《生物化学》课件

《生物化学》欢迎进入生物化学的奇妙世界！生物化学是探索生命本质的关键学科，它通过研究生物体内化学物质的结构、性质和反应，揭示生命现象的分子机制本课程将带领大家从分子层面理解生命活动，探索蛋白质、核酸、糖类和脂类等大分子的奥秘，解析细胞内精密的代谢网络和能量转换系统通过深入学习生物化学，我们将能够理解疾病发生的分子基础，并为医学、药学、农业等领域的发展提供理论支持生物化学发展简史早期探索19世纪分子生物学兴起1950-1980乌勒尔于1828年合成尿素，打破了有机物只能由生物体合沃森和克里克于1953年提出DNA双螺旋结构默里和尼伦伯成的观念巴斯德的发酵研究揭示了酶的存在，开创了生物格破译遗传密码，确立了中心法则，生物化学与分子生物学化学的先河紧密结合1234经典时期20世纪初现代发展1980至今萨默纳于1926年首次结晶并纯化尿素酶，证明酶是蛋白质汉斯·克雷布斯发现柠檬酸循环，阐明了细胞能量代谢的核心机制生物大分子的分类核酸脂类包括DNA和RNA，是遗传信息的疏水性分子，包括脂肪酸、甘油蛋白质载体和传递者DNA储存遗传信脂、磷脂、固醇类等构成生物息，RNA参与蛋白质的合成过程膜，储存能量，参与信号传导，糖类由氨基酸通过肽键连接而成的高和基因表达调控维持体温等分子化合物，是生命活动的主要执行者具有催化、运输、防御、调节、结构支持等多种功能2细胞中的化学物质有机小分子无机小分子包括氨基酸、单糖、核苷酸、脂肪包括水、无机盐、微量元素等水酸等基本构建单元，分子量通常小是最丰富的物质，占细胞总质量的于1000道尔顿它们是大分子的前70%，提供反应介质无机离子如体，也直接参与细胞代谢和调节过钠、钾、钙、镁等参与维持渗透压程和电位生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖和复杂脂质等这些高分子化合物赋予细胞结构和功能特性，执行遗传、代谢、调控等核心生命活动水与生物系统水的物理化学性质水在生命活动中的角色•高比热容稳定生物体温度水是生命反应的介质，几乎所有生物化学反应都在水环境中进行水分子直接参与多种代谢反应，如水解反应和脱水缩合反•高热传导率有效散热应氢键网络使蛋白质和核酸能够形成特定的三维结构，从而发•高汽化热通过蒸发散热挥功能•密度异常冰浮于水面保护水生生物•高表面张力毛细现象支持植物水分运输•极性溶剂溶解多种生物分子缓冲体系与生理pH稳定的pH环境确保酶和其他生物分子的最佳功能缓冲体系的化学本质弱酸/碱与其共轭碱/酸的平衡系统生理缓冲原理抵抗pH变化，维持内环境稳定人体内最重要的缓冲系统包括碳酸-碳酸氢盐系统H2CO3/HCO3-、磷酸盐系统H2PO4-/HPO4^2-、蛋白质系统和血红蛋白系统其中碳酸-碳酸氢盐系统在血液中起主导作用，通过呼吸系统排出CO2来调节H2CO3浓度，从而维持血液pH值在

7.35-

7.45的狭窄范围氨基酸基本知识氨基酸是蛋白质的基本构建单元，所有氨基酸都具有共同的基本结构一个中心碳原子α碳连接着一个氨基-NH

2、一个羧基-COOH、一个氢原子以及一个特定的侧链R基团正是这个独特的R基团决定了每种氨基酸的特性氨基酸特性与等电点酸性环境低pH氨基和羧基均质子化，氨基酸整体带正电荷H3N+-CHR-COOH等电点pI氨基去质子化，羧基失去质子，形成两性离子结构H2N-CHR-COO-碱性环境高pH氨基和羧基均失去质子，氨基酸整体带负电荷H2N-CHR-COO-氨基酸的等电点pI是指氨基酸分子呈电中性时的pH值，此时分子内正负电荷数量相等等电点的意义在于它决定了氨基酸在特定pH环境下的电荷状态和溶解度特性在等电点pH下，氨基酸的溶解度最小，容易析出形成沉淀胜肽与多肽结构肽键形成氨基酸之间通过脱水缩合反应形成肽键-CO-NH-这是一种共价键，由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间脱去一分子水形成肽键具有部分双键特性，使其呈现平面结构，限制了多肽链的旋转自由度多肽链构象肽链的主链由α碳-羧基-肽键-氨基-α碳的重复单元组成，侧链R基团垂直于主链平面向外延伸多肽链有明确的方向性，一端为N端氨基端，另一端为C端羧基端蛋白质的生物合成始终从N端向C端进行生物活性肽功能蛋白质的结构层次一级结构氨基酸序列二级结构局部规则排列α螺旋、β折叠三级结构整个多肽链的三维折叠四级结构多个亚基的组装蛋白质一级结构是由基因编码决定的氨基酸线性序列，是其他所有结构层次的基础二级结构是局部区域的规则排列，主要由氢键稳定，包括α螺旋每转

