《生物化学原理下》课件

生物化学原理下生物化学是研究生命现象化学本质的学科，探索从分子水平理解生命过程的奥秘本课程将深入剖析生物大分子的结构与功能，揭示细胞代谢的精密调控机制，以及这些知识在医学、农业和工业中的广泛应用生物化学的发展简史年1869年后1953瑞士科学家首次从白细胞核中分离出Friedrich Miescher核酸，为后来结构的发现奠定基础这一里程碑标志双螺旋结构的发现引领分子生物学革命，随后中心法DNA DNA着生物化学作为独立学科的诞生则的确立深刻改变了人类对生命本质的认识1234世纪初现代发展20酶学研究蓬勃发展，科学家开始理解酶的催化特性，揭示了生物化学反应的基本原理，为代谢研究打开了大门生命的分子基础氧元素氮元素关键的电子受体，细胞蛋白质和核酸的必需成氢元素呼吸不可或缺分磷元素数量最多的元素，参与能量转移和核酸骨架的能量转换与传递关键碳元素硫元素生命分子的核心骨架，能形成多样化的分子结构生物体的化学组成高度统一，表明所有生命形式可能源自共同祖先生物体干重的一半以上是蛋白质，这反映了蛋白质在生命活动中的核心地位细胞内丰富的水分子则为生化反应提供理想环境水与生命水的特殊物理性质溶剂功能水具有异常高的比热容，能有效水分子的极性使其成为优秀的生调节温度，保护细胞免受温度剧物溶剂，能溶解多种离子和极性烈波动的影响水的高表面张力分子细胞内大部分生化反应都和粘度对细胞结构的维持至关重在水溶液中进行要化学反应参与者水不仅是反应介质，还直接参与多种生化反应，如水解反应和缩合反应在光合作用中，水是电子供体，释放氧气缓冲体系与生物调节pH细胞内缓冲系统稳态的重要性pH磷酸盐缓冲系统（₂₄⁻₄⁻）是细胞内主要血浆维持在狭窄的范围内，即使轻微偏离也H PO/HPO²pH

