《生物化学教案》课件

生物化学教案欢迎来到生物化学课程！本课程将带领大家探索生命科学的分子基础，理解生物体内复杂的化学反应和调控机制通过系统学习蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物大分子的结构与功能，以及细胞代谢和基因表达的调控原理，你将获得扎实的生物化学理论基础和实验技能本课程教材采用《生物化学》（第四版，王镜岩主编）作为主要参考资料，同时推荐《生物化学原理》等国际经典教材作为补充阅读课程将Lehninger结合理论讲授、案例分析和实验教学，全面提升你的专业素养和科学思维能力绪论什么是生物化学生物化学的定义学科范围历史发展生物化学是研究生物体内化学物质结构、生物化学研究内容涵盖生物大分子（蛋从世纪的尿素合成到世纪的1920DNA性质及其变化规律的科学，它探索生命白质、核酸、糖类、脂类）的结构与功双螺旋结构发现，再到近年来的人类基活动的分子基础和化学本质作为生命能、代谢与能量转换、基因表达与调控、因组计划和蛋白质组学研究，生物化学科学的核心学科，生物化学致力于阐明信号转导等方面，是理解生命本质的基经历了从定性描述到分子水平定量研究生物大分子的结构与功能关系，以及复础学科的革命性发展，推动了生命科学的跨越杂的代谢网络和调控机制式进步生物化学与其他学科的关系分子生物学医学生物化学为分子生物学提供研究方法和理论疾病的发生发展往往与生化过程异常相关，基础，两者共同探索生命现象的分子机制，生物化学为医学诊断和药物研发提供分子理特别是在基因表达和调控领域紧密结合论基础，促进精准医疗发展遗传学药学生物化学揭示遗传物质的化学本质和表达机药物设计和开发依赖于对靶点分子的结构和制，为遗传学研究提供分子解释，两者协同功能的生化理解，生物化学为药物筛选和评推动生命科学发展价提供关键技术支持生命的分子基础96%主要元素比例碳、氢、氧、氮四种元素占人体总质量的，构成了生物大分子的基本骨架96%25必需元素人体必需的元素约种，包括大量元素和微量元素，各司其职254主要生物大分子蛋白质、核酸、糖类和脂类是构成生命的四大类生物大分子60%水含量水是生命活动的重要介质，约占人体重量的60%生物分子的种类与功能蛋白质核酸糖类脂类由氨基酸组成的多肽链，包括和，由核苷碳水化合物是生物体重要包括脂肪酸、甘油脂、磷DNA RNA是生命活动的主要执行者酸聚合而成，负责遗传信的能量来源和结构组分脂和固醇等，是细胞膜的蛋白质承担结构支持、催息的储存、传递和表达葡萄糖是细胞能量代谢的重要组分，也是能量储存化反应、信号传递、免疫是遗传物质的主要载主要底物，糖原和淀粉是的高效形式脂肪可储存DNA防御等多种生理功能，是体，参与基因表达的能量储存形式，纤维素构能量，磷脂构成生物膜，RNA细胞内含量最丰富的有机多个环节，如信使、成植物细胞壁，糖蛋白和固醇类如胆固醇维持膜流RNA物如肌动蛋白参与肌肉转运和核糖体等糖脂参与细胞识别和免疫动性，类固醇激素调节生RNA RNA收缩，抗体识别抗原，胰发挥特定功能反应理过程岛素调节血糖蛋白质化学基本知识氨基酸结构特点肽键形成与特点氨基酸是蛋白质的基本单位，由中心碳原子连接氨基、羧基、氢肽键是通过一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水α-α-原子和侧链基团构成侧链基团的化学性质决定了氨基酸的特缩合形成的共价键肽键具有部分双键特性，呈平面结构，围绕R性，可分为非极性、极性无电荷、酸性和碱性四大类肽键的旋转受到限制种常见氨基酸根据侧链性质表现出不同的理化特性，如疏水肽链具有方向性，从氨基端（端）到羧基端（端）蛋白质20N C性、亲水性、酸碱性等，这些特性直接影响蛋白质的折叠和功能的一级结构是指氨基酸在多肽链中的特定排列顺序，决定了蛋白质的基本性质和后续折叠方式蛋白质的高级结构与功能一级结构氨基酸的线性序列二级结构局部空间排列（螺旋、折叠）α-β-三级结构整个多肽链的三维折叠构象四级结构多个多肽链的空间组合蛋白质结构与功能密切相关，以血红蛋白为例，其四级结构由四条多肽链组成，每条链都含有一个血红素基团，能够可逆结合氧分子氧合时构象发生变化，表现出协同效应，提高了氧的运输效率这种精确的结构是其功能的物质基础蛋白质的理化性质溶解性受氨基酸组成影响，疏水氨基酸含量高的蛋白质水溶性差，亲水氨基酸含量高则水溶性好溶解性还受、温度、离子强度等因素影响pH等电点蛋白质分子所带正负电荷相等时的值，在此下蛋白质净电荷为零，溶解pH pH度最小，易于沉淀分离不同蛋白质因氨基酸组成不同而具有特定的等电点变性作用高温、强酸碱、有机溶剂等因素可破坏蛋白质的高级结构，导致其生物活性丧失某些变性是可逆的，多数情况下是不可逆的检测方法双缩脲反应（法）、考马斯亮蓝法、福林酚法等可用于蛋白质的定性和Biuret定量分析紫外吸收法利用蛋白质在有特征吸收峰进行检测280nm蛋白质的分离与分析盐析法利用不同蛋白质在不同盐浓度下的溶解度差异进行初步分离通过逐步增加硫酸铵等盐类的浓度，使不同蛋白质依次沉淀，实现分离这是蛋白质纯化的常用初步步骤层析技术包括凝胶过滤层析（分子筛）、离子交换层析、亲和层析等凝胶过滤根据分子大小分离；离子交换利用蛋白质电荷差异；亲和层析基于特异性生物识别现代高效液相色谱（）大大提高了分离效率HPLC电泳技术聚丙烯酰胺凝胶电泳（）和是分析蛋白质纯度和分子量的主要方法PAGE