《生物化学时王庭槐》课件

生物化学（时王庭槐版）课程导读欢迎进入生物化学的精彩世界！本课程以时王庭槐教授的经典教材为蓝本，系统地介绍生物化学的核心理论与前沿进展生物化学作为生命科学的基础学科，研究生物体内各种分子的结构、功能及其相互作用机制生物化学研究对象与发展简史1世纪初期19尿素人工合成标志着有机化学诞生，打破了生命力论的束缚，为生物化学奠定了理论基础2世纪中期20DNA双螺旋结构发现、酶催化机理阐明，生物化学进入分子水平研究的黄金时代3现代发展生命的分子基础蛋白质核酸糖类与脂类生命活动的主要执行者，包括酶、抗遗传信息的载体，DNA储存遗传信息，体、激素等，具有催化、免疫、调节等RNA参与基因表达过程双螺旋结构保证多种功能由20种标准氨基酸组成，通了遗传信息的稳定传递和准确复制过肽键连接形成复杂的三维结构水和溶液在生物化学中的作用水的独特性质与缓冲系统离子强度调节pH水分子具有极性和氢键结合能力，生物体内pH需要精确控制在

7.4左使其成为优秀的溶剂高比热容和右磷酸缓冲系统、碳酸氢盐缓冲表面张力维持生物体温度稳定和细系统等维持酸碱平衡，保证酶活性胞形态和蛋白质结构稳定蛋白质的一级结构标准氨基酸肽键特征20种标准氨基酸根据侧链性质分肽键具有部分双键性质，限制了为非极性、极性不带电、酸性和围绕其旋转，形成反式构型肽碱性四类每种氨基酸都有独特键的平面性是蛋白质二级结构形的理化性质，决定了蛋白质的功成的基础能特性特殊氨基酸羟脯氨酸增强胶原蛋白稳定性，硒代半胱氨酸参与抗氧化酶活性这些非标准氨基酸扩展了蛋白质功能的多样性蛋白质空间结构四级结构多个亚基组装形成功能复合体1三级结构2侧链相互作用形成整体折叠二级结构3α-螺旋和β-折叠等规律性结构一级结构4氨基酸序列决定高级结构血红蛋白是研究蛋白质结构的经典范例每个血红蛋白分子含有四个亚基，每个亚基结合一个血红素基团α-螺旋结构占主导地位，为血红素提供适宜的结合环境亚基间的相互作用产生协同效应，使血红蛋白能够高效地结合和释放氧气蛋白质的功能与分类催化功能运输储存免疫防御酶是最重要的催化蛋白，血红蛋白运输氧气，白抗体能够特异性识别抗能够将反应活化能降低蛋白运输脂肪酸，铁蛋原，补体蛋白参与免疫10^17倍，使生化反应在白储存铁离子，确保重反应，构成机体抵御外温和条件下快速进行要物质的有效分配和利来病原体的重要防线用结构支撑胶原蛋白提供机械强度，角蛋白形成保护屏障，肌动蛋白维持细胞形态和运动功能蛋白质的理化性质等电点测定在等电点pH值时，蛋白质净电荷为零，溶解度最小，可用于蛋白质分离纯化不同蛋白质具有特征性等电点变性与复性高温、极端pH、有机溶剂等因素可破坏蛋白质高级结构在适当条件下，某些蛋白质能够重新折叠恢复活性分离鉴定SDS-PAGE电泳根据分子量分离，等电聚焦根据等电点分离，质谱技术精确测定分子量和氨基酸序列蛋白质的分离与鉴定技术层析分离离子交换层析利用电荷差异，分子排阻层析根据分子大小，疏水层析基于疏水性强弱，亲和层析通过特异性结合实现高效分离电泳技术聚丙烯酰胺凝胶电泳提供高分辨率分离，二维电泳结合等电聚焦和SDS-PAGE，可同时分析上千种蛋白质质谱鉴定MALDI-TOF质谱快速测定分子量，ESI-MS/MS进行蛋白质测序，蛋白质组学研究依赖高精度质谱技术生物信息学数据库