《生物化学原理》课件

生物化学原理课程导论生物化学是研究生命现象化学本质的学科，它架起了化学与生物学之间的桥梁本课程将带领大家深入探索生命活动的分子机理，从原子水平理解生命的奥秘作为生命科学的核心基础学科，生物化学为我们提供了理解细胞结构、功能及其调控机制的重要工具通过系统学习，我们将掌握生物大分子的结构特点、代谢途径的调控原理，以及基因表达的分子机制生物化学发展简史11828年维勒合成尿素首次在实验室合成有机化合物，打破了生命力理论，标志着生物化学的诞生21953年DNA双螺旋结构沃森和克里克发现DNA分子结构，为分子生物学奠定基础31990年人类基因组计划大规模基因测序技术的发展，开启了后基因组时代21世纪蛋白质组学兴起系统性研究蛋白质功能，推动精准医学发展生物化学研究内容分子结构与功能代谢途径网络研究生物大分子的三维结构及其与功能12阐明细胞内各种物质的合成与分解过程的关系信号转导机制基因表达调控43研究细胞间和细胞内的信息传递过程探索遗传信息的转录、翻译及调控机制生物化学作为交叉学科，与分子生物学、细胞生物学、遗传学等密切相关它运用化学的理论和方法研究生物体的组成、结构和功能，特别关注生命活动的化学本质现代生物化学已经发展成为一个包含多个分支领域的综合性学科，为理解复杂的生命现象提供了强有力的分析工具生命的化学基本元素六大元素金属离子作用CHONPS碳（C）构成有机分子骨架，氢钙离子参与信号传导和骨骼形（H）和氧（O）形成水分子，成，镁离子是叶绿素的核心原氮（N）是蛋白质和核酸的重要子，铁离子存在于血红蛋白中负组分，磷（P）参与能量转换，责氧气运输，锌离子是许多酶的硫（S）存在于某些氨基酸中辅助因子这些金属离子虽然含这六种元素占生物体重量的99%量较少，但功能极其重要以上微量元素意义碘是甲状腺激素的组成成分，硒具有抗氧化作用，钴是维生素B12的核心原子，钼参与氮素代谢微量元素的缺乏常常导致严重的生理疾病，体现了其不可替代的生物学功能水和溶液环境水的特殊性质水分子具有极性结构，能形成氢键，具有高比热容和表面张力这些性质使水成为优良的生物溶剂，为生命活动提供了理想的化学环境溶解与运输功能水能溶解多种离子和极性分子，为生化反应提供反应介质同时作为运输载体，水参与营养物质的吸收和代谢废物的排除过程pH调节系统生物体内的缓冲体系维持pH稳定，主要包括碳酸-碳酸氢钠、磷酸和蛋白质缓冲系统pH的细微变化都会影响酶活性和蛋白质构象生理pH意义人体血液pH维持在

7.35-

7.45之间，细胞内pH约为

7.0pH异常会导致酸中毒或碱中毒，严重时危及生命，体现了pH调节的重要性生物大分子的分类核酸蛋白质糖类DNA和RNA负责遗传信息执行生命活动的主要功能主要的能量来源和储存形的储存、传递和表达，是分子，包括酶、结构蛋白、式，也参与细胞识别和结生命延续的物质基础运输蛋白等构构建脂类构成生物膜的主要成分，同时具有储能和信号传导功能这四类生物大分子通过共价键和非共价键相互作用，构成了复杂而有序的生命系统它们不仅各自承担特定的生物学功能，还通过复杂的相互作用网络协调生命活动理解这些大分子的结构特点和功能关系是掌握生物化学原理的关键氨基酸与蛋白质基础氨基酸分类结构特征根据侧链性质，20种标准氨基酸可分为极性、非极性、酸性和每个氨基酸都含有氨基、羧基和侧链（R基团）氨基和羧基通碱性四类非极性氨基酸如丙氨酸、缬氨酸具