7.35-

7.45的缓冲系统，在生理范围内具有最佳缓冲能力蛋白质会导致严重后果当低于时，称为酸中毒；高于pH pH

7.35缓冲系统利用氨基酸侧链的电离基团，可占细胞总缓冲能力时，称为碱中毒

7.45的以上75%组氨酸残基（）对维持细胞内特别重要，因为pKa≈

6.5pH其接近生理此外，碳酸氢盐系统在细胞外液中发pKa pH挥关键作用生物大分子的作用力共价键形成生物大分子稳定骨架氢键决定蛋白质二级结构和配对DNA离子相互作用带电基团间的静电吸引力疏水相互作用非极性基团在水环境中的聚集范德华力5分子间的短程吸引力生物分子间的相互作用是由多种化学键共同决定的共价键（如肽键、糖苷键）提供了稳定的分子骨架，能量通常为非共价键虽然单个强度较弱（氢键200-400kJ/mol4-），但数量众多，共同决定了生物大分子的精确三维结构和功能20kJ/mol蛋白质的结构层次一级结构氨基酸线性序列，由遗传密码决定，通过肽键连接形成多肽链序列决定了蛋白质的所有高级结构信息二级结构局部规则排列的空间结构，主要包括螺旋和折叠这些结构由主链间αβ的氢键稳定，大多数蛋白质含有多种二级结构元素三级结构整个多肽链的三维折叠，由侧链间的相互作用决定，包括疏水作用、离子键、氢键和二硫键肌红蛋白是典型的球状蛋白，含有个螺旋8α四级结构氨基酸及其分类氨基酸的化学性质两性离子特性在不同下呈现不同电荷状态pH等电点正负电荷相等时的值pH分离技术应用3电泳、离子交换层析的基础氨基酸分子含有氨基₂和羧基两个官能团，使其在水溶液中呈现两性离子形式₃⁺⁻在酸性环境-NH-COOH HN-CHR-COO下，氨基酸呈正电荷；在碱性环境下呈负电荷；在等电点时，分子总电荷为零，溶解度最低蛋白质功能举例酶催化功能信号转导聚合酶能将复制速率提高倍，在体内达到每秒蛋白偶联受体能识别外界信号分子，通过构象变化激活胞内DNA DNA10⁸G添加个核苷酸的速度几乎所有生化反应都需要特定酶信号级联反应人体中超过种蛋白偶联受体参与视觉、1000800G的催化才能以生理速率进行嗅觉和激素响应等过程结构功能运输功能胶原蛋白形成三股螺旋结构，提供组织强度和弹性肌动蛋白和肌球蛋白在肌肉收缩中发挥关键作用，通过水解驱动肌ATP肉运动酶的催化机制底物结合活化底物底物与酶活性位点特异性结合，形成酶-酶通过降低活化能促进反应进行底物复合物2产物释放催化反应4产物从酶上释放，酶可重复催化新一轮反通过多种机制加速化学键的断裂或形成应酶是生物催化剂，能使生化反应速率提高倍，并表现出高度的专一性酶催化的奥秘在于其精确的三维结构形成的活性位点，10⁶~10¹²能与特定底物完美结合并降低反应活化能酶催化机制多种多样，包括酸碱催化、共价催化、金属离子催化等许多酶需要辅因子（如辅酶、金属离子）参与催化过程酶的可调控性使细胞能根据需要精确控制代谢速率，是生命调控网络的核心组成部分酶动力学及调节米氏方程变构调节反馈抑制米氏方程描述酶促反应速率与底物浓变构酶具有催化位点和调节位点，调节磷酸果糖激酶是糖酵解的关键调节v1度的关系分子结合到调节位点可改变酶的构象和酶，受和柠檬酸抑制，受和[S]v=ATP AMP是最大反活性阳性效应物增强酶活性，阴性效果糖二磷酸激活这种精密调控Vmax[S]/Km+[S]Vmax-2,6-应速率，是米氏常数，代表酶对底应物抑制酶活性这种机制使酶活性能确保糖酵解速率与细胞能量需求精确匹Km物的亲和力当时，反应速率迅速响应细胞环境变化配，防止能量浪费[S]=Km为的一半Vmax酶的应用亿20070%全球工业酶市场生物技术药物截至年，全球工业酶制剂年产值超过约的生物技术药物生产过程中使用酶202470%亿美元，年增长率约洗涤剂酶占比重组技术、蛋白质工程和定向进化极大2006%DNA最大，其次是食品加工和饲料添加剂酶拓展了酶在医药领域的应用小时48诊断时间缩短酶联免疫吸附测定和聚合酶链反应ELISA等酶技术将许多疾病诊断时间从传统PCR的小时缩短至几小时甚至几分钟48酶在工业和医学领域的应用日益广泛在医学诊断中，特异性酶被用于各种体液检测；在治疗上，酶替代疗法用于处理某些酶缺乏症，如胰腺酶用于胰腺功能不全患者核酸检测酶如中的聚合酶，已成为分子诊断的基石PCR Taq核酸的结构基础核苷酸结构组成DNA核苷酸是核酸的基本单位，由三部含有四种碱基腺嘌呤、DNA A分组成含氮碱基、五碳糖（鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶DNA G C中为脱氧核糖，中为核糖）和是双链结构，通过碱基RNA TDNA磷酸基团这三者的组合形成了遗间的氢键配对形成双螺旋磷酸二传信息的化学基础酯键连接相邻核苷酸特点RNA通常为单链，含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种RNA AGCU碱基中的核糖位有基团，使更容易水解，化学稳定性低于RNA2OH RNADNA核酸是遗传信息的载体，由数以百万计的核苷酸通过磷酸二酯键连接而成主DNA要存在于细胞核中，而在细胞核和细胞质中都有分布核酸的物理化学性质，RNA如酸碱性、溶解性和光吸收特性，为核酸研究提供了重要工具的双螺旋结构DNA模型结构变异与功能Watson-Crick年，和根据和的射除经典的型外，还存在型和型等结构变体1953Watson CrickFranklin WilkinsX BDNA AZ DNA线衍射数据，提出了双螺旋结构模型该发现被认为型更短更宽，主要出现在脱水条件下；型是左DNA A DNA ZDNA是世纪生物学最重要的突破之一，四位科学家（其中手螺旋，在某些特定序列区域形成，可能参与基因表达调20因去世未能与其他三人）共同获得了年诺贝控Franklin1962尔生理学或医学奖结构的稳定性来自碱基间的氢键（间形成个氢DNA A-T2双螺旋结构的关键特征包括碱基互补配对规则（键，间形成个氢键）和碱基堆积作用结构的灵DNA A-G-C3DNA，），右手螺旋形态，每个碱基对完成一个完整活性对复制、转录等过程至关重要，局部解旋是这些过程的T G-C

