《生物化学下期复习》课件

《生物化学下期复习》欢迎各位同学参加生物化学下期复习课程！本课程将系统地回顾生物化学的核心概念，包括蛋白质、核酸、糖类、脂类的结构与功能，以及各种代谢途径的详细讲解生物化学是理解生命本质的关键学科，它揭示了分子水平上生命活动的奥秘通过本次复习，我们将巩固重要知识点，厘清复杂的代谢网络，为大家的期末考试做好充分准备希望这套复习材料能够帮助大家系统梳理知识体系，加深对生物化学原理的理解，顺利完成学业目标让我们一起探索生命的分子奥秘！课程概述复习范围与学习目标本学期将覆盖生物大分子结构与各主要代谢途径，目标是掌握关键反应机制和基本概念与重要性调控网络生物化学是研究生物体内化学物质组成、结构和生物化学反应的科学，是理考试重点与难点解生命活动本质的基础学科重点关注代谢途径的关键酶、能量计算和调控机制，难点在于代谢整合与各途径间的联系本学期生物化学课程涵盖了从蛋白质结构到代谢网络的全面内容我们将深入分析生物大分子的结构与功能关系，了解它们如何在细胞中协同工作通过系统学习各种代谢途径，理解生物体如何实现能量转换和物质转化第一部分蛋白质化学四级结构多个多肽链的空间排列三级结构多肽链的三维折叠构象二级结构局部规则排列如α-螺旋和β-折叠一级结构氨基酸的线性序列蛋白质是生命活动的主要承担者，由20种氨基酸通过肽键连接而成不同氨基酸的理化性质各异，它们在蛋白质中的排列顺序决定了蛋白质的结构和功能蛋白质结构具有层次性，从一级结构的氨基酸序列到复杂的四级结构，每一层次都对蛋白质的功能有着重要影响蛋白质可执行多种功能，包括催化、运输、防御、调节、结构支持等了解蛋白质的结构与功能关系，对理解生命过程和疾病机制至关重要氨基酸的化学性质标准氨基酸分类根据侧链性质可分为非极性、极性非带电、酸性和碱性四大类，共20种标准氨基酸构成蛋白质基本单元两性离子特性氨基酸含有氨基和羧基，在水溶液中形成两性离子，既能接受也能释放质子，表现出两性电解质特性等电点与解离常数等电点是氨基酸带净电荷为零时的pH值，不同氨基酸因侧链基团不同而具有不同的pKa值和等电点氨基酸的化学反应氨基酸可发生脱羧、脱氨基、转氨基等反应，这些反应在生物体内氨基酸代谢中起关键作用氨基酸是蛋白质的基本构建单位，它们的化学性质直接影响蛋白质的结构和功能不同氨基酸侧链的特性，如极性、电荷、尺寸和疏水性，决定了它们在蛋白质折叠过程中的相互作用和空间位置理解氨基酸的基本性质，对解释蛋白质的结构稳定性和生物功能至关重要蛋白质的一级结构肽键形成氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，具有平面性和部分双键特性命名规则多肽链按照从N端到C端顺序命名，N端为游离氨基，C端为游离羧基测定方法通过依次切断末端氨基酸或使用质谱技术确定氨基酸序列序列功能关系-氨基酸序列决定蛋白质高级结构和功能，同源蛋白序列具有高度保守性蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的线性排列顺序肽键是连接相邻氨基酸的共价键，由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基之间通过脱水缩合形成肽键具有平面性和部分双键特性，这限制了多肽链的旋转自由度测定蛋白质一级结构的方法包括埃德曼降解法和质谱分析等蛋白质的一级结构决定了其折叠方式和最终的三维结构，因此对蛋白质功能至关重要同一功能的蛋白质在不同物种中往往具有相似的氨基酸序列，特别是功能区域的序列通常高度保守蛋白质的二级结构螺旋结构折叠结构α-β-螺旋是最常见的二级结构之一，呈右手螺旋状，每个氨基酸折叠由伸展的多肽链段通过氢键连接形成，可分为平行和反平α-β-残基旋转，每个残基完成一圈行两种类型100°