3.6个氨基酸、β折叠平行或反平行排列的链段和β转角连接相邻β链的结构蛋白质结构的功能关系基因决定序列序列决定结构1DNA编码的遗传信息决定氨基酸序列氨基酸序列包含了蛋白质折叠的全部信息结构异常致病结构决定功能错误折叠导致功能丧失或毒性获得特定的三维结构使蛋白质能执行特定功能蛋白质功能与其空间结构密切相关酶的活性中心由特定空间排布的氨基酸构成，提供了催化反应所需的精确化学环境抗体的抗原结合位点形状与抗原表位互补膜蛋白的疏水区域嵌入膜中，而亲水区域暴露于胞内或胞外蛋白质的分离与纯化样品制备初步分离色谱纯化纯度检验组织匀浆，细胞破碎，去除细胞碎片盐析，差速离心，分级沉淀凝胶过滤，离子交换，亲和色谱电泳分析，活性测定，质谱验证蛋白质分离纯化利用蛋白质的物理化学性质差异进行分离盐析法基于蛋白质溶解度随离子强度变化的特性，通常使用硫酸铵进行分级沉淀等电点沉淀通过调节pH至蛋白质等电点使其沉淀离心技术利用密度差异分离细胞组分蛋白质测序与鉴定N端测序法肽指纹图谱埃德曼降解法是经典的N端测序技术，将蛋白质用特异性蛋白酶如胰蛋白酶通过苯异硫氰酸酯PITC与蛋白质N端消化成肽段混合物，通过质谱分析产氨基酸反应，循环切除并鉴定每一个生特征性肽段质量谱图，与数据库比氨基酸该方法可靠但较慢，通常只对鉴定蛋白质这是当前蛋白质鉴定能测定约50个氨基酸的主流方法质谱分析电喷雾电离ESI和基质辅助激光解吸电离MALDI质谱技术能直接测量完整蛋白质和肽段的质量串联质谱MS/MS可对肽段进行序列分析，提供更准确的鉴定结果蛋白质的功能类型酶抗体转运蛋白生物催化剂，加速体内几乎所有化学反应而免疫球蛋白，在免疫系统中识别并结合特定负责分子在细胞和组织间的运输如血红蛋不改变平衡酶的催化效率极高，具有高度抗原包括IgG、IgM、IgA、IgE和IgD五类，白运氧、脂蛋白运脂、转铁蛋白运铁以的专一性如消化酶、代谢酶、DNA聚合酶在体液免疫中发挥重要作用及各种膜转运蛋白，控制物质跨膜转运等酶的定义与特点高效催化高度特异性可调控性酶能将反应速率提高酶对底物的识别极为精酶活性可通过多种方式精10^6-10^12倍，无需高温确，可区分同分异构体和细调节，如变构效应、共高压等极端条件如碳酸对映异构体这种锁钥价修饰、底物浓度变化、酐酶每秒可催化分解100关系来自活性中心的特定pH和温度改变等万个CO2分子三维结构酶是一类具有催化功能的生物大分子，绝大多数为蛋白质，少数为RNA核酶酶只改变反应速率而不改变反应的平衡常数，不会使热力学不可能的反应发生大多数酶在温和条件中性pH、生理温度下发挥最佳活性，这与化学催化剂形成鲜明对比酶的命名与分类酶类别催化反应类型典型实例

1.氧化还原酶电子转移反应脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶

2.转移酶官能团转移反应激酶、转氨酶、甲基转移酶

3.水解酶水解反应蛋白酶、脂肪酶、核酸酶

4.裂解酶非水解断键反应醛缩酶、脱氨酶、裂合酶

5.异构酶分子内重排反应磷酸己糖异构酶、消旋酶

6.连接酶两分子连接反应DNA连接酶、合成酶酶的命名有两种系统通用名和系统命名通用名通常以底物名加-酶后缀构成，如淀粉酶、脂肪酶；或以功能加-酶后缀，如DNA聚合酶系统命名由国际生物化学与分子生物学联盟IUBMB制定，采用EC号Enzyme Commission四级分类系统，如EC

3.

4.

