《生物化学概念复习》课件

生物化学概念复习本课程将为您提供全面系统的生物化学知识复习，涵盖从基础概念到前沿进展的完整知识体系我们将按照最新考试大纲要求，深入探讨生物分子的结构功能、代谢调控以及分子生物学基础生物化学学科简介研究范围发展历程生物化学是研究生物体内化学从19世纪末期酶的发现，到物质和化学反应的科学，探索20世纪DNA双螺旋结构的阐生命现象的分子机理它以分明，再到现代基因工程和蛋白子水平解释生命过程，包括蛋质组学的兴起，生物化学经历白质、核酸、脂类、糖类等生了从定性描述到定量分析的巨物大分子的结构功能关系大飞跃学科交叉生命物质的基本组成主要元素微量元素碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）铁、锌、铜、锰、钼等微量元素虽然含量很少，但在生物体内发是构成生物体的六大基本元素，占生物体干重的99%以上碳元挥着不可替代的作用铁是血红蛋白和细胞色素的组成部分，参素具有独特的成键特性，可形成稳定的共价键，是有机化合物的与氧气运输和电子传递骨架锌是多种酶的辅因子，铜参与胶原蛋白合成，锰在光合作用中起氢和氧主要以水的形式存在，参与各种生化反应氮是蛋白质和关键作用这些微量元素的缺乏常常导致严重的生理功能障碍核酸的重要组成部分，磷参与能量转换和遗传信息存储，硫存在于某些氨基酸中生物大分子总览蛋白质核酸脂类与多糖由氨基酸通过肽键连接形成的生物大包括DNA和RNA，是遗传信息的载脂类是重要的储能物质和生物膜组成分子，具有催化、结构、运输、防御体DNA储存遗传信息，RNA参与蛋成分，包括脂肪酸、甘油三酯、磷脂等多种功能蛋白质的功能取决于其白质合成和基因调控核酸由核苷酸等多糖如糖原和纤维素分别用于储特定的三维结构，结构的改变会影响组成，通过碱基配对形成特定的结能和提供结构支撑功能的发挥构氨基酸及蛋白质结构一级结构1由20种天然氨基酸按特定顺序连接形成的多肽链序列氨基酸根据侧链性质分为极性、非极性、酸性、碱性等类型，序列决定了蛋白质的基本特性二级结构多肽链局部区域形成的规则空间构象，主要包括α-螺旋和β-折叠这些结构通过氢键稳定，为蛋白质提供基本的结构框架三级与四级结构整个多肽链的三维空间构象称为三级结构，多个亚基组成的蛋白质复合体形成四级结构这些高级结构决定了蛋白质的生物学活性蛋白质的性质等电点蛋白质净电荷为零时溶液的pH值在等电点时，蛋白质溶解度最小，易于沉淀分离不同蛋白质具有不同的等电点，这一特性常用于蛋白质的分离纯化变性在高温、极端pH、有机溶剂等条件下，蛋白质的空间结构被破坏，失去生物活性变性通常是可逆的，去除变性因子后可能恢复原有结构和功能溶解性蛋白质的溶解性受pH、离子强度、温度等因素影响极性氨基酸残基增加溶解性，疏水性残基降低溶解性盐析和盐溶效应在蛋白质分离中具有重要应用蛋白质分离与纯化电泳分析SDS-PAGE根据分子量分离，等电聚焦根据等电点分离，二维电泳结合两种原理电泳层析技术技术简单高效，是蛋白质分析的基本方法包括凝胶过滤、离子交换、疏水相互作用和亲和层析等方法根据蛋白质的分子大小、电荷、疏水性或特异性结合能现代技术力进行分离超滤、超速离心、高效液相色谱等现代技术提高了分离效率和纯度质谱分析可以精确测定蛋白质分子量和氨基酸序列酶的本质与分类核酶具有催化活性的RNA分子简单酶2仅由蛋白质组成的酶复合酶需要辅酶或辅因子的酶酶蛋白酶的蛋白质部分全酶具有完整催化活性的酶酶是生物催化剂，能够显著降低反应活化能，加速生化反应进行根据国际酶学委员会分类，酶分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶六大类每类酶都有特定的EC编号和系统命名酶促反应动力学米氏方程描述