有疏水性，极性氨过肽键连接形成蛋白质的主链，而侧链的多样性赋予了蛋白质丰基酸如丝氨酸、苏氨酸具有亲水性富的化学性质酸性氨基酸包括天冬氨酸和谷氨酸，碱性氨基酸包括赖氨酸、精某些氨基酸具有特殊功能，如半胱氨酸能形成二硫键，脯氨酸会氨酸和组氨酸这些侧链的化学性质决定了蛋白质的三维结构和引起肽链弯曲，色氨酸和酪氨酸具有紫外吸收特性这些特性在功能特性蛋白质纯化和分析中具有重要应用价值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，连接相邻氨基酸的羧基和氨基肽键具有部分双键性质，限制了主链的旋转自由度，影响蛋白质的空间构象序列决定功能氨基酸序列是蛋白质结构和功能的根本决定因素序列中任何一个氨基酸的改变都可能影响蛋白质的稳定性和活性，这也是基因突变导致疾病的分子基础序列分析意义通过比较不同物种间蛋白质序列的相似性，可以推断进化关系和功能域现代蛋白质组学技术使得大规模序列分析成为可能，为药物设计和疾病诊断提供了重要信息蛋白质高级结构四级结构1多个肽链的空间排列三级结构2单个肽链的整体折叠二级结构3局部的规则构象一级结构4氨基酸线性序列蛋白质的高级结构由多种非共价相互作用维持，包括氢键、范德华力、静电作用和疏水效应α-螺旋和β-折叠是最常见的二级结构元件，它们通过特定的氢键模式稳定三级结构的形成使蛋白质获得特定的生物学功能，而四级结构的组装进一步增强了蛋白质的稳定性和调控能力这种层次化的结构组织体现了生命系统的精密性和复杂性蛋白质的功能实例催化功能（酶）酶是生物催化剂，能显著降低反应活化能，提高反应速率例如碳酸酐酶每秒可催化一百万次反应，胃蛋白酶专门分解蛋白质酶的高效性和专一性是维持细胞正常代谢的关键运输功能血红蛋白运输氧气和二氧化碳，血清白蛋白运输脂肪酸和药物分子，载脂蛋白负责脂质运输这些运输蛋白通过构象变化实现货物的装载、运输和卸载过程免疫防御抗体（免疫球蛋白）能特异性识别和结合抗原，激活免疫反应补体蛋白参与细胞溶解，细胞因子调节免疫响应这些蛋白质构成了机体抵御外来病原体的重要防线结构支撑胶原蛋白提供皮肤、骨骼和血管的机械强度，角蛋白构成毛发和指甲，弹性蛋白赋予组织弹性这些结构蛋白为细胞和组织提供了必要的物理支撑酶学基本原理底物结合构象变化酶与底物通过活性位点特异性结合形成酶-底物复合物，诱导契合产物释放催化反应生成物脱离活性位点，酶重新利用降低活化能，加速化学反应酶催化遵循锁钥模型和诱导契合模型酶的专一性由活性位点的三维结构决定，通过提供适宜的化学环境来稳定过渡态，从而降低反应活化能酶催化具有高效性、专一性和可调节性等特点，这些特性使酶成为细胞代谢网络中不可或缺的调节因子酶动力学米氏方程原理影响因素米氏方程描述了酶催化反应的速率与底物浓度的关系v=温度升高能增加分子运动和碰撞频率，但过高温度会导致酶变性Vmax[S]/Km+[S]其中Vmax表示最大反应速率，Km是米失活pH影响酶活性位点的电离状态，偏离最适pH会降低酶活氏常数，反映酶对底物的亲和力性当底物浓度很低时，反应呈一级动力学；当底物浓度很高时，反酶浓度与反应速率成正比，底物浓度在一定范围内与反应速率成应呈零级动力学Km值等于反应速率达到Vmax一半时的底物正比离子强度、抑制剂和激活剂也会显著影响酶的催化效率浓度酶抑制与调控机制竞争性抑制抑制剂与底物竞争结合活性位点，可通过增加底物浓度克服抑制