）介导的共翻译转运系统将分泌蛋白和膜蛋白导向内质网；线粒体、叶绿体和过氧化物酶体蛋白则通过特定的转运机制进入相应细胞器抗生素如氯霉素、红霉素和四环素可通过与原核核糖体选择性结合，干扰蛋白质合成，这是它们抗菌活性的基础第十四章物质代谢的相互联系

（一）糖类代谢脂类代谢糖酵解、糖异生、TCA循环和糖原代谢是糖类处理脂肪酸合成与氧化、甘油三酯合成与分解构成脂质的主要途径能量循环代谢交叉点蛋白质与氨基酸代谢乙酰CoA、丙酮酸和TCA循环中间产物连接各代谢氨基酸氧化、转氨基作用和尿素循环处理含氮化合途径物三大营养物质代谢之间存在密切联系糖类代谢产生的丙酮酸可转化为乙酰CoA进入TCA循环；脂肪酸氧化产生的乙酰CoA也进入TCA循环；大多数氨基酸的碳骨架最终转化为TCA循环中间产物或糖酵解中间产物这些共同代谢物使不同代谢途径相互转换，形成复杂的代谢网络，满足细胞多样化的能量和生物合成需求不同器官在代谢中扮演特定角色肝脏是代谢的中心器官，进行糖异生、脂肪酸合成、胆固醇代谢和尿素合成；肌肉主要消耗葡萄糖和脂肪酸产生能量；脂肪组织储存能量并参与内分泌调节；脑主要依赖葡萄糖氧化供能，在长期饥饿状态下也可利用酮体饥饿与进食状态的代谢模式差异显著，涉及多种激素（如胰岛素、胰高血糖素）的协同调控物质代谢的相互联系

（二）基因表达调控转录因子和表观遗传修饰影响代谢相关基因的表达水平酶活性调节通过变构调节、共价修饰和蛋白质降解等方式快速调整酶活性激素与信号传导胰岛素、胰高血糖素等激素通过特定受体和信号通路整合调控全身代谢代谢调控的层次是多样的，从基因表达到酶活性，再到细胞间和器官间的协调，形成复杂的调控网络转录因子如核受体（PPARs、FXR、LXR等）和其他转录调节因子（SREBP、ChREBP等）在代谢基因表达调控中起关键作用短期代谢调节主要通过酶活性的可逆调控实现，包括变构效应（如ATP抑制磷酸果糖激酶-1）和可逆共价修饰（如胰岛素激活的蛋白激酶B磷酸化糖原合成酶激酶-3）细胞信号转导系统将外部信号（如激素和营养物质）转化为细胞内反应胰岛素信号通路通过受体酪氨酸激酶、IRS蛋白和PI3K/Akt级联反应促进葡萄糖摄取和储存；胰高血糖素则通过G蛋白偶联受体和cAMP/PKA通路促进糖原分解和糖异生脂肪组织产生的瘦素和脂联素，肌肉产生的肌肉生长抑制素等细胞因子也通过内分泌或旁分泌方式参与全身代谢调控代谢组学、转录组学和蛋白质组学等高通量技术为研究复杂代谢网络提供了强大工具第十五章维生素与微量元素脂溶性维生素水溶性维生素微量元素•维生素A视黄醇和视黄酸，参与视觉、表•维生素B₁（硫胺素）丙酮酸脱氢酶和α-•铁血红蛋白、肌红蛋白和多种氧化还原皮维持和基因表达调控酮戊二酸脱氢酶辅酶酶的组成部分•维生素D钙磷代谢的重要调节剂，在肾脏•维生素B₂（核黄素）FAD和FMN前•锌多种酶的辅助因子，参与DNA合成和和肝脏中转化为活性形式体，氧化还原反应辅酶基因表达•维生素E主要抗氧化剂，保护细胞膜脂质•维生素B₃（烟酸）NAD⁺和NADP⁺的•铜细胞色素c氧化酶和超氧化物歧化酶的免受氧化损伤组成部分，电子传递载体组分•维生素K参与血液凝固因子的γ-羧基化修•维生素B₆（吡哆醇）氨基酸代谢中多种•碘甲状腺激