3.6螺旋结构主要通过肽链主链上的氢键稳定，每个肽键的与前在折叠中，相邻肽链的和之间形成氢键，侧链基团交NHβ-NH C=O面第四个肽键的形成氢键，侧链基团位于螺旋外侧替位于折叠片层的两侧C=O富含丙氨酸、谷氨酸和亮氨酸的区域易形成螺旋，而脯氨酸含有大量缬氨酸和异亮氨酸的区域容易形成折叠结构，这种结α-β-会破坏螺旋结构构常见于结构蛋白中蛋白质二级结构的检测方法主要包括圆二色谱（）和傅里叶变换红外光谱（）螺旋和折叠在远紫外谱上表现出特征CD FTIRα-β-CD性峰现代计算机算法可根据氨基酸序列预测蛋白质的二级结构，但预测准确率受多种因素影响二级结构元件是蛋白质折叠的基本单位，它们的排列和组合形成了复杂多样的蛋白质三维结构了解蛋白质二级结构对理解蛋白质的稳定性和功能具有重要意义蛋白质的三级结构蛋白质折叠驱动力疏水相互作用蛋白质折叠主要受熵变和焓变共同驱动，疏水氨基酸侧链倾向于聚集在蛋白质内形成紧密的三维结构可最小化体系的自由部，远离水环境，这是蛋白质折叠的主要能折叠过程遵循漏斗理论，通过多种驱动力疏水核心的形成显著增加了蛋白中间状态最终达到稳定构象质的稳定性，对维持三级结构至关重要多种化学键作用氢键、离子键、范德华力和二硫键共同维持蛋白质的三级结构二硫键是由两个半胱氨酸之间形成的共价键，对某些蛋白质的稳定性尤为重要蛋白质的三级结构是指整个多肽链折叠成的紧密三维结构蛋白质在水溶液中折叠时，疏水氨基酸侧链趋向于聚集在分子内部形成疏水核心，而亲水基团则分布在表面与水分子相互作用这种安排最大限度地降低了体系的自由能蛋白质的三级结构直接决定其功能例如，酶的活性中心由特定的氨基酸侧链以特定的空间排列形成，这种排列使酶能够特异性地识别和催化底物蛋白质三级结构的测定主要依靠X射线晶体学和核磁共振等技术蛋白质的四级结构亚基概念稳定因素四级结构是由多条多肽链（亚基）通过非共亚基之间主要通过疏水相互作用、氢键、盐价键相互作用形成的空间排列桥和范德华力结合亚基可以完全相同（同源寡聚体）或不同这些相互作用虽然单个较弱，但数量众多，（异源寡聚体）共同提供结构稳定性变构效应血红蛋白案例一个亚基的构象变化可影响其他亚基，产生由两个亚基和两个亚基组成的四聚体αβ协同效应展示了协同氧合作用，结构变化影响氧气结允许蛋白质对环境变化做出精确调节反应合能力蛋白质的四级结构为多聚体蛋白提供了独特的调节机制变构蛋白可以通过亚基间相互作用的改变来调节其活性，这种机制在代谢调控中非常重要例如，血红蛋白中的氧合作用使其能够在肺部高效结合氧气，并在组织中有效释放氧气四级结构的研究通常需要结合多种技术，包括射线晶体学、低温电子显微镜和分析超速离心等了解蛋白质四级结构对理解复杂生物过程和开发治X疗策略具有重要意义蛋白质结构与功能关系1基本原理蛋白质的三维结构直接决定其生物学功能，这是分子生物学的核心原则特定的氨基酸序列引导蛋白质折叠成特定构象，形成具有特定功能的结构域功能蛋白特点酶的活性中心由精确排列的氨基酸残基组成，形成特异性结合口袋；膜蛋白具有两亲性结构，疏水区嵌入膜中；抗体的可变区形成抗原结合位点，实现精确识别变性与复性蛋白质在极端pH、高温或变性剂作用下失去高级结构，活性丧失某些蛋白质在适宜条件下可自发复性，证明一级结构包含全部折叠信息错误折叠与疾病蛋白质错误折叠可导致严重疾病，如阿尔茨海默病（β-淀粉样蛋白沉积）、帕金森病（α-突触核蛋白聚集）和朊病毒疾病（朊蛋白错误折叠）蛋白质结构与功能的关系是分子生物学研究的核心通过结构生物学和功能研究的结合，科学家们可以理解蛋白质如何执行其特定功能，并设计针对特定蛋白质的药物蛋白质工程学利用这种关系，通过定向突变改变蛋白质结构，创造具有新功能或改良性能的蛋白质第二部分核酸化学核酸基本组成核酸类型与特点核酸是由核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的生物大分子，是遗传（脱氧核糖核酸）使用脱氧核糖作为糖基，含有腺嘌呤DNA信息的载体每个核苷酸由三部分组成含氮碱基、五碳糖和磷、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶四种碱基，通常以双A G C T酸基团螺旋形式存在和是两种主要核酸类型，它们在结构和功能上有显著（核糖核酸）使用核糖作为糖基，含有、、和尿嘧DNA RNARNA A GC差异理解核酸的化学组成对理解遗传信息的储存和表达至关重啶四种碱基，通常为单链结构，但可形成复杂的二级结构U要有多种类型，包括、和等，各自执行不RNA mRNA tRNA rRNA同功能核酸是生命的信息分子，存储遗传信息，参与遗传信息的表达核苷酸不仅是核酸的基本单位，还参与多种生物化学反应，DNA RNA如作为能量载体，作为第二信使等核酸研究是现代分子生物学和生物技术的基础，对疾病诊断、基因治疗和生物技术发ATP