《生物化学原理》课件

生物化学原理生物化学是运用化学原理研究生命现象本质的科学，通过探索生物分子的结构与功能，揭示生命活动的奥秘它不仅是理解生命过程的基础，也是现代生物技术和医学发展的重要支柱本课程将深入剖析蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物大分子的结构特点与生物学功能，系统讲解各种代谢途径的分子机制与调控网络通过学习生物化学原理，我们能够从分子水平理解生命的本质，为后续研究奠定坚实基础课程概述课程目标教材资源掌握生物大分子的结构与功主教材《生物化学》（王镜岩能，理解代谢途径的分子机主编），辅助参考书制，培养生物化学实验技能与《Lehninger生物化学原科学思维方法，能够运用生物理》，以及线上学习平台和实化学知识解释生命现象验指导手册评分标准平时成绩（30%）包括课堂表现、作业完成情况；实验成绩（20%）实验操作与报告；期中考试（20%）；期末考试（30%）本课程注重理论与实践相结合，通过课堂讲授、实验操作、小组讨论等多种教学方式，帮助学生系统掌握生物化学的基本原理和研究方法，培养科学思维能力和创新精神第一章生物化学绪论生物化学的定义研究对象学科交叉生物化学是研究生物体内分子结构、性生物化学主要研究蛋白质、核酸、糖生物化学与分子生物学、细胞生物学、质及其相互作用的科学，它从化学角度类、脂类等生物大分子，以及它们在生遗传学等学科密切相关，同时与医学、阐释生命现象的本质生物化学通过研命过程中的代谢途径、能量转换和信息农学、环境科学等领域有广泛联系这究生物大分子的结构与功能，揭示生命传递从分子水平解析生命的奥秘是生种交叉融合推动了现代生命科学的快速活动的分子机制物化学的核心任务发展生物化学在现代生命科学中占据核心地位，是理解生命本质的基础学科它不仅促进了基础研究的深入，也为生物技术、医药开发和疾病治疗提供了理论依据和技术支持生物化学发展历史早期探索（世纪）18-191828年，维勒首次合成尿素，打破了有机物只能由生物体合成的观念；1897年，布赫纳发现无细胞发酵，证明生化反应可在细胞外进行经典时期（世纪前半叶）201926年，萨默发现酶是蛋白质；1953年，沃森和克里克解析DNA双螺旋结构，开启分子生物学时代；1955年，桑格测定胰岛素完整氨基酸序列现代生物化学（世纪后半叶）201961年，尼伦伯格破译遗传密码；1977年，基因测序技术出现；1985年，PCR技术发明；1990年，人类基因组计划启动，为生物化学研究带来革命性变化生物化学的发展历程中，诺贝尔奖成为标志重大突破的里程碑从埃米尔·费舍尔的糖类研究到詹妮弗·杜德纳的CRISPR基因编辑技术，诺贝尔化学奖和生理学或医学奖见证了生物化学的辉煌成就与深远影响细胞的分子组成蛋白质核酸占干重的50-60%占干重的15-20%•催化生化反应•存储遗传信息•提供结构支持•参与蛋白质合成水脂类•参与信号传导•调控基因表达占细胞总重量的65-90%占干重的10-15%•溶剂与反应介质•构成生物膜•参与多种生化反应•能量储存•维持细胞内环境稳定•信号分子23细胞中的主要元素包括碳、氢、氧、氮、磷和硫，它们以不同比例构成生物大分子除大分子外，细胞还含有各种小分子化合物，如离子、代谢中间产物和信号分子，共同维持细胞的正常生理功能第二章蛋白质化学

（一）蛋白质的基本功能蛋白质是生命活动的主要承担者，在细胞中执行多种关键功能作为酶，催化几乎所有生化反应；作为结构蛋白，维持细胞形态；作为运输蛋白，负责物质转运；作为免疫蛋白，参与机体防御；作为调节蛋白，控制基因表达与代谢平衡氨基酸的基本结构氨基酸是蛋白质的基本构建单位，标准氨基酸具有共同的结构特点中心α-碳原子连接一个氨基、一个羧基、一个氢原子和一个特定的侧链基团（R基）正是这个R基的差异，赋予了不同氨基酸独特的物理化学性质氨基酸的分类20种常见氨基酸根据侧链基团的性质可分为非极性（疏水性）、极性无电荷、带正电荷和带负电荷四大类这种分类反映了氨基酸在水环境中的行为特性，对理解蛋白质结构与功能的关系至关重要蛋白质是细胞中含量最丰富、功能最多样的生物大分子，由氨基酸通过肽键连接而成了解氨基酸的结构与性质，是认识蛋白质更高级结构与功能的基础蛋白质化学

（二）肽键结构特点平面结构、部分双键特性、反式构象多肽链形成2氨基酸脱水缩合，形成线性多肽链一级结构确定氨基酸排列顺序决定蛋白质特性肽键是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基通过脱水缩合反应形成的共价键肽键具有部分双键特性，导致其呈现刚性平面结构，通常采取反式构象这种结构特点对蛋白质的折叠与高级结构形成具有重要影响蛋白质一级结构是指多肽链中氨基酸残基的排列顺序，它是蛋白质所有高级结构与功能的基础测定蛋白质一级结构的方法包括埃德曼降解法、质谱分析和基因序列分析等蛋白质序列与功能的关系研究表明，序列相似性高的蛋白质往往具有相似的结构和功能蛋白质化学

（三）二级结构多肽链局部区域形成的规则排列方式，主要包括α-螺旋和β-折叠α-螺旋由氢键稳定，每转

3.6个氨基酸残基；β-折叠由相邻链段间的氢键连接，呈平行或反平行排列三级结构整个多肽链在三维空间的折叠构象，由多种非共价相互作用力稳定这些力包括氢键、疏水相互作用、离子键、范德华力和二硫键等，共同决定蛋白质的空间结构与功能特性四级结构由多条多肽链（亚基）通过非共价键相互作用形成的复合体如血红蛋白由四个亚基组成，协同运输氧气；多酶复合体中，各亚基协同催化多步反应，提高代谢效率蛋白质结构的层次性反映了其复杂的空间组织方式，从一级结构的线性序列到四级结构的复合体，每一层次都对蛋白质的功能发挥至关重要结构与功能的密切关系是蛋白质化学研究的核心内容蛋白质化学

（四）分离与纯化技术结构测定方法•盐析法利用蛋白质溶解度差异•X射线晶体衍射解析原子级分辨率结构•色谱法凝胶过滤、离子交换、亲和色谱•核磁共振波谱研究溶液中蛋白质构象•电泳技术SDS-PAGE、等电聚焦、二维电泳•冷冻电镜技术分析大型蛋白质复合物•超速离心基于沉降系数分离蛋白质•圆二色谱测定二级结构含量蛋白质组学研究•高通量蛋白质鉴定技术•蛋白质相互作用网络分析•翻译后修饰与功能调控研究•比较蛋白质组学与疾病标志物蛋白质分离纯化与结构测定是研究蛋白质功能的基础随着技术的进步，我们能够更快速、更精确地获取蛋白质的结构信息蛋白质组学的兴起，使科学家能够系统研究细胞中全部蛋白质的表达、修饰与相互作用，为疾病诊断与治疗提供新思路第三章核酸化学

