《生物化学专题解析》课件

《生物化学专题解析》欢迎参加《生物化学专题解析》课程，这是一门融合基础理论与前沿应用的综合课程本课程将系统介绍生物化学的核心概念、主要生物分子的结构与功能、关键代谢途径以及现代分子生物学技术应用，全面覆盖年最新研究进展2025课程概述生物化学基础理论介绍生物化学的核心概念、研究方法和理论体系，包括生物大分子的基本性质与相互作用规律主要生物分子结构与功能详解蛋白质、核酸、糖类和脂质等生物大分子的结构特点及其在生命活动中的重要功能代谢途径详解系统阐述细胞能量代谢和物质代谢的主要途径，包括糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化等分子生物学技术应用第一部分生物化学基础学科定位研究对象生物化学是研究生物体内化学物质结构与变化规律的科学，是从分子水平研究生命现象，探索生物大分子的结构与功能，揭理解生命本质的关键学科示生命活动的化学本质技术方法应用前景结合物理、化学和生物学的研究方法，应用现代分析技术探索在医学诊断、药物开发、精准农业和环境保护等领域有广泛应生命的奥秘用，是现代生物技术的基础生物化学的定义与研究范围学科定义研究范围最新突破生物化学是研究生物体内化学物质结主要研究范围包括生物大分子的结构年诺贝尔生理学奖授予了在蛋白2024构、性质及其转化规律的科学，旨在与功能、代谢途径与能量转换、基因质降解机制研究领域取得重大突破的从分子水平揭示生命现象的本质和规表达与调控、信号转导机制等近年科学家，这一发现为靶向蛋白质降解律作为连接化学与生物学的桥梁，来，随着高通量技术的发展，研究已药物的开发开辟了新途径，展示了生生物化学为理解生命过程提供了分子扩展至蛋白质组学、代谢组学等系统物化学研究在医药领域的重要应用价基础层面值生命的化学基础水分子的特殊性质水是生命活动的基本介质，其极性结构和氢键形成能力赋予了水独特的溶剂性质水的高比热容和热传导性有助于维持生物体内温度稳定，而其液态范围广泛也适应了地球生命的发展弱相互作用力氢键、疏水作用、离子键和范德华力等弱相互作用力在生物大分子结构形成和稳定中起关键作用这些力虽然单个较弱，但大量存在时能共同维持蛋白质和核酸的高级结构值与缓冲系统pH生物体内值的稳定对酶活性和生理功能至关重要碳酸氢盐缓冲系pH统、磷酸盐缓冲系统和蛋白质缓冲系统共同维持细胞内外环境的酸碱平衡，保障正常生命活动生命大分子概述蛋白质1结构多样，功能广泛核酸2遗传信息的载体与传递者糖类能量来源与结构组分脂质膜结构与信号传导生物大分子是构成生命的基本单元，它们通过特定的结构特征执行各自独特的生物功能蛋白质作为功能执行者，参与几乎所有生命活动；核酸负责遗传信息的存储与传递；糖类主要提供能量并参与细胞识别；脂质构成生物膜并参与信号传导这些大分子相互协作，共同维持生命活动的有序进行生物催化剂酶-酶的本质与特点酶是具有高效催化能力的蛋白质分子，能显著降低生化反应的活化能，加速反应速率酶具有高效性、高特异性和条件温和性等特点，其活性受温度、值和抑制剂等因素影响pH酶促反应动力学米氏方程描述了酶促反应速率与底物浓度的关系其中表示达到最大反应速率一半时的底物浓度，反映酶与底物的亲和力；表示转换数，反映酶的催v=Vmax[S]/Km+[S]Km kcat化效率酶活性调节机制酶活性受多种机制调节，包括变构调节、共价修饰、产物抑制和反馈抑制等这些调节机制确保代谢途径在细胞内有序进行，维持生命活动的稳态平衡辅酶与辅因子许多酶需要辅酶或辅因子参与才能发挥催化功能辅酶多为有机小分子，如、和辅酶等；辅因子则主要是金属离子，如、和等，它们参与催化反应或维持NAD+FAD AZn2+Mg2+Fe2+酶的结构稳定第二部分蛋白质化学基本组成单元氨基酸是构成蛋白质的基本单元，通过肽键连接形成多肽链20种常见氨基酸的性质差异是蛋白质功能多样性的基础结构层次蛋白质结构包括一级结构（氨基酸序列）、二级结构（局部折叠如螺旋和折叠）、三级结构（整体空间构象）和四级αβ结构（多个亚基组装）功能实现蛋白质通过特定的结构执行各种生物功能，包括催化反应、信号传导、物质运输、免疫防御和结构支持等，是生命活动的主要执行者氨基酸基本结构氨基酸分类基本结构根据侧链性质，氨基酸可分为非极性氨基酸由中心碳原子（碳）连接氨α-（如丙氨酸、缬氨酸）、极性无电荷基、羧基、氢原子和特征侧链（基R（如丝氨酸、苏氨酸）、酸性（如天冬团）组成碳是手性中心，除甘氨酸α-氨酸、谷氨酸）和碱性（如赖氨酸、精外，所有氨基酸都存在型和型异构D