cAMP展具有重要意义核苷酸的结构与命名碱基结构1嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤）和嘧啶（胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶）A GC TU核苷形成2碱基与戊糖（脱氧核糖或核糖）形成糖苷键N-核苷酸组成核苷加上一个或多个磷酸基团形成核苷酸核苷酸是核酸的基本构建单位，由三个组分构成含氮碱基、五碳糖和磷酸基团碱基分为两类嘌呤（双环结构）和嘧啶（单环结构）嘌呤包括腺嘌呤和鸟嘌呤，嘧啶包括胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶仅存在于中，而仅存在于中AGC TU TDNA URNA核苷酸的命名遵循一定规则首先指明碱基名称，然后是糖类型（脱氧核糖或核糖），最后是磷酸数量例如，腺苷一磷酸、鸟苷三磷酸AMP等核苷酸除了作为核酸组分外，还有多种重要功能，如是细胞能量货币，是重要的第二信使，辅酶和参与氧化还原反GTP ATPcAMP NAD+FAD应的结构特点DNA双螺旋结构模型DNA通常以双螺旋形式存在，由两条多核苷酸链通过碱基间的氢键相互连接双螺旋有一个宽沟和一个窄沟，这为特定蛋白质与DNA相互作用提供了位点碱基配对原则遵循Watson-Crick碱基配对规则A总是与T配对（通过两个氢键），G总是与C配对（通过三个氢键）这种特异性配对确保了遗传信息的准确复制和表达构象多样性DNADNA可以存在于不同构象中，最常见的是B型DNA（右手螺旋，10个碱基对每圈）A型DNA在脱水条件下形成（11个碱基对每圈），而Z型DNA是左手螺旋（12个碱基对每圈）超螺旋与拓扑异构环状DNA可形成超螺旋结构，有正超螺旋和负超螺旋两种拓扑异构酶能够改变DNA的超螺旋状态，对DNA复制、转录等过程至关重要DNA的双螺旋结构是分子生物学的基础双链DNA中的两条链方向相反（一条5→3，另一条3→5），这种反平行排列对DNA复制具有重要意义DNA的结构稳定性受多种因素影响，包括碱基堆积相互作用、氢键以及溶液环境等的类型与结构RNA信使RNA mRNA携带从DNA到核糖体的遗传信息，指导蛋白质合成具有5帽子结构、编码区和3多聚A尾巴，这些结构对mRNA的稳定性和翻译效率至关重要转运RNAtRNA负责将氨基酸携带到核糖体呈独特的三叶草结构，具有反密码子环（识别mRNA密码子）和氨基酸接受臂（连接特定氨基酸）核糖体RNA rRNA与蛋白质一起构成核糖体的主要成分具有复杂的二级和三级结构，在蛋白质合成中起催化和结构支架作用非编码RNA包括miRNA、siRNA、lncRNA等，参与基因表达调控通过与靶标RNA结合或招募蛋白质复合物发挥作用，在发育和疾病中具有重要意义与DNA不同，RNA通常为单链结构，但常通过分子内碱基配对形成复杂的二级结构，如茎环、假结等RNA中的核糖2位羟基使其比DNA更不稳定，但同时赋予RNA更多功能潜力，如催化活性RNA在生命过程中扮演多种角色，不仅是遗传信息的中间载体，还参与基因表达调控、蛋白质合成及细胞分化等过程近年来，众多非编码RNA的发现彻底改变了人们对RNA功能的认识，揭示了RNA世界的复杂性核酸的理化性质紫外吸收特性变性与复性核酸在260nm处有最大吸收峰，这一特性双链核酸在高温、极端pH或变性剂作用下会可用于核酸浓度测定和纯度分析当DNA变解旋为单链，称为变性或熔解不同序列的性时，由于碱基堆积减少，吸光度增加约DNA具有不同的熔点，GC含量越高，熔点40%，这种现象称为增色效应紫外吸越高在适当条件下，互补单链可重新结合收也是监测核酸杂交和核酸-蛋白质相互作形成双链，称为复性或退火，这是PCR和杂用的重要工具交技术的基础杂交技术基于互补核酸链特异性配对原理，可用于检测特定序列存在Southern印迹法检测DNA序列，Northern印迹法检测RNA表达，荧光原位杂交FISH可直接在细胞或组织中定位特定核酸序列核酸的分离与纯化是分子生物学研究的基础常见方法包括酚-氯仿抽提、层析分离、密度梯度离心和电泳技术等PCR技术可特异性扩增微量核酸序列，成为分子生物学不可或缺的工具核酸的理化性质不仅是分子生物学研究的基础，也为核酸技术的发展提供了理论依据基于核酸特性的各种技术，如基因克隆、基因测序、基因编辑等，极大推动了生命科学的进步和疾病诊断治疗的发展第三部分糖类化学多糖由多个单糖单元连接形成的大分子寡糖个单糖单元连接形成的化合物2-10单糖最简单的糖类，不能水解为更小的糖单元糖类是生物体中最丰富的有机物之一，主要由碳、氢、氧组成，一般符合分子式糖类在生物体中发挥多种重要功能作为能量来源和储存形式CH₂On（如葡萄糖和糖原）；提供结构支持（如纤