（一）核酸的发现历史1869年，米歇尔从白细胞中分离出核素核苷酸基本结构由碱基、五碳糖和磷酸基团构成与的差异DNA RNA糖类、碱基组成和结构特点的区别核酸的发现历程反映了生物化学研究方法的演变从米歇尔最初发现含磷的酸性物质，到莱文斯确定核酸的基本组成，再到沃森和克里克解析DNA双螺旋结构，核酸研究逐步揭示了遗传物质的本质核苷酸是核酸的基本构建单位，由三部分组成含氮碱基（嘌呤或嘧啶）、五碳糖（脱氧核糖或核糖）和磷酸基团DNA中的碱基包括腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T；而RNA中T被尿嘧啶U替代DNA含有2-脱氧核糖，RNA含有核糖，这是两种核酸在化学组成上的主要区别核酸化学

（二）双螺旋基本特征碱基配对原则1两条多核苷酸链通过碱基配对形成右手螺旋，A与T通过两个氢键配对，G与C通过三个氢键碱基对位于内侧，糖-磷酸骨架在外侧配对，确保碱基互补性染色质结构超螺旋DNADNA与组蛋白形成核小体，进一步折叠压缩成DNA双链在空间进一步扭曲，形成正超螺旋或高级染色质结构负超螺旋，影响DNA的复制和转录DNA双螺旋结构的发现是20世纪生物学最重要的突破之一沃森和克里克提出的模型揭示了DNA结构的基本特征两条多核苷酸链围绕共同轴线盘旋，形成直径约2nm的右手螺旋每个完整螺旋包含10个碱基对，上升

3.4nmDNA拓扑异构酶能够改变DNA的超螺旋状态，在DNA复制、转录和修复过程中发挥重要作用DNA在细胞核中高度压缩，形成染色质结构染色质的基本单位是核小体，由DNA缠绕组蛋白八聚体形成这种结构既便于DNA的紧凑包装，又保证了遗传信息的可及性和表达调控核酸化学

（三）的主要类型非编码研究进展RNA RNA•信使RNA mRNA携带遗传信息，指•长链非编码RNA lncRNA的功能多样导蛋白质合成性•转运RNA tRNA运送氨基酸至核糖•环状RNA circRNA的稳定性与调控作体用•核糖体RNA rRNA构成核糖体结构•RNA干扰技术及其应用•小核RNA snRNA参与RNA剪接过程•RNA修饰与表观转录组学•微小RNA miRNA调控基因表达核酸理化性质•吸光特性260nm处有特征吸收峰•热变性高温导致双链解离•酸碱性质磷酸基团呈酸性•酶切特性核酸酶特异性水解RNA比DNA结构更为多样，能形成复杂的三维结构，包括茎环、假结和四叶草等结构元件这些结构特点使RNA不仅能携带遗传信息，还能执行催化功能（如核酶）和调控功能近年来，非编码RNA研究取得重大进展，揭示了它们在基因表达调控、细胞分化和疾病发生中的重要作用核酸化学

（四）核酸杂交技术基因组测序技术核酸研究应用基于碱基互补配对原理，利用标记的核酸探针检测从Sanger测序到高通量测序，再到第三代单分子核酸技术广泛应用于基因诊断、疫苗开发、基因治特定序列应用包括Southern印迹、Northern印测序，测序技术不断革新，读长更长、精度更高、疗和农作物改良等领域，展现出巨大的应用前景和迹、原位杂交和DNA芯片等成本更低，推动了个体化医疗的发展经济价值核酸杂交技术是分子生物学研究的基础工具，它利用单链核酸与互补序列特异性结合的原理，实现对特定基因或转录本的检测杂交条件的严格程度（温度、盐浓度等）决定了杂交的特异性，可根据研究需要进行调整基因组测序技术的进步彻底改变了生物学研究方式人类基因组计划完成后，全基因组关联分析、功能基因组学和比较基因组学蓬勃发展核酸研究的应用已从实验室走向临床和产业，CRISPR基因编辑、mRNA疫苗等技术展现出解决人类健康和环境问题的潜力第四章糖类的结构与功能

（一）多糖由多个单糖通过糖苷键连接形成的高分子寡糖含2-10个单糖单位的糖类分子单糖最简单的糖类，不能水解为更小的糖分子单糖是糖类的基本单位，按照含碳原子数可分为丙糖、戊糖、己糖等根据羰基位置，又可分为醛糖和酮糖单糖分子中含有多个手性中心，因此存在多种立体异构体如葡萄糖和半乳糖都是C-4位置的表/里异构体，它们在生物体内的代谢途径和功能各不相同寡糖是由少数几个单糖通过糖苷键连接而成的化合物，如蔗糖（葡萄糖和果糖）、麦芽糖（两个葡萄糖）和乳糖（葡萄糖和半乳糖）多糖则是由大量单糖重复单位构成的高分子，如储能多糖（淀粉、糖原）和结构多糖（纤维素、几丁质）多糖的结构多样性使其在生物体内发挥多种功能糖类的结构与功能

（二）细胞表面糖类糖蛋白结构特点细胞表面覆盖着复杂的糖类分子层，称为糖萼这些糖类以糖蛋糖蛋白是蛋白质与寡糖共价结合形成的复合物根据糖链与蛋白白和糖脂的形式存在，参与细胞间识别、信号传导和免疫应答等质连接方式，分为N-连接型（通过天冬酰胺侧链）和O-连接型过程ABO血型抗原就是一种糖类抗原，其结构差异决定了不同（通过丝氨酸或苏氨酸侧链）糖基化修饰影响蛋白质的折叠、血型稳定性和功能•细胞黏附与迁移•分泌蛋白多为糖蛋白•病原体识别与结合•糖链结构高度多样化•免疫系统调节•糖基化在内质网和高尔基体进行糖生物学是近年来发展迅速的研究领域随着分析技术的进步，科学家能够更精确地解析复杂糖链结构，研究糖组学（Glycomics）成为可能糖链修饰异常与多种疾病相关，如先天性糖基化紊乱和某些肿瘤糖工程学的发展为设计新型药物和疫苗提供了可能性第五章脂类和生物膜

（一）脂质的分类脂肪酸特性复杂脂质结构脂质是一类溶于有机溶剂而不溶于水脂肪酸是由碳氢链和一个羧基组成的甘油脂由甘油和脂肪酸酯化形成；磷的生物分子，可分为简单脂（如脂长链脂肪族酸根据碳链长度和不饱脂含有磷酸基团，是生物膜的主要成肪、蜡）、复合脂（如磷脂、糖和度，分为短链/长链、饱和/不饱和分；类固醇由四个相连的环状结构组脂）、固醇类（如胆固醇）和衍生脂脂肪酸顺式不饱和脂肪酸使碳链呈成，如胆固醇是动物细胞膜的重要组（如脂溶性维生素、前列腺素）等弯曲状，影响脂质的物理性质分，也是多种激素的前体脂质在生物体内具有多种重要功能作为生物膜的结构基础，提供机械保护和选择性通透屏障；储存能量，每克脂肪氧化可产生约38kJ能量，是碳水化合物的两倍多；作为信号分子，参与细胞信号传导；作为保温和缓冲材料，保护内部器官脂类和生物膜

