《生物化学教程》课件

生物化学教程欢迎来到《生物化学教程》，这是一门专为本科生及医学专业学生设计的核心课程本教程将系统地介绍生物大分子的结构与代谢过程，为您打开探索生命科学的大门作为医学和生命科学的基础学科，生物化学将带您了解从分子到细胞的微观世界，揭示生命活动的化学本质通过本课程的学习，您将掌握蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物分子的结构特点与功能机制，以及它们在人体内的代谢途径和调控网络让我们一起开启这段探索生命奥秘的旅程！绪论生物化学概述生物化学的定义学科发展历程研究方法与技术生物化学是研究生物体内化学物质的结从19世纪末尿素的人工合成，到20世纪现代生物化学研究方法包括分子生物学构、性质及其在生命活动中作用的科中叶DNA双螺旋结构的发现，再到现代技术、色谱分离、质谱分析、X射线晶体学它是连接化学与生物学的桥梁，致组学技术的兴起，生物化学已发展成为学等，这些技术使我们能够深入了解生力于从分子水平解释生命现象一门多学科交叉的前沿学科物分子的结构与功能生物分子的基本元素碳C氢H生命分子的骨架，能形成多样化的有机分参与能量传递，形成氢键维持分子结构子硫氧S O形成二硫键，稳定蛋白质结构参与呼吸作用，是能量代谢的关键磷氮P N构成DNA骨架，参与能量转换蛋白质和核酸的必需成分在宇宙化学的背景下，这些元素并非偶然被生命选择它们在地球早期环境中丰富可得，且其化学特性使其能形成稳定而多样的生物分子，为复杂生命形式的出现奠定了基础水与pH水分子结构水的生物功能水分子呈现出明显的极性，氧原水是优良的溶剂，能溶解多种极子与氢原子之间形成

104.5°角，性物质；具有高比热容，可稳定由于氧原子的强电负性，使水分生物体温度；参与多种生化反子形成偶极子，这种结构是水独应；通过氢键网络维持生物大分特性质的基础子的结构与缓冲系统pH生物体内pH值通常维持在特定范围内，如血液pH为

7.35-

7.45碳酸-碳酸氢盐系统、磷酸盐系统和蛋白质缓冲系统共同维持体液pH稳定水是生命的摇篮从单细胞生物到复杂的多细胞组织，水占据了生物体重量的50%-90%正是这种看似简单的物质，通过其独特的物理化学性质，为生命活动提供了理想的环境蛋白质概述一级结构氨基酸通过肽键连接形成的序列二级结构局部有规则的空间排布，如α螺旋、β折叠三级结构整个多肽链的三维空间排布四级结构4多个亚基的组合形成功能性复合物蛋白质是由20种基本氨基酸按特定顺序排列而成的生物大分子氨基酸根据其侧链性质可分为非极性、极性无电荷、酸性和碱性四类每种氨基酸都有其特定的等电点，这是氨基酸在特定pH值下呈电中性的点肽键是蛋白质一级结构的关键连接，它由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间形成的共价键这种连接具有部分双键性质，使肽键平面保持刚性，这对蛋白质高级结构的形成至关重要蛋白质结构与功能关系溶菌酶血红蛋白镰状细胞贫血溶菌酶是一种能够水解细菌细胞壁的抗菌血红蛋白由四个亚基组成，每个亚基都含β-珠蛋白第6位谷氨酸被缬氨酸替代，改变酶其活性中心形成一个裂缝，能够容纳有一个血红素基团，可逆结合氧气其协了血红蛋白表面电荷，导致其在缺氧时聚并切断细菌细胞壁中的多糖链这种完美同作用使血红蛋白能在肺部高效结合氧，集形成纤维状结构，使红细胞变形为镰刀匹配的结构正是其功能的基础在组织中释放氧状，引发一系列病理变化蛋白质的功能直接源于其独特的三维结构即使单个氨基酸的变化，也可能导致整体构象的改变，从而影响蛋白质的功能这种结构决定功能的原则是理解蛋白质生物学的核心蛋白质的分离与纯化样品制备组织匀浆、细胞裂解、初步分离层析分离离子交换、凝胶过滤、亲和层析3电泳分析SDS-PAGE、等电聚焦、二维电泳4纯度检测活性测定、蛋白质含量测定蛋白质的分离纯化是生物化学研究的基础技术SDS-PAGE十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳是最常用的蛋白质分析方法之一，它根据蛋白质的分子量将复杂混合物中的蛋白质分开等电聚焦技术则利用蛋白质的等电点差异进行分离当蛋白质在pH梯度凝胶中迁移时，它会在pH值等于其等电点的位置停止移动，从而实现高分辨率的分离这些技术的发展极大地推动了蛋白质组学研究的进展氨基酸代谢基础氨基酸分解与转氨作用氨基酸转氨作用1氨基酸进入代谢途径氨基转移至α-酮戊二酸2脱氨作用谷氨酸生成4释放氨，进入尿素循环3形成谷氨酸和相应α-酮酸转氨作用是氨基酸代谢的第一步，由转氨酶催化，将氨基酸的氨基转移给α-酮戊二酸，生成谷氨酸和相应的α-酮酸这是一个可逆反应，对氨基酸代谢和蛋白质合成至关重要谷氨酸脱氢酶可进一步催化谷氨酸脱氨，生成α-酮戊二酸和氨氨是一种有毒物质，必须被及时清除在肝脏中，氨通过尿素循环转化为尿素，这是一个耗能过程，需要ATP的参与尿素是人体内氮排泄的主要形式，通过肾脏排出体外尿素循环与疾病氨和二氧化碳结合氨甲酰磷酸合成酶催化，需要ATP鸟氨酸氨甲酰转移酶氨甲酰基转移至鸟氨酸瓜氨酸合成加入第二个氨精氨酸生成通过精氨酸酶水解释放尿素尿素循环是肝脏中清除氨的主要途径，包括五个酶促反应，跨越线粒体和细胞质氨甲酰磷酸合成酶是尿素循环的限速酶，它催化氨和碳酸氢盐形成氨甲酰磷酸，需要ATP参与此酶的活性受底物水平和激素调控，对维持体内氮平衡至关重要尿素循环缺陷是一组遗传性代谢疾病，由尿素循环酶的基因突变引起患者体内氨无法正常清除，导致高氨血症，可引起呕吐、嗜睡、癫痫甚至昏迷和死亡急性期治疗包括血液透析、药物清除氨和限制蛋白质摄入氨基酸合成与特殊代谢产物胱硫醚代谢酪氨酸代谢色氨酸代谢蛋氨酸是含硫氨基酸，通过胱硫醚途径生成蛋氨酸和酪氨酸是多种重要生物活性分子的前体，包括儿茶酚色氨酸可转化为5-羟色胺（血清素），是重要的神经胱氨酸蛋氨酸是重要的甲基供体，参与多种甲基化胺类神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素）递质另一条代谢途径可生成烟酰胺（维生素B3）反应胱氨酸进一步代谢可形成牛磺酸和谷胱甘肽，和甲状腺激素酪氨酸代谢异常与白化病、酪氨酸血色氨酸代谢异常与抑郁症、紫质症和哈特纳普病等相后者是重要的抗氧化物质症等多种疾病相关关氨基酸不仅是蛋白质的基本单位，还是众多生理活性物质的前体了解这些特殊代谢产物的合成途径对理解某些疾病的发病机制和治疗策略具有重要意义核酸的结构与功能结构特点结构特点DNA RNA由脱氧核糖、磷酸和四种碱基由核糖、磷酸和四种碱基（A、（A、T、G、C）组成的双链螺旋U、G、C）组成，通常为单链，但结构A-T、G-C通过氢键配对，可形成复杂的二级结构不同于形成稳定的双螺旋DNA，RNA中尿嘧啶取代了胸腺嘧啶核酸功能多样性DNA主要存储遗传信息；mRNA传递遗传信息；tRNA转运氨基酸；rRNA构成核糖体；还有多种非编码RNA参与基因调控Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋模型是现代分子生物学的奠基石该模型解释了遗传信息存储和复制的分子基础，即碱基互补配对原则DNA双链间的碱基配对是通过氢键实现的，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键RNA具有更多功能多样性除了经典的mRNA、tRNA和rRNA外，近年来发现了众多非编码RNA，如miRNA、lncRNA等，它们在基因表达调控、细胞分化和发育过程中发挥重要作用，拓展了人们对核酸功能的认识核酸的理化性质核酸的分离与检测基因组提取DNA组织样本经裂解、酶解处理，去除蛋白质和RNA后，通过乙醇沉淀或硅胶柱纯化获得高分子量DNA提取的DNA应完整，无降解，适合PCR扩增和测序等后续分析总提取RNARNA提取需特别注意防止RNase污染常用方法包括TRIzol法和硅胶柱法获得的RNA可通过反转录PCR转化为cDNA，用于基因表达分析高质量RNA的28S:18S条带比例应接近2:1琼脂糖凝胶电泳核酸在电场作用下根据分子量大小在琼脂糖凝胶中分离DNA片段可通过溴化乙锭等染料显示为荧光条带通过与标准DNA Ladder比较，可确定目标片段大小聚合酶链反应（PCR）是扩增特定DNA片段的强大工具，它利用耐热DNA聚合酶，在特定引物的引导下，通过反复的变性、退火和延伸循环，实现目标序列的指数级扩增实时荧光定量PCR进一步允许对目标序列进行定量分析，广泛应用于基因表达研究和临床诊断核苷酸代谢嘌呤合成核苷酸分解从PRPP开始，通过多步反应合成IMP，再转化为AMP和GMP嘌呤核苷酸分解为尿酸；嘧啶核苷酸分解为β-氨基酸和CO2123嘧啶合成从天冬氨酸和碳酸氢铵开始，形成嘧啶环，最终合成UMP、CMP核苷酸是由碱基（嘌呤或嘧啶）、五碳糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸基团组成的化合物，是核酸的基本单位嘌呤类核苷酸（如ATP、GTP）和嘧啶类核苷酸（如CTP、UTP、TTP）的合成和分解受到严格调控，以维持细胞内核苷酸平衡嘌呤核苷酸在人体内分解最终产物是尿酸，它在pH

