《生物化学》课件曾昭琼

生物化学主讲曾昭琼教授本课程基于高等教育出版社最新版教材编制，专门针对高等院校理工科本科生的学习需求生物化学是研究生命现象分子基础的科学，它连接了化学与生物学的桥梁，帮助我们从分子水平理解生命的奥秘生物化学导论研究对象与意义分子基础探究生物化学以生物体内的化学成通过研究蛋白质、核酸、糖分和化学反应为研究对象，探类、脂类等生物大分子的结构索生命活动的化学本质它是与功能，揭示生命现象的分子现代生命科学的重要基础学机理从分子水平解释遗传、科，为医学、农学、环境科学发育、衰老、疾病等复杂生物等领域提供理论支撑学过程应用领域举例生物大分子的基本组成蛋白质核酸由氨基酸组成的生物大分子遗传信息的载体分子•催化、结构、运输功能•储存遗传信息DNA12•具有复杂的空间结构•参与蛋白质合成RNA•占细胞干重的以上•由核苷酸聚合形成50%脂类多糖膜结构与信号分子能量储存与结构支撑•细胞膜主要成分•淀粉、糖原储能•能量密集储存形式•纤维素、几丁质结构•激素与信号转导•细胞识别信号氨基酸与蛋白质结构种标准氨基酸蛋白质多级结构20生物体内的蛋白质由种标准氨基酸组成根据侧链基团的性蛋白质具有四级结构层次一级结构是氨基酸序列，二级结构包20质，可分为疏水性、极性不带电、酸性、碱性四大类每种氨基括螺旋和折叠，三级结构是整个多肽链的空间折叠，四级结αβ酸都有独特的化学性质，决定了蛋白质的最终结构和功能构是多个亚基的组装•疏水性氨基酸丙氨酸、缬氨酸等•一级结构氨基酸排列顺序•极性氨基酸丝氨酸、苏氨酸等•二级结构局部规律性结构•带电氨基酸赖氨酸、天冬氨酸等•三级结构整体空间构象•四级结构亚基间相互作用蛋白质的生物学功能酶催化功能运输蛋白免疫防护酶是生物体内最重要的催化血红蛋白运输氧气，载脂蛋白抗体是机体免疫系统的重要组剂，能够显著降低反应的活化运输脂类，转铁蛋白运输铁离成部分，能够特异性识别和结能，加速生化反应酶的催化子这些运输蛋白通过特异性合抗原，介导免疫反应补体效率极高，具有高度的底物特结合和释放机制，实现重要物蛋白参与免疫级联反应，增强异性和反应专一性酶活性受质在体内的有效转运和分布机体的免疫防护能力到温度、值、抑制剂等多pH种因素调控调节控制胰岛素调节血糖水平，生长激素调节细胞增殖分化这些调节性蛋白通过与靶细胞受体结合，启动信号转导级联，精确调控各种生理过程酶的分类与命名氧化还原酶类（）转移酶类（）EC1EC2催化氧化还原反应的酶类，包括脱氢催化基团转移反应的酶类，如转氨酶、酶、氧化酶、过氧化物酶等这类酶在激酶、甲基转移酶等在代谢调控、信细胞呼吸、光合作用等重要代谢过程中号转导、基因表达调节等过程中具有重发挥关键作用要功能•乳酸脱氢酶•天冬氨酸转氨酶•细胞色素氧化酶•蛋白激酶A•过氧化氢酶•甲基转移酶DNA水解酶类（）EC3催化水解反应的酶类，包括蛋白酶、脂肪酶、糖苷酶等在消化吸收、蛋白质降解、信号终止等过程中发挥重要作用•胃蛋白酶•胰脂肪酶•溶菌酶酶催化机制活化能降低酶通过稳定过渡态，显著降低反应的活化能壁垒自由能变化保持不变，但反应速率大幅提升，使得在生理条件下的缓慢反应能够快速进行酶底物结合-底物与酶活性中心结合形成酶底物复合物（复合物）酶的活性中心-ES具有特定的几何形状和化学环境，能够选择性识别和结合特定底物分子催化转化在酶底物复合物中，酶提供适宜的微环境，通过酸碱催化、共价催化、金-属离子催化等机制，促进底物转化为产物产物释放反应完成后，产物与酶活性中心的亲和力降低，从酶表面解离酶重新回到初始状态，可以进行下一轮催化循环，实现高效的催化转化酶促反应动力学Km