维素和几丁质）；参与细胞识别和免疫反应（如糖蛋白和糖脂）；作为核酸组分（如核糖和脱氧核糖）单糖是最基本的糖类单位，不能水解为更简单的糖根据羰基位置，单糖可分为醛糖（如葡萄糖）和酮糖（如果糖）根据碳原子数量，可分为三碳糖、五碳糖、六碳糖等寡糖由少数几个单糖通过糖苷键连接而成，如蔗糖、乳糖和麦芽糖多糖是由大量单糖单元组成的高分子，如淀粉、纤维素和糖原单糖的结构与性质1开链结构单糖在水溶液中少量以开链形式存在，含有醛基（醛糖）或酮基（酮糖）葡萄糖是醛己糖，果糖是酮己糖，核糖是醛戊糖2环状结构大部分单糖以环状形式存在，通过羟基与醛基或酮基之间的分子内反应形成六碳糖通常形成六元环（吡喃型），五碳糖常形成五元环（呋喃型）3和构型αβ环化时形成新的手性中心（异头碳），羟基可位于环平面上方（β构型）或下方（α构型）这两种构型在化学性质和生物活性上有显著差异当单糖在水溶液中成环时，羟基和羰基发生分子内反应，形成半缩醛或半缩酮结构这一过程产生新的手性中心，导致α和β两种构型这两种异构体在溶液中可以相互转化，称为变旋现象这解释了为什么新溶解的葡萄糖溶液的旋光度会随时间变化，直到达到平衡单糖具有多种化学反应活性还原性糖（如葡萄糖）可还原铜离子，这是班奈迪特试验和斐林试验的基础单糖可与氨基化合物发生美拉德反应，形成褐色产物，这在食品烹饪和储存中很重要糖的羟基可被氧化形成糖酸，或被还原形成糖醇这些反应在体内糖代谢和食品工业中都有重要应用寡糖与多糖蔗糖结构纤维素结构糖原结构蔗糖由葡萄糖和果糖通过α-1,2-糖苷键连接，是一种纤维素是由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖长链，这种连糖原是动物体内主要的碳水化合物储存形式，由α-非还原性二糖因为没有自由的半缩醛基团，蔗糖不接使纤维素分子呈直链状排列，形成坚韧的纤维结1,4-和α-1,6-糖苷键连接的葡萄糖构成高度分支的能发生开环，因此不具有还原性，不能与斐林试剂反构由于这种结构特性，大多数动物无法消化纤维结构使糖原可以快速合成和降解，适合作为能量储备应素物质寡糖是由2-10个单糖通过糖苷键连接形成的化合物常见的二糖包括麦芽糖（两个葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接）、乳糖（葡萄糖和半乳糖通过β-1,4-糖苷键连接）和蔗糖（葡萄糖和果糖通过α-1,2-糖苷键连接）多糖是由大量单糖单元组成的高分子化合物植物淀粉由直链淀粉（α-1,4-连接）和支链淀粉（含α-1,6-分支）组成糖原是动物体内主要的储能物质，结构类似支链淀粉但分支更多纤维素是植物细胞壁的主要成分，由β-1,4-连接的葡萄糖链组成，这种连接方式使纤维素形成直链结构，具有很高的强度糖蛋白与糖脂糖基化的生物学意义连接与连接糖基化N-O-糖基化是蛋白质和脂质翻译后修饰的重要形式，对于细胞间识连接糖基化发生在蛋白质中的天冬酰胺残基上，常见于序列N-别、信号传导和免疫反应至关重要糖基化异常与多种疾病相中（）这种糖基化在内质网中开始，Asn-X-Ser/Thr X≠Pro关，包括先天性糖基化缺陷、癌症和自身免疫疾病在高尔基体中完成，对蛋白质折叠和稳定性至关重要糖链的多样性为细胞提供了独特的身份标识，使细胞能够相连接糖基化发生在丝氨酸或苏氨酸残基的羟基上，主要在高O-互识别并与环境相互作用血型抗原就是糖蛋白和糖脂上特定糖尔基体中进行糖基化的糖链通常较短，但结构多样，在黏O-链结构的典型例子蛋白中尤为常见糖蛋白广泛存在于细胞表面和细胞外基质中，参与细胞间识别和免疫反应例如，主要组织相容性复合体分子、抗体和许多受MHC体都是糖蛋白细胞表面的糖蛋白常作为受体，参与激素、生长因子和病原体的识别和结合糖脂是含有糖基部分的脂质，主要分布在细胞膜外层它们参与细胞间识别、信号传导和膜组织的稳定神经节苷脂在神经系统中尤为丰富，参与神经发育和髓鞘形成某些糖脂是病原体入侵的受体，如霍乱毒素结合神经节苷脂糖脂代谢异常与多种溶酶体储GM1存病相关，如病和病Tay-Sachs Gaucher第四部分脂类与生物膜脂肪酸甘油脂长链羧酸，是脂质的基本构建单位甘油骨架与脂肪酸酯化产物，包括甘油三酯和磷脂生物膜固醇类由脂质双分子层和膜蛋白组成的流动镶嵌结构四环结构化合物，如胆固醇，是膜流动性调节剂脂类是一组结构多样但都具有疏水性的生物分子，在生物体中发挥多种重要功能作为能量储存形式，脂肪组织中的甘油三酯储存能量密度是糖原的两倍作为细胞膜的主要成分，磷脂和胆固醇形成选择性通透的屏障，将细胞与环境隔离此外，某些脂类如类固醇激素、前列腺素和脂溶性维生素，还具有调节和信号传导功能生物膜是由脂质双分子层和嵌入其中的蛋白质组成的动态结构脂质双分子层中，脂质分子的亲水头部朝向水相，疏水尾部彼此靠近形成一个疏水内核这种结构不仅提供了物理屏障，还为膜蛋白提供了功能环境膜蛋白可分为整合膜蛋白（跨膜蛋白）和外周膜蛋白，负责物质转运、信号传导、细胞识别等多种功能脂肪酸的结构与分类饱和与不饱和脂肪酸命名与特性饱和脂肪酸碳链中所有碳原子间都是单键，分子呈直链状，如棕榈脂肪酸命名遵循碳原子数双键数的格式，如表示含个:C18:218酸和硬脂酸它们在室温下通常呈固态，主要存碳原子和个双键的脂肪酸对于不饱和脂肪酸，还需指明双键位C16:0C18:02在于动物脂肪中置和构型顺式或反式cis