《生物化学基础》课件

生物化学基础欢迎来到《生物化学基础》课程，这是一门探索生命奥秘的分子旅程在接下来的学习中，我们将深入研究生物分子的结构与功能，理解它们如何构成生命的物质基础通过学习代谢途径与能量转换，你将了解生物体如何获取、储存和利用能量，以维持生命活动此外，我们还将探讨分子生物学基础，揭示遗传信息的传递与表达机制课程介绍基本概念与原理本课程将系统介绍生物化学的基础理论和核心概念，从分子层面阐释生命现象，帮助你构建完整的生物化学知识体系分子视角理解生命探索生物大分子的结构与功能关系，理解生命活动的分子机制，从原子和分子水平揭示生命的奥秘生命科学的分子基础了解生物体内化学反应的特点与规律，建立生命科学的分子基础，为后续专业课程学习打下坚实基础探索生化反应与调控第一章生物化学绪论生物化学的定义与研究对象生物化学是研究生物体内化学物质的结构、功能及其在生命活动中作用的科学它主要研究生物大分子的结构与功能、代谢与能量转换、基因表达与调控等生命现象的分子基础生物化学在生命科学中的地位作为生命科学的核心学科，生物化学连接物理、化学与生物学，为理解生命现象提供分子解释，是现代生物学、医学和药学等领域的基础它帮助我们理解生命的本质，促进生物技术和医药发展生物化学的发展历史从早期的活力论到尿素的人工合成，从酶的发现到DNA双螺旋结构的阐明，生物化学历经数百年发展，取得了一系列里程碑式的突破现代生物化学技术的发展，如基因测序、质谱分析等，极大推动了学科进步生物体的化学组成水在生物体中的作用主要元素组成水是生物体中最丰富的物质，占细胞质量的65-90%它作为良好的溶剂，生物体由碳C、氢H、氧O、氮参与多种生化反应，调节体温，维持N、磷P、硫S等元素组成，这些元细胞形态，并通过氢键稳定生物大分素以特定比例存在C、H、O、N四碳元素的特殊性子结构水的独特物理化学性质对生种元素占生物体干重的96%以上，它生物大分子类型命至关重要们组成了生物体内大部分有机分子碳元素具有形成多种化学键的能力，生物体内主要含有四类大分子蛋白可与自身及其他元素形成稳定共价质、核酸、碳水化合物和脂质这些键，构建复杂多样的有机分子骨架大分子由简单的基本单位通过特定化这一特性使生物分子呈现惊人的多样学键连接而成，执行生物体内各种功性，为生命活动提供物质基础能，维持生命活动4生物分子的特点多样性与特异性生物分子种类繁多，结构各异，但每种分子都具有特定功能和相互作用对象这种结构多样性和功能特异性是生物体复杂生命活动的物质基础，确保生物体内各种生化反应能够精确进行立体结构与功能关系生物分子的空间构象直接决定其功能蛋白质通过特定折叠形成活性构象，酶的活性中心精确识别底物，DNA双螺旋结构保证遗传信息准确传递结构变化常导致功能丧失或疾病发生分子识别与相互作用生物分子间的识别基于结构互补原则，通过氢键、疏水作用、离子键等非共价作用力实现这种精确识别是酶催化、信号传导、免疫应答等生命过程的基础，确保生物体内反应的高效性和特异性自组装与自我调控生物分子能够自发形成有序复杂结构，如蛋白质折叠、核酸配对、生物膜形成等同时，生物体内存在精密的调控网络，通过反馈机制维持动态平衡，保证生命活动的稳定性和适应性生命的分子基础遗传信息的储存与表达1DNA储存遗传信息，通过转录和翻译实现表达能量转换与物质代谢ATP作为能量货币，维持生命活动所需能量分子通信与信号转导细胞间通过特定分子实现信息传递与响应生物大分子的动态平衡合成与降解的精密调控维持生命稳态生命的本质在于其分子基础遗传信息通过核酸分子精确储存和传递，确保生物特性的稳定性和多样性能量转换过程则保证各种生命活动所需的能量供应，通过氧化还原反应和高能磷酸键实现能量的捕获、储存和释放分子通信系统使细胞能够感知环境变化并做出适当响应，协调多细胞生物体内各组织器官的功能而生物大分子的合成与降解之间的动态平衡，则是维持生命稳态的关键这些分子过程共同构成了生命活动的基本框架第二章蛋白质化学蛋白质的生物学功蛋白质的基本组成蛋白质的多样性来能单位源蛋白质是生命活动的氨基酸是构成蛋白质人类基因组仅含约2万主要执行者，承担着的基本单元，通过肽个基因，但能产生超酶催化、物质运输、键连接形成多肽链过10万种蛋白质这信号传导、免疫防每种氨基酸都具有特种多样性来源于基因御、细胞支架等多种定的侧链基团，赋予的选择性剪接、蛋白功能人体中约有10其独特的理化性质，质的翻译后修饰以及万种不同蛋白质，参这些性质决定了蛋白不同亚基的组合，使与几乎所有生理过质的最终结构和功蛋白质组具有极高的程，其功能多样性源能复杂性于结构多样性氨基酸的结构与性质氨基酸的通式与结构特点20种常见氨基酸的分类氨基酸的理化性质氨基酸是含有氨基-NH₂和羧基-根据侧链性质，20种蛋白质氨基酸可分氨基酸具有两性电解质特性，在不同COOH的有机分子，通式为H₂N-CHR-为pH环境下带不同电荷等电点是氨基COOH中心碳α-碳连接四个不同基酸不带净电荷的pH值，此时其溶解度•非极性氨基酸如甘氨酸、丙氨酸、团氨基、羧基、氢原子和侧链R基最低不同氨基酸的等电点不同，可用缬氨酸、亮氨酸等除甘氨酸外，α-碳是手性碳原子，存在于电泳分离光学异构现象•极性无电荷氨基酸如丝氨酸、苏氨基酸的酸碱性决定了蛋白质表面电荷氨酸、酪氨酸等侧链R基的差异决定了不同氨基酸的特分布，影响蛋白质的溶解性、稳定性及•酸性氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸性，是氨基酸多样性的根源氨基酸在相互作用氨基酸的光吸收特性（色氨•碱性氨基酸如赖氨酸、精氨酸、细胞内主要以两性离子形式存在，即-酸、酪氨酸、苯丙氨酸）是蛋白质检测组氨酸NH₃⁺和-COO⁻，这种结构使其具有的基础良好的水溶性•含硫氨基酸如半胱氨酸、蛋氨酸肽键与多肽肽键的形成肽键的特性多肽的一级结构多肽的合成肽键通过一个氨基酸的α-羧基与肽键具有共振结构，表现出部分多肽是由多个氨基酸通过肽键连实验室中多肽合成主要采用固相另一个氨基酸的α-氨基之间脱水双键特性，使肽键平面呈刚性，接形成的链状分子按照从氨基合成法，通过保护基策略逐步添缩合形成，化学式为-CO-NH-限制了多肽链的构象自由度肽端（N端）到羧基端（C端）的顺加氨基酸生物体内多肽合成则这是一种酰胺键，具有部分双键键通常呈反式构象，有助于减少序，氨基酸残基的排列顺序构成在核糖体上进行，按照mRNA的特性，导致肽键平面刚性空间位阻，这一特性对蛋白质折多肽的一级结构，决定了蛋白质密码子序列将氨基酸连接成特定叠有重要影响的最终折叠和功能序列的多肽链蛋白质的一级结构氨基酸序列测定方法蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的包括埃德曼降解法、质谱分析和基因测序等技排列顺序，从N端到C端按顺序排列术，可准确确定氨基酸排列顺序进化保守区域序列与功能功能关键部位在进化中高度保守，是蛋白质功一级结构决定蛋白质的高级结构和功能，序列能和结构域的重要标志变异可导致结构改变和功能异常蛋白质的一级结构是其所有高级结构和功能的基础氨基酸序列包含了蛋白质折叠所需的全部信息，决定了蛋白质最终如何形成特定的三维结构现代蛋白质组学研究表明，一级结构的微小变化可能导致蛋白质功能的显著改变通过比较不同物种同源蛋白的序列，可以发现进化过程中保守的功能域和关键位点这些保守区域通常对蛋白质的功能至关重要，是药物设计和蛋白质工程的重要靶点随着测序技术的发展，人类蛋白质组的一级结构图谱已基本绘制完成，为疾病研究和药物开发提供了重要依据蛋白质的二级结构α螺旋结构特点α螺旋是蛋白质最常见的二级结构之一，呈右手螺旋状，每转