21.4代表胰凝乳蛋白酶酶促反应基础底物结合底物特异性识别与结合过渡态稳定降低活化能催化转化促进化学键断裂与形成产物释放4恢复酶活性状态酶催化反应的本质是降低反应的活化能Ea，使反应在温和条件下迅速进行未催化反应需要底物分子获得足够能量越过能垒；而在酶的作用下，反应经历一条能量更低的路径，形成酶-底物复合物，降低了活化能米氏常数与酶动力学酶的调控与抑制酶抑制类型酶活性调节机制多种机制协同调控酶活性，确保代谢精确响应生理需要•变构调节效应分子结合在非活性中心，引起构象变化影响活性•共价修饰如蛋白质磷酸化/去磷酸化，调节多种信号通路•蛋白水解激活如消化酶的前体激活•基因表达调控通过转录和翻译水平控制酶的合成量•酶的空间区室化控制酶与底物的接触机会可逆抑制分为三种主要类型•竞争性抑制抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心，表现为Km增大，Vmax不变多酶复合体与代谢通路糖酵解柠檬酸循环1葡萄糖分解为丙酮酸，产生ATP和NADH丙酮酸氧化为CO2，生成还原当量氧化磷酸化4电子传递链利用质子梯度合成ATP NADH和FADH2氧化，驱动ATP合成多酶复合体是由多个酶组装成的功能单元，实现代谢流的高效协调这种结构允许底物在酶之间直接传递，避免中间产物扩散，提高催化效率典型例子包括丙酮酸脱氢酶复合体、α-酮戊二酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶和核糖体碳水化合物概述多糖1由多个单糖通过糖苷键连接双糖2由两个单糖分子缩合而成单糖3碳水化合物的基本单元碳水化合物是生物界最丰富的有机化合物，由碳、氢、氧组成，通常符合CmH2On分子式单糖是最基本的碳水化合物，不能水解为更简单的糖常见单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖六碳糖和核糖、木糖五碳糖等单糖可以线性开链或环状存在，环状结构在水溶液中占优势单糖的分类与异构现象羟醛糖与酮糖D型与L型糖按羰基位置分类，单糖可分为羟醛糖基于旋光异构现象，根据距羰基最远的醛糖，如葡萄糖和羟酮糖酮糖，如果手性碳原子上羟基的取向分为D型和L糖羟醛糖含有醛基-CHO，羟酮糖型自然界中的糖主要是D型，如D-葡含有酮基C=O这一结构差异影响其萄糖，而L型糖如L-阿拉伯糖相对少化学反应性和代谢途径见此分类与溶液旋光性无直接关系环化与变旋光单糖在水溶液中存在开链和环状形式的平衡，环化产生新的手性中心异头碳，形成α型和β型异构体，导致变旋光现象如α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖在水溶液中相互转化，直至达到平衡多糖的生物学功能能量储存动物的糖原和植物的淀粉是主要的能量储存形式肝糖原可在血糖低时分解为葡萄糖释放到血液；肌糖原为肌肉活动提供能量淀粉包括直链淀粉支链酶和支链淀粉淀粉糊精，是植物光合作用的储能产物结构支持纤维素是植物细胞壁的主要成分，由β-1,4连接的葡萄糖组成，形成不可溶性的、高强度的纤维几丁质存在于真菌细胞壁和节肢动物外骨骼中果胶和半纤维素也参与植物细胞壁构建分子识别细胞表面的糖蛋白和糖脂含有复杂的糖链结构，参与细胞间识别、信号传导和免疫反应血型抗原由特定糖链决定透明质酸是结缔组织中的粘多糖，具有保湿和润滑作用肝糖原是短期能量储备，分支丰富，便于快速动员；肌糖原分支较少，提供持续能量供应淀粉和糖原酶解产生单体葡萄糖，而纤维素因β糖苷键连接，人类消化系统无法水解，成为膳食纤维糖类的化学性质氧化反应还原反应单糖中的醛基或酮基可被氧化醛糖单糖的羰基可被还原为羟基，生成糖容易被温和氧化剂氧化为醛糖酸如葡醇如葡萄糖还原为山梨醇，甘露糖萄糖→葡萄糖酸；强氧化条件下，末还原为甘露醇，木糖还原为木糖醇端羟基也可被氧化形成糖二酸这一这些糖醇通常甜度高但热量低，在食性质是糖类检测的基础，如Benedict品工业中用作代糖部分糖醇也在体试剂和Fehling试剂利用Cu²⁺被还原内代谢和信号转导中发挥作用为Cu₂O的红色沉淀来检测还原糖糖苷键形成单糖的异头碳半缩醛羟基可与羟基、氨基或硫醇基反应形成糖苷键这是多糖、糖蛋白和糖脂形成的基础糖苷键的α/β构型和连接位置决定了多糖的物理性质和生物功能如α-1,4糖苷键在淀粉中，β-1,4糖苷键在纤维素中糖类还能发生其他化学反应，如醇基的酯化反应形成糖酯；在酸性条件下脱水形成糠醛或羟甲基糠醛；与氨基酸缩合形成糖基化产物，这在食品烹饪和生物体衰老过程中都很重要梅拉德反应非酶褐变就是糖与氨基酸反应形成褐色产物的过程，产生食物香味和色泽糖蛋白与糖脂糖蛋白结构与糖基化糖脂特性与功能糖蛋白是蛋白质与糖链共价结合的复合物N-糖基化发生在蛋白质中天冬酰胺Asn的酰胺氮上，糖脂是脂质与糖基共价连接的复合物，主要存在于细胞膜外层神经节苷脂含有唾液酸，是神经细主要通过内质网和高尔基体中的酶催化；O-糖基化发生在丝氨酸Ser或苏氨酸Thr的羟基上，多在胞膜的重要成分；脑苷脂参与髓鞘形成；血型糖脂决定ABO血型糖脂的糖基部分朝向细胞外，参高尔基体中进行糖链结构多样，从单个糖残基到复杂分支链不等与细胞识别、信号传导和细胞黏附糖蛋白在生物体内有多种重要功能许多分泌蛋白和膜蛋白都是糖蛋白；血浆蛋白如免疫球蛋白和部分凝血因子含有糖链；细胞表面受体和运输蛋白通常被糖基化；粘蛋白形成粘液保护上皮表面；激素如促性腺激素含有糖链对其活性至关重要糖链修饰可影响蛋白质折叠、稳定性、半衰期和抗原性脂类化合物结构脂类是一组溶于非极性溶剂而不溶或微溶于水的生物分子脂肪酸是脂类的基本组成单元，由碳氢链和一个羧基组成，可分为饱和无双键和不饱和含一个或多个双键脂肪酸常见饱和脂肪酸有棕榈酸C16:0和硬脂酸C18:0；不饱和脂肪酸有油酸C18:

1、亚油酸C18:2和亚麻酸C18:3复杂脂类包括甘油脂如甘油三酯，由甘油与三个脂肪酸酯化形成；磷脂含磷酸基团，如磷脂酰胆碱；鞘脂含鞘氨醇，如神经节苷脂；固醇类含四环结构，如胆固醇此外还有蜡、萜类和前列腺素等不同脂类根据其结构特点在生物体内发挥能量储存、膜结构形成、信号传导、激素合成等多种功能脂肪酸的分类及命名分类碳链长度代表性例子主要来源短链饱和脂肪酸C4-C6丁酸C4:0乳制品，肠道菌群发酵产物中链饱和脂肪酸C8-C12月桂酸C12:0椰子油，棕榈仁油长链饱和脂肪酸C14-C20棕榈酸C16:0，硬脂酸C18:0动物脂肪，棕榈油单不饱和脂肪酸C16-C22油酸C18:1,ω-9橄榄油，菜籽油多不饱和脂肪酸C18-C22亚油酸C18:2,ω-6，亚麻酸C18:3,ω-3植物油，鱼油脂肪酸命名系统包括传统命名如棕榈酸和系统命名系统命名通常使用C表示碳原子数，后跟冒号和双键数量，如C18:1表示含18个碳原子和1个双键的脂肪酸对于不饱和脂肪酸，还需指明双键位置，有两种标记方法从羧基端数Δ标记法或从甲基端数ω标记法例如，油酸可表示为C18:1Δ9或C18:1ω-9必需脂肪酸是指人体无法合成而必须从食物中获取的脂肪酸，主要包括亚油酸ω-6和α-亚麻酸ω-3这些脂肪酸是细胞膜成分和前列腺素等信号分子的前体ω-3脂肪酸特别是EPA和DHA具有抗炎作用，有益于心血管健康和神经系统功能脂肪酸代谢紊乱与多种疾病相关，包括肥胖、糖尿病和动脉粥样硬化膜脂与生物膜结构磷脂双分子层细胞膜的基本骨架是磷脂双分子层，磷脂分子的亲水头部朝向水相，疏水尾部朝向膜内部这种结构创造了一个稳定的屏障，隔离细胞内外环境，同时提供了一个动态的二维流体环境主要膜磷脂包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇膜蛋白功能膜蛋白嵌入或附着于磷脂双分子层，执行多种功能跨膜蛋白跨越整个双分子层，形成通道或转运体；外周膜蛋白附着于膜表面；脂锚定蛋白通过脂质修饰与膜相连膜蛋白负责物质转运、信号传导、细胞连接、酶催化和细胞识别等功能膜动态特性生物膜是一个动态结构磷脂分子可在平面内自由扩散侧向运动；膜蛋白也能在膜平面内移动，尽管速度较慢膜的流动性受温度、脂肪酸饱和度和胆固醇含量影响细胞膜还可形成脂筏富含胆固醇和鞘脂的微区域，作为特定信号传导过程的平台膜的不对称性是其重要特点膜两侧的脂质组成不同磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇主要位于细胞质侧；磷脂酰胆碱和糖脂主要位于细胞外侧这种不对称性对维持膜电位、细胞识别和凋亡信号识别至关重要细胞内不同膜系统如内质网、高尔基体、线粒体也有独特的脂质组成，反映其特定功能需求胆固醇与类固醇胆固醇结构与功能类固醇激素胆固醇属于固醇类脂质，由四个相连的环状结构和一个羟基组成，是一种两亲性分子在生物膜中，胆固醇的羟基朝向膜表面，疏水的环状结胆固醇是所有类固醇激素的前体性激素如睾酮和雌二醇调节生殖系统发育和功能；皮质类固醇如糖皮质激素如皮质醇调节代谢和应激反应，构嵌入脂双层中胆固醇通过与磷脂尾部相互作用，降低膜流动性，同时防止膜在低温下过度僵化，调节膜的流动性和机械稳定性盐皮质激素如醛固酮调节电解质平衡；维生素D衍生物1,25-二羟基维生素D3调节钙磷代谢这些激素结构相似但功能多样，反映了小的结构变化如何导致显著的功能差异脂类的生理功能能量储存生物膜组成甘油三酯是人体最高效的能量储存形磷脂、糖脂和胆固醇是生物膜的主要式，每克可提供约9千卡能量，是碳成分，创建细胞内外环境分隔除了水化合物和蛋白质每克约4千卡的两构建屏障，膜脂还形成特化的微区域倍多脂肪组织中的脂滴含有大量甘如脂筏，集中特定蛋白质，协调信号油三酯，可在能量需求时被脂肪酶水传导过程某些脂类如心肌磷脂对心解为甘油和脂肪酸，脂肪酸经β-氧化肌细胞膜稳定性至关重要提供能量脂肪组织还具有隔热和器官保护作用信号传递多种脂类衍生物作为信号分子前列腺素源自花生四烯酸调节炎症和血管张力；二酰甘油和磷脂酰肌醇衍生物如PIP3是重要的第二信使，在细胞内信号传导中发挥作用；鞘氨醇-1-磷酸参与细胞增殖和存活信号脂类的其他生理功能包括某些脂溶性维生素A、D、E、K需要脂类运输和吸收；表面活性剂肺泡磷脂减少肺泡表面张力，防止肺泡塌陷；脂质修饰如脂酰化和异戊二烯化对某些蛋白质定位和功能必不可少；神经鞘磷脂形成髓鞘，提高神经冲动传导效率核酸的结构基础核苷酸组成DNA结构特点核苷酸是核酸的基本构建单元，由三部分组DNA通常以双螺旋形式存在，两条链通过碱成含氮碱基嘌呤或嘧啶、五碳糖核糖或基互补配对A-T,G-C结合，形成稳定的螺旋脱氧核糖和磷酸基团DNA含有腺嘌呤A、结构DNA糖骨架包含脱氧核糖，更稳定，鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T；RNA适合长期存储遗传信息DNA主要位于细胞中T被尿嘧啶U取代核苷酸通过3,5-磷酸核内，真核生物DNA与组蛋白结合形成染色二酯键连接形成核酸链质DNA可以呈现不同的构象，如B型最常见、A型和Z型DNARNA结构特点RNA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级结构RNA含有核糖，2位羟基使其化学上不如DNA稳定RNA种类多样，包括信使RNAmRNA、转运RNAtRNA、核糖体RNArRNA以及多种非编码RNARNA在蛋白质合成、基因表达调控和催化生物化学反应中发挥重要作用DNA和RNA虽然基本结构相似，但在几个关键方面存在差异1糖成分DNA含脱氧核糖，RNA含核糖；2碱基组成DNA含T，RNA含U；3链数DNA通常为双链，RNA通常为单链；4稳定性DNA更稳定，适合信息存储；RNA较不稳定，适合临时信息传递；5分布DNA主要在细胞核，RNA在核内和细胞质都有这些差异反映了它们在生物体内的不同功能核苷酸及其衍生物

7.