10.5螺旋，相邻碱基对间距为这种结构完美解释了第一步

0.34nm如何储存和复制遗传信息DNA的多样结构RNA展现出比更加多样的结构和功能信使携带从转录的遗传信息，用于蛋白质合成，通常含有帽子结构和多聚腺苷酸尾巴转RNA DNARNAmRNA DNA53运呈独特的三叶草形二级结构和形三级结构，负责将氨基酸转运至核糖体RNAtRNA L核糖体是核糖体的结构和功能组分，具有复杂的折叠结构和催化活性小核参与加工，如剪接微小和小干扰RNArRNA RNAsnRNA RNA RNAmiRNA参与基因表达的调控这些分子的三维结构决定了它们的特定功能，反映了在生命过程中的核心作用RNAsiRNA RNARNA基因与遗传信息基因结构转录过程翻译过程表达调控基因是上编码蛋白质或功能信息转录为，由聚合上的遗传密码被翻译成蛋白基因表达受多层次调控，确保蛋白质DNA DNARNARNAmRNA的序列单位，包含启动子、编酶催化，是基因表达的第一步质，每三个核苷酸（密码子）编码一在正确时间和位置合成RNA码区和终止子等元件个氨基酸人类基因组约含万个蛋白质编码基因，远少于早期预测的万个，表明基因组的复杂性不仅取决于基因数量，还取决于基因表达的精确调控和分子的多样功210RNA能每个人体细胞都含有完整的基因组，但不同细胞类型只表达其中的一部分基因基因中的变异可导致遗传疾病，如镰状细胞贫血症由珠蛋白基因单个核苷酸变异引起现代基因组学技术使我们能够精确鉴定与疾病相关的基因变异，为精准医疗β-提供基础蛋白质生物合成转录聚合酶在模板上合成，真核生物中初生需经过加帽、加RNA DNAmRNA mRNA尾和剪接等复杂加工过程转录调控是基因表达控制的主要层次，包括启动子识别、转录因子结合和染色质修饰翻译上的遗传密码被核糖体解读并翻译成蛋白质，作为氨基酸与密mRNA tRNA码子间的适配器翻译过程包括起始、延伸和终止三个阶段，每个阶段都需要特定的蛋白因子和水解提供能量GTP折叠与修饰新合成的多肽链需要正确折叠形成功能性蛋白质，通常在分子伴侣协助下完成许多蛋白质还需要翻译后修饰（如糖基化、磷酸化）才能获得完全功能蛋白质合成是细胞内能量消耗最大的过程之一，合成一个肽键平均需要个高能磷4-5酸键水解核糖体是翻译的核心机器，由和蛋白质组成，具有肽基转移酶活性rRNA原核生物翻译速率约为每秒个氨基酸，真核生物约为每秒个氨基酸152-3基因调控与表达基因调控是生物体精确控制基因表达的机制，确保基因在正确的时间、正确的细胞中以适当水平表达在原核生物中，操纵子模型是基因调控的经典范例以大肠杆菌乳糖操纵子为例，当环境中无乳糖时，阻遏蛋白结合至操作子，阻止聚合酶转录；当乳糖存在RNA时，阻遏蛋白构象改变，解除抑制，允许转录进行真核生物基因调控更为复杂，包括染色质水平调控（如组蛋白修饰、甲基化）、转录水平调控（转录因子、增强子）、转录后调DNA控（剪接、稳定性）和翻译水平调控外源激素（如类固醇激素）和代谢产物通过特定信号通路影响基因表达，使细胞能够响应RNA环境变化基因工程与生物技术1年1973和成功创造首个重组分子，标志着基因工程时代的开始他们Cohen BoyerDNA将来自不同生物的片段连接并导入细菌中表达，为生物技术产业奠定基础DNA年1982第一个基因工程药物人胰岛素获批准，证明重组技术的实用Humulin FDA DNA价值随后，生长激素、干扰素等多种重组蛋白药物相继问世3年1985聚合酶链反应技术发明，彻底改变分子生物学研究方法能在几小时内PCR PCR将特定片段扩增数十亿倍，极大促进基因分析和诊断技术发展DNA4年后2012基因编辑技术兴起，以其简便、高效和精准的特点迅速普及该技CRISPR/Cas9术已用于创建疾病模型、开发新型作物和探索基因治疗，年获诺贝尔化学2020奖糖类的基本结构单糖1最简单的糖分子，如葡萄糖、果糖双糖2两个单糖通过糖苷键连接，如蔗糖、麦芽糖多糖多个单糖聚合物，如淀粉、纤维素、糖原糖类是地球上最丰富的有机物质，葡萄糖₆₁₂₆是糖类代谢的中心分子从化学结构看，单糖分子含有醛基或酮基，以及多个羟C H O基大多数单糖在水溶液中以环状结构存在，如葡萄糖主要以吡喃型和吡喃型形式存在α-D-β-D-单糖可通过糖苷键连接形成更复杂的结构不同的连接方式产生不同性质的糖类糖苷键形成淀粉，糖苷键形成纤维素α-1,4-β-1,4-这些结构差异导致淀粉可被人体消化，而纤维素不能被消化糖类分子中的手性中心使其具有旋光性，构型在自然界中占主导地位D-糖类的生理功能结构功能分子识别纤维素是植物细胞壁主要成分，几丁质细胞表面糖蛋白和糖脂参与细胞间识别构成节肢动物外骨骼和信号传导能量来源保护作用提供人体约的能量需求，葡萄糖是肝素抑制血液凝固，透明质酸在关节液60%大脑的首选燃料中起润滑作用糖类在生物体中发挥多种关键功能作为主要能量来源，葡萄糖通过糖酵解和有氧呼吸产生大脑每天消耗约克葡萄糖，是绝对的糖依赖者肝脏和肌肉中储ATP120存的糖原是机体快速供能的重要形式，可在低血糖时迅速分解释放葡萄糖结构性多糖如纤维素、几丁质赋予生物体支撑和保护功能糖类还参与生物识别过程，如血型抗原、免疫识别和病毒感染细胞外基质中的糖胺聚糖（如透明质酸、硫酸软骨素）维持组织结构和功能复杂糖链的多样性使其成为编码生物信息的理想分子糖类的代谢基础糖酵解丙酮酸脱氢三羧酸循环葡萄糖分解为丙酮酸的步反丙酮酸进入线粒体后，由丙酮乙酰辅酶在线粒体基质中进入10A应，产生少量和，酸脱氢酶复合体催化脱羧并与循环，经过步反应完全氧ATP