L氨酸）四大类侧链性质决定了氨基酸体，生物体中主要使用型氨基酸L在蛋白质中的行为非标准氨基酸酸碱性与等电点除种标准氨基酸外，生物体中还存在氨基酸含有氨基和羧基，是两性电解质20多种非标准氨基酸，如羟脯氨酸、氨等电点是指氨基酸分子呈电中性时的γ-pH基丁酸等此外，翻译后修饰如磷酸值，此时氨基酸不向任何电极移动不化、甲基化和乙酰化等进一步增加了氨同氨基酸的等电点差异是电泳分离的基基酸的多样性和功能础蛋白质一级结构肽键形成肽键通过氨基酸羧基与另一氨基酸氨基之间的脱水缩合反应形成肽键具有部分双键特性，呈现平面结构，这限制了蛋白质骨架的自由旋转，影响高级结构的形成序列测定方法艾德曼降解法是经典的蛋白质序列测定方法，现代多采用质谱技术这些方法使科学家能够确定蛋白质中氨基酸的精确排列顺序，为理解蛋白质功能提供基础3基因编码蛋白质序列由基因编码，一个氨基酸对应一个三联体密码子基因突变可导致氨基酸替换，有时引起疾病，如镰状细胞贫血症中血红蛋白β链第6位谷氨酸被缬氨酸替代序列比对分析通过比较不同物种同源蛋白的氨基酸序列，可识别保守区域，这些区域通常对蛋白质功能至关重要序列分析也是蛋白质功能预测和进化研究的重要工具蛋白质高级结构二级结构局部氨基酸序列形成的稳定构象三级结构整个多肽链的三维折叠构象四级结构多个蛋白质亚基的空间组装蛋白质二级结构主要由氢键维持稳定，包括螺旋、折叠和转角等基本构象螺旋呈螺旋状结构，每个氨基酸完成一圈；折叠由多条肽αββαβ

3.6链通过氢键连接形成三级结构是整个多肽链的空间折叠，主要由疏水作用、离子键、氢键和二硫键等弱相互作用力稳定四级结构是多个蛋白质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蛋白质结构域是具有独立折叠能力和功能的结构单元，不同结构域组合产生多样化的蛋白质功能蛋白质结构决定其功能，结构变化可导致功能异常，引发疾病蛋白质功能与应用酶催化作用酶作为生物催化剂，能显著加速生化反应速率胰蛋白酶可催化蛋白质消化，聚合酶DNA负责复制，合成酶催化生成酶催化的高效性和特异性是维持生命活动的基DNA ATPATP础信号转导受体蛋白、蛋白和蛋白激酶等参与细胞信号传递胰岛素受体识别胰岛素信号并激活下G游通路，调控葡萄糖代谢；钙调蛋白通过结合钙离子介导多种信号过程，展示了信号蛋白的多功能性免疫防御抗体蛋白能特异性识别和中和外来抗原单克隆抗体技术发展催生了多种靶向治疗药物，如用于治疗乳腺癌的曲妥珠单抗和用于类风湿关节炎的阿达木单抗，展示了蛋白质在现代医学中的重要应用蛋白质工程通过定点突变、融合蛋白设计和从头设计等方法，科学家可创造具有新功能或增强性能的蛋白质酶工程已成功开发出耐热酶、耐变化酶和高特异性酶，广泛应用于工业生产和pH医药研发蛋白质分离纯化技术样品制备盐析沉淀细胞破碎与初步分离根据溶解度差异初步分离纯度检测层析分离电泳与质谱分析确认纯度基于不同物理化学性质精细分离蛋白质分离纯化是蛋白质研究的基础盐析利用不同蛋白质在盐溶液中溶解度的差异进行初步分离，硫酸铵是常用的盐析试剂层析技术根据蛋白质的大小、电荷、疏水性等特性进行分离，包括凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析和疏水作用层析等电泳分析是评估蛋白质纯度和分子量的重要方法，能根据分子量分离蛋白质，等电聚焦则基于等电点差异进行分离现代质谱技术可精确测定蛋SDS-PAGE白质分子量并鉴定蛋白质组成，灵敏度和准确度远超传统方法新型蛋白质组学方法如多维液相色谱质谱联用技术能同时分析复杂样品中数千种蛋白质-蛋白质组学研究进展20,000+5,000+人类基因组编码蛋白数量蛋白质相互作用通过选择性剪接和翻译后修饰，形成超过万种每个蛋白质平均与个其他蛋白质相互作用1005-15蛋白质变体70%药物靶点现代药物靶向的生物分子中蛋白质占比蛋白质组学是研究生物体内所有蛋白质表达、结构和功能的系统科学大规模蛋白质鉴定技术如双向电泳质谱联用和多维液相色谱串联质谱能同时分析数千种蛋白质近年来，基于深度学习的算法显著提高--AI了蛋白质结构预测准确性，和等工具已能预测与实验结构高度吻合的蛋白质三维构AlphaFold RoseTTAFold象蛋白质相互作用网络分析揭示了蛋白质在细胞内的功能关系和调控机制，为疾病机制研究和药物靶点发现提供重要线索功能蛋白质组学通过研究蛋白质表达谱变化、翻译后修饰和蛋白质动态变化，揭示生物体对环境变化的响应机制和疾病发生的分子基础，已广泛应用于癌症、神经退行性疾病和代谢疾病等领域第三部分核酸化学核酸类型核酸主要包括和两大类，主要存在于细胞核中，是遗传信息的长期储存者；DNA RNA DNA则分布更广，有多种类型，包括、、和多种非编码RNA mRNA tRNA rRNA RNA基本功能是遗传信息的储存和传递载体，携带编码蛋白质合成的遗传密码；参与遗传信DNA RNA息的转录、翻译和调控，在基因表达的各个环节发挥重要作用结构特点通常为双链螺旋结构，碱基配对原则为和；多为单链结构，但可通过分子DNA A-T G-C RNA内碱基配对形成复杂的二级和三级结构，碱基配对原则为和A-U G-C研究应用核酸研究已发展出丰富的技术体系，包括、测序、基因编辑等，这些技术广泛应用于PCR医学诊断、基因治疗、法医鉴定和生物技术等领域核酸基本结构核苷酸组成双螺旋结构结构多样性DNA RNA核苷酸是核酸的基本结构单元，由五通常以双螺旋形式存在，由两条通常为单链结构，但可通过分子DNA RNA碳糖（中为脱氧核糖，中为反向平行的多核苷酸链通过碱基配对内碱基配对形成发夹、茎环和假结等DNA RNA核糖）、含氮碱基和磷酸基团三部分形成碱基配对遵循沃森克里克配二级结构不同类型的具有特定-RNA组成含氮碱基分为嘌呤（腺嘌呤对原则与通过两个氢键配对，的结构特征含有帽子和多A AT