7.4的血液中主要以尿酸钠形式存在正常情况下，尿酸通过肾脏排出体外当体内尿酸产生过多或排泄减少时，会导致高尿酸血症，尿酸盐结晶沉积在关节和软组织中可引起痛风痛风患者常需限制嘌呤摄入并服用抑制尿酸合成的药物（如别嘌醇）或促进尿酸排泄的药物的复制（生物合成）DNA复制起始起始蛋白识别并结合起始点，DNA解旋酶打开双链，单链结合蛋白稳定单链DNA，引物酶合成RNA引物链延长DNA聚合酶III从引物3端开始，按照模板链序列合成新链领先链连续合成，滞后链以Okazaki片段形式合成片段连接DNA聚合酶I去除RNA引物并填补空缺，DNA连接酶连接相邻Okazaki片段，形成完整新链复制终止两个复制叉相遇，复制终止蛋白帮助解离复制机器，产生两个完全相同的DNA分子DNA复制是半保留式的，即每条新合成的DNA分子包含一条原有链和一条新合成链复制过程是双向进行的，从复制起始点开始，向两个方向延伸，形成两个复制叉复制的精确性由DNA聚合酶的3→5校对功能和复制后修复系统共同保证，错误率控制在10^-9至10^-10之间原核生物与真核生物的DNA复制存在差异原核生物通常只有一个复制起始点，而真核生物基因组较大，含有多个复制起始点真核生物DNA复制还涉及组蛋白合成、核小体装配等过程，使复制过程更加复杂真核细胞端粒酶能够解决线性染色体末端复制问题，其活性与细胞衰老和癌变密切相关的转录（生物合成）RNA成熟mRNA含5帽、多聚A尾的功能性mRNA前体加工mRNA剪接、修饰初级转录物RNA3含内含子的初级产物模板DNA4提供遗传信息转录是由RNA聚合酶催化，以DNA为模板合成RNA的过程真核生物有三种主要的RNA聚合酶RNA聚合酶I负责合成rRNA，RNA聚合酶II负责合成mRNA，RNA聚合酶III负责合成tRNA和5S rRNA转录起始需要识别启动子，在RNA聚合酶II识别区常见TATA盒、CAAT盒等保守序列真核生物mRNA前体需要经过一系列加工才能成为功能性mRNA5端加帽是加工的第一步，为mRNA添加一个7-甲基鸟苷帽，有助于mRNA与核糖体结合和防止降解内含子剪接由剪接体完成，通过识别内含子边界的保守序列（GU-AG规则），将内含子去除，外显子连接3端多聚腺苷化在特定的腺苷酸富集序列（AAUAAA）之后进行，添加约100-250个腺苷酸残基，提高mRNA稳定性蛋白质的合成与翻译起始阶段起始复合物形成，小亚基结合mRNA，识别AUG起始密码子延长阶段tRNA运送氨基酸，肽键形成，核糖体沿mRNA移动终止阶段遇终止密码子释放因子结合，释放多肽链，核糖体解离翻译是由核糖体完成的蛋白质合成过程转运RNA（tRNA）是翻译过程的关键组分，它一端与特定的氨基酸结合，另一端含有与mRNA密码子互补的反密码子tRNA与氨基酸的连接是由氨酰-tRNA合成酶催化的高度特异性反应，确保了遗传密码的准确传递遗传密码由三联体密码子组成，共有64个密码子编码20种氨基酸和3个终止信号密码子的第三位具有摇摆现象，使一个tRNA可以识别多个密码子，这种冗余性降低了翻译错误翻译过程的能量消耗主要体现在氨基酸活化和肽链延长过程中，每加入一个氨基酸至少需要消耗4个高能磷酸键多肽链合成完成后，还需经过折叠和修饰才能形成具有生物活性的蛋白质蛋白质修饰及定位磷酸化糖基化泛素化蛋白激酶催化在丝氨酸、苏氨酸或在内质网和高尔基体中，糖基转移通过E1-E2-E3酶系将泛素连接到蛋酪氨酸残基上添加磷酸基团，可调酶催化糖基添加到蛋白质上，对蛋白质上，标记蛋白质进行降解或调节蛋白质活性、相互作用和定位白质折叠、稳定性和细胞识别至关节其功能和定位重要蛋白质定位由信号肽或定位序列指导蛋白质运输到适当的细胞区室，如线粒体、核、内质网等蛋白质翻译后修饰极大地扩展了蛋白质组的多样性和功能除了上述常见修饰外，还包括乙酰化、甲基化、羧基化等这些修饰可以单独或组合出现，形成复杂的调控网络例如，组蛋白的多种修饰构成了组蛋白密码，调控基因表达的重要机制蛋白质的正确定位对其功能至关重要信号肽通常位于蛋白质N端，由约15-30个氨基酸组成，具有特定的疏水性和电荷特征例如，分泌蛋白的信号肽引导新合成的蛋白质穿过内质网膜；线粒体定位信号则引导蛋白质运输到线粒体信号肽被特定的受体识别后，通常会被信号肽酶切除蛋白质错误定位可导致多种疾病，如囊性纤维化与CFTR蛋白定位异常相关基因表达调控原核生物调控真核生物调控以大肠杆菌乳糖操纵子为例，当环境中缺乏葡萄糖但存在乳糖真核生物的基因表达调控更为复杂，包括染色质水平调控（如组时，乳糖与阻遏蛋白结合，使其无法结合到操作子上，从而启动蛋白修饰）、转录水平调控（如增强子、沉默子）、转录后调控乳糖分解酶基因的转录这种简单而高效的机制使细菌能够根据（如RNA剪接、miRNA调控）和翻译水平调控等多个层次，形成环境迅速调整代谢精细的调控网络microRNA（miRNA）是一类长度约22个核苷酸的非编码小RNA，通过与靶mRNA的3非翻译区结合，导致mRNA降解或翻译抑制miRNA在发育、分化和疾病过程中发挥重要调控作用例如，某些miRNA在癌症中表达异常，可作为生物标志物和潜在治疗靶点RNA干扰（RNAi）是由双链RNA引发的序列特异性基因沉默机制小干扰RNA（siRNA）由Dicer酶将长双链RNA切割生成，然后与RNA诱导的沉默复合物（RISC）结合，引导靶mRNA的降解RNAi技术已成为基因功能研究的有力工具，同时也具有潜在的治疗应用，如用于治疗病毒感染、癌症等疾病重组与基因工程DNA1基因分离与克隆2技术3基因编辑技术PCR利用限制酶切割DNA，DNA连接酶将目标片聚合酶链反应能够在体外快速扩增特定DNA从早期的同源重组、锌指核酸酶，到段与载体连接，转化宿主细胞进行扩增常片段，只需极少量的模板DNA通过变性、TALEN，再到革命性的CRISPR-Cas9系统，用载体包括质粒、噬菌体、人工染色体等退火和延伸三个步骤的循环，目标序列实现基因编辑技术不断革新，使精确修改基因组指数级扩增成为可能CRISPR-Cas9是近年来兴起的革命性基因编辑技术，由细菌和古细菌的适应性免疫系统演化而来该系统包括一个引导RNA（gRNA）和Cas9核酸酶gRNA引导Cas9精确识别并切割靶DNA序列，通过细胞内的DNA修复机制，可实现基因敲除、插入或替换CRISPR技术因其简便、高效、成本低和可同时编辑多个基因等优势，广泛应用于基础研究、农业改良和医学治疗不过，其脱靶效应和伦理问题也引发了广泛讨论基因组学简介亿30人类基因组碱基对数量排列起来可绕地球赤道125圈万2人类基因数量估计仅占基因组总量约1-2%