NADH TCA8不需氧气参与该过程在细胞辅酶结合，形成乙酰辅酶，化为₂，同时产生大量还原A ACO质中进行，是所有细胞获取能同时产生当量和₂NADH NADH FADH量的基本途径电子传递链和₂将电子传递NADH FADH给氧气，同时在线粒体内膜上形成质子梯度，驱动合成ATP酶产生大量ATP一分子葡萄糖完全氧化可产生约分子，能量转化效率约为其中，糖酵解产生30-32ATP40%，循环和电子传递链产生剩余的这一过程是有氧生物获取能量的主要途径在缺氧2ATP TCAATP条件下，细胞只能通过糖酵解获取能量，丙酮酸被转化为乳酸（如在剧烈运动的肌肉中）或乙醇（如在酵母中）糖代谢调控胰岛素作用胰岛素是进食后血糖升高时分泌的主要激素，促进组织摄取葡萄糖并将多余能量储存为糖原和脂肪胰岛素通过激活胰岛素受体，引发一系列信号转导，最终促进葡GLUT4萄糖转运蛋白转位到细胞膜，增加葡萄糖摄取胰高血糖素作用胰高血糖素在血糖偏低时分泌，主要作用于肝脏，促进糖原分解和糖异生，以维持血糖水平胰高血糖素通过蛋白偶联受体作用，激活腺苷酸环化酶，增加水平，激G cAMP活蛋白激酶，进而激活糖原磷酸化酶A糖尿病机制型糖尿病是由自身免疫导致胰岛细胞破坏，胰岛素分泌不足；型糖尿病主要由胰岛素抵抗和相对胰岛素分泌不足导致慢性高血糖会损害多个器官，导致肾病、视网膜1β2病变、神经病变等并发症糖异生与糖原代谢糖异生途径糖原代谢糖异生是从非碳水化合物前体（如丙酮酸、乳酸、甘油和某糖原是动物体内主要的葡萄糖储存形式，主要存在于肝脏和些氨基酸）合成葡萄糖的过程该过程主要发生在肝脏和肾肌肉中肝糖原（约）主要维持血糖稳定，肌糖原100g脏，是维持空腹血糖稳定的关键机制糖异生途径与糖酵解（约）则为肌肉活动提供能量糖原合成酶催化400g不完全相反，其中有三步反应由不同酶催化，绕过了糖酵解葡萄糖逐步添加到糖原链上，而支链酶负责形成UDP-α-中的不可逆反应糖苷键，创造分支结构1,6-在长时间饥饿状态下，肝糖原耗尽后，糖异生成为维持血糖糖原分解由糖原磷酸化酶催化，从糖原非还原端逐个切下葡的主要来源此时，肌肉分解蛋白质释放氨基酸，脂肪组织萄糖磷酸肌肉中，葡萄糖磷酸转化为葡萄糖-1--1--6-分解脂肪释放甘油，为糖异生提供原料糖异生是能量消耗磷酸进入糖酵解；肝脏中，葡萄糖磷酸酶催化产生游离-6-过程，每合成分子葡萄糖需消耗葡萄糖释放入血糖原代谢受激素（胰岛素、胰高血糖素、16ATP肾上腺素）和神经调控氧化磷酸化与生成ATP氧化还原与自由基活性氧产生ROS电子传递链泄漏产生超氧阴离子1氧化损伤脂质过氧化、蛋白质变性、突变DNA抗氧化防御3超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶生理意义与衰老、疾病和信号传导相关细胞代谢过程中，和₂是主要的电子载体，携带高能电子用于合成在电子传递过程中，约的电子会泄漏出来，与氧气结合形成超氧阴离NADHFADHATP1-2%子自由基₂⁻这些活性氧可进一步转化为过氧化氢₂₂和更具破坏性的羟基自由基·OHO·OH为对抗氧化损伤，细胞进化出复杂的抗氧化防御系统超氧化物歧化酶催化超氧阴离子转化为过氧化氢；过氧化氢再被过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶转化SOD为水抗氧化剂（如维生素、维生素）通过捕获自由基保护细胞组分氧化应激与多种病理状态相关，包括神经退行性疾病、心血管疾病和炎症过程C E脂类的结构与功能脂类是一组以不溶于水、可溶于有机溶剂为特征的生物分子脂肪酸是脂类的基本构建单元，由碳氢链和一个羧基组成，可分为饱和脂肪酸（如棕榈酸、硬脂酸）和不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸）甘油三酯由一分子甘油与三分子脂肪酸酯化形成，是生物体主要的能量储存形式磷脂是细胞膜的主要成分，由一个极性头部和两条非极性尾部组成，形成生物膜的双分子层结构固醇类（如胆固醇）在调节膜流动性和作为激素前体方面发挥重要作用脂溶性维生素（、、、）参与多种生理过程，包括视觉、钙代谢、抗氧化和血液凝固脂类的结构多样性反映了其功能的多样性A DE K脂肪酸的氧化β-活化脂肪酸在细胞质中被酰基合成酶活化，形成脂酰，消耗个活-CoA-CoA1ATP化的脂肪酸通过肉碱穿梭系统转运进入线粒体基质氧化循环氧化是一个四步循环过程