酶促反应速率与底物浓度关系值意义Km酶对底物亲和力的重要指标应用Vmax最大反应速率的测定与分析米氏常数Km等于反应速率达到最大速率一半时的底物浓度，反映酶与底物的亲和力Km值越小，酶与底物亲和力越强最大反应速率Vmax与酶浓度成正比，反映酶的催化效率温度、pH、抑制剂等因素都会影响酶活性，竞争性、非竞争性和反竞争性抑制表现出不同的动力学特征酶的调控别构调控反馈抑制调节因子结合到酶的别构位点，引起酶代谢途径的最终产物抑制途径中第一个构象变化，影响催化活性正调节剂激酶的活性如异亮氨酸抑制苏氨酸脱氨活酶活性，负调节剂抑制酶活性酶，防止产物过量积累酶的合成共价修饰在转录和翻译水平调控酶的生成量诱通过磷酸化、甲基化、乙酰化等修饰改导酶和阻遏酶的合成受相应信号分子调变酶活性磷酸化是最常见的调控方控，实现代谢的精确控制式，可快速调节酶的活性状态碳水化合物结构单糖基础最简单的碳水化合物，不能被水解为更小的糖单位包括葡萄糖、果糖、半乳糖等，具有相同分子式但结构不同的异构体根据羰基位置分为醛糖和酮糖，根据碳原子数目分为丙糖、戊糖、己糖等寡糖连接由2-10个单糖通过糖苷键连接形成二糖如蔗糖、乳糖、麦芽糖在自然界广泛存在糖苷键的类型（α或β）和连接位置决定了寡糖的性质和生物学功能多糖功能由许多单糖聚合而成的大分子，主要分为储能性多糖（如糖原、淀粉）和结构性多糖（如纤维素、几丁质）多糖的结构决定其功能，分支结构有利于快速释放能量糖类的代谢路径糖酵解葡萄糖分解为丙酮酸的过程，产生ATP和NADH，在细胞质中进行糖异生从非糖物质合成葡萄糖的过程，维持血糖稳定，主要在肝脏进行磷酸戊糖途径产生NADPH和核糖的替代途径，为脂肪酸合成和抗氧化提供还原力这三条主要的糖代谢途径相互关联，共同维持细胞的能量需求和代谢平衡糖酵解在无氧条件下也能进行，为细胞提供快速的能量供应糖异生在饥饿状态下特别重要，确保大脑等器官的葡萄糖供应磷酸戊糖途径虽然产能较少，但为合成代谢提供必需的辅酶糖酵解与三羧酸循环2净产量ATP糖酵解过程中每分子葡萄糖净产生的ATP分子数10关键酶数目糖酵解途径中参与催化的主要酶类总数30总产量ATP完全氧化一分子葡萄糖最终产生的ATP分子数8循环步骤三羧酸循环一个完整周期包含的反应步骤数糖酵解是细胞呼吸的第一阶段，在细胞质中将葡萄糖转化为丙酮酸关键调节酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶三羧酸循环在线粒体基质中进行，彻底氧化丙酮酸产生CO

2、NADH、FADH2和GTP两个过程协调配合，实现葡萄糖的完全氧化和最大化能量提取电子传递链与氧化磷酸化复合体INADH脱氢酶复合体，接受NADH电子，泵出4个质子到膜间隙复合体III细胞色素bc1复合体，传递电子并泵出4个质子，形成质子梯度复合体IV细胞色素c氧化酶，将电子传递给氧气，泵出2个质子完成传递合酶ATP利用质子梯度驱动ATP合成，每合成1个ATP消耗约3个质子脂类的分类和功能脂类是一类以疏水性为特征的生物分子，主要包括脂肪酸、甘油三酯、磷脂和胆固醇等脂肪酸是最基本的脂类，分为饱和和不饱和两类甘油三酯是主要的储能物质，磷脂构成生物膜的基本骨架，胆固醇调节膜流动性并作为激素合成的前体物质脂类代谢脂肪动员激素敏感性脂酶激活，甘油三酯水解为甘油和脂肪酸，脂肪酸释放入血循环运输到需要的组织器官氧化过程β-脂肪酸在线粒体内逐步氧化，每轮去除两个碳原子形成乙酰CoA，同时产生FADH2和NADH用于ATP合成胆固醇调控HMG-CoA还原酶是胆固醇合成的限速酶，受胆固醇含量反馈调节，他汀类药物通过抑制该酶降低胆固醇水平氨基酸代谢脱氨作用氨基酸失去氨基的过程，产生的氨在肝脏转化为尿素排出体外氧化脱氨是主要