非竞争性抑制抑制剂结合活性位点以外的部位，改变酶构象，降低催化效率变构调节调节分子结合变构位点，引起构象变化，影响酶活性反馈调节代谢终产物抑制代谢途径中的关键酶，维持代谢平衡酶活性的精细调控是维持细胞代谢稳态的关键机制变构酶通常具有多个亚基，能够感受细胞内代谢物浓度的变化，及时调整代谢流量共价修饰如磷酸化也是重要的调控方式，能够快速响应细胞信号，实现酶活性的开关控制核酸基础核苷酸组成碱基配对规律核苷酸由磷酸基团、五碳糖（核沃森-克里克碱基配对遵循A-T糖或脱氧核糖）和含氮碱基组（A-U）和G-C配对原则G-C成DNA含有腺嘌呤（A）、鸟碱基对通过三个氢键连接，比A-嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸T碱基对的两个氢键更稳定，因腺嘧啶（T），RNA用尿嘧啶此GC含量高的DNA热稳定性更（U）代替胸腺嘧啶好糖磷酸骨架磷酸基团连接相邻核苷酸的3羟基和5磷酸基团，形成具有方向性的糖磷酸骨架这种5到3的极性为DNA复制和RNA转录提供了方向性指导的分子结构DNA双螺旋结构1两条反向平行的DNA链绕共同轴心形成右手螺旋氢键稳定碱基配对通过氢键维持双链结构的稳定性螺旋参数每圈螺旋包含10个碱基对，螺距为

3.4纳米大小沟结构螺旋表面形成主沟和次沟，便于蛋白质识别DNA双螺旋结构的发现是20世纪最重要的科学成就之一这种结构不仅解释了遗传信息的储存方式，还为理解DNA复制、转录和修复机制提供了结构基础主沟和次沟的存在使得转录因子等调节蛋白能够特异性识别特定的DNA序列，实现基因表达的精确调控的多样性RNA信使（）转运（）核糖体（）RNA mRNARNA tRNARNA rRNA携带遗传信息从DNA到蛋白质合成位点具有特征的三叶草二级结构和L型三级结是核糖体的主要成分，具有催化肽键形成mRNA具有5帽子结构和3多聚A尾巴，能构每种tRNA特异性结合一种氨基酸，通的活性rRNA不仅提供核糖体的结构框够稳定RNA并促进翻译起始成熟的过反密码子识别mRNA上的密码子，确保架，还参与翻译过程中的催化反应，体现mRNA经过剪接，去除内含子，保留外显蛋白质合成的准确性了RNA的酶活性子序列糖类的结构与分类12-10单糖寡糖最简单的糖类，如葡萄糖、果糖、半乳糖由2-10个单糖单位连接而成106多糖碳原子数由许多单糖单位聚合形成的大分子大多数生物学重要的单糖含有6个碳原子糖类分子通过糖苷键连接，形成多样化的结构α-1,4糖苷键形成直链结构，α-1,6糖苷键产生分支不同的连接方式和分支程度赋予多糖不同的物理化学性质和生物学功能糖类还可以与蛋白质和脂类结合，形成糖蛋白和糖脂，参与细胞识别和信号转导过程糖类的主要功能能量供应能量储存结构功能识别信号葡萄糖是细胞的主要能糖原在肝脏和肌肉中储纤维素构成植物细胞细胞表面糖链参与细胞量来源，通过糖酵解和存能量，淀粉是植物的壁，几丁质形成昆虫外识别、免疫反应和病毒有氧呼吸释放ATP主要储能形式骨骼和真菌细胞壁感染过程糖类在生命活动中发挥着多重功能除了基本的能量代谢作用外，复合糖类还参与重要的生物识别过程血型抗原、细胞表面受体的糖基化修饰都影响着细胞间的相互作用糖类代谢异常与糖尿病等代谢性疾病密切相关，体现了糖类代谢调控的重要性脂类及生物膜脂类分类流动马赛克模型脂肪酸是脂类的基本构建单元，分