《生物化学与细胞生物学》课件

生物化学与细胞生物学生物化学与细胞生物学是现代生命科学的核心学科，从分子水平深入研究生命现象的本质规律本课程将系统阐述生物大分子的结构与功能、细胞的基本组织与代谢机制，以及细胞间的信息传递与调控网络绪论生命的分子基础水分子的核心地位无机离子的调节功能生物分子的复杂网络水占生物体重量的60-70%，是生命活动钠、钾、钙、镁等无机离子在维持细胞的基本介质其极性分子特性使其成为渗透压、传导神经信号、激活酶活性等理想的生物溶剂，参与几乎所有生化反方面发挥关键作用离子浓度梯度为细应水分子间的氢键网络维持了生物大胞提供驱动力，是生命活动的重要能分子的空间结构稳定性源水与生命独特的理化性质温度调节功能氢键网络系统水分子的偶极性质使其具有较高的水的高比热容和热导率帮助生物体介电常数和表面张力这些特性使维持温度稳态蒸发冷却机制通过水能够溶解大量离子化合物和极性出汗等方式调节体温，防止过热对分子，为生化反应提供理想环境蛋白质结构造成不可逆损伤生物大分子的基本分类蛋白质核酸多糖与脂类由20种标准氨基酸组成的线性聚合由核苷酸单体组成的信息大分子，包多糖如纤维素、淀粉提供结构支撑和物，折叠成特定三维结构执行生物功括DNA和RNADNA储存遗传信息，能量储存脂类包括脂肪、磷脂、胆能包括酶、结构蛋白、载体蛋白、RNA参与基因表达调控和蛋白质合固醇等，参与膜结构形成、能量储抗体等，是生命活动的主要执行者成含有碳、氢、氧、氮、磷等元存、信号传导两者都主要含有碳、含有碳、氢、氧、氮、硫等元素素，是遗传的物质基础氢、氧元素蛋白质结构与功能四级结构1多个多肽链组装形成功能复合体三级结构多肽链在三维空间的整体折叠二级结构α螺旋、β折叠等规律性结构一级结构氨基酸的线性排列顺序血红蛋白是蛋白质结构与功能关系的经典实例其四级结构由四个亚基组成，每个亚基含有血红素辅基氧气结合引起构象变化，展现了结构决定功能的生物学原理不同类型氨基酸的侧链性质决定了蛋白质的化学特性和生物活性核酸及其在遗传中的作用双螺旋结构多样性功能遗传信息传递DNA RNA由脱氧核糖核酸组成的单链核糖核酸分子，包遵循中心法则双链分子，通过碱基配括mRNA、tRNA、rRNA DNA→RNA→蛋白质对（A-T，G-C）形成稳等类型参与基因转通过转录和翻译过程，定的双螺旋结构主要录、翻译过程，以及基将基因组中的遗传信息功能是长期储存遗传信因表达的调控某些转化为具有生物功能的息，位于细胞核内RNA还具有催化活性蛋白质产物多糖与脂类淀粉纤维素植物能量储存多糖植物细胞壁主要结构成分••直链淀粉与支链淀粉β-1,4糖苷键连接••易于酶解提供葡萄糖提供机械强度支撑胆固醇磷脂膜流动性调节因子细胞膜的基本构建单元••维持膜结构稳定两亲性分子特性••激素合成前体物质形成脂双分子层细胞理论的诞生与发展细胞发现11665年胡克首次观察到软木细胞壁结构，命名细胞概念为细胞生物学研究奠定了基础细胞学说建立219世纪施莱登和施旺提出细胞学说三大定律细胞是生物体基本单位、所有生物由细胞组成、细胞来源于细胞现代细胞理论3电子显微镜技术推动了细胞超微结构研究，揭示了细胞器的精细结构和功能，建立了现代细胞生物学体系细胞的基本结构细胞膜系统由磷脂双分子层构成的半透膜结构，控制物质进出，维持细胞内环境稳态包含各种膜蛋白执行特异性功能细胞质基质填充细胞内空间的胶体溶液，含有各种酶、代谢产物和离子