99.9%人类个体间基因组相似度

0.1%的差异决定个体特征亿130人类基因组计划成本美元历时13年完成基因组学是研究生物体基因组全部遗传物质的学科，包括基因组测序、注释、结构与功能分析等高通量测序技术（又称下一代测序技术）革命性地提高了DNA测序速度并降低了成本，使全基因组测序从昂贵的大型国际项目变为常规实验室可负担的技术人类基因组计划于1990年启动，2003年基本完成，是生物学研究史上的里程碑该计划不仅绘制了人类基因组图谱，还推动了生物信息学的发展，为精准医疗奠定了基础目前，基因组学已延伸至功能基因组学、比较基因组学、药理基因组学等多个分支，与蛋白质组学、代谢组学等多组学研究相结合，全面解析生命活动的分子基础酶的结构与分类酶类功能代表酶氧化还原酶催化氧化还原反应脱氢酶、氧化酶转移酶催化基团转移转氨酶、激酶水解酶催化水解反应蛋白酶、脂肪酶裂解酶催化非水解断键脱羧酶、醛缩酶异构酶催化异构化磷酸己糖异构酶连接酶催化连接反应DNA连接酶、合成酶酶是具有催化活性的蛋白质或RNA分子，能够特异性地加速生物化学反应而不改变反应的平衡常数酶的催化机制基于活性中心的特殊结构，包括催化基团和结合位点底物与酶的结合遵循诱导契合模型，即底物结合使酶构象发生变化，更好地适应催化过程根据国际生物化学与分子生物学联盟（IUBMB）的分类，酶按催化的反应类型分为六大类每种酶都有唯一的EC编号，由四个数字组成，反映其分类层次例如，己糖激酶的EC编号为

2.

7.

1.1，表示它属于转移酶

（2），催化磷酸基团转移（

2.7），接受者是醇类OH基团（

2.

