《生物化学专题解析》课件

生物化学专题解析生物化学是研究生物体内化学成分和化学反应的科学，它揭示了生命现象的分子机制本课程涵盖蛋白质、核酸、糖类、脂类等生物大分子的结构与功能，以及酶学、代谢调控等核心内容课程概述1课程目标与学习成果2评估方式与考核重点掌握生物化学基本理论，理解期中考试、期末考试30%生物分子结构与功能关系，培、实验报告、平时50%15%养科学思维和实验技能表现，注重理论联系实际5%推荐参考书目与学习资源第一部分生物化学基础生物分子的结构与功能生物大分子的相互作用研究方法与技术进展生物体内四大类生物分子蛋白质、分子间通过氢键、范德华力、静电作用现代生物化学研究依赖先进的分析技——核酸、糖类和脂类，每一类都具有独特等非共价键相互作用，形成复杂的生物术，如质谱、、射线晶体学等，NMR X的结构特征和生物学功能蛋白质承担学网络，调控细胞的各种生命活动为分子机制研究提供强有力的工具支催化、结构、运输等多种功能持绪论生物化学的发展与应用1世纪初期19生物化学萌芽期，发现尿素合成，证明有机物可人工合成，打破生命力理论2世纪中期20分子生物学兴起，双螺旋结构发现，中心法则提出，奠定DNA现代生物化学基础3世纪至今21组学技术发展，系统生物学兴起，精准医学应用，生物化学进入大数据时代生物化学的研究方法分离纯化技术结构测定方法功能研究手段色谱法、电泳技射线晶体学、酶活性测定、基X术、离心分离等核磁共振、冷冻因敲除、蛋白质方法用于从复杂电镜等技术揭示相互作用分析等生物样品中分离生物分子三维结方法研究分子功目标分子构能计算生物学方法生物信息学分析、分子动力学模拟、系统生物学建模等计算方法第二部分蛋白质化学蛋白质组学高通量分析技术1结构与功能关系2三维结构决定功能蛋白质结构层次3一级到四级结构蛋白质是生命活动的主要承担者，其复杂的结构层次决定了多样化的生物学功能从氨基酸序列到三维空间结构，每个层次都蕴含着重要的生物学信息现代蛋白质组学技术为我们理解蛋白质的全貌提供了强有力的手段氨基酸的结构与性质非极性氨基酸极性氨基酸疏水性侧链，包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸亲水性侧链，如丝氨酸、苏氨酸等，可形成等，常位于蛋白质内部氢键，常在蛋白质表面12芳香族氨基酸带电氨基酸43含有芳香环结构，具有特殊的光学性质和酸性和碱性氨基酸，在生理下带电荷，pH相互作用参与静电相互作用π-π蛋白质一级结构肽键形成氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，连接成多肽链序列测定降解法、质谱技术等方法确定氨基酸序列Edman序列分析比较不同物种间蛋白质序列，研究进化关系和功能域功能预测基于序列信息预测蛋白质功能和结构特征蛋白质高级结构四级结构三级结构多个亚基通过非共价相互作用组装成完整二级结构整个多肽链在三维空间中的折叠方式，由的蛋白质分子亚基间的相互作用不仅提螺旋和折叠是最常见的二级结构元件，侧链间相互作用维持包括疏水相互作供结构稳定性，还可能调节蛋白质的生物αβ通过主链间氢键稳定螺旋呈右手螺旋用、氢键、离子键等多种力的协同作用，学活性α状，每圈个氨基酸残基；折叠由伸展形成紧密的球状结构

3.6β的多肽链组成片状结构蛋白质结构与功能结构域与功能模块构象变化与生物学功能蛋白质结构域是独立折叠的功能蛋白质通过构象变化调节活性，单元，具有特定的生物学功能如变构效应、诱导契合等机制多域蛋白通过域间相互作用实现这种动态特性是蛋白质发挥调控复杂的调控机制功能的重要基础蛋白质相互作用网络蛋白质通过复杂的相互作用网络协调细胞功能现代蛋白质组学技术揭示了这些网络的复杂性和重要性蛋白质研究方法

1.5Å射线分辨率X原子级别的结构细节800频率NMR MHz高分辨率结构测定

2.6Å冷冻电镜分辨率大分子复合物结构10K质谱检测蛋白数高通量蛋白质组分析蛋白质组学样品制备分离分析细胞裂解、蛋白质提取、酶解处理，为1液相色谱分离、质谱检测，实现蛋白质后续分析准备高质量样品2的高通量鉴定和定量结果验证数据处理