素的组成部分，调节代谢和饰，必要的凝血因子酶的辅酶发育•维生素B₁₂（钴胺素）甲基转移反应的辅•硒谷胱甘肽过氧化物酶的组分，抗氧化酶，DNA合成必需系统成员•维生素C（抗坏血酸）抗氧化剂，羟化反应辅因子维生素是人体必需的一类有机化合物，必须从食物中获取，参与多种代谢过程脂溶性维生素可在体内储存，过量摄入可能导致毒性；水溶性维生素一般不储存，需要持续摄入，过量通常从尿液排出维生素缺乏可导致特定疾病，如维生素C缺乏引起坏血病，维生素D缺乏导致佝偻病，维生素B₁₂缺乏造成恶性贫血第十六章分子生物学技术基础重组DNA技术1使用限制性内切酶切割DNA，连接酶连接DNA片段，构建重组DNA分子基因克隆与表达将目的基因插入载体，转化宿主细胞，实现基因扩增和蛋白表达组学技术高通量测序、蛋白质组学、代谢组学等全局分析技术基因编辑CRISPR/Cas9利用RNA引导核酸酶靶向切割DNA，实现精确基因修饰分子生物学技术已成为现代生命科学研究的核心工具，从最初的限制性内切酶应用发展到如今的精确基因编辑系统基因克隆技术使研究者能够分离、放大和操控特定基因，为基因功能研究和生物技术应用奠定基础表达载体系统（如大肠杆菌、酵母、哺乳动物细胞和昆虫细胞系统）使重组蛋白的大规模生产成为可能新一代测序技术极大降低了基因组测序成本，推动了基因组学研究CRISPR/Cas9系统因其简便、高效和灵活的特点，已成为基因编辑的首选工具，广泛应用于基础研究、疾病模型构建和基因治疗等领域RNA干扰（RNAi）和反义技术提供了抑制基因表达的有效手段这些技术的发展不仅加深了我们对生命过程的理解，也为疾病诊断、治疗和生物技术产业带来革命性变化第十七章生物信息学导论生物数据库与序列分析蛋白质结构预测功能基因组学生物信息数据库收集、整理和从一维氨基酸序列预测蛋白质研究基因组全部基因的功能和存储生物学数据，包括三维结构的方法，包括同源建相互作用，整合转录组学、蛋GenBank（核酸序列）、模（基于已知相似蛋白结白质组学和代谢组学数据，阐UniProt（蛋白质序列）、构）、从头预测（基于物理化明基因表达调控网络和代谢通PDB（蛋白质三维结构）等学原理）和深度学习方法（如路功能注释通过序列相似序列分析工具如BLAST可用于AlphaFold）结构预测有助性、蛋白质结构域、表达模式相似性搜索，多序列比对工具于理解蛋白质功能机制，指导和网络分析等方法推断基因功如CLUSTAL可分析序列保守药物设计和蛋白质工程准确能，为理解生物系统的分子机性和进化关系，是研究基因和度从局部二级结构预测到全局制提供全局视角蛋白质功能的基础方法三级结构预测不等系统生物学是一种整体研究生物系统的方法，整合多组学数据构建数学模型，模拟和预测系统行为代谢流分析通过同位素标记和计算方法测量代谢途径中的物质流动，量化代谢网络中的反应速率基因调控网络分析揭示转录因子与靶基因的相互作用，阐明基因表达调控机制人工智能和机器学习技术在生物信息学中应用广泛，从序列分析、结构预测到疾病诊断和药物开发大数据技术使处理和分析海量生物学数据成为可能生物信息学的发展促进了精准医疗、合成生物学和系统生物学等领域的进步，为研究复杂生物系统提供了强大工具第十八章生物化学与疾病先天性代谢障碍疾病肿