《生物化学复习指南》课件

生物化学复习指南欢迎使用这份全面的生物化学复习指南，我们精心设计了这套教材，覆盖大学生物化学课程的所有核心知识点通过系统梳理个主要章节的关键概14念，配合典型例题和解题技巧，帮助您高效备战期末考试和研究生入学考试本指南结合了最新的科研进展和教学经验，以清晰的结构和深入浅出的讲解，帮助您掌握从基础理论到实验技能的全方位知识无论您是初学者还是需要系统复习的高年级学生，这份指南都将成为您的得力助手课程内容概览蛋白质化学与结构深入探讨氨基酸特性、肽键形成以及蛋白质一级到四级结构的特点与功能关系核酸结构与功能全面解析和的结构特点、功能差异以及在生命活动中的核心作用DNA RNA糖类生物化学详细介绍单糖到复杂糖类的结构特征及其在细胞识别、能量代谢中的关键作用脂类与生物膜系统讲解脂肪酸、磷脂等结构特点及其在生物膜形成与功能中的重要性酶学与代谢深入剖析酶的催化机制、动力学特性以及在各种代谢途径中的调控作用第一章生物化学基础生物大分子的基本概念生物大分子是生命的物质基础，包括蛋白质、核酸、多糖和脂质这些复杂的高分子化合物通过特定的结构组织形式执行生命的各种功能，从信息传递到能量转换，再到物质运输化学键与相互作用力在生物体系中，共价键、离子键、氢键、疏水相互作用和范德华力共同决定了生物分子的空间构象和功能特性了解这些相互作用力的特点对理解生物分子的稳定性和活性至关重要生物体系中的水与pH水作为生命的溶剂，其极性和氢键形成能力使其成为理想的生化反应环境pH值影响蛋白质的电荷分布和酶的活性，缓冲系统则维持了生物体内相对稳定的酸碱环境生物化学研究方法现代生物化学研究依赖于色谱、电泳、质谱、X射线晶体学和核磁共振等技术这些方法共同构成了探索生物分子结构和功能的强大工具箱，推动着生物化学的快速发展氨基酸结构与性质酸碱性质与等电点R基团分类氨基酸的等电点是其不带净电荷的根据侧链性质，氨基酸可分为非极性pH值，在此pH下氨基酸溶解度最（如丙氨酸、缬氨酸）、极性非带电低不同氨基酸因侧链特性而具有不（如丝氨酸、苏氨酸）、酸性（如天氨基酸基本结构光学活性同的pKa值和等电点，这决定了它们冬氨酸、谷氨酸）和碱性（如赖氨在电泳中的迁移行为酸、精氨酸）四大类所有氨基酸都具有中心α-碳原子，连除甘氨酸外，所有氨基酸均具有手接着氨基、羧基、氢原子和特异性R性，存在D型和L型光学异构体生基团氨基酸在生理pH下以两性离物体中蛋白质主要由L型氨基酸组子形式存在，能同时带正电荷和负电成，这种手性选择性是生命化学的重荷要特征1蛋白质一级结构肽键形成肽键通过一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间的脱水缩合反应形成这种酰胺键具有部分双键特性，使肽键呈现平面构象，限制了蛋白质骨架的旋转自由度肽链方向性肽链具有明确的方向性，按照从N端（氨基端）到C端（羧基端）的顺序描述这种方向性在蛋白质合成、功能和研究中具有重要意义，影响着蛋白质的折叠过程和互作模式序列测定技术蛋白质一级结构的测定经历了从Sanger法到Edman降解，再到现代质谱技术的发展历程今天的蛋白质组学能够同时分析复杂样品中数千种蛋白质的序列，极大提高了研究效率序列分析与预测通过比对保守序列和分析氨基酸分布特征，可以预测蛋白质的结构域、功能区段和进化关系生物信息学工具使这一过程变得高效且精确，为蛋白质功能研究提供重要线索蛋白质高级结构四级结构多个蛋白质亚基的特定组装方式三级结构整个多肽链的三维空间折叠构象二级结构3局部氢键稳定的规则结构模式一级结构氨基酸的线性排列顺序蛋白质的二级结构主要包括α螺旋和β折叠两种规则排列形式α螺旋通过肽链内部每隔4个氨基酸残基之间形成的氢键稳定，每圈螺旋包含

3.6个氨基酸残基，呈现右手螺旋状态β折叠则由相邻多肽链段之间的氢键连接形成，可分为平行和反平行两种类型蛋白质三级结构是在二级结构基础上，通过侧链间的相互作用（包括疏水作用、离子键、氢键和二硫键）进一步折叠形成的紧密三维构象三级结构往往含有多个功能域，每个功能域可独立折叠并具有特定功能四级结构则是由多条肽链（亚基）通过非共价相互作用组装形成的复合物，如血红蛋白由四个亚基组成蛋白质功能与应用结构蛋白结构蛋白提供细胞和组织的机械支持与保护胶原蛋白是人体最丰富的蛋白质，形成三股螺旋结构，赋予皮肤、骨骼和肌腱强度与弹性角蛋白则构成头发、指甲等硬质结构，通过丰富的二硫键获得极高稳定性运输蛋白运输蛋白负责在生物体内转运特定分子血红蛋白通过四个亚基上的血红素基团可逆结合氧分子，增强血液氧运输能力血浆白蛋白则可与多种分子结合，转运脂肪酸、激素和药物，同时维持血浆渗透压免疫球蛋白抗体具有Y形结构，由两条重链和两条轻链组成其可变区形成特异性抗原结合位点，恒定区则决定了抗体的生物学功能不同类型的抗体IgG、IgM、IgA、IgD、IgE在免疫防御中发挥各自独特作用蛋白质工程应用通过定点突变、结构域融合和定向进化等技术，科学家可创造出具有增强稳定性、改变底物特异性或新功能的蛋白质这些工程化蛋白质广泛应用于医药、工业酶制剂和生物传感器等领域蛋白质研究技术样品制备与处理蛋白质研究的第一步是从生物样本中提取目标蛋白质组织匀浆、细胞裂解和超声破碎等方法可用于释放细胞内蛋白质选择合适的缓冲液和蛋白酶抑制剂可防止蛋白质降解和变性，保持其天然活性分离纯化技术蛋白质分离常采用盐析、离子交换色谱、亲和色谱和凝胶过滤色谱等方法其中亲和色谱利用蛋白质与特定配体的特异性结合，实现高选择性纯化；凝胶过滤则根据分子大小分离蛋白质，可用于测定分子量分析鉴定方法SDS-PAGE电泳可根据分子量分离蛋白质，而双向电泳则结合等电聚焦和SDS-PAGE，提供更高分辨率Western blot通过特异性抗体检测目标蛋白质谱分析能精确测定蛋白质质量并通过肽指纹图谱鉴定未知蛋白质结构功能研究X射线晶体衍射和核磁共振波谱可解析蛋白质原子级分辨率结构冷冻电镜技术近年取得重大突破，能观察复杂蛋白质复合物的结构荧光标记、表面等离子共振和等温滴定量热法则可研究蛋白质相互作用核酸基本结构核苷酸组成双螺旋结构的多样性RNA核苷酸是核酸的基本构建单元，由三部通常以双螺旋形式存在，两条互补与不同，通常为单链结构，但DNA DNA RNA分组成含氮碱基、五碳糖和磷酸基链以反平行方向盘绕碱基对通过氢键可通过链内互补区域形成局部双链结团含有腺嘌呤、鸟嘌呤、连接与形成两个氢键，与形成构具有更大的构象多样性，能形DNA AG AT GC RNA胞嘧啶和胸腺嘧啶四种碱基，而三个氢键这种特异性配对确保了遗传成发夹、茎环和假结等复杂二级结构C T中被尿嘧啶替代信息的准确复制和传递RNA TU根据功能，可分为信使RNA含有脱氧核糖，而含有核双螺旋的主要稳定力来自碱基间的堆积、转运、核糖DNA2-RNA RNAmRNA RNAtRNA糖，这一结构差异赋予了两种核酸不同相互作用和碱基对间的氢键分子体以及多种非编码这DNA RNArRNA RNA的稳定性和功能磷酸二酯键连接相邻含有大沟和小沟，为蛋白质提供了识别些在蛋白质合成、基因表达调控和RNA核苷酸，形成具有方向性的多核苷酸和结合的位点，在基因表达调控中起关催化生物反应中发挥着不可替代的作链键作用用结构与功能DNA