7.1），特异性作用于D-己糖（

2.

7.

1.1）这种系统的分类法为酶学研究提供了统一的标准酶促反应动力学酶的抑制与调节竞争性抑制非竞争性抑制别构调节抑制剂与底物竞争酶的活性中心，结构通常与抑制剂结合在酶的非活性中心位点，改变酶的效应物结合到酶的别构位点，引起构象变化，底物相似它增加Km值（降低酶对底物的亲和构象，降低其催化活性这种抑制降低Vmax但改变酶的活性这是细胞代谢调控的重要机力），但不影响Vmax高浓度底物可克服竞争不影响Km，增加底物浓度无法克服抑制重金制正调节剂增强酶活性，负调节剂降低酶活性抑制许多药物通过这种机制发挥作用，如属离子常通过这种方式抑制含巯基的酶性许多代谢通路的关键酶受终产物反馈抑他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶制酶活性调节是维持细胞代谢平衡的关键机制除了别构调节和反馈抑制外，共价修饰（如磷酸化）也是重要的调节方式例如，糖原磷酸化酶通过磷酸化/去磷酸化转换在活性和非活性形式间切换，响应激素信号，调控糖原分解酶活性的检测酶活性单位酶活性测定方法影响因素国际单位（IU）在特定条件下，每分钟转通过监测底物消耗或产物生成来测定酶活温度（影响分子碰撞频率和酶构象稳定化1μmol底物的酶量卡塔尔（kat）每秒性常用方法包括分光光度法（如NADH吸性）、pH（影响酶和底物的离子状态）、激转化1mol底物的酶量（1kat=6×10^7IU）特光度变化）、荧光法（荧光底物或产物）、活剂/抑制剂存在、底物浓度、酶浓度等都会异活性每毫克蛋白质的酶活性单位，反映电化学法（电极检测）、放射性同位素标记影响酶活性测定结果酶的纯度法等酶活性测定在临床诊断中有广泛应用血清中多种酶的活性异常可反映特定组织或器官的损伤例如，心肌梗死时血清中肌酸激酶（CK）和乳酸脱氢酶（LDH）活性升高；肝功能损伤时，转氨酶（ALT、AST）活性升高；胰腺炎时，淀粉酶和脂肪酶活性升高连续监测法和终点法是两类主要的酶活性测定方法连续监测法实时跟踪反应过程，可获得完整的动力学数据；终点法则测量固定时间点的反应程度，操作简便但信息较少选择合适的测定方法需考虑酶的特性、反应条件和可用设备等因素现代自动化生化分析仪能同时测定多种酶活性，提高了临床检测的效率和准确性酶的同工酶及临床意义同工酶分布特点临床意义乳酸脱氢酶LDH1-5LDH1:心肌，红细胞；LDH5:心肌梗死LDH1/LDH21；肝脏，骨骼肌肝损伤LDH5升高肌酸激酶CK BB/MB/MM CK-BB:脑；CK-MB:心肌；心肌梗死CK-MB升高；肌CK-MM:骨骼肌肉疾病CK-MM升高碱性磷酸酶ALP多种肝脏，骨骼，胎盘等肝胆疾病、骨病、妊娠谷氨酸脱氢酶GDH肝细胞线粒体急性肝坏死特异性指标同工酶是催化相同反应但具有不同分子结构的酶它们通常由不同基因编码，或由相同基因产物以不同方式组装而成同工酶在不同组织中的分布模式各异，使其成为组织特异性损伤的理想标志物通过电泳、免疫学方法或特异性抑制剂可区分不同同工酶急性心肌梗死（AMI）的诊断特别依赖心肌特异性标志物在AMI发生后，心肌标志物按特定时间顺序释放入血肌钙蛋白（cTnI、cTnT）最早升高，持续时间最长；CK-MB在AMI后4-6小时开始升高，24-36小时达到峰值；LDH在AMI后12-24小时升高，可持续7-14天这种时间窗口特性使医生能判断心肌损伤的发生时间和程度，指导治疗决策维生素与辅酶核黄素B2硫胺素B1辅酶FAD/FMN，参与氧化还原2辅酶TPP，参与脱羧反应1烟酸B3辅酶NAD+/NADP+，电子传递35钴胺素B12参与甲基转移，DNA合成吡哆醇B6辅酶PLP，转氨及其他反应维生素是人体必需但不能合成（或合成不足）的一类有机化合物，必须从食物中获取水溶性维生素（B族维生素和维生素C）主要作为辅酶参与代谢反应；脂溶性维生素（A、D、E、K）则具有更多样的功能，如维生素A参与视觉和基因表达，维生素D调节钙磷代谢，维生素E作为抗氧化剂，维生素K参与凝血因子合成维生素缺乏会导致特定疾病，如维生素B1缺乏导致脚气病，维生素C缺乏导致坏血病，维生素D缺乏导致佝偻病然而，过量摄入某些维生素也有风险，尤其是脂溶性维生素易在体内蓄积例如，过量维生素A可导致肝损伤和畸胎，过量维生素D可导致高钙血症因此，维生素的补充应遵循适量原则，最好通过均衡饮食获取糖类结构与分类单糖寡糖最简单的糖类单位，不能水解为更简单的由2-10个单糖通过糖苷键连接而成重要糖常见单糖包括葡萄糖（血糖的主要形的寡糖包括蔗糖（由葡萄糖和果糖组成，式）、果糖（最甜的天然糖）、半乳糖常见食用糖）、乳糖（哺乳动物奶中的主（乳糖的组成部分）单糖可根据羰基位要糖，由葡萄糖和半乳糖组成）、麦芽糖置分为醛糖和酮糖，根据碳原子数分为三（由两个葡萄糖分子组成）寡糖在细胞碳糖、五碳糖、六碳糖等识别、免疫和发育中扮演重要角色多糖由多个单糖重复单位组成的高分子储能多糖如淀粉（植物中）和糖原（动物中）由葡萄糖通过α-1,4和α-1,6糖苷键连接；结构多糖如纤维素（植物细胞壁）由葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接，甲壳素（节肢动物外骨骼）由N-乙酰葡萄糖胺组成糖类是生物体内最丰富的有机物，不仅作为能量来源和储备物质，还是细胞结构的重要组成部分糖的立体构型对其生物活性至关重要D-葡萄糖是自然界最常见的单糖，在水溶液中主要以环状结构存在α-吡喃葡萄糖和β-吡喃葡萄糖的区别在于C-1位羟基的空间取向，这看似微小的差异导致了淀粉和纤维素结构和功能的巨大差异糖的吸收与转运肠道吸收葡萄糖转运蛋白胰岛素调控多糖和寡糖在消化道中被淀粉酶和二糖酶水解