检索确认蛋白质身份，生物信息学工具预测结构功能，整合多种技术数据进行系统性分析酶的结构与催化特性底物专一性辅助因子酶对底物具有严格的选择性，包金属离子辅助因子如Mg2+、括结构专一性、立体专一性和基Zn2+参与催化，有机辅酶如活性中心团专一性，确保代谢途径的有序NAD+、FAD作为电子载体，扩展调节机制进行酶的催化能力酶分子中直接参与催化的区域，变构调节、共价修饰、酶原激活通常由少数关键氨基酸残基组成，等多种机制精确控制酶活性，使决定酶的专一性和催化效率细胞能够快速响应环境变化酶促作用机制能障降低酶通过稳定过渡态降低活化能诱导契合酶与底物相互诱导构象变化锁钥模型经典的酶底物结合理论基础现代酶学理论认为，酶催化的关键在于对过渡态的专一性结合和稳定诱导契合模型更准确地描述了酶与底物的动态相互作用过程酶不仅仅是被动的催化剂，而是能够主动调节自身构象以优化催化效率的动态分子机器酶动力学与酶活调节酶的调控与反馈机制正向调节负反馈抑制AMP、ADP等能量匮乏信号激活磷酸果ATP、柠檬酸等代谢产物抑制关键酶活糖激酶，促进糖酵解途径，加速ATP生性，防止代谢产物过度积累，维持细胞成以满足细胞能量需求内稳态平衡代谢网络变构位点多个调节机制协同作用形成复杂的调控调节分子结合变构位点引起酶构象变网络，确保代谢途径间的协调配合和能化，传递到活性中心影响催化效率，实量的有效利用现精确的活性调控核酸的化学结构4碱基种类DNA腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶构成遗传密码基础5碱基种类RNA用尿嘧啶替代胸腺嘧啶，增加结构灵活性2糖基差异DNA含脱氧核糖，RNA含核糖，影响稳定性3磷酸基团连接糖基形成骨架，提供负电荷特性双螺旋结构与高阶结构双螺旋Watson-Crick模型揭示DNA双链反向平行结构，碱基配对遵循A-T、G-C互补原则核小体DNA缠绕组蛋白八聚体形成珠链状结构，是染色质的基本组装单位高度压缩30nm纤维进一步螺旋化形成染色体，实现遗传物质的高效包装的复制与修复机制DNA1起始阶段DNA解旋酶打开双螺旋形成复制叉，引物酶合成RNA引物为DNA聚合酶提供3-OH基团起始位点2延伸过程领先链连续合成，滞后链不连续合成形成冈崎片段，DNA聚合酶具有3-5外切酶活性校对功能3修复机制错配修复纠正复制错误，切除修复处理DNA损伤，重组修复应对双链断裂，确保遗传信息准确传递的种类与功能RNA信使转运核糖体RNA mRNARNA tRNARNA rRNA携带遗传信息从核质传递到细胞质，指导特异性结合氨基酸并识别mRNA密码子，确构成核糖体的主要成分，具有肽基转移酶蛋白质合成5帽子结构和3多聚A尾增强保蛋白质合成的准确性三叶草二级结构活性高度保守的序列和复杂的三维结构稳定性，开放阅读框编码蛋白质序列和L形三级结构是功能基础确保翻译过程的精确进行遗传密码与蛋白质合成密码子氨基酸密码子氨基酸密码子氨基酸UUU苯丙氨UCU丝氨酸UAU酪氨酸酸UUC苯丙氨UCC丝氨酸UAC酪氨酸酸AUG甲硫氨UGA终止UAG终止酸遗传密码具有简并性，多个密码子可编码同一氨基酸，增强了遗传信息的稳定性AUG既是甲硫氨酸密码子也是起始信号，UAG、UAA、UGA为终止密码子翻译起始需要核糖体、起始因子和