SDS-PAGE等电聚焦电泳可根据蛋白质等电点分离，二维电泳结合等电聚焦和，实SDS-PAGE现复杂混合物的高分辨率分离蛋白质组学利用质谱技术、生物信息学等方法研究生物体内全部蛋白质的表达、结构和功能为疾病诊断、药物开发提供了新思路，是后基因组时代的重要研究领域蛋白质的生物合成与降解1转录序列被聚合酶转录为前体，经剪接加工形成成熟DNA RNA mRNA mRNA输出成熟从细胞核输出到细胞质mRNA翻译核糖体按密码合成多肽链，运载氨基酸参与翻译过程mRNA tRNA修饰新合成的多肽链经折叠和修饰形成有活性的蛋白质降解泛素蛋白酶体系统和溶酶体系统参与蛋白质的降解与更新-酶的结构与功能酶的本质与特点催化机制酶的分类与命名酶是具有催化活性的生物大分子，绝大酶催化主要通过降低反应活化能、提供国际酶学委员会将酶分为六大类氧化多数为蛋白质，少数为（核酶）适宜的微环境、正确定向底物分子等方还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异RNA酶能显著加速生化反应速率而不改变化式实现诱导契合模型解释了酶与底物构酶和连接酶每种酶都有系统命名和学平衡，具有高效性、高特异性和可调结合时的构象变化，有助于理解酶的高常用名称控性等特点特异性系统命名反映酶催化的反应类型和底物酶的催化效率极高，催化效率比非催化酶催化过程通常包括底物结合、过渡态特征，如葡萄糖磷酸异构酶；常用-6-反应可提高倍酶分子形成、产物释放等步骤许多酶需要辅名通常更简短，如胰蛋白酶、聚合10^6-10^12DNA中含有活性中心，负责识别底物并催化因子（如金属离子）或辅酶（如维生素酶等了解酶的分类有助于理解其生化化学反应衍生物）参与催化功能酶促反应动力学酶的调节机制变构调节反馈抑制变构效应是酶活性调节的重要机制，通代谢终产物抑制该代谢途径的关键酶活过效应分子与酶的变构位点结合，引起性，形成负反馈调节，维持产物浓度的酶的构象变化，从而影响催化活性稳定基因表达调控共价修饰通过调节酶蛋白的合成和降解，控制酶通过磷酸化、乙酰化等可逆共价修饰改的总量，实现长期调节变酶的活性状态，响应细胞信号临床上许多疾病与酶活性异常相关例如，肝病患者血清转氨酶升高可作为肝细胞损伤的指标；心肌梗死导致肌酸激酶和乳酸脱氢酶等心肌酶谱变化；胰腺炎时血清淀粉酶和脂肪酶升高此外，某些酶的基因突变可导致遗传性代谢疾病，如苯丙酮尿症与苯丙氨酸羟化酶缺陷有关核酸化学基础核苷酸结构结构特点DNA核苷酸是核酸的基本单位，由含通常为双链结构，两条链通DNA氮碱基、五碳糖和磷酸基团组成过碱基互补配对（，）A-T G-C碱基包括嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤形成双螺旋中的糖为脱A DNA2-）和嘧啶（胞嘧啶、胸腺嘧啶氧核糖，磷酸与糖的和位连接G C

35、尿嘧啶）含有、、形成糖磷酸骨架是遗传T UDNA AG-DNA、四种碱基，含有、、信息的主要载体，具有自我复制C TRNA AG、四种碱基能力C U结构特点RNA通常为单链结构，但可通过分子内碱基配对形成二级结构中的RNA RNA糖为核糖，碱基中被替代种类多样，包括信使（）、T URNA RNA mRNA转运（）、核糖体（）和非编码等，参与基因RNA tRNA RNA rRNA RNA表达的不同环节的高级结构DNA染色体有丝分裂时高度浓缩的蛋白质复合体DNA-染色质纤维纤维，核小体进一步盘绕压缩30nm核小体缠绕组蛋白八聚体形成珠子串结构DNA超螺旋在空间扭曲形成的高级结构DNA双螺旋两条互补链围绕共同轴线螺旋缠绕的高级结构对基因表达调控具有重要意义染色质的松散与浓缩状态影响转录因子的可及性，从而调控基因的表达超螺旋结构可被拓扑异构酶调节，影响复制DNA DNA和转录过程某些结构异常与疾病相关，如脆性综合征与三核苷酸重复扩增有关DNA X的类型与功能RNA信使（）是转录后的产物，携带编码蛋白质的遗传信息真核生物具有帽子结构、多聚尾巴和非翻译区，这些结构影响的稳定性和翻RNAmRNADNA mRNA5AmRNA译效率转运（）呈三叶草结构，一端识别密码子，另一端携带氨基酸，是蛋白质合成的搬运工RNA tRNA核糖体（）与蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的工厂非编码包括微小（）、长链非编码（）等，参与基因表达调控，在RNA rRNARNA RNAmiRNA RNAlncRNA发育、疾病等过程中发挥重要作用随着研究深入，新型不断被发现，拓展了我们对功能的认识RNA RNA核酸的理化性质与分离技术1吸光特性2电泳分析核酸在处有最大吸收峰，可用于定量分析纯的琼脂糖凝胶电泳是分离片段的主要方法，可通过溴化乙锭染色在260nm DNA DNA约为，纯约为，偏离此值表明有蛋白质或紫外灯下观察聚丙烯酰胺凝胶电泳适用于分离小分子和A260/A

2801.8RNA