3.4nm2双螺旋直径大沟与小沟B型DNA每个完整螺旋周期包含10个碱基对提供蛋白质识别和结合的独特表面310⁷主要DNA构象染色体压缩倍数B型、A型和Z型DNA在生物体内有不同分布从DNA双螺旋到有丝分裂染色体的紧缩程度B型DNA是细胞内最常见的DNA形式，呈右手螺旋状，每

10.5个碱基对完成一个360°螺旋周期A型DNA在脱水条件下形成，螺旋更紧密，每圈约11个碱基对Z型DNA则是一种左手螺旋结构，通常出现在富含G-C序列的区域，可能参与基因表达调控染色质是DNA与蛋白质的复合体，其基本单位是核小体，由146bp DNA缠绕组蛋白八聚体形成染色质通过多级折叠实现DNA的高度压缩从10nm纤维到30nm纤维，再到染色质环和染色体臂，最终形成高度凝缩的染色体这种组织结构不仅解决了DNA空间存储问题，也参与调控基因表达和DNA复制结构与功能RNA信使携带从转录的遗传信息，包含帽子结构、编码区、非编码区和多聚尾巴转运呈独特的三叶RNAmRNA DNA53ARNAtRNA草二级结构和形三级结构，含有反密码子环和氨基酸接受臂，负责将氨基酸准确运送到蛋白质合成位点L核糖体是核糖体的主要组成部分，具有复杂的高级结构，不仅提供核糖体的骨架支持，还直接参与蛋白质合成中的催化反RNArRNA应，展示了的酶活性非编码种类繁多，包括、长链非编码和环状等，通过多种机制调控基因表达、染RNARNAmicroRNA RNARNA色质结构和细胞命运决定，在生命过程中发挥着不可或缺的调控作用核酸研究技术核酸扩增技术核酸测序技术聚合酶链式反应通过温度循环和PCR从测序到高通量测序，测Sanger DNA聚合酶作用，实现特定片段的DNA DNA序技术经历了革命性发展，实现了全基2指数级扩增，是分子生物学研究的基础因组水平的快速、经济分析技术基因编辑技术核酸杂交技术系统利用引导的核、印迹和原位杂交CRISPR-Cas9RNA SouthernNorthern酸酶精确切割，实现基因组的定点等技术利用核酸互补配对原理，检测特DNA修饰，开创基因治疗新纪元定序列的存在和表达情况现代核酸研究技术已经发展出多种变种和创新应用实时定量能够动态监测扩增过程，实现基因表达的精确定量分析单细胞测PCR序技术打破了传统混合样本的局限，揭示细胞间的异质性基因芯片技术则支持数千乃至数万个基因的表达谱分析，帮助研究人员全面了解基因表达调控网络糖类的化学基础单糖结构特点单糖是不能被水解为更简单糖的多羟基醛或酮葡萄糖等己糖在水溶液中主要以环状结构存在，形成α和β两种变旋异构体C-1位的醛基参与环化形成半缩醛结构，是糖分子反应活性的主要来源糖苷键形成糖苷键由一个糖的半缩醛羟基与另一个糖的羟基通过脱水缩合形成α-和β-糖苷键的立体构型差异显著影响多糖的结构和性质，如α-1,4-糖苷键形成的直链淀粉与β-1,4-糖苷键形成的纤维素具有完全不同的特性糖类反应特性糖类的还原性来源于其半缩醛结构，能与Fehling试剂和Benedict试剂反应糖的羟基可被氧化形成醛糖酸、酮糖酸和糖醛酸，这些衍生物在生物体内有重要功能烷基化和酰化修饰则能改变糖的物理化学性质除了基本的单糖外，自然界还存在多种单糖衍生物，如氨基糖、硫代糖和脱氧糖N-乙酰葡萄糖胺是几丁质的组成单元；2-脱氧核糖是DNA的重要组成部分；葡萄糖醛酸则参与多种生物活性分子的合成和代谢这些衍生物的存在极大丰富了糖类的生物学功能复杂糖类与糖生物学糖蛋白结构特点糖蛋白是蛋白质与糖基共价连接形成的复合物，根据连接方式可分为N-连接型（糖基连接在天冬酰胺侧链）和O-连接型（糖基连接在丝氨酸或苏氨酸侧链）糖链结构多样，从简单的单糖到复杂的分支寡糖，赋予蛋白质独特的性质和功能糖脂与细胞识别糖脂由脂质部分（如神经酰胺或甘油）与糖链组成，主要分布在细胞膜外层神经节苷脂和脑苷脂等复杂糖脂在细胞识别、神经传导和免疫反应中发挥关键作用ABO血型抗原就是红细胞表面糖脂结构差异的典型例子糖基化修饰调控蛋白质糖基化是一种重要的翻译后修饰，由特异性糖基转移酶催化糖基化不仅影响蛋白质的折叠、稳定性和半衰期，还参与细胞间通讯、发育调控和病原体识别糖基化异常与多种疾病相关，如先天性糖基化缺陷病糖组学研究进展糖组学研究细胞或组织中全部糖结构（糖组）的组成和功能质谱、核磁共振和荧光标记等技术的发展使复杂糖结构分析成为可能近年来，糖组学与其他组学技术整合，为疾病标志物发现和靶向治疗提供新思路脂类的基本结构1脂肪酸脂肪酸是由碳氢链和一个羧基组成的有机酸，是大多数复杂脂质的基本组成单元根据碳链是否含有双键，可分为饱和脂肪酸（如棕榈酸C16:0）和不饱和脂肪酸（如油酸C18:1）不饱和脂肪酸的双键可呈顺式或反式构型，顺式不饱和脂肪酸在生物膜中尤为重要2甘油脂甘油脂由甘油骨架与一至三个脂肪酸酯化形成甘油三酯是主要的能量储存形式，单酰基甘油和二酰基甘油则是脂质代谢的中间产物和信号分子甘油三酯的物理性质取决于其脂肪酸组成，不饱和脂肪酸含量高则熔点低，呈液态3磷脂与糖脂磷脂是生物膜的主要成分，由甘油（或鞘氨醇）骨架、两条脂肪酸和一个含磷极性头基团组成根据极性头基团的不同，可分为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等多种类型糖脂则含有一个或多个糖基，在细胞表面识别中起重要作用4固醇类化合物固醇类是一组含有四环结构的脂溶性化合物，胆固醇是其中最重要的代表胆固醇是细胞膜的重要组成部分，影响膜的流动性和通透性，同时也是类固醇激素、维生素D和胆汁酸的前体植物中的固醇主要是谷固醇和豆固醇生物膜结构与功能流动镶嵌模型描述膜的动态结构特性脂质双分子层2提供基本膜结构和通透屏障膜蛋白功能3执行转运、信号传递等关键任务膜筏微区域参与信号转导和膜蛋白功能调控生物膜是一个动态流动的二维液态结构，其基本骨架是两层排列的磷脂分子磷脂的疏水性脂肪酸尾部朝向膜的内部，亲水性头部则朝向膜的两侧水相环境胆固醇分子镶嵌在磷脂分子之间，调节膜的流动性和刚性在低温下，胆固醇防止膜变得过于僵硬；在高温下，它又限制磷脂的过度流动膜蛋白根据与膜的结合方式可分为整合膜蛋白和外周膜蛋白整合膜蛋白含有疏水性跨膜区域，牢固嵌入脂双层中；外周膜蛋白则通过与膜表面的静电或其他非共价相互作用结合膜蛋白执行多种关键功能离子通道和转运蛋白控制物质跨膜运输；受体蛋白识别并传递外部信号；酶蛋白催化膜相关反应；细胞粘附分子介导细胞间连接脂类代谢研究方法脂类提取分离脂类研究首先需要从生物样本中提取脂质Folch法和Bligh-Dyer法利用氯仿/甲醇混合溶剂系统，基于脂质的疏水性进行提取固相萃取技术则能根据脂类极性差异实现更精细的分离，为后续分析提供更纯净的样品色谱分析技术薄层色谱TLC是传统的脂类分析工具，能快速分离不同类别的脂质高效液相色谱HPLC提供更高的分离效率和灵敏度，特别是反相色谱和正相色谱可根据脂质的极性和疏水性进行精确分离，适用于复杂脂质混合物的分析质谱技术应用质谱技术在脂质组学研究中发挥着核心作用电喷雾电离ESI和基质辅助激光解吸电离MALDI使复杂脂质分子的离子化成为可能串联质谱MS/MS通过碎片化模式鉴定脂质分子结构，包括脂肪酸组成和不饱和度，实现精确脂质组分析酶的基本概念酶的化学本质辅酶与辅因子催化特性与机制酶是具有催化功能的生物分子，绝大多许多酶需要非蛋白质组分协助完成催化酶的催化能力来源于其降低反应活化能数是蛋白质，少数是具有催化活性的功能金属离子如、和等的能力，而非改变反应的热力学平衡Zn²⁺Mg²⁺Fe²⁺（核酶）作为生物催化剂，酶能可作为辅因子，稳定酶构象或直接参与酶催化通常遵循诱导契合模型，即酶RNA显著加速生化反应，同时自身不在反应催化有机小分子辅酶如、和与底物结合后构象发生改变，使反应更NAD⁺FAD中被消耗酶的三维结构决定了其催化辅酶则常作为电子或官能团的载体，协易进行酶活性部位中常含有催化三联A功能，活性部位的微环境对底物具有高助完成氧化还原和基团转移反应体或其他特殊排列的氨基酸残基度特异性辅酶通常源自维生素，如烟酰胺来自维酶催化机制多样，包括共价催化、酸碱酶的命名通常以其催化的反应类型加上生素，黄素来自维生素全酶复合催化、金属离子催化和近程效应等这B₃B₂酶后缀，如水解酶、转移酶、氧化还物（酶蛋白部分与辅酶辅因子）共同构些机制常协同作用，通过稳定过渡态、-/原酶等国际酶学委员会建立了系统的成完整的催化单位理解辅酶在酶催化提供反应微环境和正确定向底物等方式酶分类编号系统号，根据催化反应中的作用对于阐明酶的催化机制至关重加速反应现代酶学研究使用量子力学EC/类型将酶分为六大类，方便科学交流与要分子力学计算等方法深入探索催化机研究制酶动力学酶活性调节酶抑制类型酶抑制分为可逆抑制和不可逆抑制可逆抑制又分为竞争性、非竞争性和反竞争性三种主要类型竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性位点，导致表观Km增大而Vmax不变；非竞争性抑制剂则同时与游离酶和酶-底物复合物结合，降低Vmax而Km不变；反竞争性抑制剂仅与酶-底物复合物结合，同时降低Km和Vmax变构调节变构酶具有催化位点和变构位点，后者与效应分子结合导致酶构象变化，从而影响催化活性根据效应，变构调节可分为正向激活和负向抑制许多代谢途径中的关键酶受终产物抑制或底物激活，形成反馈调节如磷酸果糖激酶受ATP抑制而AMP激活，使糖酵解速率与细胞能量状态协调共价修饰酶活性常通过可逆共价修饰调节，如磷酸化、甲基化、乙酰化和泛素化等以磷酸化为例，蛋白激酶催化ATP磷酸基团转移至酶的特定氨基酸残基通常是丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸，改变酶的构象和活性这种修饰通常由上游信号级联反应控制，如激素刺激后的cAMP依赖性蛋白激酶激活环境因素影响温度、pH、离子强度等环境因素显著影响酶活性每种酶都有其最适温度和pH，偏离这些条件会导致活性降低温度升高通常提高反应速率，但过高温度会导致酶变性pH值影响酶活性部位氨基酸残基的电离状态，从而改变催化能力一些酶需要特定离子环境维持正确构象和活性酶的应用与分析酶联免疫分析分子生物学应用工业与医疗应用酶联免疫吸附试验是临床诊断中广限制性内切酶在基因工程中发挥核心作工业酶应用广泛，如洗涤剂中的蛋白酶和ELISA泛应用的技术该方法利用酶标记的抗体用，它们能识别并切割特定序列，为淀粉酶，纺织工业中的纤维素酶，食品加DNA特异性结合目标抗原，通过酶催化底物产基因克隆和重组提供工具聚合酶用工中的转化酶和凝乳酶这些酶通常经过DNA生可检测的信号（如颜色变化）根据检于扩增和测序酶和蛋白酶蛋白质工程改造，提高稳定性和耐受性PCR DNARNA测原理可分为直接法、间接法、夹心法和用于核酸提取和蛋白质降解内切肽酶如在医疗领域，治疗性酶如链激酶和尿激酶K竞争法等多种格式，广泛用于激素、药胰蛋白酶在蛋白质组学中用于产生适合质用于溶解血栓；胰酶用于治疗胰腺疾病；物、病原体和肿瘤标志物的检测谱分析的肽段天冬酰胺酶用于白血病治疗L-生物氧化概述ATP能量货币储存和传递细胞能量的核心分子电子传递链有序排列的电子载体实现能量转换氧化还原反应电子转移过程释放化学能分子氧终末受体高效氧化代谢的最终电子接收者生物氧化是生物体内获取能量的主要途径，包括一系列电子传递和能量转换过程在这些过程中，生物分子中的化学能通过有序的氧化还原反应转化为生物能量形式ATP与简单燃烧不同，生物氧化通过多步骤分阶段释放能量，并以ATP形式储存，确保能量高效利用而非以热能形式散失高能磷酸键是ATP分子中磷酸基团之间的键，水解时释放约