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪生物膜由磷脂双分子层构成，蛋白质以不同方式嵌入或附着在膜酸甘油三酯是主要的储能脂类，磷脂是生物膜的主要成分，胆上膜具有流动性，磷脂分子可以侧向扩散，蛋白质也能在膜平固醇具有调节膜流动性的作用面内移动饱和脂肪酸在室温下呈固态，不饱和脂肪酸因含有双键而在室温膜的不对称性体现在内外两侧磷脂组成的差异，这种不对称性对下呈液态双键的存在影响脂肪酸链的堆积，进而影响膜的流动膜功能具有重要意义胆固醇的插入能够调节膜的流动性，维持性适宜的膜环境细胞膜的功能选择透过性信号传导细胞膜对不同物质具有选择性透过能力小分子如水、氧气和二膜受体蛋白能够识别特定的信号分子，如激素、神经递质等，并氧化碳可以自由透过，而离子和大分子需要特定的载体蛋白或通将信号传递到细胞内部这个过程涉及受体构象变化、第二信使道蛋白协助这种选择性维持了细胞内环境的稳定产生和信号放大等步骤物质运输细胞识别主动运输需要消耗ATP，能够逆浓度梯度运输物质，如钠钾泵细胞表面的糖蛋白和糖脂参与细胞间的识别和黏附这种识别对被动运输沿浓度梯度进行，包括简单扩散和载体介导的易化扩散于组织形成、免疫反应和发育过程都具有重要意义，异常的细胞胞吞和胞吐处理大分子物质的运输识别可能导致癌症转移生物能与能量转换的能量释放ATP1磷酸键断裂提供化学能的结构特点ATP2腺苷三磷酸含有高能磷酸键能量转换基础3光能、化学能与生物能的相互转化热力学原理4自由能变化驱动生物化学反应ATP被称为细胞的能量货币，其分子结构包含腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团ATP水解释放的能量约为

30.5千焦/摩尔，这个数值适中，既能提供足够的驱动力，又不会造成能量浪费ATP/ADP循环是细胞能量代谢的核心，通过偶联放能反应和耗能反应，实现了能量的高效利用和精确调控代谢总论分解代谢代谢调控大分子分解为小分子，释放能量，产生酶活性调节、基因表达控制维持代谢平ATP和还原当量衡合成代谢动态平衡小分子合成大分子，消耗ATP和还原当合成与分解同时进行，维持细胞稳态量代谢网络是由数千个生化反应组成的复杂系统，这些反应通过共同的中间产物和调节机制相互连接分解代谢和合成代谢在时间和空间上精确协调，确保细胞能够根据需要合成必需的分子，同时有效利用能量资源代谢途径的异常是许多疾病的根本原因糖代谢途径糖酵解途径葡萄糖分解为丙酮酸，在细胞质中进行，产生ATP和NADH这是最古老的代谢途径，在有氧和无氧条件下都能进行，为细胞提供快速的能量供应糖异生途径非糖物质合成葡萄糖，主要在肝脏进行利用氨基酸、乳酸、甘油等前体物质，通过一系列酶催化反应逆转糖酵解过程，维持血糖稳定糖原代谢糖原合成储存葡萄糖，糖原分解释放葡萄糖肝糖原维持血糖水平，肌糖原为肌肉收缩提供能量糖原磷酸化酶和糖原合成酶受到精密调控代谢调控胰岛素促进糖酵解和糖原合成，胰高血糖素促进糖异生和糖原分解关键酶的磷酸化修饰实现快速调控，变构调节提供精细调控糖酵解与有氧呼吸1糖酵解阶段葡萄糖在细胞质中分解为两分子丙酮酸，净产生2分子ATP和2分子NADH关键调节酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶2丙酮酸氧化丙酮酸进入线粒体，被丙酮酸脱氢酶复合体氧化为乙酰辅酶A，