《生物化学基础》课件

生物化学基础生物化学是研究生命体内化学反应和分子结构的重要学科本课程将深入探讨构成生命的基本分子，包括蛋白质、核酸、糖类和脂类，以及它们在生命活动中的作用机制通过系统学习，学生将掌握生物分子的结构与功能关系，理解细胞内复杂的代谢网络，为后续的分子生物学、医学和生物技术研究奠定坚实基础生物化学发展简史世纪初期世纪重大突破1920威廉贝采留斯提出有机化学概念，开始研究生物体内的化学反应·弗里德里希维勒首次人工合成尿素，打破了生命力理论·13世纪中后期19路易巴斯德发现酵母发酵过程，爱德华布赫纳证明酶的存在蛋白质··的发现和命名标志着生物大分子研究的开始学科交叉与应用医学分子生物学疾病诊断、药物作用机理、代谢异常研12基因表达调控、蛋白质合成机制研究究生物技术药学43基因工程、发酵工程、酶工程应用药物设计、药代动力学、靶点发现生物化学作为基础学科，与众多领域密切相关在日常生活中，从食物消化到药物代谢，从运动能量供应到免疫反应，都体现着生物化学原理的重要性生命的分子基础碳元素氢氧元素形成有机分子骨架，四价共价氢参与氢键形成，氧参与呼吸键提供结构多样性，是所有生作用和水分子构成，共同维持物大分子的基础框架分子结构稳定性氮磷硫元素氮构成氨基和核酸碱基，磷形成高能键和骨架，硫参与蛋白质结构稳定这六种主要元素构成生命体的以上，它们通过不同的化学键组合，形成99%了复杂多样的生物分子体系水与生物化学反应极性溶剂作用氢键稳定性代谢反应参与水分子的偶极性使其能够溶解离子化水分子间氢键维持液态稳定，同时与水参与水解反应分解大分子，参与脱合物和极性分子，为生化反应提供理蛋白质、核酸形成氢键，稳定生物大水缩合反应合成生物分子，是新陈代想的反应介质环境分子的三维结构谢的重要参与者酸碱平衡与缓冲体系磷酸盐缓冲系统在细胞内维持稳定，由和组成，缓冲范pH H2PO4-HPO42-围接近生理值pH碳酸氢盐缓冲系统血液中最重要的缓冲系统，通过肺部排出和肾脏调节维持CO2血液在pH

7.35-

7.45蛋白质缓冲系统蛋白质的氨基和羧基具有缓冲作用，血红蛋白是重要的细胞内缓冲分子的微小变化都会影响酶活性和蛋白质结构，因此缓冲体系对维持生命活动pH至关重要氨基酸基本结构与分类基本结构分类方式氨基酸含有氨基、羧基和侧链基团，连接在同一个碳原子按侧链极性分为非极性疏水性、极性不带电、酸性带负电、碱α-α-上除甘氨酸外，所有氨基酸都具有手性中心性带正电四类种标准氨基酸构成所有蛋白质，每种氨基酸具有独特的侧链按营养学分类必需氨基酸种，非必需氨基酸种，条件性20812结构和性质必需氨基酸若干氨基酸的生理功能载体转运血红蛋白载氧、载脂蛋白载脂、转铁蛋白载铁等，实现物质在体内的精确运输催化作用酶蛋白催化生化反应，活性位点氨基酸残基直接参与底物结合和化学键断裂形成信号传递神经递质如多巴胺、血清素由氨基酸合成，激素如胰岛素调节代谢过程蛋白质的层级结构一级结构1氨基酸序列决定所有高级结构二级结构2螺旋和折叠局部构象α-β-三级结构3整个多肽链空间折叠形态四级结构4多个亚基组装成功能蛋白蛋白质折叠异常与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病密切相关，错误折叠导致聚集体形成，破坏细胞正常功能蛋白质功能举例催化蛋白载体蛋白酶蛋白加速生化反应，降低活化能，具1血红蛋白运输氧气，载脂蛋白运输脂有高度专一性和催化效率2类，通道蛋白协助物质跨膜转运免疫蛋白结构蛋白4抗体识别抗原，补体参与免疫反应，免胶原蛋白构成结缔组织，角蛋白形成毛3疫球蛋白提供长期免疫保护发指甲，肌动蛋白参与肌肉收缩IgG酶的基本性质10^6-10^121催化效率底物专一性比非催化反应速率提高百万到万亿倍一种酶通常只催化一种特定反应°37C最适温度人体酶活性的最适温度条件辅酶和辅因子是许多酶发