《生物化学》课件

《生物化学》欢迎来到《生物化学》课程！本课程将带领大家深入探索生命的化学本质，揭示生物分子的奥秘我们将系统学习蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物大分子的结构与功能，了解它们如何在复杂的代谢网络中相互作用，支持生命活动的进行生物化学是连接化学与生物学的桥梁，通过分子水平的研究揭示生命现象的本质它不仅是医学、药学和生命科学的基础，也是现代生物技术发展的理论支撑跟随本课程，我们将一起揭开生命的分子奥秘课程概述生物化学作为生命的化学生物化学是研究生命体中分子结构、功能及其变化规律的科学，它探索生命活动的化学本质，揭示分子水平上的生命奥秘通过生物化学的学习，我们能够理解从简单分子到复杂系统的生命现象生物分子的组成、结构与功能本课程将详细介绍蛋白质、核酸、糖类和脂类等生物大分子的化学组成、结构特点和生物学功能我们将了解这些分子如何通过特定的三维结构执行各自的生物学功能，以及它们之间的相互作用生物分子在生命活动中的变化规律我们将学习生物分子在代谢过程中的转化规律，包括合成代谢和分解代谢的各种途径，以及它们如何被精确调控通过了解这些变化规律，我们能够理解生命活动的本质和疾病的分子机制第一章生物化学绪论生物化学的定义与研究内容生物化学是研究生物体内化学组成、生物分子结构及其在生命过程中变化规律的科学它主要研究蛋白质、核酸、糖类、脂类等生物大分子的结构与功能，以及它们在代谢和基因表达中的作用生物化学的发展历史与重要突破从尿素的人工合成到双螺旋结构的发现，生物化学经历了快速发展DNA关键里程碑包括酶的发现、代谢途径的阐明、遗传密码的破译以及基因组测序技术的革命性进步，这些突破极大地推动了我们对生命本质的理解生物化学与其他学科的关系生物化学与分子生物学、细胞生物学、遗传学等学科紧密相连，共同构成现代生命科学的基础它还与医学、药学、农业科学等应用领域有着密切联系，为疾病诊断、药物开发和生物技术创新提供理论基础生物分子的基本组成水在生物体中的重要作用水是生命的摇篮，占生物体重量的70%以上它作为溶剂支持生化反应进行，参与多种代谢过程，维持生物体内环境稳定水分子的极性和氢键形成能力使碳、氢、氧、氮、磷、硫元素其成为生物化学反应的理想介质生物体主要由这六种元素构成，它们以特定方式组合形成生物分子碳原子具有形成四个共价键的能力，是构建复杂弱相互作用力在生物大分子中生物分子骨架的基础氮、磷、硫元素的意义则赋予生物分子独特的化学性质和生物氢键、疏水相互作用、范德华力和离子活性键等弱相互作用力共同决定了生物大分子的空间构象和功能尽管单个弱相互作用的能量很小，但它们的协同作用对维持蛋白质和核酸的三维结构至关重要第二章蛋白质化学

（一）蛋白质的基本功能与分类氨基酸的化学结构与性质种常见氨基酸的分类与特点20蛋白质是生命活动的主要承担者，具有催氨基酸是蛋白质的基本构建单位，其分子根据侧链性质，种常见氨基酸可分为20化、运输、调节、防御、储存和结构支持结构包含一个中心碳原子，连接氨基、羧非极性、极性不带电、酸性和碱性四类等多种功能根据组成、结构和功能，蛋基、氢原子和特异性侧链氨基酸在这些氨基酸的侧链结构决定了它们的理化α-白质可分为简单蛋白质和结合蛋白质，或生理下呈两性离子状态，这种特性使性质和在蛋白质中的功能，如疏水氨基酸pH分为球状蛋白和纤维状蛋白等多种类型其能够形成肽键并赋予蛋白质独特的性质倾向于聚集在蛋白质内部，而极性氨基酸则更多地位于表面第二章蛋白质化学

（二）肽键的形成与特性肽键通过氨基与羧基脱水缩合形成，具有平面性和部分双键特性多肽链的结构特征多肽链包含主链和侧链，呈现一定的空间方向性蛋白质的一级结构与测定方法一级结构是氨基酸在多肽链中的排列顺序，决定蛋白质的基本特性肽键的平面性源于其部分双键特征，这限制了肽键周围的旋转，为蛋白质高级结构的形成奠定基础每个肽键周围的和二面角决定了多肽链φψ的构象特征蛋白质一级结构的测定通常采用埃德曼降解法和质谱分析等技术，这些方法能够精确确定氨基酸的序列蛋白质的一级结构对其功能至关重要，即使单个氨基酸的替换也可能导致蛋白质功能的显著变化血红蛋白中第位谷氨酸被缬氨酸替换导致的6镰状细胞性贫血就是典型例子，这充分说明了一级结构在决定蛋白质性质方面的重要性第二章蛋白质化学

（三）蛋白质的二级结构螺旋和折叠是两种主要的规则二级结构αβ蛋白质的三级结构整个多肽链折叠形成的紧密空间构象蛋白质的四级结构多个多肽链亚基的空间排列组合螺旋是一种右手螺旋结构，每个螺旋转角包含个氨基酸残基，通过肽链内部的氢键稳定这种结构普遍存在于球状蛋白和膜蛋白中，如肌红蛋α

3.6白、血红蛋白和许多转运蛋白折叠则是由相邻多肽链段通过氢键连接形成的片层结构，常见于丝蛋白等纤维蛋白中β蛋白质的三级结构是在二级结构基础上，整个多肽链进一步折叠形成的紧密构象这一层次的结构主要由疏水相互作用、静电作用、氢键和二硫键等多种力共同稳定四级结构涉及多个多肽链（亚基）的组装，如血红蛋白由四个亚基组成，这种结构对蛋白质功能的调控具有重要意义第二章蛋白质化学

（四）蛋白质变性与复性现象蛋白质结构与功能的关系蛋白质分离纯化的基本方法蛋白质变性是指其天然构象被破坏的过蛋白质的功能直接依赖于其特定的三维蛋白质纯化通常采用一系列方法，基于程，可由温度、、有机溶剂和重金属结构酶的催化活性依赖于活性中心的蛋白质的不同理化性质进行分离常用pH离子等因素引起变性导致蛋白质高级精确构象；抗体的特异性识别能力源于技术包括盐析、透析、各种色谱技术结构解体，生物活性丧失某些蛋白质其互补决定区的独特结构；膜受体的信（离子交换、凝胶过滤、亲和色谱等）在适宜条件下可自发恢复其天然构象，号转导功能基于其构象变化能力和电泳技术这一过程称为复性结构生物学研究表明，同源蛋白往往具现代蛋白质组学研究依赖于高效的分离安芬森的核糖核酸酶复性实验证明，蛋有相似的结构域和折叠模式，这种结构纯化技术，如二维电泳和高效液相色谱-白质的一级结构包含其折叠所需的全部保守性反映了进化过程中功能的保守质谱联用技术，这些方法能够从复杂样信息，这一发现为理解蛋白质结构形成蛋白质结构与功能关系的理解对疾病机品中分离和鉴定数千种蛋白质蛋白质的原理提供了关键证据制研究和药物设计具有重要意义纯化是结构与功能研究的基础，也是蛋白质药物生产的关键步骤第三章核酸的化学

（一）核酸的发现与基本功能核苷酸的组成与结构与的化学组成区别DNA RNA核酸最初由米舍尔从细胞核中分离得到，核苷酸是核酸的基本构建单位，由碱基、和的主要区别在于糖基和碱DNA RNA命名为核素经过一个多世纪的研究，五碳糖和磷酸基团组成碱基包括嘌呤基组成含有脱氧核糖，而DNA RNA我们现在知道核酸是遗传信息的载体，（腺嘌呤和鸟嘌呤）和嘧啶（胞嘧含有核糖；使用胸腺嘧啶（），A GDNA T在基因表达和调控中起关键作用啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶）两大类而使用尿嘧啶（）此外，DNA CT URNA UDNA负责长期存储和传递遗传信息，而五碳糖可以是脱氧核糖（在中）或通常以双链形式存在，而多为单链RNA DNA RNA则参与将这些信息转化为功能性蛋白质核糖（在中），与碱基形成糖结构这些化学组成上的差异直接影响RNA N-的过程苷键了它们的结构稳定性和生物功能第三章核酸的化学