①脱氢（₂）；

②加水；

③再脱β-FAD→FADH氢（⁺）；

④硫解裂解，每次循环切下一个乙酰，链长NAD→NADH-CoA缩短两个碳原子能量产出以棕榈酸（）为例，完全氧化产生个乙酰、个C16:0β-8-CoA7₂、个这些产物通过循环和电子传递链最终产生约FADH7NADHTCA个，远高于同等质量葡萄糖产生的108ATP ATP氧化是脂肪酸分解的主要途径，主要发生在线粒体基质中（极长链脂肪酸在过氧化β-物酶体中氧化）每次氧化循环产生个₂、个和个乙酰，乙1FADH1NADH1-CoA酰进入循环进一步氧化奇数碳脂肪酸氧化最后会产生丙酰，经特殊-CoA TCA-CoA途径转化为琥珀酰进入循环-CoA TCA脂类代谢调控机制空腹状态脂肪组织中的脂肪酶活化，释放脂肪酸进入血液转运利用组织摄取脂肪酸进行氧化，产生能量β-酮体生成肝脏乙酰过多时，合成酮体供脑使用-CoA代谢紊乱脂质代谢异常导致多种疾病，如动脉粥样硬化脂质代谢受多种激素精密调控胰岛素促进葡萄糖摄取和脂肪合成，抑制脂肪分解；胰高血糖素和肾上腺素则促进脂肪分解饥饿状态下，脂肪组织释放的脂肪酸成为主要能源，肝脏将过量乙酰-CoA转化为酮体（羟丁酸、乙酰乙酸）供应脑组织β-脂质代谢紊乱与多种疾病相关高脂血症增加动脉粥样硬化风险；脂肪肝可由酒精摄入过多或代谢综合征引起；酮症酸中毒是糖尿病危象的表现之一血脂调节药物如他汀类通过抑制胆固醇合成关键酶还原酶，有效降低血浆水平，预防心血管疾病HMG-CoA LDL类固醇与激素生物合成胆固醇孕烯醇酮细胞膜组分和所有类固醇激素的前体由胆固醇生成的首个类固醇中间体12雌激素孕酮6主要女性激素，促进女性特征发育女性生殖激素，也是其他激素前体3睾酮5皮质醇主要雄性激素，促进男性特征发育肾上腺皮质分泌的主要糖皮质激素胆固醇是细胞膜的重要组分，调节膜流动性和通透性它也是所有类固醇激素的前体，通过复杂的生物合成途径转化为各种激素胆固醇在内质网中合成，经多步反应，关键酶为还原酶，是他汀类药物的靶点HMG-CoA甾体激素是一类脂溶性信号分子，可通过细胞膜自由扩散，与胞内受体结合，调控基因表达它们在机体内调节多种生理过程，包括代谢、盐水平衡、生殖和性发育合成中的关键转化包括胆固醇孕烯醇酮孕酮各类激素不同组织中特异性酶的表达决定了产生的激素类型→→→维生素与酶的辅因子水溶性维生素脂溶性维生素族维生素和维生素是水溶性的，主要作为辅酶参与代谢维生素、、、是脂溶性的，在脂质吸收不良时易缺B C ADE K反应维生素₁（硫胺素）作为辅酶参与丙酮酸脱氢乏维生素（视黄醇）在视觉中起关键作用，其衍生物视B TPPA酶反应；维生素₂（核黄素）转化为和，在氧化黄酸调控基因表达；维生素（胆钙化醇）经肝肾转化为活B FADFMN D还原反应中传递电子；维生素₃（烟酰胺）是⁺和性形式，调控钙磷代谢；维生素（生育酚）是重要的脂溶B NADE⁺的组成部分；维生素₆（吡哆醇）作为辅酶参与性抗氧化剂，保护细胞膜；维生素参与血液凝固因子的NADP B Kγ-氨基酸代谢羧基化维生素（抗坏血酸）是重要的抗氧化剂，也参与胶原蛋白脂溶性维生素缺乏症包括缺乏导致夜盲症，缺乏导致CAD羟基化等反应水溶性维生素缺乏症包括₁缺乏导致脚佝偻病（儿童）或骨软化症（成人），缺乏导致出血倾BK气病，₃缺乏导致癞皮病，₁₂缺乏导致恶性贫血，缺向由于脂溶性维生素可在体内储存，过量摄入可能导致毒B BC乏导致坏血病（牙龈出血、伤口愈合不良）性，特别是维生素和AD生物能与高能化合物结构与功能高能磷酸键特点ATP（三磷酸腺苷）由腺嘌高能磷酸键具有强静电排斥、ATP呤、核糖和三个磷酸基团组共振稳定性小和水解熵增大等成中磷酸键水解释放特点除外，其他高能磷ATPγ-ATP约能量，是细胞酸化合物包括磷酸肌酸（在肌