3.6个氨基酸残基，上升

0.54nm其稳定性主要来自于肽链内部的氢键作用，即第n个氨基酸残基的C=O与第n+4个残基的N-H之间形成氢键疏水性氨基酸倾向于形成α螺旋，而脯氨酸则会破坏螺旋结构β折叠结构特点β折叠由相邻多肽链段通过氢键连接形成片状结构，可分为平行β折叠和反平行β折叠两种氢键形成于相邻肽链的主链N-H和C=O之间，使结构呈锯齿状排列β折叠多出现在蛋白质内部的疏水核心区域，是许多球状蛋白和纤维蛋白的重要结构元素无规则卷曲与转角结构除了规则的α螺旋和β折叠外，蛋白质中还存在许多无规则卷曲区域和转角结构转角是连接相邻二级结构的短肽段，常含甘氨酸和脯氨酸等增加链柔性的氨基酸这些结构使蛋白质能够改变方向，形成复杂的三维构象二级结构的稳定因素蛋白质二级结构主要由主链肽键平面间的氢键稳定，同时受到侧链基团的立体效应、静电作用和疏水作用的影响环境因素如pH、温度、离子强度等也会影响二级结构的稳定性X射线晶体衍射和圆二色谱是研究二级结构的重要手段蛋白质的三级结构蛋白质折叠驱动力蛋白质折叠主要由疏水作用驱动，疏水性氨基酸倾向于聚集在分子内部，远离水环境这一过程通常自发进行，遵循能量最小化原则，最终形成热力学最稳定的构象•疏水作用是主要驱动力•氢键提供方向特异性•静电作用影响整体构象分子内作用力类型蛋白质三级结构由多种非共价相互作用维持，包括疏水作用、氢键、离子键、范德华力和二硫键等这些力虽然单个较弱，但数量众多，共同确保了蛋白质结构的稳定性和特异性•疏水作用核心稳定力•氢键精确定位•二硫键共价交联结构域与功能单元蛋白质通常由一个或多个结构域组成，每个结构域是独立折叠的功能单元，包含约40-200个氨基酸不同结构域可执行不同功能，如催化、结合、识别等，多结构域蛋白质实现了功能的模块化组合•催化域执行酶活性•结合域识别特定分子•膜锚定域与膜相互作用三级结构的测定方法现代结构生物学主要通过X射线晶体学、核磁共振NMR和冷冻电镜等技术解析蛋白质三级结构近年来，人工智能如AlphaFold2已能准确预测蛋白质结构，为结构生物学带来革命性突破•X射线晶体学高分辨率静态结构•NMR溶液中动态结构信息•冷冻电镜大型复合物结构解析蛋白质的四级结构亚基与亚基组装同型与异型四级结构协同效应与变构调节蛋白质的四级结构是指多个多肽链根据亚基组成，四级结构可分为同型四级结构的一个重要特点是亚基间的（亚基）通过非共价相互作用形成的和异型两类协同效应，即一个亚基的变化可影响功能性蛋白质复合体这些亚基可以其他亚基的结构和功能这种效应是•同型四级结构由相同亚基组成，相同也可以不同，通过精确的空间排变构调节的基础，使蛋白质能够根据如血红蛋白四聚体列组装成特定的立体结构环境变化调整活性•异型四级结构由不同亚基组成，亚基间相互作用主要包括疏水作用、以血红蛋白为例，一个亚基结合氧后如RNA聚合酶氢键、离子键和范德华力等非共价会引起构象变化，增加其他亚基对氧四级结构的复杂性增加了蛋白质功能力，与三级结构稳定力相似但作用于的亲和力，形成S型氧合曲线这种协的多样性和调节灵活性许多酶、受不同多肽链之间亚基界面通常含有同效应使血红蛋白能够在肺部高效结体、离子通道和转运蛋白都具有复杂互补的疏水区域和带电氨基酸，确保合氧，在组织中高效释放氧，优化氧的四级结构，通过亚基间的协同作用特异性识别和结合运输效率实现特定功能蛋白质功能多样性酶催化功能运输与存储功能调节与信号功能酶是生物催化剂，能降低反应活化某些蛋白质专门负责物质运输和存激素、生长因子和细胞因子等信号能，加速特定生化反应酶的高效储，如血红蛋白运输氧气，转铁蛋蛋白通过与特定受体结合传递信息，性和特异性源于其精确的三维结构白运输铁离子，白蛋白运输脂肪酸启动细胞内信号级联反应转录因和活性中心酶在体内几乎参与所这类蛋白质通常具有特定结合位点，子调控基因表达，响应环境刺激有代谢反应，支持生命活动所需的能可逆结合并释放靶分子存储蛋细胞表面受体感知外界信号并转导物质和能量转换不同酶催化不同白如肌红蛋白、铁蛋白等则能暂时至细胞内部这些调节蛋白构成复类型反应，如水解、氧化还原、转储存必需物质，供机体需要时使用杂网络，精确控制生物体发育和生移等理过程防御与免疫功能免疫系统中的抗体、补体和细胞因子等蛋白质保护机体免受病原体侵害抗体能特异性识别抗原，标记外来物质供免疫细胞清除血液凝固蛋白防止出血，保护性酶如溶菌酶可直接攻击细菌这些防御蛋白共同构成机体多层次免疫防线第三章核酸化学核酸的类型与功能核酸的组成单位核酸在生命活动中的作用核酸主要分为脱氧核糖核酸DNA和核核酸由核苷酸通过磷酸二酯键连接而成核酸是生命活动的信息分子，在生物体糖核酸RNA两大类DNA主要负责遗每个核苷酸由碱基、戊糖和磷酸基团组的发育、代谢和遗传中发挥核心作用传信息的储存和传递，是生物遗传物质成DNA含有腺嘌呤A、鸟嘌呤G、DNA通过复制保证遗传信息的准确传递，的化学基础RNA则参与遗传信息的表胞嘧啶C和胸腺嘧啶T四种碱基；通过转录和翻译过程表达基因各类达，包括信使RNAmRNA、转运RNA中T被尿嘧啶U替代核酸分子的RNA参与蛋白质合成、基因表达调控和RNAtRNA、核糖体RNArRNA和各多样性来源于碱基序列的不同排列组合催化特定生化反应，共同维持生命活动类非编码RNA等的正常进行核苷酸结构碱基的类型与结构核酸碱基分为嘌呤和嘧啶两大类核糖与脱氧核糖的区别脱氧核糖在2位缺少一个羟基核苷与核苷酸的形成碱基与戊糖形成核苷，加磷酸形成核苷酸核苷酸的命名规则按照碱基、糖基和磷酸基团数量命名核苷酸是核酸的基本构建单元，每个核苷酸由三部分组成含氮碱基、五碳糖和磷酸基团碱基包括嘌呤A、G和嘧啶C、T、U两类，它们是核酸分子识别的关键部位五碳糖可以是核糖RNA或脱氧核糖DNA，它们的区别在于2位碳原子是否连接羟基碱基通过N-糖苷键与五碳糖的1位连接形成核苷，核苷再与磷酸基团通过酯键连接形成核苷酸磷酸基团可以连接在戊糖的5位，形成5-单磷酸核苷核苷酸不仅是核酸的基本单元，还是许多辅酶如NAD+、FAD、CoA的组成部分，参与多种代谢反应核苷酸的命名遵循碱基名+糖类型+磷酸数量的规则的结构特点DNADNA双螺旋模型双链反向平行缠绕，形成右手螺旋碱基配对原则A配对T形成两个氢键，G配对C形成三个氢键DNA多样构型A型、B型、Z型DNA具有不同螺旋参数DNA超螺旋结构在生物体内DNA常呈现紧密的超螺旋结构1953年，沃森和克里克提出了DNA双螺旋模型，这一发现揭示了遗传物质的基本结构DNA双螺旋由两条反向平行的多核苷酸链围绕共同轴线缠绕形成，呈现右手螺旋状双链间通过碱基配对A-T,G-C维持稳定，碱基对位于双螺旋内部，糖-磷酸骨架位于外部自然界中DNA主要以B型构型存在，每转一周约有10个碱基对，上升