第一个氨酰-tRNA的协同作用糖类的结构与生物功能1单糖结构2寡糖功能葡萄糖、果糖、半乳糖等单糖蔗糖、乳糖、麦芽糖等双糖通是糖类的基本单位，具有多个过糖苷键连接，参与细胞识羟基和醛基或酮基，形成环状别、信号转导和能量储存等重结构提供结构稳定性要生物学过程3多糖作用淀粉和糖原作为储能多糖，纤维素和几丁质提供结构支撑，糖胺聚糖参与细胞外基质组织和信号调节糖的代谢与调控糖酵解途径糖异生过程葡萄糖经过10步酶催化反应转化非糖物质合成葡萄糖的代谢途为丙酮酸，净产生2分子ATP和2径，主要在肝脏进行利用乳分子NADH关键调节酶包括己糖酸、氨基酸、甘油等前体物质，激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激消耗ATP维持血糖稳定酶调控机制胰岛素促进糖酵解，胰高血糖素激活糖异生AMP激活磷酸果糖激酶，ATP抑制该酶活性，实现能量代谢的精确调节电子传递链与生物氧化复合体IV细胞色素c氧化酶，催化氧气还原复合体III细胞色素bc1复合体，传递电子至细胞色素c复合体INADH脱氢酶，接受NADH电子启动传递电子传递链位于线粒体内膜，通过一系列氧化还原反应将电子从NADH和FADH2传递给氧气电子传递过程中释放的能量用于将质子从基质泵入膜间隙，形成质子梯度驱动ATP合成这一过程效率极高，是细胞主要的ATP生成方式氧化磷酸化与能量耦联质子泵送合酶ATP电子传递链复合体将质子从线粒体基质F1F0-ATP合酶利用质子回流驱动ATP合泵送到膜间隙，建立跨膜质子梯度和电成，每合成一分子ATP需要约3个质子通化学势能过能量转换抑制剂作用化学能转化为电化学势能再转化为ATP氰化物阻断复合体IV，寡霉素抑制ATP高能磷酸键，实现能量的高效储存和利合酶，解偶联剂破坏质子梯度导致能量用以热形式散失糖原代谢与疾病糖原合成葡萄糖经UDP-葡萄糖中间体，由糖原合酶催化形成α-1,4糖苷键主链，分支酶形成α-1,6糖苷键分支糖原分解糖原磷酸化酶切断α-1,4键释放葡萄糖-1-磷酸，脱分支酶处理α-1,6键，最终产生葡萄糖激素调节胰岛素激活糖原合成，胰高血糖素和肾上腺素通过cAMP途径激活糖原分解，维持血糖稳态储积症酶缺陷导致糖原结构异常或过度积累，如冯·吉尔克病、庞贝病等，严重影响肝脏和肌肉功能乳酸、丙酮酸代谢1肌肉产生剧烈运动时氧气不足，肌肉将丙酮酸还原为乳酸，维持糖酵解持续进行，满足快速供能需求2血液运输乳酸释放入血液循环，通过载体蛋白跨细胞膜转运，避免局部酸中毒对细胞功能的损害3肝脏利用肝脏摄取乳酸通过糖异生途径重新合成葡萄糖，完成Cori循环，维持全身葡萄糖稳态平衡病理状态下乳酸升高常见于缺氧、休克、糖尿病酮症酸中毒等情况乳酸脱氢酶同工酶分析可辅助心肌梗死、肝脏疾病等诊断五碳糖途径与生物合成生成抗氧化防御核酸合成NADPH六磷酸葡萄糖脱氢酶催NADPH是谷胱甘肽还原五磷酸核糖是嘌呤和嘧化的氧化阶段产生酶的辅酶，维持还原型啶核苷酸合成的重要前NADPH，为脂肪酸合成、谷胱甘肽水平，保护细体，支持DNA和RNA的生胆固醇合成等还原性生胞免受氧化应激损伤物合成过程物合成提供还原力代谢调节通过非氧化阶段的可逆反应与糖酵解途径相互转换，灵活调节细胞内糖代谢流向脂类分子种类与功能脂肪酸磷脂类固醇类饱和脂肪酸提