《生物化学基础》课件

生物化学基础生物化学是生命科学的核心学科，它深入研究生物体内各种化学物质的结构与功能，为我们理解生命现象提供了分子水平的解释作为一门交叉学科，生物化学连接了生物学、化学和医学等多个领域，通过研究生物大分子如蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物的性质，揭示了生命活动的化学本质本课程将带领大家探索生物体内错综复杂的化学反应网络，了解这些反应如何精确调控，以及它们与疾病发生、治疗之间的关系课程内容概述研究技术与应用现代生物化学分析方法基因信息表达DNA转录与蛋白质合成代谢与能量转换细胞获取与利用能量的途径生物分子结构与功能4蛋白质、核酸、脂质、碳水化合物本课程将系统介绍生物大分子的结构特点与生物学功能，详细讲解细胞内各种代谢过程和能量转换机制，阐述遗传信息从DNA到蛋白质的表达过程，并介绍现代生物化学研究中常用的技术方法及其应用前景第一章绪论1早期探索19世纪初，化学家开始对生物物质进行分析研究，标志着生物化学的萌芽2经典时期20世纪初至中期，科学家发现维生素、辅酶、代谢途径等，建立了生物化学的基础理论3分子生物学兴起20世纪中期至末，DNA双螺旋结构发现和蛋白质结构解析推动生物化学与分子生物学融合4现代发展21世纪至今，基因组学、蛋白质组学和系统生物学的发展使生物化学研究进入全新阶段生物化学研究生物体内各种物质的化学性质、结构、功能及其在生命活动中的作用，是理解生命本质的关键学科随着研究方法的不断创新和技术的飞速发展，现代生物化学已成为推动生命科学进步的重要力量生物化学的研究内容生物大分子结构与功能细胞代谢与能量转换研究蛋白质、核酸、多糖和脂质等生物大分研究生物体内物质的合成、分解和转化过子的化学组成、空间结构及其与生物学功能程，以及能量的获取、储存和利用机制1的关系生化反应的调控机制遗传信息的传递与表达研究细胞如何通过酶活性调节、信号转导和研究基因如何通过DNA复制、转录和翻译基因表达控制等方式精确调控生化反应等过程表达为功能性蛋白质，实现遗传信息的传递生物化学通过研究这些内容，揭示了生命活动的分子基础，为疾病诊断、药物开发和生物技术进步提供了重要理论依据现代生物化学研究越来越多地采用多学科交叉的方法，整合生物信息学和系统生物学等新兴领域的研究成果生物分子概述小分子化合物生物大分子•氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸•蛋白质由氨基酸组成的功能分子•维生素、激素、神经递质•核酸DNA和RNA，遗传信息载体•代谢中间产物•多糖葡萄糖等单糖的聚合物•分子量通常低于500道尔顿•复杂脂质细胞膜的主要成分水的特殊作用•细胞内最丰富的分子（约70%）•提供生化反应的溶剂环境•参与多种代谢反应•维持生物分子的结构和功能人体细胞内包含数以万计的不同生物分子，它们通过复杂的网络相互作用，共同维持生命活动这些分子的种类和数量差异巨大，从简单的水分子到复杂的蛋白质复合物，每一种都在生命过程中扮演着不可替代的角色第二章蛋白质化学基本组成单位蛋白质由20种标准氨基酸通过肽键连接而成每种氨基酸都有独特的侧链基团，决定了其化学性质和在蛋白质中的功能氨基酸序列构成了蛋白质的一级结构，是蛋白质多样性的基础空间结构蛋白质具有复杂的空间结构，包括二级结构（α螺旋、β折叠等）、三级结构（整个多肽链的折叠形式）和四级结构（多个多肽链的组装）这些高级结构对蛋白质功能至关重要生物学功能蛋白质执行生物体内多种关键功能，包括催化生化反应、传递信号、提供结构支持、运输物质、免疫防御和调节基因表达等结构与功能的关系是蛋白质研究的核心问题蛋白质是生命活动中最重要的生物大分子之一，其理化性质如溶解性、变性条件、等电点等，直接影响其在生物体内的功能发挥本章将系统讲解蛋白质的结构层次、性质特点及其与功能的关系氨基酸的结构与性质氨基酸基本结构氨基酸分类理化特性氨基酸由中心α碳连接氨基-NH₂、羧基根据侧链性质可分为氨基酸的等电点、溶解性、酸碱性和化-COOH、氢原子和特异性侧链R基团学反应性由其侧链决定在不同pH环境•非极性疏水型甘氨酸、丙氨酸、缬组成在生理pH条件下，氨基和羧基分中，氨基酸带电状态变化，导致其溶解氨酸等别带正电和负电，形成两性离子结构α性和迁移特性改变许多特异性显色反•极性不带电荷型丝氨酸、苏氨酸、碳除甘氨酸外通常为手性碳原子，存在应可用于氨基酸的检测和定量分析酪氨酸等光学异构现象•正电荷型赖氨酸、精氨酸、组氨酸•负电荷型天冬氨酸、谷氨酸除了20种标准氨基酸外，生物体内还存在多种非标准氨基酸，如羟脯氨酸、γ-氨基丁酸、鸟氨酸等，它们在特定蛋白质中或代谢过程中发挥独特作用了解氨基酸的结构与性质是理解蛋白质功能的基础肽键与多肽氨基酸20种标准氨基酸是蛋白质的基本构建单元肽键形成一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合多肽链多个氨基酸通过肽键连接形成的线性分子蛋白质具有特定空间结构和生物学功能的多肽肽键具有部分双键性质，使得肽平面呈刚性平面结构，不能自由旋转多肽链具有明确的方向性，按照从N端（氨基端）到C端（羧基端）的顺序表示和阅读小分子多肽（通常少于50个氨基酸）也称为寡肽，许多具有重要的生物活性，如胰岛素、催产素等激素和多种神经递质多肽命名遵循残基-肽的原则，如由两个氨基酸残基组成的为二肽，三个为三肽对于已知序列的多肽，通常用三字母或单字母缩写表示其氨基酸组成和顺序蛋白质一级结构氨基酸序列蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序序列决定结构一级结构包含形成高级结构所需的全部信息结构决定功能蛋白质的功能最终由其独特的氨基酸序列决定蛋白质一级结构的测定方法经历了从化学降解法（如艾德曼降解法）到现代质谱技术的飞跃发展现代蛋白质组学可以同时分析成千上万种蛋白质的序列和表达水平，为疾病研究和药物开发提供了强大工具同源蛋白质在不同物种间的氨基酸序列比较是研究进化关系的重要方法进化上相关的蛋白质通常在功能关键区域具有高度保守的序列，而表面和功能非必需区域的序列变异较大这种序列保守性分析有助于预测蛋白质的功能区域和关键残基蛋白质二级结构螺旋结构折叠结构αβ多肽链呈右手螺旋状盘绕，每个完多肽链呈锯齿状伸展排列，相邻肽整螺旋周期包含