3.4nm，螺旋直径约2nm在不同环境条件下，DNA可形成A型、Z型等不同构型A型DNA螺旋更粗更短，Z型DNA则呈左手螺旋此外，为适应染色体紧密包装，DNA在细胞内通常以超螺旋形式存在，这种结构受拓扑异构酶调控，与DNA复制、转录等过程密切相关的结构特点RNAmRNA信使RNA携带遗传密码，作为蛋白质合成的模板它由转录开始位点到终止位点之间的DNA序列转录而来，含有翻译所需的密码子序列真核生物mRNA经过剪接、加帽和加尾等复杂加工过程，成熟后转运至细胞质进行翻译tRNA转运RNA负责将氨基酸精确运送到核糖体上的正确位置它呈三叶草二级结构和L形三级结构，一端结合特定氨基酸，另一端含有与mRNA密码子互补的反密码子tRNA的精确折叠对于密码子识别和翻译准确性至关重要rRNA核糖体RNA是核糖体的主要组成部分，与蛋白质共同构成核糖体亚基它不仅具有结构支持作用，还直接参与蛋白质合成的催化过程，是一类具有酶活性的RNA核酶rRNA高度保守的序列和复杂的三维结构对翻译过程至关重要非编码RNA包括miRNA、siRNA、lncRNA等多种类型，参与基因表达调控、染色质修饰和RNA加工等过程这些RNA不编码蛋白质，但通过多种机制调控基因表达，在发育、分化和疾病过程中发挥重要作用近年研究表明非编码RNA比预期更为普遍和重要核酸的理化性质260nm吸光特性核酸在紫外区260nm处有最大吸收峰

7.0DNA等电点DNA在生理pH下呈负电性90°C变性温度典型DNA在此温度附近完全解链

1.7超螺旋密度细胞内DNA平均超螺旋密度值核酸的理化性质对其功能和实验操作至关重要核酸的酸碱性源于磷酸基团，在生理pH下磷酸基团电离产生负电荷，使核酸成为多阴离子这种带电特性影响核酸与蛋白质的相互作用，也是电泳分离核酸的基础核酸的热变性是指加热时双链DNA解链为单链的过程，温度升高破坏碱基间氢键变性温度Tm受GC含量、离子强度等因素影响变性后的单链核酸在适当条件下可重新结合，称为退火或复性核酸的紫外吸收特性260nm处最大吸收是核酸定量的基础，变性后吸光度增加约40%超色性效应各种核酸酶能特异性切割核酸的特定位点，是分子生物学研究的重要工具第四章糖类的结构与功能糖类的基本概念糖类是一类多羟基醛或酮，通式为CH₂On作为生物体内丰富的有机物，糖类不仅是重要的能量来源，还参与细胞结构构建和生物识别等过程从简单的单糖到复杂的多糖，糖类展现出结构和功能的多样性糖类的分类标准糖类按结构复杂性可分为单糖、寡糖和多糖单糖是不能水解为更简单糖的最基本单位；寡糖由2-10个单糖通过糖苷键连接；多糖则由大量单糖重复单元组成糖类还可按碳原子数如己糖、戊糖或功能基团如醛糖、酮糖分类糖类在生命活动中的作用糖类是生命活动的物质和能量基础葡萄糖是细胞能量代谢的主要底物；多糖如淀粉和糖原用于能量储存；纤维素和几丁质形成生物体结构支架；糖类还以糖蛋白和糖脂形式参与细胞识别、免疫应答和信号传导等生命过程单糖的结构特点单糖的通式与异构体环状结构与变旋现象单糖通式为CnH2nOn，结构中含多个手性碳原单糖分子中醛基或酮基与远端羟基发生分子内半子缩醛反应单糖的衍生物常见单糖的生物学功能氨基糖、糖醛酸、脱氧糖等衍生物具有特殊生物葡萄糖为主要能量来源，果糖、半乳糖等参与特学意义定代谢单糖是糖类中最基本的单位，不能被水解为更简单的糖自然界常见单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖等单糖分子中含有多个手性碳原子，导致存在多种立体异构体以葡萄糖为例，有D-葡萄糖和L-葡萄糖两种对映异构体，自然界主要存在D型单糖在水溶液中主要以环状结构存在，醛基或酮基与分子内羟基反应形成半缩醛环六碳糖常形成六元吡喃环，五碳糖常形成五元呋喃环环化过程产生新的手性中心，形成α和β两种异构体，在溶液中可相互转化，表现为变旋现象单糖的羟基可被修饰形成多种衍生物，如氨基糖如葡萄糖胺、糖醛酸如葡萄糖醛酸、磷酸化糖如葡萄糖-6-磷酸等，在生物体内执行特定功能二糖与多糖常见二糖的结构与功能同聚多糖结构特点杂聚多糖与糖缀合物二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成常同聚多糖由单一类型单糖重复单元构成，杂聚多糖含有两种或多种不同单糖或其衍见二糖包括主要包括生物，常见的有•麦芽糖由两个葡萄糖通过α-1,4-糖苷•淀粉植物储能多糖，由直链淀粉α-•透明质酸由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄键连接1,4-糖苷键和支链淀粉额外含α-1,6-糖糖醛酸交替连接，在结缔组织中丰富苷键组成•蔗糖由葡萄糖和果糖通过α,β-1,2-糖•肝素含有高度硫酸化的氨基糖单元，苷键连接•糖原动物储能多糖，结构类似支链是天然抗凝血剂淀粉但分支更多•乳糖由葡萄糖和半乳糖通过β-1,4-糖•几丁质由N-乙酰葡萄糖胺通过β-1,4-苷键连接•纤维素植物细胞壁主要成分，由葡糖苷键连接，是节肢动物外骨骼主要萄糖通过β-1,4-糖苷键连接成分这些二糖在自然界广泛存在，如蔗糖是植物体内主要运输糖，乳糖是哺乳动物乳汁糖苷键的类型α或β和连接位置决定了多糖蛋白和糖脂等糖缀合物中，糖基通过共中的主要糖类二糖的结构特点决定了其糖的三维结构和生物学性质α-1,4-糖苷价键与蛋白质或脂质连接，参与细胞识别、物理化学性质和生理功能键形成螺旋结构，适合能量储存；β-1,4-免疫应答和信号传导等重要生物学过程糖苷键形成直链结构，提供机械强度糖类的生物学功能能量储存与供应功能细胞结构支持功能糖类是生物体最直接、最高效的能量来源葡萄糖通过糖酵解和三羧酸循环某些多糖是细胞和组织结构的重要组成部分纤维素是植物细胞壁的主要成完全氧化，每摩尔可产生约30-32摩尔ATP淀粉和糖原作为多糖储能物质，分，提供机械强度和保护；几丁质构成节肢动物的外骨骼；透明质酸是结缔分别在植物和动物体内储存葡萄糖，在需要时迅速分解供能这种储能形式组织的重要成分，具有保水和润滑作用；硫酸软骨素是软骨组织的主要成分，比脂肪更易于快速动员，特别适合应对突发能量需求承担缓冲和支撑功能这些结构多糖赋予生物体形态和物理保护细胞识别与信号传导糖基化修饰与调控细胞表面的糖蛋白和糖脂形成糖衣，参与细胞-细胞识别、细胞-基质相互蛋白质糖基化是最常见的翻译后修饰之一，影响蛋白质的折叠、稳定性、运作用和信号传导不同细胞类型表面的糖模式各异，如血型抗原由特定糖基输和功能N-连接糖基和O-连接糖基是两种主要糖基化形式糖基化异常与决定病原体往往利用宿主细胞表面特定糖结构作为识别和附着的靶点许多种疾病相关，如先天性糖基化障碍综合征此外，组蛋白上的O-GlcNAc多生长因子和激素受体含有糖基化修饰，对其功能至关重要修饰参与表观遗传调控，影响基因表达糖基化修饰的动态变化是细胞应对环境变化的重要调节机制第五章脂类和生物膜脂类的定义与分类脂类是一组在有机溶剂中可溶但在水中不溶或微溶的生物分子根据化学结构和生物功能，脂类可分为简单脂脂肪酸、脂肪、蜡、复合脂磷脂、糖脂、脂蛋白、类固醇和衍生物等几大类这种多样性使脂类能够执行从能量储存到信号传导的广泛功能脂类的基本结构特征尽管结构多样，大多数脂类分子都具有亲水头部和疏水尾部，表现出两亲性特点脂肪酸是构成许多复杂脂质的基本单元，通常含有偶数个碳原子12-24个的长链羧酸甘油是许多脂质的骨架，可与脂肪酸酯化形成甘油酯类固醇则具有特征性的四环结构，是一类重要的调节分子生物膜的组成与功能生物膜由脂质双分子层作为基本骨架，嵌入或附着各种膜蛋白，表面还有糖蛋白和糖脂形成的糖萼磷脂是膜的主要成分，其两亲性特点使其自发形成双分子层结构生物膜不仅是细胞和细胞器的边界，还控制物质转运、信号传导、能量转换等多种生命过程，是细胞与环境相互作用的关键界面脂肪酸的结构与性质饱和与不饱和脂肪酸脂肪酸根据碳链中是否含有双键，可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸饱和脂肪酸碳链中不含双键，如棕榈酸C16:0和硬脂酸C18:0；不饱和脂肪酸碳链中含有一个或多个双键，如油酸C18:

1、亚油酸C18:2和亚麻酸C18:3不饱和脂肪酸的双键通常呈顺式构型，使碳链产生弯曲，影响分子的堆积紧密度，降低熔点这就是为什么含有较多不饱和脂肪酸的油脂在室温下呈液态，而饱和脂肪酸含量高的脂肪则呈固态必需脂肪酸的特点必需脂肪酸是指人体无法合成、必须从食物中获取的脂肪酸，主要包括亚油酸ω-6和α-亚麻酸ω-3它们是多不饱和脂肪酸，含有人体无法引入的特定位置双键必需脂肪酸是细胞膜的重要组成部分，也是合成前列腺素、血栓素和白三烯等生理活性物质的前体缺乏必需脂肪酸可导致生长迟缓、皮肤病变、生殖功能障碍等症状ω-3和ω-6脂肪酸的平衡对维持健康至关重要，现代饮食中ω-6/ω-3比例过高被认为与多种慢性疾病有关脂肪酸的物理性质脂肪酸的物理性质与其碳链长度和不饱和度密切相关随着碳链长度增加，脂肪酸的熔点、沸点和疏水性增加，水溶性降低不饱和度增加则降低熔点，增加流动性这种结构-性质关系在生物膜功能中尤为重要，膜脂中不饱和脂肪酸的比例影响膜的流动性和功能生物体会根据环境温度调整膜脂中饱和/不饱和脂肪酸的比例，保持适当的膜流动性例如，在寒冷环境中生活的生物通常含有更多不饱和脂肪酸，以保持膜的流动性脂肪酸的化学反应脂肪酸可发生多种化学反应，包括酯化、氧化和氢化等酯化反应是脂肪酸与醇形成酯的过程，是合成甘油脂和蜡的基础不饱和脂肪酸容易发生氧化反应，形成过氧化物和醛类等产物，这是油脂酸败的原因氢化反应使不饱和脂肪酸转变为饱和形式，常用于食品工业生产人造黄油生物体内脂肪酸主要通过β-氧化途径分解产生能量，每轮β-氧化产生一分子乙酰CoA，进入三羧酸循环进一步氧化脂肪酸合成则通过脂肪酸合成酶复合体进行，以乙酰CoA和丙二酰CoA为底物逐步延长碳链复杂脂质的结构特点复杂脂质是含有脂肪酸和其他组分的脂类化合物，包括甘油脂、磷脂、鞘脂和固醇类等甘油脂由甘油与脂肪酸酯化形成，如甘油三酯是最常见的储能脂质，也是脂肪的主要成分磷脂由甘油骨架、两个脂肪酸链和一个含磷的极性头部组成，典型代表有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等鞘脂以鞘氨醇为骨架，包括神经鞘磷脂、脑苷脂等，在神经组织中尤为丰富，参与信号传导和细胞识别固醇类的代表是胆固醇，其特征性四环结构使其成为膜流动性的调节剂和类固醇激素的前体这些复杂脂质不仅是生物膜的重要组成部分，还在能量储存、信号传导和细胞识别等过程中发挥关键作用生物膜的结构模型流动镶嵌模型的提出1972年，Singer和Nicolson提出了生物膜的流动镶嵌模型，认为膜是由脂质双分子层和其中镶嵌的蛋白质构成的动态结构这一模型取代了早期的三明治模型和单位膜模型，成为现代膜生物学的基础理论随着研究深入，该模型不断完善，加入了膜脂非均一分布、脂筏结构等新概念2膜脂双分子层特点膜脂双分子层是生物膜的基本骨架，由磷脂、糖脂和固醇类等两亲性分子组成这些分子的亲水头部朝向水相，疏水尾部相互作用形成内部疏水区域双分子层具有自组装性、选择性通透性和流动性，磷脂分子可在平面内自由扩散，但很少发生从一层到另一层的翻转膜脂组成影响膜的流动性、厚度和通透性3膜蛋白的分类与功能膜蛋白根据与膜的结合方式可分为整合膜蛋白跨膜蛋白和外周膜蛋白整合膜蛋白通过疏水区域与膜脂疏水区域相互作用，牢固嵌入膜中；外周膜蛋白则通过非共价作用与膜表面结合膜蛋白功能多样，包括物质转运转运蛋白、通道蛋白、信号传导受体、细胞连接和酶催化等，是膜功能的主要执行者膜脂筏与功能微区膜脂筏是富含胆固醇和鞘脂的膜区域，比周围脂质双层更为有序和致密这些微区域富集特定的信号分子和受体蛋白，形成信号传导的平台膜脂筏参与多种细胞过程，如信号转导、膜蛋白分选、胞吞作用和病毒侵入等近年研究表明，膜脂筏的动态组装和解离是调控细胞功能的重要机制生物膜的功能细胞膜的通透性膜运输与转运蛋白膜受体与信号传导细胞膜具有选择性通透性，控制物质进出细转运蛋白是跨膜物质运输的主要媒介，可分膜受体是细胞感知外界信号的天线，接收胞小分子如O₂、CO₂和水等可直接通过脂为几类并转导细胞外信号分子的信息主要类型包双层扩散；离子和大分子则需要特定膜蛋白括•通道蛋白形成亲水通道，允许特定物协助膜的通透性受多种因素影响质快速扩散•G蛋白偶联受体激活G蛋白，影响第二•分子大小小分子更易通过信使系统•载体蛋白结合物质后发生构象变化，•脂溶性脂溶性分子更易穿透脂双层将物质转运至膜另一侧•酶联受体具有酶活性或与酶相关，如酪氨酸激酶受体•电荷带电分子通常需要特定转运蛋白•主动转运蛋白利用能量如ATP水解逆浓度梯度运输物质•配体门控通道结合配体后开放或关闭•膜脂组成影响膜的流动性和通透性离子通道•共转运蛋白利用一种物质的浓度梯度细胞通过调节膜通透性维持内环境稳态，如驱动另一种物质运输信号传导过程涉及级联反应，通常包括信号渗透压平衡、离子梯度和pH稳定放大、整合和终止等环节，最终导致细胞特细胞通过精确调控各种转运蛋白的活性，维定的生理反应持细胞内物质平衡和能量代谢第六章酶化学酶的概念与特性酶是生物催化剂，能显著加速生物化学反应而本身不被消耗大多数酶是蛋白质，少数是RNA核酶酶具有高效性加速反应10³-10¹⁷倍、特异性专一识别底物和可调控性活性受多种因素调节酶的作用不改变反应的平衡常数，只加速反应达到平衡的速率酶的分类与命名国际酶学委员会将酶分为六大类氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和连接酶每种酶有系统命名法和通用名称系统命名遵循底物+催化反应类型+酶的格式，如葡萄糖-6-磷酸异构酶；通用名通常更简短，如胰蛋白酶、淀粉酶等，便于日常使用酶在生命活动中的重要性酶是生命活动的执行者，参与几乎所有生化过程在代谢中，酶催化各种合成和分解反应，维持生命活动所需的物质和能量在基因表达过程中，多种酶参与DNA复制、RNA转录和蛋白质合成在信号传导中，激酶和磷酸酶等调节蛋白活性酶的异常与多种疾病相关，成为药物研发的重要靶点酶的催化特性高效性与特异性催化机制与活性中心催化过程中的能量变化酶的催化效率远超人工催化酶的活性中心是催化反应发生酶通过降低反应活化能加速反剂，转化数kcat可达10³-的特定区域，通常由空间上接应进行在没有酶时，反应需10⁵s⁻¹，意味着每个酶分子每近但序列上可能远离的氨基酸克服较高能量障碍；酶的存在秒可催化数千至数十万次反残基组成活性中心包括结合提供了另一条能量障碍较低的应酶的特异性体现在对底物底物的结合位点和执行催化的反应途径，使更多分子获得足结构、立体构型和反应类型的催化位点酶促催化机制多样，够能量越过能垒酶不改变反专一性上，如己糖激酶专一磷包括酸碱催化、共价催化、金应的自由能变化ΔG，因此不酸化葡萄糖而不作用于其他己属离子催化和近程效应等，往影响反应的热力学平衡，只加糖这种高特异性源于酶的精往多种机制协同作用，实现高速达到平衡的速率确三维结构和活性中心设计效催化酶与非酶催化的比较与非酶催化相比，酶催化具有以下优势反应条件温和生理温度、pH和压力；催化效率极高10³-10¹⁷倍加速；高度特异性减少副反应；可调控性活性受多种因素精确调节这些特点使酶成为生物体内理想的催化剂，也使酶在工业、医药和环保等领域具有广阔应用前景酶促反应动力学酶的抑制类型可逆抑制机制可逆抑制是指抑制剂与酶的结合是非共价的，可通过稀释或透析解除主要有三种类型•竞争性抑制抑制剂与底物竞争酶的活性中心，表现为Km增大而Vmax不变•非竞争性抑制抑制剂结合酶的别构位点，表现为Vmax降低而Km不变•反竞争性抑制抑制剂仅结合酶-底物复合物，表现为Km减小而Vmax降低这些抑制类型可通过双倒数作图Lineweaver-Burk图区分，显示不同的直线交点特征不可逆抑制特点不可逆抑制剂通过共价修饰酶的关键氨基酸残基永久失活酶常见机制包括•活性中心丝氨酸残基的烷基化或酰基化•半胱氨酸巯基的烷基化•金属离子螯合，去除酶活性所需的金属辅助因子不可逆抑制剂通常表现为时间依赖性酶活性下降，且无法通过增加底物浓度克服许多毒素和农药即通过不可逆抑制关键酶发挥毒性作用抑制机制与药物设计酶抑制剂是药物开发的重要靶点，约40%的药物通过抑制特定酶发挥作用药物设计策略包括•基于底物结构设计竞争性抑制剂，如神经氨酸酶抑制剂奥司他韦•基于过渡态结构设计高亲和力抑制剂，如血管紧张素转换酶抑制剂•设计不可逆抑制剂靶向特定疾病相关酶，如抗癌药阿司匹林酶抑制研究需考虑抑制机制、特异性、副作用和药代动力学等多方面因素变构调节机制变构调节是一种特殊的酶活性调控机制，变构效应物结合酶的变构位点非活性中心，引起酶构象变化，影响其催化活性变构调节可表现为激活或抑制，是细胞代谢调控的重要机制•同型变构最终产物抑制途径中第一个酶，如ATCase被CTP抑制•异型变构由非底物或产物的调节分子控制，如磷酸果糖激酶被ATP抑制而被AMP激活•协同变构底物结合增强酶对其他底物分子的亲和力，如血红蛋白对氧的结合变构调节提供了精细、快速的代谢调控机制，是生物体适应环境变化的重要途径第七章代谢总论代谢的基本概念代谢过程的组织1代谢是生物体内所有化学反应的总和，包括分解多步反应形成代谢途径，多条途径构成代谢网络，代谢和合成代谢实现物质和能量的转换代谢整合代谢调控原理各代谢途径通过共同中间产物和调控机制相互连通过关键酶活性控制、底物可得性和基因表达调接，形成统一的代谢网络控实现代谢精确调节代谢是维持生命的物质和能量基础，包括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过程这些过程在细胞中同时进行但在时间和空间上精确分离，通过中间代谢产物和辅酶如ATP、NADH相互连接，形成高度整合的代谢网络代谢途径通常由多步酶促反应组成，每步反应产物成为下一步反应的底物，形成连续的反应链代谢调控主要发生在不可逆的关键步骤，通常是途径中的第一个反应或限速步骤调控机制包括酶活性调节如变构调节、共价修饰、酶合成调控基因表达水平和底物可得性控制等，确保代谢对环境变化的灵敏响应和资源的高效利用生物能学基础