挥功能所必需的非蛋白质成分辅酶如、参与NAD+FAD氧化还原反应，辅因子如金属离子、稳定酶结构或参与催化过程Mg2+Zn2+酶促反应机制活化能降低酶稳定过渡态，显著降低反应活化能1诱导契合模型2酶与底物相互诱导构象变化，形成最适催化构象过渡态理论3酶与过渡态结合能力强于底物和产物现代酶学研究表明，诱导契合模型比早期的锁钥模型更准确地描述了酶底物相互作用的动态过程，解释了酶的高度专一性和催化效-率酶活性调节竞争性抑制抑制剂与底物竞争结合酶的活性位点，可以通过增加底物浓度来克服抑制作用非竞争性抑制抑制剂结合在活性位点以外的部位，改变酶的构象，降低酶活性而不影响底物结合反馈抑制代谢产物抑制催化其合成的酶，是细胞调节代谢流量的重要机制，防止产物过量积累核酸的化学组成碱基成分糖磷酸骨架嘌呤类碱基包括腺嘌呤和鸟嘌呤，含有双环结构嘧啶类含有脱氧核糖，含有核糖，两者差别在于碳位置羟A GDNA RNA2碱基包括胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶，含有单环结基的存在磷酸基团连接相邻核苷的和碳，形成糖磷酸骨C TU35构架碱基通过糖苷键与戊糖连接，形成核苷分子，是核酸的基本组成磷酸基团的负电荷使核酸分子带负电，影响其与蛋白质和金属离单位子的相互作用与的结构DNA RNA双螺旋DNA两条反向平行链通过氢键配对，配对形成个氢键，A-T2G-C配对形成个氢键3多样性RNA单链结构具有更大的构象灵活性，可形成发夹、环状等二级结构功能差异负责遗传信息储存，参与蛋白质合成和基因调控DNA RNA的稳定双螺旋结构适合长期储存遗传信息，而的单链结构赋予其多DNA RNA样的催化和调控功能核酸功能1遗传信息存储2转录翻译过程携带生物体的全部遗传转录信息，DNA mRNA DNA信息，通过碱基序列编码蛋白转运氨基酸，构tRNA rRNA质和调控序列，代代传递生命成核糖体催化蛋白质合成的核蓝图心机制3基因表达调控、等调控分子精细调节基因表达，实现细胞分microRNA siRNARNA化和功能特化糖类基础知识单糖结构双糖类型葡萄糖、果糖、半乳糖等六碳糖蔗糖、乳糖、麦芽糖由两个单糖是主要的单糖类型它们具有相通过糖苷键连接不同连接方式同分子式但不同立体构型，影响决定消化酶的专一性识别生物学功能多糖功能淀粉和糖原用于能量储存，纤维素提供结构支撑，几丁质形成节肢动物外骨骼多糖的生理作用多糖类型结构特点生理功能分布位置糖原高度分支动物能量储存肝脏、肌肉α-和1,4α-1,6键淀粉直链和支链混植物能量储存种子、块茎合结构纤维素键形成植物结构支撑细胞壁β-1,4线性结构糖原的高度分支结构使其能够快速动员，适合动物应急能量需求；纤维素的β键结构大多数动物无法消化，成为重要的膳食纤维血糖调控基础胰岛素作用胰高血糖素促进组织摄取葡萄糖，激活糖原合成1激活糖原磷酸化酶，促进糖原分解，刺酶，抑制糖异生，降低血糖浓度2激糖异生，提升血糖水平皮质醇肾上腺素4长期应激时促进蛋白质分解和糖异生，应激状态下快速动员糖原，为机体提供3维持血糖供应大脑等重要器官即时能量，维持血糖稳定脂类的种类脂肪酸甘油三酯磷脂类饱和与不饱和脂肪酸影主要储能分子，脂肪组生物膜主要成分，具有响膜流动性，和织中大量储存，每克提亲水头部和疏水尾部，ω-3脂肪酸是必需脂肪供千卡能量，是糖类自发形成双分子层膜结ω-69酸，参与炎症调控的两倍多构固醇类胆固醇调节膜流动性，是激素前体；脂溶性维生素、、、参与A DE