7.3kcal/mol的能量从化学能角度看，氧化还原电位的差值决定了反应释放的能量大小，电位差越大，释放的能量越多生物体内的氧化还原反应主要通过辅酶NAD⁺/NADH和FAD/FADH₂介导，这些辅酶作为氢原子或电子的载体，将底物氧化过程中释放的能量转移至呼吸链，最终用于ATP合成呼吸链与电子传递线粒体结构特点线粒体由外膜、内膜、膜间隙和基质组成内膜高度折叠形成嵴结构，大大增加了表面积内膜具有选择性通透性，富含呼吸链复合物和ATP合成酶基质中含有三羧酸循环酶系和脂肪酸β-氧化系统，提供NADH和FADH₂作为电子传递链的电子供体呼吸链复合物组成哺乳动物线粒体呼吸链包含四个主要复合物复合物INADH脱氢酶、复合物II琥珀酸脱氢酶、复合物III细胞色素bc₁复合物和复合物IV细胞色素c氧化酶此外还有两个移动电子载体辅酶Q泛醌和细胞色素c，它们在复合物间传递电子电子流动与质子泵送电子从NADH或FADH₂传递至复合物I或II，经过一系列氧化还原反应，最终被复合物IV传递给分子氧生成水在这一过程中，复合物I、III和IV利用电子传递释放的能量将质子从基质泵入膜间隙，形成跨膜质子浓度梯度和电位差，这一电化学梯度被称为质子动力势化学渗透偶联机制Mitchell提出的化学渗透学说解释了呼吸链电子传递与ATP合成的偶联机制电子传递链建立质子梯度，而ATP合成酶利用质子沿浓度梯度回流释放的能量合成ATP这一机制巧妙地将氧化还原反应与磷酸化反应偶联，实现了能量的高效转换与利用合成与调控ATPATP合成酶结构ATP合成酶F₁F₀-ATP酶由两个主要部分组成嵌入膜内的F₀部分和突出至基质的F₁部分F₀含有c亚基环和a亚基，形成质子通道；F₁含有α₃β₃γδε亚基，构成催化核心这种精妙的分子马达通过旋转催化机制合成ATP，每转动一周完成三个ATP分子的合成能量效率氧化磷酸化效率通常用P/O比表示，即每对电子沿呼吸链传递至氧分子时合成的ATP数量NADH进入复合物I的电子路径P/O比约为