（二）流动镶嵌模型生物膜由脂质双分子层构成，其中镶嵌着蛋白质分子脂质分子和某些膜蛋白可在膜平面内自由流动，赋予膜的流动性这种流动性对膜的功能至关重要，受温度、脂质组成和胆固醇含量影响膜蛋白类型膜蛋白根据与脂双层的结合方式分为外周蛋白（通过非共价键与膜表面结合）和内在蛋白（嵌入或贯穿脂双层）跨膜蛋白通常含有α-螺旋或β-桶状结构的跨膜区，能够穿过整个脂双层膜转运与信号膜蛋白执行多种功能作为通道或载体蛋白，介导物质转运；作为受体蛋白，接收外界信号并转导至细胞内；作为酶，催化膜相关的生化反应；作为细胞黏附分子，介导细胞间或细胞与基质间的相互作用生物膜的不对称性是其重要特点，内外两侧的脂质和蛋白质组成不同这种不对称性对维持膜的稳定性和功能至关重要脂质分子的侧向运动比跨膜翻转更为容易，后者通常需要特定的酶（如磷脂翻转酶）辅助完成脂类和生物膜

（三）脂筏是生物膜中富含胆固醇和鞘脂的微区域，流动性低于周围磷脂区域这些微区域聚集特定的膜蛋白，形成功能性信号平台，参与信号转导、膜交通和细胞极性维持等过程脂筏在病毒感染和神经退行性疾病中也发挥重要作用膜融合是细胞内物质运输和细胞间通讯的基础过程，由SNARE蛋白等分子机器介导膜融合过程包括膜接触、半融合中间态形成和全融合等步骤，精确调控以确保物质定向运输研究生物膜的实验技术包括荧光恢复后漂白FRAP、单分子追踪、原子力显微镜和冷冻电镜等，这些技术帮助揭示膜结构与动态的分子细节第六章酶化学

（一）酶的概念酶的命名与分类酶的作用机制•酶是生物催化剂，绝大多数为蛋白质•通用名通常以-酶结尾，如淀粉酶、•锁钥模型酶与底物完全互补DNA聚合酶•能显著加速生化反应而不改变反应平衡•诱导契合模型底物结合诱导酶构象变•系统命名底物+催化反应类型+酶化•降低反应活化能，提供适宜的反应微环境•EC分类六大类（氧化还原酶、转移•过渡态稳定酶优先结合反应过渡态酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接•具有高效性、专一性和可调控性•活性中心负责识别和催化的关键区域酶）酶是生物体内化学反应的催化者，通过降低反应活化能使反应速率提高10^6-10^12倍与一般催化剂相比，酶的特点包括高效性（单个酶分子每秒可催化成千上万个底物分子转化）、专一性（精确识别特定底物）和温和条件下的高活性（生理pH和温度下高效工作）酶化学

（二）酶化学

（三）别构调节协同效应调节因子与酶的非活性中心结合，引起酶的构象多亚基酶中一个亚基与底物结合后，改变其他亚变化，影响活性中心与底物的亲和力基的构象和亲和力，如血红蛋白的氧结合基因表达调控共价修饰通过调控酶蛋白的合成和降解，改变酶的数量，通过磷酸化、糖基化等化学修饰改变酶的活性，实现长期调节实现快速可逆的调控酶活性的精确调控是生物体维持代谢平衡的关键机制别构酶通常具有多个亚基，呈现S型动力学曲线而非经典的双曲线经典例子是磷酸果糖激酶，它受ATP抑制和AMP激活，确保能量充足时减少糖酵解，能量不足时加速糖酵解共价修饰是另一种重要的酶活性调控方式最常见的是蛋白质磷酸化，由蛋白激酶催化，在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上添加磷酸基团这种修饰能迅速改变酶的空间构象和催化活性，是细胞响应外界信号的重要机制蛋白质磷酸酶则可去除磷酸基团，使调控可逆肝糖原磷酸化酶的激活与失活正是通过这种方式精确调控的酶化学

（四）辅酶与辅基多酶复合体许多酶需要非蛋白质组分参与催化，这些组分称为辅助因子辅多酶复合体是由多种不同酶分子形成的超分子结构，催化连续的助因子包括辅酶和辅基辅酶是可溶性的有机分子，如维生素衍多步反应这种结构组织使底物或中间产物能够高效地从一个酶生物NAD+、FAD、辅酶A等，它们可在反应中暂时接受或提供活性中心传递到另一个，减少了扩散限制和副反应的发生经典化学基团辅基则是与酶蛋白牢固结合的无机离子，如Zn2+、例子包括丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶复合体和蛋白质合Fe2+、Cu2+等，它们通常参与底物结合或催化成系统•NAD+/NADH参与氧化还原反应，接受或提供氢原子•提高反应效率减少中间产物扩散时间•辅酶A参与酰基转移反应•保护不稳定中间体避免与细胞环境接触•生物素参与羧基转移反应•实现代谢通道化防止中间产物外流酶工程是现代生物技术的重要分支，旨在改造天然酶或创造新酶以满足特定需求通过定点突变、定向进化和理性设计等方法，科学家可以改变酶的专一性、稳定性和催化效率酶的工业应用非常广泛，包括洗涤剂工业（蛋白酶、脂肪酶）、食品加工（淀粉酶、果胶酶）、制药工业（青霉素酰化酶）和分子生物学研究（限制性内切酶、DNA聚合酶）等领域第七章代谢总论与生物氧化

（一）代谢网络各代谢途径相互连接形成复杂调控网络代谢途径一系列连续的酶促反应构成特定代谢过程代谢反应单个生化反应是代谢的基本单位代谢是生物体内有序进行的所有化学反应的总和，可分为分解代谢（将复杂分子分解为简单分子，释放能量）和合成代谢（利用能量合成复杂分子）两大类代谢途径通常不是孤立的，而是通过关键中间产物相互连接，形成复杂的代谢网络代谢的共同特点包括有序性、可调控性和高效性ATP是生物体内最重要的能量货币，其高能磷酸键水解释放的能量驱动各种生化反应ATP的γ-磷酸键和β-磷酸键水解时，分别释放约

30.5kJ/mol和

32.2kJ/mol的自由能ATP与其水解产物ADP之间存在能量势差，这种能量势差使ATP能够在生物体内驱动许多不利反应电子传递链中的氧化还原反应涉及电子从高能态向低能态的转移，氧化还原电势差越大，释放的能量越多代谢总论与生物氧化

（二）线粒体结构线粒体具有双层膜结构外膜通透性较高，内膜高度折叠形成嵴，增大表面积内膜上镶嵌着电子传递链复合体和ATP合成酶基质中含有TCA循环酶系、DNA和核糖体电子传递链由四个大型蛋白质复合体和两个电子载体辅酶Q和细胞色素c组成NADH和FADH2将电子输入链中，通过一系列氧化还原反应，最终传递给氧分子，生成水氧化磷酸化电子传递过程中，复合物I、III和IV将质子泵出内膜，形成质子梯度ATP合成酶利用质子回流的能量合成ATP，这一过程符合米切尔提出的化学渗透学说电子传递链中的各复合体具有不同功能复合物I（NADH脱氢酶）接受NADH的电子；复合物II（琥珀酸脱氢酶）接受FADH2的电子；复合物III（细胞色素bc1复合体）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）依次传递电子至最终受体氧特定抑制剂可阻断电子传递链中的特定步骤，如鱼藤酮抑制复合物I，抗霉素A抑制复合物III，氰化物抑制复合物IV代谢总论与生物氧化