3.6个氨基酸残链之间通过氢键连接形成片层状结基，上升高度为

0.54nm螺旋内构根据相邻肽链的方向可分为平部通过肽键平面上的N-H和C=O基行β折叠和反平行β折叠β折叠常团之间形成的氢键稳定α螺旋外见于蛋白质的核心区域，氨基酸侧表由氨基酸侧链包围，决定了其亲链垂直于折叠平面交替分布在两水或疏水特性侧转角与无规则卷曲ββ转角是连接相邻β折叠的紧密折回结构，通常由4个氨基酸残基组成，脯氨酸和甘氨酸在其中经常出现无规则卷曲是指不属于上述规则二级结构的区域，但这些区域对蛋白质功能同样重要，常参与底物结合和催化蛋白质二级结构的形成主要依赖于肽链主链上羰基氧与氨基氢之间形成的氢键网络二级结构元素的分布和比例受氨基酸序列影响，某些氨基酸更倾向于形成特定的二级结构，这种倾向性是蛋白质结构预测的基础蛋白质三级结构疏水相互作用氢键与离子键二硫键范德华力疏水性氨基酸侧链趋向于聚氢键在蛋白质结构中普遍存由两个半胱氨酸残基的巯基由于原子电子云瞬时不对称集在蛋白质内部，远离水环在，不仅稳定二级结构，也-SH氧化形成的共价键-S-分布产生的弱相互作用，单境，是蛋白质折叠的主要驱连接不同区域的氨基酸侧S-，在细胞外蛋白和分泌蛋个力虽小，但数量众多，对动力这种相互作用源于水链带电氨基酸侧链之间形白中尤为常见二硫键对于蛋白质的整体稳定性有重要分子倾向于形成氢键网络，成的离子键（盐桥）虽然数维持蛋白质的正确折叠和稳贡献这种作用使得分子在排斥疏水基团的热力学效量较少，但对特定区域的稳定性至关重要，特别是在氧适当距离处相互吸引应定性贡献显著化环境中蛋白质折叠是一个复杂的物理过程，由氨基酸序列决定，至今仍是生物化学中的核心难题蛋白质折叠遵循能量最小化原则，但并非随机搜索所有可能构象，而是通过局部结构逐步形成，最终达到稳定的天然构象蛋白质四级结构蛋白质四级结构是指两个或多个多肽链（亚基）通过非共价相互作用组装形成的功能性复合物亚基间的结合主要依靠疏水相互作用、氢键、离子键和范德华力，与蛋白质三级结构的稳定因素相似，但不涉及共价键（除少数含有亚基间二硫键的蛋白质外）四级结构可分为同型多聚体（由相同亚基组成）和异型多聚体（由不同亚基组成）血红蛋白是研究四级结构的经典模型，它由两个α亚基和两个β亚基组成的异型四聚体，具有协同的氧结合特性，而结构相似的肌红蛋白则为单体，不具备这种协同效应四级结构为蛋白质功能调节提供了更灵活的机制蛋白质变性与复性天然状态变性1蛋白质具有特定的三维结构和生物活性在极端条件下高级结构被破坏，活性丧失2聚集或降解复性4错误折叠的蛋白质可能聚集或被细胞降解系恢复适宜条件后部分蛋白质可重新折叠获得统清除活性蛋白质变性可由多种因素引起，包括温度升高、极端pH值、有机溶剂、表面活性剂、尿素、重金属离子等不同蛋白质对这些变性因素的敏感性各异，这种差异可用于蛋白质的分离纯化蛋白质变性的可逆性取决于蛋白质本身的特性和变性条件的严酷程度蛋白质错误折叠与多种疾病相关，如阿尔茨海默病、帕金森病和朊病毒疾病等细胞内存在分子伴侣（如热休克蛋白）系统，协助新合成蛋白质正确折叠，或帮助变性蛋白质重新获得正确构象，是细胞应对蛋白质折叠应激的重要机制第三章核酸化学年代1860核酸发现米舍尔从白细胞中分离出含磷的物质年1944遗传物质确认艾弗里证明DNA是遗传物质年1953双螺旋结构沃森和克里克提出DNA双螺旋模型年1961遗传密码破译尼伦伯格等人破译遗传密码核酸是携带遗传信息的生物大分子，主要包括脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNADNA是遗传信息的储存者，主要存在于细胞核中；RNA则参与遗传信息的表达，种类多样，功能各异核酸由核苷酸聚合而成，每个核苷酸由碱基、五碳糖和磷酸基团组成核酸研究的历史反映了现代生物学的重要发展历程，从早期的化学成分分析到结构解析，再到功能研究，每一步都带来生命科学的重大突破本章将系统介绍核酸的化学组成、结构特点及其在生命过程中的关键作用核苷酸的结构含氮碱基五碳糖磷酸基团核苷酸中的碱基分为两大DNA中为2-脱氧-D-核糖，磷酸基团通过酯键连接到类嘌呤碱基（腺嘌呤A和RNA中为D-核糖，两者的核苷的5位羟基上，形成鸟嘌呤G）和嘧啶碱基（胞区别在于2位碳是否有羟核苷酸在核酸链中，磷嘧啶C、胸腺嘧啶T和尿嘧基糖环通常以β-N-糖苷酸基团连接相邻核苷的3啶U）DNA含有A、G、键与碱基的N-9嘌呤或N-和5位羟基，形成磷酸二C、T四种碱基，而RNA中1嘧啶连接，形成核苷酯键骨架磷酸基团在生T被U替代碱基是核酸配五碳糖的2羟基使RNA比理pH下带负电荷，使核酸对和遗传信息存储的基DNA更容易水解成为多聚阴离子础核苷是碱基与五碳糖的结合物，而核苷酸是核苷与磷酸结合的产物核苷酸不仅是核酸的基本构建单位，还在细胞能量代谢如ATP、信号传导如cAMP和辅酶如NAD⁺、FAD等方面发挥重要作用核苷酸的命名通常以对应碱基为基础，如腺苷一磷酸AMP、鸟苷三磷酸GTP等的结构DNA双螺旋模型的主要构型超螺旋结构Watson-Crick DNA DNADNA双螺旋结构是由沃森和克里克于DNA存在多种构型，主要有环状DNA或线性DNA固定两端时，可形1953年提出的在该模型中，两条反向成超螺旋结构超螺旋分为正超螺旋•B型DNA生物体内最常见形式，右平行的多核苷酸链围绕同一轴线盘旋，（过度缠绕）和负超螺旋（不足缠手螺旋，每