2.5，而FADH₂进入复合物II的路径P/O比约为

1.5这种差异反映了不同起点的电子传递链长度和质子泵送效率的不同调控机制呼吸链活性受多种因素调控ADP/ATP比率是最重要的调节因子，高ADP水平刺激氧化磷酸化；氧气供应直接限制复合物IV活性；底物可用性决定NADH和FADH₂的产生量；细胞内钙离子水平通过激活线粒体脱氢酶增强三羧酸循环活性，间接促进电子传递线粒体功能障碍与多种疾病相关许多呼吸链抑制剂通过特异性阻断电子传递而发挥毒性作用如鱼藤酮抑制复合物I，氰化物阻断复合物IV解偶联剂如DNP和FCCP使质子能够绕过ATP合成酶回到基质，导致能量以热量形式散失而非用于ATP合成，这一特性被一些动物用于产热调节体温自由基与抗氧化系统活性氧生成氧化损伤1活性氧主要源于电子传递链的电子泄漏，部分电过量ROS导致蛋白质氧化、脂质过氧化和DNA损子直接传递给氧分子形成超氧阴离子自由基伤，破坏细胞结构和功能小分子抗氧化物酶促防御4维生素E、维生素C和谷胱甘肽等通过直接清除自由超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物3基或再生其他抗氧化剂发挥作用酶构成连续的ROS清除系统活性氧ROS包括超氧阴离子O₂⁻、过氧化氢H₂O₂和羟基自由基·OH等其中羟基自由基活性最强，几乎能氧化任何生物分子正常生理条件下，细胞产生少量ROS作为信号分子参与细胞增殖、分化和免疫防御然而，当ROS产生超过抗氧化防御能力时，会导致氧化应激，进而引发一系列病理变化人体拥有复杂的抗氧化防御系统超氧化物歧化酶SOD催化超氧阴离子转化为过氧化氢，存在于线粒体Mn-SOD和细胞质Cu/Zn-SOD过氧化氢酶将过氧化氢分解为水和氧谷胱甘肽过氧化物酶则利用还原型谷胱甘肽GSH清除过氧化氢和脂质过氧化物此外，含硫氨基酸、泛素-蛋白酶体系统和热休克蛋白等也参与抗氧化防御氧化应激与衰老、心血管疾病、神经退行性疾病和癌症等密切相关糖酵解途径反应步骤催化酶反应特点葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸己糖激酶/葡萄糖激酶消耗1ATP，限速步骤之一葡萄糖-6-磷酸→果糖-6-磷酸磷酸葡萄糖异构酶可逆的异构化反应果糖-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸磷酸果糖激酶消耗1ATP，主要调控点果糖-1,6-二磷酸→甘油醛-3-磷酸+二羟丙酮磷酸醛缩酶C6分裂为两个C3分子二羟丙酮磷酸→甘油醛-3-磷酸三磷酸异构酶可逆的异构化反应甘油醛-3-磷酸→1,3-二磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸脱氢酶NAD⁺还原为NADH，底物水平磷酸化准备1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶产生1ATP，底物水平磷酸化3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶磷酸基团从C3移至C22-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶脱水形成高能磷酸烯醇键磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸丙酮酸激酶产生1ATP，不可逆反应糖酵解是细胞质中将葡萄糖分解为丙酮酸的过程，包括十个连续的酶促反应在无氧条件下，丙酮酸进一步被还原为乳酸动物或发酵为乙醇酵母，使NAD⁺再生以维持糖酵解继续进行在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环进一步氧化磷酸果糖激酶PFK是糖酵解的关键调控酶，受多种因素影响ATP、柠檬酸和酸性pH抑制其活性，而AMP、ADP和果糖-2,6-二磷酸则增强其活性这种复杂调控使细胞能根据能量状态和代谢需求调整糖酵解速率每分子葡萄糖经糖酵解产生2分子ATP和2分子NADH，能量效率远低于有氧氧化，但速率快、不依赖氧气，适合快速供能和缺氧环境三羧酸循环乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸柠檬酸→异柠檬酸→α-酮戊二酸1由柠檬酸合成酶催化，C2单位与C4单位缩合开始循经顺乌头酸，释放第一个CO₂并还原NAD⁺为NADH环2琥珀酸→延胡索酸→苹果酸→草酰乙酸4α-酮戊二酸→琥珀酰CoA→琥珀酸3释放第二个CO₂，产生NADH和高能硫酯键产生FADH₂和第三个NADH，完成循环三羧酸循环TCA循环是有氧代谢的核心，在线粒体基质中进行该循环不仅是能量代谢的枢纽，也为生物合成提供中间体一个循环中，两个碳原子以CO₂形式被氧化，产生3个NADH、1个FADH₂和1个GTP相当于ATP循环中的重要调控酶包括柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物，它们受底物可用性、产物抑制和能量状态调控TCA循环与其他代谢途径紧密连接乙酰CoA来自糖酵解产物丙酮酸的氧化脱羧、脂肪酸β-氧化和某些氨基酸分解；循环中间体可参与氨基酸、血红素和脂肪酸合成；NADH和FADH₂则向呼吸链提供电子循环的两个主要补充途径是