430.5ATP的pH值ATP水解自由能在生理条件下，ATP带4个负电荷，形成稳定复合每摩尔ATP水解释放约

30.5kJ能量物1-10mM细胞ATP浓度人体细胞维持毫摩尔水平的ATP浓度三磷酸腺苷ATP是细胞能量货币，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成ATP储存在高能磷酸键中的能量可通过水解释放，驱动各种能量消耗反应ATP不仅作为能量来源，还是核酸合成的前体和某些酶的辅助因子其他能量富集核苷酸包括GTP在蛋白质合成中特别重要、UTP和CTP核苷酸衍生物在信号传导中起关键作用环腺苷酸cAMP是由腺苷酸环化酶催化ATP生成的重要第二信使，激活蛋白激酶A，参与多种生理过程调控环鸟苷酸cGMP在视觉信号传导和血管舒张中发挥作用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD⁺和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD是重要的氧化还原辅酶，在能量代谢中传递电子辅酶A含有腺苷部分，在脂肪酸代谢和许多生物合成途径中携带酰基的二级结构DNA碱基互补配对双螺旋形成1A-T形成2个氢键，G-C形成3个氢键两条链反向平行缠绕，形成右手螺旋碱基堆积主沟和次沟3平面芳香环相互堆叠，增强稳定性螺旋结构形成两种宽度不等的沟B型DNA是生物体内最常见的DNA构象，呈右手螺旋，每

10.5个碱基对完成一圈，螺旋直径约2nm螺旋结构形成主沟宽而深和次沟窄而浅，提供DNA与蛋白质特异结合的识别面B-DNA分子中，核苷酸的糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧两条DNA链反向平行排列，一条5→3，另一条3→5DNA分子的稳定性源于多种相互作用碱基间的氢键提供特异性；碱基间的疏水相互作用和π-π堆积提供主要稳定力；骨架上的磷酸基团带负电，在水溶液中需要正离子如Na⁺、Mg²⁺中和DNA可根据环境条件如离子强度、pH和与蛋白质的相互作用形成多种构象，包括A-DNA脱水条件下和Z-DNA左手螺旋DNA构象多样性对基因表达调控和多种生物学过程有重要意义的种类与功能RNA信使RNA mRNA转运RNA tRNA核糖体RNA rRNA携带从DNA转录的遗传信息，作为蛋白质合成的模将氨基酸递送到核糖体进行蛋白质合成tRNA呈与蛋白质一起构成核糖体，是蛋白质合成的分子机板真核生物mRNA具有5帽子结构、多聚A尾巴和三叶草二级结构，折叠成L形三级结构每种tRNA器真核生物核糖体含有28S、18S、