10.5个碱基对完成一圈形成右手螺旋碱基对位于内侧，通过绕）拓扑异构酶可改变DNA超螺旋化•A型DNA脱水条件下形成，右手螺特异性氢键配对（A-T形成两个氢键，G-程度，对DNA复制、转录等过程至关重C形成三个氢键），而带负电荷的磷酸糖旋但比B型更紧密要骨架位于外侧•Z型DNA特定序列在高盐条件下形成的左手螺旋DNA结构的特点使其成为理想的遗传信息载体碱基互补配对机制提供了精确复制遗传信息的基础；双链结构增强了稳定性和信息存储的可靠性；碱基序列的多样性允许编码海量信息高等生物体内的DNA通常与组蛋白结合形成染色质，进一步提高了DNA的压缩和保护程度的结构与类型RNA信使转运RNA mRNARNA tRNA携带从DNA转录的遗传信息至核糖体，指导蛋白质合成真核生物mRNA具将氨基酸转运到核糖体，参与蛋白质合成呈现典型的三叶草二级结构和L型有5帽子结构、编码区和3多聚A尾巴等特征原核生物mRNA常为多顺反三级结构含有多种修饰核苷酸，如假尿嘧啶、甲基鸟嘌呤等一端有反密子，可翻译成多个蛋白质mRNA占细胞总RNA的3-5%，但种类最多，周码子，可与mRNA密码子配对；另一端连接特定氨基酸转速率快核糖体非编码RNA rRNARNA与蛋白质组成核糖体，提供蛋白质合成的结构和功能平台占细胞总RNA的不翻译成蛋白质但具有调控功能的RNA分子，包括microRNA、长链非编码80-90%真核生物有28S、18S、

5.8S和5S四种主要rRNA，原核生物有RNA、小核RNA等参与基因表达调控、RNA加工、染色质修饰等多种细胞23S、16S和5S三种rRNA具有催化肽键形成的核酶活性过程研究表明它们在发育和疾病中发挥重要作用与DNA相比，RNA的结构特点包括含有核糖而非脱氧核糖，使RNA更不稳定；含尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T；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的结构多样性使其不仅能储存信息，还能催化生化反应，在生命起源和进化中可能扮演了核心角色核酸的理化性质第四章酶学酶活性的调节多层次精确控制酶的活性影响因素温度、pH、底物浓度等对酶活性的影响作用机制酶如何识别底物并催化反应命名与分类4系统的酶命名体系与分类方法酶的本质与特点5酶是具有催化功能的蛋白质分子酶是生物体内化学反应的催化剂，绝大多数为蛋白质（少数为RNA酶）它们能够显著加速生化反应速率，使生命过程得以在温和条件下高效进行与普通化学催化剂相比，酶具有更高的催化效率和专一性，能够精确识别特定底物并催化特定反应酶的命名通常遵循底物名+作用类型+酶的原则，如葡萄糖氧化酶国际酶学委员会建立了系统的分类体系，将酶分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶六大类本章将深入探讨酶的催化原理、动力学特性及其在生物体内的调控机制酶的基本特性高效催化性高度专一性可调控性•加速反应速率10⁶~10¹²倍•底物专一性只识别特定结构•底物浓度调节•典型周转数为1~10⁵/秒•立体专一性区分异构体•效应物调节（激活剂/抑制剂）•不改变反应平衡常数•反应专一性催化特定类型反应•共价修饰（如磷酸化）•降低反应活化能•区域专一性作用于分子特定位点•基因表达水平调控酶能在温和条件下（生理温度、中性pH、常压）高效催化反应，这是维持生命活动的关键特征大多数非酶催化反应需要高温、高压或极端pH条件才能达到相当的反应速率酶的高效催化能力源于其独特的三维结构，特别是活性中心的精确构造酶的专一性程度各异，有些酶如胰蛋白酶只识别特定氨基酸残基周围的肽键，而有些酶如酒精脱氢酶则对多种相似底物均有活性专一性的分子基础是酶活性中心与底物之间的结构互补和特异性相互作用酶的可调控性使细胞能够根据需要精确控制代谢流向和速率酶的作用机制游离酶酶的活性中心处于可接受底物的状态酶底物结合-底物特异性结合到酶的活性中心催化转化活性中心促进化学键的重排或形成产物释放反应产物离开活性中心，酶可再次使用酶促反应动力学研究酶催化反应的速率和影响因素米氏方程[v=Vmax[S]/Km+[S]]是描述酶动力学的基本方程，其中v为反应速率，Vmax为最大反应速率，[S]为底物浓度，Km为米氏常数（当v=Vmax/2时的底物浓度）Km反映了酶与底物的亲和力，值越小表示亲和力越高关于酶与底物结合的理论有锁钥学说和诱导契合学说锁钥学说认为酶的活性中心与底物形状完全互补，如钥匙与锁；而诱导契合学说则认为底物结合过程中酶构象发生变化，使活性中心与底物达到最佳匹配状态现代研究表明，大多数酶的作用机制更接近诱导契合模型，涉及酶构象的动态变化辅酶与辅基⁺⁺辅酶NAD/NADP FAD/FMN ACoA参与氧化还原反应的辅酶，接受和转移氢原子及电黄素类辅酶，参与生物氧化还原反应，可在单电子和携带活化酰基（主要是乙酰基）参与多种代谢反应子NAD⁺主要参与分解代谢，NADP⁺主要参与合成双电子转移反应中发挥作用来源于维生素B₂（核黄含有巯基-SH末端，能与羧酸形成高能硫酯键来代谢来源于维生素B₃（烟酸）常与脱氢酶类配合素）在电子传递链和多种代谢途径中扮演重要角源于泛酸（维生素B₅）在三羧酸循环、脂肪酸代谢工作，在能量代谢中起核心作用色，参与脂肪酸β-氧化等过程和许多生物合成途径中扮演关键角色辅酶是参与酶催化反应的小分子有机化合物，通常作为载体转移特定基团（如电子、氢原子或功能性化学基团）大多数辅酶源自维生素，这解释了维生素对代谢的重要性辅酶可在反应后恢复原状并重复使用，在细胞代谢网络中循环往复辅基是永久结合于酶分子上的非蛋白质组分，常见的有金属离子（如Zn²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺等）和有机基团完整的功能性酶（全酶）由蛋白质部分（脱辅基酶）和辅基/辅酶共同组成辅酶与酶的结合通常较松散，可分离；而辅基则与酶牢固结合，通常不易分离酶活性的影响因素酶的抑制竞争性抑制非竞争性抑制不可逆抑制抑制剂与底物竞争酶的活性中心，通常抑制剂结合酶的非活性中心位点，改变抑制剂与酶共价结合，永久破坏酶的催具有与底物相似的结构特点酶构象，降低催化效率特点化活性特点•增加底物可克服抑制•增加底物不能克服抑制•抑制作用随时间加深•Vmax不变，Km增大•Vmax降低，Km不变•酶活性无法恢复•双倒数作图直线与y轴交点不变•双倒数作图直线与x轴交点不变•常需新合成酶分子替代例如琥珀酸脱氢酶被丙二酸抑制例如重金属离子对含巯基酶的抑制例如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制抑制常数Ki是衡量抑制剂亲和力的参数，值越小表示抑制效果越强在竞争性抑制中，Ki=[E][I]/[EI]，其中[E]为酶浓度，[I]为抑制剂浓度，[EI]为酶-抑制剂复