（1）磷酸烯醇式丙酮酸羧化为草酰乙酸，

（2）谷氨酸脱氢形成α-酮戊二酸这些回补反应anaplerotic reactions确保了循环中间体的稳定供应糖原合成与分解糖原合成合成始于糖原合成酶催化的葡萄糖残基从UDP-葡萄糖转移至现有糖原分子支链酶在合成后将线性链段转移形成α-1,6-糖苷键，创建分支点这种高度分支结构增加了溶解度并提供更多非还原末端供快速合成和降解糖原分解糖原磷酸化酶从非还原末端逐个切下葡萄糖-1-磷酸，而不是自由葡萄糖当剩余四个葡萄糖残基时，转移酶将三个残基移至另一链，去支酶水解α-1,6-键释放游离葡萄糖磷酸化的葡萄糖-1-磷酸由磷酸葡萄糖变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸激素调控胰岛素在高血糖状态促进糖原合成，通过激活磷蛋白磷酸酶-1去磷酸化并激活糖原合成酶胰高血糖素和肾上腺素在低血糖时促进糖原分解，通过激活蛋白激酶A和磷酸化酶激酶级联反应，最终磷酸化并激活糖原磷酸化酶同时抑制糖原合成酶糖原是动物体内主要的碳水化合物储存形式，以颗粒状存在于肝脏和肌肉中肝糖原主要维持血糖稳定，在禁食期间可分解释放葡萄糖入血；肌糖原则为肌肉收缩提供局部能量，不能直接贡献于血糖，因为肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶糖原贮存病是一组遗传性疾病，由糖原代谢酶缺陷导致冯·吉尔克病I型是由葡萄糖-6-磷酸酶缺陷引起，患者无法将葡萄糖-6-磷酸转化为葡萄糖释放入血，导致严重低血糖和肝糖原累积；庞贝病II型则由溶酶体α-1,4-葡萄糖苷酶缺陷导致，影响溶酶体内糖原降解，引起全身多器官糖原堆积和进行性肌肉无力糖异生作用糖异生关键步骤底物来源与调控糖异生是从非碳水化合物前体如丙酮酸、乳酸、甘油和某些氨乳酸是糖异生的主要底物，由肌肉和红细胞在无氧条件下产生后基酸合成葡萄糖的过程，主要在肝脏和肾脏皮质进行该途径经血液运输至肝脏，这一过程被称为科里循环甘油来自脂肪组克服了糖酵解中的三个不可逆步骤，需要专门的绕道反应丙酮织中甘油三酯水解释放的甘油骨架，在肝脏中转化为甘油磷-3-酸羧化酶将丙酮酸转化为草酰乙酸；磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催酸进入糖异生糖原性氨基酸如丙氨酸脱氨后也可提供丙酮酸化磷酸烯醇式丙酮酸的形成；果糖二磷酸酶水解果糖或循环中间体用于糖异生-1,6--1,6-TCA二磷酸糖异生受多层次调控饥饿状态下胰高血糖素升高而胰岛素降糖异生与糖酵解在能量需求上有显著差异糖酵解每分子葡萄糖低，激活蛋白激酶，促进糖异生关键酶的基因表达和活性高A净产生，而糖异生每合成一分子葡萄糖消耗和皮质醇也增强糖异生，部分通过上调关键酶基因表达底物可用2ATP6ATP相当于，能量成本远高于糖酵解获得的能量这性是另一重要调控因素，如饥饿状态下增加的脂肪动员提供更多2GTP8ATP种高能耗反映了逆热力学倾向合成葡萄糖的能量代价甘油比率和细胞氧化还原状态也影响糖异生速率ATP/AMP磷酸戊糖途径氧化相1生成NADPH和核糖-5-磷酸非氧化相2碳骨架重排生成糖酵解中间体双重功能同时满足还原力和核苷酸合成需求磷酸戊糖途径PPP又称己糖单磷酸途径，在细胞质中进行，分为氧化相和非氧化相两部分氧化相首先由葡萄糖-6-磷酸脱氢酶G6PD催化，将葡萄糖-6-磷酸氧化为6-磷酸葡萄糖酸内酯，同时产生一分子NADPH接着6-磷酸葡萄糖酸内酯水解为6-磷酸葡萄糖酸，再经6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶脱羧生成核糖-5-磷酸，同时产生第二分子NADPH非氧化相通过一系列转糖酶和异构酶反应，将五碳糖转化为糖酵解中间体果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸根据细胞需求，PPP可灵活调整需要NADPH时，完整途径运行；需要核糖-5-磷酸超过NADPH时，可从糖酵解中间体逆转非氧化相NADPH主要用于还原性生物合成如脂肪酸合成和抗氧化防御核糖-5-磷酸则是核苷酸合成的重要前体G6PD缺乏是常见的遗传病，导致红细胞对氧化应激敏感，在服用某些药物后可能触发溶血脂肪酸氧化β氧化位点从羧基数第3个碳开始氧化4基本反应步骤脱氢-水合-再脱氢-硫解裂129棕榈酸ATP产量C16饱和脂肪酸完全氧化获得的ATP数9β-氧化循环数C18脂肪酸需要的β-氧化循环次数脂肪酸β-氧化是线粒体基质中的主要脂肪酸降解途径脂肪酸首先在细胞质中被激活为脂酰CoA，消耗1ATP长链脂酰CoA通过肉碱穿梭系统进入线粒体肉碱脂酰转移酶I在外膜将脂酰基从CoA转移至肉碱，脂酰肉碱穿过内膜，然后肉碱脂酰转移酶II将脂酰基转回CoA在基质中，β-氧化以四步循环进行

（1）脂酰CoA脱氢酶催化α-β碳之间脱氢，产生FADH₂；

（2）烯酰CoA水合酶催化双键加水；

（3）3-羟脂酰CoA脱氢酶催化羟基氧化，产生NADH；

（4）β-酮脂酰CoA硫解酶催化C-C键断裂，释放乙酰CoA并生成缩短两个碳原子的脂酰CoA饱和脂肪酸的每个β-氧化循环产生1FADH₂、1NADH和1乙酰CoA，缩短碳链两个碳原子不饱和脂肪酸需要额外酶辅助氧化，如顺式双键需要辅助异构酶将其转化为反式构型奇数碳链脂肪酸最终产生丙酰CoA，进一步转化为琥珀酰CoA进入TCA循环脂肪酸氧化的能量产率远高于糖类以棕榈酸C16:0为例，完全氧化可产生131ATP，考虑激活消耗2ATP，净产生129ATP，是葡萄糖产生的30-32ATP的4倍多脂肪酸合成脂肪酸合成酶底物转运合成循环真核生物脂肪酸合成酶是一个脂肪酸合成在细胞质中进行，脂肪酸合成始于乙酰CoA羧化多酶复合体，包含七种催化活而其主要底物乙酰CoA主要在为丙二酰CoA，由乙酰CoA羧性每个单体含有三个结构线粒体中产生三羧酸循环中化酶催化，这是合成的限速步域，形成二聚体执行功能复过量的乙酰CoA与草酰乙酸结骤丙二酰基转移至ACP，开合体设计使中间产物不释放，合形成柠檬酸，经柠檬酸穿梭始延长循环每个循环包括四而是在各活性位点之间转移，系统进入细胞质，再由ATP柠步缩合乙酰基与丙二酰基结大大提高了合成效率复合体檬酸裂解酶分解为乙酰CoA和合、还原β-酮基还原为β-羟中的酰基载体蛋白ACP携带正草酰乙酸线粒体产生的基、脱水形成α,β-不饱和酰在延长的脂酰链在各催化位点NADH则通过苹果酸-天冬氨酸基和再还原双键还原形成饱和间移动穿梭系统间接为细胞质提供还酰基每个循环碳链延长两个原力碳原子，通常进行7次循环生成C16脂肪酸棕榈酸脂肪酸合成与β-氧化在多方面存在差异