5.8S和5S四种非翻译区UTRs，这些结构对mRNA稳定性、定位特异性携带一种氨基酸，通过其反密码子与mRNA rRNA核糖体的肽基转移酶活性位于rRNA上，说和翻译效率有重要影响mRNA的半衰期从几分钟上的密码子配对人体细胞含有约40种不同的tRNA明RNA可以具有催化功能核酶，支持RNA世界假到几天不等，允许细胞快速调整蛋白质表达水平分子，携带20种氨基酸说非编码RNA是一大类不翻译成蛋白质的功能性RNA微小RNAmiRNA和小干扰RNAsiRNA参与RNA干扰过程，调控基因表达；长链非编码RNAlncRNA在基因表达调控中发挥多种功能；核内小RNAsnRNA参与mRNA剪接；核仁小RNAsnoRNA指导核糖体RNA修饰；转座子RNA和PIWI相互作用RNA保护基因组免受转座子破坏；循环RNA通过海绵化miRNA调控基因表达遗传信息的表达DNA遗传信息的长期储存转录DNA→RNA，在细胞核内进行RNA加工真核生物特有，包括剪接、修饰翻译RNA→蛋白质，在核糖体上进行转录是由RNA聚合酶催化的过程，以DNA为模板合成RNA原核生物只有一种RNA聚合酶；真核生物有三种，负责不同RNA的合成转录起始于启动子，RNA聚合酶在转录因子帮助下结合并打开DNA双链链延伸阶段，RNA聚合酶沿模板链5→3方向移动，根据碱基互补原则合成RNA转录终止于终止信号真核生物mRNA合成后需要复杂加工5端加帽、3端加多聚A尾、内含子剪接翻译发生在核糖体上，按mRNA密码子顺序合成多肽链遗传密码由三个核苷酸组成密码子，大多数氨基酸有多个密码子简并性翻译分为起始、延伸和终止三个阶段，需要核糖体、tRNA和多种蛋白因子参与这一过程将遗传信息最终转化为功能性蛋白质，是基因表达的核心机制体内能量代谢概述营养物质摄入分解代谢碳水化合物、脂肪和蛋白质作为能量来源大分子分解为小分子，释放能量2生物学功ATP合成3ATP水解驱动各种生命活动能量以ATP形式储存，供细胞利用ATP是细胞能量的主要载体，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成ATP水解释放能量驱动多种生物过程机械功如肌肉收缩、细胞运动；运输功如主动运输；生物合成如蛋白质合成、DNA复制；维持细胞结构和信号传导成人每日约合成和消耗相当于体重的ATP，体内ATP分子周转迅速，平均寿命约1分钟体内主要的ATP合成途径包括底物水平磷酸化如糖酵解和三羧酸循环中直接将高能磷酸基转移至ADP；氧化磷酸化利用电子传递链产生的质子梯度合成ATP；光合磷酸化光能驱动的ATP合成，仅存在于光合生物中在有氧条件下，一分子葡萄糖可通过完全氧化产生约30-32分子ATP，体现了生物体高效利用能量的能力糖酵解与糖异生糖酵解途径糖异生途径糖异生是从非糖前体如丙酮酸、乳酸、甘油和某些氨基酸合成葡萄糖的过程，主要发生在肝脏和肾糖酵解是将葡萄糖分解为丙酮酸的十步反应过程，发生在细胞质中其主要功能是在无氧条件下产生脏其生理意义在于维持血糖水平，特别是在禁食或剧烈运动期间此途径不是糖酵解的简单逆转，有ATP；为有氧呼吸提供丙酮酸；生成NADH；提供代谢中间体用于其他生物合成途径关键调控酶包三个特异性步骤丙酮酸羧化酶、果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶催化的反应括己糖激酶第一步、磷酸果糖激酶-1PFK-1，第三步和丙酮酸激酶最后一步糖酵解和糖异生途径在代谢上相互对立，受到精细调控以避免徒劳循环胰岛素促进糖酵解，抑制糖异生；胰高血糖素则相反这两条途径的调控主要通过三对酶的相互拮抗作用实现己糖激酶/葡萄糖-6-磷酸酶；磷酸果糖激酶-1/果糖-1,6-二磷酸酶；丙酮酸激酶/丙酮酸羧化酶代谢中间体果糖-2,6-二磷酸是一个重要调节因子，它激活PFK-1同时抑制果糖-1,6-二磷酸酶，起到糖酵解加速器的作用柠檬酸循环丙酮酸脱羧丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸转化为乙酰CoA，同时产生NADH和CO2循环起始乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，由柠檬酸合酶催化脱氢和脱羧经过一系列反应，产生3个NADH、1个FADH2和2个CO2底物再生循环最后一步重新生成草酰乙酸，可接受新的乙酰CoA柠檬酸循环三羧酸循环或克雷布斯循环发生在线粒体基质中，是细胞有氧代谢的核心途径每个循环消耗一个乙酰CoA分子，产生两个CO2分子、三个NADH分子、一个FADH2分子和一个GTP分子可转换为ATP这些还原当量NADH和FADH2随后在电子传递链中被氧化，驱动ATP合成柠檬酸循环不仅是能量代谢的中心，也是多种物质代谢的交叉点，提供许多生物合成途径的前体α-酮戊二酸是某些氨基酸合成的前体；琥珀酰CoA用于血红素合成；草酰乙酸和α-酮戊二酸参与氨基酸转氨反应；柠檬酸可输出到细胞质用于脂肪酸合成循环关键调控点包括柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶，它们对ATP/ADP比率、NADH/NAD+比率及底物浓度敏感氧化磷酸化与电子传递链复合物I NADH脱氢酶NADH→NAD+，电子传递至辅酶Q复合物II琥珀酸脱氢酶FADH2→FAD，电子传递至辅酶Q复合物III辅酶Q-细胞色素c还原酶电子从辅酶Q传递至细胞色素c复合物IV细胞色素c氧化酶电子最终传递给氧，生成水电子传递链位于线粒体内膜上，由四个蛋白质复合物和两个可移动电子载体辅酶Q和细胞色素c组成电子从NADH和FADH2传递到O2的过程释放能量，用于将质子从基质泵入膜间隔，建立质子电化学梯度复合物I、III和IV具有质子泵功能，而复合物II没有ATP合酶复合物V或F0F1-ATP合酶利用质子梯度合成ATP，这一过程称为氧化磷酸化根据化学渗透偶联假说，质子沿电化学梯度通过ATP合酶的F0部分流回基质，驱动F1部分催化ADP与无机磷酸结合形成ATP这一过程体现了能量转换的基本原理电子传递释放的能量转化为质子梯度能量，再转化为ATP中的化学能理论上，每个NADH可产生约