4、免疫组化等方法验证重生物信息学分析、功能注释、通路分Western blot3要发现析，提取生物学意义第三部分核酸化学与结构特点核酸功能多样性核酸技术应用DNA RNA采用双螺旋结构，具有高度稳定除了遗传信息储存和传递，核酸还具有、测序、基因编辑等技术推动了分DNA PCR性，储存遗传信息多为单链结催化功能（核酶）、调控功能子生物学和生物技术的快速发展，在医RNA构，具有多样的二级结构，承担信息传（、）等多种生物学作学、农业等领域广泛应用miRNA lncRNA递和调控功能用核酸的化学组成核苷酸结构碱基配对原则理化特性由磷酸基团、五碳糖和、配对规律，核酸的溶解性、热稳定A-T G-C含氮碱基组成，是核酸形成稳定的氢键网络，性、光谱特性等物理化的基本结构单位维持双螺旋结构学性质磷酸二酯键连接相邻核苷酸的共价键，形成核酸的骨架结构结构特点DNA1双螺旋2构象多态性Watson-Crick DNA模型型、型、型等不同构象A BZ右手双螺旋结构，两条反平行形式，在不同环境条件下表现链通过碱基配对结合，形成稳出结构多样性定的遗传信息储存载体3超螺旋结构在细胞中以超螺旋形式存在，调节基因表达和复制过程DNA DNA的结构与分类RNA信使RNA mRNA1携带遗传信息，指导蛋白质合成的模板分子转运RNA tRNA2转运氨基酸到核糖体，具有特异的三级结构核糖体RNA rRNA3核糖体的重要组成成分，参与蛋白质合成过程非编码RNA

4、长链非编码等调控分子microRNA RNA核酸理化性质变性过程复性过程光谱特性稳定性因子高温或极端条件下，氢键适当条件下，单链重新处有最大吸收，用含量、离子强度、温度等pH DNA260nm GC断裂导致双链分离形成双螺旋结构于核酸定量分析影响核酸稳定性核酸研究技术技术原理测序技术PCR DNA通过热循环实现的指数级从测序到新一代测序技DNA Sanger扩增，包括变性、退火、延伸三术，测序成本大幅降低，通量显个步骤现已发展出实时、著提升第三代测序技术实现长PCR数字等多种变型技术读长和实时测序PCR基因编辑技术系统实现精准基因编辑，为基因治疗和功能研究提供强有CRISPR/Cas9力工具碱基编辑和引导编辑进一步提高精确性第四部分糖类生物化学1单糖基础最简单的糖类分子，不能水解为更小的糖单位2寡糖复合物个单糖单位组成，具有重要的识别功能2-103多糖大分子储存能量和提供结构支撑的大分子糖类4糖代谢网络复杂的代谢通路网络调控糖类的合成与分解单糖的结构与性质醛糖类型酮糖类型含有醛基的单糖，如葡萄糖、半乳糖，形成含有酮基的单糖，如果糖，在溶液中主要以环状结构时产生和异构体呋喃糖形式存在αβ12环状结构立体异构43单糖在溶液中主要以环状形式存在，吡喃糖手性碳原子产生多种立体异构体，型和D L和呋喃糖两种环状结构型构型决定生物活性多糖的结构与功能淀粉结构植物储能多糖，由直链淀粉和支链淀粉组成，糖苷键连接，支链处有糖苷键α-1,4α-1,6糖原结构动物储能多糖，高度分支结构，每个葡萄糖残基就有一个分支点，储存在肝脏和肌肉中8-12纤维素功能植物细胞壁主要成分，糖苷键连接，形成强韧的纤维状结构，提供机械支撑β-1,4糖代谢概述糖酵解途径葡萄糖在细胞质中分解为丙酮酸，产生和这是细胞获得能ATP NADH量的主要途径之一，可在有氧和无氧条件下进行三羧酸循环丙酮酸进入线粒体，通过柠檬酸循环完全氧化为和，产生CO2H2O大量这是细胞呼吸的核心环节ATP磷酸戊糖途径产生和核糖，为生物合成反应提供还原力和原料对维NADPH持细胞氧化还原平衡具有重要意义糖异生作用非糖物质合成葡萄糖的过程，维持血糖稳态在饥饿状态下为大脑等器官提供必需的葡萄糖糖代谢调控变构调节共价修饰关键酶通过变构效应调节活性，如磷酸1磷酸化和去磷酸化快速调节酶活性，胰果糖激酶受抑制、激活2岛素和胰高血糖素调控关键酶ATP