同时产生NADH和CO2这是有氧呼吸的关键步骤3柠檬酸循环乙酰辅酶A进入TCA循环，经过一系列氧化反应，完全氧化为CO2和H2O，产生NADH、FADH2和GTP4氧化磷酸化NADH和FADH2在电子传递链中释放电子，驱动ATP合酶产生大量ATP一分子葡萄糖完全氧化可产生约38分子ATP三羧酸循环（循环）TCA乙酰入循环异柠檬酸氧化CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸，开始循环产生第一个NADH和CO212酮戊二酸氧化α-苹果酸氧化63产生第二个NADH、CO2和琥珀酰CoA再生草酰乙酸，产生第三个NADH54琥珀酸氧化琥珀酰裂解CoA产生FADH2产生GTP（可转化为ATP）TCA循环被称为细胞的分子发动机，不仅完成糖类的彻底氧化，还是脂类和蛋白质代谢的汇聚点循环中的中间产物可以作为其他生物合成反应的前体，体现了代谢网络的整合性循环的速率受到多个变构调节酶的精密控制，能够根据细胞的能量状态进行调节氧化磷酸化与电子传递链电子传递NADH和FADH2将电子传递给电子传递链的蛋白复合体，电子逐步传递至氧气，最终形成水这个过程中释放的能量用于泵送质子质子梯度建立电子传递伴随质子从线粒体基质泵送到膜间隙，建立跨内膜的质子梯度这个电化学梯度储存了大量的势能合成ATPATP合酶利用质子梯度的势能，通过化学渗透机制合成ATP质子回流驱动ATP合酶的旋转，实现ADP磷酸化为ATP脂类代谢氧化过程脂肪酸合成β-脂肪酸在线粒体中经过活化、转运和循环氧化步骤每轮β-氧化主要在肝脏和脂肪组织中进行，以乙酰CoA为原料，通过脂肪酸产生一分子乙酰CoA、NADH和FADH2，脂肪酸链缩短两个碳合酶复合体催化合成过程需要NADPH提供还原力原子脂肪酸合成与β-氧化在细胞内不同区域进行，合成在细胞质，氧软脂酸（16个碳）完全氧化可产生129分子ATP，远高于葡萄糖化在线粒体，这种区域化有利于代谢调控胰岛素促进合成，胰的能量产出β-氧化受到丙二酰CoA的抑制，避免脂肪酸合成高血糖素促进氧化和分解同时进行氨基酸代谢蛋白质周转细胞内蛋白质不断合成和降解，维持动态平衡蛋白酶体系统负责降解异常蛋白质，溶酶体参与长寿命蛋白质的降解蛋白质半衰期从几分钟到几个月不等转氨基作用氨基酸之间的氨基转移反应，由转氨酶催化，需要磷酸吡哆醛作为辅酶这个过程实现了氨基酸之间的相互转化，为非必需氨基酸的合成提供途径脱氨基作用氨基酸分解过程中氨基的去除，产生α-酮酸和氨谷氨酸脱氢酶是关键酶，产生的α-酮酸可进入糖代谢或脂代谢途径，氨则需要进一步处理碳骨架代谢氨基酸脱氨后的碳骨架有不同代谢去向生糖氨基酸可转化为葡萄糖，生酮氨基酸可形成酮体，部分氨基酸既是生糖又是生酮氨基酸尿素循环氨甲酰磷酸合成氨的产生氨与CO2结合形成氨甲酰磷酸，消耗2氨基酸脱氨产生有毒的氨，需要快速转分子ATP化瓜氨酸形成氨甲酰磷酸与鸟氨酸结合生成瓜氨酸尿素释放精氨酸生成精氨酸水解产生尿素和鸟氨酸，完成循环瓜氨酸与天冬氨酸结合，最终形成精氨酸尿素循环主要在肝脏中进行，是机体处理含氮废物的主要途径每转一圈循环消耗4分子ATP，体现了解毒过程的能量代价循环缺陷会导致高氨血症，可能引起神经系统损伤尿素循环与TCA循环通过天冬氨酸和延胡索酸相连，体现了代谢网络的整合性核苷酸代谢嘌呤合成途径从头合成以磷酸核糖为骨架，逐步添加原子构建嘌呤