trans不饱和脂肪酸含有一个或多个碳碳双键，根据双键数量分为单不和脂肪酸是根据最后一个双键到甲基末端的距离命名的-ω-3ω-6饱和如油酸和多不饱和脂肪酸如亚油酸和亚麻酸亚麻酸和亚油酸是人体必需脂肪C18:1C18:2α-C18:3,ω-3C18:2,ω-6双键使分子形成弯曲结构，降低了脂肪酸的熔点，在室酸，必须从食物中获取，它们是生物活性脂质如前列腺素和白三烯C18:3温下多呈液态的前体脂肪酸的物理化学性质与其结构密切相关链长越长，疏水性越强；不饱和度越高，熔点越低顺式不饱和脂肪酸的弯曲结构阻碍了分子的紧密堆积，降低了熔点；而反式脂肪酸的结构更接近饱和脂肪酸，熔点较高在生物体内，脂肪酸主要以酯化形式存在于甘油脂、磷脂和蜡质中游离脂肪酸可通过载体蛋白和白蛋白在血液中运输脂肪酸是重要的能量来源，通过氧化分解产生大量不同脂肪酸的饮食比例与心血管健康密切相关，高饱和脂肪酸和反式脂肪酸摄入增加心血管疾β-ATP病风险甘油脂与磷脂甘油三酯由甘油与三个脂肪酸酯化形成，是生物体主要的能量储存形式储存效率高，因为完全无水且高度还原，每克可提供约9千卡能量，是碳水化合物的两倍磷脂含磷酸基团的甘油脂，如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸等具有两亲性特征，是生物膜的主要组成成分，形成脂质双分子层结构鞘脂类以鞘氨醇为骨架的脂质，包括神经鞘磷脂、脑苷脂和神经节苷脂在神经组织中特别丰富，参与神经信号传导和髓鞘形成胆固醇固醇类代表，由四环结构与侧链组成在动物细胞膜中调节流动性，也是类固醇激素和胆汁酸的前体甘油三酯是由甘油与三个脂肪酸通过酯键连接形成的中性脂肪它们是最主要的能量储存形式，主要存储在脂肪组织中甘油三酯可以含有相同或不同的脂肪酸，这影响其物理性质在需要能量时，甘油三酯被脂肪酶水解释放脂肪酸，脂肪酸经血液运输到组织中进行β-氧化产生能量磷脂是细胞膜的主要脂质成分，由甘油、两个脂肪酸、一个磷酸基团和一个变化的头基组成典型的磷脂如磷脂酰胆碱PC、磷脂酰乙醇胺PE和磷脂酰丝氨酸PS磷脂的两亲性特征（亲水头部和疏水尾部）使其能自发形成双分子层结构，这是生物膜的基础不同磷脂的比例影响膜的流动性和曲率，对细胞功能至关重要生物膜的结构与功能流动镶嵌模型膜蛋白的分类与功能膜转运系统生物膜由脂质双分子层和镶嵌其中的蛋白质构成，呈膜蛋白根据与膜的结合方式可分为整合膜蛋白（跨膜生物膜通过多种机制实现物质选择性转运被动扩散现流动性和非对称性脂质分子和膜蛋白可以在膜平蛋白）和外周膜蛋白它们执行多种功能物质转运（顺浓度梯度无能量消耗）、易化扩散（通过通道蛋面内自由扩散，而跨膜运动则受到严格限制这种流（通道蛋白、载体蛋白）、信号传导（受体蛋白）、白或载体蛋白的扩散）、主动转运（逆浓度梯度需消动性对膜功能至关重要，受温度、脂质组成和胆固醇细胞识别（糖蛋白）、细胞连接（黏附蛋白）和催化耗能量）、胞吞和胞吐（大分子或颗粒物的转运）含量影响反应（膜结合酶）生物膜是细胞和细胞器的边界，提供了选择性通透的屏障，维持细胞内环境稳态膜脂双分子层的物理性质受脂质组成强烈影响饱和脂肪酸增加膜的刚性，不饱和脂肪酸增加流动性；胆固醇在高温下限制脂质流动，在低温下防止膜过度刚化，起到缓冲作用膜的不对称性是其重要特征，内外层脂质分布不同外层富含磷脂酰胆碱和鞘磷脂，内层富含磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺这种不对称性对信号传导和细胞识别至关重要膜的流动性和结构完整性对细胞功能至关重要，膜结构异常与多种疾病相关，如囊性纤维化和某些神经退行性疾病第五部分酶化学催化特性酶是生物催化剂，能显著提高反应速率且具高度特异性分类与命名按催化反应类型分为六大类，命名遵循底物酶或功能酶模式--辅助因子许多酶需要辅酶或金属离子辅因子才能发挥完全催化活性酶是具有高效催化能力的生物大分子，主要为蛋白质，少数为（核酶）酶能够显著降低化学反应的活化能，从而加速生物化学反应，使其在RNA生理条件下迅速进行与一般催化剂不同，酶具有极高的特异性，只催化特定底物的特定反应国际酶学委员会将酶分为六大类氧化还原酶（催化氧化还原反应）；转移酶（催化基团转移）；水解酶（催化水解反应）；裂解酶（催化