合物浓度酶抑制剂在医药、农药和基础研究领域有广泛应用，如阿司匹林抑制环氧合酶，降低炎症反应；他汀类药物抑制胆固醇合成关键酶，降低血脂酶的调节别构调节是细胞代谢调控的重要机制，指效应分子结合在酶分子活性中心以外的位点，通过改变酶的构象影响其活性别构酶通常是多亚基蛋白，如天冬氨酸转氨甲酰酶，被CTP抑制，ATP激活别构效应可分为同向（正）效应和反向（负）效应，前者增强底物结合，后者减弱底物结合共价修饰调节主要通过可逆的磷酸化/去磷酸化、乙酰化/去乙酰化等方式实现例如，糖原磷酸化酶通过磷酸化激活，磷酸化酶通过去磷酸化激活前体激活是指一些酶以无活性前体（酶原）形式合成，需通过特定位点的肽键水解才能激活，如消化酶和血液凝固因子基因表达调控则通过转录、翻译和蛋白质降解等水平控制酶的数量，适应长期代谢需求变化第五章维生素与微量元素水溶性维生素脂溶性维生素包括B族维生素（B₁、B₂、B₃、B₅、包括维生素A、D、E和K四种特点是B₆、B₇、B₉、B₁₂）和维生素C特点是溶于脂肪、需借助胆汁酸吸收、可在体溶于水、多作为辅酶参与代谢、体内不内脂肪组织和肝脏储存较长时间、过量易储存、过量可从尿液排出缺乏症较可能导致毒性反应参与视觉、钙磷代快出现，如维生素C缺乏引起坏血病，谢、抗氧化和凝血等重要生理过程维生素B₁缺乏导致脚气病微量元素人体需求量小但必不可少的无机元素，包括铁、锌、铜、硒、碘等多作为酶的辅助因子或蛋白质结构组分，参与氧运输、免疫功能、抗氧化防御、甲状腺激素合成等缺乏或过量均可导致健康问题维生素是人体无法合成或合成不足，必须从食物中获取的一类有机化合物虽然需求量微小，但对正常生理功能至关重要维生素的分类主要基于其溶解性，这也决定了它们在体内的吸收、运输、储存和排泄特性大多数维生素直接或间接地参与代谢过程，作为酶系统的辅酶或辅因子微量元素是人体必需的无机营养素，虽然日需求量通常只有几毫克或微克，但它们是多种蛋白质和酶的重要组成部分维生素和微量元素的平衡摄入对维持健康至关重要，既缺乏又不宜过量，这也是现代营养学研究的重点领域之一水溶性维生素维生素名称主要辅酶形式参与的代谢过程缺乏症状B₁硫胺素TPP硫胺素焦磷酸糖代谢、神经功能脚气病、威尔尼克脑病B₂核黄素FAD、FMN电子传递、脂肪酸氧化口角炎、舌炎、皮炎B₃烟酸NAD⁺、NADP⁺氧化还原反应糙皮病B₅泛酸辅酶A脂肪酸代谢、TCA循环疲劳、抑郁、神经肌肉障碍B₆吡哆醇PLP吡哆醛磷酸氨基酸代谢、血红素合成口角炎、皮炎、贫血B族维生素在体内主要以辅酶形式发挥作用，参与几乎所有主要代谢途径其中，B₁₂钴胺素是唯一含金属元素的水溶性维生素，参与DNA合成和脂肪酸代谢，缺乏可导致恶性贫血B₉叶酸参与一碳单位代谢，对细胞分裂和神经管发育至关重要维生素C抗坏血酸是重要的抗氧化剂，参与胶原蛋白合成、铁吸收增强和自由基清除人类因缺乏L-古龙酸氧化酶而无法合成维生素C，必须从食物中获取水溶性维生素推荐摄入量因年龄、性别和生理状态如妊娠、哺乳而异，过量摄入通常通过尿液排出，但极端高剂量仍可能导致毒性反应脂溶性维生素维生素维生素维生素维生素ADE K包括视黄醇、视类固醇衍生物，主要形式为生育包括植物来源的黄醛等多种形主要形式为D₂麦酚和生育三烯K₁叶绿醌和细式主要功能包角钙化醇和酚，α-生育酚活菌合成的K₂甲萘括维持正常视觉D₃胆钙化醇性最高最重要醌主要参与血（形成视紫红皮肤在紫外线照的脂溶性抗氧化液凝固激活凝血质）、上皮组织射下可合成维生剂，保护细胞膜因子II、VII、发育与分化、免素D₃经肝脏和不受自由基损IX、X和骨代谢疫功能和生殖肾脏转化为活性伤，维持神经肌活化骨钙素缺乏导致夜盲形式1,25-二羟基肉功能，保护多缺乏导致凝血障症、角膜干燥症维生素D后，调不饱和脂肪酸碍和出血倾向和生长发育迟节钙磷代谢、促缺乏导致神经病绿叶蔬菜是K₁的缓动物性食品进肠道钙吸收、变、溶血性贫血主要来源，肠道含视黄醇，植物参与骨骼矿化和肌肉疾病坚菌群也能合成性食品含β-胡萝缺乏引起佝偻病果、植物油和绿K₂与抗凝药华卜素（维生素A儿童或骨软化叶蔬菜是良好来法林有相互作原）过量可致症成人源用肝毒性和畸胎脂溶性维生素的吸收需要胆汁酸和饮食脂肪的存在，因此胆道疾病或脂肪吸收不良可影响这些维生素的吸收利用与水溶性维生素不同，脂溶性维生素可在脂肪组织和肝脏储存较长时间，不易出现急性缺乏，但过量摄入可能在体内蓄积达到毒性水平，尤其是维生素A和D微量元素铁锌人体总含量3-5g，主要存在于血红蛋白约60%、存在于300多种酶中，参与蛋白质和核酸合成、免肌红蛋白和铁蛋白中参与氧运输、电子传递和多疫功能、伤口愈合和味觉感知锌指状结构是多种种氧化酶功能缺乏导致缺铁性贫血，过量可导致转录因子的重要组成部分缺乏引起生长迟缓、免铁沉积病，损伤肝脏和心脏疫功能下降和味觉障碍硒铜谷胱甘肽过氧化物酶和碘甲状腺原氨酸脱碘酶的组4多种氧化还原酶的辅因子，如细胞色素C氧化酶、铜成成分，具有抗氧化作用，保护细胞免受自由基损蓝蛋白、超氧化物歧化酶等参与铁代谢、胶原交伤参与甲状腺激素代谢和免疫功能缺乏与克山联和神经传递威尔逊病和门克斯病是与铜代谢相病和大骨节病相关关的遗传疾病人体必需的微量元素还包括锰、钼、碘、氟、铬等碘是甲状腺激素的重要组成部分，缺乏导致甲状腺肿大甲状腺肿和甲状腺功能低下；锰是多种酶的辅因子，参与碳水化合物、蛋白质和脂肪的代谢；钼参与黄嘌呤氧化酶等的功能；氟强化牙釉质抵抗酸侵蚀；铬增强胰岛素作用，改善糖耐量微量元素摄入必须保持平衡，既要防止缺乏，也要避免过量一些微量元素如铁、锌、铜等之间存在吸收拮抗，高剂量补充一种可能影响其他元素的吸收利用土壤成分和地理因素会影响食物中微量元素含量，导致某些地区特定元素缺乏科学均衡的饮食通常能满足健康人群对微量元素的需求第六章糖代谢糖类消化与吸收多糖被消化酶水解为单糖，主要是葡萄糖，通过肠上皮细胞吸收糖酵解途径葡萄糖在细胞质中分解为丙酮酸，产生少量ATP三羧酸循环丙酮酸转化为乙酰CoA后进入循环，完全氧化产生CO₂和H₂O电子传递与氧化磷酸化三羧酸循环产生的还原当量通过电子传递链最终生成大量ATP糖类是生物体主要的能量来源和储能物质，也是多种生物分子合成的碳源葡萄糖是最重要的单糖，能够迅速被人体吸收利用；蔗糖、麦芽糖和乳糖是常见的双糖；淀