2.0DNA RNA其他污染核酸变性后吸光度增加（高色效应），可用于监测的变性电泳加入尿素或甲醛，可防止核酸形成二级结构，确保按分子量DNA熔解曲线分离3核酸杂交4分子克隆技术利用碱基互补配对原理，可检测特定序列杂交检测通过限制性内切酶切割、连接酶连接等步骤，将目的基因插入载体，Southern DNA序列，杂交检测序列，原位杂交可在组织切片中定位构建重组分子克隆的可进行大量扩增和功能研究，是分子Northern RNADNA DNA核酸杂交严谨度受温度、离子强度等影响，可通过调整条件控制特生物学的核心技术，也是基因工程的基础异性糖类的结构与功能单糖最简单的糖类分子，不能水解为更小的糖单位常见单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖等六碳糖（己糖）最为常见，如葡萄糖是细胞能量代谢的主要底物单糖可以直线形式或环状形式存在，水溶液中主要以环状形式存在二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成常见二糖包括蔗糖（葡萄糖果糖）、麦芽糖（葡萄+糖葡萄糖）、乳糖（葡萄糖半乳糖）蔗糖是植物中主要的运输糖，乳糖是哺乳动++物乳汁中的主要糖类多糖由多个单糖通过糖苷键连接而成的大分子根据组成可分为同多糖（如淀粉、糖原、纤维素）和杂多糖（如透明质酸、肝素）淀粉和糖原是重要的能量储存形式，纤维素是植物细胞壁的主要成分，结构多糖在生物体中起支持和保护作用复合糖糖与蛋白质或脂质结合形成的复合物，如糖蛋白和糖脂细胞表面的糖蛋白和糖脂参与细胞识别、免疫反应和信号传导某些糖蛋白如抗体在免疫系统中发挥重要作用，糖基化修饰影响蛋白质的稳定性和功能糖类的理化性质与检测检测方法适用糖类原理结果判断斐林试验还原糖碱性条件下，还原糖生成砖红色沉淀还原⁺为⁺Cu²Cu班氏试剂还原糖类似斐林试验，但试生成红色沉淀剂更稳定碘碘化钾多糖淀粉与碘形成复合物蓝色或紫色-苯酚硫酸所有糖类糖类脱水形成糠醛衍橙红色或紫色-生物蒽酮试验所有糖类糖类脱水与蒽酮反应蓝绿色糖类的变旋现象是指某些单糖溶于水后，比旋光度随时间变化直至达到平衡这是由于环状构型（型和α型）之间的相互转化导致的例如，新制备的葡萄糖溶液的比旋光度为°，随时间逐渐降低，βα-D-+112最终达到平衡值°+

52.7糖类的异构现象十分丰富，包括立体异构（如型和型）、环状异构（如呋喃型和吡喃型）以及变旋异D L构（如型和型）这些异构体具有不同的理化性质和生物活性，对糖类在生物体内的功能具有重要影αβ响多糖与细胞外基质淀粉糖原纤维素植物储能多糖，由直链淀粉（动物储能多糖，结构类似支链淀植物细胞壁的主要成分，由α-β-糖苷键）和支链淀粉（粉但分支更多主要存在于肝脏糖苷键连接的葡萄糖长链组1,4α-1,4和糖苷键）组成淀和肌肉中，作为葡萄糖的储存形成分子间氢键使纤维素形成高1,4α-1,6粉粒是植物细胞内储存葡萄糖的式肝糖原可以在血糖水平低时度有序的微纤维结构，赋予植物主要形式，在种子、块茎等储藏分解释放葡萄糖，维持血糖稳定；细胞壁强度和刚性人类缺乏分器官中含量丰富淀粉是人类膳肌糖原主要供应肌肉收缩所需能解糖苷键的酶，不能消化β-1,4食中碳水化合物的主要来源量纤维素糖胺聚糖动物结缔组织中的酸性杂多糖，包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素等它们是细胞外基质的重要组分，与蛋白质形成蛋白多糖复合物透明质酸具有保水性和润滑作用，广泛存在于皮肤、关节液等组织中脂类分子的类型脂肪酸甘油脂与磷脂固醇与衍生物脂肪酸是由碳氢链和末端羧基组成的长甘油三酯是由甘油与三个脂肪酸分子酯固醇类以环戊烷多氢菲为基本骨架，胆链脂肪族羧酸，是构成复杂脂类的基本化形成的中性脂，是生物体内最丰富的固醇是动物细胞膜的重要组分，调节膜单位根据碳链中是否含有双键，可分储能脂类，主要存在于脂肪组织中磷的流动性和稳定性固醇衍生物包括胆为饱和脂肪酸（如棕榈酸、硬脂酸）和脂是生物膜的主要成分，由甘油或鞘氨汁酸、类固醇激素和维生素等，发挥多D不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸）醇、脂肪酸和含磷极性基团组成种生理功能必需脂肪酸（如亚油酸、亚麻酸）人体磷脂分子具有亲水性头部和疏水性尾部，类固醇激素包括糖皮质激素、性激素等，不能合成，必须从食物中获取脂肪酸形成双分子层结构构成生物膜常见磷参与调节代谢、免疫、生殖等过程胆是重要的能量来源，通过氧化分解产脂包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷汁酸促进脂类消化吸收，维生素调节钙β-D生大量脂酰丝氨酸等磷代谢ATP脂类的结构与物理化学性质饱和与不饱和脂肪酸顺反异构饱和脂肪酸碳链中不含双键，分子呈直链状，可紧密堆积，熔点较高，不饱和脂肪酸中的双键可以呈顺式（）或反式（）构型天然cis trans室温下多为固态（如动物脂肪）不饱和脂肪酸含有一个或多个双键，不饱和脂肪酸多为顺式构型，碳链在双键处弯曲反式脂肪酸主要来碳链呈弯曲状，分子间堆积疏松，熔点较低，室温下多为液态（如植自工业氢化过程，分子形状接近饱和脂肪酸，与心血管疾病风险增加物油）相关两亲性与胶束形成脂类分析方法磷脂等两亲性脂质分子在水中可形成胶束、双分子层或脂质体等结构薄层色谱（）和气相色谱（）是分离分析脂类的常用方法质TLC