K多种生理过程脂类的生理作用信号分子前列腺素、白三烯调控炎症和免疫1膜结构组分2磷脂和胆固醇构成细胞膜基本框架能量储存载体3脂肪组织提供机体主要能量储备脂类分子的疏水性质使其在生物体内发挥独特作用作为能量储存分子，脂肪的能量密度高且不结合水分，储存效率极高在细胞膜中，脂类形成疏水屏障，控制物质进出生物膜的结构磷脂双分子层疏水尾部相互作用形成膜核心，亲水头部面向水相，创造选择性渗透屏障膜蛋白镶嵌整合蛋白贯穿膜结构，外周蛋白结合膜表面，共同执行转运和信号功能胆固醇调节在磷脂分子间插入，调节膜流动性，维持膜结构稳定性和功能完整性流动镶嵌模型强调膜的动态特性，磷脂和蛋白质可在膜平面内移动，适应细胞功能需求生物膜的功能物质转运功能信号传导机制载体蛋白介导易化扩散，酶驱动主动转运，离子通道调控受体蛋白识别信号分子，激活胞内信号级联反应蛋白偶联受ATP G离子流动载体蛋白具有底物特异性，确保细胞内外物质交换的体、酪氨酸激酶受体等不同类型受体传递特定信号精确控制膜电位变化传导神经信号，实现快速信息传递和细胞间通讯协胞吞胞吐过程实现大分子物质跨膜转运，维持细胞内稳态平衡调代谢总论分解代谢合成代谢复杂分子降解为简单产物，释放能量用消耗合成复杂分子，包括蛋白质合ATP12于合成，包括糖酵解、脂肪酸氧化成、脂肪酸合成、复制等构建过ATP DNA等过程程代谢耦联代谢调控43作为能量货币连接放能和耗能反酶活性调节、基因表达控制、激素信号ATP应，实现能量的有效转移和利用调节三个层次精确控制代谢流量及能量代谢ATP分子结构1腺苷三磷酸含有腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团高能磷酸键2磷酸键水解释放约能量β-γ

30.5kJ/mol能量货币作用3连接放能和耗能反应，驱动细胞各种生命活动的快速转化使细胞能够即时响应能量需求变化在剧烈运动时，肌肉储备仅能维持几秒钟，必须通过磷酸肌酸系统和糖酵解ATP ATP快速再生ATP糖代谢基本途径1糖酵解途径2糖异生过程葡萄糖在细胞质中分解为丙酮非糖物质如氨基酸、乳酸、甘酸，净产生分子和分油转化为葡萄糖，主要在肝脏2ATP2子无氧条件下丙酮进行，维持血糖稳定，特别在NADH酸转化为乳酸，有氧条件下进饥饿状态下发挥重要作用入线粒体进一步氧化3三羧酸循环丙酮酸在线粒体中完全氧化，产生大量、和，是ATP NADH FADH2糖类、脂类、蛋白质代谢的共同通路三羧酸循环详细过程1柠檬酸合成乙酰辅酶与草酰乙酸结合形成柠檬酸，开始循环第一步，柠檬酸合酶催化A此反应2异柠檬酸氧化异柠檬酸脱氢酶催化产生第一个和，是循环中第一个氧化反应NADH CO2步骤3酮戊二酸氧化α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化产生第二个、和琥珀酰辅酶α-NADH CO2A4琥珀酰辅酶转化A产生（等同），琥珀酸继续氧化产生和第三个，完GTP ATPFADH2NADH成循环每轮循环净产生个、个、个和个，总能量产出约个3NADH1FADH21GTP2CO230当量ATP电子传递链与氧化磷酸化复合体和I II和将电子传递给辅酶，复合体和分别泵出质子到膜间NADHFADH2Q III隙，建立质子梯度复合体和III IV电子经细胞色素传递到复合体，最终传递给氧气形成水，同时继c IV续泵出质子增强梯度合成酶ATP利用质子梯度驱动合成，质子流回基质推动合成酶旋ATP ATP转，将和结合形成ADP PiATP线粒体内膜的不透性对于维持质子梯度至关重要，损伤会导致能量产生效率下降，影响细胞功能糖原代谢调控糖原合成糖原分解级联放大糖原合成酶在胰岛素作用下激活，将葡萄糖原磷酸化酶在胰高血糖素和肾上腺素刺信号级联反应放大激素信号，实现cAMP糖单位添加到糖原链上，储存多余葡萄糖激下激活，释放葡萄糖磷酸快速而精确的血糖调控响应-1-糖原代谢的精密调控确保机体在不同生理状态下维持血糖稳定，对大脑等葡萄糖依赖性组织的功能至关重要脂类代谢概述氧化过程脂肪酸合成β-脂肪酸在线粒体中逐步氧化，每轮氧化去除两个碳原子，产主要在肝脏和脂肪组织进行，乙酰辅酶羧化酶催化第一步限速β-A生乙酰辅酶、和长链脂肪酸需要肉碱载体系反应脂肪酸合成酶复合体在细胞质中合成软脂酸A