《生物化学奥秘：课件呈现》

生物化学奥秘课件呈现生物化学概述生物化学定义生命分子的基础作用生物化学是研究生物体内生命分子包括蛋白质、核化学成分、化学反应和化酸、脂类和糖类，它们构学变化规律的科学，是生成了生命体的基本结构单物学与化学的交叉学科元，参与所有生命活动学科发展历程生物分子的基本类型蛋白质核酸脂类糖类由氨基酸组成的大分子，包括和，是遗传主要功能包括储存能量、主要提供能量，也参与细DNA RNA具有催化、结构、运输、信息的载体储存遗构成细胞膜、参与信号传胞识别和结构支撑单糖DNA调节等多种功能是生命传信息，参与蛋白质导脂类分子的疏水性质是基本单位，多糖如糖原RNA活动的主要承担者，参与合成和基因调控，是生命使其在维持细胞结构完整和纤维素具有重要的储能几乎所有生理过程延续的基础性方面发挥重要作用和结构功能生物大分子的结构四级结构多个蛋白质亚基组装三级结构三维空间折叠构象二级结构局部规律性结构模式一级结构氨基酸序列排列生物大分子的结构层次决定了其功能特性一级结构是基础，决定了分子的基本特征；二级结构形成局部稳定结构；三级结构确定整体空间构象；四级结构实现复杂功能的精确调控人体组成与分子基础生物化学的研究方法分离纯化技术光谱分析方法分子生物学技术生物信息学方法包括层析法、电泳紫外、红外、核磁扩增、基因克隆、利用计算机分析生PCR法、离心法等，用共振等光谱技术，蛋白表达等技术，物数据，包括序列于分离和纯化生物用于分析分子结构用于研究基因功能比对、结构预测、分子，是生化研究和浓度，提供定量和蛋白质特性代谢途径分析等的基础技术和定性信息生物化学与医学临床生化检验血糖、血脂、肝功能、肾功能等指标检测为疾病诊断提供重要依据疾病分子机制从分子水平理解疾病发生发展过程如糖尿病、心血管疾病的代谢异常药物作用机理研究药物与靶蛋白的相互作用指导新药开发和个性化治疗基因治疗应用利用基因工程技术治疗遗传性疾病开发基因疫苗和细胞治疗方法蛋白质基础结构氨基酸的基本结构一级结构特征所有氨基酸都含有氨基和羧氨基酸的线性排列顺序，由基，通过肽键连接形成多肽基因序列决定一级结构是链种标准氨基酸的侧链蛋白质所有高级结构的基础，20不同，决定了蛋白质的多样任何改变都可能影响蛋白质性和功能特异性功能肽键的形成氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，连接相邻氨基酸肽键具有部分双键性质，限制了分子的旋转自由度蛋白质二级结构螺旋α-右手螺旋结构，每圈含个氨基酸残基，通过氢键稳定

3.6是最常见的二级结构之一折叠β-肽链呈锯齿状延伸，相邻链间通过氢键连接形成稳定的片状结构，常见于纤维蛋白无规卷曲没有规律性结构的区域，但对蛋白质功能同样重要常位于螺旋和折叠之间的连接区域αβ--蛋白质高级结构三级结构形成二级结构进一步折叠形成紧密的三维构象四级结构组装多个蛋白质亚基通过非共价键结合功能域形成具有特定功能的结构单元蛋白质的高级结构决定其生物活性三级结构通过疏水相互作用、氢键、离子键等维持稳定；四级结构如血红蛋白的四聚体结构，实现协同效应和精确调控结构的精确性是蛋白质功能的保证蛋白质结构与功能关联基因突变结构改变序列改变导致氨基酸序列变化，DNA1蛋白质三级结构发生变化，血红蛋如镰刀形贫血症中谷氨酸被缬氨酸2白分子聚集形成纤维状结构替代疾病表现功能异常患者出现贫血、疼痛危象、器官损载氧能力下降，红细胞变形能力减伤等临床症状弱，导致溶血和血管阻塞蛋白质变性与复性变性因素高温、强酸强碱、有机溶剂、重金属离子等破坏维持蛋白质结构的非共价键结构破坏二级、三级、四级结构被破坏蛋白质失去天然构象和生物活性复性条件去除变性因子，提供适宜的和温度pH某些蛋白质可以重新折叠恢复活性临床意义高热引起蛋白质变性导致细胞损伤酒精消毒利用蛋白质变性杀灭病原体蛋白质沉淀与凝固4-670°C等电点范围凝固温度大多数蛋白