《生物化学原理下》课件

生物化学原理下本课程作为高等教育重要教材内容，专注于生物化学的分子基础与实际应用课程内容涵盖生物大分子结构功能、代谢调控机制、基因表达调控等核心知识体系适用于生物科学、医学、化学等相关专业的本科生及硕士研究生学习绪论生物化学的定义与研究内容学科定义研究内容生物化学是运用化学理论涵盖生物分子的结构与功和方法研究生命现象的科能、物质代谢途径、遗传学，探索生物体内分子结信息传递、细胞信号转导构、功能及其相互作用机等核心领域制研究方法生物化学发展简史年11868德国生物化学家首次从白细胞核中分离出核素Miescher，为核酸发现奠定基础年21953和基于射线衍射数据提出双螺旋结构Watson CrickX DNA模型，开启分子生物学新时代年32001人类基因组计划基本框架完成，标志着生物化学进入后基因组时代生物化学与相关学科的关系有机化学分子生物学为理解生物分子的化学性质和反应共同探索基因表达调控和蛋白质功2机制提供理论基础能的分子机制生物工程医学推动酶工程、基因工程和合成生物为疾病诊断治疗和药物研发提供分学等应用技术发展子水平的理论支持生命的分子基础概述主要元素大分子类型功能特性碳、氢、氧、氮、磷、蛋白质、核酸、糖类、生物分子通过精确的硫六种元素构成生物脂质四大类生物大分三维结构实现特异性体的基本骨架，其中子承担着结构支撑、功能，分子间相互作碳元素形成有机分子遗传信息存储、能量用维持细胞的正常生的核心结构代谢等关键功能命活动生物大分子蛋白质、核酸、糖类、脂质蛋白质核酸糖类与脂质由氨基酸组成的复杂分子，具有催包括和，负责遗传信息糖类是重要的能量来源和结构成分，DNA RNA化、结构支撑、免疫防御、信号传的储存、传递和表达双螺旋脂质构成细胞膜并参与信号转导DNA导等多种功能三维结构决定其生结构稳定存储遗传密码，参与两者共同维持细胞结构完整性和代RNA物活性，是细胞功能执行的主要分蛋白质合成和基因调控谢平衡子生物元素与生物分子的小分子基础微量元素铁、锌、铜等微量元素在酶活性中心发挥关键作用1构建单元氨基酸、核苷酸是大分子的基本构建块基础分子单糖、脂肪酸等小分子是复杂结构的起始原料水和生物化学反应环境极性特性水分子的极性使其成为优良的生物溶剂氢键网络氢键稳定蛋白质和核酸的三维结构缓冲系统维持细胞内外稳定，保证酶活性pH蛋白质的结构与功能一级结构二级结构氨基酸序列决定蛋白质的基本特性，螺旋和折叠片等规则结构通过主αβ是高级结构形成的基础序列中的链氢键稳定，为蛋白质提供局部稳每个氨基酸都对最终功能至关重要定性三级结构四级结构整个多肽链的三维折叠形成活性构多个亚基组装形成功能复合体，通象，侧链相互作用决定蛋白质的特过亚基间相互作用实现协同调控异性功能氨基酸与多肽链基础氨基酸分类多肽链形成种标准氨基酸根据侧链性质分为非极性、极性、酸性、氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，连接成多肽链肽键20碱性四大类每种氨基酸的独特化学性质决定了蛋白质的具有部分双键性质，限制了主链的旋转自由度，影响蛋白多样性和功能特异性质二级结构的形成•疏水性氨基酸丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸多肽链的方向性（N端到C端）和氨基酸序列的特异性是蛋白质功能多样性的分子基础翻译后修饰进一步增加了蛋•极性氨基酸丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸白质的结构和功能复杂性•带电氨基酸天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸蛋白质折叠与稳定性氢键作用主链和侧链间氢键稳定二级和三级结构，是蛋白质折叠的重要驱动力疏水相互作用疏水氨基酸聚集在蛋白质内核，避免与水接触，形成紧密的疏水核心二硫键半胱氨酸残基间形成共价二硫键，为蛋白质结构提供额外稳定性变性与复性在适当条件下，变性蛋白质可以重新折叠恢复活性，证明序列决定结构蛋白质的结构测定方法射线晶体学X通过分析蛋白质晶体的射