为单GLUT家族是促扩散转运蛋白，介导葡萄糖穿过细胰岛素是调控葡萄糖转运的关键激素在肌肉和脂糖葡萄糖和半乳糖通过钠-葡萄糖协同转运蛋白1胞膜的双向运动GLUT1广泛分布，尤其在红细胞肪组织中，胰岛素刺激GLUT4从细胞内储存池转位（SGLT1）进入小肠上皮细胞，而果糖则通过促扩和血脑屏障；GLUT2主要在肝脏和胰腺β细胞；至细胞膜，增加葡萄糖摄取胰岛素抵抗（胰岛素散方式被GLUT5转运单糖随后通过基底侧膜上的GLUT4在肌肉和脂肪组织，受胰岛素调控；GLUT3信号传导受损）导致这一过程障碍，是2型糖尿病GLUT2进入血液循环主要在神经元这种差异分布确保了各组织特异性的核心机制的葡萄糖利用糖转运障碍与多种疾病相关例如，葡萄糖-半乳糖吸收不良综合征是由SGLT1功能缺陷导致的罕见遗传病，患者摄入含葡萄糖或半乳糖的食物后会出现腹泻和脱水GLUT1缺陷综合征则导致大脑葡萄糖供应不足，引起癫痫发作和神经发育迟缓而GLUT4功能异常与胰岛素抵抗和2型糖尿病密切相关，成为药物开发的重要靶点糖酵解途径1葡萄糖葡萄糖磷酸→-6-己糖激酶，消耗1ATP2果糖磷酸果糖二磷酸-6-→-1,6-磷酸果糖激酶，消耗1ATP，关键调控点3裂解为两个三碳化合物醛缩酶，生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛生成丙酮酸每分子葡萄糖生成2分子丙酮酸，生成4ATP，净产生2ATP糖酵解是细胞分解葡萄糖获取能量的主要途径之一，在细胞质中进行，不需氧参与这一途径由十个连续的酶促反应组成，将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸，同时产生两分子ATP和两分子NADH糖酵解的前期需消耗能量（2ATP），后期则产生能量（4ATP），净产生2ATP磷酸果糖激酶（PFK）是糖酵解途径的关键调控酶它催化不可逆反应，受多种因素调控ATP、柠檬酸等抑制其活性，而AMP、ADP、果糖-2,6-二磷酸则激活它这种精细调控确保了细胞能量平衡在厌氧条件下，丙酮酸可转化为乳酸（动物肌肉剧烈运动时）或乙醇（酵母发酵），再生NAD+以维持糖酵解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，进一步完全氧化产生更多能量糖异生与调控糖原代谢糖原合成糖原分解糖原合成始于糖原合成酶催化的UDP-葡萄糖向糖原链的转移，糖原磷酸化酶催化磷酸解，释放葡萄糖-1-磷酸脱支酶处理α-形成α-1,4糖苷键支链酶在适当位置引入α-1,6分支合成需要1,6分支点分解在低血糖状态下由胰高血糖素和肾上腺素激糖原引物蛋白（糖原蛋白），提供初始葡萄糖受体糖原合成主活，通过cAMP-PKA信号通路促进糖原磷酸化酶活化和糖原合成要受胰岛素和葡萄糖浓度上升促进，由活性糖原合成酶催化酶失活，确保能量供应糖原储存病（GSDs）是一组由糖原代谢酶缺陷引起的遗传性疾病根据缺陷酶的不同，可分为多种类型，各有特征性表现GSD I型（冯·吉尔克病）是由葡萄糖-6-磷酸酶缺陷导致，患者无法将葡萄糖-6-磷酸转化为葡萄糖释放入血，表现为严重低血糖、肝肿大和生长迟缓GSD II型（庞贝病）源于溶酶体α-葡萄糖苷酶缺陷，导致糖原在肌肉和其他组织累积，表现为进行性肌无力GSD III型（科里病）由脱支酶缺陷引起，表现为肝肿大和肌无力GSD V型（麦卡德尔病）是肌肉糖原磷酸化酶缺陷，患者运动耐力降低，出现第二阵风现象这些疾病的诊断依赖临床表现、生化检查和基因测序，治疗主要是对症支持和饮食管理磷酸戊糖途径与特殊糖代谢磷酸戊糖途径功能氧化阶段又称戊糖磷酸途径或己糖单磷酸旁路，有两个途径始于葡萄糖-6-磷酸脱氢酶催化的反应，生主要功能产生NADPH供还原生物合成反应成NADPH和6-磷酸葡萄糖酸内酯随后脱氢生（如脂肪酸合成、谷胱甘肽还原）使用；生成成6-磷酸葡糖酸，再经脱羧生成核糖-5-磷酸核苷酸和核酸合成所需的核糖-5-磷酸该途径氧化阶段每氧化一分子葡萄糖-6-磷酸产生2分在肝脏、脂肪组织、乳腺和红细胞中特别活子NADPH和1分子CO2跃非氧化阶段通过一系列可逆反应，将部分五碳糖转化为三碳糖和六碳糖，可重新进入糖酵解或返回途径起点这一阶段无需分子氧参与，与细胞需求相适应，灵活调节NADPH生成和核糖磷酸利用葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏症是最常见的人类酶缺陷性疾病，影响全球约4亿人口，尤其在疟疾流行地区常见这是X连锁遗传病，主要影响男性正常红细胞依靠G6PD产生的NADPH维持谷胱甘肽还原型，保护细胞免受氧化损伤G6PD缺乏导致红细胞抗氧化能力下降，在氧化应激下易发生溶血常见诱发因素包括特定药物（如抗疟药伯喹、磺胺类抗生素）、感染和食用蚕豆（含硫醇，故称蚕豆病）急性溶血危象表现为贫血、黄疸和尿色加深诊断基于酶活性测定和基因分析预防主要是避免接触已知诱发因素，急性发作期支持治疗这种疾病在疟疾流行区较常见，可能因提供对疟疾部分保护而被自然选择保留血糖调控与糖尿病胰岛素作用降低血糖，促进葡萄糖摄取利用和糖原合成，抑制糖异生胰高血糖素作用升高血糖，促进糖原分解和糖异生多激素协同肾上腺素、皮质醇等参与调控，形成精细网络糖尿病是一组以慢性高血糖为特征的代谢疾病，由胰岛素分泌不足和/或胰岛素作用缺陷引起1型糖尿病（胰岛素依赖型）由自身免疫破坏胰岛β细胞导致，需终身胰岛素替代治疗；2型糖尿病（非胰岛素依赖型）特征是胰岛素抵抗和相对胰岛素不足，与肥胖和生活方式密切相关；妊娠糖尿病发生在妊娠期，通常产后消失；其他特殊类型如单基因糖尿病（MODY）等糖尿病诊断主要依靠血糖测定空腹血糖≥