GmRNA53和鸟嘌呤）和嘧啶（胞嘧啶、胸与通过三个氢键配对双螺旋聚尾；呈现三叶草结构；G CC DNAAtRNA腺嘧啶和尿嘧啶，其中仅存在于具有主沟和次沟，是蛋白质识别和结与蛋白质结合形成核糖体；T UT rRNA中，仅存在于中）合的重要位点和则参与基因表达调控DNA URNA miRNAsiRNA复制机制DNA复制起始解旋酶识别起始点并打开双螺旋，形成复制泡单链结合蛋白DNA稳定暴露的单链，防止其重新配对DNA引物合成引物酶在单链上合成短的引物，为聚合酶提供DNA RNADNA3-OH端引物是合成的必要起点DNA链延伸聚合酶沿方向延伸新链领先链连续合成，滞后链通过冈→DNA53崎片段间断合成完成与校对连接酶连接冈崎片段，核酸酶去除引物并填补空缺聚DNA RNADNA合酶的校对功能确保复制准确性转录过程转录起始聚合酶在转录因子的协助下识别并结合启动子区域，形成转录起始复合物启动RNA子区域通常含有特定的序列元件，如盒、盒等，这些元件是转录因子识别的TATA GC关键位点链延伸RNA聚合酶沿着DNA模板链5→3方向移动，按照碱基互补原则（A-U，G-C）合成链在细菌中，一种聚合酶负责所有的合成；而在真核生物中，RNA RNA RNARNA聚合酶、、分别负责合成不同类型的I II III RNA转录终止当聚合酶到达终止子区域时，转录过程终止，新合成的链释放在原RNARNA核生物中，终止依赖于蛋白或发夹结构；在真核生物中，终止信号更为复Rho杂，通常与多聚信号序列相关A转录后修饰在真核生物中，初级转录产物需经过一系列修饰，包括加帽、多聚尾53A和剪接等这些修饰对的稳定性、核质转运和翻译效率至关重RNA mRNA要非编码也可能经历复杂的加工过程RNA翻译过程翻译起始翻译终止起始复合物在起始密码子处形成，包含小核糖体亚基、起始当核糖体遇到终止密码子、或时，终止因子而非进入mRNA AUGUAA UAGUGA tRNAA携带甲硫氨酸和多种起始因子在真核生物中，通常识别帽结位，水解最后一个与多肽链的酯键，释放完成的多肽链，核糖体解离为tRNAmRNA5tRNA构附近的第一个密码子亚基AUG肽链延伸核糖体沿移动，携带的氨基酸根据密码子反密码子配对原则被依mRNA tRNA-次添加到生长的多肽链上肽基转移酶催化肽键形成，延长因子辅助进tRNA入位和转位A基因表达调控基因表达调控是生物体响应环境变化和维持内稳态的关键机制在原核生物中，操纵子模型是经典的调控模式，如大肠杆菌的乳糖操纵子在无乳糖时被抑制，有乳糖时被激活，实现对代谢酶合成的精确控制真核生物的调控更为复杂，包括转录水平（转录因子结合增强子或阻抑子）、转录后水平（剪接、稳定性控制）、翻译水平和翻译后水平表观遗传学调控如甲基化和组RNADNA蛋白修饰影响染色质结构，进而影响基因表达非编码如和通过多种机制参与基因表达精细调控，构成复杂的调控网络RNA miRNAlncRNA核酸检测技术技术基因芯片测序技术PCR聚合酶链式反应（）利用基因芯片技术可同时分析数千至数从测序到高通量测序，核酸PCR DNASanger聚合酶在特异性引物指导下体外扩万个基因的表达情况或基因变异测序技术经历了革命性发展第二增特定片段实时定量能表达芯片用于研究基因表达谱，代测序如平台能同时测序DNA PCRIllumina监测扩增过程并定量分析，数字芯片检测基因多态性，芯数亿个片段，第三代测序如SNP CGHDNA提供更高精度的绝对定量片分析基因组拷贝数变异芯片技和可直接测PCR PacBioOxford Nanopore技术已广泛应用于基因克隆、术为疾病分型、药物研发和个性化序单分子长片段全基因组测序、PCR疾病诊断和法医鉴定等领域医疗提供了强大工具转录组测序等组学应用极大推动了生命科学研究基因编辑系统利用引导的核CRISPR/Cas9RNA酸酶精确切割特定序列，实现DNA基因组定点编辑基因编辑技术已用于模式生物基因功能研究、作物改良和疾病模型构建，并在基因治疗领域展现巨大潜力，如用于治疗镰状细胞贫血和遗传性失明第四部分代谢生物化学代谢平衡分解代谢与合成代谢的平衡调控能量转换生物能量货币的产生与利用ATP途径整合多种代谢途径的相互联系与协调代谢调控酶活性和基因表达水平的精确控制代谢生物化学研究生物体内物质和能量转换的生化过程分解代谢将复杂分子分解为简单分子，同时释放能量；合成代谢则消耗能量合成生物体所需分子作为生物能量货币，连接各种代谢反应，是能量转换和存储的关键分子ATP代谢途径通过共同的中间产物、调节分子和能量载体相互连接，形成复杂的代谢网络代谢调控通过改变关键酶的活性和表达水平，实现对代谢流的精确控制，帮助生物体适应环境变化和维持内稳态代谢概述分解代谢合成代谢将复杂分子分解为简单分子，释放能利用简单前体分子合成复杂生物分子，量包括糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸消耗能量包括糖异生、脂肪酸合成和氧化和蛋白质降解等过程这些反应通蛋白质合成等过程这些反应通常是还常是氧化过程，产生还原当量如和原过程，消耗能量和还原力如、NADH ATP，最终通过氧化磷酸化转化为合成代谢为细胞生长和修复提FADH₂NADPH供必要物质基础ATP能量转换代谢调控生物体通过系统存储和转移能ATP/ADP通过控制酶活性、基因表达和细胞通讯量由和无机磷酸在能量供应下ATP