30.5kJ/mol能量转移的主要方式人体每肉中提供快速再生）、磷ATP天合成约自身体重的，但酸烯醇式丙酮酸（糖酵解中的ATP总量只有约，表明高能中间体）和（在蛋白ATP50g GTP快速周转的特性质合成中提供能量）ATP能量耦联机制通过能量耦联驱动不利反应通常，水解的能量与需能反应偶ATP ATP联，使总反应为负这种能量偶联是通过高能中间体或磷酸化蛋白ΔG质等机制实现的，使得成为细胞内各种生理过程的能量货币ATP信号分子与电子传递蛋白偶联受体酪氨酸激酶受体钙信号G蛋白偶联受体是最大的膜受体酪氨酸激酶受体在配体结合后二钙离子是重要的第二信使，静息时胞内G GPCRRTK家族，通过偶联的蛋白传递信号当聚化，自身磷酸化，提供结合位点招募浓度极低（约），激活时可短G100nM激动剂（如激素、神经递质）结合时，下游信号蛋白这些受体介导生长因子暂升高倍钙离子通过结合钙10-100受体构象改变，激活蛋白，进而调节信号，通过、等调蛋白等蛋白质，调控多种酶活性，参G Ras-MAPK PI3K-Akt效应器（如腺苷酸环化酶）活性，产生途径影响细胞增殖、分化和存活胰岛与肌肉收缩、激素分泌、神经递质释放第二信使（如）素受体是的典型代表等过程cAMP RTK氮代谢基础及氨基酸分解蛋白质降解细胞内蛋白质通过泛素蛋白酶体系统或溶酶体降解为氨基酸，每日蛋白质周转约-300-，远超食物中摄入的蛋白质量400g转氨基作用氨基酸中的氮通过转氨酶转移至酮戊二酸，形成谷氨酸，这是大多数氨基酸分解的第一α-步，需要维生素₆作为辅酶B脱氨基作用谷氨酸脱氨基酶催化谷氨酸释放氨，形成酮戊二酸氨是有毒物质，需要迅速转化为无α-毒形式排出体外尿素循环肝脏中的尿素循环将氨转化为尿素，经肾脏排出每个循环消耗，产生个尿素分3ATP1子，包含个氮原子2氨基酸碳骨架的代谢命运多样糖原性氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸）可转化为葡萄糖；酮原性氨基酸（如亮氨酸、赖氨酸）转化为乙酰或乙酰乙酰；某些氨基酸（如苯丙氨酸、酪氨酸）既糖原又酮原CoA CoA氨基酸代谢缺陷会导致多种遗传病，如苯丙酮尿症（苯丙氨酸羟化酶缺陷）、枫糖尿症（支链氨基酸代谢障碍）嘌呤与嘧啶代谢细胞代谢的整合调控机体代谢是高度整合的，不同组织和器官之间通过代谢底物和激素相互协调肝脏是中心代谢器官，调控糖、脂、蛋白质代谢；肌肉是主要的能量消耗组织；脂肪组织储存能量并分泌多种激素；大脑主要依赖葡萄糖供能，是能量代谢的优先保障对象进食状态和空腹状态的代谢特点明显不同进食后，胰岛素水平升高，促进葡萄糖摄取、糖原合成和脂肪合成，抑制糖异生和脂肪分解；空腹时，胰高血糖素和肾上腺素水平升高，促进糖原分解、糖异生和脂肪分解，以维持血糖水平这些互补与拮抗的代谢途径，通过激素和代谢物的精密调控，确保机体在不同生理状态下的能量平衡热量平衡与代谢率70%15%基础代谢身体活动基础代谢率（）是维持基本生命活动所需的最低体力活动导致的能量消耗因人而异，从久坐生活方式的BMR能量消耗，约占总能量消耗的大脑和内脏器到高强度训练的运动员的不等定期运动可提60-70%10%30%官虽仅占体重的，却消耗的基础代谢能量高代谢率，增加热量消耗5%25%10%食物热效应食物的消化、吸收和代谢过程会消耗一部分能量，称为食物热效应（），约占摄入热量的蛋白质的TEF10%高于碳水化合物和脂肪TEF代谢率受多种因素影响年龄（随年龄增长每十年下降）；性别（女性通常比男性低，主要由于肌2-3%5-10%肉质量差异）；体型（肌肉组织代谢活跃，脂肪组织代谢较低）；激素状态（甲状腺激素升高增加代谢率）；环境温度（在低温环境中代谢率增加以产热）基础代谢率可通过直接测热法（测量产热）或间接测热法（测量氧消耗和二氧化碳产生）测定呼吸商（产生RQ=的₂消耗的₂）反映能量底物类型纯碳水化合物，蛋白质，脂肪长期热量摄CO/O RQ=