（二）的双螺旋结构模型DNA年，沃森和克里克提出了双螺旋结构模型，这一发现被认为是世纪生物学最重要的突破之一在这一模型中，两条多核苷酸链以相反方向盘绕形成右手螺旋，1953DNA20碱基对位于内侧，磷酸糖骨架位于外侧碱基通过特异性氢键配对腺嘌呤与胸腺嘧啶形成两个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键-A TG C分子的特性与功能DNA的结构特性包括碱基互补配对、反向平行排列和主、次沟槽的存在这些特性使能够精确复制，保证遗传信息的准确传递的主要功能是存储和传递遗传信DNA DNA DNA息，它编码着生物体发育和功能所需的全部信息还可以与蛋白质相互作用，参与基因表达的调控，影响细胞分化和机体发育DNA的变性与复性DNA变性是指双链在高温、极端或某些化学物质作用下解离成单链的过程这一过程可通过紫外吸收值的增加（称为超色效应）来监测当条件恢复适宜时，互补DNA DNApH单链可以重新配对形成双链结构，这一过程称为复性或退火的变性和复性原理广泛应用于分子生物学技术，如聚合酶链反应和杂交技术DNA PCRDNA第三章核酸的化学

（三）信使转运RNA mRNA RNA tRNA携带编码的遗传信息到核糖体，作为蛋白将特定氨基酸运送到核糖体，参与蛋白质合成的DNA质合成的模板解码过程非编码核糖体RNA RNA rRNA如微小和长链非编码，参与基因表达构成核糖体的主要成分，提供蛋白质合成的催化RNA RNA调控中心与相比具有显著的结构差异通常是单链分子，但常形成复杂的二级结构，如发夹、茎环和假结等这些结构对的功能至关重要，例如RNA DNA RNA RNA的三叶草结构和的复杂折叠构象分子中核糖位羟基的存在使其比更不稳定，但也赋予了更多功能多样性tRNA rRNA RNA2DNA RNA核酸的理化性质包括紫外吸收特性（最大吸收波长约）、热变性行为和酸碱性质这些特性是核酸检测和分析的基础现代核酸研究技术包括电泳分260nm析、杂交技术、测序方法和技术等，这些方法极大地推动了分子生物学和基因组学的发展PCR第四章糖类的结构与功能

（一）糖类的基本分类与生单糖的结构与性质单糖的衍生物及其生物学意义理功能单糖是最简单的糖类，无糖类是生物体内含量最丰法被水解为更简单的糖单糖衍生物包括糖醇（如富的有机物，可分为单糖、根据含有的碳原子数量，山梨醇、甘露醇）、氨基寡糖和多糖它们不仅是可分为三碳糖、五碳糖、糖（如葡萄糖胺）、糖酸重要的能量来源，还是细六碳糖等单糖在水溶液（如葡萄糖醛酸）以及磷胞结构的组成部分，参与中存在环状结构（型和酸化糖（如葡萄糖磷αβ-6-细胞识别、免疫反应和信型）与开链结构的平衡，酸）等这些衍生物在生息传递等多种生物学过程这种现象称为变旋现象物体内参与各种代谢过程，糖类在生物体内的广泛分常见单糖如葡萄糖、果糖如能量代谢、细胞壁合成布和多样功能反映了它们和半乳糖等在生物体内承和细胞识别等某些衍生在生命活动中的核心地位担着重要功能物还作为重要的药物分子，如氨基糖类抗生素第四章糖类的结构与功能

（二）2-121000+寡糖单元数多糖链长度寡糖由个单糖通过糖苷键连接形成多糖可含有上千个单糖单元2-1270%植物干重比例纤维素占植物细胞壁干重的主要成分二糖由两个单糖通过糖苷键连接形成，常见的有蔗糖（葡萄糖和果糖）、麦芽糖（两个葡萄糖）和乳糖（葡萄糖和半乳糖）它们的结构差异导致不同的物理化学性质和生物学功能例如，蔗糖不具有还原性，而麦芽糖和乳糖则具有还原性，这与它们的结构直接相关多糖是由大量单糖通过糖苷键连接形成的高分子化合物淀粉是植物的主要储能物质，由直链淀粉（糖苷键）和支链淀粉（额外含有糖苷键）组成糖原是动物的储能多糖，结构与支链α-1,4α-1,6淀粉相似但分支更多纤维素由糖苷键连接的葡萄糖组成，是植物细胞壁的主要成分糖蛋白β-1,4和糖脂中的糖链参与细胞识别和免疫反应等重要生物学过程第五章脂类和生物膜

（一）脂类的分类与基本结构脂肪酸的类型与性质脂类是一组在有机溶剂中可溶但脂肪酸是由碳氢链和一个羧基组在水中不溶或微溶的生物分子成的一元羧酸，是构成许多复杂根据结构特点，脂类可分为简单脂类的基本单位根据碳链长度脂（脂肪、蜡）、复合脂（磷脂、可分为短链、中链和长链脂肪酸；糖脂、脂蛋白）和衍生脂（固醇、根据碳碳双键的数量可分为饱和脂溶性维生素）等尽管结构多和不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸样，它们共同的特点是含有大量中的顺式双键使碳链产生弯曲，疏水性烃链或环结构，这决定了影响分子的紧密堆积，这是它们脂类的溶解性和生物功能在室温下呈液态的主要原因甘油脂的结构与功能甘油脂由一分子甘油与三分子脂肪酸通过酯键连接形成，是生物体内最重要的储能物质不同脂肪酸的组合产生了多种甘油脂，其物理性质取决于所含脂肪酸的类型动物脂肪多含饱和脂肪酸，室温下呈固态；植物油多含不饱和脂肪酸，室温下呈液态甘油脂除了储能外，还具有保温、保护和促进脂溶性维生素吸收等功能第五章脂类和生物膜

（二）磷脂、糖脂和固醇的结构特点生物膜的流动镶嵌模型膜蛋白的分类与功能磷脂是生物膜的主要成分，由甘油骨架、年，辛格和尼科尔森提出了生物膜蛋白根据与脂双层的结合方式可分为1972两条脂肪酸链和一个含磷的极性头基组膜的流动镶嵌模型，认为膜是由脂质双整合膜蛋白（穿过整个脂双层）和周边成，呈两亲性糖脂含有糖基，在细胞分子层构成的流动结构，各种蛋白质镶膜蛋白（附着于膜表面）它们执行多表面识别和免疫反应中起重要作用固嵌或附着其中脂质双分子层中，脂类种关键功能通道蛋白和载体蛋白负责醇类如胆固醇具有刚性环状结构，能调分子的亲水头部朝向水相，疏水尾部朝物质转运；受体蛋白识别信号分子并触节膜的流动性和稳定性向内侧相互作用发细胞内部反应；酶催化膜相关反应；锚定蛋白连接细胞骨架等这些脂类分子的两亲性特征（既有亲水膜的流动性使膜成分能够横向移动，这部分又有疏水部分）使其能自发形成生对膜的功能至关重要膜的流动性受温膜蛋白的异常与多种疾病相关，如囊性物膜结构，这是细胞和细胞器存在的物度、脂类组成（尤其是胆固醇含量和不纤维化与氯离子通道蛋白的突变有CFTR质基础不同生物膜中脂类组成的差异饱和脂肪酸比例）等因素影响过高或关，这些研究为疾病治疗提供了重要靶反映了其特定功能的需求过低的流动性都会影响膜的功能，如物点现代膜蛋白组学技术正在揭示更多质转运和信号传导膜蛋白的结构和功能信息第六章酶化学

（一）酶的概念与基本性质生物催化剂，具有高效性、特异性和可调控性酶的命名与分类系统通用名称与系统命名，六大类酶的特点酶的活性中心与底物特异性活性中心的结构特点与底物识别机制酶是生物体内催化化学反应的蛋白质分子，它们能显著加速生化反应速率而不改变反应的平衡位置与普通化学催化剂相比，酶具有更高的催化效率（可提高反应速率倍）和底物特异性酶的活性受温度、、底物浓度等多种因素影响，在生理条件下表现出最佳活性10^6-10^12pH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都有一个编号，由四组数字组成，精确标识EC其催化的反应类型酶的活性中心是执行催化功能的特定区域，通常占酶分子的很小部分底物特异性源于酶与底物之间的立体构型互补和相互作用力，这种锁钥关系保证了生化反应的精确性第六章酶化学