NADHFADH2统转运进入线粒体合成过程需要大量和，主要在餐后胰岛素水平较高ATP NADPH一分子棕榈酸完全氧化可产生约个，能量产出效率远时激活，将多余碳水化合物转化为脂肪储存129ATP高于糖类代谢胆固醇代谢内源性合成胆汁酸转化肝脏通过还原酶途径合成胆HMG-CoA1胆固醇转化为胆汁酸促进脂肪消化，是固醇，他汀类药物通过抑制此酶降低胆2胆固醇的主要清除途径之一固醇动脉粥样硬化载脂蛋白转运4氧化后在血管壁沉积，引发炎症反携带胆固醇到外周组织，将胆LDL3LDL HDL应，形成动脉粥样硬化斑块固醇转运回肝脏代谢清除氨基酸代谢基础转氨基反应脱氨基过程氨基酸与酮酸交换氨基和酮氨基酸失去氨基形成相应酮酸和α-基，由转氨酶催化，需要磷酸吡氨，氧化脱氨基主要在肝脏进哆醛作为辅酶，是氨基酸代谢的行，产生的氨具有毒性需要及时核心反应清除尿素循环有毒氨在肝脏通过尿素循环转化为无毒尿素，经肾脏排出体外，是氮代谢的主要解毒途径重要氨基酸代谢通路酪氨酸代谢酪氨酸羟化酶催化合成左旋多巴，进一步形成多巴胺，是帕金森病治疗的重要靶点多巴胺继续转化为去甲肾上腺素和肾上腺素色氨酸途径色氨酸羟化酶催化合成羟色氨酸，进一步形成血清素调节5-情绪和睡眠色氨酸还可通过犬尿氨酸途径代谢苯丙氨酸代谢苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙酮尿症，苯丙氨酸积累影响神经发育，需要限制苯丙氨酸摄入治疗核苷酸代谢与疾病痛风发病机理尿酸结晶沉积关节引发炎症1嘌呤代谢异常2黄嘌呤氧化酶过度活跃或尿酸排泄不良遗传和环境因素3基因突变、高嘌呤饮食、肥胖等诱发因素嘌呤代谢紊乱不仅导致痛风，还与肾结石、心血管疾病风险增加相关别嘌醇通过抑制黄嘌呤氧化酶降低尿酸生成，是痛风治疗的一线药物嘧啶代谢异常较少见，但某些遗传性酶缺陷可导致免疫功能异常核酸生物合成1解旋DNA解旋酶打开双螺旋，单链结合蛋白稳定单链，拓扑异构酶缓解超DNA螺旋张力2引物合成引物酶合成引物，为聚合酶提供基团，启动合RNA DNA3-OH DNA成过程3链延伸聚合酶连续合成前导链，不连续合成滞后链形成冈崎片段DNA III4片段连接聚合酶去除引物并填补空隙，连接酶连接冈崎片段完成复DNA IDNA制蛋白质合成转录过程聚合酶以为模板合成，在真核细胞中需要加RNA DNAmRNA mRNA帽、加尾和剪接成熟后出核翻译起始小亚基与结合识别起始密码子，大亚基加入形成完整核mRNA AUG糖体，携带甲硫氨酸进入位点tRNA P肽链延伸氨酰进入位点，肽酰转移酶催化肽键形成，核糖体沿-tRNA A移动继续翻译mRNA翻译终止释放因子识别终止密码子，水解肽酰，新生肽链释-tRNA放，核糖体亚基解离基因表达调控操纵子模型表观遗传调控乳糖操纵子是经典的基因调控例子，阻遏蛋白在无乳糖时结甲基化通常抑制基因表达，组蛋白修饰如乙酰化、甲基化LacI DNA合操纵子阻止转录乳糖存在时与阻遏蛋白结合，解除阻遏允许调节染色质结构这些修饰可以遗传给子代细胞，但不改变转录序列DNA复合体作为正调控因子，在葡萄糖缺乏时激活转通过与互补结合调控翻译或降解，是CAP-cAMP microRNAmRNA mRNA录，体现了精密的代谢调控机制重要的转录后调控机制维生素与辅酶水溶性维生素脂溶性维生素12族维生素和维生素，易排出体外不易蓄积维生素、、、储存在脂肪组织，过量B CADE K中毒维生素形成参与糖代谢，可引起中毒维生素调节钙磷代谢，参与B1TPP B2D K形成参与氧化还原凝血过程FAD缺乏症状辅酶功能维生素缺乏导致特定疾病，如坏血病、脚气参与氧化还原，辅酶参与酰NAD+/NADH