瘤的生物化学基础由单基因突变导致特定酶或转运蛋白功能缺肿瘤细胞代谢特征包括有氧糖酵解增强陷，引起代谢物积累或产物缺乏苯丙酮尿症（Warburg效应）、谷氨酰胺代谢活跃和脂（苯丙氨酸羟化酶缺陷）、高半胱氨酸血症质合成上调这些代谢改变支持肿瘤细胞的快（胱硫醚β-合成酶缺陷）和糖原贮积病（糖原速增殖和对应激环境的适应肿瘤抑制基因代谢酶缺陷）等都属于此类多数为隐性遗（如p53）和致癌基因（如MYC）通过调控传，通过新生儿筛查可早期发现，部分疾病可代谢酶的表达和活性，重塑肿瘤细胞代谢靶通过饮食控制和酶替代治疗有效管理向肿瘤特异性代谢途径是抗肿瘤治疗的新策略代谢性疾病由代谢调控异常导致的常见疾病，如糖尿病（胰岛素分泌或敏感性异常导致血糖调节失衡）、肥胖（能量摄入超过消耗，引起脂肪组织过度扩张）和动脉粥样硬化（脂质代谢紊乱，导致血管壁脂质沉积和炎症）这些疾病常与生活方式和遗传因素相关，是现代社会主要健康负担生物化学在疾病诊断中发挥着重要作用血清酶学检查（如肝功能中的转氨酶、心肌梗死标志物肌钙蛋白和肌酸激酶同工酶）可反映特定组织损伤；代谢产物测定（如血糖、血脂、尿酸等）用于代谢性疾病评估；基因检测可诊断遗传性代谢病；蛋白质组学和代谢组学分析有助于发现新的疾病标志物理解疾病的生物化学基础有助于开发针对性治疗策略例如，他汀类药物通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成；胰岛素增敏剂通过改善胰岛素信号通路治疗2型糖尿病；酶替代疗法用于某些溶酶体贮积病；基因治疗通过导入功能基因纠正遗传性代谢缺陷随着对疾病分子机制理解的深入，精准医疗和个体化治疗方案将更加普及总结与展望核心概念回顾医学与生命科学应用研究前沿方向生物化学研究生物分子的结构、功能和代谢转化，揭示生生物化学知识广泛应用于疾病诊断与治疗、药物研发、营生物化学研究前沿包括单细胞代谢组学、代谢流分析、蛋命活动的分子基础从蛋白质的结构与功能、核酸的信息养学和生物技术生化检测是临床诊断的基础；对代谢途白质互作网络、RNA结构与功能、表观遗传修饰和生物传递、糖脂的能量转换到代谢网络的精密调控，生物化学径的理解指导代谢性疾病治疗；酶工程和蛋白质工程推动膜动态等新技术如冷冻电镜、活细胞成像和高通量分析阐明了生命的化学本质生物大分子的特异性结构决定其生物催化剂的优化；基因编辑和合成生物学为解决健康、方法不断推动研究深入合成生物学和系统生物学将生物功能，代谢途径的协同运作维持生命活动，这些是理解生能源和环境问题提供新思路系统的理解提升到新水平，为人工设计生物系统开辟可命科学的核心概念能生物化学与相关学科的交叉融合是当前科学发展的重要趋势与物理学交叉形成生物物理学，发展结构生物学和分子模拟；与计算机科学结合催生生物信息学，推动大数据分析和生物系统建模；与材料科学融合发展生物材料和生物传感技术；与化学工程结合优化生物制造和生物催化展望未来，生物化学将继续在生命科学领域发挥核心作用，并与人工智能、纳米技术等新兴领域深度融合随着研究不断深入，我们对生命复杂性的认识将更加全面，为人类健康、环境保护和可持续发展提供科学基础生物化学不仅是了解生命奥秘的钥匙，也是应对人类面临的重大挑战的重要工具。