为细胞代谢提供反应场所和物质基础细胞器系统真核细胞特有的膜结合结构，包括线粒体、内质网、高尔基体等，各自执行专门的生物学功能遗传控制中心原核细胞的类核区或真核细胞的细胞核，含有遗传物质DNA，控制细胞的生长、分裂和代谢活动细胞膜结构与功能流动镶嵌模型磷脂双分子层为基本框架，膜蛋白镶嵌其中膜成分组成2磷脂、胆固醇、蛋白质、糖脂等多种分子跨膜运输选择性透过性调节细胞内外物质交换细胞膜的流动镶嵌模型揭示了膜结构的动态性质磷脂分子的两亲性特性使其自发形成双分子层，为膜蛋白提供了流动的脂质环境膜蛋白根据其结构特点分为整合蛋白和外周蛋白，执行载体、通道、受体等多种功能膜的选择性透过性是维持细胞内环境稳态的关键机制膜蛋白类型与功能整合蛋白功能跨膜蛋白质深度嵌入脂双分子层中，形成跨膜结构域典型代表包括离子通道、载体蛋白和膜受体，负责物质转运和信号识别功能外周蛋白作用通过非共价键与膜表面结合的蛋白质，易于从膜上解离主要参与膜结构稳定、细胞骨架连接和膜融合等过程调节功能蛋白网络载体蛋白介导特异性物质转运，离子通道调节膜电位变化，受体蛋白识别外界信号分子并启动细胞内信号转导级联反应物质跨膜运输被动扩散主动运输顺浓度梯度的自发物质移动，不消耗逆浓度梯度的耗能运输过程，需要载体ATP包括简单扩散和载体介导的促进蛋白和ATP提供能量维持细胞内外离扩散两种方式子浓度梯度胞吞胞吐协同运输通过膜泡形成实现大分子物质的跨膜运利用一种物质的浓度梯度驱动另一种物输包括内吞作用、胞饮作用和胞吐作质的跨膜运输包括同向转运和反向转用等机制运两种模式信号传递与受体34信号类型受体家族内分泌、旁分泌、自分泌信号系统G蛋白偶联、酪氨酸激酶、离子通道、细胞内受体100+信号分子激素、神经递质、生长因子等配体种类细胞通讯是多细胞生物维持组织功能协调的基础机制信号分子通过特异性结合膜表面或细胞内受体，启动复杂的信号转导网络受体与配体的结合具有高度特异性和敏感性，能够在极低浓度下检测并放大信号信号转导的级联放大效应使细胞能够对环境变化做出快速而精确的响应细胞骨架结构细胞骨架是由蛋白质纤维组成的动态网络结构，为细胞提供机械支撑并参与细胞运动微管由微管蛋白聚合形成，参与细胞分裂时染色体分离和细胞器运输微丝由肌动蛋白组成，负责细胞形状维持和肌肉收缩中间纤维提供细胞的机械强度，在不同细胞类型中表达不同的蛋白质组分这三种骨架成分协同工作，构建了细胞内部的结构框架细胞质及细胞内膜系统内质网系统高尔基体复合体溶酶体系统粗糙内质网表面附着核糖体，负责膜蛋白由多层扁囊结构组成，负责蛋白质的进一含有多种水解酶的膜包被细胞器，负责细和分泌蛋白的合成光滑内质网参与脂质步修饰、包装和分拣将来自内质网的蛋胞内废物降解、细胞器更新和病原体清除合成、药物解毒和钙离子储存等功能白质加工后运送到最终目的地等消化功能线粒体与叶绿体细胞核及核仁核膜结构双膜系统包围细胞核，核孔复合体调节大分子物质进出染色质组织DNA与组蛋白结合形成核小体，进一步压缩成染色质纤维核仁功能核糖体RNA合成和核糖体亚基装配的专门区域染色体与基因表达调控染色质压缩层次转录调控机制从核小体到高度凝缩的中期染转录因子结合启动子和增强子色体，DNA经历多级螺旋化压序列，调节RNA聚合酶的招募缩过程组蛋白修饰调节染色和活性顺式调控元件和反式质的开放程度，影响基因转录作用因子共同决定基因表达水活性平表观遗传修饰DNA甲基化和组蛋白修