7.3ATP水解ΔG值ATP水解释放的自由能kcal/mol30-32葡萄糖氧化ATP产量每分子葡萄糖完全氧化产生的ATP数量~50%能量转换效率生物体将化学能转化为ATP能量的效率-220电子传递链电势差线粒体呼吸链电子传递的电势差mV生物能学研究生物体内能量转换和利用的规律高能磷酸化合物是生物能量传递的核心分子，其中ATP三磷酸腺苷是最重要的能量货币ATP的高能特性源于其磷酸基团间的静电排斥和共振稳定性差异，使得磷酸键水解释放大量能量除ATP外，磷酸肌酸、磷酸烯醇式丙酮酸等也是重要的高能磷酸化合物生物氧化是能量获取的主要途径，通过将底物如葡萄糖、脂肪酸氧化，将化学能转化为ATP形式的能量这一过程主要通过三个阶段完成底物氧化生成还原性辅酶如NADH；电子传递链将电子从NADH传递给氧气，同时产生质子梯度；ATP合酶利用质子梯度合成ATP化学渗透机制能量代谢的调控主要通过ATP/ADP比例、氧气浓度和底物可得性等因素实现，确保能量供需平衡代谢途径的类型分解代谢与合成代谢两种代谢过程协同工作，维持细胞动态平衡线性途径与循环途径2不同组织方式适应各种代谢功能需求中心代谢与分支代谢核心路径连接多种特定合成和分解途径代谢途径的进化4从原始生物到复杂多细胞生物的代谢适应代谢途径按功能可分为分解代谢和合成代谢分解代谢将复杂分子分解为简单分子，释放能量并产生合成代谢所需的前体物质，如糖酵解、β-氧化等；合成代谢则消耗能量合成生物分子，如糖异生、脂肪酸合成等这两类代谢在化学反应、能量要求和调控机制上往往有显著差异，但相互协调，保证细胞物质和能量平衡按组织方式，代谢途径可分为线性途径和循环途径线性途径从特定底物开始，经过一系列反应生成最终产物，如糖酵解；循环途径中间产物再生并循环使用，如三羧酸循环、尿素循环等中心代谢途径如糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸途径处于代谢网络的核心位置，连接多种分支代谢途径代谢途径在进化过程中高度保守，反映了生物适应环境的共同需求，同时也存在物种特异性的代谢适应，体现进化多样性第八章糖代谢糖代谢的主要途径糖代谢包括多条相互关联的代谢途径，主要有糖酵解途径将葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP和NADH；三羧酸循环将丙酮酸进一步氧化为CO₂和H₂O，产生还原性辅酶；戊糖磷酸途径产生NADPH和核苷酸合成前体；糖原合成与分解途径糖原代谢；糖异生途径从非糖前体合成葡萄糖这些途径共同构成糖代谢网络糖代谢的生理意义糖代谢是细胞能量代谢的核心，通过葡萄糖的氧化提供大部分ATP葡萄糖是大脑和红细胞的首选能源，血糖水平的稳定对维持正常生理功能至关重要此外，糖代谢还提供多种生物合成前体，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸合成所需的碳骨架在缺氧条件下，糖酵解成为能量产生的主要途径，体现了生物适应环境变化的能力糖代谢的调控机制糖代谢受到多层次精密调控，确保能量供需平衡和底物分配合理关键酶如己糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶等是调控靶点，通过变构调节和共价修饰如磷酸化改变活性激素如胰岛素和胰高血糖素通过影响关键酶的表达和活性调节整体糖代谢状态细胞能量状态ATP/AMP比例和氧气浓度也是重要调节因素糖代谢异常与疾病糖代谢紊乱与多种疾病相关糖尿病是最常见的糖代谢疾病，表现为血糖调节异常；糖原累积症是一组由糖原代谢酶缺陷引起的遗传病；半乳糖血症和果糖不耐症等由特定单糖代谢障碍引起癌细胞通常表现出异常的糖代谢模式Warburg效应，即使在有氧条件下也主要依赖糖酵解产能，成为肿瘤代谢研究和治疗的重要方向糖酵解途径投资阶段第1-5步糖酵解的前五步消耗2分子ATP，将葡萄糖激活并裂解为两分子三碳糖起始步骤由己糖激酶催化，将葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，消耗1分子ATP经过磷酸葡萄糖异构酶、磷酸果糖激酶PFK-