环关键酶包括PRPP合成酶和PRPP酰胺转移酶合成过程消耗大量ATP，受到终产物的反馈抑制调节嘧啶合成途径先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合氨甲酰磷酸合成酶II是限速酶，受UTP抑制，被ATP和PRPP激活合成途径相对简单，能量消耗较少挽救合成途径利用预存的碱基重新合成核苷酸，节约能量和原料HGPRT缺陷导致Lesch-Nyhan综合征，体现了挽救途径的重要性这条途径在快速分裂的细胞中特别重要分解代谢嘌呤分解为尿酸，嘧啶分解为β-氨基酸尿酸在人体中是终产物，浓度过高导致痛风核苷酸分解受到严格调控，避免重要核酸的过度降解蛋白质生物合成转录起始1RNA聚合酶结合启动子，开始mRNA合成转录因子调节基因表达水平2加工mRNA加帽、加尾和剪接形成成熟mRNA，准备进入翻译过程翻译起始3核糖体小亚基结合mRNA，识别起始密码子AUG，大亚基结合形成完整核糖体4肽链延伸氨酰tRNA进入A位点，形成肽键，核糖体沿mRNA移动，重复延伸过程翻译终止5遇到终止密码子，释放因子促进肽链释放，核糖体解离复制与修复DNA解旋DNA解旋酶打开双螺旋结构，形成复制叉半保留复制每条新链以原有链为模板合成，保证遗传信息准确传递校正功能DNA聚合酶具有3到5外切酶活性，能够纠正错误修复机制错配修复、切除修复和重组修复维护DNA完整性DNA复制的高保真性是遗传稳定性的基础除了聚合酶的校正功能外，细胞还具有多种修复系统来纠正复制错误和环境损伤错配修复系统能识别和修正复制后的错误，切除修复处理化学损伤，双链断裂修复维护染色体完整性这些机制共同确保遗传信息的准确传递的合成与加工RNA转录起始转录因子识别启动子序列，招募RNA聚合酶II到转录起始位点转录延伸RNA聚合酶沿DNA模板合成pre-mRNA，同时进行5端加帽修饰剪接过程剪接体识别内含子边界，精确切除内含子，连接外显子序列端加工3切割和多聚腺苷酸化形成多聚A尾巴，稳定mRNA分子真核细胞的RNA加工是基因表达调控的重要环节选择性剪接使一个基因能够产生多种蛋白质异构体，极大增加了蛋白质的多样性RNA编辑、化学修饰等过程进一步调节RNA的稳定性和功能这些加工过程的异常与多种疾病相关，包括癌症和遗传病基因表达调控表观遗传调控1DNA甲基化和组蛋白修饰转录后调控2microRNA和选择性剪接转录水平调控3转录因子和增强子操纵子模型4原核生物基因调控基础基因表达调控是生物体适应环境变化和维持内稳态的关键机制原核生物主要通过操纵子进行转录调控，真核生物则具有更复杂的多层次调控网络表观遗传修饰不改变DNA序列但影响基因表达，具有可遗传性，在发育和疾病中发挥重要作用现代分子生物学技术使我们能够在全基因组水平研究基因表达调控物质代谢的相互联系糖氨基酸转化糖脂代谢交汇生糖氨基酸可通过糖异生途径合成葡萄2糖乙酰CoA是糖类和脂类代谢的共同中间1产物脂氨基酸关联3某些氨基酸可转化为脂肪酸合成的前体物质核苷酸合成网络5三羧酸循环枢纽氨基酸和一碳单位参与嘌呤嘧啶合成4TCA循环连接糖类、脂类和蛋白质代谢代谢网络的整合性体现了生命系统的精妙设计不同代谢途径通过共同的中间产物和调节机制相互连接，形成了一个高度协调的网络这种整合性使细胞能够在不同营养条件下灵活调整代谢流向，维持能量供应和物质合成的平衡代谢网络的紊乱是许多代谢性疾病的根本原因。