粉、糖原和纤维素是重要的多糖人体每天大约需要约100-150克碳水化合物维持正常生理功能糖代谢途径高度整合，不仅包括分解途径（糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径等），还包括合成途径（糖异生、糖原合成等）这些途径受到精细调控，以满足不同生理状态下的能量需求本章将详细讨论这些代谢途径的反应步骤、能量产生、调控机制及其生理意义糖的结构与分类单糖最基本的糖单位，不能被水解为更简单的糖按碳原子数分为三碳糖（丙糖）、五碳糖（戊糖）、六碳糖（己糖）等重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖（六碳糖）和核糖、脱氧核糖（五碳糖）单糖以直链或环状结构存在，环状结构更稳定寡糖由2-10个单糖通过糖苷键连接形成最常见的是双糖，如蔗糖（葡萄糖+果糖）、麦芽糖（葡萄糖+葡萄糖）、乳糖（葡萄糖+半乳糖）寡糖在细胞表面糖蛋白和糖脂中发挥重要作用，参与细胞识别、免疫反应和信号传导多糖由大量单糖重复单位组成的高分子聚合物可分为同多糖（由相同单糖组成，如淀粉、糖原、纤维素）和杂多糖（由不同单糖组成，如透明质酸、硫酸软骨素）多糖在生物体中主要用于能量储存（如淀粉、糖原）和结构支持（如纤维素、几丁质）糖分子的立体异构是其多样性的重要基础含有手性碳的糖可形成D型和L型异构体，自然界中绝大多数糖为D型环状结构中，C1位（醛基碳）可形成α和β两种构型，产生变旋现象这些立体特性对糖的生物学性质和代谢至关重要糖苷键是连接单糖的关键化学键，由一个单糖的半缩醛羟基与另一个单糖的羟基脱水缩合形成根据参与形成糖苷键的羟基位置不同，可有α-1,

4、β-1,

4、α-1,6等多种连接方式不同的连接方式导致多糖结构和性质的巨大差异，如α-1,4连接的淀粉可被人体消化，而β-1,4连接的纤维素则不能被人体直接利用糖酵解途径糖原的合成与分解糖原结构糖原合成由α-1,4和α-1,6糖苷键连接的葡萄糖聚合物，呈分1由糖原合酶和支链酶催化，需UDP-葡萄糖作为底支状结构物2糖原分解代谢调控4由糖原磷酸化酶和脱支酶催化，释放葡萄糖-1-磷通过激素信号和酶的磷酸化/去磷酸化调控3酸糖原是动物体内主要的储能多糖，主要存在于肝脏（约占肝重的10%）和肌肉（约占肌重的1-2%）中糖原呈颗粒状存在于细胞质中，中心有一个糖蛋白核心，周围辐射状延伸出高度分支的葡萄糖链这种高度分支的结构增加了末端葡萄糖残基数量，提高了合成和分解的效率糖原代谢受严格调控，以维持血糖稳定胰岛素促进糖原合成，而胰高血糖素和肾上腺素则促进糖原分解这些激素通过cAMP信号通路，影响蛋白激酶和蛋白磷酸酶活性，最终改变糖原代谢酶的磷酸化状态肝糖原主要维持血糖稳定，而肌糖原则为肌肉收缩提供能量糖原储备耗尽后，机体启动糖异生作用，利用非糖底物（如乳酸、丙氨酸、甘油）合成葡萄糖三羧酸循环3₂释放CO每循环一次释放三分子CO₂4氧化还原反应产生3NADH、1FADH₂和1GTP8酶促反应循环包含八步酶促反应2调控点柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶三羧酸循环（又称克雷布斯循环或柠檬酸循环）是有氧生物体内主要的能量产生途径，发生在线粒体基质中每个循环始于乙酰CoA（来自糖、脂肪酸和某些氨基酸的代谢）与草酰乙酸结合形成柠檬酸，经过一系列反应最终再生草酰乙酸，使循环可以持续进行三羧酸循环不仅是能量产生的核心途径，还为多种生物合成提供中间体，如α-酮戊二酸用于谷氨酸合成，草酰乙酸用于天冬氨酸合成，琥珀酰CoA用于血红素合成循环由多种因素调控，包括底物可用性、产物反馈抑制和辅酶NAD⁺/NADH比例循环中的关键调控酶有柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体这些酶对ATP/ADP比例、NADH水平和某些中间代谢物浓度敏感，确保循环速率与细胞能量需求匹配电子传递链与氧化磷酸化复合体（脱氢酶）I NADH接受来自NADH的电子，同时将质子泵出线粒体内膜这是最大的电子传递链复合体，含有40多个蛋白质亚基每氧化2个电子，泵出4个质子，是重要的能量守恒点若被鱼藤酮抑制，将阻断NADH氧化复合体（琥珀酸脱氢酶）II同时是三羧酸循环的一个酶，催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将电子传递给泛醌与复合体I不同，它不泵出质子，因此从FADH₂获得的能量少于NADH被丙二酸抑制复合体（细胞色素₁复合体）III bc接受来自泛醌的电子，通过Q循环机制将质子泵出内膜，并将电子传递给细胞色素c每氧化2个电子，泵出4个质子抗霉素A可特异性抑制此复合体复合体（细胞色素氧化酶）IV c接受来自细胞色素c的电子，并将它们传递给最终电子受体—氧分子，将氧还原为水每传递2个电子泵出2个质子含有铜和血红素作为辅基，被氰化物抑制合酶（复合体）ATP V利用由电子传递链建立的质子梯度驱动ATP合成质子沿浓度梯度流回基质，释放能量用于将ADP和Pi结合成ATP由F₁和F₀两部分组成，F₁含有催化ATP合成的活性中心电子传递和氧化磷酸化是偶联的过程，通过化学渗透学说解释电子传递过程中释放的能量用于将质子从线粒体基质泵出到膜间隙，形成质子梯度；质子沿浓度梯度通过ATP合酶流回基质，释放的能量驱动ATP合成糖异生作用概述关键酶与反应能量消耗与调控糖异生是指从非糖底物（如乳酸、丙氨酸、甘糖异生中的关键酶包括糖异生是高能耗过程，每合成一分子葡萄糖需油和大多数氨基酸）合成葡萄糖的代谢途径消耗6ATP、2GTP和2NADH调控主要通过激•丙酮酸羧化酶丙酮酸→草酰乙酸，需生这一过程主要发生在肝脏和肾脏皮质，是维持素实现胰高血糖素和肾上腺素促进糖异生，物素和ATP血糖稳定的关键机制，特别是在禁食、剧烈运胰岛素抑制糖异生底物可用性也是重要的调动或低碳水化合物饮食时糖异生不仅是糖酵•磷酸烯醇丙酮酸羧激酶草酰乙酸→磷酸控因素肝脏糖异生对维持禁食期间的血糖水烯醇丙酮酸解的逆过程，还含有几步特异性反应绕过糖酵平至关重要解中的不可逆反应•果糖-1,6-二磷酸酶果糖-1,6-二磷酸→果糖-6-磷