1、醛缩酶和三磷酸异构酶的催化，最终形成两分子甘油醛-3-磷酸，这是糖酵解的关键中间产物回收阶段第6-10步后五步将甘油醛-3-磷酸转化为丙酮酸，同时产生4分子ATP和2分子NADH甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化第6步，生成1,3-二磷酸甘油酸和NADH随后，磷酸甘油酸激酶催化从1,3-二磷酸甘油酸转移高能磷酸基团至ADP，生成ATP底物水平磷酸化经过磷酸甘油酸变位酶、烯醇酶和丙酮酸激酶的催化，最终生成丙酮酸关键酶与调控位点糖酵解途径中有三个关键调控酶己糖激酶或葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶-1和丙酮酸激酶这些酶催化不可逆反应，是调控靶点PFK-1是最重要的调控酶，受ATP抑制、AMP和果糖-2,6-二磷酸激活丙酮酸激酶受丙氨酸抑制、果糖-1,6-二磷酸激活，并受激素调控这些调控确保糖酵解速率与细胞能量需求匹配丙酮酸的命运丙酮酸是糖酵解的最终产物，其去向取决于细胞类型和氧气供应在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体被氧化为乙酰CoA，进入三羧酸循环进一步氧化；在无氧条件下，丙酮酸可被还原为乳酸动物组织或发酵为乙醇酵母，以再生NAD⁺维持糖酵解持续进行不同细胞对丙酮酸命运的调控是代谢适应的重要方面三羧酸循环循环入口循环前半部分丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸脱羧并与辅酶A乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸，经异柠檬结合形成乙酰CoA2酸脱氢酶催化释放第一分子CO₂循环调控循环后半部分4柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢α-酮戊二酸脱氢酶催化释放第二分子CO₂，经琥3酶是主要调控点珀酸脱氢酶等催化重生草酰乙酸三羧酸循环TCA循环，又称克雷布斯循环是有氧代谢的核心，将丙酮酸完全氧化为CO₂和H₂O循环始于乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬酸，经八个酶促反应步骤，释放两分子CO₂，生成三分子NADH、一分子FADH₂和一分子GTP相当于ATP，最终再生草酰乙酸，完成一个循环TCA循环不仅是能量产生的关键途径每分子葡萄糖通过TCA循环可间接产生约24分子ATP，还是多种生物合成途径的交叉点，提供氨基酸、卟啉等合成所需的碳骨架循环受多种因素调控，如底物可得性乙酰CoA和草酰乙酸、产物抑制NADH抑制多个脱氢酶和能量状态ATP/ADP比例柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是主要调控点，响应细胞能量需求变化糖原合成与分解糖原结构与功能糖原合成途径糖原分解途径糖原是动物体内主要的葡萄糖储存形式，主糖原合成从UDP-葡萄糖开始，需要以下关键糖原分解涉及两种主要酶要存在于肝脏和肌肉中结构上，糖原是由步骤

1.糖原磷酸化酶从非还原末端逐个释放葡萄α-D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接形成的多

1.葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖-1-磷酸磷酸糖-1-磷酸，断裂α-1,4-糖苷键支链多糖，每10-12个残基处有α-1,6-糖苷键葡萄糖变位酶形成分支这种高度分支结构增加了可溶性

2.转移酶和脱支酶共同作用处理分支点附近和降解效率，便于快速动员

2.葡萄糖-1-磷酸与UTP反应生成UDP-葡萄区域，使α-1,6-连接的葡萄糖残基可被磷糖UDP-葡萄糖焦磷酸化酶酸化酶作用功能上，肝糖原约100g主要维持血糖稳定，

3.糖原合酶将UDP-葡萄糖中的葡萄糖残基在肝脏中，葡萄糖-6-磷酸酶将葡萄糖-6-磷可在禁食期间释放葡萄糖入血；肌糖原约转移至糖原链末端，形成α-1,4-糖苷键酸水解为葡萄糖，释放入血；肌肉缺乏该酶，400g则主要供肌肉收缩使用，不能直接释放