（三）活性氧种的产生抗氧化防御系统线粒体功能障碍与疾病ROS•电子传递链中的电子泄漏•超氧化物歧化酶SOD超氧阴离子→过氧•神经退行性疾病帕金森病、阿尔茨海默病化氢•单电子还原氧生成超氧阴离子•代谢疾病糖尿病、肥胖症•超氧阴离子转化为过氧化氢和羟自由基•过氧化氢酶过氧化氢→水+氧•线粒体DNA突变相关疾病MELAS综合征•谷胱甘肽过氧化物酶有机过氧化物的清除•细胞呼吸中约1-3%氧转化为ROS•衰老过程线粒体理论•非酶抗氧化剂维生素C、维生素E、谷胱甘肽活性氧种是氧代谢的副产物，主要包括超氧阴离子O2•-、过氧化氢H2O2和羟自由基OH•这些分子高度活泼，能够攻击生物大分子，导致脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA损伤在正常生理状态下，细胞通过抗氧化系统维持ROS的平衡；当ROS产生过多或抗氧化能力下降时，会导致氧化应激，与多种疾病和衰老有关第八章糖代谢

（一）1预备阶段（投资阶段）葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸，消耗2ATP裂解阶段果糖-1,6-二磷酸裂解为两分子丙酮酸，产生4ATP和2NADH最终阶段有氧条件丙酮酸进入线粒体，经TCA循环进一步氧化；无氧条件丙酮酸转化为乳酸，再生NAD+糖酵解是细胞质中分解葡萄糖的主要途径，由十步酶促反应组成整个过程分为三个阶段预备阶段消耗能量，使葡萄糖活化并裂解为三碳化合物；裂解阶段产生能量，同时将NAD+还原为NADH；最终阶段的产物取决于氧气供应情况关键调控酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，它们催化的反应不可逆，是调控点糖酵解的能量产出每分子葡萄糖净产生2ATP和2NADH在有氧条件下，NADH可通过丙酮酸-乳酸穿梭系统将电子传入线粒体，进一步产生ATP；在无氧条件下，NADH通过还原丙酮酸为乳酸而再生NAD+，使糖酵解能够持续进行这种无氧代谢在高强度运动和缺氧条件下尤为重要糖代谢

（二）有氧与无氧糖代谢糖原代谢有氧条件下，丙酮酸转化为乙酰CoA进入TCA循环，每分子葡萄糖原是动物体内主要的碳水化合物储存形式，特别在肝脏和肌肉糖可产生约30-32ATP；无氧条件下，丙酮酸转化为乳酸，每分中含量丰富糖原合成由糖原合成酶催化，将UDP-葡萄糖的葡子葡萄糖仅产生2ATP有氧代谢效率高但速度慢，无氧代谢效萄糖残基转移到糖原分子上；糖原分解由糖原磷酸化酶催化，磷率低但速度快，两者在不同生理条件下相互补充酸解产生葡萄糖-1-磷酸这两个过程由激素（胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素）通过共价修饰和别构调节精密控制•有氧运动主要依赖有氧代谢•肝糖原维持血糖稳定•短时高强度运动主要依赖无氧代谢•肌糖原供应肌肉活动能量•长时间运动逐渐从碳水化合物转向脂肪酸氧化•糖原储存疾病源于代谢酶缺陷糖异生是从非碳水化合物前体（如乳酸、氨基酸、甘油）合成葡萄糖的过程，主要在肝脏和肾脏进行糖异生与糖酵解的方向相反，但不完全是糖酵解的逆转，其中三个不可逆步骤需要特定的糖异生酶催化在饥饿状态下，糖异生是维持血糖稳定的关键途径，由肾上腺皮质激素和胰高血糖素激活，胰岛素抑制糖代谢

（三）第九章脂类代谢

（一）脂肪动员脂肪酸活化脂肪细胞中甘油三酯在激素刺激下被脂肪酶水解，脂肪酸在细胞质膜上与CoA结合，形成脂酰CoA，释放脂肪酸和甘油消耗一个ATP氧化循环线粒体转运β-4脂酰CoA碳链每循环缩短两个碳原子，产生一分子肉碱协助长链脂酰CoA穿过线粒体内膜，进入基质乙酰CoAβ-氧化是脂肪酸主要的分解途径，每个循环包括四步酶促反应脱氢（FAD→FADH2）、加水、再脱氢（NAD+→NADH）和硫解（产生乙酰CoA）每个循环使脂肪酸碳链缩短两个碳原子，产生一分子FADH

2、一分子NADH和一分子乙酰CoA以棕榈酸（C16）为例，完全β-氧化需要7个循环，产生8个乙酰CoA、7个FADH2和7个NADH不饱和脂肪酸氧化需要额外的酶2,4-二烯酰CoA还原酶（处理顺式双键）和异构酶（将顺式双键转变为反式双键）奇数碳链脂肪酸氧化的最终产物除了乙酰CoA外，还有一分子丙酰CoA，后者转化为琥珀酰CoA进入TCA循环长链、中链和短链脂肪酸的氧化速率不同，这与它们进入线粒体的机制相关脂肪酸氧化产生大量能量，以棕榈酸为例，完全氧化可产生约106个ATP脂类代谢

（二）酮体生成在肝脏线粒体中，大量乙酰CoA通过三步反应转化为β-羟丁酸、乙酰乙酸和少量丙酮这一过程在禁食、低碳水化合物饮食或糖尿病时增强，当乙酰CoA产生超过TCA循环的氧化能力时发生酮体利用酮体经血液运输到外周组织，特别是大脑、心脏和骨骼肌在靶组织线粒体中，酮体转化回乙酰CoA，进入TCA循环氧化长期饥饿时，大脑可将酮体作为主要能源，减少对葡萄糖的依赖脂肪酸合成在细胞质中，乙酰CoA羧化为丙二酰CoA，随后由脂肪酸合成酶催化一系列反应，每次循环延长两个碳原子与β-氧化不同，脂肪酸合成需要NADPH作为还原力，主要在脂肪组织和肝脏进行，受饮食和激素状态调控甘油脂与磷脂的合成共享部分代谢途径甘油-3-磷酸是合成的起始物质，连续与两分子脂酰CoA酯化形成磷脂酸，后者可水解生成甘油二酯，再与第三分子脂酰CoA结合形成甘油三酯磷脂合成则需要磷脂酸与CTP反应生成CDP-甘油二酯，随后与不同的头基团结合形成各种磷脂，如磷脂酰胆碱PC、磷脂酰乙醇胺PE和磷脂酰肌醇PI等脂类代谢