方式，谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸脱氨产生α-酮戊二酸转氨反应一个氨基酸的氨基转移给α-酮酸形成新氨基酸的过程转氨酶需要磷酸吡哆醛作辅酶，ALT和AST是临床重要的转氨酶指标脱羧反应氨基酸失去羧基产生胺类化合物的过程组氨酸脱羧产生组胺，5-羟色氨酸脱羧产生血清素，这些产物具有重要生理功能尿素循环氨甲酰磷酸合成瓜氨酸形成氨和CO2在氨甲酰磷酸合成酶I催化下形氨甲酰磷酸与鸟氨酸结合形成瓜氨酸，成氨甲酰磷酸，这是尿素循环的第一由鸟氨酸氨甲酰转移酶催化，瓜氨酸随步，在线粒体基质中进行后转运到细胞质尿素生成精氨酸合成精氨酸酶催化精氨酸水解产生尿素和鸟瓜氨酸与天冬氨酸结合形成精氨酰琥珀氨酸，鸟氨酸重新进入线粒体参与下一酸，再裂解为精氨酸和延胡索酸，这两轮循环，尿素排出体外步反应在细胞质中完成核酸结构与功能特性功能DNA RNA脱氧核糖核酸由脱氧核糖、磷酸和四种碱基（A、T、G、C）组核糖核酸含有核糖、磷酸和四种碱基（A、U、G、C），通常为成双链反平行螺旋结构，碱基配对遵循Watson-Crick规则，单链结构但可形成复杂的二级和三级结构A与T配对，G与C配对RNA具有多样功能mRNA传递遗传信息，rRNA参与蛋白质合DNA主要功能是储存遗传信息，具有高度稳定性大沟和小沟成，tRNA转运氨基酸，还有调控性RNA如miRNA、siRNA等结构允许蛋白质特异性识别和结合，实现基因调控参与基因表达调控感染与突变机制复制修复DNA DNA半保留性复制机制确保遗传信细胞具有多种DNA修复机息准确传递DNA聚合酶具制，包括错配修复、碱基切除有3到5外切酶活性，能够校修复、核苷酸切除修复等对和纠正错误，保证复制保真p53蛋白是重要的DNA损伤检度达到10^-9到10^-10查点蛋白，防止突变细胞增殖基因重组同源重组和位点特异性重组增加遗传多样性减数分裂过程中的交叉互换是同源重组的重要形式，促进基因变异和进化分子生物学基础复制DNA遗传信息从亲代DNA传递给子代DNA的过程转录DNA遗传信息转录成RNA的信息传递过程翻译mRNA信息翻译成蛋白质的最终表达过程中心法则描述了生物体内遗传信息流动的基本规律DNA→RNA→蛋白质这一过程确保了遗传信息的准确传递和表达现代分子生物学发现了逆转录、RNA编辑等现象，丰富了对信息传递机制的理解反向信息流如逆转录酶催化RNA合成DNA，在病毒复制和基因工程中具有重要意义基因转录机制原核转录真核转录原核生物转录相对简单，由单一RNA聚合酶完成σ因子帮助识真核生物有三种RNA聚合酶Pol I转录rRNA，Pol II转录别启动子，转录因子调节基因表达转录与翻译可同时进行，提mRNA，Pol III转录tRNA转录调控更加复杂，涉及增强子、高了基因表达效率沉默子、转录因子等多种元件启动子包含-10和-35保守序列，操纵子结构允许多个基因协调表染色质结构影响基因可及性，组蛋白修饰和DNA甲基化参与表达lac操纵子和trp操纵子是经典的调控模式，分别代表负调控观遗传调控启动子、增强子和转录因子的相互作用形成复杂的和正调控机制调控网络转录后的加工过程端加帽5在mRNA5端添加7-甲基鸟苷帽子结构，保护mRNA免受5外切核酸酶降解，同时增强翻译起始效率加帽过程在转录早期即开始进行内含子剪接2剪接体识别剪接位点，精确切除内含子序列，连接外显子形成成熟mRNA选择性剪接产生不同的mRNA异构体，增加蛋白质多样性端加尾33在mRNA3端添加polyA尾巴，通常含有200-250个腺苷酸残基polyA尾提高mRNA稳定性，促进翻译并调节mRNA定位翻译过程翻译起始小亚基结合mRNA的5端，扫描寻找起始密码子AUG起始因子eIF4E识别5帽子结构，eIF4G与polyA结合蛋白相互作用，形成闭合环路提高翻译效率大小亚基结合形成完整的80S核糖体肽链延长aminoacyl-tRNA进入A位点，肽酰转移酶催化肽键形成核糖体沿mRNA移动，tRNA从A位点移至P位点再到E位点延长因子EF1A和EF2参与这一过程，GTP提供能量驱动构象变化翻译终止当终止密码子进入A位点时，释放因子eRF1识别终止信号，eRF3提供GTP水解能量多肽链从tRNA上释放，核糖体亚基解离，可重新参与下一轮翻译循环蛋白质翻译后修饰磷酸化修饰糖基化修饰蛋白激酶催化丝氨酸、苏氨酸或N-连接糖基化发生在天冬酰胺残酪氨酸残基磷酸化，调节蛋白质基，O-连接糖基化发生在丝氨酸活性、定位和相互作用磷酸化或苏氨酸残基糖基化影响蛋白是可逆的，蛋白磷酸酶催化去磷质折叠、稳定性和细胞识别糖酸化过程信号转导中磷酸化级蛋白在细胞表面识别和免疫反应联放大信号中起重要作用甲基化与乙酰化组蛋白甲基化和乙酰化调节基因表达，形成表观遗传标记赖氨酸甲基化通常与基因沉默相关，乙酰化与基因激活相关这些修饰可遗传给子代细胞，参与发育和疾病过程生物能源来源化学键能电子传递35%来源比例20%来源比例有机分子中C-C、C-H键储存的电子在载体间传递释放的能量光能转化能量循环化学能通过氧化反应释放用于ATP合成40%来源比例5%其他来源植物光合作用将太阳能转化为机械能、热能等其他形式能量化学能，固定CO2合成葡萄糖的生物转化2的结构与功能ATP高能磷酸键β-γ磷酸键释放

30.5kJ/mol能量腺苷部分腺嘌呤碱基与核糖结合三磷酸基团3α、β、γ三个磷酸基团连接核糖骨架4五碳糖提供结构基础腺嘌呤碱基5嘌呤类含氮碱基ATP被称为细胞的能量货币，其高能磷酸键的水解为细胞各种耗能过程提供直接的能量来源ATP的循环再生通过细胞呼吸、光合作用等过程实现，维持细胞能量代谢的动态平衡辅酶与辅因子功能辅酶NAD+/NADH FAD/FADH2A烟酰胺腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸参含有泛酸的辅酶，参与是重要的电子载体，参与脂肪酸β-氧化和三羧乙酰基转移反应乙酰与氧化还原反应酸循环FAD接受两个CoA是代谢的中心分NAD+接受电子和质子电子和两个质子形成子，连接糖类、脂类和变为NADH，在糖酵解FADH2，在电子传递链蛋白质代谢，参与三羧和三羧酸循环中发挥关中释放能量合成ATP酸循环和脂肪酸合成键作用激素的生化作用胰岛素信号1促进葡萄糖摄取和糖原合成肾上腺素效应2激活磷酸化酶促进糖原分解信使cAMP3第二信使放大激素信号激素通过特异性受体发挥调节作用，胰岛素结合受体酪氨酸激酶，激活PI3K/Akt通路促进GLUT4转位到细胞膜，增加葡萄糖摄取肾上腺素与G蛋白偶联受体结合，激活腺苷酸环化酶产生cAMP，激活蛋白激酶A，磷酸化糖原磷酸化酶促进糖原分解这些激素信号通路精确调控糖代谢平衡，维持血糖稳定体内稳态调节感受器检测调节中枢监测体内各种生理参数的变化，如血糖大脑、肝脏等器官接收感受器信号，与浓度、体温、血压等感受器将检测到设定点比较，决定是否需要调节下丘的信息转换为神经或化学信号脑是重要的调节中枢反馈调节效应器响应效应器的作用结果反馈给感受器和调节接收调节指令的器官或细胞做出相应反中枢，形成闭环控制负反馈维持稳应，如胰岛分泌胰岛素、肌肉收缩产热态，正反馈放大变化等，纠正偏离正常值的参数蛋白质合成的调控转录起始调控转录因子与启动子结合调节RNA聚合酶活性增强子和沉默子远距离调控基因表达染色质重塑复合体改变DNA可及性，组蛋白修饰影响转录效率转录延长调控RNA聚合酶II在启动子近端暂停，需要延长因子如P-TEFb激活继续转录转录延长的调