4.支链酶切断α-1,4-连接的链段并重新连接产生的葡萄糖-6-磷酸直接进入糖酵解糖原葡萄糖入血糖原是短期能量储存形式，容为α-1,6-分支磷酸化酶是调控关键，受激素和神经信号精量有限但动员迅速，在应对突发能量需求时密控制尤为重要糖原合成必须从引物开始，糖原蛋白glycogenin自身糖基化形成短链作为初始底物糖原合酶是限速酶，受胰岛素激活和胰高血糖素抑制第九章脂类代谢脂肪酸的氧化分解脂肪酸氧化是生物体获取脂类储能的主要途径β-氧化是主要形式，脂肪酸从羧基碳的β碳处断裂，每轮反应释放一个乙酰CoA分子完整过程包括活化脂酰CoA合成酶催化，消耗ATP、转运肉碱穿梭系统将长链脂酰CoA转入线粒体和β-氧化四步循环反应每轮β-氧化产生一分子FADH₂、一分子NADH和一分子乙酰CoA，乙酰CoA进入三羧酸循环进一步氧化脂肪酸的生物合成脂肪酸合成与氧化分解在细胞区室、酶系统和化学反应上均有显著差异合成发生在细胞质，由脂肪酸合成酶复合体催化；以乙酰CoA和丙二酰CoA为底物；需要NADPH提供还原力；每次延长两个碳原子合成的主要产物是棕榈酸C16:0，可进一步延长或去饱和形成其他脂肪酸胰岛素促进脂肪酸合成，升高血糖时将过剩能量转化为脂肪储存复杂脂类的代谢三酰甘油TAG是主要储能脂质，合成始于甘油-3-磷酸与脂酰CoA酯化；水解则由脂肪酶催化，受激素如肾上腺素和胰高血糖素调控磷脂合成主要通过CDP-甘油或CDP-胆碱途径，是生物膜的重要组成胆固醇合成是复杂的多步骤过程，从乙酰CoA开始，羟甲基戊二酰CoA还原酶是限速酶，也是他汀类降脂药的靶点胆固醇代谢紊乱与动脉粥样硬化等疾病密切相关脂肪酸β-氧化4基本步骤数β-氧化的完整循环包含四个连续反应8每轮缩短碳数每完成一轮β-氧化，脂肪酸碳链缩短两个碳原子129棕榈酸氧化ATP产量一分子棕榈酸C16:0完全氧化产生的理论ATP数量9电子传递链产能比例脂肪酸氧化产生的ATP中约90%来自电子传递链磷酸化脂肪酸β-氧化是脂肪酸分解的主要途径，发生在线粒体基质中在进入β-氧化前，脂肪酸需先在细胞质中被活化为脂酰CoA消耗ATP，然后通过肉碱穿梭系统转运入线粒体β-氧化过程是一个循环反应，每轮包括四个基本步骤脱氢FAD→FADH₂、水合、再脱氢NAD⁺→NADH和硫解裂释放乙酰CoA不饱和脂肪酸氧化需要额外的辅助酶顺式-反式异构酶和3,2-烯酰CoA异构酶处理双键位置奇数碳脂肪酸氧化最终产生丙酰CoA，转化为琥珀酰CoA后进入三羧酸循环每分子棕榈酸C16:0完全氧化理论上可产生约129分子ATP，能量产量远高于等重量的碳水化合物这种高效能量释放方式使脂肪成为理想的能量储存形式，特别是对需要长期储能的组织如脂肪组织和长期禁食状态脂肪酸的生物合成脂肪酸合成酶复合体脂肪酸合成酶FAS是催化脂肪酸合成的多功能酶复合体，在真核生物中为二聚体结构每个亚基含七个催化域，能执行脂肪酸合成所需的全部反应这种多酶复合体结构使中间产物可以在各活性位点间高效传递，无需释放到溶液中，大大提高了合成效率•酰基转移酶域转移乙酰和丙二酰基团•β-酮酰ACP合成酶催化碳链延长•还原酶域依次将β-酮基还原为羟基、烯基和烷基合成与分解途径的差异尽管脂肪酸合成在化学反应上与β-氧化相反，但两者在多方面存在显著差异•细胞区室合成在细胞质中进行，分解在线粒体中进行•酶系统合成由多功能酶复合体催化，分解由独立酶催化•辅酶合成需NADPH提供还原力，分解产生FADH₂和NADH•载体合成以ACP为载体，分解以CoA为载体•碳链生长方向合成从羧基端延长，分解从羧基端缩短长链脂肪酸的合成脂肪酸合成酶主要产物是棕榈酸C16:0，更长链脂肪酸需要额外的延长系统•内质网中的脂肪酸延长酶系统以脂酰CoA为底物•每次反应延长两个碳原子，机制与FAS类似•延长系统可生成硬脂酸C18:

0、花生酸C20:0等•极长链脂肪酸C20在特定组织如神经组织中尤为重要不饱和脂肪酸的生成不饱和脂肪酸通过去饱和酶在饱和脂肪酸中引入双键•Δ9-去饱和酶在C9位引入双键，如硬脂酸→油酸第十章氨基酸代谢蛋白质的转换与降解1蛋白质周转是维持蛋白质组稳态的关键过程氨基酸的分解途径2氨基酸分解产生可用于能量代谢的中间产物氨基酸的生物合成3必需与非必需氨基酸的合成途径和调控机制氨基酸代谢是连接蛋白质代谢与中心代谢途径的桥梁蛋白质在体内不断进行周转，通过泛素-蛋白酶体系统和溶酶体途径降解为氨基酸这些氨基酸一部分用于合成新蛋白质，一部分进入分解代谢蛋白质周转速率差异很大，从几分钟到几个月不等，反映了不同蛋白质的生理功能和调控需求氨基酸分解首先通过转氨基作用或脱氨基作用去除氨基，产生的氨转化为尿素排出体外；碳骨架则转化为代谢中间产物进入三羧酸循环或糖异生人体能合成约11种非必需氨基酸，其余9种必需氨基酸必须从食物中获取氨基酸代谢异常与多种疾病相关，如苯丙酮尿症、枫糖尿症等先天性代谢障碍氨基酸代谢的灵活性使机体能根据营养状态调整蛋白质利用，适应不同生理需求氨基酸的分解代谢脱氨基作用与转氨基作用氨的代谢与尿素循环1转氨基作用是大多数氨基酸分解的第一步，由转氨尿素循环在肝脏中将有毒氨转化为无毒尿素排出体酶催化外氨基酸降解的疾病相关碳骨架的去向先天性代谢缺陷导致中间产物积累，引发多种代谢氨基酸碳骨架转化为代谢中间产物进入能量代谢或性疾病糖异生氨基酸分解的首要步骤是去除氨基，主要通过转氨基作用实现转氨酶催化氨基从氨基酸转移至α-酮戊二酸，生成谷氨酸和相应的α-酮酸谷氨酸可通过谷氨酸脱氢酶脱氨基，释放NH₄⁺并生成α-酮戊二酸这种两步脱氨过程是大多数氨基酸分解的共同途径，确保了氨基的高效转移和处理氨是一种神经毒素，必须迅速转化为无毒形式肝脏通过尿素循环将氨转化为尿素排出体外尿素循环由五个酶促步骤组成，跨越线粒体和细胞质两个区室其中一个氮原子来自NH₄⁺，另一个来自天冬氨酸尿素循环消耗3分子ATP，产生的尿素通过血液运至肾脏排出尿素循环障碍可导致高氨血症，严重时引起脑损伤氨基酸碳骨架则转化为丙酮酸、乙酰CoA、α-酮戊二酸等中间产物，进入三羧酸循环或糖异生途径，实现碳骨架的高效利用第十一章核苷酸代谢核苷酸的合成途径核苷酸的降解途径核苷酸代谢的调控核苷酸合成包括从头合成和补救途径两种方核苷酸降解首先去除磷酸基团形成核苷，再核苷酸代谢受到多层次严格调控，确保各种式从头合成以简单前体（如二氧化碳、通过核苷磷酸化酶分解为碱基和核糖嘌呤核苷酸的平衡供应关键酶如PRPP合成酶氨、核糖-5-磷酸等）开始，逐步构建碱基碱基最终氧化为尿酸，在大多数哺乳动物中和核糖核苷酸还原酶通过变构调节和共价修和核苷酸结构，能量消耗较大；补救途径则进一步氧化为尿囊素；而人类和类人猿缺乏饰实现活性调控产物反馈抑制是主要调控利用已有的碱基或核苷，通过添加核糖和磷尿酸氧化酶，因此尿酸是最终代谢产物，通机制，如ATP和GTP抑制各自合成途径的早酸基团直接形成核苷酸，更为经济高效过肾脏排出期步骤嘧啶碱基降解为β-氨基酸、NH₃和CO₂核核苷酸合成与细胞周期密切相关，S期细胞嘌呤核苷酸的从头合成始于磷酸核糖焦磷酸苷酸降解过程中产生的碱基和核苷可部分通合成速率显著增加，以满足DNA复制需PRPP，关键步骤由次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核过补救途径重新利用，降低从头合成的需求许多抗肿瘤和抗病毒药物即通过干扰核糖转移酶HGPRT催化嘧啶核苷酸合成则求核苷酸降解异常，特别是嘌呤代谢障苷酸代谢发挥作用，如甲氨蝶呤抑制叶酸代以天冬氨酸为起点，先合成碱基环，后与碍，可导致痛风（尿酸沉积）和Lesch-谢，间接影响嘌呤合成；5-氟尿嘧啶干扰胸PRPP结合这些途径受底物可得性和终产Nyhan综合征等疾病腺嘧啶合成，抑制DNA复制了解核苷酸物反馈抑制的精密调控代谢调控对疾病治疗具有重要意义第十二章核酸的生物合成DNA复制的基本原理DNA复制是一个精确的半保留复制过程，新合成的两条DNA链各含一条原始模板链和一条新合成链复制从特定的起始位点ori开始，双向进行，形成复制叉由于DNA聚合酶只能沿5→3方向合成，导致两条链的合成方式不同一条为连续合成前导链，一条为不连续合成滞后链，后者形成短的岡崎片段，随后连接成完整链•DNA聚合酶催化脱氧核糖核苷酸添加，具有3→5校对功能•解旋酶打开双螺旋，提供单链模板•单链结合蛋白稳定单链DNA结构•引物酶合成RNA引物，提供3-OH•DNA连接酶连接岡崎片段RNA转录的过程转录是由RNA聚合酶催化的RNA合成过程，以DNA单链为模板，按照碱基互补原则合成RNA转录过程包括三个阶段•起始RNA聚合酶识别并结合启动子，在转录起始位点打开DNA双链•延伸RNA聚合酶沿模板链移动，按5→3方向合成RNA链•终止在终止信号处，RNA聚合酶解离，释放新合成的RNA真核生物转录更为复杂，有三种RNA聚合酶分别负责不同RNA的合成初级转录产物需经加帽、加尾和剪接等加工修饰，生成成熟mRNA核酸合成的调控机制核酸合成受到多层次精密调控，确保基因表达的时空特异性•DNA复制调控通过复制起始频率和时间控制，与细胞周期协调•转录水平调控原核生物通过操纵子、启动子和终止子调控•真核转录调控包括启动子、增强子、沉默子、转录因子网络等•表观遗传调控DNA甲基化、组蛋白修饰影响染色质状态和基因可及性•RNA加工调控选择性剪接产生不同mRNA和蛋白质亚型这些调控机制共同确保基因表达与细胞需求和环境变化精确匹配第十三章蛋白质的生物合成遗传密码与翻译过程遗传密码是连接核酸序列和蛋白质序列的规则，由三个核苷酸密码子编码一个氨基酸密码特点包括三联性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、普遍性大多数生物共用相同密码和起始/终止信号特定密码子标记翻译起始和终止翻译的分子机制翻译是在核糖体上进行的蛋白质合成过程，需要mRNA信息、tRNA氨基酸载体和核糖体催化平台共同参与过程包括起始起始tRNA识别起始密码子、延伸按mRNA序列逐个添加氨基酸和终止终止密码子被释放因子识别，多肽链释放翻译的能量来自GTP水解，由EF-Tu、EF-G等因子介导蛋白质合成后修饰新合成的多肽链常需要进一步修饰才能获得完全功能主要修饰包括N端甲硫氨酸切除、信号肽切除、二硫键形成、糖基化添加糖链、磷酸化添加磷酸基团、泛素化添加泛素，标记降解、乙酰化和甲基化等这些修饰影响蛋白质的定位、活性、稳定性和相互作用，极大扩展了蛋白质组的多样性和功能复杂性蛋白质合成的调控蛋白质合成是高度能量消耗过程，受到严格调控调控包括翻译起始控制通过起始因子活性和可得性、核糖体可得性rRNA合成调控、mRNA稳定性控制通过RNase和miRNA、氨基酸供应控制和翻译后调控如蛋白质降解真核生物中，生长因子激活PI3K-Akt-mTOR通路，促进蛋白质合成；而应激条件下，eIF2α磷酸化抑制翻译起始第十四章代谢调控代谢途径间的相互关系代谢网络的整合代谢调节的分子机制整体代谢调控代谢途径不是孤立存在的，而是通代谢网络整合是通过多层次调控机代谢调节的核心是关键酶活性的调在多细胞生物中，整体代谢协调主过共享中间产物、辅酶和能量分子制实现的，包括酶活性调节如变控，主要通过四种机制变构调节要通过神经内分泌系统实现胰岛形成高度互联的网络糖酵解、三构效应、共价修饰、基因表达控代谢物直接结合影响酶活性；共素促进同化代谢葡萄糖摄取、糖羧酸循环、氨基酸代谢和脂肪酸代制转录和翻译水平和细胞间信号价修饰如磷酸化、乙酰化；蛋白原合成、脂肪酸合成；胰高血糖谢等主要途径通过关键节点如丙酮交流激素和神经调节不同组织质相互作用调节蛋白结合；酶合素促进分解代谢糖原分解、糖异酸、乙酰CoA和α-酮戊二酸等连具有特化的代谢特征和分工，如肝成与降解调控酶蛋白水平细胞生；肾上腺素介导应激反应；甲接这种互联结构使细胞能够根据脏负责糖异生和解毒，肌肉消耗能感知系统如AMP激活蛋白激酶、状腺激素调节基础代谢率这些激需要灵活转换不同底物，适应各种量进行收缩，脂肪组织储存能量mTOR监测能量和营养状态，协素通过特定受体和信号通路，协调营养和能量状态这种组织特化性增强了整体代谢效调代谢响应此外，转录因子网络多种组织的代谢活动，维持整体代率如PPARs、SREBP、ChREBP调谢平衡，适应不同生理和病理状控代谢相关基因表达，实现长期适态应代谢途径的相互联系糖类、脂类和蛋白质代谢虽然各有特点，但通过共享的中间产物和代谢路径紧密联系丙酮酸是连接糖酵解与三羧酸循环的关键中间体，也是多种氨基酸代谢的交叉点在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体转化为乙酰CoA；在无氧条件或葡萄糖供应充足时，则转化为乳酸；在糖异生条件下，丙酮酸可由氨基酸转化为葡萄糖乙酰CoA是另一个重要的代谢交叉点，连接脂肪酸氧化、脂肪酸合成、三羧酸循环和酮体生成α-酮戊二酸和草酰乙酸等三羧酸循环中间体既是氨基酸代谢的碳骨架接收者，又是糖异生的底物这种交叉联系使细胞能够根据能量和底物可得性灵活调整代谢流向，如在禁食状态下，蛋白质分解产生的氨基酸可用于糖异生；而在能量过剩时，碳水化合物可转化为脂肪储存代谢途径间的紧密联系是生物体适应环境变化的基础总结与展望生物化学核心概念回顾生物化学是理解生命本质的基础学科，从分子水平揭示生命现象的化学基础我们系统学习了生物大分子蛋白质、核酸、糖类、脂类的结构与功能，深入理解了代谢途径与能量转换机制，探索了遗传信息的储存、传递与表达过程这些知识构成了现代生命科学的理论基础，也是理解细胞功能和生理过程的关键生物化学将化学原理与生物学现象联系起来，构建了从分子到生命的桥梁前沿研究方向生物化学研究正朝着多个前沿方向发展系统生物学整合组学数据，构建全面的代谢和调控网络模型；化学生物学发展新工具探索生物分子功能；合成生物学设计新的生物系统和功能；单细胞技术揭示细胞异质性；结构生物学结合冷冻电镜和AI预测如AlphaFold解析复杂生物分子结构；代谢组学全面分析细胞代谢物谱；表观遗传学研究DNA和组蛋白修饰对基因表达的调控这些新兴领域不断拓展生物化学的研究广度和深度生物化学与现代医学的联系生物化学是现代医学的基石，对疾病机制研究和诊疗方法开发至关重要代谢相关疾病如糖尿病、肥胖症、心血管疾病等，其分子机制正通过生物化学研究逐步阐明；基因与蛋白质异常导致的遗传病和癌症，其发病机制和治疗靶点的发现离不开生物化学基础；药物开发过程中，药物靶点的确定、药效评价和药物代谢研究都建立在生物化学原理之上精准医学、免疫治疗、基因治疗等新兴医学领域更是生物化学知识的直接应用生物化学与生物技术的应用生物化学知识推动了多领域生物技术的发展与应用酶工程利用酶的高效特异性开发生物催化剂，应用于食品、医药和化工领域；基因编辑技术如CRISPR-Cas9实现精确基因组修饰，在作物改良、疾病治疗中显示巨大潜力；合成生物学设计人工代谢途径，用于生物燃料和药物前体生产；蛋白质工程创造新功能蛋白，应用于生物传感器和治疗性蛋白质开发；生物信息学整合海量生物学数据，加速科学发现和技术创新这些应用正深刻改变人类医疗、农业、能源和环境保护等领域。