1.0RQ≈

0.8RQ≈

0.7入与消耗不平衡会导致体重变化，每多消耗约千卡可减少千克脂肪77001分子诊断的生物化学基础技术技术分子标志物基因测序PCR ELISA聚合酶链反应是酶联免疫吸附测定分子标志物是疾病状态测序技术可分析基PCR DNA基于热变性、引物利用抗原抗体的生化指标，如肿瘤相因突变、多态性和表达DNA ELISA-退火和延伸的体外特异性结合和酶催化显关蛋白、、谱高通量测序使全基DNA CEAAFP扩增技术实时定量色反应，检测血清、尿心肌损伤标志物肌钙蛋因组外显子组分析成为/可精确测量特定液等样本中的特定蛋白白、肝功能指标、可能，已在癌症精准诊PCRALT含量，广泛质可用于传染病诊断、多组学技术正在疗、遗传病筛查和胎儿DNA/RNA AST用于病原体检测、基因激素水平检测和肿瘤标发现新的早期诊断标志染色体异常检测中应用表达分析和基因分型志物筛查物代谢性疾病案例分析糖尿病非酒精性脂肪肝型糖尿病特征为胰岛素抵抗和相对胰岛素非酒精性脂肪肝与肥胖、胰岛素2NAFLD分泌不足，导致高血糖分子机制涉及胰抵抗密切相关，特征为肝脏脂质异常蓄岛素受体信号传导缺陷、葡萄糖转运蛋白积当脂肪酸摄入和合成超过氧化和输出转位障碍和胰岛细胞功能衰能力时，甘油三酯在肝细胞中积累GLUT4β竭长期高血糖导致蛋白质糖基化，产生晚期脂肪变性可进展为脂肪性肝炎，NASH糖基化终产物，引发氧化应激和炎涉及脂质过氧化、细胞因子释放和线粒体AGEs症反应，最终导致微血管并发症（视网膜功能障碍肝脏中脂肪酸氧化增加产生活病变、肾病）和大血管并发症（心脑血管性氧，同时内质网应激和炎症反应促进肝疾病）细胞凋亡和肝纤维化苯丙酮尿症苯丙酮尿症是常见的氨基酸代谢障碍，由苯丙氨酸羟化酶基因突变导致该酶缺陷使PKU苯丙氨酸无法转化为酪氨酸，导致血中苯丙氨酸和有毒代谢物积累未经治疗的患者会出现严重的智力障碍、癫痫和行为问题，这与苯丙氨酸及其代谢物对神经系统的毒性作用有关早期诊断和严格限制苯丙氨酸饮食治疗可预防神经系统损害新生儿筛查对的早期发现至关重要PKU细胞信号转导与疾病肿瘤相关信号通路靶向药物作用机制细胞信号转导异常是肿瘤发生发展的关键机制表皮生长因针对异常信号通路的靶向药物已成为现代肿瘤治疗的重要组子受体通路在多种癌症中过度激活，引起细胞增殖成部分酪氨酸激酶抑制剂（如吉非替尼、厄洛替EGFR EGFR失控基因突变或过表达可持续激活下游信号，如尼）通过与竞争性结合的催化域，阻断下游信号EGFR ATPEGFR和通路，促进传导，有效治疗突变的非小细胞肺癌RAS-RAF-MEK-ERK PI3K-AKT-mTOR EGFR细胞增殖、存活和侵袭转移单克隆抗体（如曲妥珠单抗）靶向受体，用于HER2HER2肿瘤抑制基因编码的蛋白质在损伤后激活，诱导阳性乳腺癌治疗酪氨酸激酶抑制剂（如伊马替p53DNA BCR-ABL细胞周期阻滞或凋亡功能丧失（常见于以上的人尼）通过抑制异常活化的融合蛋白，成功治疗慢性粒细胞白p5350%类肿瘤）使细胞失去这一重要保护机制血病抑制剂（如依维莫司）和抑制剂（如维Wnt/β-catenin mTORBRAF通路异常也与多种癌症相关，特别是结直肠癌莫非尼）分别用于特定类型的肾癌和黑色素瘤生物化学实验技术蛋白质电泳（十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳）是分离蛋白质的经典技术破坏蛋白质非共价键并赋予负电荷，使蛋白质主要按分子量分离二维电泳结合等电SDS-PAGE-SDS聚焦和，可分析复杂蛋白质混合物技术结合电泳和免疫检测，用于特定蛋白质的检测和定量SDS-PAGE Westernblot层析技术层析技术基于物质在移动相和固定相中分配系数的差异实现分离常用的有离子交换层析（基于电荷）、凝胶过滤层析（基于分子大小）、亲和层析（基于特异性结合）和高效液相色谱这些技术可用于蛋白质纯化、代谢物分析和药物检测HPLC核酸技术核酸杂交是基于碱基互补配对原理的技术，包括（检测）、（检测）和原位杂交实时定量通过荧光信号实时监测产物积Southern blotDNA Northernblot RNAPCR PCR累，用于基因表达分析测序技术已从法发展到高通量测序，大幅提高了测序速度和降低了成本DNA Sanger大数据与生物信息学亿3010⁵人类基因组碱基对蛋白质组复杂度人类基因组包含约亿个碱基对，完整测序产生人体蛋白质组估计包含万种蛋白质形式，3010-15数原始数据，需要生物信息学工具进行分析和考虑翻译后修饰和剪接变体，复杂度远超基因组TB解读⁹10单细胞测序分辨率单细胞测序技术每次实验可分析数千至数百万个单细胞，揭示细胞异质性和罕见细胞亚群生物信息学整合计算机科学、统计学和生物学，用于大规模生物数据的存储、分析和解释基因组学涉及全基因组测序、变异分析和功能注释；转录组学研究基因表达模式和调控网络；蛋白质组学鉴定和定量蛋白质，研究相互作用和修饰；代谢组学分析细胞内小分子代谢物的全貌机器学习和人工智能算法在生物数据挖掘中发挥重要作用，可预测蛋白质结构、药物靶点和疾病风险多组学数据整合分析揭示疾病的分子机制，推动精准医疗发展生物信息学平台如、和提供NCBI EBIUCSC数据存储和分析工具，促进全球科研合作合成生物学与未来基因线路设计合成生物学使用工程学原理设计和构建人工生物系统通过将生物元件（启动子、编码序列、终止子）模块化组装，可创建执行特定功能的基因线路，如振荡器、开关和逻辑门这些人工基因网络可实现可编程的生物功能代谢工程应用代谢工程改造微生物代谢途径，生产有价值的化合物通过引入外源基因、敲除内源基因和调控关键酶表达，可优化目标产物的产量成功案例包括生产青蒿素前体（抗疟药）、生物燃料和生物降解塑料的工程菌株医药与环境应用合成生物学在医药领域的应用包括工程化细胞疗法（如细CAR-T胞）、智能药物递送系统和疾病检测生物传感器在环境领域，工程微生物可用于污染物降解、二氧化碳固定和生物修复未来合成生物学有望解决能源、环境和健康方面的全球挑战《生物化学原理》新进展版教材更新辅助药物设计2022AI版《生物化学原理》教材整合了近年来生化研究的重人工智能在生物化学领域的应用正迅速发展，特别是在药物2022要突破，增加了单细胞分析技术、蛋白质相分离、非编码设计方面基于深度学习的等工具能以前所未AlphaFold2功能等新兴领域内容教材强化了生物化学与临床医学有的准确度预测蛋白质三维结构，解决了生物学中的一个重RNA的联系，增加了更多疾病相关案例，帮助学生理解生化原理大挑战这些工具通过分析蛋白质氨基酸序列中的进化关在疾病诊断和治疗中的应用联，预测蛋白质可能的折叠方式新版教材还优化了结构，采用更加模块化的章节设计，便于驱动的药物设计平台可以快速筛选数百万个化合物，预测AI学生建立知识框架增强了内容可视化，添加了更多三维分其与靶蛋白的结合能力，显著加速药物发现过程例如，子结构图和代谢通路示意图，提高了复杂概念的理解度在公司使用设计的靶向纤维化疾病的药Insilico MedicineAI教学方法上，引入了更多基于问题的学习案例和批判性思维物，从概念到临床试验仅用了个月，远低于传统药物开18训练发周期未来，与实验方法的结合将进一步革新药物研发AI领域学习资源与课程安排推荐教材主教材《生物化学》（第版）王镜岩等编著，高等教育出版社参考书《生4Lehninger物化学原理》，《生物化学》和《》这些教Stryer HarpersIllustrated Biochemistry材各有特点，建议结合使用，拓展知识面在线资源推荐课程中国大学平台的基础生物化学，上的MOOC MOOCCoursera Biochemistry:（蛋白质数据库）、（京都基Biomolecules,Methods,and MechanismsPDB KEGG因与基因组百科全书）等数据库对理解分子结构和代谢通路很有帮助混合式学习模式本课程采用线上线下混合教学模式每周学时课堂教学，学时线上学习线上部分包括预31习视频、虚拟实验和在线测验学生需在课前完成指定阅读和预习任务，课堂时间将更多用于问题讨论和案例分析评估方式平时成绩占（包括课堂表现，线上作业，小组项目）；期中考试占；40%15%15%10%20%期末考试占期末考试将注重对核心概念的理解和应用能力的评估，而非简单的知识点40%记忆复习要点与真题解析生物化学考试的核心内容包括

