培训资料-生物化学与分子生物学课件精华

生物化学与分子生物学课件精华本培训资料汇集了生物化学与分子生物学领域的核心知识精粹，采用50页结构化讲解模式，系统覆盖从基础理论到前沿应用的完整知识框架课程内容涵盖生物大分子结构功能、代谢调控机制、基因表达调控以及现代分子生物学实验技术等重要领域课程导言12学科发展历程学科地位与研究方向生物化学与分子生物学从19世作为生命科学的核心学科，生纪末的生物化学萌芽，到20世物化学与分子生物学为医学、纪中期分子生物学的确立，再农业、环境等领域提供重要理到21世纪基因组学时代的到来，论支撑当前主要研究方向包经历了从定性到定量、从静态括结构生物学、功能基因组学、到动态的重大转变Watson和蛋白质组学、代谢组学以及合Crick发现DNA双螺旋结构标成生物学等前沿领域志着分子生物学时代的开启2025年实际应用案例基本概念与研究对象生物分子的定义与类型分子层面理解生命活动生物分子是构成生命体的基本化学组成单位，主要包括蛋白分子生物学的核心理念是从分子层面解析生命现象的本质机质、核酸、碳水化合物和脂类四大类这些分子通过特定的制通过研究DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的结构和化学键和相互作用维持生命体的结构与功能蛋白质承担催功能，我们能够深入理解遗传、发育、衰老、疾病等复杂生化、结构和调控功能，核酸储存和传递遗传信息命过程的分子基础每类生物分子都具有独特的化学性质和生物学功能碳水化现代分子生物学技术使我们能够在单分子水平观察和操作生合物主要提供能量和结构支撑，脂类参与膜结构构建和信号物过程从基因克隆到蛋白质结构解析，从基因编辑到合成传导这些分子在细胞内形成复杂的相互作用网络，共同维生物学，这些技术革新不断推动着我们对生命本质认识的深持生命活动的有序进行化分子生物学与生物化学的关系交叉融合的研究模式生物化学基础分子生物学侧重于基因结构功能和表2研究生物分子的化学性质和代谢过程达调控整体生物学应用细胞水平整合共同服务于理解完整生物体的生命活两学科在细胞生物学层面实现有机结动合生物化学与分子生物学虽然研究侧重点不同，但在现代生命科学研究中已经高度融合生物化学为分子生物学提供了坚实的化学基础，而分子生物学的发展又极大地丰富了生物化学的研究内容和方法这种交叉融合催生了结构生物学、化学生物学等新兴交叉学科，推动着生命科学的快速发展生物大分子简介蛋白质核酸由氨基酸组成的复杂分子，具包括DNA和RNA，是遗传信息有催化、结构、运输、防御等的载体DNA储存遗传信息，多种功能蛋白质的三维结构RNA参与基因表达过程核酸决定其功能特异性，是生命活的碱基配对原则是分子生物学动的主要执行者酶作为特殊的基础，决定了遗传信息的准的蛋白质，催化几乎所有的生确传递和表达化反应碳水化合物与脂类碳水化合物主要提供能量，参与细胞识别和信号传导脂类构成生物膜的主要成分，参与能量储存和信号传导这两类分子虽然结构相对简单，但在生命活动中发挥着不可替代的作用蛋白质的结构与功能四级结构1多个多肽链的空间组装三级结构多肽链的三维空间折叠二级结构α螺旋和β折叠片层一级结构氨基酸序列排列蛋白质结构的层次性组织体现了结构与功能的密切关系一级结构决定高级结构，而三维结构直接决定蛋白质的生物学功能酶的催化活性依赖于活性中心的精确几何构型，抗体的特异性识别需要互补决定区的空间匹配蛋白质折叠异常往往导致严重疾病，如阿尔茨海默病中的淀粉样蛋白聚集现代结构生物学技术如X射线晶体学和冷冻电镜为蛋白质结构解析提供了强有力的工具核酸的结构与功能DNA双螺旋反向平行双链结构，碱基配对稳定RNA单链可形成复杂二级三级结构信息存储遗传密