AMP激素调控基因表达4胰岛素促进糖原合成，胰高血糖素促进转录水平调控酶蛋白合成量，适应长期3糖原分解和糖异生代谢需求变化糖类与疾病第五部分脂类生物化学脂代谢调控精密的调控网络1生物膜功能2细胞膜的组成与特性脂质分类结构3多样化的脂质分子脂类是细胞膜的主要组成成分，也是重要的能量储存分子和信号分子脂质的多样性结构赋予了生物膜独特的流动性和选择透过性脂代谢的精密调控确保细胞能量稳态和膜结构完整性脂肪酸的结构与分类饱和脂肪酸不饱和脂肪酸必需脂肪酸不含双键的脂肪酸，如棕榈酸、硬脂酸含有一个或多个双键的脂肪酸，如油人体无法合成、必须从食物中获取的脂等分子结构相对简单，熔点较高，主酸、亚油酸等双键的存在降低了熔肪酸主要包括和脂肪酸，对ω-3ω-6要来源于动物脂肪过量摄入可能增加点，在室温下多为液态对维持膜流动神经发育、免疫功能等具有重要意义心血管疾病风险性具有重要作用•亚麻酸（）α-ω-3•棕榈酸（）•油酸（）C16:0C18:1•亚油酸（）ω-6•硬脂酸（）•亚油酸（）C18:0C18:2和•DHA EPA•月桂酸（）•花生四烯酸（）C12:0C20:4复合脂质的结构与功能甘油磷脂类鞘脂类细胞膜的主要组成成分，包括磷以鞘氨醇为骨架的复合脂质，主脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸等具要分布在神经组织神经酰胺、有两性分子特性，形成脂双分子脑苷脂等参与细胞识别和信号转层结构不同磷脂的头基团赋予导鞘磷脂富集区域形成膜筏结膜特定的功能特性构类固醇类以胆固醇为代表的四环化合物，调节膜流动性类固醇激素如睾酮、雌激素等是重要的信号分子，调控基因表达和细胞功能生物膜结构与功能流动镶嵌模型膜蛋白功能膜脂筏结构磷脂双分子层具有流动载体蛋白、通道蛋白、富含胆固醇和鞘脂的膜性，膜蛋白以镶嵌方式受体蛋白等执行跨膜运微域，参与膜蛋白聚集分布其中，形成动态的输和信号传导功能和信号转导平台形成膜结构膜的屏障功能选择性透过性维持细胞内外环境的稳态，保护细胞完整性脂质代谢1脂肪酸氧化β线粒体中脂肪酸的分解代谢，每轮产生乙酰辅酶、和A FADH2NADH2脂肪酸合成细胞质中从乙酰辅酶合成脂肪酸，需要提供还原力A NADPH3甘油磷脂代谢磷脂的合成与分解，维持膜结构完整性和信号分子产生4胆固醇代谢从乙酰辅酶合成胆固醇，参与膜结构和激素合成A类固醇激素胆固醇前体1所有类固醇激素的共同前体分子孕烯醇酮2胆固醇转化的第一个类固醇中间体皮质激素3调节糖代谢和电解质平衡性激素4调控生殖和第二性征发育类固醇激素通过细胞内受体发挥作用，调节目标基因的转录表达这些激素在维持机体稳态、生殖功能和应激反应中发挥关键作用现代医学中，合成类固醇激素广泛用于激素替代治疗和抗炎治疗第六部分酶学酶的本质生物催化剂，大多数为蛋白质，少数为酶RNA催化特性高效性、专一性、温和反应条件下的催化能力动力学规律米氏方程描述酶促反应的动力学特征调控机制变构调节、共价修饰、基因表达调控酶的结构与功能活性中心组成辅酶辅基作用结合位点和催化位点共同构成，决定酶1参与电子转移、基团转移等反应，扩展的催化特异性和效率2酶的催化功能诱导契合催化机制4底物结合引起酶构象变化，形成最适合降低反应活化能，通过中间体形成加速3催化的构象反应进行酶促反应动力学酶活性调节70%变构调节酶比例代谢通路中关键酶多具有变构调节机制10磷酸化位点数单个蛋白质可有多个磷酸化调节位点100调节倍数酶活性可通过调节机制改变数十至上百倍秒级响应速度共价修饰调节可在秒级时间内完成酶的应用工业应用医学诊断分子生物学工具洗涤剂酶、食品加工酶、生物燃料生产酶酶活性检测用于疾病诊断，如心肌梗死时限制性内切酶、聚合酶、逆转录酶等DNA等工业酶类广泛应用，提高生产效率，减血清酶谱变化酶免疫分析技术在临床检是分子克隆和基因工程的核心工具，推动少环境污染，推动绿色工业发展验中发挥重要作用了生物技术的快速发展第七部分维生素与辅酶脂溶性维生素水溶性维生素辅酶功能维生素、、、，可在体内储存，族维生素和维生素，不易储存，需定维生素衍生的辅酶在代谢中发挥关键作A DE KB