ADP实现对代谢的精确调控反馈抑制、变合成，其高能磷酸键断裂释放能量驱动构调节和共价修饰是酶活性调控的主要生物过程细胞通过调控比例ATP/ADP机制激素和神经信号则协调不同组织维持能量平衡，保障生命活动正常进间的代谢活动，维持全身代谢平衡行糖酵解途径预备阶段葡萄糖经磷酸化和异构化，消耗个分子葡萄糖首先被己糖激酶磷酸化为葡萄糖磷酸，然后转变为果糖磷酸，再被磷酸果糖激酶磷酸化为果2ATP-6--6-糖二磷酸-1,6-裂解阶段果糖二磷酸被醛醇酶裂解为两个三碳分子磷酸二羟丙酮和磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮通过三磷酸异构酶转化为磷酸甘油醛，使两个三碳分子-1,6-3-3-进入下一阶段能量收获阶段磷酸甘油醛经一系列反应转化为丙酮酸，同时产生个和个关键反应包括二磷酸甘油酸生成，磷酸基团转移给形成底物水平3-4ATP2NADH1,3-ADP ATP磷酸化，最终产物丙酮酸进入后续代谢途径三羧酸循环氧化磷酸化复合体I脱氢酶复合体接收的电子，将电子传递给辅酶，同NADH NADHQ时将个质子从基质泵入膜间隙这是呼吸链中最大的复合体，4抑制剂包括鱼藤酮和杀菌药罗替农复合体II琥珀酸脱氢酶复合体接收的电子，将电子传递给辅酶，但FADH₂Q不泵出质子该复合体同时参与循环，催化琥珀酸氧化为延TCA复合体III胡索酸细胞色素复合体接收辅酶的电子，将电子传递给细胞色素，bc₁Q c同时将个质子泵入膜间隙该复合体是循环的场所，抑制剂包4Q复合体括抗真菌药物抗霉素IVA细胞色素氧化酶接收细胞色素的电子，将电子传递给最终电子c c受体氧，生成水，同时将个质子泵入膜间隙该复合体被氰化2合成酶ATP物强烈抑制，是呼吸链中的限速步骤利用质子梯度驱动合成的分子马达质子从膜间隙流回基质ATP的能量驱动部分旋转，催化与结合形成解偶联剂如F₁ADP PiATP二硝基酚破坏质子梯度，阻断合成2,4-ATP糖原代谢糖原合成糖原分解组织特异性糖原合成始于葡萄糖，经糖原合糖原磷酸化酶催化糖原非还原端葡萄肝糖原和肌糖原在功能和调控上存在UDP-成酶催化将葡萄糖单元添加到已有糖糖残基的磷酸解，释放葡萄糖磷显著差异肝脏含有葡萄糖磷酸酶，-1--6-原链上支链酶催化形成α糖苷酸脱支酶负责处理分支点，转移部能将葡萄糖磷酸转化为葡萄糖释放-1,6--6-键，创造分支点，增加糖原水溶性和分葡萄糖链并水解α糖苷键肾入血，维持血糖稳定；肌肉缺乏该酶，-1,6-合成分解效率糖原合成酶受胰岛上腺素和胰高血糖素通过级联仅能通过糖酵解利用糖原产生的葡萄/cAMP素激活通过去磷酸化和糖原磷酸化反应激活糖原磷酸化酶，促进糖原分糖磷酸，为肌肉收缩提供能量肝-6-酶抑制通过磷酸化，实现对糖原合解；而胰岛素则抑制分解过程糖原受血糖水平和胰岛素胰高血糖/成的精确调控素比例调控，而肌糖原主要受神经-肌肉活动和肾上腺素调控糖异生作用前体转化1乳酸、丙酮酸转化为磷酸烯醇丙酮酸关键酶催化2绕过糖酵解不可逆步骤葡萄糖合成3最终产物葡萄糖释放入血糖异生作用是从非糖前体合成葡萄糖的代谢途径，主要在肝脏和肾脏进行，对维持血糖稳定至关重要主要前体包括乳酸、丙酮酸、甘油和某些氨基酸乳酸来源于肌肉无氧糖酵解，甘油来源于脂肪分解，氨基酸来源于蛋白质降解，形成了组织间的代谢循环糖异生作用在逆转糖酵解不可逆步骤时需要特异的酶丙酮酸羧化酶将丙酮酸转化为草酰乙酸，磷酸烯醇丙酮酸羧激酶催化磷酸烯醇丙酮酸合成，果糖二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶分别催化果糖二磷酸和葡萄糖磷酸的水解糖异生作用需要消耗个和个，能量成本高-1,6--6--1,6--6-6ATP2GTP于糖酵解获得的能量，但对维持血糖水平和为大脑提供必要葡萄糖至关重要，尤其在禁食和长时间运动时光合作用光反应光反应在叶绿体类囊体膜上进行，利用光能将水分解为氧气、质子和电子电子通过光系统和及电子传递链传递，产生和光系统吸收波长光，光系统IIINADPH ATPII680nm I吸收波长光，共同完成从水到的电子传递700nm NADPH暗反应暗反应卡尔文循环在叶绿体基质进行，利用光反应产生的和将固定为有机碳化合物核心酶催化与碳化合物结合，经过一系列反应产生ATP NADPHCO₂Rubisco CO₂5RuBP，部分用于合成葡萄糖，大部分用于再生，维持循环G3P G3P RuBP植物适应性植物直接通过卡尔文循环固定，但在高温干旱环境下光呼吸严重；植物通过空间分离策略，先在叶肉细胞固定为化合物，再在束鞘细胞释放进行卡尔文循C3CO₂C4CO₂C4CO₂环；植物通过时间分离策略，夜间固定为有机酸，白天释放进行卡尔文循环，两种策略都减少了光呼吸，提高了水分利用效率CAM CO₂CO₂脂肪酸氧化131423%ATP产量β-氧化循环能量效率提升完全氧化棕榈酸产生的数量氧化脂肪酸需完成的循环次数脂肪氧化相比糖酵解的能量效率优势C16ATP