（二）第六章酶化学

（三）酶的抑制类型与机制别构酶与调节机制酶抑制是指某些物质与酶结合后降低或别构酶是一类特殊的酶，其活性可被底消除其催化活性的过程根据抑制剂与物以外的分子（别构效应物）调节别酶的结合方式和可逆性，可分为可逆性构效应物结合在酶的变构位点，引起酶抑制（包括竞争性、非竞争性和反竞争构象变化，从而影响其催化活性根据性抑制）和不可逆性抑制在竞争性抑效应物的作用，可分为正向调节（激活）制中，抑制剂与底物竞争酶的活性中心；和负向调节（抑制）别构调节是细胞而在非竞争性抑制中，抑制剂结合在酶代谢控制的重要机制，如磷酸果糖激酶的其他位点，改变酶的构象受抑制和激活的调控，保证了ATP AMP糖酵解速率与细胞能量需求的平衡辅酶与辅基在催化中的作用许多酶需要非蛋白质组分才能发挥催化功能这些组分可分为紧密结合的辅基（如金属离子、血红素等）和可分离的辅酶（如、辅酶等）辅酶通常源自维生素，在催NAD+A化过程中作为特定化学基团的载体参与反应例如，在氧化还原反应中传NAD+/NADH递氢原子和电子，在转移反应中提供高能磷酸基团辅基和辅酶的存在极大地拓展ATP了酶的催化功能范围维生素与辅酶脂溶性维生素水溶性维生素维生素缺乏症包括维生素、、和，可在体内储存族维生素和维生素，多作为辅酶前体各种维生素缺乏导致的特征性疾病ADE KB C维生素视黄醇，视觉过程和细胞分化辅酶，碳水化合物代谢维生素夜盲症•A•B1TPP•A维生素钙磷代谢调节和，氧化还原反应维生素佝偻病•D•B2FAD FMN•D维生素抗氧化剂和，能量代谢维生素脚气病•E•B3NAD+NADP+•B1维生素血液凝固因子合成辅酶，氨基酸代谢维生素癞皮病•K•B6PLP•B3维生素胶原蛋白合成和抗氧化维生素坏血病•C•C第七章代谢总论与生物氧化

（一）代谢的概念与分类能量转换与的中心地位ATP包括分解代谢和合成代谢两大类，形成复杂网络作为能量货币连接各种代谢过程ATP代谢途径的组织与调控高能化合物的特点与作用精确调控确保代谢与生理需求匹配3含有高能磷酸键，能量转移的关键载体代谢是指生物体内发生的所有化学反应的总和，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）两大类这些反应通过复杂的代谢网络相互连接，共同维持生命活动的正常进行代谢途径的研究历史悠久，从早期的同位素标记实验到现代的代谢组学技术，科学家们逐渐揭示了代谢网络的全貌（三磷酸腺苷）是细胞内最重要的能量载体，通过高能磷酸键储存和释放能量水解为和无机磷酸时释放约的能量，这一能量用于驱动各种ATP ATP ADP

7.3kcal/mol生命活动除外，其他高能化合物如磷酸肌酸、磷酸烯醇式丙酮酸和辅酶等也在能量转移和代谢过程中发挥重要作用代谢途径的组织具有高度的空间特异性，不同ATPA的代谢路径在细胞内的特定区室中进行，确保代谢效率和精确调控第七章代谢总论与生物氧化

（二）生物氧化的概念与意义氧化还原反应与电子传递链生物氧化是指生物体内的氧化还原反应，氧化还原反应涉及电子的转移，氧化反特别是与能量产生相关的过程在有氧应失去电子，还原反应获得电子在生生物中，分子氧是最终的电子受体，接物体内，这些反应通常由特定的氧化还收从食物分子中提取的电子生物氧化原酶催化，并涉及辅酶如是能量获取的主要途径，通过氧化还原和作为电NAD+/NADH FAD/FADH2反应，将食物分子中的化学能转化为子载体电子传递链是一系列有序排列形式的生物能这一过程的效率远的电子载体，能够将电子从和ATP NADH高于无氧代谢，是有氧生物能量获取的传递给最终电子受体氧，同时FADH2主要方式释放的能量用于合成ATP呼吸链的组成与功能线粒体呼吸链由四个主要的蛋白质复合体（复合体）和两个可移动的电子载体（辅酶I-IV和细胞色素）组成复合体、和在电子传递过程中将质子泵出线粒体内膜，形成Q cI IIIIV质子梯度这一过程遵循电子传递的能量学原理，电子从高能级向低能级流动，释放的能量用于泵出质子呼吸链是生物能量转换的关键环节，也是多种药物和毒素的作用靶点第七章代谢总论与生物氧化

（三）氧化磷酸化与化学渗透学说合成酶的结构与功能线粒体结构与功能的关系ATP氧化磷酸化是将电子传递过程中释放的能量转化合成酶（酶）是一个复杂的蛋线粒体是细胞的能量工厂，具有双层膜结构ATP F0F1-ATP为形式的过程年，米切尔提出了化白质复合体，由两个主要部分组成嵌入膜中的外膜相对通透，而内膜形成大量褶皱（嵴），极ATP1961学渗透学说，解释了电子传递与合成的偶联部分和突向基质的部分部分形成跨膜大增加了表面积，为电子传递链和合成酶提ATP F0F1F0ATP机制根据这一理论，电子传递链将质子从线粒质子通道，当质子通过时引起亚基旋转；部分供足够的空间内膜的高度不透性对维持质子梯F1体基质泵出到膜间隙，形成跨膜质子梯度（包括包含催化合成的活性中心这种旋转催化度至关重要线粒体基质中包含了三羧酸循环酶ATP梯度和电位差）这一质子动力势作为机制是一种独特的能量转换方式，将质子流动的系、、核糖体和蛋白质合成系统等线粒体pH ATPDNA合成的直接驱动力，当质子沿着梯度通过合能量通过机械旋转转化为化学能每合成一个的这种结构特点与其作为细胞能量代谢中心的功ATP成酶回流入基质时，释放的能量用于催化与分子大约需要个质子通过合成酶能紧密相关，确保了氧化磷酸化的高效进行ADP ATP3-4ATP无机磷酸结合形成ATP第八章糖代谢

（一）糖酵解途径的反应步骤糖酵解是将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸的过程，包括个酶促反应步10骤这一过程可分为三个阶段能量投入阶段（步骤），消耗个将1-52ATP葡萄糖活化并裂解为两个三碳化合物；能量产生阶段（步骤），每个三6-10碳化合物产生个和个，最终形成丙酮酸2ATP1NADH糖酵解途径的能量产生糖酵解过程中，每分子葡萄糖净产生个分子（总产生个，消耗个）2ATP42和个分子在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体进行进一步氧化；在无2NADH氧条件下，丙酮酸转化为乳酸（在动物组织中）或乙醇（在酵母中），同时将氧化回，使糖酵解能够持续进行NADH NAD+糖酵解的调节机制糖酵解的关键调控点包括已糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应磷酸果糖激酶是最主要的调控酶，受抑制和激活，确保糖酵解速率ATP AMP与细胞能量状态相匹配胰岛素和胰高血糖素等激素通过影响这些酶的表达和活性，协调全身糖代谢不同组织中糖酵解的调控存在差异，反映了其特定的代谢需求第八章糖代谢

（二）1-4%

0.5-1%70-80%肝脏糖原含量肌肉糖原含量肝糖原总量占肝脏湿重的百分比，主要储能器官占肌肉湿重的百分比，为肌肉活动提供能量占人体总糖原的比例，是血糖调节的主要来源糖原是动物体内主要的碳水化合物储存形式，主要存在于肝脏和肌肉中糖原合成从葡萄糖磷酸开始，经过一系列反应形成葡萄糖，再在糖原合成-6-UDP-酶的催化下添加到现有糖原分子上糖原分支酶负责形成糖苷键，创建分支结构，增加糖原分子的溶解度和可利用性糖原合成是一个能量消耗过程，α-1,6-每添加一个葡萄糖单位需要消耗相当于个的能量1ATP糖原分解由磷酸化酶催化，逐个释放葡萄糖磷酸，不需要参与当达到分支点时，转移酶和脱分支酶协同作用，维持糖原分子的有序降解肝脏和肌-1-ATP肉中糖原代谢的目的不同肝糖原主要用于维持血糖稳定，肌糖原则直接用于提供肌肉收缩能量胰岛素和胰高血糖素是调节糖原代谢的主要激素，它们通过调控关键酶的磷酸化状态来发挥作用糖原贮存病是一组由糖原代谢相关基因突变导致的遗传病，表现为不同组织中糖原结构异常或含量改变第八章糖代谢