酸•葡萄糖-6-磷酸酶葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖肌肉缺乏糖异生与糖酵解互为逆过程，但两条途径不完全重叠在三个关键步骤，糖异生采用不同的酶和反应路径绕过糖酵解中的不可逆反应这种设计使两条相反方向的代谢途径可以同时以不同速率进行，并接受不同的调控，防止出现徒劳循环糖异生的生理意义在于维持血糖稳定，确保大脑和红细胞等严重依赖葡萄糖的组织能持续获得能量供应长期禁食时，肝糖原在24-48小时内耗尽，此后血糖主要依靠糖异生维持乳酸循环（科里循环）是肌肉产生的乳酸在肝脏转化为葡萄糖，再供应给肌肉使用的过程，是肝脏和肌肉之间的代谢合作第七章脂类代谢脂类结构与功能脂质是一类不溶于水但溶于有机溶剂的生物分子，包括脂肪酸、甘油脂、磷脂、糖脂、固醇类等它们在生物体内具有多种功能储存能量（如甘油三酯）、构成生物膜（如磷脂和胆固醇）、信号传导（如类固醇激素和前列腺素）以及提供保温和机械保护脂肪酸氧化脂肪酸β-氧化是脂肪酸分解的主要途径，发生在线粒体和过氧化物体中过程中脂肪酸碳链逐步缩短，释放乙酰CoA，同时产生NADH和FADH₂脂肪酸氧化是高效的能量来源，每克脂肪产生的ATP约为糖的两倍脂肪酸合成脂肪酸合成发生在细胞质中，由脂肪酸合酶复合体催化，以乙酰CoA和丙二酰CoA为原料，NADPH提供还原力与β-氧化不同，脂肪酸合成采用不同的酶系统和反应中间体，是一个还原合成过程胆固醇代谢胆固醇是细胞膜的重要组成部分，也是合成胆汁酸和类固醇激素的前体肝脏是胆固醇合成的主要场所，合成过程复杂，HMG-CoA还原酶是关键限速酶胆固醇通过脂蛋白在体内运输，其代谢失调与多种疾病相关脂类代谢与碳水化合物和蛋白质代谢密切相关，三者通过共同的中间体如乙酰CoA、丙酮酸和某些氨基酸相互连接，形成复杂的代谢网络脂类代谢的调控主要通过激素（如胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素等）和转录因子实现，确保能量供需平衡和脂质稳态本章将详细介绍脂肪酸的分解与合成途径、甘油脂和磷脂的代谢、胆固醇的合成与转运，以及脂质代谢紊乱与疾病的关系了解脂类代谢对理解能量平衡、生物膜功能和多种代谢性疾病至关重要脂类的结构与分类脂肪酸是脂类的基本构建单位，由碳氢链和一个羧基组成根据碳链中是否含有双键，可分为饱和脂肪酸（如棕榈酸C16:

0、硬脂酸C18:0）和不饱和脂肪酸（如油酸C18:

1、亚油酸C18:2）不饱和脂肪酸的顺式构型使碳链弯曲，降低了分子间作用力，导致熔点降低；而反式脂肪酸结构类似饱和脂肪酸，熔点较高甘油脂是由甘油与脂肪酸酯化形成的，包括甘油一酯、甘油二酯和甘油三酯磷脂由甘油骨架、两条脂肪酸链和一个含磷的极性头部组成，是生物膜的主要成分糖脂含有糖基，主要存在于细胞膜外层，参与细胞识别和信号传导固醇类以环戊烷多氢菲为基本骨架，最重要的是胆固醇，它调节膜流动性和参与胆汁酸、激素合成生物膜由脂质双分子层构成，其中嵌入蛋白质，形成流动镶嵌模型结构，实现选择性通透和多种功能脂肪酸氧化β-脂肪酸活化1脂肪酸与CoA结合形成脂酰CoA，消耗ATP转运入线粒体通过肉碱穿梭系统跨过线粒体内膜氧化循环β-3每循环去除两个碳原子，产生乙酰CoA能量产生乙酰CoA经三羧酸循环完全氧化，产生ATP脂肪酸β-氧化是一个循环过程，每次循环从脂肪酸末端第2-3位（β碳）氧化脱去两个碳原子，形成一分子乙酰CoA每个β-氧化循环包含四步反应脱氢（FAD→FADH₂）、加水、再脱氢（NAD⁺→NADH）和硫解裂解（释放乙酰CoA）这一循环持续进行，直至整个脂肪酸链被完全分解棕榈酸（C16:0）完全氧化可产生131个ATP，其中β-氧化产生7FADH₂和7NADH，8个乙酰CoA通过三羧酸循环进一步氧化不饱和脂肪酸需要额外的酶（顺式-反式异构酶和3-羟酰CoA异构酶）参与氧化奇数碳脂肪酸氧化最终产生丙酰CoA，经过羧化后进入三羧酸循环非常长链脂肪酸（C22）初始氧化在过氧化物体中进行，然后转移到线粒体完成脂肪酸氧化的调控主要由激素和肉碱脂酰转移酶I活性控制脂肪酸的合成乙酰活化CoA乙酰CoA羧化酶将乙酰CoA转化为丙二酰CoA，这是脂肪酸合成的第一个限速步骤该酶需要生物素作为辅酶，将CO₂添加到乙酰CoA上这一反应消耗ATP，是不可逆的脂肪酸合酶作用哺乳动物的脂肪酸合酶是一个多功能复合体，包含七种不同的催化活性它以乙酰CoA为起始单位，丙二酰CoA为延长单位，NADPH提供还原力，通过反复的缩合和还原循环，合成十六碳棕榈酸脂肪酸延长与不饱和化合成的棕榈酸可在内质网中进一步延长碳链或引入双键脂肪酸延长酶可将碳链延长至24个碳原子不饱和酶引入双键，哺乳动物缺乏Δ12去饱和酶，因此必须从食物中获取亚油酸和亚麻酸合成调控脂肪酸合成主要在肝脏和脂肪组织进行，受激素和营养状态严格调控胰岛素促进合成，而胰高血糖素和肾上腺素抑制合成高碳水化合物饮食增加脂肪酸合成，为能量储存提供机制脂肪酸合成与β-氧化虽然反应步骤相似但有重要区别合成发生在细胞质，而氧化主要在线粒体；合成使用不同的酶系统；合成中碳链生长方向与氧化相反；合成使用NADPH作为还原剂，而氧化产生NADH和FADH₂；合成中脂酰基连接在ACP蛋白上，而氧化中连接在CoA上甘油脂代谢甘油三酯的合成甘油三酯的分解•糖酵解提供甘油-3-磷酸•脂肪组织激素敏感脂肪酶激活•脂酰CoA与甘油-3-磷酸酯化•脂肪酸释放入血液与白蛋白结合•磷酸酯水解生成甘油三酯•靶组织摄取脂肪酸进行β-氧化•主要在肝脏和脂肪组织进行•甘油可转化为糖异生底物磷脂代谢•CDP-甘油和CDP-胆碱途径•磷脂酶A₂切割产生花生四烯酸•再酰化修复膜磷脂•磷脂转换为信号分子脂蛋白是将疏水性脂质（如胆固醇和甘油三酯）包裹在载脂蛋白外壳中的复合结构，使脂质能够在水环境中运输主要脂蛋白包括乳糜微粒（从小肠运输膳食脂肪）、极低密度脂蛋白VLDL（从肝脏运输内源性甘油三酯）、低密度脂蛋白LDL（运输胆固醇到外周组织）和高密度脂蛋白HDL（将胆固醇从外周组织转运回肝脏，即反向胆固醇运输）脂质代谢与多种疾病相关高胆固醇血症增加心血管疾病风险，尤其是LDL水平升高；而HDL水平低也是独立的风险因素高甘油