码的载体和传递媒介基因表达转录翻译过程的核心分子DNA的双螺旋结构为遗传信息的稳定存储和准确复制提供了分子基础Watson-Crick碱基配对规则确保了遗传信息传递的准确性RNA虽然结构相对不稳定，但正是这种灵活性使其能够承担转录、翻译、剪接、调控等多种功能近年来发现的各类非编码RNA如microRNA、lncRNA等，极大地拓展了我们对RNA功能的认识碳水化合物与脂类碳水化合物的多重角色脂类的结构与功能特性碳水化合物不仅是细胞的主要能量来源，还参与细胞表面识脂类分子具有独特的两亲性质，使其能够形成生物膜结构别、细胞间通讯等重要生物学过程葡萄糖是最重要的单磷脂是细胞膜的主要组成成分，维持膜结构的完整性和流动糖，通过糖酵解和三羧酸循环为细胞提供ATP复合糖如糖性胆固醇调节膜的流动性，也是类固醇激素的前体蛋白和糖脂在细胞识别中发挥关键作用纤维素、淀粉等多糖具有重要的结构功能肝糖原和肌糖原脂肪酸可分为饱和和不饱和两类，其结构差异影响膜的物理是动物体内重要的能量储存形式，能够在需要时快速动员为性质必需脂肪酸如亚油酸、亚麻酸必须从食物中获取脂葡萄糖糖类代谢异常与糖尿病等代谢疾病密切相关类还参与信号传导，如前列腺素、白细胞三烯等脂类信号分子在炎症反应中发挥重要作用酶学基础酶的分类与命名国际酶学委员会将酶分为六大类氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶每种酶都有系统命名和习用名，如己糖激酶催化葡萄糖磷酸化反应酶促反应动力学米氏方程描述了酶促反应的动力学特性，Km值反映酶对底物的亲和力，Vmax表示最大反应速率竞争性、非竞争性和反竞争性抑制是酶抑制的三种主要类型影响酶活性的因素温度、pH、离子强度等环境因素显著影响酶活性酶具有最适温度和最适pH，偏离这些条件会导致酶活性下降甚至失活变性剂和重金属离子也会抑制酶活性生物能量学基础ATP生成能量释放通过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸ATP水解释放能量驱动细胞活动化产生能量平衡ADP回收维持细胞能量供需动态平衡ADP重新磷酸化形成ATPATP被誉为细胞的能量货币，其高能磷酸键的水解能够为各种生物学过程提供所需能量细胞通过精密的能量偶联机制，将放能反应与吸能反应相结合，实现能量的高效利用线粒体作为细胞的动力工厂，通过电子传递链和ATP合酶产生大量ATP，满足细胞的能量需求物质代谢总览糖类代谢糖酵解途径将葡萄糖分解产生ATP和丙酮酸，三羧酸循环进一步氧化丙酮酸产生还原当量糖异生途径从非糖物质合成葡萄糖，维持血糖稳定戊糖磷酸途径为细胞提供NADPH和核糖脂类代谢脂肪酸β氧化在线粒体中进行，产生大量ATP脂肪酸合成主要在胞质中进行，需要乙酰辅酶A和NADPH胆固醇代谢涉及复杂的调控机制，与心血管疾病密切相关蛋白质代谢氨基酸通过转氨基和脱氨基反应参与代谢氨基酸既可以用于蛋白质合成，也可以转化为糖类或脂类氮代谢产物氨在肝脏中转化为尿素排出体外，维持氮平衡糖酵解与有氧呼吸糖酵解途径葡萄糖在胞质中经过十步酶反应分解为两分子丙酮酸，净产生2分子ATP和2分子NADH关键调节酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶这一过程在无氧条件下也能进行，是细胞获得快速能量的重要途径柠檬酸循环丙酮酸进入线粒体后转化为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环每轮循环产生3分子NADH、1分子FADH