（三）合成起始三分子乙酰CoA缩合形成HMG-CoA，被还原为甲羟戊酸中间阶段甲羟戊酸转化为异戊二烯基单位，缩合形成鲨烯最终阶段鲨烯环化形成羊毛甾醇，经多步修饰最终合成胆固醇胆固醇生物合成是一个复杂的过程，涉及多个酶促反应HMG-CoA还原酶是限速步骤，受多种因素调控，包括反馈抑制、激素调节和蛋白质修饰他汀类药物通过抑制此酶降低胆固醇合成，是治疗高胆固醇血症的主要药物胆固醇是类固醇激素的前体，通过细胞色素P450酶系转化为孕酮、皮质醇、醛固酮、雌激素和睾酮等激素脂类代谢紊乱与多种疾病相关高脂血症和动脉粥样硬化是由脂蛋白代谢异常引起，可导致冠心病和脑卒中；脂肪肝是由肝内脂质过度积累引起，与肥胖和酒精摄入有关；糖尿病中，胰岛素缺乏或抵抗导致脂肪分解增强和酮体生成增多，严重时可发生酮症酸中毒了解脂类代谢的分子机制对这些疾病的预防和治疗具有重要意义第十章氨基酸代谢

（一）尿素循环障碍氨的处理与尿素循环尿素循环中任一酶的缺陷都可导致高氨血症，引起神氨基酸的脱氨基作用氨对神经系统有毒性，必须迅速清除哺乳动物主要经系统症状，严重者可致命不同酶缺陷表现出不同氨基酸分解的第一步通常是脱去α-氨基，主要通过转氨通过尿素循环将氨转化为无毒的尿素排出体外尿素的临床特征和生化异常治疗包括限制蛋白质摄入、基作用和氧化性脱氨基作用两种方式转氨基作用由循环包括五步酶促反应，分别在线粒体和细胞质中进使用替代排氨途径（如苯甲酸和苯乙酸）和肝移植转氨酶催化，将氨基转移给α-酮戊二酸，生成谷氨酸；行首先，氨与碳酸氢盐和ATP反应形成氨甲酰磷酸；等氧化性脱氨基作用由谷氨酸脱氢酶催化，将谷氨酸转随后与鸟氨酸结合形成瓜氨酸；瓜氨酸经过精氨基琥化为α-酮戊二酸，同时释放氨这些反应是大多数氨基珀酸、精氨酸中间产物，最终水解生成尿素和鸟氨酸氮原子进入尿素循环的主要途径酸，后者重新进入循环氨基酸代谢与其他代谢途径密切相关氨基酸脱氨基后的碳骨架可进入TCA循环氧化（糖原生氨基酸），或转化为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA（酮原性氨基酸）一些氨基酸既是糖原生的又是酮原性的尿素循环与TCA循环通过延胡索酸相连，展示了不同代谢途径的相互关联氨基酸代谢

（二）进入循环的氨基酸TCA转化为乙酰的氨基酸CoA丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等等•不能转化为葡萄糖•转化为丙酮酸、草酰乙酸或α-酮戊二酸2•可参与脂肪酸合成•能够转化为葡萄糖（糖原生）特殊代谢途径的氨基酸既糖原又酮原的氨基酸甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸异亮氨酸、色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸•参与一碳单位代谢•碳骨架一部分转化为丙酮酸或琥珀酰CoA•合成特殊生物分子（如卟啉、谷胱甘肽）•另一部分转化为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA氨基酸的合成能力在不同生物间差异显著植物和大多数微生物能合成所有氨基酸，而人类只能合成约一半人体必需氨基酸包括赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸和苏氨酸，必须从食物中获取组氨酸和精氨酸在某些生理状态下也被视为必需氨基酸合成途径多样，包括转氨基作用、氨基化反应和复杂的多步合成非必需氨基酸如丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸可通过简单的转氨基作用合成；而其他如精氨酸、脯氨酸和组氨酸则需要多步反应一些氨基酸合成与其他代谢途径紧密相连，如芳香族氨基酸的合成与莽草酸途径相关，组氨酸的合成利用PRPP与磷酸核糖核苷酸合成相连氨基酸代谢

（三）一碳单位代谢氨基酸衍生物一碳单位代谢是指甲基、亚甲基、甲酰基等含一个碳原子的基团许多生物活性分子由氨基酸直接衍生或以氨基酸为前体合成神的转移和利用过程四氢叶酸THF是一碳单位的主要载体，能经递质如多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺分别由酪氨酸和色氨以不同氧化态结合一碳单位甘氨酸、丝氨酸和蛋氨酸是一碳单酸衍生；组织胺由组氨酸脱羧而来；γ-氨基丁酸GABA由谷氨酸位的主要来源；而嘌呤、胸腺嘧啶和某些氨基酸的合成则需要消脱羧产生氨基酸还是多种激素、抗氧化剂和辅因子的前体耗一碳单位•甘氨酸可逆转化为丝氨酸，释放N5,N10-亚甲基THF•肾上腺素酪氨酸→多巴胺→去甲肾上腺素→肾上腺素•蛋氨酸循环中，S-腺苷蛋氨酸SAM是重要的甲基供体•谷胱甘肽由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽•组蛋白、DNA和RNA的甲基化依赖SAM提供甲基•肌酸由精氨酸和甘氨酸合成，储存高能磷酸键氨基酸代谢异常与多种疾病相关苯丙酮尿症是由苯丙氨酸羟化酶缺陷导致，苯丙氨酸积累损害神经系统发育；枫糖尿症源于支链氨基酸降解酶缺陷；高半胱氨酸血症与心血管疾病风险增加相关；黄疸和肝病患者常见芳香族氨基酸代谢异常对这些疾病的分子机制研究，推动了新型诊断方法和治疗策略的发展，如苯丙酮尿症的早期筛查和饮食干预第十一章核苷酸代谢嘌呤核苷酸合成嘧啶核苷酸合成嘌呤核苷酸可通过从头合成和补救途径两种嘧啶核苷酸合成始于碳酸氢盐和谷氨酰胺形方式生成从头合成始于磷酸核糖焦磷酸成氨甲酰磷酸，与天冬氨酸结合生成氨甲酰PRPP，经过多步反应最终形成肌苷酸天冬氨酸，经多步反应形成尿苷酸UMP，IMP，再转化为腺苷酸AMP和鸟苷酸进一步转化为胞苷酸CMP和胸苷酸GMP合成过程需要谷氨酰胺、天冬氨TMP与嘌呤不同，嘧啶先合成环状结酸、甘氨酸、C1单位和多个ATP的参与构，再与核糖连接核苷酸降解与回收核苷酸降解最终产生尿酸（嘌呤）和β-氨基异丁酸（嘧啶）排出体外补救途径可将核苷和碱基重新利用，节约能量嘌呤核苷磷酸化酶PNP和腺苷脱氨酶ADA是补救途径的关键酶，其缺陷导致免疫缺陷疾病核苷酸合成受到严格调控，主要通过反馈抑制和变构调节嘌呤合成的第一步（PRPP合成）和第二步（谷氨酰胺氨基转移酶）受到IMP、AMP和GMP的抑制；而从IMP到AMP和GMP的转化则相互抑制，维持平衡嘧啶合成的关键酶天冬氨酸转氨甲酰酶受UTP抑制和ATP激活，协调嘧啶合成与能量状态核苷酸代谢异常与多种疾病相关嘌呤代谢异常可导致痛风（尿酸累积）、Lesch-Nyhan综合征（HGPRT缺陷）和免疫缺陷病（ADA缺陷）；嘧啶代谢异常则与遗传性溶血性贫血和某些神经系统疾病相关对核苷酸代谢的研究推动了抗癌药物和免疫抑制剂的开发，如嘌呤和嘧啶类似物能干扰癌细胞的DNA合成，阻断细胞增殖第十二章核酸的生物合成