饰改变基因表达而不改变DNA序列这些修饰可以跨代传递，参与细胞分化和发育调控核糖体结构与蛋白质合成核糖体组装1在核仁中，rRNA与核糖体蛋白结合形成大小亚基真核生物为60S和40S亚基，原核生物为50S和30S亚基翻译起始2小亚基结合mRNA和起始tRNA，大亚基随后结合形成完整的翻译复合物起始因子协助这一过程的进行肽链延伸3tRNA携带氨基酸进入核糖体，肽基转移酶催化肽键形成核糖体沿mRNA移动，不断添加氨基酸至生长的肽链翻译终止4遇到终止密码子时，释放因子促进肽链从tRNA上释放核糖体解离，新合成的蛋白质进入后续修饰过程细胞周期与分裂期期S G2DNA复制过程6-8小时分裂前准备2-3小时•DNA半保留复制•微管蛋白合成期期••G1M组蛋白合成增加G2/M检验点••细胞体积增长25%复制起点激活染色体凝缩准备核分裂过程1小时•细胞体积和蛋白质合成•前期、中期、后期、末期••细胞器数量增加纺锤体形成••G1/S检验点控制胞质分裂细胞增殖的调控周期蛋白激酶系统CDK与周期蛋白结合形成活性复合物调控周期进程检验点机制监测DNA完整性和纺锤体装配确保分裂准确性癌变失控抑癌基因失活和癌基因激活导致细胞周期失控细胞增殖受到精密的分子调控网络控制周期蛋白依赖性激酶（CDK）是核心调节因子，其活性受周期蛋白浓度、CDK抑制剂和磷酸化修饰调节p53等肿瘤抑制蛋白监测DNA损伤，在检验点阻止有缺陷细胞继续分裂癌症的发生往往伴随着这些调控机制的破坏，导致细胞无限增殖和恶性转化细胞信号转导网络信号识别信号放大受体蛋白特异性结合信号分子，发生构蛋白激酶级联反应实现信号的几何级数象变化启动信号转导不同受体类型决放大一个信号分子可以激活数千个下定了信号传递的特异性和效率游分子，产生显著的生物学效应细胞响应第二信使信号最终调节基因表达、酶活性或细胞cAMP、IP

3、DAG等小分子介导细胞内行为响应的强度和持续时间决定了细信号传递这些分子快速扩散，将膜表胞对信号的适应性反应面信号传递到细胞各个角落能量代谢总览热力学基础代谢偶联生命活动遵循热力学定律，需要分解代谢释放的能量与合成代谢持续的能量输入维持有序状态的耗能过程相偶联氧化还原反ATP作为通用能量货币，其高能应和磷酸化反应是主要的能量转磷酸键水解释放能量驱动各种耗换机制，实现化学能的高效利能过程用代谢调控变构调节、共价修饰和基因表达调控确保代谢通路的协调运行关键酶的活性调节决定了代谢流量的方向和速率糖酵解与有氧呼吸糖酵解途径葡萄糖在细胞质中分解为两分子丙酮酸，净产生2个ATP和2个NADH这一过程不需要氧气参与，是厌氧条件下的主要供能途径柠檬酸循环丙酮酸进入线粒体基质，经过一系列氧化反应完全分解为CO2和H2O每轮循环产生3个NADH、1个FADH2和1个GTP电子传递链NADH和FADH2在内膜上的呼吸链复合体中传递电子，建立质子梯度ATP合酶利用质子动力势合成大量ATP分子能量收支完整的有氧呼吸过程从一分子葡萄糖中净产生约36-38个ATP，能量转换效率达到38%左右，远高于糖酵解的效率糖异生与糖原代谢糖异生过程糖原合成糖原分解从非糖前体物质如氨基酸、多余的葡萄糖以糖原形式储糖原磷酸化酶催化糖原分解甘油、乳酸等合成葡萄糖存在肝脏和肌肉中糖原合释放葡萄糖-1-磷酸肝糖原主要在肝脏进行，维持血糖成酶催化葡萄糖单位的添分解维持血糖，肌糖原分解稳态，特别是在饥饿状态下加，受胰岛