（1）合成在细胞质进行，而氧化在线粒体中；

（2）合成使用NADPH作为还原剂，氧化则生成NADH和FADH₂；

（3）合成中间体与ACP结合，氧化中间体与CoA结合；

（4）合成向C16方向延伸，而氧化则逐步缩短碳链；

（5）合成过程中脂酰链从ACP的硫醇基团延伸，而氧化是从羧基端开始甘油脂代谢1甘油三酯合成甘油三酯合成主要在肝脏和脂肪组织进行首先，甘油-3-磷酸从两个来源获得糖酵解的二羟丙酮磷酸还原，或甘油经甘油激酶磷酸化仅在肝脏接着，甘油-3-磷酸与两分子脂酰CoA酯化形成磷脂酸，磷脂酸去磷酸化生成甘油二酯，最后与第三分子脂酰CoA反应生成甘油三酯2脂肪动员与调控饥饿或运动状态下，脂肪组织中的甘油三酯被脂肪酶水解，释放游离脂肪酸和甘油进入血液这一过程受激素精细调控胰高血糖素、肾上腺素和去甲肾上腺素通过激活蛋白激酶A促进脂肪动员；胰岛素则抑制脂肪动员脂肪酸被肝脏、心脏和骨骼肌等组织摄取，经β-氧化分解供能3磷脂合成代谢磷脂合成的主要途径是Kennedy途径，以磷脂酸为前体磷脂酰胆碱PC合成需要胆碱经三步磷酸化和转移反应；磷脂酰乙醇胺PE则从乙醇胺出发合成肝脏还可通过PE的三次甲基化合成PC磷脂酰肌醇PI和心磷脂CL分别由CDP-甘油与肌醇反应和两分子磷脂酸缩合生成4脂蛋白代谢脂蛋白是水溶性复合物，负责脂质在血液中的运输乳糜微粒从小肠运输食物脂质；极低密度脂蛋白VLDL从肝脏输出内源性甘油三酯；低密度脂蛋白LDL携带胆固醇至外周组织；高密度脂蛋白HDL则介导胆固醇逆转运回肝脏脂蛋白脂酶在毛细血管内皮表面水解脂蛋白中的甘油三酯，供组织利用胆固醇代谢类固醇激素合成胆固醇转化为各种激素胆汁酸代谢肝脏转化胆固醇促进脂质消化胆固醇转运脂蛋白介导体内胆固醇分配胆固醇合成4乙酰CoA经多步反应形成固醇结构胆固醇生物合成是一个复杂的多步骤过程，主要在肝脏进行合成始于三分子乙酰CoA缩合形成HMG-CoA，随后由HMG-CoA还原酶还原为甲羟戊酸，这是合成的限速步骤甲羟戊酸经过多步磷酸化和脱羧形成异戊二烯基焦磷酸IPP和二甲基烯丙基焦磷酸DMAPP，这些五碳单位缩合形成角鲨烯角鲨烯经环化和一系列修饰最终生成胆固醇HMG-CoA还原酶是降胆固醇药物他汀类的靶点胆固醇在体内转运依赖脂蛋白系统肝脏分泌的VLDL携带甘油三酯和胆固醇至外周组织，在循环中逐渐失去甘油三酯转变为LDL，后者是向组织供应胆固醇的主要载体HDL则介导胆固醇逆转运，从外周组织收集过量胆固醇返回肝脏肝脏将部分胆固醇转化为胆汁酸，这些两亲性分子在小肠中形成胶束，促进脂溶性物质吸收胆汁酸在肠肝循环中95%被回收再利用在肾上腺、性腺等器官，胆固醇还可转化为皮质醇、醛固酮、雌激素和睾酮等类固醇激素氨基酸代谢概述转氨基作用转氨基作用是氨基酸氮原子代谢的第一步，由转氨酶催化氨基从氨基酸转移至α-酮戊二酸，生成新的氨基酸谷氨酸和相应的α-酮酸这一过程保留了氨基氮但改变了碳骨架，是氨基酸相互转化的基础谷氨酸是氨基氮的主要收集者，在转氨基反应网络中居于中心位置氧化脱氨基谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸的氧化脱氨基，释放氨并生成α-酮戊二酸这一反应连接转氨基作用和尿素循环，是氨基酸氮最终排出体外的关键步骤氧化脱氨基与转氨基作用共同构成了氨基酸氮代谢的主要途径，使蛋白质中的氮能以尿素形式安全排出尿素循环尿素循环是肝脏中将有毒氨转化为无毒尿素的过程循环始于线粒体中碳酸氢盐与氨结合形成氨甲酰磷酸，随后与鸟氨酸反应生成瓜氨酸瓜氨酸进入细胞质与天冬氨酸结合生成精氨基琥珀酸，后者分解为精氨酸和延胡索酸精氨酸水解释放尿素和鸟氨酸，完成循环一碳代谢一碳代谢涉及单碳单位的转移，在核苷酸合成和甲基化反应中至关重要叶酸作为一碳单位的主要载体，以四氢叶酸形式存在甲硫氨酸通过活化为S-腺苷甲硫氨酸SAM提供甲基基团用于DNA、RNA和蛋白质甲基化维生素B12参与甲基转移反应，协助叶酸和甲硫氨酸代谢氨基酸分解代谢氨基酸合成途径谷氨酸家族丝氨酸家族谷氨酸是多种氨基酸合成的中心枢纽，由α-酮戊二酸通过还原性氨基化产生谷氨丝氨酸由3-磷酸甘油酸经过氧化、转氨和去磷酸化三步反应合成甘氨酸可由丝氨酰胺由谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸与氨结合形成脯氨酸通过谷氨酸-γ-半醛中间酸通过丝氨酸羟甲基转移酶催化生成，同时产生一个一碳单位半胱氨酸的合成涉体由谷氨酸合成精氨酸在尿素循环中由鸟氨酸经瓜氨酸和精氨基琥珀酸中间体合及丝氨酸与高半胱氨酸的结合，后者来源于甲硫氨酸循环这些合成途径展示了氨成，而鸟氨酸则来自于谷氨酸基酸之间的代谢联系和一碳代谢的重要性天冬氨酸家族必需氨基酸天冬氨酸由草酰乙酸通过转氨基作用产生天冬酰胺由天冬酰胺合成酶催化天冬氨人体无法合成的必需氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酸与谷氨酰胺反应生成丙氨酸主要通过丙酮酸接受氨基形成，这一简单的转氨基赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和组氨酸（某些分类也将精氨酸视为条件性必需氨基反应在糖和氨基酸代谢之间建立了直接联系酪氨酸在肝脏中由苯丙氨酸经苯丙氨酸）这些氨基酸必须从食物中获取植物和微生物则拥有合成所有氨基酸的能酸羟化酶催化形成力，如通过分支链合成缬氨酸和亮氨酸，通过莽草酸途径合成芳香族氨基酸核苷酸代谢概述基本概念与结构代谢途径与调控核苷酸是和的基本构建单元，由含氮碱基、五碳糖和核苷酸可通过两条主要途径获得从头合成和救援合成从头合DNARNA一至三个磷酸基团组成根据碱基结构分为嘌呤核苷酸腺嘌呤成是复杂的多步骤过程，消耗大量能量，但可完全从简单前体合和鸟嘌呤和嘧啶核苷酸胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶核苷由成核苷酸嘌呤从头合成始于磷酸核糖焦磷酸，逐步构PRPP碱基与糖形成苷键连接，核苷酸则是核苷的磷酸酯脱氧核苷酸建嘌呤环；嘧啶合成则先构建嘧啶环，再与结合形成核苷PRPP中的核糖在位缺少羟基，专用于合成酸2DNA核苷酸不仅是核酸的组成单元，还在细胞代谢中发挥多种功能救援合成利用细胞中核酸降解产生的核苷和碱基，通过简单的磷是主要能量载体；参与蛋白质合成和信号转导；环化酸化或磷酸核糖转移反应重新生成核苷酸，能量消耗较低两种ATP GTP核苷酸和是重要的第二信使；辅酶如、合成途径相互补充，根据细胞代谢需求灵活调整核苷酸代谢受cAMP cGMPNAD⁺和辅酶含有腺嘌呤核苷酸部分；糖和脂等活化到多层次调控，主要通过反馈抑制和别构调节终产物如、FAD