C16脂肪酸β-氧化是脂肪酸分解的主要途径，主要在线粒体基质中进行过程始于脂肪酸活化，由脂酰CoA合成酶催化，消耗2个ATP当量活化的脂肪酰CoA通过肉碱穿梭系统转运入线粒体，进入β-氧化循环每个β-氧化循环包括四步反应脱氢产生FADH₂、水合、再脱氢产生NADH和硫解产生乙酰CoA，循环结束后脂肪酸链缩短两个碳原子奇数碳脂肪酸氧化最终产生丙酰，经过额外三步反应转化为琥珀酰进入循环不饱和脂肪酸氧化需要额外的异构酶和氢化酶脂肪酸氧化产生的乙CoA CoATCA酰CoA过量时，部分转化为酮体β-羟丁酸、乙酰乙酸和丙酮，为心脏、肾脏和大脑提供替代能源，尤其在禁食和糖尿病状态下脂质合成代谢脂肪酸合成与氧化过程相反，但在不同细胞器进行合成在细胞质中由脂肪酸合成酶复合体催化，利用乙酰和丙二酰作为CoA CoA底物，提供还原力合成始于乙酰羧化为丙二酰，然后经过一系列缩合、还原、脱水和再还原反应，每个循环链长NADPH CoACoA增加个碳原子，最终产物通常是棕榈酸2C16甘油脂合成在内质网上进行，将脂肪酰与甘油磷酸结合形成磷脂酸，进而合成三酰甘油或磷脂胆固醇合成以乙酰为起CoA-3-CoA始物，经还原酶催化的限速步骤，经过约步反应合成胆固醇该途径受胆固醇水平严格调控，是他汀类降脂药的作用HMG-CoA30靶点类固醇激素如皮质醇、雌激素和睾酮以胆固醇为前体，通过细胞特异性的修饰途径合成氨基酸代谢氨的处理氨基酸合成氨基酸代谢产生的氨毒性强，通过尿必需氨基酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨素循环转化为无毒尿素排出尿素循酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色环始于线粒体中氨与碳酸结合形成氨氨酸、苏氨酸和组氨酸人体不能合氨基酸降解甲酰磷酸，然后与鸟氨酸结合形成瓜成，需从食物获取非必需氨基酸可一碳单位代谢氨酸，经过后续反应最终生成尿素和由其他氨基酸或中间代谢物合成，关氨基酸降解首先去除氨基转氨基作用四氢叶酸是一碳单位传递的关键THF鸟氨酸，完成循环键步骤是通过转氨基作用引入氨基或氧化脱氨基作用，碳骨架进入不同辅酶，参与氨基酸、嘌呤和嘧啶合代谢途径根据降解产物，氨基酸分成甲硫氨酸循环中腺苷甲硫氨酸S-为糖原型转化为葡萄糖前体、酮原型是重要的甲基供体，参与多种生SAM转化为酮体前体和糖酮原型两种途径物分子的甲基化修饰叶酸缺乏可导都可致巨幼红细胞性贫血和神经管缺陷31核苷酸代谢嘌呤核苷酸合成嘧啶核苷酸合成核苷酸降解与调控嘌呤核苷酸从头合成始于磷酸核糖焦嘧啶核苷酸合成与嘌呤不同，先合成核苷酸降解产生嘌呤和嘧啶碱基、核磷酸，经过一系列反应形成肌嘧啶环，再与核糖连接合成始于氨苷和自由核糖嘌呤最终降解为尿PRPP苷酸，是腺苷酸和鸟甲酰磷酸与天冬氨酸结合形成氨甲酰酸，在人体内不能进一步分解，过量IMP IMPAMP苷酸合成的共同前体合成过天冬氨酸，经过一系列反应形成尿苷可导致痛风嘧啶降解产物包括β氨GMP-程需要谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸，进一步转化为胞苷酸基异丁酸和氨，可进一步代谢核苷UMP UMP酸、和一碳单位，消耗大量和胸苷酸胸苷酸合成需酸合成受反馈抑制严格调控，如CO₂CMP TMPAMP嘌呤核苷酸也可通过补救途径要甲基四氢叶酸作为甲基供体，是抗和抑制合成酶，防止过量合ATP GMPPRPP合成，利用游离嘌呤碱基与反癌药物如甲氨蝶呤和氟尿嘧啶的作成嘌呤和嘧啶核苷酸合成途径是多PRPP5-应，由次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转用靶点种抗癌和抗病毒药物的重要靶点，包-移酶催化括巯基嘌呤、甲氨蝶呤、利巴韦林HGPRT6-等代谢整合调控代谢状态主要激素肝脏代谢肌肉代谢脂肪组织进食后胰岛素↑胰高血糖原合成↑糖异糖原合成↑蛋白脂肪合成↑脂解糖素↓生↓合成↑↓短期禁食胰岛素↓胰高血糖原分解↑糖异糖原分解↑蛋白脂解↑糖素↑生↑分解↑长期禁食皮质醇↑胰高血糖异生↑酮体合蛋白分解↑酮体脂解↑糖素↑成↑利用↑代谢整合调控确保不同组织间物质和能量的协调分配，维持全身代谢平衡在进食后，胰岛素促进葡萄糖转化为糖原和脂肪储存，抑制分解代谢；在禁食状态下，胰高血糖素、肾上腺素和皮质醇等激素协同作用，促进肝脏糖原分解和糖异生，脂肪组织脂解和肌肉蛋白分解，确保血糖维持在正常范围不同组织具有特异性代谢模式大脑主要利用葡萄糖，长期禁食时可利用酮体；肌肉在休息时主要氧化脂肪酸，运动时增加葡萄糖利用；肝脏是代谢的中心调控站，负责糖原储存、糖异生、脂质合成和酮体生成；脂肪组织储存三酰甘油并在需要时释放脂肪酸代谢调控失衡可导致多种疾病，如糖尿病、肥胖和代谢综合征第五部分分子生物学技术核酸操作技术包括克隆、扩增、核酸杂交和测序等技术，是分子生物学研究的基础工具这些DNA PCR技术使科学家能够分离、扩增和分析特定片段，探索基因结构和功能DNA蛋白质研究技术包括重组蛋白表达、蛋白质纯化、结构分析和功能研究等方法，帮助理解蛋白质的分子机制蛋白质结构分析技术如射线晶体学和冷冻电镜已成为药物设计的关键工具X基因编辑技术从限制性内切酶到系统，基因编辑技术革命性地改变了生物学研究方法这些CRISPR/Cas9技术使精确修改基因组成为可能，为基础研究、作物改良和基因治疗提供强大工具生物信息学分析随着高通量技术产生的数据爆炸式增长，生物信息学分析成为解读复杂生物数据的关键从序列比对到网络分析，生物信息学工具帮助科学家从海量数据中提取有意义的生物学信息分子杂交技术变性DNA加热或碱处理使双链解开为单链，暴露碱基用于杂交变性条件通常为DNA℃或处理，变性程度可通过紫外吸收监测（超色性效应）