质的等电点在此范围内多数蛋白质开始发生热凝固的温度pH50%盐析浓度硫酸铵饱和度达到此值时多数蛋白质沉淀蛋白质沉淀现象在生物化学研究和临床诊断中具有重要应用等电点沉淀是蛋白质纯化的经典方法；热凝固现象解释了烹饪过程中蛋白质的变化；盐析法广泛用于蛋白质的分离纯化柿石形成就是鞣酸与蛋白质结合产生沉淀的典型例子蛋白质等电点等电点定义蛋白质分子净电荷为零时溶液的值此时蛋白质在电场中不移pH动，溶解度最小，最容易沉淀析出测定方法等电点电泳是最常用的测定方法将蛋白质样品置于梯度pH胶中，在电场作用下蛋白质迁移到其等电点位置停止应用价值等电点聚焦电泳可以分离等电点相差单位的蛋白质，

0.01pH是蛋白质纯化和分析的重要技术手段蛋白质胶体性质胶体稳定性透析特性蛋白质分子大，带电荷大分子不能透过半透膜•形成稳定的胶体溶液•用于蛋白质纯化•具有效应•去除小分子杂质Tyndall电泳行为盐析现象在电场中根据电荷迁移高盐浓度破坏水化层•分离不同蛋白质•蛋白质析出沉淀•分析分子量大小•可逆性分离方法蛋白质的日常实例生鸡蛋状态蛋白质保持天然构象，呈透明液体状态卵清蛋白和其他蛋白质维持正常的三级结构加热过程温度升高破坏蛋白质分子间的氢键和疏水相互作用蛋白质开始展开，失去天然构象凝固形成变性的蛋白质分子相互聚集，形成网状结构鸡蛋白变成白色固体，这个过程不可逆转煮鸡蛋是蛋白质变性的经典例子加热使蛋白质分子展开并重新聚集，形成新的稳定结构这种变性是不可逆的，即使冷却也不能恢复原来的液体状态，说明蛋白质结构与功能的密切关系核酸的基础结构核苷酸组成碱基配对规律与差异DNA RNA核酸的基本单位，由磷酸基团、五碳中与配对，与配对；中双链稳定，主要储存遗传信息；DNA AT GC RNA DNA糖和含氮碱基组成含脱氧核糖，与配对，与配对这种特异性多为单链，参与蛋白质合成和基DNA AU GC RNA含核糖配对是遗传信息准确传递的基础因调控RNA•磷酸基团提供负电荷•糖基结构不同•氢键维持配对稳定•糖基连接磷酸和碱基•碱基组成差异•嘌呤与嘧啶配对•碱基决定遗传信息•功能分工明确•配对具有方向性分子结构DNA双螺旋结构两条反向平行的多核苷酸链围绕同一轴心呈右手螺旋链间通过氢键连接，形成稳定的双分子结构分子参数螺旋直径纳米，螺距纳米，每圈包含个碱基对这些精确的几何参

23.410数保证了结构的稳定性信息储存碱基序列编码遗传信息，互补配对保证信息的准确复制和传递是生命遗传的物质基础结构稳定性氢键、范德华力和疏水相互作用共同维持双螺旋稳定磷酸骨架在外侧保护内部碱基分子结构及类型RNA信使转移核糖体RNA mRNARNA tRNARNArRNA携带基因信息从转运特定氨基酸到核DNA核糖体的重要组成成转录而来，在核糖体糖体参与蛋白质合成分，参与蛋白质合成上翻译成蛋白质具具有三叶草二级结构的催化过程具有复有帽子结构和多聚和型三级结构，含53L杂的二级和三级结构，尾巴，增强稳定性有反密码子区域A是核酶的重要例子和翻译效率核酸的理化特性溶解性特征紫外吸收性质核酸在水中溶解度高，因磷核酸在纳米处有最大吸收260酸基团带负电荷在酸性条峰，这是由于嘌呤和嘧啶碱件下溶解度降低，在碱性条基的共轭电子系统常用于π件下可被水解比核酸浓度测定和纯度检测DNA RNA更稳定两性解离行为核酸分子含有磷酸基团和氨基基团，在不同下呈现不同的电荷pH状态等电点约为，影响电泳分离效果pH2-3核酸的高分子特性核酸变性与复性变性条件链间分离高温、极端、有机溶剂等因素破碱基配对的氢键断裂，双螺旋结构pH坏氢键，双链分离成单链，称解开，处紫外吸收增加，产DNA260nm为熔解生增色效应DNA杂交形成缓慢冷却不同来源的互补单链也可配对形成在适宜条件下缓慢降温，互补单链杂交分子，这是分子杂交技术的基重新找到配对伙伴，恢复双螺旋结础原理构核酸分子杂交杂交原理不同来源的互补单链形成杂交分子DNA指纹技术DNA利用个体间序列差异进行身份识别DNA亲子鉴定比较父母子女间遗传标记的相似性法医应用犯罪现场物证与嫌疑人比对DNA分子杂交技术基于碱基配对的特异性，广泛应用于基因诊断、亲子鉴定和法医学等领域指纹如同人类指纹一样具有个体特异性，准确率可达以上，是现代法DNA