GC胶束是极性头部朝外、疏水尾部朝内的球形聚集体；脂质体是包含水谱技术结合液相色谱可用于脂质组学研究脂类提取通常采用氯仿甲-性内部的脂质双分子层囊泡，可用于药物递送醇混合溶剂（法）苏丹染料可特异性染色脂类进行组织化学检Folch测生物膜结构与功能磷脂双分子层膜蛋白生物膜的基本骨架，由磷脂分子排列形成根据与脂双层的结合方式分为跨膜蛋白、周磷脂极性头部朝向水相，疏水尾部相互靠拢12边蛋白和脂锚定蛋白膜蛋白功能多样，包形成疏水核心这种结构既保持了膜的稳定括转运蛋白、受体蛋白、酶、结构蛋白等，性，又赋予了膜一定的流动性是膜功能的主要执行者糖脂与糖蛋白胆固醇位于细胞膜外侧表面的糖基化分子，形成糖动物细胞膜中的重要组分，调节膜的流动性萼参与细胞识别、免疫反应和细胞黏附等和机械强度在低温下防止膜过度僵硬，在3过程某些病毒和细菌通过识别特定的膜糖高温下减少膜的流动性，维持膜的适当物理分子侵入宿主细胞状态流动镶嵌模型（）是当前被广泛接受的生物膜模型，由和于年提出该模型描述膜是一Fluid MosaicModel SingerNicolson1972个动态结构，脂质和蛋白质可在二维平面内自由扩散膜的流动性受温度、脂肪酸组成和胆固醇含量的影响维生素与辅酶维生素分类辅酶形式生化功能缺乏症维生素₁水溶性硫胺素焦磷酸酮酸脱羧脚气病Bα-TPP维生素₂水溶性氧化还原反应口角炎B FAD,FMN维生素₃水溶性⁺⁺氧化还原反应癞皮病B NAD,NADP维生素₆水溶性磷酸吡哆醛氨基转移皮炎、神经炎BPLP维生素₁₂水溶性腺苷钴胺甲基转移恶性贫血B维生素水溶性直接作用抗氧化、羟化坏血病C维生素脂溶性视黄醛视觉、生长夜盲症A维生素脂溶性钙化醇钙磷代谢佝偻病D辅酶是参与酶催化反应的非蛋白质有机分子，许多辅酶是由维生素衍生而来辅酶通常作为载体参与特定化学基团的转移反应，如电子、氢原子、酰基、糖基或甲基等与酶蛋白结合后，辅酶形成完整的活性酶分子（全酶）水和无机盐的生物学作用水的特性与功能生物无机离子水是生物体内最丰富的化合物，占成人体重的水分无机盐以离子形式存在于体液中，维持渗透压和酸碱平衡钠、60-70%子具有极性和形成氢键的能力，这些特性使水成为优良的溶剂，钾、氯离子参与维持细胞膜电位和神经冲动传导钙离子作为第能溶解多种极性和带电物质水的高比热容有助于维持体温恒定，二信使参与信号转导，也是骨骼和牙齿的主要成分镁离子是多高汽化热使出汗能有效散热种酶的辅助因子，与结合参与能量转移ATP水参与多种生化反应，如水解反应和缩合反应水的高表面张力微量元素如铁、锌、铜、锰、钴、硒等虽含量极少，但对生命活和黏性对维持细胞结构和生物体机械性能至关重要水的密度异动必不可少铁是血红蛋白和细胞色素的组成部分，参与氧运输常（℃时最大）使水体结冰时从表面开始，保护水生生物在寒和电子传递锌是多种酶（如碳酸酐酶、聚合酶）的组成4DNA冷环境中生存成分，对核酸代谢和蛋白质合成至关重要细胞代谢总论代谢的定义与特点合成代谢（同化作用）代谢（）是指生物体内发生的所有化学反应的总和，包括物质的合合成代谢（）是指简单分子合成复杂分子的过程，通常需要消耗能Metabolism Anabolism成、分解和转化过程代谢过程具有高度有序性、方向性和精确调控性，由酶量（吸热反应）例如，氨基酸合成蛋白质、脂肪酸合成脂肪、核苷酸合成核催化完成，并与能量转换紧密相连酸等这些过程对细胞生长、修复和繁殖至关重要分解代谢（异化作用）代谢途径与调控分解代谢（）是指复杂分子分解为简单分子的过程，通常释放能量代谢途径是一系列连续的酶促反应，形成复杂的代谢网络关键酶（限速酶）Catabolism（放热反应）例如，糖的氧化分解、脂肪酸氧化、蛋白质的水解等这些控制代谢流向和速率，受多种因素调控，如底物浓度、产物反馈、辅因子可用β-过程为生物体提供能量，维持生命活动性、激素信号和基因表达等，确保代谢的精确协调生物氧化与能量转换底物氧化生物氧化始于底物（如葡萄糖、脂肪酸）的初步氧化，脱氢过程中的电子被⁺NAD或接受，形成或₂这一过程主要发生在三羧酸循环和氧化等FAD NADH FADHβ-代谢途径中电子传递链和₂携带的高能电子通过线粒体内膜上的呼吸链复合物（）依NADHFADHI-IV次传递，最终传给分子氧形成水电子在传递过程中释放的能量用于将质子（⁺）从线粒体基质泵入膜间隙，形成质子浓度梯度和电化学势能H氧化磷酸化质子沿浓度梯度通过合酶（复合物）流回基质，释放的能量用于催化ATP V和无机磷酸（）合成，这一过程称为氧化磷酸化这是有氧细胞ADP PiATP获取能量的主要方式，产生的用于支持各种生命活动ATP米切尔的化学渗透学说解释了呼吸链电子传递与合成的偶联机制每个通过完ATP NADH整的呼吸链可产生约个分子，而₂可产生约个呼吸链抑制剂

2.5ATP FADH