（一）复制起始在起始点ori，解旋酶打开双螺旋，形成复制泡；引物酶合成RNA引物；DNA聚合酶III结合并开始合成DNA多个起始点同时开始复制，提高效率复制延伸在复制叉，DNA聚合酶III沿5→3方向连续合成引导链；滞后链则以短片段（冈崎片段）形式合成，每段需要新的RNA引物单链结合蛋白稳定暴露的单链DNA复制终止DNA聚合酶I去除RNA引物，用DNA填补空缺；DNA连接酶连接相邻片段；拓扑异构酶解决超螺旋问题；复制完成后，子染色体分离DNA复制具有半保留特性，每条子链都包含一条原始链和一条新合成链复制过程高度精确，出错率约为10^-9至10^-11，这种高保真度依赖于DNA聚合酶的3→5校对功能和复制后修复系统复制必须在S期完成一次且仅一次，通过多种机制确保，包括起始蛋白的周期性磷酸化和降解真核与原核复制的主要区别原核生物通常只有一个复制起始点，而真核生物有多个；真核DNA聚合酶种类更多，分工更精细；真核复制需要考虑染色质结构；真核端粒DNA复制需要特殊的端粒酶这些差异反映了真核生物基因组的复杂性和精细调控需求DNA复制的分子机制研究为理解遗传稳定性、细胞周期调控和某些疾病（如癌症）的发生提供了基础核酸的生物合成

（二）转录起始RNA聚合酶结合启动子区域，在转录因子帮助下形成转录起始复合物，解开DNA双螺旋，开始RNA合成2转录延伸RNA聚合酶沿5→3方向合成RNA，以DNA模板链为模板，遵循碱基配对原则延伸过程中可能发生暂停和调控转录终止在终止信号处，RNA聚合酶停止合成，释放新生RNA分子和DNA模板原核采用Rho依赖或非依赖终止，真核则需要多种终止因子加工修饰RNA真核初级转录产物pre-mRNA需经5加帽、3多聚腺苷酸化和剪接等加工步骤，移除内含子，连接外显子，形成成熟mRNARNA聚合酶是转录的核心酶，不同生物具有不同类型原核生物有单一RNA聚合酶，由五个亚基组成；真核生物则有三种主要RNA聚合酶I型负责rRNA转录，II型负责mRNA转录，III型负责tRNA和小RNA转录RNA聚合酶无需引物，能直接起始RNA合成，但其准确性低于DNA聚合酶真核转录调控比原核更复杂，涉及染色质结构修饰、启动子元件识别、转录因子结合和辅调节因子招募等多层次机制真核基因的启动子包含TATA盒、GC盒等顺式作用元件，被特异转录因子识别增强子和抑制子可位于远离启动子的位置，通过DNA弯曲与启动子区域相互作用，调控转录活性RNA剪接的选择性可产生不同mRNA亚型，增加蛋白质多样性，这是真核生物特有的基因表达调控机制核酸的生物合成

（三）逆转录过程基因组编辑技术•由逆转录酶催化，以RNA为模板合成DNA•锌指核酸酶ZFNs人工设计的DNA结合蛋白•首先合成DNA-RNA杂合链，随后降解RNA•合成DNA互补链，形成双链DNA•TALEN转录激活因子样效应物核酸酶•反转录病毒利用此机制将基因组整合入宿主•CRISPR/Cas系统源自细菌免疫系统•碱基编辑实现单碱基精确替换核酸合成抑制剂•核苷类似物嵌入DNA/RNA终止合成•嘌呤/嘧啶拮抗剂干扰核苷酸合成•转录/复制酶抑制剂直接抑制酶活性•抗生素与抗病毒药物开发应用逆转录病毒（如HIV）含有RNA基因组和逆转录酶，感染细胞后通过逆转录将RNA转化为DNA，再整合到宿主染色体中这一过程对病毒复制至关重要，也是抗病毒药物的重要靶点逆转录酶抑制剂如齐多夫定AZT是艾滋病治疗的基石此外，逆转录技术广泛应用于分子生物学研究，如cDNA文库构建和RT-PCR等CRISPR/Cas9是近年来发展最快的基因编辑技术，由向导RNAgRNA和Cas9核酸酶组成gRNA引导Cas9识别特定DNA序列并切割，随后细胞修复机制可导致基因敲除或通过同源重组实现精确编辑这项技术因其简便、高效和可编程性，正革命性地改变基因功能研究、疾病模型构建和基因治疗领域核酸合成抑制剂的研究不仅推动了抗生素和抗病毒药物的发展，也为理解核酸合成的分子机制提供了重要工具第十三章蛋白质的生物合成

（一）6420密码子总数氨基酸种类三联体密码子包括61个编码氨基酸的密码子和3个终多个密码子可编码同一氨基酸，表现为密码子的简并止密码子性1起始密码子AUG既编码甲硫氨酸，也作为蛋白质合成的起始信号遗传密码是生物体内信息从核酸转化为蛋白质的翻译规则，具有几个重要特点三联体性（每三个核苷酸编码一个氨基酸）；简并性（多个密码子可编码同一氨基酸）；无歧义性（一个密码子只编码一种氨基酸）；普遍性（大多数生物使用相同的编码方式，少数例外）；无重叠性（每个核苷酸通常只属于一个密码子）真核mRNA的结构特点包括5端的7-甲基鸟苷帽子结构，保护mRNA免受核酸酶降解并帮助翻译起始；5非翻译区5UTR，含有核糖体结合位点；编码区，以AUG起始，以终止密码子结束；3非翻译区3UTR，含有影响mRNA稳定性和翻译效率的顺式作用元件；3端的多聚A尾，增加mRNA稳定性并促进翻译tRNA是转运氨基酸至核糖体的载体，呈现三叶草结构，一端含有反密码子，另一端连接特定氨基酸蛋白质的生物合成

（二）翻译起始肽链延伸小核糖体亚基结合mRNA和起始tRNA，大亚基加氨酰-tRNA进入A位，形成肽键，核糖体移位，循入形成完整核糖体环重复2翻译因子翻译终止起始因子、延伸因子和释放因子协助各阶段反应进终止密码子进入A位，释放因子结合，肽链释放，行核糖体解离翻译过程由多种蛋白因子和GTP提供能量支持起始阶段最为复杂，需要多种起始因子IF协同作用真核生物采用扫描机制核糖体先结合mRNA5帽子，然后沿mRNA向3方向扫描直至遇到起始密码子AUG翻译延伸阶段，氨酰-tRNA在延伸因子EF-Tu原核或eEF1α真核帮助下进入A位，与P位的肽酰-tRNA形成肽键，然后核糖体移位一个密码子核糖体是蛋白质合成的分子机器，由大小两个亚基组成，每个亚基含有rRNA和多种蛋白质核糖体上有三个tRNA结合位点A位氨酰-tRNA位、P位肽酰-tRNA位和E位出口位rRNA不仅有结构作用，还具有催化功能，如大亚基中的23S rRNA原核或28S rRNA真核催化肽键形成，是核糖体的核心催化成分，体现了RNA世界假说的支持证据蛋白质的生物合成