2.5个ATP，每个FADH2可产生约

1.5个ATP脂肪酸的分解与合成12脂肪酸β-氧化脂肪酸合成脂肪酸分解发生在线粒体基质中，通脂肪酸合成发生在细胞质中，由脂肪过肉毒碱穿梭系统运输脂酰CoA进入酸合酶复合体催化每个循环添加两线粒体β-氧化循环每次切除两个碳个碳原子，使用乙酰CoA为底物，丙原子，生成一个乙酰CoA、一个NADH二酰CoA为延长单位，NADPH为还原和一个FADH2完整氧化一个16碳脂力合成与分解途径在细胞器位置、肪酸棕榈酸可产生106个ATP，远高辅酶需求和催化酶方面均不同，允许于一个葡萄糖30-32个ATP两条途径同时进行调控代谢调控胰岛素促进脂肪酸合成并抑制分解；胰高血糖素和肾上腺素则相反在转录水平，固醇调节元件结合蛋白SREBP-1c激活脂肪酸合成相关基因，过氧化物酶体增殖物激活受体αPPARα激活β-氧化相关基因肉毒碱棕榈酰转移酶I是β-氧化的关键调控点，被丙二酰CoA抑制脂肪酸分解与合成的代谢平衡对维持能量平衡至关重要进食后，高胰岛素和血糖水平促进葡萄糖转化为脂肪酸并储存为甘油三酯；禁食期间，低胰岛素和高胰高血糖素水平促进脂肪组织释放脂肪酸，供肝脏产生酮体和为组织提供能量代谢紊乱可导致脂肪肝、肥胖和胰岛素抵抗等病理状态蛋白质与氨基酸代谢转氨基作用转氨酶催化氨基从氨基酸转移至α-酮酸的反应，生成新的氨基酸和α-酮酸该反应需要维生素B6衍生物吡哆磷酸作为辅基转氨基作用在氨基酸代谢和生物合成中起核心作用，连接不同氨基酸的代谢途径脱氨基作用氨基酸的氨基通过氧化脱氨反应从碳骨架上移除，形成游离氨和α-酮酸这一过程主要发生在肝脏，首先通过转氨基作用将氨基转移到谷氨酸上，然后谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸生成α-酮戊二酸和氨NH3碳骨架代谢氨基酸脱氨后产生的碳骨架α-酮酸可进入不同代谢途径糖源氨基酸如丙氨酸、丝氨酸转化为丙酮酸或TCA循环中间体，最终可转化为葡萄糖；酮源氨基酸如亮氨酸、赖氨酸转化为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA，可用于酮体合成人体必需氨基酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、赖氨酸和组氨酸无法合成，必须从饮食获取非必需氨基酸可在体内合成，但在特定生理状态下如生长、疾病需求可能超过合成能力，成为条件必需氨基酸如精氨酸、谷氨酰胺尿素循环碳酰磷酸合成氨形成2NH3与HCO3-结合形成碳酰磷酸1蛋白质分解和氨基酸脱氨产生有毒氨瓜氨酸形成碳酰磷酸与鸟氨酸结合形成瓜氨酸3尿素释放精氨酸形成精氨酸水解产生尿素和再生鸟氨酸4经天冬氨酸加入另一氮原子，生成精氨酸尿素循环是哺乳动物将有毒氨转化为无毒尿素的主要途径，主要发生在肝脏循环由五个反应组成，其中两个发生在线粒体基质，三个发生在细胞质中每个循环消耗3个ATP当量，生成一分子尿素含有两个氮原子尿素通过血液运输到肾脏，随尿液排出体外尿素循环的调控与蛋白质摄入和氮平衡密切相关高蛋白饮食增加循环的活性，促进氨排泄尿素循环缺陷是一组遗传代谢疾病，由循环相关酶的基因突变引起较严重的形式如鸟氨酸氨甲酰转移酶缺乏症可导致高氨血症，引起神经系统损伤治疗通常包括低蛋白饮食、尿素生成替代路径的药物如苯丁酸钠和避免分解代谢压力核苷酸的代谢嘌呤核苷酸代谢嘧啶核苷酸代谢嘌呤核苷酸腺嘌呤和鸟嘌呤衍生物的从头合成始于5-磷酸核糖，经过多步反应形成肌苷酸IMP，然后转化嘧啶核苷酸胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶衍生物的合成始于碳酰磷酸与天冬氨酸结合形成卡巴莫基天冬氨酸，为腺嘌呤核苷酸AMP和鸟嘌呤核苷酸GMP这些反应由多种酶催化，需要ATP、谷氨酰胺、甘氨酸、天冬经进一步反应形成尿苷酸UMP，再转化为胞苷酸CMP和脱氧胸苷酸dTMP与嘌呤合成不同，嘧啶的环结氨酸等底物嘌呤核苷酸还可通过补救途径合成，利用核苷磷酸化酶直接将碱基与5-磷酸核糖结合构是在与核糖结合前合成的嘧啶也有补救途径，但重要性较嘌呤小核苷酸的分解最终产物在不同生物中有所不同灵长类无法进一步分解尿酸，因此人类嘌呤代谢的最终产物是尿酸，经肾脏排出高尿酸血症可导致痛风，表现为尿酸盐结晶沉积在关节中嘧啶代谢的最终产物是β-氨基异丁酸和β-丙氨酸，最终进入TCA循环核苷酸代谢缺陷与多种疾病相关，如Lesch-Nyhan综合征次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺乏和先天性免疫缺陷腺苷脱氨酶缺乏代谢调控机制信号转导与分子调控配体-受体结合信号分子与细胞表面或胞内受体特异性结合信号级联放大2激酶和磷酸酶传递和放大信号第二信使生成cAMP、cGMP、钙离子、二酰甘油等信号分子靶蛋白活性改变代谢酶、转录因子等效应蛋白功能调节反馈调节和终止信号通路自我调节和关闭机制细胞信号转导系统可分为几类主要类型G蛋白偶联受体GPCR通路通过调控腺苷酸环化酶、磷脂酶C或离子通道发挥作用；受体酪氨酸激酶RTK通路通过Ras-MAPK和PI3K-Akt等下游通路传递信号；配体门控离子通道通过调控离子流动影响细胞活动；核受体如糖皮质激素受体直接调控基因表达这些信号通路协调调控细胞的代谢、生长、分化和凋亡例如，胰岛素通过RTK激活PI3K-Akt通路，促进GLUT4转运体转位到细胞膜，增加葡萄糖摄取；肾上腺素通过β受体GPCR激活腺苷酸环化酶，增加cAMP水平，激活PKA，促进糖原分解信号通路的精确调控对维持细胞稳态至关重要，其异常与多种疾病相关，包括癌症、糖尿病和神