C参与视觉、骨骼代谢、抗氧化、凝血等期补充多数作为辅酶前体，参与代谢用，如、、辅酶等，参与氧NAD+FAD A重要生理过程过量摄入可能导致中反应缺乏时可导致特异性疾病化还原反应和基团转移反应毒水溶性维生素族维生素维生素B C包括硫胺素、核黄素、烟酸抗坏血酸，强抗氧化剂，参与胶原蛋白合成B1B2B3等，多数作为辅酶参与代谢反应和免疫功能调节12维生素叶酸B1243含钴维生素，参与甲基转移反应和红细胞成参与一碳单位转移反应，对合成和细DNA熟过程胞分裂至关重要脂溶性维生素维生素功能A视黄醇及其衍生物，参与视觉过程、上皮细胞分化和免疫功能缺乏导致夜盲症，过量引起中毒症状维生素代谢D胆钙化醇，调节钙磷代谢和骨骼矿化皮肤合成和食物摄入是主要来源，缺乏导致佝偻病维生素抗氧化E生育酚，重要的脂溶性抗氧化剂，保护细胞膜免受自由基损伤，维持生殖功能正常维生素凝血K参与凝血因子的羧化修饰，对正常凝血功能必需新生儿易缺乏，需要γ-补充预防出血辅酶在代谢中的作用系统NAD+/NADH烟酰胺腺嘌呤二核苷酸是重要的氧化还原辅酶，参与糖酵解、三羧酸循环等代谢过程比值反映细胞能量状态NAD+/NADH能量载体ATP腺苷三磷酸是细胞的通用能量货币，通过磷酸键的形成和断裂储存和释放能量比值调节多种代谢酶活性ATP/ADP辅酶载体系统A泛酸衍生物，携带酰基参与脂肪酸代谢、三羧酸循环等反应乙酰辅酶是代谢的中心中间体，连接糖类、脂类、蛋白质代谢A第八部分生物氧化与能量代谢氧化磷酸化大量合成1ATP电子传递链2有序电子传递生物能学基础3能量转化原理生物氧化是细胞获得能量的主要方式，通过有机物的有序氧化释放化学能并转化为线粒体电子传递链和氧化磷酸化系统高效地ATP将氧化能转化为磷酸键能，为细胞各种生命活动提供动力生物氧化概述氧化还原反应高能磷酸键能量转换效率生物体内的氧化反应在、等高能化合生物氧化的能量转换效ATP GTP酶催化下进行，温和条物储存和转移生物可利率可达到，远高于38%件下释放能量用的化学能一般燃烧反应氧化还原平衡细胞维持等氧化NAD+/NADH还原对的适当比例，调节代谢流向三羧酸循环乙酰进入异柠檬酸氧化CoA乙酰辅酶与草酰乙酸结合形成柠檬1异柠檬酸脱氢酶催化，产生第一个A酸，开始循环过程2和酮戊二酸NADHα-草酰乙酸再生酮戊二酸氧化α-4通过琥珀酸、延胡索酸、苹果酸等中间酮戊二酸脱氢酶复合体催化，产生琥α-3体，再生草酰乙酸珀酰和第二个CoA NADH电子传递链与氧化磷酸化复合体复合体复合体合成酶I IIIIV ATP泛醌氧化还原酶，细胞色素复合体，继续细胞色素氧化酶，最终将电利用质子梯度驱动合NADH-bc1c ATP传递电子并泵出质子电子传递和质子泵送子传递给氧气成，完成能量转换其他能量代谢途径第九部分代谢整合与调控1代谢网络各代谢通路相互交联，形成复杂的生化反应网络2多层调控从基因表达到酶活性，多个层面协调代谢过程3稳态维持反馈调节机制维持细胞内环境的相对稳定4系统生物学整体性研究代谢网络的动态行为和调控机制代谢通路的整合糖脂代谢联系蛋白质代谢整合组织特异性代谢糖类可转化为脂肪储存，脂肪分解可为氨基酸既可氧化产能，也可转化为糖类不同组织器官具有特异的代谢特点肝糖异生提供原料胰岛素和胰高血糖素或脂类氨基酸的碳骨架进入三羧酸循脏是代谢中心，肌肉主要消耗能量，脂协调两者之间的转换，维持能量稳态环，氨基通过转氨反应重新利用肪组织储存能量，大脑主要利用葡萄糖•乙酰连接点•转氨作用CoA•肝脏糖异生•柠檬酸丙酮酸循环•氨基酸脱氨-肌肉糖原分解•产生与消耗•糖原性氨基酸•NADPH•脂肪组织脂解代谢调控的分子机制变构调节共价修饰调节转录水平调控关键代谢酶通过变构效应快速响应细磷酸化是最重要的酶活性调节机制，转录因子如、等感受SREBP ChREBP胞能量状态变化、、柠檬可在秒级时间内改变酶活性蛋白激营养状态，调节关键代谢酶基因表ATP AMP酸等代谢产物作为变构效应子，精细酶和磷酸酶网络响应激素信号，协调达这种调节适应长期营养状况变调节酶活性，维持代谢平衡全身代谢化，重塑细胞代谢模式。