线衍射图案，获得原子分辨率的三维X结构信息这是历史最悠久、应用最广泛的结构测定方法，已解析数万个蛋白质结构核磁共振波谱利用原子核磁性研究溶液中蛋白质的动态结构不仅能NMR确定静态结构，还能观察蛋白质的动力学性质和构象变化，特别适合研究小蛋白质冷冻电镜技术近年来快速发展的技术，能够观察接近生理状态的大分子复合体结构冷冻电镜突破了晶体学的限制，可以研究膜蛋白和大型蛋白质复合体蛋白质的功能类型6000+25%已知酶类结构蛋白催化生物体内几乎所有化学反应胶原蛋白占人体蛋白质总量比例10^8100+抗体多样性载体蛋白免疫系统可产生的不同抗体种类血红蛋白等运输蛋白的种类数量酶的结构与机制活性中心特征催化机制酶的活性中心是催化反应发生的特定区域，通常由远距离酶通过诱导契合模型实现高效催化，底物结合引起构象变氨基酸残基共同构成活性中心具有高度的空间特异性和化，形成最适合催化的酶底物复合物这种动态调整使酶-化学特异性，能够精确识别底物分子能够稳定过渡态，显著加速反应活性中心的微环境与溶液环境显著不同，创造了有利于反酶催化涉及多种化学机制酸碱催化、共价催化、金属离应进行的特殊条件催化残基通过质子转移、静电稳定等子催化等这些机制的协同作用使酶的催化效率比相应的方式降低反应活化能化学催化剂高出数个数量级酶促反应动力学酶的抑制与激活酶活性调控是细胞代谢精确控制的关键机制竞争性抑制剂与底物竞争活性中心，非竞争性抑制剂结合变构位点改变酶构象反馈抑制确保代谢产物不过量积累，变构激活则在需要时快速启动代谢途径核酸的结构与功能基础核苷酸DNA由脱氧核糖、磷酸基团和四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）组成，形成遗传信息储存的基本单位核苷酸RNA含有核糖而非脱氧核糖，尿嘧啶取代胸腺嘧啶，使RNA具有更高的化学活性和结构多样性碱基配对A-T之间形成两个氢键，G-C之间形成三个氢键，这种互补配对是DNA双螺旋稳定性和复制保真性的基础双螺旋模型DNA双螺旋发现1年和基于的射线衍1953Watson CrickRosalind FranklinX射数据，提出双螺旋结构模型，揭示了遗传物质的DNA分子基础结构参数螺旋直径纳米，每圈包含个碱基对，螺距纳米

2103.4反向平行的两条链通过碱基配对连接，形成稳定的右手螺旋生物学意义双螺旋结构解释了的复制机制、遗传信息的传递方DNA式，为分子生物学的发展奠定了理论基础的种类与功能RNA信使RNA mRNA将的遗传信息转录并传递给蛋白质合成机器，是基因表达的中DNA间载体转移RNA tRNA携带特定氨基酸到核糖体，通过反密码子与配对，确保蛋白mRNA质合成的准确性核糖体RNA rRNA构成核糖体的主要成分，具有催化肽键形成的核酶活性，是蛋白质合成的催化中心微小RNA包括、等调控性，通过碱基互补配对调节基因表达miRNA siRNARNA核酸化学历史性发现转化实验年通过细菌转化实验证明是遗传物质1944Avery DNA遗传密码年完全破译遗传密码，建立密码子与氨1968Nirenberg基酸对应关系测序DNA和开发测序技术，开启基因组学时Sanger GilbertDNA代复制的分子机理DNA解链过程前导链合成解旋酶打开双螺旋，形成复制叉，聚合酶连续合成前导链，方向为DNA DNAIII单链结合蛋白稳定解开的链到，与复制叉移动方向一致DNA53连接修复滞后链合成连接酶将冈崎片段连接成完整链，滞后链以冈崎片段方式不连续合成，每DNA校对酶修复复制错误个片段长度约个核苷酸1000-2000转录与修饰RNA转录调控差异转录后修饰RNA原核生物转录相对简单，可直接翻译真核生物转真核需要经过加帽、加尾和剪接等修饰过程mRNA mRNA535录调控复杂，涉及多种转录因子、增强子和沉默子的协同帽子结构保护免受核酸酶降解并促进翻译起始mRNA作用剪接过程移除内含子保留外显子，可变剪接增加蛋白质多真核转录起始需要基础转录因子组装转录前起始复合物，样性尾的添加增强稳定性并调节翻译效率polyA mRNA聚合酶在多种调控蛋白协助下启动转录这种复杂这些修饰使真核基因表达调控更加精细RNA