99.99%医学和遗传学的重要工具基因表达流程总览储存DNA遗传信息以碱基序列形式储存在双螺旋中，是生命活动的DNA根本指令转录过程信息转录为，聚合酶催化，遵循碱基配对原则但DNA mRNARNA被替代T U翻译合成在核糖体上翻译成蛋白质，三个碱基编码一个氨基酸mRNA功能执行蛋白质执行各种生物功能，是基因信息的最终表达产物复制原理DNA双链解开解螺旋酶打开双螺旋结构半保留复制每条新保留一条原链DNA校正修复聚合酶具有校正功能DNA复制完成形成两个相同的分子DNA复制是半保留性的，确保遗传信息的准确传递复制过程涉及多种酶的协调作用，包括解螺旋酶、引物酶、聚合酶等错误率极低，DNA DNA约为十亿分之一，这得益于聚合酶的外切酶活性和后续的修复机制DNA3-5转录过程RNA转录起始聚合酶识别并结合启动子序列，双链在转录起始点附近RNA DNA解开转录因子协助聚合酶正确定位和起始转录过程转录延伸聚合酶沿着模板链移动，按照到方向合成新RNA DNA53RNA生链与模板链互补配对，遵循和配对规则RNA DNAA-U G-C转录终止到达终止信号时，聚合酶停止转录并从上解离RNA DNA新合成的分子释放，双链重新结合恢复螺旋结构RNADNA蛋白质翻译过程翻译终止终止密码子结束翻译肽链延伸氨基酸逐个添加形成多肽翻译起始核糖体识别起始密码子AUG核糖体组装大小亚基结合形成翻译复合物mRNA蛋白质翻译是一个高度精确的过程，核糖体作为分子机器协调各个步骤携带特定氨基酸，其反密码子与密码子配对，确保氨tRNA mRNA基酸按正确顺序连接这个过程体现了遗传密码的通用性和翻译机制的保守性酶的概论催化高效性高度特异性温和反应条件可调节性酶可将反应速率提高每种酶只催化特定的酶在常温常压、中性酶活性可被多种因子到倍，极反应或作用于特定的条件下发挥作用，调节，包括变构调10^610^17pH大加速生化反应催底物这种特异性保适应生物体的生理环节、共价修饰、酶原化效率远超化学催化证了细胞内复杂反应境，避免了苛刻反应激活等，实现代谢途剂，是生命活动的关网络的有序进行条件对细胞的损害径的精确控制键酶的分子结构活性位点结合位点酶分子上结合底物的特定区域识别和结合底物分子的区域•具有特定的空间构型•决定酶的底物特异性•含有催化必需的氨基酸残基•通过非共价键结合底物调节位点催化位点结合调节分子影响酶活性直接参与化学反应的功能基团•变构调节位点•降低反应活化能•共价修饰位点•稳定过渡态复合物酶的作用机制锁钥模型诱导契合模型费希尔提出的经典模型，认为酶和底物像锁和钥匙一样具科什兰德提出的改进模型，认为酶和底物结合时会发生构有互补的几何形状酶的活性位点形状固定，只有特定底象变化，相互诱导形成最佳契合状态物能够结合这个模型更好地解释了酶的催化机制、变构调节和协同效这个模型解释了酶的特异性，但不能很好地说明酶的催化应等现象，是目前广泛接受的酶作用模型机制和调节现象酶促反应调控竞争性抑制非竞争性抑制抑制剂与底物竞争结合酶的抑制剂结合酶分子活性位点活性位点抑制剂结构与底以外的部位，改变酶的构象物相似，可被底物浓度增加从而降低活性这种抑制不所逆转磺胺类药物抑制细能被底物浓度增加所逆转，菌叶酸合成就是典型例子通常是不可逆的变构调节效应分子结合酶的变构位点，引起酶构象变化，可以是激活也可以是抑制这是细胞内最重要的酶活性调节机制之一体内酶的特殊形式同工酶定义催化相同反应但结构不同的酶由不同基因编码或基因表达调控差异造成组织特异性不同组织表达不同的同工酶如心肌和骨骼肌的肌酸激酶同工酶诊断价值血清同工酶谱变化反映组织损伤心肌梗死时心肌型同工酶升高检测方法电泳分离和活性测定免疫学方法和分子生物学技术能量的本质1结构组成ATP腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成高能磷酸键储存大量化学能，是细胞的直接能源能量释放水解成和磷酸，释放约的能量这个ATP ADP