（三）蛋白质在合成后需要经过一系列修饰才能获得完整功能翻译后修饰PTM包括多种类型共价修饰（如磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化等）增加蛋白质功能多样性；蛋白质剪切去除信号肽或前体蛋白中的片段；二硫键形成稳定三级结构这些修饰对蛋白质活性、定位、相互作用和稳定性具有重要调控作用新合成的多肽链必须正确折叠才能发挥功能分子伴侣是辅助蛋白质折叠的特殊蛋白质，如热休克蛋白Hsp家族它们防止错误折叠和聚集，特别在细胞应激条件下表达增加蛋白质的细胞内定向运输依赖信号序列内质网信号肽引导分泌蛋白；线粒体、叶绿体和过氧化物酶体靶向信号指导相应定位；核定位信号NLS和核输出信号NES控制核质转运蛋白质合成抑制剂如链霉素、氯霉素和环己酰亚胺等通过干扰不同翻译步骤，广泛应用于抗生素开发和实验研究第十四章物质代谢的相互联系

（一）碳水化合物代谢糖酵解产生的丙酮酸是连接糖、脂肪和氨基酸代谢的关键中间产物丙酮酸可转化为乙酰CoA进入TCA循环，或用于糖异生、脂肪酸合成和某些氨基酸合成糖原和脂肪是能量储存形式，在饥饿和饱食状态下相互转化脂类代谢脂肪酸β-氧化产生的乙酰CoA进入TCA循环氧化产生能量，也可在肝脏转化为酮体供其他组织利用甘油骨架可用于糖异生；而过量碳水化合物则转化为脂肪酸和甘油三酯储存胆固醇是类固醇激素和胆汁酸的前体蛋白质代谢氨基酸的碳骨架可转化为糖代谢和脂代谢的中间产物糖原生氨基酸可用于糖异生；酮原性氨基酸则转化为乙酰CoA或乙酰乙酰CoA蛋白质合成需要能量和各种前体分子，反映了与其他代谢途径的紧密联系代谢中的枢纽化合物在不同途径间起桥梁作用乙酰CoA连接糖酵解、脂肪酸氧化、TCA循环和脂肪酸合成；α-酮戊二酸连接TCA循环和多种氨基酸代谢；丙酮酸连接糖酵解、糖异生和氨基酸代谢；草酰乙酸参与TCA循环、糖异生和氨基酸合成这些分子在各代谢途径间的转化是代谢网络协同运作的基础物质代谢的相互联系

（二）基因表达调控通过调控关键代谢酶的转录和翻译蛋白质修饰调控通过磷酸化等可逆修饰快速调节酶活性别构调节3代谢产物直接影响酶的活性状态代谢调节发生在多个层次，以确保代谢活动响应细胞需求并保持稳态别构调节是最快速的调节方式，代谢中间产物或终产物直接与酶结合，改变其构象和活性，形成即时反馈如ATP抑制磷酸果糖激酶，而AMP则激活它，使糖酵解速率与能量状态匹配共价修饰（主要是可逆磷酸化）则通过激酶和磷酸酶网络响应细胞信号，调整酶活性代谢控制的关键原理包括限速步骤（通常是不可逆反应）是主要调控点；供需平衡原则确保代谢流量与需求相匹配；调节旁路避免无限循环；协同调节确保相关代谢途径的协调信号通路与代谢网络密切交织胰岛素/IGF-1信号通过PI3K/Akt途径促进营养物质吸收和利用；AMPK感知能量水平，在能量不足时促进分解代谢；mTOR通路整合营养状态和生长信号，调控蛋白质合成；SIRT1等代谢传感器连接代谢状态与基因表达，参与衰老调控物质代谢的相互联系

（三）激素分泌部位主要代谢调控作用胰岛素胰腺β细胞降低血糖，促进糖原、脂肪和蛋白质合成，抑制分解代谢胰高血糖素胰腺α细胞升高血糖，促进糖原分解和糖异生，促进脂肪分解肾上腺素肾上腺髓质应激反应，促进糖原分解，升高血糖，动员脂肪皮质醇肾上腺皮质促进糖异生，抑制葡萄糖利用，促进脂肪分解甲状腺素甲状腺增加基础代谢率，促进葡萄糖、脂肪和蛋白质分解饥饿与饱食状态下的代谢适应展示了代谢网络的灵活性饱食后，胰岛素水平升高，促进葡萄糖摄取和利用，多余能量以糖原和脂肪形式储存肝脏是主要的代谢调控器官，将葡萄糖转化为糖原储存，多余碳水化合物转化为脂肪饥饿初期（数小时），肝糖原分解维持血糖；中期（数天），肝脏糖异生成为主要供糖来源，脂肪分解加强提供能量；长期饥饿（数周），肌肉蛋白质分解减慢，大脑逐渐适应使用酮体作为能量来源，节省葡萄糖代谢组学是研究生物体内所有小分子代谢物的综合性科学，采用质谱、核磁共振等技术全面分析代谢产物谱它可揭示代谢网络动态变化，发现新的代谢途径和调控机制，在疾病生物标志物发现、药物研发和个体化医疗中具有重要应用代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学整合，形成系统生物学研究框架，为理解生命活动的复杂性提供全局视角第十五章分子生物学技术

（一）切割DNA使用限制性内切酶在特定位点切割DNA连接DNA利用DNA连接酶将目的基因与载体连接转化与筛选将重组DNA导入宿主细胞并筛选阳性克隆DNA重组技术是现代生物技术的基础，它允许将不同来源的DNA片段连接并在适当宿主中表达该技术的核心工具包括限制性内切酶，能够识别特定DNA序列并在特定位点切割；DNA连接酶，能将DNA片段连接成完整分子；载体系统，如质粒、噬菌体、人工染色体等，能将外源DNA导入宿主细胞并稳定复制基因克隆与表达系统的选择取决于研究目的原核表达系统（如大肠杆菌）操作简便，表达量高，但缺乏真核蛋白质翻译后修饰能力；酵母表达系统可进行某些翻译后修饰，平衡了产量和功能；哺乳动物细胞表达系统能进行完整的翻译后修饰，适合生产功能性蛋白质，但成本高PCR聚合链式反应技术通过体外DNA扩增，使微量DNA得到大量扩增，广泛应用于基因检测、克隆、突变分析和法医鉴定等领域RT-PCR、实时荧光定量PCR和数字PCR等衍生技术进一步扩展了其应用范围分子生物学技术