II性使真核生物能够实现精确的时空特异性基因表达翻译与蛋白质合成翻译起始核糖体识别起始密码子，招募起始mRNA AUGtRNA翻译延伸氨酰进入位点，形成肽键，核糖体沿移动tRNA AmRNA翻译终止遇到终止密码子，释放因子促进新生蛋白链释放基因表达调控基础转录调控转录因子与启动子、增强子结合调节基因转录1转录后调控剪接、调控、稳定性控制RNA miRNAmRNA翻译调控核糖体结合位点、翻译起始因子调节蛋白质合成翻译后修饰磷酸化、糖基化、泛素化等修饰调节蛋白功能环境响应温度、营养、应激等因素影响基因表达模式糖类的结构分类单糖双糖与寡糖葡萄糖是最重要的单糖，为蔗糖由葡萄糖和果糖组成，细胞提供直接能源果糖具是植物中主要的运输糖乳有更高的甜度，主要在肝脏糖由葡萄糖和半乳糖组成，代谢半乳糖是乳糖的组成是哺乳动物乳汁的主要糖分成分，需要专门的代谢途径麦芽糖是淀粉消化的中间产物多糖淀粉是植物的储能多糖，由直链淀粉和支链淀粉组成糖原是动物的储能多糖，结构高度分支纤维素是植物细胞壁的主要成分，人体无法消化糖代谢糖解作用——葡萄糖活化己糖激酶催化葡萄糖磷酸化，消耗，将葡萄糖困在细胞内ATP结构重排葡萄糖磷酸异构为果糖磷酸，再磷酸化为果糖二磷-6--6--1,6-酸分子裂解醛缩酶将六碳糖裂解为两个三碳化合物，进入糖解下半段能量收获氧化磷酸化偶联反应产生和，净收获个分子ATP NADH2ATP糖代谢有氧与无氧——有氧呼吸途径无氧发酵途径在氧气充足条件下，丙酮酸进入线粒体进行有氧氧化三缺氧条件下，丙酮酸发生发酵反应再生乳酸发酵NAD+羧酸循环（柠檬酸循环）彻底氧化丙酮酸，产生、产生乳酸，常见于肌肉剧烈运动时酒精发酵产生乙醇和CO2和，是酵母菌的特征代谢NADH FADH2CO2电子传递链利用和中的电子进行氧化磷酸化，发酵过程不产生额外，主要作用是再生维持糖NADH FADH2ATP NAD+每个葡萄糖分子可产生约个这是细胞获得能量的解继续进行虽然效率较低，但在氧气不足或缺乏线粒体38ATP最有效途径，适用于需氧组织的条件下为细胞提供应急能源糖异生与糖原代谢糖异生糖原合成从非糖物质（乳酸、氨基酸、甘油）胰岛素促进葡萄糖转化为糖原储存，合成葡萄糖，主要在肝脏进行，维主要在肝脏和肌肉中进行持血糖稳定调控平衡糖原分解激素调节糖代谢各途径的活性，维胰高血糖素和肾上腺素激活糖原磷持血糖在正常范围内酸化酶，快速释放葡萄糖脂质的结构分类脂肪酸甘油三酯磷脂长链羧酸，分为主要的储能脂质，细胞膜的主要成饱和和不饱和脂由甘油和三个脂分，具有亲水头肪酸不饱和脂肪酸组成在脂部和疏水尾部，肪酸的双键影响肪细胞中大量储形成磷脂双分子膜流动性，是细存，是机体最重层，维持细胞膜胞膜组成的基本要的能量储备的完整性单位固醇类胆固醇调节膜流动性，是类固醇激素的前体过量胆固醇与心血管疾病相关脂代谢路径脂肪酸活化脂肪酸在细胞质中被酰基辅酶合成酶活化为酰基辅酶，消耗A A活化是脂肪酸代谢的起始步骤，为后续氧化做准备ATPβ氧化过程β在线粒体中进行，每轮氧化切除两个碳原子形成乙酰辅酶β，同时产生和长链脂肪酸经过多轮氧化完A FADH2NADHβ全分解能量计算与调控棕榈酸（碳）完全氧化可产生个，能量产出远16129ATP高于糖类脂肪酸合成和分解受到胰岛素、胰高血糖素等激素的精确调控胆固醇及其生物合成合成起始环化成型乙酰辅酶A在胞质中合成HMG-辅酶A，被HMG-辅酶A还原酶催化形鲨烯经过环化反应形成胆固醇的四环结构，完成胆固醇分子的骨架成甲羟戊酸构建123异戊二烯单位甲羟戊酸转化为异戊烯基焦磷酸，是胆固醇合成的基本构建单位氨基酸代谢氨基酸代谢包括转氨基和脱氨基两个主要过程转氨基反应在氨基酸之间转移氨基，由转氨酶催化，是合成非必需氨基酸的重要途径脱氨基反应移除氨基产生氨，有毒的氨在肝脏通过尿素循环转化为尿素排出体外蛋白质降解途径泛素标记目标蛋白被泛素分子标记，形成多泛素链，标志着该蛋白需要降解蛋白酶体降解蛋白酶体识别泛素标记的蛋白质，将其降解为小肽段26S溶酶体途径自噬作用将蛋白质聚集体和细胞器运送到溶酶体进行降解氨基酸回收降解产生的氨基酸可重新用于蛋白质合成或代谢代谢调控与整合