①生物大分子（蛋白质、核酸、糖类、脂类）的结构与功能；

②代谢途径（糖酵解、循环、氧TCAβ-化等）的反应步骤及调控；

③酶学（催化机制、动力学、调节）；

④分子生物学中心法则（复制、转录、翻译）；

⑤信号转导和DNA基因表达调控历年高频考题类型包括代谢通路中关键酶和调控点的识别；酶动力学参数计算及曲线解读；生物大分子结构与功能关系分析；代谢途径中间产物和能量产出计算；生化检验指标的临床意义解释备考建议绘制完整代谢图谱，标明关键酶和调控点；理解而非单纯记忆；多做习题，强化应用；复习前后内容联系，建立知识网络学生常见问题答疑如何记忆复杂代谢途径？理论与实践如何结合？不要死记硬背，而应理解代谢途径参加生物化学实验课程，亲手操作的内在逻辑和生理意义绘制简化加深理解关注生化原理在医学诊的代谢图，标记关键步骤和调控点断中的应用，如各种酶学检验指标将代谢通路分为几个功能模块，理的临床意义阅读科研论文，了解解每个模块的目的多角度记忆前沿研究如何应用基础生化知识名称、反应类型、能量变化、调控参与科研训练，将课本知识应用到机制等使用间隔重复学习法，定实际问题解决中期复习巩固生化学习的进阶路径？基础生化课程后，可根据兴趣选择分子生物学、结构生物学、代谢组学等方向深入学习推荐进阶课程蛋白质组学、分子遗传学、生物信息学、系统生物学等考虑参加相关实验室的本科生科研项目，获得实践经验拓展阅读与案例推荐经典论文1推荐阅读和年发表在的双螺旋结构论文；Watson Crick1953Nature DNA的化学渗透学说论文；关于合成酶机制的研究这些经典Mitchell BoyerATP论文展示了科学发现的过程和思维方式诺奖突破值得关注的近期诺贝尔生理学或医学奖包括年等人对丙型2020Houghton肝炎病毒的发现；年、和对细胞如何感知和2019Kaelin RatcliffeSemenza国内外研究动态适应氧气水平的研究；年肿瘤免疫疗法研究这些突破都有深厚的生物2018化学基础中国生物化学领域的重要进展包括北京生命科学研究所在蛋白质相分离机制研究的突破；上海研究团队在表观修饰与疾病关系方面的发现；清华大RNA学在膜蛋白结构解析技术上的创新全球热点包括微生物组研究、单细胞分析应用案例技术和蛋白质设计等生物化学在疾病治疗中的应用案例抑制剂开发的分子基础；PCSK9CAR-T细胞疗法的生化机制；基因编辑技术从细菌免疫系统到治疗工CRISPR/Cas9具的转化这些案例展示了基础研究如何转化为临床应用总结与展望医学应用农业应用生物化学为精准医疗奠定基础，从分子水平理解提高作物产量和抗性，开发可持续农业技术疾病机制未来方向工业应用系统生物学、合成生物学和跨学科整合引领未来生物制造、酶工程和生物材料推动绿色工业革命发展生物化学原理是现代生命科学的基石，其应用已深入医学、农业和工业等多个领域在医学上，从药物设计到疾病诊断，生化原理提供了解析疾病分子机制的工具；在农业上，对植物代谢和基因表达的理解促进了作物改良和抗病虫害技术开发；在工业上，酶工程和微生物代谢工程推动了生物制造和绿色化学的发展生物化学是一门不断演进的学科，未来发展将更加注重系统性理解和跨学科整合我们鼓励你们带着好奇心和创新精神，将所学知识应用到实际问题中，积极参与科研实践生命科学的奥秘等待你们去探索，希望今天所学的生物化学原理能成为你们未来科研道路上的坚实基础。