1.5ATP（如氰化物、一氧化碳）和解偶联剂（如二硝基酚）可干扰的产生过程，导致2,4-ATP严重的生理后果糖代谢概述能量投资阶段糖酵解的前半部分，消耗个将葡萄糖转化为两分子甘油醛磷酸2ATP-3-能量收获阶段糖酵解的后半部分，将甘油醛磷酸转化为丙酮酸，产生个和个-3-4ATP2NADH有氧条件丙酮酸进入线粒体，经过脱羧转变为乙酰，进入三羧酸循环CoA无氧条件丙酮酸转化为乳酸（动物组织）或乙醇（酵母），再生⁺以维持糖酵解NAD糖酵解是分解葡萄糖的第一个阶段，是一条古老的代谢途径，在几乎所有生物中都存在这一过程不需要氧气参与，发生在细胞质中糖酵解的关键调节酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，-1它们控制着糖酵解的流速糖酵解途径除了分解葡萄糖产生能量外，还为生物合成提供重要的中间产物例如，二羟丙酮磷酸用于甘油合成，进而合成甘油脂；磷酸甘油酸可用于某些氨基酸的合成了解糖酵解对理解细胞能量3-代谢和生物合成至关重要有氧与无氧代谢糖异生与糖原代谢糖异生糖原代谢糖异生是从非糖前体（如丙酮酸、乳酸、甘油和某些氨基酸）合糖原是动物体内主要的葡萄糖储存形式，尤其丰富于肝脏和肌肉成葡萄糖的过程，是糖酵解的逆转过程，但并非简单的逆转糖糖原合成（糖原生成）从葡萄糖开始，由糖原合酶催化将UDP-异生主要发生在肝脏，少量在肾脏，对维持血糖稳定至关重要，葡萄糖残基转移到已有糖原链上，主要形成糖苷键；支α-1,4特别是在空腹和饥饿状态下链酶催化形成糖苷键，产生分支结构α-1,6糖异生与糖酵解共享大部分酶，但有三个不可逆步骤需要特殊的糖原分解由磷酸化酶催化，逐个从非还原端释放葡萄糖磷酸；-1-绕道反应丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸，由丙酮酸羧化酶和对于分支点，需要转移酶和去支酶协同作用肝糖原分解可释放1→磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化；果糖二磷酸果糖葡萄糖到血液中，而肌糖原分解产物主要在肌肉细胞内利用胰2-1,6-→-磷酸，由果糖二磷酸酶催化；葡萄糖磷酸葡岛素促进糖原合成，而胰高血糖素和肾上腺素促进糖原分解，通6--1,6-3-6-→萄糖，由葡萄糖磷酸酶催化过磷酸化级联调控相关酶的活性-6-脂类代谢基础脂肪酸活化转运进入线粒体脂肪酸与辅酶结合形成脂酰，需消耗1通过肉碱穿梭系统将长链脂酰转运到线粒体A CoAATP CoA基质最终氧化氧化循环β-乙酰进入三羧酸循环完全氧化，和每个循环脱去个碳，产生乙酰、和CoA NADH2CoA NADH3₂通过呼吸链产生₂FADH ATP FADH脂肪酸氧化是脂肪酸氧化的主要方式，每轮循环包括四个步骤脱氢反应，形成反式双键；水合反应，加入水分子；再次脱氢，形成酮酰；β-123β-CoA硫解反应，裂解产生乙酰和缩短两个碳的脂酰每轮氧化产生个₂、个和个乙酰4CoA CoAβ-1FADH1NADH1CoA脂肪酸合成在细胞质中进行，以乙酰为原料，提供还原力，通过脂肪酸合酶复合体催化虽然与氧化的反应步骤相似，但脂肪酸合成使用不同CoA NADPHβ-的酶系统，并形成饱和脂肪酸脂肪酸合成和氧化受激素（如胰岛素、肾上腺素）和能量状态精密调控，以维持能量平衡胆固醇与类脂代谢合成起始从乙酰开始，经还原为甲羟戊酸，这是胆固醇合成的限速步骤CoA HMG-CoA鲨烯形成多个异戊二烯单位缩合形成鲨烯，这是胆固醇合成的中间产物环化反应鲨烯环化形成羊毛甾醇，随后经多步转化最终形成胆固醇转化利用胆固醇可进一步转化为胆汁酸、类固醇激素和维生素D胆固醇是细胞膜的重要组分，也是合成胆汁酸、类固醇激素和维生素的前体胆固醇主要在肝脏合D成，合成过程中的关键酶是还原酶，它催化还原为甲羟戊酸他汀类药物HMG-CoA HMG-CoA（如辛伐他汀）通过抑制这一酶的活性来降低胆固醇合成，是治疗高胆固醇血症的主要药物胆固醇在体内以脂蛋白形式运输，包括低密度脂蛋白（，坏胆固醇）和高密度脂蛋白（，LDLHDL好胆固醇）将胆固醇从肝脏运往外周组织，则将过量胆固醇从外周组织运回肝脏以清除LDL HDL血浆水平升高与冠心病风险增加相关，而水平升高具有保护作用LDL HDL氨基酸代谢Ⅰ氨基酸循环利用蛋白质合成或其他生物合成转氨基作用氨基转移至酮酸形成新氨基酸α-脱氨基作用去除氨基产生氨和酮酸α-氨的解毒尿素循环转化氨为无毒尿素转氨基作用是氨基酸代谢的重要途径，由转氨酶催化，将氨基酸的氨基转移给酮酸，生成新的氨基酸和相应的酮酸这一过程需要维生素₆（磷酸吡哆醛）作α-α-B为辅酶转氨基作用是氨基酸之间氮原子交换的主要方式，也是连接氨基酸代谢和碳水化合物代谢的桥梁氨的解毒主要通过尿素循环完成，主要在肝脏进行尿素循环包括五个酶促步骤，分别在线粒体和细胞质中进行第一个反应由碳酰磷酸合酶催化，将氨、二氧化碳I和转化为碳酰磷酸，这是循环的限速步骤最终产物尿素通过血液运往肾脏，经尿液排出体外尿素循环障碍可导致高氨血症，严重时危及生命ATP氨基酸代谢Ⅱ碳骨架代谢氨基酸脱氨后的碳骨架（酮酸）可进入多种代谢途径根据去向，氨基酸可分为生糖氨基α-酸（转化为葡萄糖）、酮生氨基酸（转化为酮体）和两者兼有的氨基酸例如，丙氨酸、谷氨酸等可转化为三羧酸循环中间产物或葡萄糖特殊代谢产物某些氨基酸是重要生物活性分子的前体色氨酸是羟色胺（血清素）的前体，参与神经传5-递；组氨酸脱羧形成组胺，参与过敏反应；酪氨酸是儿茶酚胺（肾上腺素等）和黑色素的前体；甲硫氨酸提供甲基，参与甲基化等DNA代谢异常疾病氨基酸代谢酶缺陷可导致严重疾病苯丙酮尿症由苯丙氨酸羟化酶缺陷引起，导致苯丙氨酸积累，影响脑发育；枫糖尿症由支链氨基酸脱氢酶复合体缺陷引起；高半胱氨酸血症增加心血管疾病风险；白化病与酪氨酸酶缺陷有关苯丙酮尿症（）是常见的氨基酸代谢疾病，由苯丙氨酸羟化酶基因突变引起患者体内苯丙氨PKU酸不能正常转化为酪氨酸，导致苯丙氨酸及其代谢产物积累，干扰脑发育和功能临床表现为进行性智力障碍、癫痫、行为异常等早期诊断（新生儿筛查）和及时干预（限制苯丙氨酸饮食）可有效预防智力损害核苷酸的代谢嘌呤核苷酸代谢嘧啶核苷酸代谢嘌呤核苷酸（如、）可通过从头合成和补救合成两条嘧啶核苷酸（如、、）合成始于碳酰磷酸和天AMP