2、1分子GTP和2分子CO2异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是关键调节点氧化磷酸化NADH和FADH2在电子传递链中氧化，释放的能量用于ATP合成理论上每分子葡萄糖可产生38分子ATP，实际产量约为30-32分子ATP合酶利用质子梯度驱动ATP合成，体现了化学渗透理论三羧酸循环与氧化磷酸化代谢网络核心三羧酸循环是糖类、脂类、蛋白质代谢的共同通路，乙酰辅酶A是连接各代谢途径的关键代谢物循环中的中间产物可作为合成反应的原料还原当量转移NADH和FADH2携带的电子通过复合体I、III、IV传递给氧气，形成水电子传递伴随质子从线粒体基质泵入膜间隙，建立电化学梯度ATP合成机制ATP合酶利用质子梯度的能量催化ADP磷酸化生成ATPF0部分形成质子通道，F1部分含有催化位点，两者协调工作实现能量转换调控机制ATP/ADP比值、NADH/NAD+比值、柠檬酸等代谢物对关键酶进行变构调节胰岛素、胰高血糖素等激素通过磷酸化修饰调节酶活性脂肪酸代谢β-氧化过程详解合成与分解调控脂肪酸首先在胞质中活化为脂酰辅酶A，通过肉碱穿梭系统脂肪酸合成主要在胞质中进行，以乙酰辅酶A为原料，需要进入线粒体β氧化循环包括氧化、水化、再氧化、硫解四NADPH提供还原力乙酰辅酶A羧化酶是脂肪酸合成的限速个步骤，每轮循环产生1分子乙酰辅酶A、1分子FADH2和1分酶，受到柠檬酸激活、棕榈酰辅酶A抑制子NADH激素水平显著影响脂肪酸代谢胰岛素促进合成、抑制分16碳的棕榈酸完全氧化可产生129分子ATP，远超葡萄糖的解；胰高血糖素和肾上腺素促进分解、抑制合成长期饥饿能量产出不饱和脂肪酸和奇数碳脂肪酸的氧化需要额外的时，肝脏产生酮体为大脑等器官提供替代能源脂肪酸代谢酶参与β氧化受到丙二酰辅酶A的抑制，实现脂肪酸合成与异常与肥胖、糖尿病等代谢综合征密切相关分解的协调调节蛋白质与氨基酸代谢转氨基与脱氨基反应氮平衡机制转氨酶催化氨基酸与α-酮健康成人维持氮平衡状酸之间的氨基转移，是氨态，摄入氮等于排出氮基酸代谢的核心反应ALT正氮平衡见于生长期、妊和AST是临床上重要的肝功娠期，负氮平衡见于饥能指标脱氨基反应产生饿、疾病状态必需氨基氨和相应的α-酮酸，氨在酸必须从食物获取，非必肝脏中通过尿素循环转化需氨基酸可在体内合成为尿素代谢疾病实例苯丙酮酸尿症是苯丙氨酸羟化酶缺陷导致的遗传病，患者需要限制苯丙氨酸摄入同型半胱氨酸血症与心血管疾病风险增加相关氨基酸代谢异常还可导致智力发育障碍等严重后果核酸代谢嘌呤生物合成核酸分解代谢嘌呤核苷酸从头合成需要10步酶反应，以磷酸核糖为骨架逐步构建嘌呤环关键调节嘌呤最终代谢产物是尿酸，嘧啶分解为β-丙氨酸和β-氨基异丁酸尿酸在人体内浓度酶包括磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶补救合成途径通过HPRT酶重新利用嘌呤碱基较高，可作为抗氧化剂，但过量会导致痛风嘧啶生物合成嘧啶合成先形成嘧啶环再与磷酸核糖结合氨基甲酰磷酸合成酶II是限速酶，受ATP激活、UTP抑制胸苷酸合成需要叶酸参与，是抗癌药物的重要靶点痛风是由于尿酸代谢异常导致的疾病，血清尿酸水平升高，尿酸盐在关节等部位沉积引起炎症反应黄嘌呤氧化酶抑制剂如别嘌呤醇是治疗痛风的有效药物，通过抑制尿酸生成降低血尿酸水平分子生物学基础核酸分离纯化PCR扩增技术电泳分析方法DNA和RNA的提取是聚合酶链反应是DNA凝胶电泳根据分子大分子生物学实验的基体外扩增的核心技小分离DNA、RNA和础步骤基因组DNA术，包括变性、退蛋白质琼脂糖凝胶提取需要破碎细胞火、延伸三个步骤适合大片段核酸分壁、去除蛋白质和实时荧光定量PCR可析，聚丙烯酰胺凝胶RNA质粒DNA