AUDP-CDP-ATP分子在生物合成中至关重要等抑制各自合成途径的关键酶，维持核苷酸平衡GTP嘌呤核苷酸代谢嘌呤从头合成嘌呤从头合成始于磷酸核糖焦磷酸PRPP，在谷氨酰胺的氨基转移下形成5-磷酸核糖胺接下来通过一系列10个酶促步骤，在磷酸核糖骨架上逐步构建嘌呤环这一过程的中间产物次黄嘌呤核苷酸IMP是腺嘌呤核苷酸AMP和鸟嘌呤核苷酸GMP的共同前体IMP转化为AMP需要GTP协助，而转化为GMP则需要ATP，这种交叉调控维持AMP和GMP的平衡救援合成途径嘌呤救援合成利用两类关键酶嘌呤核苷磷酸化酶将嘌呤核苷腺苷、鸟苷直接磷酸化为相应核苷酸；嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRT和APRT催化游离碱基次黄嘌呤、鸟嘌呤、腺嘌呤与PRPP反应生成核苷酸救援合成在能量消耗上比从头合成更经济，在某些组织如红细胞中尤为重要降解与代谢疾病嘌呤核苷酸降解最终生成尿酸，人类缺乏尿酸酶，无法进一步分解尿酸血尿酸水平过高可导致痛风，特征是尿酸盐晶体沉积在关节引起炎症莱希-尼汉综合征是由HGPRT缺陷引起的X连锁遗传病，表现为高尿酸血症和严重的神经系统症状嘌呤核苷磷酸化酶缺乏则导致严重的联合免疫缺陷，这些疾病反映了嘌呤代谢平衡的重要性嘧啶核苷酸代谢嘧啶从头合成嘧啶环形成嘧啶合成始于谷氨酰胺、ATP和碳酸氢盐反应形1氨甲酰天冬氨酸环化形成二氢尿嘧啶，继而氧化成氨甲酰磷酸，随后与天冬氨酸结合生成氨甲酰为尿嘧啶并与PRPP结合生成UMP天冬氨酸胸腺嘧啶合成核苷酸转化4dUMP在胸苷酸合成酶作用下甲基化形成dTMP，UMP经磷酸化形成UTP，部分UTP经胞苷三磷酸四氢叶酸提供甲基基团合成酶氨基化为CTP嘧啶核苷酸的从头合成与嘌呤不同，先构建嘧啶环，再与磷酸核糖结合尿嘧啶单磷酸UMP是所有嘧啶核苷酸的前体，通过磷酸化生成UTP，部分UTP经氨基化形成CTP脱氧核苷酸由核糖核苷酸还原酶催化相应核糖核苷酸生成，该酶是DNA合成中的关键酶，其活性受细胞周期严格调控胸腺嘧啶单磷酸dTMP的合成特别重要，由胸苷酸合成酶催化dUMP甲基化而成，甲基来源于N⁵,N¹⁰-亚甲基四氢叶酸在此反应中，四氢叶酸被氧化为二氢叶酸，需要二氢叶酸还原酶将其还原回四氢叶酸这一途径是多种抗代谢药物的靶点甲氨蝶呤抑制二氢叶酸还原酶；5-氟尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶此外，不同核苷酸类似物如阿糖胞苷、阿昔洛韦等通过干扰核苷酸代谢和DNA合成，被广泛用作抗病毒和抗肿瘤药物复制DNA复制是一个半保留式过程，新合成的链与原有的亲本链配对复制从特定的起始点开始，由起始蛋白识别并结合这些位点，招募解旋DNA DNA酶打开双螺旋单链结合蛋白稳定暴露的单链，防止其重新配对或形成二级结构复制沿两个方向进行，形成复制叉，每个复制叉包含领DNA先链和滞后链聚合酶仅能在方向合成，且需要引物领先链可连续合成，而滞后链则以短片段冈崎片段不连续合成引物酶在滞后链上周DNA5→3DNA期性合成引物，聚合酶从引物延伸合成随后，聚合酶的外切酶活性去除引物并填补空缺，最后由连接酶RNA DNA DNA DNAI5→3RNA DNA连接相邻片段真核生物复制更为复杂，涉及多种聚合酶聚合酶具有引物酶活性；聚合酶和负责领先链和滞后链合成；聚合酶和DNAαδεβγ参与修复和线粒体复制DNADNA修复与重组DNADNA损伤类型DNA损伤来源多样，包括内源性代谢产物如活性氧和外源性因素如紫外线、电离辐射和化学物质常见损伤包括碱基修饰如氧化、烷基化、碱基丢失形成无碱基位点、单链和双链断裂、碱基错配、胸腺嘧啶二聚体形成以及DNA链间交联等不同类型的损伤需要特异的修复机制修复机制细胞进化出多种DNA修复系统碱基切除修复清除修饰碱基；核苷酸切除修复去除大体积加合物；错配修复纠正复制错误；单链断裂修复通过连接酶直接修复；双链断裂修复则通过非同源末端连接或同源重组进行每种修复途径涉及损伤识别、受损DNA去除和正确序列恢复三个基本步骤DNA重组同源重组是在高度相似DNA序列间交换遗传信息的过程，对维持基因组完整性和产生遗传多样性至关重要重组始于双链断裂，接着3末端单链暴露并入侵同源双链DNA，形成D-环结构后续DNA合成和链交换可形成Holliday结构，通过特异性解析酶处理完成重组减数分裂重组是有性生殖的基础DNA修复缺陷与多种疾病相关着色性干皮症XP由核苷酸切除修复缺陷引起，患者对紫外线极度敏感，易发皮肤癌遗传性非息肉性结肠癌HNPCC源于错配修复基因突变范科尼贫血和乳腺癌易感基因BRCA1/2突变则影响DNA交联修复和同源重组这些疾病反映了DNA修复对维持基因组稳定性的关键作用转录与加工RNA转录起始真核生物转录起始复杂，需要多种转录因子协助RNA聚合酶结合启动子RNA聚合酶II负责mRNA合成需要基本转录因子TFIID、TFIIA、TFIIB等形成起始复合物TFIID中的TATA结合蛋白识别TATA盒，这是许多基因启动子中的保守序列增强子是远距离调控元件，通过与启动子区域形成DNA环，帮助招募转录激活因子2转录延伸RNA聚合酶沿DNA模板链5→3方向移动，催化互补RNA链合成在延伸过程中，DNA双链局部解开形成转录泡，新合成的RNA与DNA模板链短暂配对形成RNA-DNA杂交区，然后释放，允许DNA重新成双链真核生物RNA聚合酶II的C末端结构域在延伸过程中被磷酸化，这对招募RNA加工因子至关重要3RNA加工真核mRNA转录后需要广泛加工5端加帽甲基化鸟嘌呤核苷酸通过5-5三磷酸键连接发生在转录起始后不久；3端聚腺苷酸化由特异的序列信号引导；RNA剪接去除内含子并连接外显子这些修饰对mRNA稳定性、核质转运和翻译效率至关重要特殊的RNA如tRNA和rRNA也需要特定加工，如切割、碱基修饰和构象折叠RNA剪接机制RNA剪接由剪接体spliceosome执行，这是由snRNA和蛋白质组成的大型核糖核蛋白复合物剪接过程中，5剪接位点GU、3剪接位点AG和分支位点A被识别，通过两步转酯反应第一步5剪接位点断裂并与分支点A形成套索结构；第二步3剪接位点断裂并与5外显子连接，同时释放内含子套索可变剪接通过选择不同剪接位点，使单一基因产生多种mRNA和蛋白质异构体遗传密码与翻译密码子特性翻译阶段参与分子三联体起始起始因子、Met-tRNA、小亚基简并性延伸延伸因子、氨酰-tRNA、肽基转移酶无重叠终止释放因子、水分子、GTP通用性翻译后修饰糖基转移酶、蛋白激酶、蛋白酶遗传密码是RNA碱基序列与蛋白质氨基酸序列间的对应关系每三个核苷酸密码子指定一个氨基酸，共有64个密码子编码20种