30.5kJ/mol反应为细胞各种耗能过程提供动力循环再生通过呼吸作用重新磷酸化形成细胞内ADP ATP ATP/ADP比值维持动态平衡，保证能量供应氧化磷酸化电子传递链位于线粒体内膜上的蛋白质复合体系统和提供的电NADH FADH2子沿着复合体、、传递，最终传递给氧气形成水I IIIIV质子泵送电子传递过程中，复合体将质子从基质泵送到膜间隙，建立质子梯度这个过程将电子传递释放的能量转化为质子的电化学势能合成ATP合酶利用质子梯度驱动磷酸化生成质子通过ATP ADPATP合酶回流到基质，驱动酶的旋转运动，实现化学机械ATP耦联糖类的结构与分类多糖淀粉、糖原、纤维素双糖蔗糖、乳糖、麦芽糖单糖葡萄糖、果糖、半乳糖糖类是最重要的能源物质，也参与细胞识别和结构支撑单糖是基本单位，通过糖苷键连接形成复杂多糖葡萄糖是最主要的单糖，为大脑等器官提供必需能量多糖如糖原和淀粉是重要的能量储存形式糖类的代谢糖酵解三羧酸循环葡萄糖分解为丙酮酸，产生和丙酮酸进入线粒体，通过柠檬酸循ATP在细胞质中进行，是葡萄糖环彻底氧化，产生大量和NADH NADH代谢的第一步FADH2代谢调控氧化磷酸化关键酶受到变构调节、共价修饰和和在电子传递链中氧化，NADH FADH2酶量调节，精确控制糖代谢速率驱动合成，产生大量ATPATP糖异生与糖原代谢糖异生过程糖原合成糖原分解由非糖物质合成葡萄糖的代谢途径葡萄糖聚合形成糖原的过程主要在糖原磷酸化分解释放葡萄糖在饥饿主要在肝脏和肾脏进行，原料包括氨肝脏和肌肉中进行，是机体储存糖类或运动时激活，快速提供能量关键基酸、乳酸、甘油等的主要形式酶受激素调节•维持血糖稳定•餐后胰岛素促进•胰高血糖素激活•提供大脑能量•肝糖原调节血糖•肾上腺素促进•饥饿状态激活•肌糖原提供能量•磷酸化级联放大脂质的种类与功能中性脂肪磷脂类固醇类信号分子主要是甘油三酯，是细胞膜的主要组成成包括胆固醇和类固醇某些脂质如前列腺机体最重要的储能物分，具有亲水头部和激素胆固醇是膜结素、白三烯等是重要质脂肪组织储存大疏水尾部形成双分构成分和激素前体，的信号分子，参与炎量甘油三酯，提供长子层结构，维持膜的类固醇激素调节多种症反应、血管调节等期能量供应和保温作流动性和选择透过生理过程生理过程用性脂类代谢基础脂肪酸氧化β脂肪酸在线粒体中逐步氧化分解产生乙酰、和CoA NADHFADH2脂肪酸合成由乙酰在胞质中合成脂肪酸CoA需要、和生物素参与ATP NADPH酮体生成肝脏将多余乙酰转化为酮体CoA为大脑等组织提供替代能源胆固醇代谢胆固醇合成和转化调节形成胆汁酸和类固醇激素蛋白质的代谢氨基酸代谢蛋白质合成氨基酸的分解和转化核糖体翻译合成蛋白质mRNA•转氨作用形成新氨基酸•需要种氨基酸参与20蛋白质分解氮平衡•脱氨作用产生氨和α酮酸消耗大量和-•ATP GTP蛋白酶水解蛋白质为氨基酸氮摄入与氮排出的平衡•胃蛋白酶在胃中作用•正氮平衡促进生长•胰蛋白酶在小肠消化•负氮平衡导致消瘦23脱氨与转氨作用转氨反应氨基酸的氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸这是合成非必需氨α-基酸的主要途径，也是氨基酸相互转化的基础脱氨反应氨基酸失去氨基形成酮酸和氨氨对细胞有毒性，必须快速转化α-或排出体外主要在肝脏进行尿素循环肝脏将有毒的氨转化为无毒的尿素这是机体处理氮代谢废物的主要途径，保护机体免受氨中毒肝脏解毒肝脏是氨基酸代谢的中心器官，承担脱氨、转氨、尿素合成等重要功能，是机体的解毒工厂。