提取实现DNA定量检测分辨率更高毛细管利用碱裂解法破坏细逆转录PCR用于RNA电泳自动化程度高，菌细胞RNA提取需分析数字PCR提供是DNA测序的标准方要在RNase-free环境绝对定量结果法中进行，防止RNA降解的复制DNA双链解开DNA解旋酶打开双螺旋结构，形成复制叉单链结合蛋白稳定解开的单链DNA，防止重新结合拓扑异构酶缓解超螺旋张力引物合成DNA聚合酶需要3-OH基团才能开始合成，引物酶合成RNA引物提供起始点引物长度约10个核苷酸，为DNA合成提供必需的3-OH基团连续与不连续合成前导链连续合成，滞后链不连续合成形成冈崎片段DNA聚合酶I去除RNA引物并填补空隙，DNA连接酶连接片段校对功能确保复制准确性复制完成端粒酶解决线性染色体末端复制问题复制叉相遇后形成两个完整的DNA分子半保留复制模式确保遗传信息的准确传递给子代细胞基因表达机制总览转录过程RNA加工1RNA聚合酶以DNA为模板合成RNA，真核mRNA经历5帽子、3多聚A尾添2包括起始、延伸、终止三个阶段加和内含子剪接多层调控翻译合成转录、转录后、翻译、翻译后修饰等核糖体读取mRNA密码子，tRNA携带多水平精密调控氨基酸合成蛋白质基因表达是一个高度协调的过程，从基因到功能蛋白质涉及多个步骤的精密调控表观遗传修饰、转录因子、非编码RNA等调控因子共同作用，确保基因在正确的时间、地点以适当的水平表达这种精密的调控网络是细胞分化、发育和适应环境变化的分子基础真核与原核基因表达差异原核基因特征真核基因复杂性原核基因组结构相对简单，基因紧密排列，存在操纵子结真核基因含有内含子和外显子，转录产物需要经过复杂的加构转录和翻译在时空上偶联进行，mRNA无需加工可直接工过程启动子、增强子、沉默子等调控序列分布在基因的翻译调控主要在转录水平，通过激活蛋白和阻遏蛋白调节不同区域，形成复杂的调控网络选择性剪接增加了蛋白质基因表达多样性乳糖操纵子是经典的负调控实例，在葡萄糖缺乏、乳糖存在真核基因调控更加复杂，涉及染色质重塑、DNA甲基化、组时激活色氨酸操纵子则是正调控的典型例子，通过弱化子蛋白修饰等表观遗传机制转录因子与增强子的相互作用可机制实现精细调节原核基因调控反应迅速，适应环境变跨越很长距离microRNA等非编码RNA参与转录后调控，化进一步增加了调控的复杂性转录过程详解转录起始RNA聚合酶II识别启动子区域的TATA盒等元件，在转录因子协助下形成转录起始复合物通用转录因子TFIID、TFIIB等参与基础转录机器的组装启动子强度和特异性转录因子决定转录效率转录延伸RNA聚合酶沿DNA模板链移动，合成新生RNA链转录泡随聚合酶移动，保持约20个碱基对的解开区域转录延伸因子调节聚合酶的暂停和重新启动，影响转录效率和准确性转录终止与RNA加工真核基因转录终止涉及多聚腺苷化信号序列的识别新生mRNA经历5加帽、3多聚A尾添加和内含子剪接剪接体识别剪接位点，精确去除内含子选择性剪接产生不同的mRNA亚型翻译过程详解1核糖体结构组成真核核糖体80S由60S大亚基和40S小亚基组成大亚基含有肽基转移酶活性中心，小亚基负责mRNA结合和密码子识别rRNA是核糖体的催化核心，蛋白质主要起结构支撑作用翻译起始机制小亚基结合mRNA的5UTR，寻找起始密码子AUG起始tRNAMet-tRNAi携带甲硫氨酸进入P位点起始因子eIF4E识别5帽结构，eIF4G作为支架蛋白3翻译延伸过程连接5和3端，形成闭合环路氨酰tRNA在延伸因子eEF1A协助下进入A位点肽键形成后，肽基tRNA转位到P位点，脱酰tRNA移至E位点eEF2催化核糖体转位，循环进行直至遇到终翻译终止释放止密码子终止因子eRF1识别终止密码子UAG、UAA、