GMPUMP CMPTMP途径形成从头合成以磷酸核糖焦磷酸（）为起点，经多冬氨酸，形成二氢乳清酸，再经多步反应形成，进而转化PRPP UMP步反应形成肌苷酸（），再分别转化为和补救为其他嘧啶核苷酸嘧啶合成的关键酶是天冬氨酸转氨甲酰酶，IMP AMPGMP合成则利用已有的嘌呤碱基或核苷，在磷酸核糖基转移酶受反馈抑制PRPP CTP的催化下再生核苷酸嘧啶核苷酸分解产物如氨基异丁酸和丙氨酸等，最终可转β-β-嘌呤核苷酸分解最终形成尿酸，由黄嘌呤氧化酶催化人类缺乏化为三羧酸循环中间物质进一步代谢核苷酸代谢的调控精密复尿酸酶，无法进一步分解尿酸尿酸在血液中溶解度低，浓度过杂，可通过反馈抑制、变构效应和底物水平调控等机制实现某高可沉淀形成尿酸盐结晶，导致痛风痛风治疗药物别嘌醇通过些抗肿瘤药物和抗病毒药物通过干扰核苷酸代谢发挥作用抑制黄嘌呤氧化酶降低尿酸生成核酸的生物合成机制1解链解旋酶催化双链解开，形成复制叉DNA DNA引物合成聚合酶（引发酶）合成引物RNA RNA链延伸聚合酶沿模板链延伸新链，按碱基互补配对原则DNA后处理去除引物，填补空缺，连接片段RNA复制是半保留复制方式，新合成的两条链中各有一条来自原始复制过程中，领先链连续DNA DNA DNA合成，而滞后链以短片段（冈崎片段）不连续合成，然后由连接酶连接聚合酶具有合DNA DNA5→3成活性和校对功能，确保复制的高保真度复制起始于特定的起始点，在细胞周期期进行3→5S转录由聚合酶催化，以的一条链为模板，合成与另一条链互补的转录起始于启动RNA RNADNA RNA子区域，聚合酶识别特定序列并结合，在转录因子辅助下开始合成真核生物前体需要RNARNAmRNA经过加帽、剪接和多聚腺苷酸化等加工过程，去除内含子，形成成熟转录过程受多种因素精细mRNA调控，是基因表达的重要环节蛋白质的生物合成过程翻译起始核糖体小亚基与结合，识别起始密码子mRNA肽链延伸2将氨基酸按密码子顺序添加到新肽链tRNA翻译终止遇到终止密码子，释放因子介导肽链释放翻译后修饰蛋白质折叠、切割和化学修饰获得功能蛋白质合成是根据序列中的遗传信息合成多肽链的过程遗传密码是以三个核苷酸（密码子）为单位的，个密码子编码种氨基酸和终止信号起始密码子通mRNA6420常是，编码甲硫氨酸；终止密码子包括、和翻译过程需要多种因子参与，包括起始因子、延伸因子和释放因子AUG UAAUAG UGA翻译后修饰对蛋白质获得完全功能至关重要常见修饰包括切除信号肽、二硫键形成、糖基化、磷酸化、乙酰化、泛素化等这些修饰可影响蛋白质的结构、稳定性、定位和活性例如，胰岛素从前体蛋白切除肽后才具有活性；许多分泌蛋白和膜蛋白需要糖基化修饰；蛋白激酶活性常通过磷酸化调控蛋白质合成和修饰过程中的异常可导C致多种疾病代谢的整体调控胰岛素是主要的同化激素，促进葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的利用与储存胰岛素通过结合细胞表面受体，激活胞内信号转导途径，增加葡萄糖转运体向细胞膜转位，促进葡萄糖摄取；同时激活糖原合酶、乙酰羧化酶等酶，促进糖原合成和脂肪酸合成，并GLUT4CoA抑制糖异生和脂肪分解胰高血糖素和肾上腺素是主要的异化激素，在低血糖或应激状态下分泌增加，通过激活腺苷酸环化酶蛋白激酶信号通路，-cAMP-A促进糖原分解和糖异生，升高血糖；同时促进脂肪分解，释放脂肪酸其他代谢调节激素包括皮质醇、甲状腺激素、生长激素等，它们协同作用，根据机体需求精确调控各种代谢途径，维持能量平衡和内环境稳定物质代谢的相互联系脂代谢蛋白质代谢脂肪酸氧化产生乙酰，进入氨基酸脱氨后的碳骨架可转化为三羧β-CoA三羧酸循环完全氧化；甘油骨架可通酸循环中间体或糖异生底物；某些氨糖代谢能量代谢过磷酸二羟丙酮与糖代谢相连；乙酰基酸可转化为乙酰或酮体；氨基CoA是脂肪酸合成的底物，过量糖可酸也是蛋白质、肽类和含氮化合物合葡萄糖可通过糖酵解产生丙酮酸，进CoA三羧酸循环是各类营养物质氧化的共转化为脂肪储存成的基本单位而形成乙酰进入三羧酸循环；也同通路，将碳水化合物、脂肪和蛋白CoA可通过磷酸戊糖途径生成核糖和质的分解产物转化为₂和₂，CO HO，支持核酸和脂肪酸合成；同时产生；高能化合物（如NADPH ATP糖异生则利用非糖前体合成葡萄糖、、）连接各种代ATP GTPNADPH谢途径23生物信号转导与调控受体激活信号分子（如激素、神经递质、生长因子）结合特异性受体，引起受体构象变化或聚集，激活胞内信号转导第二信使生成受体激活引起第二信使（如、、₃、、⁺）水平变化，这些小分子在细胞内扩散，放大初始信号cAMP cGMPIP DAGCa²蛋白激酶级联第二信使激活蛋白激酶（如、、），通过连续的磷酸化反应形成级联放大，传递信号到细胞核或其他靶点PKA PKCMAPK细胞响应信号传导最终导致靶蛋白（如酶、转录因子、细胞骨架蛋白）活性改变，引起细胞代谢、基因表达、形态或分化等变化是经典的第二信使，由腺苷酸环化酶在激素（如肾上腺素、胰高血糖素）受体激活后合成主要通过激活蛋白激酶（）发挥作用，磷酸化多种靶蛋白，调控代谢、基因表达等过程磷酸cAMP