供致密的能量储存，不饱磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸等构成生物胆固醇调节膜流动性，是胆汁酸和固醇和脂肪酸增加膜流动性必需脂肪酸如膜的基本骨架两亲性分子自发形成双激素的前体植物固醇具有降胆固醇作亚油酸、α-亚麻酸需要从食物获得，参与分子层，为膜蛋白提供适宜的脂质环用，在心血管保护中发挥重要作用前列腺素等信号分子合成境脂肪酸代谢脂肪酸合成氧化过程β-在细胞质中进行，以乙酰-CoA为原料，需脂肪酸活化脂酰-CoA经脱氢、水化、再脱氢、硫解四要NADPH提供还原力脂肪酸合酶复合体长链脂肪酸在细胞质中与CoA结合形成脂步反应，每轮循环产生1分子乙酰-CoA、1催化重复的缩合、还原反应酰-CoA，消耗ATP肉毒碱载体系统将脂分子FADH2和1分子NADH酰-CoA转运入线粒体基质进行β-氧化胆固醇与类固醇代谢激素合成皮质醇、醛固酮、性激素前体1胆汁酸2胆酸、鹅脱氧胆酸促进脂质消化膜组分3调节膜流动性和膜蛋白功能胆固醇合成4HMG-CoA还原酶是限速酶和调控靶点他汀类药物通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成，是治疗高胆固醇血症的一线药物动脉粥样硬化的发病机制涉及氧化低密度脂蛋白的泡沫细胞形成、炎症反应和血管内皮功能障碍等复杂过程脂蛋白运输机制必需脂肪酸与营养关系脂肪酸脂肪酸ω-3ω-6EPA、DHA具有抗炎、保护心亚油酸、花生四烯酸参与前列血管、促进大脑发育等作用腺素、白三烯等生物活性物质主要来源包括深海鱼油、亚麻合成过量摄入可能促进炎症籽、核桃等缺乏可导致学习反应，需要与ω-3脂肪酸保持能力下降、皮肤干燥适当比例营养平衡理想的ω-6/ω-3比例应控制在4:1以内现代饮食中该比例often过高，建议增加鱼类摄入，减少植物油使用氨基酸的结构与分类非极性氨基酸极性氨基酸甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸等疏水性氨基丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺等含有羟基酸，主要位于蛋白质内部，维持蛋白质1或酰胺基，能够形成氢键，常位于蛋白的疏水核心结构质表面酸性氨基酸碱性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸在生理pH下带负电赖氨酸、精氨酸、组氨酸在生理pH下带荷，参与蛋白质表面电荷分布和金属离正电荷，参与蛋白质与DNA结合和酶活子结合性中心构成氨基酸代谢总览转氨作用氨基酸与α-酮酸间的氨基转移，由转氨酶催化，磷酸吡哆醛为辅酶丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶是临床诊断的重要指标脱氨作用氨基酸分解产生氨和相应的α-酮酸，主要在肝脏进行谷氨酸脱氢酶是关键酶，产生的氨需要及时转化避免毒性脱羧作用氨基酸脱羧产生胺类物质，如组氨酸脱羧产生组胺，色氨酸脱羧产生血清素，参与神经传递和生理调节代谢整合氨基酸代谢与糖、脂代谢密切相关，α-酮酸可进入三羧酸循环或转化为葡萄糖，实现代谢途径间的相互转换蛋白质的分解与氨代谢蛋