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4.非水解断裂）；异构酶（催化异构化反应）；连接酶（催化两分子连接伴随水解）酶命名通常遵循底物酶或功能酶的格式，如淀

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6.ATP++粉酶、聚合酶等每种酶都有唯一的编号，由四组数字组成，标识其分类位置DNA EC酶的催化机制基本特点酶催化反应速率提高10⁶-10¹²倍，不改变反应平衡，在温和生理条件下运作，对底物和反应高度特异活性中心酶分子上与底物结合并催化反应的特定区域，由关键氨基酸残基组成，形成特定三维环境催化效率通过多种机制降低活化能提供有利微环境，正确定向底物，诱导契合，共价催化，酸碱催化等酶动力学米氏方程描述酶反应速率与底物浓度关系v=Vmax[S]/Km+[S]，Km反映酶对底物亲和力酶催化反应通常遵循锁钥或更准确的诱导契合模型在诱导契合模型中，酶与底物结合时发生构象变化，使活性中心与底物更好地匹配，从而促进反应进行酶的特异性来源于活性中心的精确三维结构，使其只能与特定底物结合并催化特定反应酶动力学研究酶促反应速率与影响因素的关系米氏常数Km表示达到最大反应速率一半时的底物浓度，是酶与底物亲和力的反映转换数Kcat表示每个酶分子每秒可转化的底物分子数，反映酶的催化效率催化效率常数Kcat/Km是评价酶效率的重要参数，接近扩散限制10⁸-10⁹M⁻¹s⁻¹的酶被认为达到催化完美酶活性的影响因素酶的调节机制变构调节共价修饰效应物与酶的变构位点（非活性中心）结合，引起构象变化，改变活性中心结构和酶的通过磷酸化、糖基化、乙酰化等可逆共价修饰改变酶的活性蛋白激酶催化的磷酸化是催化活性这种调控可以是激活或抑制，允许对酶活性进行快速、可逆的调节最常见的调控方式，在信号转导和代谢调控中发挥关键作用蛋白水解激活基因表达调控某些酶以无活性前体（酶原）形式合成，需要通过特定位点的蛋白水解才能活化这种通过调控酶的合成和降解速率，改变酶的总量，是长期适应环境变化的重要机制包括机制常见于消化酶和血液凝固酶等，防止酶在错误位置或时间发挥作用转录水平、翻译水平和蛋白质稳定性的调控酶活性的精确调控对维持细胞代谢平衡至关重要变构调节是最快速、灵敏的调控机制，允许细胞迅速响应代谢状态变化经典例子是磷酸果糖激酶PFK，它受ATP抑制和AMP激活，根据能量状态调整糖酵解速率多亚基酶通常表现出协同效应，即一个底物分子的结合增强了酶与其他底物分子的亲和力共价修饰提供了更持久的调控机制磷酸化-去磷酸化循环由激酶和磷酸酶催化，在激素响应和细胞信号传导中占据核心地位糖原代谢中的糖原磷酸化酶和糖原合成酶受磷酸化状态严格调控，确保糖原合成和分解不会同时进行基因表达调控是最长期的适应机制，如饥饿条件下糖异生酶表达增加，而高血糖状态下胰岛素促进糖酵解酶表达第六部分生物氧化与能量代谢生物氧化高能磷酸键生物体内有控制的氧化过程，将营养物质中的能ATP中～P键水解释放大量能量，驱动生物学过程量转化为ATP合成电子传递ATP利用电子传递产生的质子梯度合成ATP的化学渗氧化还原反应中电子经电子传递链传递给氧，伴透过程随能量释放生物氧化是生物体获取能量的主要方式，本质上是营养物质的电子被逐步传递给氧的过程与直接燃烧不同，生物氧化通过分步骤释放能量，并将大部分能量捕获为ATPATP分子含有两个高能磷酸键，水解时释放约