3.9-

6.1血糖范围正常血糖浓度（mmol/L），通过激素精确调控10^-9激素浓度激素在血液中的摩尔浓度级别，具有高度敏感性30调控酶数量参与代谢调控的关键酶种类，控制代谢流向

0.5-2响应时间激素调控代谢反应的时间范围（小时），快速适应环境变化电子传递链和氧化磷酸化复合体I-IV四个蛋白质复合体依次传递电子，同时泵出质子质子梯度跨膜质子梯度形成电化学势能，驱动合成ATP合酶ATP利用质子回流的能量合成，实现能量转换ATP与能量代谢ATP高能磷酸键循环ATP-ADP分子含有两个高能磷酸键，水解释ATP水解为提供能量，磷酸化ATP ADPADP放能量，为细胞反应提供驱

7.3kcal/mol重新生成，形成能量货币的循环利ATP动力用能量偶联即时供能水解与吸能反应偶联，使热力学不ATP储量有限但周转快速，人体每天合ATP利反应得以进行，是生物能量转换的核成和消耗约自身重量的ATP心机制维生素与辅酶水溶性维生素脂溶性维生素族维生素和维生素不能在体内大量储存，需要定期补充维生素、、、可在体内储存，过量摄入可能中毒B CA DE K硫胺素（）缺乏导致脚气病，影响糖代谢核黄素（）维生素参与视觉过程，缺乏导致夜盲症维生素调节钙B1B2A D是的前体，参与电子传递磷代谢，缺乏引起佝偻病FAD烟酸（）是的前体，缺乏引起糙皮病维生素维生素是重要抗氧化剂，保护细胞膜免受自由基损伤B3NAD+C E参与胶原蛋白合成，缺乏导致坏血病叶酸和维生素维生素参与凝血因子合成，缺乏导致出血倾向这些维B12K参与一碳单位转移和合成生素的代谢与脂质吸收密切相关DNA激素的生物化学原理蛋白质激素1胰岛素、生长激素等通过膜受体发挥作用，激活细胞内信号转导级联反应类固醇激素雌激素、睾酮等脂溶性激素穿过细胞膜，与胞内受体结合调节基因转录酚胺激素3肾上腺素、甲状腺激素等由氨基酸衍生而来，具有快速调节代谢的作用受体特异性激素与特定受体结合具有高度特异性，决定了激素作用的组织特异性信号转导与信息传递信号识别膜受体识别胞外信号分子，发生构象变化信号放大激活胞内酶级联，信号被逐级放大数千倍二级信使、、等传递信号到细胞各处cAMP IP3Ca2+效应分子蛋白激酶等效应分子调节酶活性和基因表达细胞响应最终产生代谢变化、基因表达改变等生物学效应生物分子实验技术聚合酶链反应PCR技术通过循环加热和冷却实现DNA的指数级扩增，是分子生物学研究的基础工具，广泛应用于基因克隆、诊断和法医学蛋白质电泳SDS-PAGE根据分子量分离蛋白质，Native-PAGE保持蛋白质天然构象，等电聚焦根据等电点分离，是蛋白质分析的经典方法免疫检测技术ELISA利用抗原抗体特异性结合进行定量检测，Western blot结合电泳和免疫印迹技术，流式细胞术分析单细胞水平的蛋白表达结构生物学的突破冷冻电镜革命近年来冷冻电镜技术突破分辨率屏障，达到近原子分辨率2017年诺贝尔化学奖表彰了这一技术的重大贡献，使研究大分子复合体结构成为可能同步辐射发展第三代同步辐射光源提供高亮度射线，大幅提高晶体学数据X质量自动化数据收集和处理流水线使结构解析效率显著提升，加速了结构基因组学计划动态结构解析时间分辨晶体学和单分子技术揭示蛋白质动态构象变化结合计算模拟方法，科学家能够观察蛋白质在执行功能过程中的结构变化，深入理解结构功能关系-基因编辑与CRISPR系统组成CRISPR由向导、核酸酶和序列组成，实现对特定序列RNA Cas9PAM DNA的精确切割靶向机制向导通过碱基配对引导到达目标位点，序列确保切RNA Cas9PAM割特异性基因修饰利用细胞修复机制实现基因敲除、插入或替换，编辑效率高DNA达以上90%应用与伦理在疾病治疗、农业改良中前景广阔，但胚胎编辑引发伦理争议需要严格规范组学时代的生物化学基因组学蛋白质组学全基因组测序成本降至千元级别，质谱技术进步使蛋白质组深度覆盖1个人基因组信息为精准医疗提供基成为可能，揭示疾病相关的蛋白质2础数据表达变化代谢组学多组学整合小分子代谢物检测反映细胞功能状大数据分析整合多层次组学信息，3态，为疾病诊断和药物开发提供新构建系统性的生物网络模型标志物生物化学与药物研发。