950.2M NaOH探针设计选择与目标序列互补的核酸片段作为探针，标记放射性同位素（）或非³²P放射性标记物（荧光素、地高辛）探针长度通常为个核苷酸，需考20-50虑特异性和杂交效率杂交反应探针与目标核酸在适当条件下结合形成杂交分子影响因素包括温度、离子强度、变性剂浓度和值杂交温度通常设置为比（融化温度）低约pH Tm℃25洗脱与检测洗脱去除非特异结合探针，严格程度影响结果特异性检测方法取决于探针标记方式，包括放射自显影、荧光检测和化学发光等印迹技术样品制备与电泳转移到膜上印迹样品经限制性内切Southern DNA电泳后的分子转移到固相支持物上酶消化，通过琼脂糖凝胶电泳分离；和使用尼龙膜或硝酸Southern Northern印迹总或通过变性Northern RNAmRNA纤维素膜，通过毛细作用或电转移；琼脂糖凝胶电泳分离；印迹蛋Western使用或硝酸纤维素膜，通Western PVDF白质样品经分离电泳条件根SDS-PAGE常采用电转移转移效率影响后续检测据分析对象优化，确保良好分离效果灵敏度，可通过染色确认信号检测与分析封闭与杂交免疫反应/根据标记方式选择适当检测方法放射膜经交联固定核Southern/Northern UV性同位素标记通过射线胶片或磷屏成酸，预杂交封闭非特异结合位点，然后X像；荧光标记通过荧光扫描仪检测；化与标记的特异性探针杂交；膜Western学发光底物通过相机捕获信号信用或脱脂奶粉封闭，然后与特异性CCD BSA号强度可通过软件分析定量，评估目标一抗和标记的二抗依次孵育这些步骤分子相对丰度确保特异性结合和低背景技术PCR拷贝数对数DNA基因克隆技术基因文库构建转化与筛选将生物体全部或部分基因组克隆到适目标插入DNA将重组导入宿主细胞通常是大肠当载体中构建基因文库基因组文库DNA载体选择利用限制性内切酶或PCR技术制备目标杆菌，方法包括化学转化、电转化或包含完整基因组片段；cDNA文库反映根据实验目的选择合适的克隆载体，DNA片段，与载体酶切位点匹配消化病毒感染转化后的细胞通过抗生素组织特异性表达基因文库构建关键常用载体包括质粒、噬菌体、人工染后的载体和插入片段通过DNA连接酶连筛选获得含重组质粒的克隆蓝白筛参数包括代表性覆盖所有序列和平均色体等质粒如pUC系列适合小片段克接，形成重组DNA分子现代技术还包选、PCR验证和限制性酶切分析用于确插入片段大小现代基因文库通常与隆，容量2-10kb；酵母人工染色体括无缝克隆、Gibson组装和TOPO克隆认重组质粒的正确性高通量测序技术结合，用于全基因组和细菌人工染色体适合大片等方法，可实现更高效的片段连YAC BACDNA和转录组分析段克隆，容量可达数百载体通常接kb含有复制起点、选择标记和多克隆位点等功能元件测序技术DNA测序二代测序技术三代测序技术Sanger第一代测序技术，基于链终止法原理以边合成边测序为特点，同时测定特点是单分子实时测序，无需扩PCR反应体系中加入常规和少量荧数百万至数十亿个片段增技术通过零模波导dNTPs DNAPacBio SMRT光标记的双脱氧核苷酸，随平台通过桥式扩增形成孔检测聚合过程中荧光标记核苷ddNTPs IlluminaPCR DNA机终止合成，形成不同长度的片簇，采用可逆终止测序策略；酸的掺入；技术通DNA DNAOxford Nanopore段通过毛细管电泳分离这些片段，检测合成过程中释放的氢过检测分子穿过纳米孔时电流变Ion TorrentDNA根据荧光信号确定碱基序列离子；平吡罗测序检测焦磷酸释化识别碱基三代测序读长可达Sanger45410-测序准确率高达，但通量较低，放二代测序具有超高通量，但读长，有助于解决基因组组装中的

99.99%100kb每次反应读长约，适用于较短，成本大幅降低，适重复序列问题，但准确率相对较低，700-900bp75-300bp小规模测序需求用于全基因组测序、转录组分析和表适用于基因组从头组装和结构变异检观基因组研究测基因编辑技术早期基因编辑工具系统应用与伦理考量CRISPR/Cas9锌指核酸酶和转录激活因子样效应物核酸源自细菌免疫系统，由核酸酶基因编辑技术在基础研究、农业改良和医学治ZFN CRISPR/Cas9Cas9酶是早期基因编辑工具由锌指蛋和单链向导组成包含识别疗中具有广泛应用在医学领域，已用于体外TALEN ZFNRNAsgRNA sgRNA白每个识别个碱基和核酸酶构成；靶序列的个碱基和结合所需的骨架序列细胞治疗如细胞和体细胞基因治疗如镰3FokI TALEN20Cas9CAR-T由结构域每个识别个碱基和核酸酶构系统识别特定的序列通常为，在靶位状细胞贫血，但胚胎和生殖细胞基因编辑引发TALE1FokI