Vmax米氏常数最大反应速率反映酶对底物亲和力的重要参数酶完全被底物饱和时的反应速率3抑制类型竞争性、非竞争性、反竞争性米氏方程描述了酶促反应速率与底物浓度的关系当底物浓度等于值时，反应速率为Km的一半值越小，表明酶对底物的亲和力越强Vmax Km酶抑制剂可以通过不同机制影响酶活性竞争性抑制剂与底物竞争结合活性中心，非竞争性抑制剂结合酶的其他部位改变酶构象，反竞争性抑制剂只与复合物结合ES核酸的结构与功能1结构特征DNA由四种脱氧核苷酸组成、、、DNA dATPdGTP dCTP具有双螺旋结构，两条链通过氢键连接，遵循碱基互补dTTP配对原则与配对，与配对A T G C2结构特征RNA由四种核糖核苷酸组成、、、通RNA ATPGTP CTPUTP常为单链结构，但可形成复杂的二级和三级结构替代U DNA中的与配对T A3功能分工主要负责遗传信息的储存和传递，参与基因表达过DNA RNA程，包括转录、翻译、调控等多个环节两者协同完成遗传信息流动双螺旋模型DNA沃森克里克模型-双螺旋、反平行、右手螺旋氢键连接两个氢键，三个氢键A-TG-C结构参数螺距，直径

3.4nm2nm超螺旋结构进一步缠绕形成染色体DNA双螺旋模型揭示了遗传信息储存的分子基础两条反平行的多核苷酸链围绕共同轴心螺旋上升，碱基位于内侧通过氢键配对，糖磷酸骨架DNA位于外侧这种结构既保证了遗传信息的稳定性，又为复制和转录提供了模板的多样性RNA信使RNA mRNA携带遗传信息指导蛋白质合成转运RNA tRNA转运氨基酸参与翻译过程核糖体RNA rRNA核糖体的结构和催化成分非编码RNA、等调控分子microRNA lncRNA家族成员功能多样，在基因表达调控中发挥重要作用近年来发现的非编码如参与转录后调控，长链非编码参与表观遗RNA RNAmicroRNA RNA传调控，为疾病治疗提供新的靶点糖类的结构与功能单糖寡糖最简单的糖类分子，如葡萄糖、果糖、由个单糖分子连接形成，如蔗2-10半乳糖是细胞最主要的能量来源，参糖、乳糖、麦芽糖常作为能量储存形与多种代谢途径葡萄糖是大脑组织的式，也参与细胞表面识别和信号转导过主要燃料程细胞识别多糖糖链作为细胞表面标志参与细胞识别、由多个单糖聚合形成的大分子，分为储细胞黏附、免疫反应等重要生物学过能多糖和结构多糖淀粉和糖原储存能程血型抗原就是典型的糖类识别分量，纤维素和几丁质提供结构支撑子多糖的生物学功能结构多糖储能多糖纤维素是植物细胞壁的主要成分，由糖苷键连接的葡萄淀粉是植物的主要储能形式，分为直链淀粉和支链淀粉糖原是β-1,4-糖分子组成，形成高度有序的纤维结构几丁质是节肢动物外骨动物的储能多糖，主要储存在肝脏和肌肉中，能够快速动员提供骼和真菌细胞壁的重要组分能量•提供机械强度支撑•高效的能量储存形式•维持细胞和组织形态•根据需要快速动员•抵抗外界环境压力•不影响细胞渗透压脂类的分类与生物功能甘油三酯由甘油与三分子脂肪酸结合形成，是最主要的储能脂类在脂肪组织中大量储存，能量密度高，是碳水化合物的倍以上参与能量代谢和体2温调节磷脂类生物膜的主要结构成分，具有亲水头部和疏水尾部的两性分子特征能够自发形成双分子层结构，构成细胞膜的基本框架，维持膜的流动性和完整性类固醇包括胆固醇和类固醇激素，具有共同的四环骨架结构胆固醇是膜的重要组分，调节膜流动性类固醇激素如睾酮、雌激素参与重要的生理调节过程生物膜的分子基础磷脂双分子层膜蛋白复合物膜流动性调节生物膜的基本结构是磷脂双分子层，磷脂膜蛋白包括跨膜蛋白和外周