7.3kcal/mol能量，是细胞内主要能量货币生物氧化过程中，底物分子被氧化，释放的电子首先被NAD+或FAD接受形成NADH或FADH2这些还原型辅酶将电子传递给电子传递链，最终传递给分子氧生成水电子在传递链上流动的过程中释放能量，用于将质子泵出线粒体内膜，形成质子电化学梯度ATP合成酶利用质子回流释放的能量催化ADP和Pi合成ATP，这一过程称为氧化磷酸化生物氧化链与合成ATP复合体INADH脱氢酶，氧化NADH并泵出4H+复合体II琥珀酸脱氢酶，氧化FADH2，不泵出H+复合体III细胞色素c还原酶，泵出4H+复合体IV细胞色素c氧化酶，将电子传给O2并泵出2H+合成酶ATP利用质子回流能量合成ATP线粒体电子传递链由四个主要复合体和两个移动电子载体（辅酶Q和细胞色素c）组成NADH在复合体I被氧化，其电子经辅酶Q传递给复合体III，再经细胞色素c传递给复合体IV，最终还原O2生成H2OFADH2则通过复合体II将电子传入电子传递链在电子传递过程中，复合体I、III和IV利用释放的能量将质子从线粒体基质泵到膜间隙，形成质子梯度质子动力势包括膜两侧的pH梯度和电位差，是氧化磷酸化的直接驱动力ATP合成酶是一个由F0和F1两部分组成的复合体，F0嵌入膜中形成质子通道，F1位于基质侧具有催化活性质子通过F0部分顺梯度流回基质时，引起F0旋转，通过构象变化驱动F1催化ATP合成这一机制被称为化学渗透学说，由Mitchell提出并获得诺贝尔奖每3-4个质子的回流可合成1分子ATP能量代谢的调控