白质降解氨的毒性泛素-蛋白酶体系统和溶酶体途径分解细氨能透过血脑屏障干扰神经系统功能，胞内蛋白质，肠道蛋白酶消化食物蛋抑制α-酮戊二酸脱氢酶，影响ATP生成白，产生大量氨基酸和神经传递高氨血症尿素合成肝功能不全、遗传性酶缺陷可导致血氨肝脏通过鸟氨酸循环将氨转化为无毒的升高，出现意识障碍、昏迷等严重神经尿素，消耗ATP但保护机体免受氨毒性系统症状损害个别氨基酸的代谢途径基因缺陷1苯丙氨酸羟化酶基因突变导致酶活性缺失代谢阻断苯丙氨酸无法转化为酪氨酸而大量积累神经损伤苯丙酮酸等代谢产物损害大脑发育苯丙酮尿症是最常见的氨基酸代谢病，新生儿筛查能够早期发现限制苯丙氨酸摄入的特殊饮食可以预防智力发育障碍其他重要的氨基酸代谢异常包括枫糖尿症、酪氨酸血症、同型半胱氨酸尿症等，均需要早期诊断和饮食治疗核苷酸结构及功能能量载体信号分子辅酶功能ATP是细胞的通用cAMP、cGMP作为NAD+、FAD参与氧能量货币，高能磷第二信使传递细胞化还原反应，CoA酸键水解释放能量信号，调节基因表参与酰基转移，为驱动各种生化反应达和酶活性，响应代谢反应提供必需和细胞活动激素和环境刺激的辅助因子结构组分DNA和RNA的基本构建单位，决定遗传信息的储存、传递和表达，是生命延续的分子基础核苷酸的合成与降解从头合成补救途径降解代谢利用简单分子如甘氨酸、天冬氨酸、谷利用游离的嘌呤、嘧啶碱基或核苷重新嘌呤降解终产物是尿酸，嘧啶降解为β-氨氨酰胺等逐步构建嘌呤和嘧啶环过程合成核苷酸，经济高效次黄嘌呤-鸟嘌基异丁酸尿酸溶解度低，过量产生或复杂，耗能较多，但能够满足快速增殖呤磷酸核糖基转移酶缺陷导致Lesch-排泄不畅可导致痛风性关节炎和肾结细胞的核酸需求Nyhan综合征石维生素和辅酶1脂溶性维生素2水溶性维生素维生素A参与视觉和细胞分B族维生素多为辅酶前体，参化，维生素D调节钙磷代谢，与能量代谢和氨基酸代谢维维生素E抗氧化保护细胞膜，生素C是重要抗氧化剂，参与维生素K参与凝血过程储存胶原合成水溶性维生素不易在脂肪组织中，过量可引起中储存，需要定期补充毒3生化功能联系硫胺素（B1）是丙酮酸脱氢酶辅酶，核黄素（B2）是FAD前体，烟酸（B3）是NAD+前体，体现了维生素与代谢酶系的密切关系生物体内矿物元素7宏量元素钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁占体重较大比例14必需微量元素铁、锌、铜、锰、碘、硒、钼、铬等生理必需

2.3钙含量%人体含钙量约占体重

2.3%，主要在骨骼65铁蛋白铁%血红蛋白含有人体约65%的铁元素铁缺乏是世界范围内最常见的营养缺乏病，导致缺铁性贫血锌缺乏影响免疫功能和伤口愈合碘缺乏造成甲状腺肿大和智力发育障碍硒是谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，具有抗氧化作用激素的生物化学机制激素分泌1内分泌腺根据生理需要分泌特定激素，通过血液循环到达靶器官，浓度极低但作用强大，体现了精确的生理调节机制2受体结合激素与靶细胞膜受体或细胞内受体特异性结合，引起受体构象变化，启动信号转导级联反应，放大初始信号效应产生3最终导致酶活性改变、基因表达调节或离子通道开闭，产生相应的生理效应，维持机体内环境稳定和适应性反应。