蛋白，执行物胆固醇和不饱和脂肪酸调节膜的流动性，分子的疏水脂肪酸尾部相互聚集，亲水磷质转运、信号转导、酶催化等功能载体维持适宜的膜结构状态温度、脂肪酸组酸基团头部朝向水相环境这种排列形成蛋白和通道蛋白调节物质跨膜转运，受体成、胆固醇含量都会影响膜的物理性质和了选择性透过的屏障结构蛋白接受外界信号生物学功能物质跨膜运输方式细胞膜的选择性透过性决定了不同物质采用不同的跨膜转运方式小分子非极性物质可以自由扩散，极性物质需要载体蛋白协助，离子通过特异性离子通道主动转运需要消耗，能够逆浓度梯度转运物质，维持细胞内外离子浓度的不平衡状态钠钾泵是典型的主动转运系统，维持细胞ATP的静息电位和渗透压平衡细胞能量学基础糖代谢总览糖酵解葡萄糖分解产生丙酮酸和ATP循环TCA彻底氧化产生和还原性辅酶CO2氧化磷酸化电子传递链产生大量ATP糖代谢是细胞获取能量的主要途径，包括糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化三个主要阶段这个过程将葡萄糖的化学能逐步转化为的磷酸键能ATP在有氧条件下，一分子葡萄糖完全氧化可产生约分子糖酵解在细胞质中38ATP进行，循环和氧化磷酸化在线粒体中完成，体现了细胞结构与功能的精密配TCA合糖酵解途径详解反应步骤关键酶产物能量变化葡萄糖磷己糖激酶消耗→6-G6P1ATP酸葡萄糖果糖磷酸磷酸果糖激酶消耗6-→F1,6BP1ATP果糖二磷1,6-酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸产生3-3-1,3BPG NADH二磷酸脱氢酶→1,3-甘油酸磷酸烯醇式丙酮丙酮酸激酶丙酮酸产生1ATP酸丙酮酸→糖酵解包含步连续的酶促反应，将一分子葡萄糖转化为两分子丙酮酸净产生102分子和分子，为细胞提供快速的能量供应ATP2NADH三羧酸循环（循环）TCA乙酰进入CoA柠檬酸形成丙酮酸经氧化脱羧形成乙酰，进入CoA乙酰与草酰乙酸结合形成柠檬酸，CoA循环这是糖类、脂类、蛋白质代1TCA启动循环过程柠檬酸合酶催化这个关谢的共同通路，被称为代谢的中央枢键的缩合反应，是循环的第一步纽能量产生氧化脱羧每轮循环产生个、个3NADH1FADH2异柠檬酸和酮戊二酸相继发生氧化脱α-和个还原性辅酶进入电子传递1GTP羧反应，产生和这两步是NADH CO2链，最终产生大量，实现高效的能ATP不可逆反应，推动循环向前进行量转换氧化磷酸化与电子传递链复合体I泛醌氧化还原酶，接受的电子，同时泵出个NADH-NADH4质子到膜间隙，建立电化学梯度复合体II琥珀酸泛醌氧化还原酶，接受的电子，但不泵出质子，-FADH2电子传递给泛醌分子复合体III细胞色素复合体，将电子从泛醌传递给细胞色素，同时泵bc1c出个质子维持梯度4复合体IV细胞色素氧化酶，催化电子与氧气结合生成水，同时泵出个2质子，完成电子传递过程合酶ATP利用质子梯度驱动合成，质子回流提供能量，将和ATP ADPPi结合形成分子ATP糖异生与糖原代谢糖异生过程糖原代谢调控在饥饿状态下，机体通过糖异生途径从非糖物质合成葡萄糖主糖原合成酶和糖原磷酸化酶是糖原合成与分解的关键酶胰岛素要原料包括乳酸、甘油、氨基酸等肝脏是糖异生的主要器官，促进糖原合成，胰高血糖素和肾上腺素促进糖原分解，精确调控维持血糖稳定血糖水平•乳酸丙酮酸葡萄糖•糖原合成葡萄糖葡萄糖糖原→→→UDP-→•丙氨酸脱氨基生成丙酮酸•糖原分解糖原磷酸葡萄糖葡萄糖→1-→•甘油磷酸化进入糖异生•激素调控磷酸化去磷酸化机制/脂类代谢概述脂肪酸氧化β脂肪酸在线粒体中经过反复的氧化过程，每轮切除两个碳原子形成乙酰β软脂酸完全氧化可产生分子，是高效的能量来源CoA129ATP脂肪酸合成主要在肝脏和脂肪组织进行，以乙酰为原料，通过脂肪酸合酶复合体催化CoA合成过程需要和，受胰岛素调控NADPH