三酯血症与胰岛素抵抗和代谢综合征相关脂肪肝是指肝脏中甘油三酯过度积累，可由酒精、药物或代谢紊乱引起肥胖是脂肪组织过度扩张，与多种代谢疾病相关理解脂质代谢对预防和治疗这些常见疾病至关重要胆固醇代谢第八章氨基酸代谢蛋白质消化与氨基酸吸收2氨基酸分解途径膳食蛋白质在胃肠道消化酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶等）作用下水解为氨基酸分解首先通过转氨基作用或氧化脱氨基作用去除氨基，产生α-酮酸碳骨氨基酸、二肽和三肽，然后被小肠上皮细胞吸收不同氨基酸使用特异性转运系架进入不同代谢途径有些进入三羧酸循环（如丙氨酸→丙酮酸），有些可转化统，其中一些需要钠离子协同转运为葡萄糖（糖原性氨基酸）或脂肪酸和酮体（酮原性氨基酸）3氨的代谢与尿素循环特殊氨基酸的代谢氨是有毒的代谢产物，主要通过转氨基作用转移到谷氨酸，再通过谷氨酰胺合成某些氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸（合成多巴胺、肾上腺素）、色氨酸（合成5-羟酶形成无毒的谷氨酰胺，或在肝脏通过尿素循环转化为尿素排出体外尿素循环色胺、褪黑素）和组氨酸（合成组胺）是重要神经递质和激素的前体含硫氨基消耗ATP，连接细胞质和线粒体两个隔室酸（蛋氨酸、半胱氨酸）参与甲基转移和抗氧化防御氨基酸代谢与其他代谢途径密切相关，形成复杂的代谢网络氨基酸可作为糖异生底物，也可提供碳骨架参与三羧酸循环；某些氨基酸如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸（支链氨基酸）可被肌肉作为能量来源，尤其在长时间运动或饥饿状态氨基酸代谢紊乱与多种疾病相关，如苯丙酮尿症（苯丙氨酸羟化酶缺陷）、枫糖尿症（支链氨基酸代谢障碍）和高胱氨酸尿症（胱硫醚合成酶缺陷）等临床上可通过分析血液和尿液中氨基酸谱和有机酸谱帮助诊断这些疾病本章将系统介绍氨基酸代谢的主要途径及其生理病理意义氨基酸的一般代谢途径转氨基作用氧化脱氨基作用分类与代谢特点转氨基作用是氨基酸代谢的第一步，由转氨酶谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸的氧化脱氨基，释放根据碳骨架代谢去向，氨基酸可分为（氨基转移酶）催化，将氨基酸的α-氨基转移氨和α-酮戊二酸这一反应使用NAD⁺或•糖原性碳骨架可转化为葡萄糖给α-酮戊二酸，生成相应的α-酮酸和谷氨酸NADP⁺作为氧化剂，是肝脏和肾脏中处理过转氨酶需要维生素B₆（吡哆醇）作为辅基剩氨基的重要途径在某些组织中，谷氨酸也•酮原性碳骨架可转化为酮体这一反应是可逆的，可用于氨基酸的合成和分可通过谷氨酰胺合成酶结合氨形成谷氨酰胺，•糖原性和酮原性兼具两种特性解血清转氨酶水平升高是肝损伤的重要指暂时储存和运输氨其中，亮氨酸专一为酮原性；异亮氨酸、赖氨标酸、色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸既是糖原性又是酮原性；其余氨基酸都是糖原性不同氨基酸的代谢途径各异，但通常遵循共同的初始步骤去除氨基产生α-酮酸，然后碳骨架进入特定代谢途径必需氨基酸（人体不能合成，必须从食物获取）包括赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和组氨酸非必需氨基酸可通过其他氨基酸或中间代谢物合成氨基酸代谢的调控主要基于底物可用性和激素调节高蛋白饮食增加氨基酸降解和尿素合成；饥饿时，肌肉蛋白质分解释放氨基酸，肝脏加速糖异生；应激状态下，蛋白质分解增加，支链氨基酸氧化增强胰岛素促进氨基酸摄取和蛋白质合成，而糖皮质激素则促进蛋白质分解和肝脏糖异生尿素循环氨甲酰磷酸合成氨的形成线粒体中，氨与碳酸氢盐在氨甲酰磷酸合成酶催化2下形成氨甲酰磷酸氨基酸分解产生NH₄⁺，主要通过转氨基作用和氧化1脱氨基作用瓜氨酸形成氨甲酰磷酸与鸟氨酸结合形成瓜氨酸，瓜氨酸转运至细胞质3尿素释放精氨酸水解释放尿素和鸟氨酸，鸟氨酸重新进入线精氨酸合成粒体继续循环4瓜氨酸经过天冬氨酸的加入和两步酶促反应转化为精氨酸尿素循环是哺乳动物处理有毒氨的主要途径，主要在肝脏进行整个循环跨越线粒体和细胞质两个区室，包含五步酶促反应每形成一分子尿素需消耗3ATP、1NAD⁺和1水分子，体现了解毒过程的高能耗循环中的第一个限速酶是线粒体内的氨甲酰磷酸合成酶，对ATP浓度敏感；第二个控制点是精氨酸琥珀酸合成酶，受N-乙酰谷氨酸激活尿素循环与三羧酸循环有两个衔接点一是琥珀酸既是尿素循环的产物也是三羧酸循环的中间体；二是延胡索酸可诱导尿素循环酶的表达尿素循环缺陷是一组常染色体隐性遗传病，由循环中任一酶的基因突变引起患者表现为高氨血症，可导致神经系统损伤、呕吐、嗜睡甚至昏迷死亡治疗包括限制蛋白质摄入、供应缺陷酶之后的中间体以及清除氨的药物治疗碳骨架的代谢氨基酸类型代表氨基酸碳骨架去向最终产物丙氨酸家族丙氨酸、丝氨酸、半转化为丙酮酸葡萄糖或乙酰CoA胱氨酸天冬氨酸家族天冬氨酸、天冬酰胺转化为草酰乙酸葡萄糖或TCA循环支链氨基酸亮氨酸、异亮氨酸、特异代谢途径琥珀酰CoA或乙酰缬氨酸CoA芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸复杂降解途径延胡索酸和乙酰CoA组氨酸组氨酸通过尿卟啉原途径谷氨酸氨基酸碳骨架的去向决定了氨基酸能否转化为葡萄糖或脂肪酸糖原性氨基酸（如丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等）的碳骨架可转化为丙酮酸、α-酮戊二酸或草酰乙酸等三羧酸循环中间体，最终可通过糖异生途径合成葡萄糖酮原性氨基酸（如亮氨酸）分解产生乙酰CoA或乙酰乙酰CoA，不能转化为葡萄糖，但可用于脂肪酸合成或酮体生成氨基酸之间可以相互转换，尤其是非必需氨基酸例如，丙氨酸可通过丙酮酸转化为丝氨酸；谷氨酸可转化为谷氨酰胺或脯氨酸；精氨酸可转化为鸟氨酸一碳单位代谢是由甘氨酸、丝氨酸和组氨酸等提供的甲基-CH₃、亚甲基-CH₂-和甲酰基-CHO的传递过程，对核酸合成和甲基化修饰至关重要四氢叶酸THF是一碳单位的主要载体，蛋氨酸则通过S-腺苷甲硫氨酸SAM参与甲基化反应第九章核苷酸代谢嘌呤核苷酸合成以PRPP为起点，多步骤构建嘌呤环嘧啶核苷酸合成先合成嘧啶环，再与核糖结合核苷酸补救合成利用已有碱基或核苷合成核苷酸核苷酸降解分解为碱基，最终形成尿酸排出核苷酸是DNA和RNA的基本构建单位，同时也是许多辅酶（如ATP、NAD⁺、FAD等）的组成部分，参与能量代谢、信号传导和各种生化反应核苷酸合成有两条途径从头合成（de