cAMPA PKAPKA二酯酶通过水解终止信号茶碱、咖啡因等药物通过抑制磷酸二酯酶延长作用cAMP cAMP钙离子是另一重要信使，静息细胞中胞质⁺浓度极低，刺激可导致胞内⁺快速升高₃介导的内质网⁺释放和电压门控⁺通道介导的胞外⁺内流是主要来源⁺通过结合钙调蛋白（）Ca²Ca²IP Ca²Ca²Ca²Ca²CaM调节多种靶蛋白，包括激酶、磷酸酶、肌球蛋白轻链激酶等，参与肌肉收缩、神经传递、细胞分裂等过程CaM生物化学与健康糖尿病的分子机制遗传代谢病生物标志物应用糖尿病是常见的代谢性疾病，分为型（胰遗传代谢病是由单基因缺陷导致的酶或转生物标志物是反映正常或病理过程的可测1岛细胞破坏导致胰岛素绝对缺乏）和型运蛋白功能异常，包括氨基酸代谢障碍量指标，可用于疾病诊断、分期、预后评β2（胰岛素抵抗和相对胰岛素不足）型糖（如苯丙酮尿症）、糖代谢障碍（如半乳估和治疗监测如肝功能中转氨酶可反映1尿病多由自身免疫导致；型与肥胖、遗传糖血症）、溶酶体贮积病（如高雪氏病）肝细胞损伤；心肌标志物（如肌钙蛋白）2因素相关，涉及胰岛素受体信号通路异常、等这些疾病通常遵循孟德尔遗传规律，用于心肌梗死诊断；肿瘤标志物（如、PSA葡萄糖转运体功能下降等分子机制许多可通过新生儿筛查早期诊断）辅助癌症筛查和监测；基因突变检AFP测指导靶向治疗选择药物作用的分子基础靶点蛋白类型药物靶点主要包括受体（如蛋白偶联受体、离子通道）、酶（如蛋白激酶、组织蛋白酶）、G转运体（如神经递质转运体）和结构蛋白等据统计，蛋白偶联受体是约临床药G30-40%物的靶点，离子通道和酶各占约10-15%药物靶点相互作用-药物通过多种非共价键与靶点结合，包括氢键、离子键、疏水相互作用和范德华力等结合力的强弱决定药物的亲和力，对药效至关重要药物与靶点的结合遵循结构互补原则，类似锁和钥匙的关系，结构微小变化可显著影响结合能力酶抑制剂设计酶抑制剂是重要的药物类型，可分为可逆性和不可逆性抑制剂竞争性抑制剂与底物竞争活性中心；非竞争性抑制剂结合其他位点改变酶构象抑制剂设计策略包括基于底物结构的类似物设计、过渡态模拟物、机制为基础的抑制剂等药物抗性机制长期药物治疗可导致耐药性，分子机制包括靶点突变减弱药物结合、靶点表达水平变化、药物代谢或外排增强、替代通路激活等理解耐药机制有助于开发新一代药物或联合用药策略，如多靶点联合治疗显著降低了耐药风险HIV分子生物学基本技术聚合酶链式反应测序与基因编辑PCR DNA是体外扩增特定片段的技术，基于聚合酶的催化测序技术经历了从测序到高通量测序的革命性发展PCR DNADNADNA Sanger作用和温度循环每个循环包括变性（℃，双链分测序基于链终止法，适用于短片段精确测序；第二代测94-96DNASanger离）、退火（℃，引物与模板结合）和延伸（℃，序（）如技术基于边合成边测序原理，可并行测50-6572NGS Illumina聚合酶合成新链）三个步骤使用耐热聚合酶（如序数百万片段；第三代测序如和DNADNADNA PacBioOxford聚合酶）可在高温下保持活性技术可直接测序单分子，读长更长Taq NanoporeDNA技术广泛应用于基因克隆、遗传诊断、法医鉴定等领域是近年革命性的基因编辑技术，由引导PCR CRISPR-Cas9RNA实时荧光定量（）通过检测每个循环中产生的荧光信（）和核酸酶组成引导精确识别靶序PCR qPCRgRNA Cas9gRNA Cas9号，实现的精确定量反转录（）结合反转列并切割，利用细胞自身修复机制可实现基因敲除、插入DNA PCRRT-PCR DNA录酶，可检测表达近年来发展的数字提供了更高的或点突变技术因其简便、高效、精准的特点，广泛应RNA PCRCRISPR灵敏度和绝对定量能力用于基础研究、疾病模型构建和基因治疗等领域，为精准医学提供了强大工具组学与合成生物学基因组学研究生物体全部基因组的序列及其变异，包括结构基因组学和功能基因组学高通量DNA测序技术和生物信息学分析使得人类基因组计划等大规模测序项目得以实现基因组学为理解遗传变异与疾病关系、物种进化等提供了基础转录组学研究特定时间、特定条件下细胞或组织中所有的集合，反映基因表达情况测RNARNA序（）是主要技术手段，可分析转录本丰度、可变剪接、基因融合等单细胞RNA-seq转录组学技术近年发展迅速，揭示了细胞异质性和发育轨迹蛋白质组学研究生物体内所有蛋白质的表达、结构和功能质谱技术是蛋白质组学的核心，可鉴定和定量数千种蛋白质蛋白质修饰组学关注磷酸化、糖基化等修饰；相互作用组学研究蛋白质蛋白质相互作用网络，了解蛋白质功能环境-代谢组学与合成生物学代谢组学研究细胞内小分子代谢物的全貌，结合液相色谱质谱和核磁共振等技-术合成生物学则运用工程学原理设计和构建新的生物系统，如人工代谢途径、基因线路等，用于生物制造、环境治理和医疗健康等领域生物化学实验基础技术类别代表方法应用范围注意事项分离纯化层析法、电泳蛋白质、核酸、代谢选择适当条件，避免物分离样品降解定性分析比色法、荧光法生物分子特性检测注意干扰因素，做好对照定量测定分光光度法、浓度、活性测定建立标准曲线，控制ELISA线性范围结构分析质谱、射线晶体学生物大分子结构解析样品纯度要求高，仪X器专业性强细胞实验细胞培养、转染基因功能、信号通路严格无菌操作，选择研究适当细胞系动物实验基因敲除、药效学生理功能、疾病机制符合伦理要求，掌握研究操作技能实验室安全是生物化学实验的首要前提化学试剂使用需注意腐蚀性、毒性和易燃性；生物材料操作需考虑生物安全级别和防护措施；仪器设备使用前应熟悉操作规程，定期维护实验记录应详细准确，实验设计需包含适当对照，数据分析应采用统计学方法评估显著性良好的实验室规范（）是确保实验结果GLP可靠性和可重复性的基础生物化学研究进展（案例）基因编辑冷冻电镜技术自噬机制研究CRISPR-Cas9年诺贝尔化学奖授予年诺贝尔化学奖授予年诺贝尔生理学或医学奖授予吉野2020Jennifer2017Jacques2016和，、和顺三郎，表彰他发现了细胞自噬的机制Doudna