ATP甘油三酯代谢脂肪组织储存和释放甘油三酯，调节机体能量平衡脂蛋白脂肪酶分解血液中的甘油三酯，激素敏感性脂肪酶动员储存的脂肪代谢调控脂类代谢受到激素、营养状态、组织需求等多重调控胰岛素促进脂肪合成，胰高血糖素和肾上腺素促进脂肪分解，维持代谢平衡胆固醇及类固醇生物合成类固醇激素睾酮、雌激素、皮质醇等重要调节分子胆固醇细胞膜成分，胆汁酸前体还原酶HMG-CoA限速酶，他汀类药物靶点乙酰CoA4合成起始原料胆固醇生物合成是一个复杂的多步骤过程，涉及多个酶促反应还原酶是限速酶，是降脂药物他汀类的作用靶点胆固醇不仅是细胞膜的重要组30HMG-CoA分，还是胆汁酸和类固醇激素的前体类固醇激素包括性激素、肾上腺皮质激素等，在生殖、应激、代谢调节等方面发挥重要作用胆固醇代谢紊乱与动脉粥样硬化、心血管疾病密切相关蛋白质与氨基酸代谢泛素标记目标蛋白被泛素分子标记，形成多聚泛素链，指导蛋白质降解蛋白酶体降解蛋白酶体识别泛素化蛋白，进行选择性降解，产生小肽片段26S肽酶作用3各种肽酶将小肽进一步水解为游离氨基酸，供细胞重新利用氨基酸重利用氨基酸进入代谢池，用于新蛋白质合成或分解代谢产能蛋白质降解是一个高度调控的过程，确保细胞内蛋白质的质量控制和更新泛素蛋白酶体系统是真核细胞蛋白质降解的主要途径，在细胞周期调控、-信号转导、质量控制等方面发挥重要作用一碳单位和嘌呤嘧啶代谢/一碳单位转移嘌呤合成嘧啶合成四氢叶酸作为一碳单位载嘌呤核苷酸的从头合成需要嘧啶合成先形成嘧啶环，再体，参与嘌呤、胸腺嘧啶、步反应，消耗大量与核糖磷酸结合胺甲酰磷10氨基酸的生物合成甲基循嘌呤环在核糖磷酸分酸合酶是限速酶，是ATP IIUMP环维持细胞内甲基化反应的子上逐步构建，形成，嘧啶核苷酸合成的共同前IMP进行，影响基因表达调控再分别转化为和体AMPGMP补救合成途径细胞可通过补救途径回收利用游离的嘌呤和嘧啶碱基，节约能量消耗和HPRT是重要的补救合成APRT酶代谢的调控原理变构调节共价修饰调节反馈调节机制酶的活性位点以外存在调节位点，调磷酸化是最重要的共价修饰方式，通代谢产物对代谢途径起始酶的抑制作节分子结合后引起酶构象变化，影响过激酶和磷酸酶的作用快速调节酶活用，防止产物过量积累胆固醇对酶活性磷酸果糖激酶受抑制、性糖原合成酶和糖原磷酸化酶的磷还原酶的反馈抑制调控胆ATP HMG-CoA激活，体现能量电荷调控酸化调控是典型例子固醇合成速率AMP激素与代谢调控细胞信号转导基础1信号识别膜受体、胞内受体识别特异性配体分子蛋白偶联受体、酪G氨酸激酶受体、离子通道受体等不同类型受体具有不同的结构特征和功能机制2信号转导受体活化后启动细胞内信号级联反应通过蛋白磷酸化、第二信使产生、转录因子激活等多种机制放大和传递信号3效应响应最终导致基因表达改变、酶活性调节、细胞行为变化等生物学效应信号终止机制确保细胞能够对新的刺激做出适当响应维生素和辅助因子水溶性维生素脂溶性维生素族维生素和维生素属于水溶性维生素，主要作为辅酶或辅助维生素、、、属于脂溶性维生素，主要参与特殊的生理功B CA DE K因子参与酶反应维生素（硫胺素）是丙酮酸脱氢酶复合体能维生素参与视觉过程，维生素调节钙磷代谢，维生素B1A