（三）三羧酸循环的反应步骤三羧酸循环的能量产生1从乙酰与草酰乙酸结合开始，经历个酶促反CoA8每轮循环产生个、个和个3NADH1FADH21GTP应三羧酸循环的代谢整合三羧酸循环的调节机制连接糖、脂肪和氨基酸代谢的中心枢纽能量状态和底物供应是主要调控因素三羧酸循环（克雷布斯循环）是有氧代谢的核心途径，在线粒体基质中进行每轮循环从乙酰与草酰乙酸结合形成柠檬酸开始，经过一系列氧化脱羧和水合反应，CoA最终再生草酰乙酸在这个过程中，两个碳原子被完全氧化为，释放的电子传递给和形成还原性辅酶，同时直接合成一个（相当于）一CO2NAD+FAD GTPATP轮循环理论上可产生个当量12ATP三羧酸循环的调节主要发生在几个关键酶柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶复合体这些酶受能量信号（如比值、比α-ATP/ADP NAD+/NADH值）和底物供应的调控丰富的能量供应抑制循环，而能量需求增加则促进循环进行三羧酸循环不仅是能量代谢的中心，也是代谢整合的枢纽，其中间产物可作为合成氨基酸、脂肪酸和血红素等重要生物分子的前体第八章糖代谢

（四）磷酸戊糖途径的反应与生理意义糖异生途径的反应步骤与调控光合作用的基本过程磷酸戊糖途径（又称戊糖磷酸途径或己糖单磷酸糖异生是从非碳水化合物前体（如丙酮酸、乳酸、光合作用是植物、藻类和某些细菌将光能转化为途径）是葡萄糖代谢的另一重要途径，与糖酵解甘油和大部分氨基酸）合成葡萄糖的过程，主要化学能的过程，可分为光反应和暗反应（卡尔文并行运行该途径分为氧化阶段和非氧化阶段在肝脏和肾脏中进行糖异生途径与糖酵解大部循环）两个阶段光反应在类囊体膜上进行，利氧化阶段生成和核糖磷酸，非氧化分反应是可逆的，但绕过了糖酵解中的三个不可用光能将水分子分解，释放氧气，同时产生NADPH-5-ATP阶段将五碳糖转化为糖酵解中间产物磷酸戊糖逆反应丙酮酸羧化为草酰乙酸、磷酸烯醇丙酮和暗反应在叶绿体基质中进行，利用NADPH途径的主要生理意义包括提供用于生酸合成葡萄糖磷酸以及去磷酸化形成游离葡光反应产生的和将固定为碳NADPH-6-ATP NADPHCO2物合成和抗氧化防御；产生核糖磷酸用于核萄糖糖异生受多种因素调控，包括底物供应、水化合物卡尔文循环的关键酶核酮糖-5-——-苷酸和核酸合成；以及连接五碳糖和三碳糖之间能量状态和激素水平（如胰高血糖素促进、胰岛二磷酸羧化酶（）是地球上最丰1,5-RuBisCO的代谢转换素抑制）糖异生对维持空腹和长时间运动时的富的蛋白质，也是固定的限速因素光合作CO2血糖水平至关重要用是地球上几乎所有生命能量的最初来源第九章脂类代谢

（一）脂肪动员与脂肪酸的活化1激素刺激三酰甘油水解，脂肪酸活化耗能脂肪酸氧化过程与能量产生β-2四步循环切割脂肪酸链，产生乙酰CoA特殊脂肪酸的氧化不饱和和奇碳数脂肪酸需要额外酶脂肪动员是指存储在脂肪组织中的三酰甘油被水解释放出脂肪酸的过程在激素（如肾上腺素、胰高血糖素）刺激下，激素敏感脂肪酶被激活，依次水解三酰甘油产生二酰甘油、单酰甘油和最终的甘油与脂肪酸释放的脂肪酸与血清白蛋白结合运输到需能组织在细胞内，脂肪酸必须先被酰基合成酶CoA激活形成脂肪酰，这一过程消耗CoA ATP氧化是脂肪酸主要的分解途径，在线粒体基质中进行长链脂肪酰通过肉碱穿梭系统进入线粒体氧化过程包括四个连续反应脱氢、水合、β-CoAβ-再脱氢和硫解，每轮循环脂肪酸链缩短两个碳原子，产生一分子乙酰、一分子和一分子不饱和脂肪酸的氧化需要额外的异构酶和烯CoA NADHFADH2酰水合酶，而奇碳数脂肪酸氧化的最终产物是丙酰，经过额外反应转化为琥珀酰进入三羧酸循环氧化是高效的能量产生途径，一个含CoA CoA CoAβ-个碳原子的棕榈酰完全氧化可产生个分子16CoA129ATP第九章脂类代谢

（二）酮体的生成与利用脂肪酸的生物合成途径脂肪酸合成与氧化的调控差异酮体是指乙酰乙酸、羟丁酸和丙酮三种化脂肪酸合成主要在细胞质中进行，虽然反应脂肪酸合成和氧化是相互对立的过程，在代β-合物，主要在肝脏线粒体中由乙酰合成与氧化相反，但使用不同的酶系统和辅酶谢上受到精确协调，避免同时进行的无效循CoAβ-酮体合成增加于碳水化合物供应不足（如饥合成起始于乙酰羧化为丙二酰，这环它们的调控差异主要表现在几个方面CoA CoA饿、糖尿病）时，是肝脏处理过量乙酰是限速步骤脂肪酸合成酶复合体逐步延长空间隔离（合成在细胞质，氧化在线粒体）；CoA的一种方式合成过程从两分子乙酰缩脂肪酸链，每次加入两个碳原子，使用丙二能量状态（高能量促进合成，低能量促进氧CoA合形成乙酰乙酰开始，再加入第三分子酰作为延长单位，提供还原力化）；辅酶使用（合成用，氧化用CoA CoANADPH NADPH乙酰形成羟甲基戊二酰，后者裂解这一过程重复进行，直到通常形成碳的棕和）；以及激素调控（胰岛素促CoACoA16NAD+FAD为乙酰乙酸和乙酰榈酸进合成，升糖激素促进氧化）CoA酮体可作为脑、肌肉等组织的替代能源特脂肪酸合成需要大量还原力（，主要乙酰羧化酶是脂肪酸合成的限速酶，受NADPH CoA别是在长期饥饿状态下，大脑能够适应使用来自磷酸戊糖途径）和，是一个高度能多种因素调控，包括底物（柠檬酸）激活、ATP酮体，从而节省葡萄糖供应组织利用酮体量消耗过程不饱和脂肪酸的形成需要脂肪产物（棕榈酰）抑制、激素（胰岛素促CoA时，先将羟丁酸氧化为乙酰乙酸，再活化酰去饱和酶引入双键，哺乳动物无法合进，肾上腺素抑制）和能量状态（抑制）β-CoA AMP为乙酰乙酰进入三羧酸循环酮症酸中成必需脂肪酸（亚油酸和亚麻酸），必须从等这种多层次调控确保脂肪酸合成与全身CoA毒是糖尿病等疾病中酮体过度产生的严重并食物中获取代谢需求相匹配发症第九章脂类代谢

（三）1甘油脂的合成代谢甘油脂（三酰甘油）合成主要在肝脏和脂肪组织中进行，使用甘油磷酸作为骨架，逐-3-步加入三个脂肪酰基甘油磷酸可从两个来源获得葡萄糖经糖酵解产生的二羟丙酮-3-磷酸还原而来，或甘油经甘油激酶磷酸化形成脂肪酰基来源于脂肪酰，通过酰基转CoA移酶催化的反应，依次形成溶血磷脂酸、磷脂酸和二酰甘油，最后加入第三个脂肪酰基形成三酰甘油2磷脂与糖脂的合成途径磷脂是细胞膜的主要成分，包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸等它们的合成以二酰甘油为前体，加入不同的极性头基例如，磷脂酰胆碱合成涉及二酰甘油与CDP-胆碱的反应，形成磷脂酰胆碱和鞘磷脂如神经酰胺、神经鞘磷脂和脑苷脂等以丝氨CMP酸和棕榈酰为起始物质，经过一系列反应合成这些复杂脂类在神经系统中尤为重要，CoA参与细胞信号传导和膜结构组织3胆固醇的合成与调控机制胆固醇是一种重要的固醇类脂质，是细胞膜的组成部分，也是甾体激素、维生素和胆汁酸D的前体胆固醇合成是一个复杂的过程，涉及多个酶促反应，主要在肝脏进行合成起30始于乙酰，经过多步反应形成甲羟戊酸，再经过一系列缩合、环化反应最终形成胆固CoA醇羟甲基戊二酰还原酶（）是胆固醇合成的限速酶，受多层次调控，3--3-CoA HMGR包括转录、翻译和酶活性水平胆固醇及其衍生物的过量与动脉粥样硬化等疾病相关，因此其合成和代谢的调控对维持健康至关重要第十章氨基酸代谢