EmmanuelleCharpentier DubochetJoachim FrankRichard表彰她们开发了基因编辑，表彰他们发展了冷冻电子显自噬是细胞降解和循环利用自身组分的过CRISPR-Cas9Henderson技术这项革命性技术源于对细菌免疫系微镜技术该技术能在接近生理条件下直程，在应对饥饿、清除损伤细胞器、防御统的研究，发展成为精确修改的强大接观察生物大分子的原子结构，避免了传病原体等方面发挥重要作用，与多种疾病DNA工具，正在改变基础研究、作物改良和基统射线晶体学需要结晶的限制，极大促进相关，为新型治疗策略提供了靶点X因治疗领域了蛋白质结构生物学研究课程案例分析治疗策略靶向关键分子和代谢途径的干预方法1下游效应2代谢异常导致的组织损伤和并发症分子信号通路3胰岛素信号传导缺陷和代谢调控紊乱病因因素遗传、环境、生活方式等多因素影响糖尿病是一种常见的代谢性疾病，特征是长期高血糖，主要分为型（胰岛素绝对缺乏）和型（胰岛素抵抗和相对胰岛素不足）从分子水平看，型糖尿病的胰岛122素抵抗涉及胰岛素受体底物（）磷酸化异常、信号通路受阻、转位减少等变化，导致葡萄糖摄取减少IRS PI3K-Akt GLUT4糖尿病代谢异常还包括肝脏糖异生增强、脂肪组织脂解增加、骨骼肌糖氧化减少等长期高血糖通过多元醇途径、蛋白质糖基化、氧化应激等机制导致微血管并发症（视网膜病变、肾病、神经病变）和大血管并发症（心脑血管疾病）治疗策略包括生活方式干预、胰岛素和口服降糖药物（如二甲双胍、抑制剂、SGLT2GLP-1受体激动剂等）学习与复习建议把握核心概念建立知识联系生物化学内容庞杂，应抓住能量代谢、酶学、基因表达等核心概念，不同章节内容紧密相连，如糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢之间的联系，建立知识框架理解代谢途径的整体逻辑和调控节点，而不是单纯记应整体理解而非孤立记忆尝试绘制概念图或思维导图，梳理知识点忆反应步骤重点掌握限速酶及其调控机制，这是理解代谢网络的关间的关系将基础知识与生理病理现象联系，加深理解和记忆，如血键糖调节与糖尿病的关系多做习题与实验4利用优质资源通过习题巩固所学知识，尤其是计算题和应用题，培养分析问题和解除教材外，推荐参考《生物化学原理》、《生物化Lehninger Stryer决问题的能力积极参与实验课程，亲手操作加深对理论知识的理解学》等经典教材拓展视野可使用、等数据库查询最KEGG PubMed可利用虚拟实验和在线模拟工具辅助学习代谢途径和分子机制新研究进展线上资源如、提供优质生物化Khan AcademyiBiology学视频教程，有助于理解复杂概念课程小测与互动5310基础测试题小组讨论主题自测练习分值包括酶动力学计算、代谢途径识别、结构预测等综合涉及最新研究前沿、临床案例分析和实验设计每道题分，测试基本概念掌握程度1题型基础测试题示例计算一种酶的和，已知在底物浓度为时反应速率为，在时为；分析一名禁食小时后的健1Km Vmax2mM15μmol/min5mM20μmol/min224康人体内主要能量来源和代谢途径变化；预测一段多肽序列可能形成的二级结构；解释为什么通过呼吸链可产生个而只产生个；34NADH3ATPFADH22ATP5描述胰岛素信号通路的主要步骤小组讨论主题基因编辑技术在代谢疾病治疗中的应用前景与伦理考量；分析一例高脂血症患者的临床生化指标，推测可能的分子机制并提出干预建议；1CRISPR2设计一个实验验证某化合物对脂肪酸氧化的影响，包括实验方案、技术路线和预期结果讨论将培养学生的批判性思维、团队协作和科学交流能力3β-总结与展望精准医学合成生物学基于生化指标和基因组信息的个体化诊疗将成为人工设计的生物系统和代谢途径为解决能源、环医学发展主流境问题提供新思路2人工智能应用单细胞技术机器学习辅助蛋白质结构预测、药物设计和代谢单细胞组学方法揭示细胞异质性，深入理解发育3网络分析和疾病过程本课程系统介绍了生物化学的基本概念、生物大分子的结构与功能、代谢途径及其调控机制通过学习，你应该已掌握分析生物分子结构与功能关系的能力，理解代谢网络的整体调控规律，具备解释生化现象和解决相关问题的基本素养生物化学作为生命科学的核心学科，正迎来前所未有的发展机遇多组学技术、高分辨率结构解析、基因编辑等新方法不断涌现，推动我们对生命本质的认识不断深入未来生物化学将更加注重多学科交叉融合，与计算科学、材料科学等领域协同发展，为解决人类健康、食品安全、环境保护等重大问题提供科学基础和技术支撑希望你们能在这一激动人心的领域继续探索，为生命科学的发展贡献力量。