A43病、佝偻病等，体现维生素的生理重要性基转移，叶酸参与一碳单位转移反应离子与微量元素钙离子作用铁元素功能锌离子催化硒元素抗氧化参与肌肉收缩、神经传血红蛋白和肌红蛋白的超过种酶的必需谷胱甘肽过氧化物酶的300导、血液凝固和骨骼形氧载体，细胞色素参与因子，参与聚合组成成分，清除过氧化DNA成钙调蛋白介导钙信电子传递铁缺乏导致酶、碳酸酐酶等重要酶物保护细胞膜硒缺乏号传导，调节多种酶活缺铁性贫血，影响氧气的催化缺锌影响生长与克山病等地方性疾病性运输发育和免疫功能相关激素与信号传导胰岛素信号通路胰岛素受体激活后引发酪氨酸磷酸化级联反应，激活PI3K-通路，促进葡萄糖摄取和糖原合成，抑制糖异生Akt肾上腺素作用机制结合受体激活腺苷酸环化酶，提高水平，激活蛋白激βcAMP酶，磷酸化关键酶调节糖原代谢A甲状腺激素调控通过核受体调节基因转录，影响基础代谢率甲亢时代谢亢进，甲减时代谢减缓，体现激素的全身性调控作用激素信号传导的精确性和特异性确保机体在不同生理状态下维持内稳态平衡物质代谢的综合调控糖类代谢中心脂类能量储备葡萄糖是机体主要燃料，通过糖酵解和脂肪组织储存大量能量，饥饿时通过脂1三羧酸循环产生，多余糖类转化为解释放脂肪酸，氧化产生大量维ATPβATP2脂肪储存持机体需求代谢交汇点蛋白质功能多样4乙酰辅酶是三大营养素代谢的共同交蛋白质主要发挥结构和功能作用，饥饿A汇点，可来源于糖类、脂类、蛋白质的3时部分分解提供葡萄糖，氨基酸参与糖分解代谢异生过程应激与能量代谢1短期运动反应前秒主要依靠磷酸肌酸系统，快速再生支持高强度运动肌30ATP肉中储存的磷酸肌酸能够即时供能2中期糖酵解供能秒到分钟主要通过糖酵解，肌糖原快速分解产生乳酸和，不302ATP需要氧气参与但产生代谢性酸中毒3长期有氧代谢分钟后主要依靠有氧氧化，脂肪酸氧化提供大部分能量，糖类和脂2β类共同供能维持长时间运动4饥饿代谢适应长期饥饿时肝脏糖异生增强，脂肪组织脂解加速，蛋白质分解提供氨基酸，酮体生成为大脑提供替代燃料生物化学与临床医学疾病类型关键生化指标异常原因临床意义糖尿病血糖、糖化血胰岛素分泌不诊断和监测血红蛋白足或抵抗糖控制脂肪肝、、脂肪在肝脏异评估肝功能损ALT AST血脂常蓄积害程度动脉硬化胆固醇、脂质代谢紊乱心血管风险评LDL、估HDL痛风血尿酸、肌酐嘌呤代谢异常诊断和治疗监测生化检验是现代医学诊断的重要手段，通过检测血液、尿液中的生化指标变化，可以早期发现疾病、监测治疗效果、评估预后生物化学实验基础蛋白质检测核酸分析法利用考马斯亮蓝与琼脂糖凝胶电泳分离片Bradford DNA蛋白质结合的显色反应定量蛋白段，紫外分光光度法测定核酸浓质电泳分离不同度和纯度扩增特定SDS-PAGE PCR DNA分子量蛋白质，序列，测序确定碱基顺Western blotDNA检测特定蛋白质序酶活性测定通过监测底物消耗或产物生成速率测定酶活性分光光度法检测颜色变化，荧光法检测荧光强度变化，电化学法检测电流变化现代分子生物学技术1技术应用2测序技术PCRDNA聚合酶链反应通过温度循环扩测序确定序列，Sanger DNA增特定片段，广泛应用高通量测序技术如DNA于基因克隆、疾病诊断、法医、可以快速Illumina PacBio鉴定实时可以定量检测定整个基因组测序成本大PCR测目标序列，逆转录检幅下降推动了精准医学发展PCR测表达RNA3基因编辑CRISPR系统可以精确编辑基因序列，在基因治疗、作物改CRISPR-Cas9良、疾病模型构建等领域具有革命性应用前景生物信息学简介序列分析搜索同源序列，比较BLAST Multiplesequence alignment进化关系，预测基因功能结构预测等工具预测蛋白质三维结构，分子对接模拟药物AlphaFold AI与靶点相互作用数据库应用、等数据库存储海量生物学信息，支持全球科NCBI UniProt研合作和知识共享生物信息学将计算机科学与生物学结合，处理和分析大规模生物数据，已成为现代生物医学研究不可缺少的工具。