（一）蛋白质的消化吸收过程氨基酸分解的基本反应类型蛋白质消化始于胃部，在胃蛋白酶（氨基酸分解的第一步通常是去除氨基，pHα-最适）作用下初步水解为多肽进入这可通过多种反应实现转氨基作用（将2-3小肠后，胰蛋白酶、糜蛋白酶等胰腺酶和氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸和α-小肠刷状缘上的多种肽酶继续水解，最终酮酸）；氧化脱氨基作用（产生氨和α-生成氨基酸、二肽和三肽这些小分子通酮酸）；非氧化脱氨基作用（产生氨α-过特异性转运蛋白主动转运进入小肠上皮和不饱和酸）转氨基作用是最常见的，细胞，在细胞内二肽和三肽被进一步水解由转氨酶催化，通常以酮戊二酸为氨α-为氨基酸，然后经门静脉运往肝脏肝脏基受体，形成谷氨酸谷氨酸可进一步通是氨基酸代谢的主要场所，控制着氨基酸过谷氨酸脱氢酶催化的氧化脱氨基作用释在全身的分配放氨，同时再生酮戊二酸α-氨基酸碳骨架的代谢去路氨基酸去氨后留下的碳骨架（酮酸）有多种代谢去路根据最终产物，氨基酸可分为糖原α-氨基酸（碳骨架可转化为葡萄糖）、酮原氨基酸（碳骨架可转化为酮体）和糖原兼酮原氨基酸特定氨基酸的碳骨架进入代谢的具体路径各不相同某些氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸）直接转化为三羧酸循环中间物；有些氨基酸（如苯丙氨酸、酪氨酸）先转化为呋喃乙酰；CoA而支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）则经过复杂的代谢途径转化为乙酰或琥珀CoA酰CoA第十章氨基酸代谢

（二）氨的产生与转运形式谷氨酰胺作为氨的主要转运形式1氨主要来源于氨基酸脱氨，是有毒物质安全携带氨基，在组织间循环2氨代谢紊乱导致多种疾病尿素循环转化有毒氨为无毒尿素高氨血症与肝功能障碍和先天性酶缺陷相关主要在肝脏进行，与三羧酸循环相连氨主要来源于氨基酸的脱氨基作用，是一种对神经系统有毒的物质，血液中浓度必须严格控制为安全转运氨，机体主要使用谷氨酰胺作为载体肌肉等组织产生的氨与谷氨酸结合形成谷氨酰胺，通过血液安全运输到肝脏或肾脏，在那里谷氨酰胺酶催化谷氨酰胺水解，释放出氨进行进一步代谢丙氨酸也是一种重要的氨转运形式，参与葡萄糖丙氨酸循-环尿素循环（鸟氨酸循环）是哺乳动物处理过量氨的主要途径，主要在肝脏中进行该循环包括五个酶促反应，最终将两个氮原子（一个来自氨，一个来自天冬氨酸）和一个碳原子（来自碳酸氢盐）组合成尿素排出体外尿素循环与三羧酸循环通过延胡索酸相连，体现了代谢途径间的紧密联系尿素循环的任何一个酶缺陷都可导致先天性高氨血症，表现为神经系统症状，严重者可致命此外，肝衰竭患者由于尿素循环功能受损，也常出现高氨血症第十章氨基酸代谢

（三）一碳单位的代谢与生理意义特殊氨基酸的代谢途径一碳单位是指甲基（）、亚甲基（某些氨基酸除了普通的分解代谢外，还参与-CH3-）、甲酰基（）等含单个碳原特殊的代谢途径芳香族氨基酸（酪氨酸、CH2--CHO子的基团，在生物体内以四氢叶酸（）色氨酸、苯丙氨酸）是多种神经递质和激素THF衍生物形式存在四氢叶酸可携带不同氧化的前体例如，酪氨酸可转化为儿茶酚胺类态的一碳单位，参与多种生化反应一碳单神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺位的主要来源包括丝氨酸、甘氨酸、组氨酸素）；色氨酸是羟色胺（血清素）和烟酰5-和胆碱等一碳单位代谢的生理意义包括胺的前体含硫氨基酸（蛋氨酸、半胱氨酸）参与嘌呤核苷酸合成；参与胸腺嘧啶合成；参与硫代谢和活性甲基循环，蛋氨酸通过S-提供甲基用于甲基化反应（如、腺苷蛋氨酸（）提供甲基用于多种生物DNA RNASAM的甲基化）；以及参与某些氨基酸的合成合成反应精氨酸是一氧化氮（）的前NO体，参与血管舒张和免疫调节氨基酸代谢紊乱的临床表现氨基酸代谢紊乱多由遗传因素导致，称为先天性氨基酸代谢病苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙酮尿症，特征是血液中苯丙氨酸升高，如不治疗可导致严重智力障碍枫糖尿症是由支链氨基酸代谢酶缺陷引起，导致支链氨基酸及其代谢物蓄积，影响神经系统发育高半胱氨酸血症与心血管疾病风险增加相关酪氨酸代谢障碍可导致白化病或遗传性酪氨酸血症早期诊断和干预（如饮食控制、药物治疗）对这些疾病的预后至关重要第十一章核苷酸代谢

（一）嘌呤核苷酸的合成途径嘌呤核苷酸的从头合成始于磷酸核糖焦磷酸（），通过一系列酶促反应逐步构建嘌呤环这一过程首先形成肌苷酸（），它是腺苷酸（）和鸟苷酸（）的共同前体整个合成PRPP IMPAMP GMP过程需要消耗大量能量（）和还原力（），并需要多种氨基酸（如谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸）提供氮原子ATP NADPH核苷酸补救合成途径除了从头合成外，细胞还可利用核苷酸分解产生的嘌呤碱基和核苷通过补救途径再合成嘌呤核苷酸这条途径比从头合成更为经济高效，涉及的关键酶包括腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（）和次APRT黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（）补救途径在细胞核苷酸平衡中起着重要作用，尤其在快速增殖细胞中更为活跃-HGPRT嘌呤核苷酸的分解代谢嘌呤核苷酸的分解始于去磷酸化和脱氨基作用，生成肌苷和鸟苷，然后水解为次黄嘌呤和鸟嘌呤次黄嘌呤进一步氧化为黄嘌呤，再氧化为尿酸，后者在人体内是嘌呤代谢的最终产物尿酸在正常下呈离子形式，溶解度有限，高浓度可导致尿酸盐结晶沉积，引发痛风和肾结石大多数哺乳动物可进一步氧化尿酸为更水溶性的尿囊素，但人类因缺乏尿酸氧化酶而无法进行这一步骤pH嘌呤代谢异常与疾病嘌呤代谢紊乱可导致多种疾病综合征是由缺陷引起，表现为高尿酸血症、智力障碍和自伤行为原发性痛风与尿酸代谢异常相关，特征是尿酸盐结晶沉积在关节和组织中Lesch-Nyhan HGPRT引起炎症反应免疫缺陷性疾病如重度联合免疫缺陷症（）可能由腺苷脱氨酶（）缺乏引起，导致脱氧腺苷累积，对淋巴细胞产生毒性作用了解这些疾病的分子机制对开发治疗策略SCID ADAT至关重要第十一章核苷酸代谢