PAMNGG成这些工具可识别特定序列并引入双链点上游处产生双链断裂相比和，严重伦理争议脱靶效应在非靶位点引入变异DNA3bp ZFNTALEN断裂，但设计复杂且构建成本高设计简单、成本低且可同时编辑多是技术安全性的主要挑战，高保真变体和CRISPR/Cas9Cas9个位点，掀起基因编辑革命严格的脱靶检测方法正在开发中国际社会正努力建立基因编辑的伦理和监管框架蛋白质表达系统原核表达系统酵母表达系统昆虫细胞系统大肠杆菌是最常用的原核表达宿主，具酵母结合了原核生物操作简便和真核生昆虫杆状病毒昆虫细胞表达系统-Bac-to-有生长迅速、遗传背景清晰和操作简便物翻译后修饰能力的优点酿酒酵母和系统利用杆状病毒感染或昆虫BacSf9Hi5等优势系统是常用表达载体，利用毕赤酵母是常用宿主酿酒酵母可进行细胞表达目的蛋白系统可进行复杂的pET启动子和操纵子实现诱导表基本的糖基化修饰，表达量中等；毕赤翻译后修饰，表达量高，蛋白质正确折T7lac IPTG达原核系统表达量高但不能进行大多酵母表达量高，甲醇诱导表达高效，适叠率高适合表达膜蛋白、大分子复合数翻译后修饰，易形成包涵体，适合表合分泌表达酵母系统适合需要二硫键物和需要特定修饰的蛋白质缺点是建达结构简单的蛋白质和形成和基本糖基化的蛋白质表达，在医立稳定表达细胞系较繁琐，成本高于原BL21DE3等工程菌株改善了表达效率和翻药蛋白生产中应用广泛核系统Rosetta译准确性哺乳动物细胞系统哺乳动物细胞如、和细CHO HEK293BHK胞提供最接近人源蛋白的翻译后修饰，特别是复杂的糖基化模式表达方式包括瞬时表达和稳定表达，常用启动子包括CMV和EF1α适合表达需要复杂修饰的蛋白质，如抗体、生长因子和受体蛋白稳定表达细胞系的构建周期长，但可实现大规模生产，是商业化治疗性蛋白的主要生产平台质谱技术应用

0.011,000,000+检测灵敏度分辨率pmol现代质谱可检测的最低蛋白质量高分辨质谱仪可达到的质量分辨率10,000+蛋白质鉴定能力单次实验可鉴定的蛋白质数量质谱技术是基于分子质荷比分析物质组成的强大工具基本原理包括样品离子化、质量分析和离m/z子检测三个步骤常用离子化方式包括电喷雾离子化和基质辅助激光解吸电离，质量分析ESI MALDI器有四极杆、飞行时间、离子阱和轨道阱等类型TOF在蛋白质组学中，质谱用于蛋白质鉴定、定量分析和翻译后修饰研究蛋白质消化后的肽段通过液相色谱串联质谱分析，肽段质量指纹图谱和二级碎片谱用于数据库搜索鉴定蛋白质同位素-LC-MS/MS标记技术如、和用于相对定量分析在代谢组学中，质谱可检测和量化数百至数千种iTRAQ TMTSILAC代谢物，揭示代谢网络变化在药物代谢研究中，质谱用于分析药物在体内的转化、分布和排泄，支持药物开发和个体化用药生物信息学工具生物信息学工具整合了计算机科学与生物学，用于分析和解释海量生物数据序列比对工具如用于搜索相似序列，和BLAST ClustalOmega用于多序列比对，这些分析可揭示序列保守区域和功能相关位点结构预测工具如利用深度学习预测蛋白质三维结构，准确MUSCLE AlphaFold2度接近实验方法，提供基于同源建模的结构预测SWISS-MODEL功能注释数据库如提供基因功能分类系统，包含代谢和信号通路信息，收集蛋白质序列和功能信息基因组浏Gene OntologyGOKEGG UniProt览器如和整合多种组学数据，提供直观的基因组可视化语言包和库提供丰富的生UCSC GenomeBrowser EnsemblR BioconductorPython Biopython物数据分析工具，支持从原始数据处理到高级统计分析和可视化的完整工作流随着人工智能技术发展，机器学习和深度学习在生物序列分析、结构预测和功能注释中的应用日益广泛生物化学在医药领域应用靶点发现与验证确定疾病相关蛋白质或代谢途径药物分子设计与筛选开发针对特定靶点的活性分子药物代谢与安全性评价研究药物在体内转化与排泄个性化医疗应用基于患者生物标志物优化治疗生物化学为疾病机制研究提供分子基础，通过研究病理状态下蛋白质表达、代谢变化和信号通路异常，揭示疾病发生发展机制以阿尔茨海默病为例，生物化学研究揭示了β-淀粉样蛋白沉积、tau蛋白过度磷酸化和神经炎症在疾病发生中的作用，为靶向治疗提供了方向药物靶点发现是药物研发的起点，生物化学技术如蛋白质组学、代谢组学和高通量筛选帮助识别关键靶点生物标志物筛选利用组学技术寻找疾病特异性分子标志，用于早期诊断、预后评估和疗效监测，如癌症中的循环肿瘤和代谢物组变化模式个性化医疗基于患者基因型、蛋白质表达谱和代谢特征，定制最佳治疗方案，DNA如根据酶活性调整药物剂量，根据肿瘤分子分型选择靶向药物CYP450生物化学在农业领域应用作物改良生物化学技术在作物改良中发挥关键作用，通过理解植物代谢途径和基因表达调控，开发出高产、抗逆和高营养价值作物基因编辑技术如CRISPR/Cas9已用于开发抗病虫害、耐旱、耐盐和营养强化作物，如β-胡萝卜素强化金大米和抗除草剂大豆病虫害控制对植物病原物互作机制的生化研究促进了新型防控策略开发干扰技术开发的杀虫剂能特异抑制害-RNA虫关键基因表达；植物疫苗技术诱导系统获得抗性；生物农药利用微生物代谢产物或直接利用有益微生物抑制病虫害，减