7.0mmol/L，或口服葡萄糖耐量试验（OGTT）2小时血糖≥

11.1mmol/L，或随机血糖≥

11.1mmol/L伴典型症状，或糖化血红蛋白（HbA1c）≥

6.5%长期血糖控制不良可导致多种慢性并发症，包括微血管病变（视网膜病变、肾病、神经病变）和大血管病变（心脑血管疾病）治疗目标是良好的血糖控制和预防并发症，方法包括生活方式干预、口服降糖药和胰岛素治疗脂类结构与分类甘油三酯脂肪酸甘油与三个脂肪酸酯化，是主要储能脂质碳氢链与羧基组成，饱和或不饱和，为复杂脂质的基本2组成部分1磷脂3含磷酸基团，是生物膜的主要成分5鞘脂含鞘氨醇骨架，在神经组织丰富固醇类含多环结构，如胆固醇，为膜脂质和激素前体脂肪酸是脂质的基本组成单元，通常含有偶数个碳原子（12-24个）饱和脂肪酸没有双键，链条呈直线排列，熔点较高，室温下多为固体，如棕榈酸（C16:0）和硬脂酸（C18:0）不饱和脂肪酸含有一个或多个双键，链条呈弯曲形，熔点较低，室温下多为液体，如油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）和亚麻酸（C18:3）必需脂肪酸是人体无法合成而必须从食物中获取的脂肪酸，包括ω-6系列的亚油酸和ω-3系列的α-亚麻酸它们是重要的生物活性分子前体，参与细胞膜形成、炎症反应调节和神经系统发育ω-3脂肪酸（如鱼油中的EPA和DHA）具有抗炎、降血脂和保护心血管功能等作用，而过量ω-6脂肪酸则可能促进炎症反应膳食中两者的平衡对健康至关重要脂类代谢氧化β-脂肪酸在线粒体中通过β-氧化分解，每循环切除两个碳原子生成乙酰CoA，同时产生NADH和FADH2长链脂肪酸需先活化为脂酰CoA，再通过肉碱穿梭系统进入线粒体脂肪酸合成在细胞质中进行，以乙酰CoA为原料，在脂肪酸合成酶复合体上合成，需要ATP、NADPH和二氧化碳每循环延长两个碳原子，主要产物是棕榈酸（C16:0）酮体代谢肝脏在禁食状态下将过剩乙酰CoA转化为酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮），作为脑和其他组织的替代能源脑组织适应使用酮体需要几天时间脂肪酸β-氧化是高效产能过程一分子棕榈酸（C16:0）完全氧化可产生均数8对FADH2和NADH，以及8个乙酰CoA，后者进入三羧酸循环进一步氧化考虑到电子传递链产能，每分子棕榈酸可产生约129个ATP，远高于一分子葡萄糖产生的约32个ATP这解释了为何脂肪是理想的能量储存形式酮体在糖尿病酮症酸中具有重要临床意义当胰岛素缺乏严重时，脂肪分解加速，大量脂肪酸涌入肝脏超过其氧化能力，转化为酮体血酮体水平升高导致酮症酸中毒，表现为呼吸深快（酸中毒代偿）、脱水、意识障碍甚至昏迷丙酮通过肺排出，产生典型的水果味呼气诊断基于血酮体测定、动脉血气和血糖水平，治疗要点是补充胰岛素、纠正水电解质紊乱和酸中毒胆固醇代谢与相关疾病胆固醇代谢平衡吸收、合成、转化和排泄1合成途径肝脏中从乙酰CoA开始的多步骤过程还原酶HMG-CoA3催化限速步骤，他汀类药物靶点转运系统脂蛋白介导组织间运输胆固醇是细胞膜必需成分，也是胆汁酸、类固醇激素和维生素D的前体人体每日约需要1g胆固醇，其中约一半来自食物摄入，另一半由肝脏合成肝脏是胆固醇代谢的中心，调控全身胆固醇平衡HMG-CoA还原酶催化胆固醇合成途径的限速步骤，它的活性受多种因素调控，包括胆固醇水平（负反馈）、胰岛素（促进）和胰高血糖素（抑制）过量胆固醇与动脉粥样硬化密切相关，后者是心血管疾病的主要病理基础高胆固醇血症促进脂质在动脉内膜沉积，形成脂质条纹，进而发展为斑块炎症反应、平滑肌细胞增殖和泡沫细胞形成使斑块逐渐扩大、硬化，导致血管腔狭窄斑块破裂可触发血栓形成，引发急性心肌梗死或缺血性卒中他汀类药物通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成，是预防和治疗动脉粥样硬化性疾病的基石脂蛋白结构与功能脂蛋白类型主要成分密度功能临床意义乳糜微粒CM外源性TG最低运输膳食脂质高TG血症极低密度脂蛋白内源性TG很低从肝脏向外周运高TG血症VLDL输TG低密度脂蛋白胆固醇酯低将胆固醇运至外动脉粥样硬化危LDL周组织险因素高密度脂蛋白磷脂、蛋白高逆向胆固醇运输保护因素HDL脂蛋白是脂质在血浆中运输的载体，由脂质核心（主要是甘油三酯和胆固醇酯）和表面单层（由磷脂、游离胆固醇和载脂蛋白组成）构成载脂蛋白不仅维持脂蛋白结构稳定，还充当酶辅因子和受体识别分子，对脂质代谢调控至关重要常见载脂蛋白包括apoB-100（VLDL和LDL的主要成分）、apoA-I（HDL的主要成分）和apoE（参与脂蛋白清除）脂蛋白代谢异常与多种疾病相关高LDL胆固醇（尤其是小而密LDL粒子）是动脉粥样硬化的主要危险因素；低HDL胆固醇也增加心血管风险；高甘油三酯血症与胰腺炎和心血管疾病相关他汀类药物主要通过增加肝脏LDL受体表达降低LDL水平；贝特类药物降低甘油三酯并轻度提高HDL；PCSK9抑制剂是一类新型强效降LDL药物此外，载脂蛋白基因变异也可导致特定脂蛋白代谢紊乱，如家族性高胆固醇血症（LDL受体或apoB基因缺陷）和家族性高脂蛋白血症（apoC-II缺陷）等物质代谢的整合与调节生物氧化与能量代谢复合物INADH脱氢酶接收NADH电子，泵送质子复合物II琥珀酸脱氢酶接收FADH2电子复合物III细胞色素c还原酶,泵送质子复合物IV细胞色素c氧化酶，将电子传递给氧，泵送质子合成酶ATP利用质子梯度合成ATP生物氧化是生物体内有机物氧化释放能量的过程，通常以氧气为最终电子受体在有氧呼吸中，从营养物质（如葡萄糖、脂肪酸）氧化产生的高能电子通过NADH和FADH2传递到线粒体内膜上的电子传递链，最终还原氧生成水电子从高能级传递到低能级的过程中释放的能量被用来泵送质子到线粒体膜间隙，形成质子梯度（化学渗透势）ATP合成酶利用质子沿浓度梯度流回基质的能量合成ATP，这一过程称为氧化磷酸化这是细胞能量转换的主要方式，每个NADH可产生约