（二）嘧啶核苷酸的生物合成途径与嘌呤不同，先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合合成始于天冬氨酸和碳酸氢盐形成氨基甲酰天冬氨酸，经过一系列反应形成尿苷酸（），UMP后者是胞苷酸（）的前体胸苷酸（）则由脱氧尿苷酸（）经过胸苷酸合成酶催化的甲基化反应形成，这一反应需要亚甲基四氢叶酸提供甲基CMP TMPdUMP N5,N10-和还原力核苷酸代谢的调控机制包括底物水平调控、产物反馈抑制和变构调控等例如，嘌呤合成的第一步（合成酶）受嘌呤核苷酸抑制；嘧啶合成的第一步（天冬氨酸转氨PRPP甲酰酶）受抑制脱氧核苷酸的形成由核糖核苷酸还原酶催化，该酶受多种核苷酸复杂调节，确保合成所需的四种脱氧核苷酸供应平衡核苷酸代谢的调控对细CTP DNA胞分裂和生长至关重要，也是多种抗肿瘤和抗病毒药物的作用靶点，如氟尿嘧啶、甲氨蝶呤等抑制核苷酸合成的关键酶，干扰合成和细胞增殖DNA第十二章核酸的生物合成

（一）复制的分子机制DNA复制是一个半保留式过程，新合成的链中一条链来自原始模板复制始于起始区域的解旋，形成复制泡和复制叉随着复制叉移动，解旋酶持续解开双螺旋，DNA DNA DNA单链结合蛋白稳定暴露的单链区域由于聚合酶只能从向方向合成，两条新链的合成方式不同领先链连续合成，滞后链则以短片段（冈崎片段）不连续合成，后DNA53者需要引物并最终由连接酶连接成连续链RNA DNA聚合酶的类型与功能DNA原核生物中，聚合酶具有聚合酶活性、外切酶活性（校对功能）和外切酶活性（移除引物）；聚合酶是主要复制酶，负责新链合成；DNA I5→33→55→3RNA DNA III聚合酶主要参与修复真核生物拥有多种聚合酶、和参与核复制；、、等参与修复；负责线粒体复制这些聚合酶都需要模板DNAIIDNA DNAαδεDNAβηκDNAγDNA和引物才能工作，无法从头开始合成，因此需要引物酶先合成引物DNARNA复制的精确性与校对机制DNA复制的精确性对遗传信息的准确传递至关重要高保真度通过多种机制实现聚合酶的底物特异性（仅允许互补碱基配对）；聚合酶的外切酶活性能识别并DNA DNA3→5移除错配碱基；复制后的错配修复系统能识别并修正复制过程中遗漏的错误这些机制共同作用，使复制的错误率降至极低（约碱基对），确保遗传信息的稳DNA10^-9/定性复制精确性的降低与多种疾病（如癌症）相关，突显了高保真复制对生命健康的重要性DNA第十二章核酸的生物合成

（二）多个10^4复制起点每日损伤真核细胞染色体含有多个复制起点每个细胞每天约发生的损伤数量DNA5-50修复途径真核细胞拥有的不同修复机制数量DNA真核生物复制具有几个显著特点多起点复制（每个染色体含有多个复制起点，允许同时复制多个区DNA域）；严格的细胞周期调控（复制仅限于期，受周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶控制）；复制许可机制（防S止重复复制）；组蛋白合成与新组装成染色质的协调过程这些特点反映了真核生物基因组的复杂DNA DNA性和精细调控需求损伤是细胞面临的常见挑战，来源包括内源性代谢产物（如活性氧）和外源性因素（如紫外线、化学物DNA质）为应对这些威胁，细胞进化出多种修复机制碱基切除修复处理小型碱基损伤；核苷酸切除修复DNA修复扭曲结构的损伤（如紫外引起的胸腺嘧啶二聚体）；错配修复纠正复制错误；双链断裂修复通过非DNA同源末端连接或同源重组修复断裂的链修复缺陷与多种疾病相关，如色素性干皮症（核苷酸切除DNADNA修复缺陷）和遗传性非息肉性结肠癌（错配修复缺陷）重组是基因重排的重要机制，在免疫多样性生DNA成、减数分裂和基因组稳定性维持中发挥关键作用第十二章核酸的生物合成

（三）转录起始聚合酶结合启动子，解开双链RNA DNA原核生物因子识别和区•σ-10-35真核生物多种转录因子与启动子元件结合•转录延伸聚合酶沿模板链移动，合成RNA RNA从方向合成，无需引物•5→3使用核糖核苷三磷酸作为底物•形成临时的杂合区•DNA-RNA转录终止聚合酶到达终止信号，释放和RNA DNA原核生物依赖或独立终止•Rho真核生物多聚信号和下游元件•A原核生物与真核生物的转录过程存在显著差异在原核生物中，转录和翻译可以同时进行（转译偶联），聚合酶是单一酶，RNA通过因子识别启动子相比之下，真核生物转录在细胞核中进行，与翻译（在细胞质中）空间分离，具有三种聚合酶（、σRNA I和），分别负责合成不同类型的（、和小、）II IIIRNA rRNA mRNA RNA tRNA真核生物转录的复杂性还体现在对启动子的识别和转录调控上聚合酶需要多种通用转录因子（、等）形成RNA IITFIIA TFIIB转录前起始复合物，这一过程还受到增强子、沉默子和转录活化因子抑制因子等顺式和反式作用元件的调控染色质结构修/饰（如组蛋白乙酰化、甲基化）也在转录调控中发挥重要作用，通过改变的可及性影响基因表达这种多层次调控确保了DNA基因表达的组织特异性和时空特异性，对维持细胞功能和发育过程至关重要第十二章核酸的生物合成

（四）前体的加工成熟剪接与可变剪接现象非编码的种类与功能RNA RNA RNA真核生物的转录后要经过一系列加工步剪接是指将内含子从前体中切除，除了经典的编码蛋白质的外，细胞中RNARNARNAmRNA骤才能成熟并发挥功能对于，主要并将外显子连接成成熟的过程这一过还存在大量非编码，它们不翻译成蛋白mRNA RNARNA加工包括端加帽、端多聚腺苷酸化和内程由剪接体（）催化，剪接体是质但参与多种细胞功能主要类型包括转53spliceosome含子剪接加帽发生在转录开始后不久，由小核和蛋白质组成的复合物剪接的运（）和核糖体（），RNARNARNA tRNARNArRNA在端添加甲基鸟嘌呤（）帽子结构，精确性依赖于内含子边界的保守序列（剪参与蛋白质合成；小核（），参57-m7G5RNA snRNA该结构有助于出核、翻译起始，并保接位点、分支点和剪接位点）与剪接；小核仁（），指mRNA3RNARNAsnoRNA护免受核酸酶降解导修饰；微小（）和小干mRNA rRNARNA miRNA可变剪接是指同一前体通过不同方式mRNA扰（），参与基因表达的转录后RNA siRNA多聚腺苷酸化在转录终止后进行，在剪接产生多种成熟的现象，这极大地mRNA mRNA调控端添加约个腺苷酸残基（尾增加了基因组的表达多样性研究估计，人3200poly-A巴），这对稳定性、出核和翻译效率类约的多外显子基因存在可变剪接可长链非编码（）是一类长度超mRNA95%RNA lncRNA都很重要这些加工修饰确保了的功变剪接受组织特异性和发育阶段特异性调控，过个核苷酸的非编码，在染色质修mRNA200RNA能完整性其异常与多种疾病相关饰、转录调控和细胞分化等过程中发挥重要作用近年研究发现，非编码在发育、RNA疾病和进化中的作用远超预期，代表了生命调控的一个重要维度第十三章蛋白质的生物合成

（一）遗传密码的特点与解读的结构与功能特点tRNA遗传密码是将核酸序列信息转换为蛋白质氨转运（）是连接遗传密码和氨基RNAtRNA基酸序列的规则系统它以三联体密码子酸序列的分子适配器呈独特的三叶tRNA（三个连续的核苷酸）为单位，个密码草二级结构和形三级结构，长度约64L75-子编码种氨基酸和终止信号遗传密码个核苷酸其关键结构特征包括接受2090具有几个重要特点简并性（多个密码子可茎（端以序列结束，用于连接氨基3CCA编码同一氨基酸）；无歧义性（每个密码子酸）；反密码环（含有与密码子互mRNA只编码一种氨基酸）；普遍性（大多数生物补配对的反密码子）；环和环（含有D TΨC使用相同密码）；无重叠性（每个核苷酸通修饰核苷酸，参与的稳定和功能）tRNA常只属于一个密码子）；以及无标点符号含有多种修饰核苷酸，这些修饰对其tRNA（密码子之间无分隔标记）结构稳定性和正确功能至关重要氨基酰合成酶的特异性-tRNA氨基酰合成酶（）是将特定氨基酸连接到相应的关键酶，这一过程称为氨基酰-tRNA aaRS tRNA化每种氨基酸都有特定的，这些酶具有高度特异性，能够精确识别正确的氨基酸和aaRS tRNA氨基酰化反应分两步进行首先，氨基酸被活化形成氨基酰；然后，氨基酰基团转移ATP-AMP到的端，形成氨基酰还具有校对功能，能够水解错误连接的氨基酰tRNA3-tRNA aaRS-，这对翻译精确性至关重要tRNA第十三章蛋白质的生物合成