少化学农药使用农药设计基于对靶标酶或受体结构的理解，设计高效低毒农药如设计特异抑制昆虫几丁质合成酶而不影响哺乳动物的杀虫剂；针对植物病原菌特有代谢途径的杀菌剂生物化学技术还用于评估农药环境命运和生态毒理学效应食品安全检测酶联免疫吸附测定、生物传感器和质谱技术用于快速检测食品中的农药残留、兽药残留、真菌毒素ELISA和非法添加物条形码技术用于食品溯源和真伪鉴别，保障食品供应链安全代谢组学方法评估转基DNA因作物与传统作物的实质等同性生物化学在工业领域应用工业酶制剂工业酶是生物化学在工业中最成功的应用之一蛋白酶和淀粉酶在洗涤剂中去除蛋白质和淀粉污渍；纤维素酶和木聚糖酶在造纸工业中降解木质纤维；脂肪酶在食品加工中催化脂质转化；淀粉转化酶用于高果糖浆生产蛋白质工程技术开发的耐热酶、耐变化酶和高活性酶已广泛应用于各行业，提高生产效率并减少环境污染pH生物燃料生产生物化学技术在开发可再生生物燃料中发挥关键作用第一代生物燃料如生物乙醇主要通过酵母发酵玉米或甘蔗糖分生产；第二代生物燃料利用纤维素酶降解农业废弃物生产燃料；第三代生物燃料利用藻类生产生物柴油通过代谢工程改造微生物，开发出能直接产生烃类燃料或高能生物燃料的生物催化剂，提高能量转换效率生物基材料生物化学促进了可生物降解材料的开发聚乳酸由乳酸聚合制备，用于包装材料和医疗器械；聚羟基烷酸酯由细菌发酵生产，具有可调节的物理性能；基于甲壳素PLA PHA的材料应用于医疗敷料和食品包装纤维素纳米晶体和微纤丝作为强化材料添加到复合材料中，提高材料强度生物基材料正逐步替代石油基塑料，减少环境污染生物化学前沿研究1合成生物学合成生物学通过设计和构建新型生物系统探索生命规律近年来重要进展包括合成基因组项目，如人工酵母染色体合成；基于技术的基因线路工程，构建复杂的基因开关和振荡CRISPR器；代谢工程改造微生物生产药物前体、生物燃料和特种化学品，如酵母生产蒽环类抗生素和罂粟碱系统生物学系统生物学采用整体观念研究生物系统，整合基因组学、蛋白质组学和代谢组学数据构建计算模型单细胞组学技术揭示细胞异质性和发育轨迹；多组学整合分析揭示疾病发生的网络机制；基于约束的代谢流分析预测代谢网络行为，指导微生物工程改造单细胞分析单细胞技术革命性地改变了生物学研究方法，允许研究细胞群体中的异质性单细胞测RNA序绘制细胞图谱，揭示罕见细胞类型；单细胞多组学技术同时分析单个细胞的基因组、转录组和表观基因组；空间转录组学保留细胞空间信息，揭示组织微环境对基因表达的影响人工智能辅助研究技术在生物化学研究中的应用日益广泛深度学习算法突破性地解决了蛋白质AI AlphaFold2结构预测问题；机器学习加速药物发现过程，预测化合物活性和靶点相互作用；自动化实验平台结合决策系统实现闭环科学发现，极大提高研究效率AI案例分析分子生物学技术应用液体活检技术细胞疗法疫苗平台CAR-T mRNA液体活检通过分析血液中的循环肿瘤嵌合抗原受体细胞疗法是基大流行加速了疫苗技T CAR-T COVID-19mRNA、循环肿瘤细胞和因编辑和免疫学的突破性应用技术术发展辉瑞和DNActDNA CTC/BioNTech Moderna外泌体实现无创癌症诊断和监测新通过基因修饰使细胞表达针对肿瘤疫苗通过递送编码T mRNASARS-CoV-2一代测序和数字技术能检测极低抗原的嵌合抗原受体和刺突蛋白的修饰，诱导强烈免PCR KymriahmRNA丰度的癌症相关突变临床研究表明，已获批用于治疗细胞恶性肿疫反应，有效率超过技术关键Yescarta B90%分析可早于影像学检查发现复瘤，完全缓解率超过当前研究在于脂质纳米颗粒递送系统和ctDNA80%mRNA发，对治疗反应监测更灵敏该技术聚焦于降低细胞因子释放综合征风险、修饰策略该平台具有快速开发、安已用于非小细胞肺癌突变检测和开发实体瘤疗法和提高细胞持全性高和大规模生产优势，正扩展应EGFR CAR-T结直肠癌治疗监测久性，如使用技术敲除提用于流感、和癌症疫苗，展示了CRISPR PD-1HIV高抗肿瘤能力生物化学技术转化为医疗产品的成功路径总结与展望课程要点回顾学科交叉融合本课程系统介绍了生物化学的基本原理、生物化学与物理学、计算机科学、材料科主要生物分子的结构与功能、关键代谢途学等学科深度融合，催生了生物物理学、径以及现代分子生物学技术从生命的化计算生物学和生物材料学等新兴领域这学基础到复杂的代谢网络，从基因表达调种交叉融合推动了研究方法创新和理论突控到蛋白质功能研究，建立了对生命科学破，使我们能从多角度理解生命现象分子基础的全面理解学习资源推荐未来发展趋势推荐经典教材《生物化学原生物化学未来发展将聚焦于精准调控生命Lehninger理》、《生物化学》和《分子生物过程、理解复杂生物系统和开发生物基解Stryer学》；在线课程平台如决方案合成生物学将创造具有新功能的Alberts Coursera和提供优质生物化学课程；人工生物系统；单细胞多组学技术将揭示edX Nature和等期刊追细胞命运决定机制；辅助的生物计算将Methods NatureBiotechnology AI踪前沿技术；和等加速科学发现；生物制造将推动可持续发Protein DataBank KEGG数据库支持深入学习展。