2.5个ATP，每个FADH2可产生约

1.5个ATP线粒体功能障碍与多种疾病相关，如线粒体肌病、神经退行性疾病和某些代谢疾病电子传递链中的泄漏电子可与氧结合形成活性氧种类（ROS），过量ROS可导致氧化应激损伤抑制剂如氰化物可阻断电子传递，导致严重的细胞能量匮乏和迅速死亡活性氧与抗氧化系统活性氧种类酶促抗氧化系统非酶促抗氧化剂包括超氧阴离子（O2•-）、过氧化氢包括超氧化物歧化酶（SOD，催化O2•-转化为谷胱甘肽（主要胞内抗氧化剂）、维生素C（亲（H2O2）、羟自由基（•OH）和单线态氧H2O2）、过氧化氢酶（分解H2O2为水和水性抗氧化剂）、维生素E（脂溶性抗氧化剂，（1O2）等主要产生于线粒体电子传递链、氧）、谷胱甘肽过氧化物酶（使用谷胱甘肽还保护膜脂质）、类胡萝卜素、黄酮类等通过NADPH氧化酶系统和其他氧化酶反应中原H2O2）等这些酶形成协同网络保护细胞直接清除自由基或作为酶的辅因子发挥作用适量活性氧在细胞信号传导、免疫防御和基因表达调控中发挥重要作用然而，当活性氧产生超过抗氧化防御能力时，会导致氧化应激，损伤脂质（过氧化）、蛋白质（氧化修饰，功能丧失）和DNA（碱基损伤，突变）慢性氧化应激与多种疾病相关，包括心血管疾病、神经退行性疾病、癌症和衰老等信息分子传递细胞信息传递与调控受体类型信号通路整合G蛋白偶联受体（GPCR）是最大的跨膜受体家族，通过偶联的G蛋细胞通常接收多种信号输入，通过串级放大（一个分子激活多个下白传递信号，调控腺苷酸环化酶、磷脂酶C等效应蛋白酪氨酸激游分子）、交叉对话（不同通路间的相互影响）和反馈调节（通路酶受体（RTK）在配体结合后二聚化，激活内在酪氨酸激酶活性，自身调控）等机制整合这些信号关键信号分子如MAPK级联、通过磷酸化级联传递信号离子通道受体直接调节离子通量，在神PI3K/Akt和JAK/STAT等在多种生物过程中起核心作用，包括细胞经传递中尤为重要核受体直接调控基因表达，包括甾体激素受体增殖、分化、存活和凋亡等等蛋白激酶和磷酸酶在信号传导中扮演关键角色激酶催化蛋白质特定位点（常为丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基）的磷酸化，通常激活或抑制底物活性；磷酸酶则催化磷酸基团的去除，逆转磷酸化效应两类酶的平衡精确调控信号强度和持续时间人类基因组编码约500种蛋白激酶和约150种蛋白磷酸酶，形成复杂的调控网络信号传导异常与多种疾病密切相关癌症常与生长因子受体过度表达或突变激活、抑癌基因失活或原癌基因持续激活相关，如EGFR过表达在多种肿瘤中常见代谢疾病如2型糖尿病与胰岛素受体信号传导受损相关自身免疫疾病常涉及细胞因子信号通路异常理解这些机制为靶向治疗提供基础，如针对BCR-ABL酪氨酸激酶的伊马替尼治疗慢性粒细胞白血病，和针对JAK/STAT通路的托法替尼治疗类风湿关节炎细胞周期与凋亡期期G1S1细胞生长与准备DNA合成DNA合成与复制期期M G2有丝分裂，细胞分裂为两个子细胞3细胞继续生长，准备分裂细胞周期是细胞增殖的有序过程，由多个周期蛋白Cyclin和周期蛋白依赖性激酶CDK复合物调控不同Cyclin-CDK复合物在细胞周期特定时期活化，通过磷酸化底物推动周期进程细胞周期检查点确保DNA完整性和染色体正确分离，如G1/S检查点（DNA损伤检测）、G2/M检查点（确保DNA复制完成）和纺锤体组装检查点（确保染色体正确连接）p53是关键的细胞周期调控因子，响应DNA损伤激活周期阻滞或凋亡细胞凋亡是程序性细胞死亡，是多细胞生物去除受损或不需要细胞的重要机制凋亡有两条主要通路外源性通路由死亡受体（如Fas、TNFR）激活，内源性通路由线粒体外膜通透性增加、细胞色素c释放触发两条通路最终激活执行者caspase（如caspase-

3、-7），这些蛋白酶切割关键细胞蛋白导致细胞解体凋亡异常与多种疾病相关过度凋亡可导致神经退行性疾病和免疫缺陷；凋亡不足则与自身免疫疾病和肿瘤发生相关靶向凋亡通路的治疗策略已成为抗癌和抗神经退行性疾病研究的热点肿瘤分子生物化学恶性肿瘤侵袭性、转移性肿瘤1良性肿瘤局部增生、无侵袭性细胞增生3细胞数量增加但仍受控正常细胞增殖与凋亡平衡肿瘤发生是多阶段过程，涉及基因组不稳定性和多种基因突变积累癌基因（如RAS、MYC）的激活性突变促进细胞增殖、生存和侵袭；抑癌基因（如TP