（二）核糖体的结构与功能1核糖体是蛋白质合成的工厂，由和蛋白质组成rRNA蛋白质合成的起始过程涉及起始因子、起始和起始密码子的识别tRNA肽链延长的分子机制3氨基酰进入位，肽键形成，核糖体转位-tRNA A核糖体是蛋白质合成的核心机器，由大、小两个亚基组成原核生物核糖体（）由小亚基和大亚基组成；真核生物核糖体（）则由小亚70S30S50S80S40S基和大亚基组成核糖体含有三个结合位点位（氨基酰位点）、位（肽酰位点）和位（出口位点）肽基转移酶活性位于大60StRNA A-tRNA P-tRNA E亚基，而与小亚基结合，密码子反密码子配对在小亚基上进行mRNA-蛋白质合成起始是翻译的第一步，原核和真核生物存在显著差异原核生物起始需要亚基、、起始（）和三种起始因子（、30S mRNAtRNA fMet-tRNA IF

1、）起始复合物形成后，亚基结合形成完整的起始复合物真核生物起始更为复杂，涉及多种起始因子（）起始密码子（通常是）IF2IF350S70S eIFAUG的识别依赖于其周围序列（如原核生物的序列或真核生物的序列）肽链延长是蛋白质合成的核心过程，包括氨基酰结合位、Shine-Dalgarno Kozak-tRNAA肽键形成和核糖体转位三个主要步骤，由延长因子（如、）协助完成这一循环重复进行，肽链逐渐延长，直到遇到终止密码子EF-Tu EF-G第十三章蛋白质的生物合成

（三）蛋白质合成的终止过程真核生物翻译的特点翻译后蛋白质修饰与成熟当核糖体遇到终止密码子（、或）时，真核生物翻译与原核生物相比有几个显著特点真核多肽链合成后，通常需要经过一系列翻译后修饰才能UAA UAGUGA蛋白质合成进入终止阶段由于没有能识别终通常只含一个翻译单位（单顺反子性），而获得完全功能这些修饰包括端起始甲硫氨酸的tRNA mRNAN止密码子，释放因子（）结合位识别终止密码子原核可含多个（多顺反子性）；真核翻译起切除；特定氨基酸的修饰（如羟基化、甲基化、磷酸RF AmRNA在原核生物中，识别和，识别始复杂，通常从端帽子开始扫描至第一个；化、糖基化）；二硫键的形成；蛋白质前体的蛋白水RF1UAA UAGRF25AUG和，促进和的释放在真核翻译与转录在空间上分离，需要出核才能翻解加工等蛋白质还需要正确折叠获得功能构象，这UAA UGARF3RF1RF2mRNA生物中，和共同完成终止过程释放因子译；翻译受到更复杂的调控，包括多种翻译因子和信一过程常由分子伴侣蛋白协助某些蛋白质需要转运eRF1eRF3触发核糖体大亚基上肽基转移酶中心的构象变化，导号通路参与这些差异反映了真核生物基因表达调控到特定细胞器发挥功能，这涉及靶向信号和转运机制致水分子而非氨基酸与上的肽链形成酯键，从的复杂性和精细化蛋白质修饰和定位的异常与多种疾病相关，如糖基化tRNA而释放新合成的多肽链缺陷导致的先天性糖基化紊乱疾病第十四章物质代谢的相互联系

（一）第十四章物质代谢的相互联系

（二）器官间的代谢协作人体不同器官在代谢上相互协作，形成一个统一的代谢网络肝脏是代谢的中央调控站，负责糖原储存与释放、糖异生、脂质合成、氨的解毒等多种功能肌肉是主要的能量消耗器官，利用葡萄糖和脂肪酸产生能量，同时释放乳酸和丙氨酸供肝脏进行糖异生脂肪组织储存和释放甘油三酯，调节全身能量平衡大脑主要依赖葡萄糖作为能量来源，在长期饥饿时也可利用酮体不同生理状态下的代谢特点不同生理状态下，机体的代谢重点会发生显著变化摄食状态下，以同化代谢为主，胰岛素促进葡萄糖利用和糖原、蛋白质、脂肪合成空腹状态下，以异化代谢为主，胰高血糖素和肾上腺素促进糖原分解和糖异生，维持血糖长期饥饿状态下，为节约蛋白质，机体增加脂肪动员和酮体生成，大脑适应使用酮体作为能源运动状态下，肌肉能量需求增加，初期主要消耗肌糖原和血糖，长时间运动则更多依赖脂肪酸氧化代谢组学与系统生物学代谢组学是研究生物系统中所有代谢物的科学，通过高通量技术如质谱和核磁共振分析样本中的代谢物谱这一方法能够全面评估代谢状态，发现传统生化方法难以检测的代谢改变系统生物学则试图整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，构建计算模型描述整个生物系统的行为这些技术的发展为理解复杂代谢网络、揭示疾病机制和开发精准医疗策略提供了新方法第十四章代谢调节控制

（一）代谢调控的基本原理代谢调控是指生物体通过调节代谢途径的速率，使物质和能量转换与机体需求相匹配的过程代谢调控的基本原理包括调控的经济性（主要调控少数关键步骤而非整个途径）；多层次控制（从基因表达到酶活性的多层面调控）；反馈调节（产物抑制其合成，底物激活其代谢）；以及前馈调节（对即将发生的代谢变化提前作出调整）酶活性调节的分子机制酶活性调节是代谢控制的快速响应机制，主要通过以下方式实现变构调节（效应物结合引起酶构象变化，影响活性）；共价修饰（如磷酸化、乙酰化等可逆性修饰）；蛋白质间相互作用（通过与调节蛋白结合改变酶活性）；以及蛋白质水解和降解（调控酶的存在量）这些机制共同作用，精确调控酶的催化效率和代谢流量代谢途径关键酶的调控代谢途径中的限速酶（通常是途径中第一个不可逆反应的催化酶）是调控的主要靶点例如，糖酵解中的磷酸果糖激酶受抑制和激活；糖原合成中的糖ATP AMP原合成酶受葡萄糖磷酸激活和磷酸化抑制；脂肪酸合成中的乙酰羧化酶-6-CoA受柠檬酸激活和长链脂肪酰抑制这种精确调控确保了代谢途径的活性与细CoA胞能量状态和底物供应的协调第十四章代谢调节控制

（二）激素调节代谢的分子机理1激素通过与特定受体结合传递信号，调控代谢活动细胞信号转导与代谢调控多级级联反应将激素信号放大并传递至代谢酶基因表达水平的代谢调控通过转录和翻译调控改变代谢酶的合成速率激素是全身代谢调控的重要介质，不同激素作用于特定靶组织调节代谢活动胰岛素是主要的同化激素，促进葡萄糖摄取和利用、糖原和脂肪合成，同时抑制分解代谢胰高血糖素和肾上腺素则是分解代谢激素，促进糖原分解、糖异生和脂肪动员激素通过与细胞表面或胞内受体结合，触发信号转导级联反应，最终调控代谢酶的活性或表达细胞信号转导是连接激素作用和代谢响应的桥梁例如，胰岛素结合其受体后，激活受体酪氨酸激酶活性，通过通路传递信号，最终导IRS-PI3K-PKB/Akt致葡萄糖转运体转位到细胞膜，增加葡萄糖摄取胰高血糖素和肾上腺素则通过蛋白偶联受体腺苷酸环化酶通路，激活糖原磷酸化酶，GLUT4G--cAMP-PKA促进糖原分解这些信号通路的交叉和整合使代谢调控更加精细和灵活在基因表达水平，代谢调控通过转录因子（如、和等）调控SREBP ChREBPPPARs代谢酶基因的转录，这一机制较酶活性调控反应更慢，但效应更持久，适合长期代谢适应这三种调控机制协同作用，确保代谢活动与机体生理需求精确匹配生物化学实验技术