控影响基因表达的时空特异性和强度转录后调控选择性剪接产生不同mRNA异构体，microRNA结合3UTR抑制翻译或促进降解RNA结合蛋白调节mRNA稳定性和定位翻译水平调控5UTR二级结构影响核糖体结合，上游开放阅读框调节主要ORF翻译翻译起始因子磷酸化响应细胞应激，调节整体蛋白质合成速率酶缺陷相关疾病苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙氨酸累积，影响大脑发育新生儿筛查和低苯丙氨酸饮食可预防智力障碍肝糖原储积病糖原代谢酶缺陷导致糖原异常堆积不同类型影响肝脏、肌肉等器官功能，需要特殊饮食管理半乳糖血症半乳糖代谢酶缺陷使半乳糖及其代谢物accumulate，损害肝脏、肾脏和眼睛避免乳制品摄入是主要治疗方法维生素与辅酶关系水溶性维生素脂溶性维生素B族维生素是多种辅酶的前体物质维生素B1（硫胺素）形成维生素A参与视觉过程，β-胡萝卜素在体内转化为视黄醛维生TPP，参与丙酮酸脱氢反应维生素B2（核黄素）构成FAD，参素D调节钙磷代谢，在皮肤中由紫外线激活合成与氧化还原反应维生素E是重要的脂溶性抗氧化剂，保护细胞膜免受自由基损维生素B3（烟酸）是NAD+的组成部分，维生素B5（泛酸）是伤维生素K参与凝血因子的γ-羧基化修饰，对血液凝固至关重辅酶A的结构成分维生素B6（吡哆醇）形成磷酸吡哆醛，参与要脂溶性维生素过量可能导致中毒氨基酸代谢维生素B12和叶酸参与一碳单位转移金属离子的生理功能铁离子功能锌离子作用血红蛋白和肌红蛋白的氧结合超过300种酶的辅因子，包括中心，细胞色素和铁硫蛋白参碳酸酐酶、醇脱氢酶、RNA与电子传递过氧化氢酶含有聚合酶等锌指蛋白参与基因铁原子，分解有害的过氧化转录调控，DNA结合蛋白中氢缺铁导致贫血，过量铁引常含锌离子锌缺乏影响免疫起组织损伤功能和伤口愈合镁离子效应ATP-Mg2+是ATP的活性形式，镁离子中和ATP的负电荷DNA聚合酶和RNA聚合酶需要镁离子激活叶绿素分子中心含有镁原子，参与光合作用光能捕获生物膜结构与功能50%脂质比例磷脂双分子层构成膜结构的主要成分40%蛋白质含量膜蛋白执行载体、受体、酶等功能7nm膜厚度典型生物膜的厚度范围10%胆固醇比例调节膜流动性的重要组分流体镶嵌模型描述了生物膜的基本结构磷脂双分子层形成膜的基本骨架，膜蛋白以不同方式嵌入其中磷脂分子的疏水尾部相互聚集，亲水头部朝向水相，形成选择性透过的屏障膜的流动性受温度、脂肪酸饱和度和胆固醇含量影响，对膜功能至关重要物质跨膜运输主动转运促进扩散逆浓度梯度转运，需要ATP提供能量Na+-被动扩散载体蛋白或通道蛋白协助物质跨膜转运，仍K+-ATPase是典型例子，维持细胞内外离子小分子如O

2、CO

2、H2O沿浓度梯度自由通沿浓度梯度进行，不消耗ATP葡萄糖载体浓度差次级主动转运利用一种离子的浓度过膜脂双分子层，无需消耗ATP扩散速率GLUT

1、离子通道等属于此类载体蛋白具梯度驱动另一种物质的转运，如Na+-葡萄糖与浓度差、膜面积成正比，与膜厚度成反有饱和性和特异性，通道蛋白可被门控调共转运体比，符合Fick定律脂溶性越高的分子扩散节越快信息分子的信号传导信号转导通路实例通路cAMP胰高血糖素激活腺苷酸环化酶，cAMP激活PKA磷酸化下游靶蛋白信号Ca2+IP3促进钙释放，钙离子激活钙调蛋白和蛋白激酶C调节细胞功能级联MAPK生长因子激活Ras-Raf-MEK-ERK级联，调节细胞增殖和分化这些信号通路相互交叉形成复杂的调控网络cAMP-PKA通路主要调节糖代谢，磷酸化关键代谢酶改变其活性钙信号参与肌肉收缩、神经传递和基因表达调控MAPK通路将胞外刺激传递到细胞核，调节转录因子活性和基因表达，在细胞命运决定中发挥关键作用。