53、RB）的失活性突变则解除细胞生长抑制现代癌症特征理论提出肿瘤发展需获得多种能力持续增殖信号、逃避生长抑制、抵抗细胞死亡、无限复制能力、诱导血管生成、激活侵袭和转移、重编程能量代谢和逃避免疫监视重要肿瘤信号通路包括RAS-RAF-MEK-ERK通路，调控细胞增殖，在多种肿瘤中过度激活；PI3K-AKT-mTOR通路，促进细胞生存和代谢，常见激活性突变；Wnt/β-catenin通路，在结直肠癌中频繁异常；p53通路，在50%以上人类肿瘤中失活肿瘤代谢重编程（Warburg效应）表现为即使在氧充足条件下仍偏好糖酵解产能，为快速增殖提供生物合成前体基于对这些分子机制的理解，靶向治疗已成为现代癌症治疗的重要组成，如EGFR抑制剂、BRAF抑制剂、免疫检查点抑制剂等血液肝脏结缔组织生物化学//血红蛋白与氧运输胆红素代谢结缔组织生化血红蛋白是红细胞中的四聚体蛋白，每个亚基含一胆红素是血红素分解的产物，初始为不溶性非结合胶原蛋白是结缔组织主要成分，具有特征性的三螺个血红素与氧可逆结合氧合血红蛋白呈鲜红色，型，在肝脏与葡萄糖醛酸结合形成可溶性结合型胆旋结构，富含甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸其合成脱氧血红蛋白呈暗红色影响氧结合的因素包括pH红素，经胆道排入肠道黄疸是胆红素代谢障碍的涉及多种翻译后修饰，包括羟基化、糖基化和交（Bohr效应）、温度、2,3-DPG浓度等CO2主要表现，可分为溶血性（产生增加）、肝细胞性（结联胶原合成障碍导致多种疾病，如坏血病（维生以碳酸氢盐形式和通过与血红蛋白结合运输合障碍）和阻塞性（排泄受阻）三种素C缺乏导致羟基化不足）、成骨不全症等肝脏是人体最大的代谢器官，执行多种生物化学功能常用肝功能指标包括转氨酶（ALT、AST），肝细胞损伤时升高；碱性磷酸酶（ALP）和γ-谷氨酰转肽酶（GGT），胆汁淤积时升高；白蛋白和凝血因子，反映肝脏合成功能；胆红素，反映胆汁排泄功能肝脏在药物代谢中尤为重要，通过细胞色素P450系统进行I相反应（氧化、还原、水解），和II相反应（结合反应如葡萄糖醛酸化、硫酸化），将脂溶性药物转化为水溶性代谢物便于排泄生物化学实验技术分光光度法离心分离技术基于物质对特定波长光的吸收特性进行定性利用分子大小和密度差异分离生物样品包定量分析适用于蛋白质浓度测定（280nm括差速离心（逐步提高转速分离不同组吸收或BCA/Bradford法）、核酸定量分）、密度梯度离心（样品在密度梯度介质（260nm）、酶活性测定（通过底物或产物中按密度分离）、超速离心（分离小分子和的吸光度变化）等光度法具有操作简便、亚细胞器）等离心是样品制备的基础步灵敏度高等优点骤显微成像技术荧光显微镜可观察特定荧光标记分子在细胞中的定位和动态变化；共聚焦显微镜提供三维成像；电子显微镜可观察亚细胞结构细节；超分辨率显微技术突破光学衍射限制，实现纳米级成像蛋白质纯化实例从肝组织提取谷胱甘肽转移酶组织匀浆后，低速离心去除细胞碎片，超速离心分离细胞质组分随后通过硫酸铵分级沉淀进行初步富集，透析去除盐分使用离子交换层析（DEAE-纤维素）和亲和层析（GSH-琼脂糖）进一步纯化，最后通过凝胶过滤获得高纯度酶制剂每一步骤都需测定酶活性和蛋白含量，计算特异活性和回收率临床生化检测应用血糖测定广泛采用葡萄糖氧化酶法，通过酶催化生成H2O2，再与显色剂反应产生有色化合物；血脂检测通过酶法测定胆固醇、甘油三酯等指标；肝功能检测包括ALT、AST等转氨酶活性测定现代自动化生化分析仪能同时检测多项指标，提高效率和精确度ELISA技术则广泛用于激素、肿瘤标志物等微量蛋白检测，PCR技术应用于病原体核酸检测和基因诊断前沿生物化学研究合成生物学1设计和构建全新生物系统蛋白质工程2定向改造蛋白质结构与功能代谢组学3系统研究生物体代谢物谱分子药物设计基于结构的靶向药物开发合成生物学结合工程学原理和生物学知识，创建具有新功能的生物系统从合成最小基因组（如克雷格·文特尔团队的Mycoplasma laboratorium项目）到设计代谢途径生产生物燃料和药物前体近年来CRISPR基因编辑技术的发展大大加速了该领域进展，使基因组精确改造成为可能未来合成生物学有望解决能源、环境和医疗领域的重大挑战代谢组学是系统研究生物体内所有代谢物的综合方法，结合质谱、核磁共振等高通量技术与生物信息学分析这一领域已广泛应用于疾病生物标志物发现、药物毒性评估和个体化医疗研究例如，研究发现特定代谢物谱模式可早期预测2型糖尿病风险；肠道菌群代谢物与多种疾病的关联也成为研究热点此外，靶向蛋白质相互作用的药物开发方面取得突破，如Bcl-2抑制剂Venetoclax用于治疗特定白血病，打开了过去被认为不可成药靶点的新途径总结与展望基础理解的进步应用领域的拓展现代生物化学已从描述性科学发展为深入理解生命本质的精确学生物化学知识正广泛应用于医学诊断、药物开发、农业改良、环科高通量技术和计算方法的应用使我们能够系统研究生物大分境监测等领域精准医疗依赖对疾病分子机制的理解；合成生物子的结构、功能和相互作用网络未来将更深入探索分子精细调学和蛋白质工程创造全新功能分子；生物信息学整合多层次数据控机制，从静态理解向动态过程的实时观察和预测转变指导研究方向这些应用将继续深化并创造更多跨学科机遇学习生物化学的关键在于理解生物大分子的结构与功能关系，掌握代谢途径的整体框架及其调控节点复习时应重点关注各章节核心概念、关键酶的作用机制以及代谢通路间的连接推荐建立知识图谱，将相关概念系统化，并通过解决问题来加深理解，特别是酶动力学计算、代谢途径能量变化分析等应用性问题生物化学与临床医学紧密相连，理解疾病的分子机制是诊断和治疗的基础建议医学相关专业学生重点关注代谢异常相关疾病（如糖尿病、高脂血症）、酶缺陷病（如糖原累积症）、分子标志物在疾病诊断中的应用等内容参与实验室实践可增强对理论知识的理解，培养研究思维和实验技能生物化学的未来发展将越来越多地融合多学科前沿，如人工智能辅助蛋白质结构预测、系统生物学方法解析复杂调控网络等，持续关注学科前沿对未来学习和职业发展至关重要。