经退行性疾病生物化学在医学中的应用代谢疾病肿瘤生物化学糖尿病是最常见的代谢紊乱，涉及胰肿瘤细胞的代谢重编程是癌症的标志岛素分泌不足或胰岛素抵抗I型糖尿特征之一Warburg效应描述了癌细病是自身免疫性疾病，导致胰岛β细胞偏好通过糖酵解产生能量，即使在胞破坏；II型糖尿病与生活方式和遗有氧条件下也是如此癌细胞还表现传因素相关，表现为胰岛素抵抗和渐出谷氨酰胺代谢增强、脂肪酸合成上进性胰岛素分泌障碍其他代谢疾病调和核苷酸合成增加这些代谢变化包括高尿酸血症、苯丙酮尿症和糖原为癌症靶向治疗提供了新靶点累积病等遗传性疾病许多遗传病涉及代谢通路中的酶缺陷例如，苯丙酮尿症由苯丙氨酸羟化酶缺乏引起；半乳糖血症与半乳糖代谢酶缺陷相关；Lesch-Nyhan综合征由嘌呤代谢酶HGPRT缺陷引起早期诊断和干预如饮食控制对某些遗传代谢病至关重要生物化学在药物开发中发挥关键作用药物靶点的分子理解是药物设计的基础例如，他汀类药物通过抑制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成；磺脲类药物通过结合胰岛β细胞ATP敏感钾通道促进胰岛素释放；蛋白酶抑制剂通过抑制HIV蛋白酶阻止病毒成熟生物化学常用实验技术光谱学方法紫外-可见光谱用于定量检测蛋白质和核酸；荧光光谱可检测生物分子相互作用和构象变化；圆二色谱用于分析蛋白质二级结构；核磁共振和X射线晶体学用于解析生物大分子三维结构这些技术提供了从分子水平理解生物化学过程的强大工具分离纯化技术层析技术包括凝胶过滤色谱基于分子大小、离子交换色谱基于电荷、亲和色谱基于特异性结合和高效液相色谱HPLC电泳技术如聚丙烯酰胺凝胶电泳PAGE和等电聚焦用于蛋白质分离超速离心用于细胞组分分离这些方法对研究生物分子的性质和功能至关重要分子生物学技术聚合酶链反应PCR用于DNA片段扩增；DNA测序确定核酸序列；质谱分析鉴定蛋白质和代谢物；DNA重组技术用于基因克隆和表达；蛋白质表达系统用于生产重组蛋白；基因敲除和RNA干扰用于研究基因功能这些技术是现代生物化学研究的支柱近年来，新兴技术进一步扩展了生物化学研究的范围和深度CRISPR-Cas9基因编辑技术允许精确修改基因组；单细胞测序技术提供细胞水平的基因表达图谱；生物传感器和微流控技术使实时监测生物分子成为可能；冷冻电镜技术革新了蛋白质结构解析这些技术进步推动生物化学研究进入精准研究的新时代生物信息学与蛋白质工程生物数据库构建收集、整理和存储基因组、蛋白质组和代谢组数据序列分析与比较通过序列同源性推断进化关系和功能结构预测与模拟基于序列预测蛋白质结构和分子动力学设计与优化设计改良蛋白质和酶的性能生物信息学整合计算机科学与生物学，用于大规模生物数据的处理、存储和分析关键应用包括基因组学基因注释、变异分析、蛋白质组学蛋白质鉴定、翻译后修饰分析、系统生物学代谢网络和信号通路模拟和比较基因组学进化研究机器学习和人工智能的应用显著提升了生物信息学的分析能力，如AlphaFold2彻底革新了蛋白质结构预测领域蛋白质工程是设计和生产具有新功能或改良性能的蛋白质的技术主要策略包括定点突变改变特定氨基酸、定向进化模拟自然选择过程和理性设计基于结构和功能知识蛋白质工程广泛应用于酶改造提高催化效率或改变底物特异性、抗体工程增强结合亲和力或降低免疫原性、生物传感器开发和治疗蛋白质设计等领域结合生物信息学和实验技术，蛋白质工程为多产业提供创新解决方案本课程学习方法建议系统学习策略重点难点把握实践与应用生物化学内容繁多，建议采用本课程重点包括氨基酸性质结合实验课程，理解生物化学宏观到微观的学习策略首与蛋白质结构关系；酶的催化实验原理和技术尝试将所学先理解各代谢途径的整体框架机制与动力学；主要代谢途径知识应用于解释生理现象和疾和生理意义，再深入学习具体糖酵解、TCA循环、β-氧化的病机制，如运动中的能量代谢反应步骤和调控机制创建思反应步骤和能量计算；代谢调变化、禁食状态下的代谢调维导图有助于理清各代谢途径控网络难点是代谢途径的整整、代谢疾病的分子基础等间的联系，建立知识网络定合理解和调控机制的分子基这种应用思考有助于深化理解期回顾和总结是巩固知识的关础，需要多角度思考和反复练和记忆键习复习技巧方面，建立知识联系非常重要例如，学习氨基酸代谢时，将其与TCA循环和尿素循环联系起来；学习脂肪酸代谢时，与乙酰CoA的产生和利用建立联系制作闪卡flashcards有助于记忆关键概念、反应和数值利用各种可视化工具如代谢途径图、结构模型等辅助理解建议结合网络资源如视频讲解、模拟动画和交互式代谢图谱等辅助学习生物化学知识更新快，关注最新研究进展有助于拓展视野形成学习小组，通过讨论和互相讲解加深理解定期自测和模拟考试可以检验学习效果，发现知识盲点最后，保持好奇心和探索精神，将使生物化学学习更加充实有趣课程总结与展望本课程已系统介绍了生物化学的基础知识，包括生物大分子的结构与功能、代谢途径、酶学、分子生物学基础以及实验技术等内容通过学习，我们了解到生命是建立在精密复杂的分子网络基础上的，这些分子通过化学反应相互作用，产生我们所观察到的生命现象生物化学正在经历前所未有的发展多组学技术基因组学、蛋白质组学、代谢组学的整合正在揭示生命活动的全景图；精准医学将基因信息与个体化治疗相结合；合成生物学创造出新的生物系统；单细胞技术解析细胞异质性；人工智能辅助的结构预测和药物设计加速了研究进程未来，生物化学将继续与其他学科深度融合，推动从基础研究到应用技术的创新理解分子水平的生命活动不仅有助于解决重大疾病难题，也为农业发展、环境保护和新能源开发提供支持希望同学们能够将所学知识应用于未来的学习和研究中，共同推动生命科学的发展，为人类健康和社会进步贡献力量。