UGA，催化肽链从tRNA上释放eRF3协助终止过程核糖体亚基解离，可重新参与新一轮翻译多聚核糖体提高翻译效率基因变异与突变点突变类型结构变异点突变包括转换（嘌呤间或嘧啶插入、缺失可导致移码突变，改间替换）和颠换（嘌呤与嘧啶间变下游所有密码子的读码框大替换）同义突变不改变氨基片段重排包括倒位、易位、重复酸，错义突变导致氨基酸改变，等拷贝数变异影响基因表达水无义突变产生终止密码子突变平染色体异常如非整倍体与多的表型效应取决于氨基酸性质变种遗传病相关化和在蛋白质中的位置镰刀型细胞贫血机制β-珠蛋白基因第6密码子GAG→GTG突变，导致谷氨酸被缬氨酸替代HbS在缺氧时聚合变形，红细胞呈镰刀状，导致溶血性贫血、血管阻塞等症状这是单基因病的经典实例，展示了一个碱基变化的严重后果遗传信息的流动DNA复制遗传信息在细胞分裂时准确传递给子代转录过程DNA遗传信息转录到RNA分子中翻译合成RNA信息翻译成蛋白质执行生物功能逆转录某些病毒RNA可逆转录为DNA整合到宿主基因组中心法则揭示了生物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稳定传递和精确表达逆转录酶的发现拓展了中心法则，HIV等逆转录病毒利用这一机制感染宿主细胞表观遗传修饰虽不改变DNA序列，但能调节基因表达，代表了另一种信息传递形式现代基因工程技术正是基于对中心法则的深入理解而发展起来的基因调控机制表观遗传调控1染色质重塑和组蛋白修饰转录调控启动子、增强子、转录因子转录后调控mRNA剪接、microRNA调控翻译后修饰4磷酸化、泛素化等蛋白修饰基因调控是一个多层次、多维度的复杂网络DNA甲基化和组蛋白修饰构成表观遗传调控的基础，可在不改变DNA序列的情况下稳定地调节基因表达转录因子与DNA调控元件的特异性结合决定了基因的表达模式microRNA通过与mRNA的3UTR结合调节翻译效率蛋白质翻译后修饰进一步调节其活性、定位和稳定性，形成完整的调控链条分子生物学实验教学高校实验体系简介实验记录与规范吉林大学等重点高校建立了完善的分子生物学实验教学体规范的实验记录是科学研究的基本要求实验记录应包括实系，涵盖基础实验、综合实验和创新实验三个层次基础实验目的、原理、材料、方法、结果和分析等完整内容记录验包括DNA提取、PCR扩增、凝胶电泳等核心技术综合实要求字迹清晰、数据准确、图表规范实验过程中的异常现验整合多种技术解决具体问题，如基因克隆和蛋白表达象和处理方法都应详细记录实验安全是首要考虑因素，严格遵守实验室安全规范正确创新实验鼓励学生独立设计实验方案，培养科研思维和创新使用防护用品，规范操作危险试剂和设备废物分类处理，能力实验室配备先进仪器设备，如实时荧光定量PCR仪、避免环境污染建立实验记录档案，便于数据查阅和实验重DNA测序仪、蛋白质纯化系统等师资力量雄厚，实验指导现培养严谨的科学态度和良好的实验习惯教师具有丰富的科研和教学经验技术原理与应用PCR变性阶段退火阶段94-98°C高温使DNA双链解开，暴露单50-65°C使引物与模板特异性结合链模板循环重复延伸阶段25-40个循环实现目标序列指数级扩增372°C最适温度下DNA聚合酶合成新链PCR技术革命性地改变了分子生物学研究，使微量DNA的体外扩增成为可能在医学诊断中，PCR广泛用于病原体检测、遗传病筛查、肿瘤标志物检测等新冠病毒核酸检测就是PCR技术的典型应用，通过检测病毒特异性基因片段快速诊断感染实时荧光定量PCR不仅能扩增DNA，还能实现定量分析，在基因表达研究中发挥重要作用基因克隆与重组技术DNA限制酶切割限制性内切酶识别特定DNA序列并切割，产生黏性末端或平末端EcoRI、BamHI、