novosynthesis）和补救合成（salvagepathway）从头合成消耗大量能量，使用简单前体如氨基酸、核糖-5-磷酸、CO₂和N₁₀-甲酰四氢叶酸等构建核苷酸；补救合成则利用已有的碱基和核苷，消耗较少能量嘌呤和嘧啶核苷酸的合成途径有显著差异嘌呤核苷酸合成是先将核糖磷酸作为骨架，在其上逐步构建嘌呤环；而嘧啶核苷酸合成则是先构建嘧啶环，然后与核糖磷酸结合核苷酸代谢紊乱与多种疾病相关，如高尿酸血症和痛风（嘌呤代谢异常）、遗传性免疫缺陷病（腺苷脱氨酶缺乏）和Lesch-Nyhan综合征（次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺乏）等本章将详细介绍核苷酸的合成与降解途径及其调控机制核苷酸的从头合成嘌呤核苷酸合成嘧啶核苷酸合成嘌呤核苷酸从头合成始于磷酸核糖焦磷酸PRPP，经过10步酶促反应形成嘧啶核苷酸合成先构建嘧啶环，再与核糖磷酸结合起始步骤是柳氨酸脱肌苷酸IMP，然后通过分支途径转化为腺苷酸AMP和鸟苷酸GMP羧酶催化的碳酸氢盐与谷氨酰胺反应形成氨甲酰谷氨酸随后经过一系列这一过程中，氮原子来自谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸；碳原子来自甘氨反应形成尿苷酸UMP，再转化为胞苷酸CMP和胸苷酸TMP值得注酸、CO₂和四氢叶酸的一碳单位合成过程消耗大量ATP意的是，dTMP合成需要四氢叶酸参与，因此叶酸缺乏会影响DNA合成嘌呤核苷酸合成的关键调控点是嘧啶合成的关键调控点是•PRPP合成酶受ADP和GDP抑制•天冬氨酸氨甲酰转移酶受CTP抑制，ATP激活•谷氨酰胺-PRPP酰胺转移酶受最终产物反馈抑制•核糖核苷酸还原酶控制dNTP供应，受多种效应物调节•AMP和GMP的合成分支互相交叉调控•胸苷酸合成酶是许多抗癌药物的靶点PRPP5-磷酸核糖-1-焦磷酸是核苷酸合成的关键中间体，由核糖-5-磷酸和ATP在PRPP合成酶催化下生成PRPP不仅是嘌呤和嘧啶核苷酸从头合成的底物，也是补救合成途径的重要组分，还参与组氨酸、色氨酸和NAD⁺的合成因此，PRPP的可用性是调控整个核苷酸代谢网络的重要因素核苷酸合成的调控机制复杂而精确，确保了各种核苷酸的平衡供应除了前述的关键酶反馈抑制外，还有多种调控方式，如激素调控（生长激素和胰岛素促进合成）、细胞周期相关调控（S期核苷酸合成增强）、营养状态（饥饿抑制合成）等了解这些调控机制对理解细胞增殖、免疫应答和癌症治疗靶点具有重要意义核苷酸的降解嘌呤核苷酸降解AMP和GMP首先通过特异性的核苷酸酶脱去磷酸基团，分别形成腺苷和鸟苷随后，腺苷脱氨酶将腺苷转化为肌苷腺苷脱氨酶缺乏是严重联合免疫缺陷病的原因之一核苷磷酸化酶切断核苷的糖苷键，释放出次黄嘌呤和鸟嘌呤等游离碱基最终，次黄嘌呤和鸟嘌呤通过黄嘌呤氧化酶转化为尿酸，作为嘌呤代谢的终产物从尿中排出嘧啶核苷酸降解嘧啶核苷酸降解始于去磷酸化形成核苷，然后切断糖苷键释放嘧啶碱基（胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶）与嘌呤不同，嘧啶环在人体内被完全分解胞嘧啶脱氨后形成尿嘧啶，尿嘧啶和胸腺嘧啶进一步分解为β-氨基异丁酸、β-丙氨酸、CO₂和NH₃这些产物可重新进入中间代谢或通过尿液排出嘧啶代谢紊乱较为罕见尿酸代谢与疾病尿酸是嘌呤代谢的终产物，正常人血尿酸水平维持在一定范围内高尿酸血症是指血尿酸水平过高，可由尿酸产生过多（如嘌呤摄入过量、细胞周转增加或代谢酶缺陷）或排泄减少（肾功能不全）引起长期高尿酸血症可导致痛风，表现为尿酸盐结晶沉积在关节和软组织中，引起急性关节炎、慢性关节损伤和肾结石痛风治疗包括限制高嘌呤食物摄入、增加排泄（如苯磺唑酮）和抑制合成（如别嘌醇）核苷酸代谢相关疾病还包括Lesch-Nyhan综合征，这是一种X连锁隐性遗传病，由次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRT缺陷引起该酶参与嘌呤补救合成，缺陷导致嘌呤从头合成增加，尿酸产生过多，同时神经递质代谢紊乱患者表现为高尿酸血症、肾结石、脑性瘫痪和自伤行为（如咬唇、咬手指）核苷酸代谢途径是多种药物的作用靶点抗癌药物如甲氨蝶呤（抑制二氢叶酸还原酶）、5-氟尿嘧啶（抑制胸苷酸合成酶）干扰核苷酸合成，阻止DNA复制，抑制肿瘤细胞增殖抗病毒药物如阿昔洛韦是核苷类似物，干扰病毒DNA合成免疫抑制剂如硫唑嘌呤和巯基嘌呤通过干扰嘌呤合成抑制免疫细胞增殖了解核苷酸代谢有助于理解这些药物的作用机制和可能的副作用总结与展望代谢途径整合各代谢途径通过关键中间体相互连接形成网络人类健康应用生物化学知识指导疾病诊断与治疗策略制定现代研究技术组学技术和计算生物学推动生物化学研究进展未来发展趋势系统生物学和精准医疗成为重要研究方向生物化学是理解生命本质的基础学科，通过研究分子水平上的结构与功能，揭示了生命活动的化学本质本课程系统介绍了生物大分子（蛋白质、核酸、糖类和脂类）的结构特点、代谢途径以及调控机制这些看似独立的代谢途径实际上通过共同的中间体（如乙酰CoA、丙酮酸、α-酮戊二酸等）紧密连接，形成了高度整合的代谢网络，确保细胞在不同生理条件下的能量供应和物质转换现代生物化学研究依赖于多种先进技术，如基因组学、蛋白质组学、代谢组学等组学技术，以及X射线晶体学、核磁共振、冷冻电镜等结构解析方法这些技术与计算生物学、系统生物学的结合，正在推动我们对生命系统的整体理解生物化学的发展为临床医学提供了理论基础，在疾病诊断、药物开发和精准医疗中发挥着越来越重要的作用未来，随着技术的进步和交叉学科的融合，生物化学将继续在生命科学领域引领创新，为解决人类健康、能源、环境等重大问题提供科学依据。