（二）测序技术发展基因组编辑技术DNADNA测序技术经历了几代革命性发展第一代测序（Sanger法）基因组编辑技术使科学家能精确修改生物体基因组CRISPR/Cas9基于链终止法，曾用于人类基因组计划；第二代测序（高通量测系统因其简便、高效和灵活性成为主流工具它使用向导RNA定位序）能并行测序数百万至数十亿个DNA片段，大幅降低成本；第三特定DNA序列，Cas9蛋白切割DNA，随后通过细胞自身修复机制代测序（单分子测序）如PacBio和纳米孔测序，可产生超长读实现基因敲除或精确编辑该技术广泛应用于基础研究、疾病模型长，解决重复序列问题测序技术的进步使全基因组测序变得快构建、基因治疗和农业改良等领域，但也引发了伦理争议，特别是速、经济，促进了精准医疗和个性化治疗的发展关于人类胚胎编辑的应用•Sanger法每次反应读取约1000bp•基因敲除引入破坏性突变•第二代测序每次运行产生数百GB数据•点突变修复校正致病性突变•第三代测序单一读长可达10-100kb•基因敲入整合外源DNA序列转基因技术通过将外源基因整合到生物基因组中，创造具有新性状的生物在医学上，转基因动物可用作人类疾病模型；基因治疗则通过导入功能性基因来治疗遗传疾病近年来，CAR-T细胞疗法通过基因修饰T细胞使其识别肿瘤抗原，在某些白血病治疗中取得显著成效在农业领域，转基因作物如抗虫棉花和抗除草剂大豆已广泛种植，但公众对其安全性仍存疑虑基因组编辑与传统转基因的区别在于前者可实现精确修改，有时不引入外源DNA，监管和公众接受度各异第十六章生物信息学基础序列比对与分析序列比对是比较DNA、RNA或蛋白质序列相似性的基本方法局部比对（如BLAST）寻找序列中的相似区域，适合数据库搜索；全局比对（如Needleman-Wunsch算法）比较整个序列长度，适合相关性高的序列多序列比对（如Clustal Omega）可同时比较多个序列，识别保守区域和功能域，为系统发育分析提供基础蛋白质结构预测蛋白质结构预测方法包括同源建模，基于已知结构的相似蛋白预测；从头计算，使用物理化学原理预测折叠；人工智能方法，如AlphaFold2利用深度学习实现高精度预测这些方法帮助理解蛋白质功能、设计药物和研究疾病机制蛋白质结构数据库（如PDB）收集实验确定的三维结构，为预测提供参考功能基因组学功能基因组学研究基因组中所有基因的功能和相互作用基因本体论GO提供标准化术语描述基因功能；通路分析识别基因在生物学过程中的角色；基因集富集分析GSEA评估基因组变化的生物学意义这些方法将高通量数据转化为生物学见解，帮助理解复杂疾病机制和药物作用靶点生物信息学是应用计算方法分析生物数据的交叉学科，随着高通量技术发展而兴起主要数据库包括序列数据库（GenBank、RefSeq）、蛋白质数据库（UniProt、PDB）、功能数据库（KEGG、Reactome）和变异数据库（dbSNP、OMIM）生物信息学分析流程通常包括数据收集和预处理、初级分析（如序列比对）、二级分析（如功能注释）和整合分析（如网络构建）生物化学与疾病

（一）代谢性疾病是由代谢途径异常引起的一类疾病，其分子机制涉及关键酶缺陷或调控异常糖尿病是最常见的代谢性疾病，Ⅰ型由胰岛β细胞自身免疫破坏导致胰岛素绝对缺乏；Ⅱ型则以胰岛素抵抗和相对胰岛素不足为特征，涉及胰岛素受体信号通路异常、脂毒性和炎症等多种机制肥胖是代谢综合征的核心组分，脂肪组织分泌的因子（脂联素、瘦素等）参与全身代谢调控遗传性代谢病通常由单基因突变导致特定酶缺陷，如苯丙酮尿症（苯丙氨酸羟化酶缺陷）、糖原累积症（糖原代谢酶缺陷）和高胱氨酸尿症（胱硫醚β-合成酶缺陷）等这些疾病的诊断依赖代谢产物检测和基因分析，治疗方法包括饮食控制、酶替代和基因治疗等药物设计与靶点识别是生物化学研究的重要应用，包括酶抑制剂（他汀类）、受体配体（胰岛素类似物）和代谢通路调节剂（二甲双胍）等，体现了从基础研究到临床应用的转化生物化学与疾病

（二）肿瘤代谢重编程神经退行性疾病肿瘤细胞呈现特征性代谢改变，即使在氧神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森气充足条件下也优先进行有氧糖酵解（瓦病和亨廷顿舞蹈症等，共同特点是特定蛋博格效应）这种代谢重编程支持快速增白质错误折叠和聚集阿尔茨海默病中β-殖，提供生物合成前体分子和抗氧化防淀粉样蛋白和Tau蛋白异常沉积；帕金森御肿瘤细胞还表现出谷氨酸代谢增强、病则是α-突触核蛋白聚集形成路易体这脂质合成上调和线粒体功能改变等特点，些疾病还伴随能量代谢异常、氧化应激增这些代谢特性成为抗肿瘤药物开发的潜在加和线粒体功能障碍，形成恶性循环导致靶点神经元变性死亡生物标志物研究生物标志物是指能反映正常或病理过程的可测量指标代谢组学和蛋白质组学技术促进了新型生物标志物的发现临床应用包括疾病诊断（心肌梗死的肌钙蛋白）、疾病监测（糖尿病的糖化血红蛋白）、疗效预测（肿瘤的PD-L1表达）和药物靶向（HER2表达与靶向药物选择）等方面，推动精准医疗发展肿瘤代谢靶向治疗是近年研究热点抗代谢药物如甲氨蝶呤和5-氟尿嘧啶通过干扰核苷酸合成抑制DNA复制；谷氨酰胺酶抑制剂针对肿瘤细胞对谷氨酰胺的依赖；己糖激酶2抑制剂靶向肿瘤特异性糖酵解；脂肪酸合成抑制剂则针对肿瘤脂质合成上调特征这些策略利用肿瘤代谢特点，寻求选择性杀伤肿瘤细胞同时减少对正常组织的毒性课程总结与前沿展望420+1000+核心代谢途径调控酶类代谢中间物糖酵解、TCA循环、脂肪酸氧化和氨基酸代谢构成代谢限速酶和调节点是代谢流量控制的关键，受多层次调控大量代谢中间产物构成复杂代谢网络，支持生命活动多网络的基础样功能生物化学是理解生命现象的基础学科，其核心概念包括结构决定功能的原理贯穿各类生物分子；代谢途径的网络化组织确保生命过程高效协调；能量转换与守恒支持所有生物活动；分子识别与信息传递是生命调控的基础；进化保守性与多样性并存于分子水平当今交叉学科研究热点包括结构生物学与药物设计的结合、基因编辑技术的医学应用、代谢组学在疾病诊断中的应用以及合成生物学创造人工代谢途径等代谢组学与系统生物学代表生物化学未来发展方向代谢组学通过高通量技术全面分析生物体内小分子代谢物谱，从整体角度理解代谢网络；系统生物学则整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，构建计算模型模拟生物系统行为合成生物学和代谢工程则应用生物化学原理设计人工代谢途径，生产药物、生物燃料和特种化学品，开创生物制造新时代这些领域将推动生物化学从描述性科学向预测性和创造性科学转变，为解决人类健康、能源和环境挑战提供新思路。