HindIII等是常用的限制酶选择合适的酶切位点确保目标基因完整切出载体选择质粒载体如pUC系列适合基因克隆，λ噬菌体载体适合大片段DNA载体应具有复制起点、选择标记和多克隆位点根据目标基因大小和表达需求选择合适载体连接转化DNA连接酶将目标基因与载体连接形成重组质粒转化过程将重组质粒导入宿主细胞电转化、化学转化、热休克等方法提高转化效率筛选鉴定通过抗生素抗性、蓝白斑筛选等方法筛选阳性克隆PCR验证、酶切分析、DNA测序确认重组成功建立稳定的重组菌株用于后续研究电泳技术与分析琼脂糖凝胶电泳适用于DNA片段分离，凝胶浓度影响分辨率

0.8%凝胶适合大片段（1-20kb），2%凝胶适合小片段（

0.1-3kb）溴化乙锭染色可在紫外灯下观察DNA条带，现多使用更安全的SYBR Green等染料聚丙烯酰胺凝胶提供更高的分辨率，适合蛋白质分离和小片段DNA分析SDS-PAGE用于蛋白质分子量测定，Native-PAGE保持蛋白质天然构象凝胶浓度和交联度影响分离效果，需根据目标分子选择毛细管电泳自动化程度高，分辨率极佳，是DNA测序的标准方法毛细管内径细，散热好，可使用高电压提高分离速度荧光检测系统实现多色检测，适合多重PCR产物分析和片段长度多态性分析生物信息学初探基因组测序与分析生物学数据库高通量测序技术使全基因组测NCBI、EBI、DDBJ构成国际核序成为常规手段Illumina、酸序列数据库联盟GenBankPacBio、Nanopore等平台各收录基因序列，PDB存储蛋白有优势测序数据需要经过质质结构，KEGG提供代谢通路信控、比对、变异检测等分析流息这些数据库为生物学研究程基因组注释识别编码序列、提供丰富的参考资源调控元件等功能区域分析工具与软件BLAST进行序列相似性搜索，是使用最广泛的生物信息学工具ClustalW/MUSCLE用于多序列比对，MEGA进行系统发育分析R/Bioconductor、Python/Biopython为数据分析提供强大的编程环境真核细胞信号转导信号分子识别激素、生长因子、细胞因子等信号分子与细胞表面或胞内受体特异性结合配体-受体结合具有高度特异性和敏感性，微摩尔级浓度即可引发显著生物学效应2信号级联放大受体激活触发胞内信号级联反应，包括第二信使产生、蛋白激酶激活等信号分子逐级放大，一个信号分子可激活数百个下游分子，实现信号放大3MAPK通路丝裂原激活蛋白激酶通路是重要的信号转导通路，参与细胞增殖、分化、凋亡等过程Ras-Raf-MEK-ERK是经典的MAPK级联，多种生长因子通过此通路发挥作用JAK/STAT通路Janus激酶/信号转导和转录激活因子通路主要介导细胞因子信号JAK激酶磷酸化STAT蛋白，磷酸化的STAT形成二聚体转位入核，调节目标基因转录生物大分子相互作用配体-受体作用模式蛋白-蛋白作用研究配体与受体的相互作用遵循锁钥模型或诱导契合模型结合蛋白质相互作用网络是细胞功能的基础酵母双分子杂交系亲和力用解离常数Kd表示，Kd越小表示亲和力越强配体统是研究蛋白相互作用的经典方法，利用转录激活因子的结结合引起受体构象变化，激活下游信号通路变构调节是重构域分离原理检测蛋白间相互作用免疫共沉淀通过抗体沉要的调控机制，调节分子结合到受体的别构位点影响配体结淀目标蛋白及其结合伙伴合荧光共振能量转移（FRET）可在活细胞中实时监测蛋白相激素-受体相互作用是典型实例胰岛素与受体结合激活酪互作用质谱技术结合亲和纯化可鉴定蛋白复合物的组成氨酸激酶活性，启动复杂的信号转导网络受体脱敏机制防蛋白芯片技术实现高通量的相互作用筛选这些技术的发展止信号过度激活，通过受体磷酸化、内化等方式调节信号强极大推进了蛋白质组学研究度和持续时间。