素等激素调节为肌肉收缩提供能量为大脑提供葡萄糖糖尿病机制胰岛素分泌不足或作用缺陷导致糖代谢紊乱血糖升高、糖异生增强、糖原合成受阻，是糖尿病的主要生化特征三羧酸循环与氧化磷酸化84循环步骤呼吸链复合体柠檬酸循环包含八个连续的酶催化反应复合体I-IV协同完成电子传递和质子泵送32产量ATP氧化磷酸化过程产生约32个ATP分子三羧酸循环是细胞呼吸的核心环节，位于线粒体基质中乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸，经过一系列氧化反应重新生成草酰乙酸循环过程中产生的NADH和FADH2在内膜电子传递链中氧化，释放的能量用于ATP合成这一过程的效率极高，是有氧生物获取能量的主要途径脂质代谢脂肪酸氧化脂肪酸合成胆固醇代谢β-氧化在线粒体基质中进行，脂肪酸逐脂肪酸合成在细胞质中进行，使用乙酰胆固醇是重要的膜成分和激素前体步缩短两个碳原子，产生乙酰CoA、CoA和丙二酰CoA为原料脂肪酸合酶复HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的限速NADH和FADH2长链脂肪酸需要肉碱载合体催化重复的缩合、还原、脱水、还酶，受到严格的反馈调节血胆固醇升体系统进入线粒体原反应高与心血管疾病密切相关•••每轮β-氧化产生1个乙酰CoA需要NADPH作为还原剂他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶•••16碳棕榈酸完全氧化产生147个ATP柠檬酸-丙酮酸循环提供乙酰CoA LDL受体调节胆固醇摄取•••脂肪是高效的能量储存形式受ACC酶活性调节HDL参与胆固醇逆转运氨基酸与蛋白质代谢1234转氨反应脱氨过程尿素循环蛋白质周转氨基酸与α-酮酸之间的氨氨基酸脱去氨基生成相应在肝脏中将有毒的氨转化细胞内蛋白质持续合成和基转移，由转氨酶催化的α-酮酸和氨氨对细胞为尿素，包括线粒体和细降解，泛素-蛋白酶体系统ALT和AST是临床诊断肝功有毒性，需要迅速转化为胞质两个阶段遗传性酶负责异常蛋白质的清除和能的重要指标酶毒性较小的化合物缺陷导致高氨血症调节蛋白质的降解核酸代谢及其调控核酸修复多种DNA修复机制维护遗传稳定性补救合成回收利用核苷和碱基节约能量消耗从头合成嘌呤和嘧啶核苷酸的完整生物合成前体物质4氨基酸、CO

2、一碳单位等基本原料核酸代谢包括嘌呤和嘧啶核苷酸的合成与分解从头合成途径需要大量ATP和氨基酸前体，而补救合成途径通过核苷激酶和磷酸核糖基转移酶回收利用游离碱基痛风是嘌呤代谢紊乱导致的疾病，尿酸在关节中析出引起炎症叶酸和维生素B12参与一碳单位代谢，对DNA合成至关重要酶的结构与功能动力学调控催化机制原理活性位点结构变构调节和共价修饰控制酶活性协同效酶通过降低反应活化能加速生化反应诱应和反馈抑制确保代谢通路的精确调控，酶分子中与底物结合并催化反应的特定区导契合模型解释了酶-底物相互作用，底物维持细胞内生化反应的动态平衡域活性位点的三维构象决定了酶的底物结合引起构象变化使催化基团正确定位特异性和催化效率，通常由远距离氨基酸残基共同构成酶抑制与激活细胞分化与重编程干细胞特性干细胞具有自我更新和多向分化潜能胚胎干细胞具有全能性，成体干细胞分化潜能有限但在组织修复中发挥重要作用分化调控转录因子网络和表观遗传修饰共同调控细胞命运决定发育信号分子如Wnt、Notch、Hedgehog指导细胞分化方向重编程技术Yamanaka因子（Oct