DE的辅助因子，维生素（核黄素）是的组成成分是抗氧化剂，维生素参与凝血过程B2FAD K•维生素氨基酸代谢•维生素视黄醇、视觉色素B6A•维生素一碳单位转移•维生素钙吸收调节B12D•叶酸合成•维生素膜抗氧化保护DNA E•维生素胶原合成•维生素凝血因子合成C K生物分子的分析与检测蛋白质定量分析法利用考马斯亮蓝与蛋白质结合产生颜色变化进行定量Bradford法基于蛋白质的还原性进行检测高效液相色谱法（）可进BCA HPLC行高精度的蛋白质分离和定量分析核酸提取纯化的分离纯化是分子生物学实验的基础步骤苯酚氯仿抽DNA/RNA-提法可有效去除蛋白质污染，柱层析法快速简便，磁珠法适用于自动化操作酶活性检测酶活性检测通过测定底物消耗或产物生成速率来评估分光光度法检测吸光度变化，荧光法检测荧光强度变化，电极法检测电化学信号变化酶学与生物催化的应用工业酶制剂医学诊断应用生物传感器淀粉酶用于淀粉糖浆生产，蛋白酶用于洗血清转氨酶水平反映肝功能状态，肌酸激葡萄糖氧化酶生物传感器用于血糖监测，涤剂和皮革工业，脂肪酶用于生物柴油生酶是心肌梗死的重要标志物，淀粉酶升高胆碱酯酶传感器用于有机磷农药检测酶产工业酶具有高效、专

一、温和反应条提示胰腺炎可能酶学检测为疾病诊断、生物传感器具有高特异性、快速响应、操件等优点，在食品、纺织、化工等领域广病情监测、疗效评价提供重要依据作简便等特点，在环境监测和食品安全领泛应用域应用广泛基因的复制与修复半保留复制解旋DNA每条新合成的分子都含有一条原来DNA解旋酶打开双螺旋结构，单链结合DNA的链和一条新合成的链聚合酶DNA III蛋白稳定单链状态拓扑异构酶解除超负责连续合成前导链，不连续合成滞后螺旋张力，为复制叉的移动创造条件链损伤修复校对纠错DNA碱基切除修复、核苷酸切除修复、同源聚合酶具有外切酶活性，能DNA3-5重组修复等多种机制修复不同类型的够校对和纠正错配碱基错配修复系统损伤修复缺陷与癌症、遗传病密进一步提高复制保真度，维持遗传信息DNA切相关稳定性基因的转录与翻译转录起始聚合酶识别启动子序列，在转录因子协助下结合模板盒是核心启动子元件，转录起始点通常位于盒下游处RNA IIDNA TATATATA25-30bp加工RNA真核细胞的前体需要经过加帽、加多聚尾、剪接等加工过程内含子被剪除，外显子连接形成成熟mRNA53A mRNA核糖体结合成熟与核糖体结合，携带氨基酸参与翻译过程起始密码子确定翻译起始位点，核糖体沿移动mRNA tRNAAUG mRNA多肽链合成核糖体催化肽键形成，氨基酸按照密码子顺序连接成多肽链终止密码子信号结束翻译，多肽链释放并折叠成蛋白质mRNA后修饰与蛋白质转运新合成的多肽链需要经过多种后修饰才能获得生物活性磷酸化是最常见的修饰方式，调节蛋白质活性、定位和相互作用糖基化修饰影响蛋白质折叠、稳定性和功能蛋白质转运依赖特异性信号序列指导内质网信号肽引导蛋白质进入分泌途径，线粒体转运序列引导蛋白质进入线粒体，核定位信号引导蛋白质进入细胞核分子伴侣协助蛋白质正确折叠和组装细胞周期与凋亡调控412H周期检查点细胞周期时长、、纺锤体检查点哺乳动物细胞典型周期时间G1/S G2/M3凋亡途径内源性、外源性、内质网应激细胞周期受到周期素激酶复合体（）的精密调控不同阶段表达不同的周期素，与相应-CDK的结合激活激酶活性检查点机制确保复制完整性和染色体正确分离CDK DNA细胞凋亡是程序性细胞死亡过程，通过级联反应执行是重要的凋亡调节因子，caspase p53感受损伤信号并决定细胞命运凋亡异常与癌症、神经退行性疾病等多种疾病相关DNA。