氨基酸和3个终止信号密码子具有简并性，即多个密码子可编码同一氨基酸；密码子间无重叠，按顺序阅读；起始密码子AUG编码甲硫氨酸；UAA、UAG和UGA为终止密码子密码子与氨基酸的对应关系在绝大多数生物中保持一致，表明遗传密码可能有共同起源蛋白质翻译在核糖体上进行，涉及mRNA、tRNA和多种蛋白因子核糖体由大小两个亚基组成，含有rRNA和蛋白质真核核糖体80S，由40S小亚基和60S大亚基组成；原核核糖体70S，由30S小亚基和50S大亚基组成核糖体含有三个关键位点A位点结合新的氨酰-tRNA；P位点容纳带有延长肽链的tRNA；E位点为脱酰基tRNA的出口翻译分为起始、延伸和终止三阶段，各有特异的因子参与翻译后修饰如切割、糖基化、磷酸化等进一步调整蛋白质结构和功能基因表达调控染色质水平调控1决定基因可及性的第一道屏障转录水平调控2控制基因表达启动与强度的主要机制RNA水平调控通过加工和降解调节mRNA寿命和数量蛋白质水平调控4翻译效率和蛋白质稳定性的精细控制原核生物基因表达调控以转录水平为主，典型例子是乳糖操纵子模型在无乳糖时，阻遏蛋白结合操作子阻止RNA聚合酶结合；乳糖存在时，与阻遏蛋白结合使其构象改变，离开操作子，允许转录进行原核调控还包括正调控如阿拉伯糖操纵子中的激活蛋白和衰减调控如色氨酸操纵子中的翻译偶联转录终止真核基因表达调控更为复杂多层次染色质水平调控包括组蛋白修饰乙酰化、甲基化等、DNA甲基化和染色质重塑；转录水平涉及增强子、沉默子和众多转录因子；RNA水平调控包括可变剪接、RNA编辑、miRNA抑制和RNA降解；蛋白质水平包括翻译起始控制、蛋白质修饰和泛素介导的蛋白质降解表观遗传调控是不改变DNA序列而影响基因表达的机制，如DNA甲基化和组蛋白修饰，可被环境因素影响并潜在地跨代传递信号转导系统G蛋白偶联受体系统酪氨酸激酶受体系统第二信使系统蛋白偶联受体是最大的膜受体家族，酪氨酸激酶受体包括胰岛素受体、表皮第二信使是细胞内小分子，将细胞表面信号放G GPCRRTK特征是跨膜七次的蛇形结构配体结合引起受生长因子受体等，结构特点是胞外配体结合域大并传递至细胞内靶点环腺苷酸由腺cAMP体构象变化，激活相关的异三聚体蛋白由和胞内酪氨酸激酶域配体结合导致受体二聚苷酸环化酶产生，主要通过激活蛋白激酶发挥GA、、三个亚基组成活化的亚基与化，触发交叉自磷酸化，创建结合位点招募含作用肌醇三磷酸和甘油二酯αβγGαβγ-1,4,5-IP3复合物分离，各自调节下游效应分子根据或结构域的信号蛋白关键下游通路由磷脂酶水解磷脂酰肌醇二磷酸GαSH2PTB DAGC-4,5-亚基类型，可分为刺激腺苷酸环化酶、包括激酶级联调控细胞增殖、产生触发内质网钙释放，而激活蛋GsRas-MAPIP3DAG抑制腺苷酸环化酶、激活磷脂酶和通路促进细胞生存和通白激酶钙离子本身是重要信使，通过钙调蛋GiGq CPI3K-AktPLCγ-PKC C调控小蛋白等亚型路调节细胞代谢白等蛋白介导信号G12/13G代谢整合与调控肌肉能量利用脂肪组织储能骨骼肌是主要能量消耗器官，依赖葡萄脂肪组织存储过剩能量为甘油三酯，在能糖、脂肪酸和酮体氧化供能，同时储存大量需求时动员脂肪酸，并分泌多种调节全量糖原用于急需身代谢的脂肪因子肝脏代谢中心脑部特殊需求肝脏是代谢枢纽，负责糖原储存与分解、大脑主要使用葡萄糖作为能源，但在长期糖异生、脂质合成与分解、胆固醇代谢、饥饿状态可适应使用酮体，神经元的特殊血浆蛋白合成和氨的解毒代谢支持高度活跃的信号传导2不同营养状态下机体代谢策略有显著差异进食后，高胰岛素低胰高血糖素状态促进葡萄糖摄取和利用、糖原和脂肪合成，抑制分解代谢肝脏摄取门静脉高浓度葡萄糖用于糖原合成和糖酵解；多余碳水化合物转化为脂肪酸；氨基酸用于蛋白质合成或转化为葡萄糖和脂肪禁食初期数小时，低胰岛素高胰高血糖素状态促进肝糖原分解维持血糖；延长禁食数天激活糖异生和脂肪动员，产生酮体供脑使用；长期饥饿数周则最小化蛋白质分解，主要依赖脂肪氧化和酮体供能生物化学实验技术分光光度法色谱分离技术分光光度法基于物质对特定波长光的吸收，用于定量分析紫外-可见光谱通色谱法基于不同物质在固定相和流动相中分配系数差异实现分离高效液相常用于蛋白质280nm和核酸260nm定量，以及酶活性测定荧光光谱利色谱HPLC通过高压使流动相通过紧密填充的固定相，提供高分离效率离用某些分子吸收光后发射较长波长光的特性，灵敏度远高于吸收光谱，适用子交换色谱利用分子带电性质差异分离离子化合物；亲和色谱基于特异性生于痕量物质检测圆二色谱则测量样品对左旋和右旋圆偏振光吸收差异，用物识别实现高选择性分离；凝胶过滤色谱则根据分子大小分离物质气相色于研究蛋白质二级结构谱和质谱联用GC-MS是挥发性化合物分析的强大工具电泳技术高级结构分析电泳技术利用带电分子在电场中移动速率差异实现分离聚丙烯酰胺凝胶电质谱分析通过测量分子离子的质荷比确定分子量，串联质谱可用于序列分泳PAGE常用于蛋白质分析，加入SDS可使蛋白质变性并带均一负电荷，实析核磁共振波谱NMR利用原子核在磁场中能级跃迁的特性，提供分子结现按分子量分离等电聚焦利用蛋白质等电点差异在pH梯度中分离脉冲场构的详细信息，可研究溶液中蛋白质的三维结构和动态变化X射线晶体学凝胶电泳用于分离大分子DNA毛细管电泳结合高效分离和微量样品需求，需要高质量晶体，但能提供原子级分辨率的结构信息冷冻电镜技术近年发广泛应用于基因组学和蛋白质组学研究展迅速，适用于研究无需结晶的大型蛋白质复合物典型习题解析复习策略与考试技巧构建知识框架首先理清生物化学各章节间的逻辑关系，绘制思维导图建立整体框架从生物分子结构出发，理解其功能特性，进而掌握代谢途径及调控尤其注意将碎片化知识点连接成网络，如将糖、脂肪、蛋白质代谢路径的交叉点和能量转换关系厘清，建立系统性认知分层次练习采用渐进式练习策略先进行基本概念和定义的单项练习，确保基础牢固；然后是复合型应用题，训练知识的灵活运用；最后是综合分析题，培养系统思考能力特别关注计算题的解题模板，如酶动力学参数计算、能量产率分析等，掌握标准解法并理解其原理模拟考试训练考前进行3-5次全真模拟，熟悉考试节奏和时间分配分析模拟测试结果，找出薄弱环节有针对性强化建议将较难的计算题和机制分析题放在做题顺序的中间位置，先解决基础题建立信心，再攻克难点，最后检查每次模拟后总结出现的新问题，防止类似错误再次发生资源整合利用除教材外，推荐经典参考书如《生物化学》（Lehninger著）、《生物化学原理》（Voet Voet著）等拓展深度理解线上资源如生物化学三维动画能直观展示分子机制；可汗学院等教育平台提供生动讲解组建学习小组定期讨论难点，相互出题检验实验技能考核前，可利用虚拟实验软件预习操作流程。