4、Sox

2、Klf

4、c-Myc）可将体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC），为再生医学提供了新的细胞来源临床应用干细胞治疗在帕金森病、脊髓损伤、心肌梗死等疾病中显示潜力但需要解决免疫排斥、肿瘤形成等安全性问题细胞衰老与凋亡衰老分子机制端粒缩短、DNA损伤积累、蛋白质聚集和线粒体功能减退是细胞衰老的主要特征衰老细胞分泌炎症因子影响组织微环境凋亡信号通路程序性细胞死亡通过内在和外在途径启动线粒体释放细胞色素c激活caspase级联，死亡受体结合配体触发外在凋亡途径凋亡调控平衡Bcl-2家族蛋白调节线粒体膜通透性，p53监测DNA损伤并决定细胞命运凋亡与增殖的平衡维持组织稳态和发育正常进行疾病相关性凋亡异常与癌症、神经退行性疾病、自身免疫病密切相关过度凋亡导致组织萎缩，凋亡不足导致肿瘤形成和自身免疫细胞自噬自噬启动自噬体形成营养缺乏、能量应激或蛋白质聚集激活隔离膜逐渐延伸包围待降解物质形成自自噬信号mTOR抑制和AMPK激活是自噬体ATG蛋白参与自噬体的核酸化和噬启动的关键调控点成熟过程物质回收融合过程4溶酶体酶降解自噬体内容物，降解产物成熟的自噬体与溶酶体融合形成自噬溶3释放回细胞质重新利用自噬维持细胞酶体SNARE蛋白和Rab蛋白调节膜融内稳态和能量平衡合的特异性和效率细胞间连接与交流紧密连接位于上皮细胞顶部的密封连接，阻止物质在细胞间隙通过由claudin和occludin蛋白构成，维持组织屏障功能和细胞极性间隙连接允许小分子物质和离子在相邻细胞间直接传递连接蛋白形成的通道实现细胞间代谢偶联和电信号传导胞间连接提供强大的机械连接维持组织完整性钙黏蛋白家族介导细胞间粘附，与细胞骨架连接承受机械应力细胞外基质与黏附胶原蛋白网络纤连蛋白系统胶原是最丰富的ECM成分，提供纤连蛋白通过整合素受体介导细组织的机械强度不同类型胶原胞与ECM的相互作用含有RGD在不同组织中发挥特异功能，如I序列的结合域识别整合素，调节型胶原构成骨骼和皮肤基础结细胞迁移和信号转导构基质重建基质金属蛋白酶（MMP）降解ECM成分，调节组织重建和细胞迁移MMP活性失调与肿瘤侵袭和组织病理改变相关信号转导与肿瘤50+30+癌基因抑癌基因促进细胞增殖和存活的基因异常激活正常情况下抑制肿瘤形成的基因失活200+靶向药物目前已开发的分子靶向抗肿瘤药物数量肿瘤发生是多基因、多步骤的复杂过程Ras、Myc等癌基因异常激活促进细胞无限增殖，p

53、Rb等抑癌基因失活解除细胞周期控制表皮生长因子受体（EGFR）、血管内皮生长因子（VEGF）等成为重要的治疗靶点分子靶向药物如酪氨酸激酶抑制剂、单抗药物为肿瘤治疗提供了新策略，但耐药性仍是临床挑战细胞生物学研究方法光学显微镜技术荧光显微镜、共聚焦显微镜、超分辨率显微镜突破衍射极限，实现活细胞动态观察和分子定位电子显微镜透射电镜和扫描电镜提供纳米级分辨率，揭示细胞器超微结构冷冻电镜技术实现近原子分辨率结构解析分子探针技术免疫荧光、原位杂交、分子标记等技术实现特定分子的检测和定位FRET、FRAP等技术研究分子相互作用高通量分析流式细胞术、高内涵筛选、组学技术实现大规模细胞功能分析生物信息学整合多维度数据揭示细胞网络。