（一）生化实验基本操作技术2蛋白质定量的方法原理生物化学研究离不开各种基本实验技术和蛋白质定量是生化研究中的常规操作，主仪器操作溶液配制是最基础的技能，包要方法包括紫外吸收法（，基280nm括浓度计算、调节和缓冲液制备离于蛋白质中芳香氨基酸的吸收）；pH心技术用于分离不同密度或大小的生物分法（考马斯亮蓝与蛋Bradford G-250子和细胞组分，常用设备包括台式离心机、白质结合后吸收峰从移至465nm超速离心机和密度梯度离心微量移液技）；法（蛋白质与反595nm BCACu2+术是进行精确定量操作的基础，要求操作应后生成，与形成紫色复合物）；Cu+BCA者掌握不同类型移液器的使用方法和技巧法（蛋白质与试剂反应产生Lowry Folin这些基本技术是进行复杂生化实验的前提，蓝色）不同方法适用于不同样品类型和需要通过反复实践掌握浓度范围，选择时需考虑灵敏度、特异性、样品相容性和干扰因素等3电泳技术在生化研究中的应用电泳是基于带电分子在电场中移动速率差异进行分离的技术聚丙烯酰胺凝胶电泳（）PAGE广泛用于蛋白质分析，可分为变性（，根据分子量分离）和非变性（根据电荷和SDS-PAGE形状分离）两种琼脂糖凝胶电泳主要用于和分析二维电泳结合等电聚焦和DNARNA，可高分辨率分离复杂蛋白混合物毛细管电泳具有高效、快速、样品消耗少等SDS-PAGE优点电泳后的检测方法包括考马斯亮蓝染色、银染、荧光标记和免疫印迹等，可根据研究需求选择生物化学实验技术

（二）色谱技术的原理与应用核酸提取与纯化方法酶活性测定的基本方法色谱技术是基于不同物质在固定相和流动相中核酸提取是分子生物学研究的基础步骤，通常酶活性测定是研究酶特性和生物化学过程的重分配系数不同而进行分离的方法根据原理和包括样品裂解、去除蛋白质和其他杂质、核酸要手段基本原理是测量单位时间内底物消耗操作方式，主要包括薄层色谱（），简沉淀和溶解几个步骤提取常用方法包括或产物生成的速率常用方法包括分光光度TLC DNA便快捷，适用于初步分析；柱色谱，包括吸附、酚氯仿抽提法，利用有机溶剂去除蛋白质；硅法，基于反应物或产物的吸光度变化；荧光法，-分配、离子交换、分子筛和亲和色谱等，适用胶吸附法，基于核酸在高盐条件下特异性结合利用荧光底物或产物提高灵敏度；放射性同位于各类生物分子的分离纯化；高效液相色谱硅胶的原理；磁珠法，利用功能化磁珠特异性素标记法，通过检测放射性底物或产物实现高（），具有高分离效率和灵敏度，广泛结合核酸提取需要额外防止污染，灵敏度检测；电化学方法，检测反应涉及的电HPLC RNARNase用于代谢物、药物和生物分子分析；气相色谱常用试剂如子转移TRIzol（），适用于分析挥发性或可衍生化为挥发GC核酸纯化后，通常需要进行浓度和纯度测定，酶活性测定需要严格控制反应条件，如温度、性的化合物方法包括紫外分光光度法（比、底物浓度和辅因子浓度等酶活性单位定A260/A280pH这些色谱技术在生化研究中的应用十分广泛，值）、荧光定量法（如和义为在特定条件下每分钟转化微摩尔底物所需PicoGreen1从分离纯化蛋白质、核酸等大分子，到分析氨）和琼脂糖凝胶电泳检测纯化的的酶量比活性（单位蛋白质量的酶活性）是RiboGreen基酸、脂肪酸等小分子，都离不开色谱技术的核酸可用于扩增、克隆、测序、基因表达衡量酶纯度的重要指标酶动力学参数（如PCR支持现代生化研究常将色谱技术与质谱、核分析等下游应用高质量的核酸提取是确保实、）的测定需要在一系列底物浓度下Km Vmax磁共振等分析方法联用，实现更高灵敏度和特验成功的关键因素测量初速度，并通过线性化方法（如异性的分析作图）或非线性回归分析Lineweaver-Burk获得生物化学与疾病肿瘤的生物化学特征肿瘤细胞展现出独特的代谢特征，最著名的是效Warburg应即使在有氧条件下也主要依赖糖酵解产生能量这——种代谢重编程涉及多种机制，包括癌基因和抑癌基因突变导致的代谢酶表达改变；低氧诱导因子激活；以及肿瘤HIF生物化学指标在疾病诊断中的应用微环境对代谢的影响肿瘤细胞还表现出脂质代谢改变、谷遗传代谢病的生化基础氨酰胺依赖性增加和一碳代谢重编程等特征这些独特的代生物化学指标是疾病诊断和监测的重要工具血清酶学检测遗传代谢病是由代谢酶或转运蛋白基因突变导致的一组疾病，谢特性不仅支持肿瘤细胞的生长需求，也成为靶向治疗的潜如转氨酶（ALT、AST）、乳酸脱氢酶（LDH）和肌酸激通常表现为特定代谢物的累积或缺乏例如，苯丙酮尿症由在靶点酶（CK）用于评估器官损伤；血糖、糖化血红蛋白和胰岛苯丙氨酸羟化酶缺陷引起，导致苯丙氨酸及其代谢物累积，素水平用于糖尿病诊断和监测；血脂谱（胆固醇、甘油三酯、影响神经系统发育；糖原贮积病由糖原代谢相关酶缺陷引起，脂蛋白）用于评估心血管疾病风险；肿瘤标志物如前列腺特表现为不同组织糖原异常积累；脂肪酸氧化缺陷病影响能量异性抗原（）、癌胚抗原（）用于肿瘤早期发现PSA CEA产生，可导致低血糖和心肌病这些疾病的生化基础理解对和治疗监测现代临床生化检测已发展出自动化、高通量技早期诊断和治疗至关重要术，大大提高了诊断效率和准确性1生物化学的前沿进展蛋白质组学是研究生物体中所有蛋白质及其相互作用的学科，已从初期的二维电泳质谱鉴定发展为更高通量、更高覆盖度的技术平台现代蛋白质-组学主要基于液相色谱串联质谱联用技术，结合稳定同位素标记（如、）实现定量分析蛋白质翻译后修饰组学、蛋白质相互作用-iTRAQ SILAC组学和蛋白质结构组学等分支领域正迅速发展，为理解蛋白质功能和调控网络提供全新视角基因组学和转录组学技术也取得了飞跃性进展，下一代测序技术大幅降低了测序成本，使全基因组和转录组分析成为常规单细胞测序技术能够分析单个细胞的基因表达谱，揭示细胞异质性；空间转录组学则将基因表达信息与组织空间位置关联，为理解组织功能提供新维度代谢组学通过高分辨质谱和核磁共振技术分析生物样本中的代谢物谱，反映机体代谢状态系统生物学则整合多组学数据，结合数学模型和计算模拟，构建生物系统的整体性认识，预测系统行为并指导实验设计这些前沿技术的发展正推动生物化学从还原论向整体论转变，为疾病机制研究和精准医疗提供强大支持总结与展望生物化学的核心概念回顾通过本课程，我们系统学习了生物分子的结构与功能、代谢途径的组织与调控、遗传信息的传递与表达等生物化学核心概念这些知识构成了理解生命本质的分子基础，揭示了生命活动的化学本质生物化学的核心理念强调结构决定功能、能量转换的重要性以及代谢网络的整体性和协调性，这些概念贯穿于从分子到细胞、组织、器官乃至整个生物体的各个层面生物化学在生命科学中的地位生物化学是现代生命科学的基石，连接物理、化学与生物学，为分子生物学、细胞生物学、遗传学等学科提供理论基础它不仅是理解生命现象的关键，也是医学、药学、农业和生物技术等应用领域的重要支撑生物化学的方法和概念已渗透到几乎所有生命科学研究领域，推动了从基础研究到临床应用的转化生物化学的跨学科特性使其成为促进不同学科交叉融合的桥梁3生物化学的未来发展方向生物化学未来发展呈现出几个明显趋势技术驱动的高通量研究，如多组学技术整合，实现对生物系统的全景式分析；单分子和单细胞水平的精细研究，揭示分子机器的工作机制和细胞异质性；计算生物学与人工智能的深度应用，用于预测生物分子结构、功能和相互作用；合成生物学发展，实现人工设计和改造生物系统；生物化学与医学的深度融合，推动精准医疗和个体化治疗这些发展方向将进一步拓展我们对生命本质的理解，并为解决人类健康、能源和环境等重大挑战提供新思路。