2.85比值比值ATP/ADP ATP/AMP健康细胞中正常值，较低时激活产能途径能量状态敏感指标，激活AMPK调节代谢30-36分子数ATP每分子葡萄糖完全氧化产生的ATP数量细胞能量代谢平衡受到严格调控，ATP/ADP比值是最直接的调控信号当能量消耗增加导致ATP/ADP比值下降时，细胞会激活产能代谢途径（如糖酵解、脂肪酸氧化和氧化磷酸化），同时抑制耗能过程AMP活化蛋白激酶AMPK是能量代谢的主要传感器，当ATP/AMP比值降低时被激活，通过磷酸化多种靶蛋白调节代谢，促进ATP产生并减少ATP消耗氧化磷酸化过程受多种因素调节

（1）呼吸控制ADP浓度限制了氧化磷酸化速率，只有在有ADP存在时质子才能通过ATP合成酶回流；

（2）氧浓度作为最终电子受体，氧对电子传递链至关重要；

（3）底物供应NADH和FADH2的可用性取决于TCA循环和脂肪酸β-氧化的活性；

（4）抑制剂如一氧化碳抑制细胞色素氧化酶，氰化物阻断电子传递线粒体功能障碍与多种疾病相关，包括神经退行性疾病、糖尿病和癌症等第七部分糖代谢糖酵解途径糖异生作用厌氧条件下将葡萄糖分解为丙酮酸的10步反应路径，产生少量ATP和NADH是所从非糖物质（如丙酮酸、乳酸、甘油和某些氨基酸）合成葡萄糖的代谢途径在饥有组织获取能量的基础途径，特别是在氧气供应有限的条件下饿状态下维持血糖水平，主要发生在肝脏和肾脏五碳磷酸戊糖途径糖原代谢产生NADPH和核糖-5-磷酸的替代葡萄糖氧化途径NADPH用于生物合成反应和糖原合成和分解的代谢途径，对维持血糖稳态至关重要肝糖原在两餐之间维持血抗氧化防御，核糖-5-磷酸是核苷酸合成的前体糖水平，肌糖原为肌肉收缩提供能量糖代谢是细胞能量代谢的核心，将葡萄糖等糖类转化为能量和代谢中间产物在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体被氧化为乙酰CoA，进入三羧酸循环（TCA循环）完全氧化，释放大量能量在缺氧条件下，丙酮酸被还原为乳酸，维持NAD+供应以支持糖酵解继续进行不同组织的糖代谢模式不同脑组织主要依赖葡萄糖氧化供能；肌肉可利用葡萄糖和脂肪酸；肝脏作为代谢中心，根据全身需要调节葡萄糖释放和摄取糖代谢的各种途径之间密切协调，确保能量供应与需求平衡，同时提供生物合成所需的前体糖代谢调控异常是糖尿病等代谢疾病的核心特征糖酵解途径第一阶段投资阶段

1.葡萄糖+ATP→葡萄糖-6-磷酸己糖激酶

2.葡萄糖-6-磷酸→果糖-6-磷酸磷酸葡萄糖异构酶

3.果糖-6-磷酸+ATP→果糖-1,6-二磷酸磷酸果糖激酶

4.果糖-1,6-二磷酸→二羟丙酮磷酸+甘油醛-3-磷酸醛缩酶

5.二羟丙酮磷酸→甘油醛-3-磷酸三磷酸异构酶第二阶段回收阶段

6.甘油醛-3-磷酸+NAD++Pi→1,3-二磷酸甘油酸+NADH甘油醛-3-磷酸脱氢酶

7.1,3-二磷酸甘油酸+ADP→3-磷酸甘油酸+ATP磷酸甘油酸激酶

8.3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶

9.2-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸+H2O烯醇化酶

10.磷酸烯醇式丙酮酸+ADP→丙酮酸+ATP丙酮酸激酶糖酵解途径是一系列将葡萄糖转化为丙酮酸的酶促反应，可分为投资阶段和回收阶段在投资阶段，消耗2分子ATP将葡萄糖磷酸化并裂解为两个三碳化合物在回收阶段，这些三碳化合物被进一步氧化和磷酸化，产生4分子ATP和2分子NADH因此，糖酵解的净结果是每分子葡萄糖产生2分子ATP、2分子NADH和2分子丙酮酸糖酵解的关键调控点包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶磷酸果糖激酶是最重要的调控酶，受ATP抑制（高能量状态）和AMP激活（低能量状态）在缺氧条件下，产生的NADH通过乳酸脱氢酶将丙酮酸还原为乳酸，再生NAD+以维持糖酵解持续进行这种方式虽然只能获取葡萄糖中少量能量，但不需要氧气，对于暂时缺氧的组织（如剧烈运动的肌肉）或长期生活在低氧环境的组织（如视网膜、骨髓）至关重要糖有氧氧化与循环TCA柠檬酸合成丙酮酸脱氢乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸+CoA丙酮酸+CoA+NAD+→乙酰CoA+CO2+1NADH异柠檬酸脱氢异柠檬酸+NAD+→α-酮戊二酸+CO2+NADH后续反应琥珀酰CoA→琥珀酸→延胡索酸→苹果酸→草酰α-酮戊二酸脱氢乙酸α-酮戊二酸+CoA+NAD+→琥珀酰CoA+CO2+NADH丙酮酸脱氢酶复合体是连接糖酵解和TCA循环的关键酶，由三种酶和五种辅酶组成，将丙酮酸不可逆地氧化脱羧为乙酰CoA这一复合体受产物（NADH和乙酰CoA）抑制，受底物（NAD+和CoA）激活，还受丙酮酸脱氢酶激酶和磷酸酶的可逆磷酸化调控三羧酸循环（TCA循环，又称柠檬酸循环或克雷布斯循环）是有氧代谢的核心，每转一圈氧化一分子乙酰CoA，产生3分子NADH、1分子FADH

2、1分子GTP和2分子CO2TCA循环不仅是能量产生的途径，也为多种生物合成反应提供中间产物每分子葡萄糖经糖酵解、丙酮酸脱氢和TCA循环完全氧化，可理论上产生38分子ATP（考虑到NADH穿梭和实际P/O比，实际约为30-32分子）TCA循环的关键调控点是柠檬酸合成酶和异柠檬酸脱氢酶，受底物可用性和能量状态调控糖异生作用糖异生与糖酵解的差异能量消耗与调控糖异生作用是糖酵解的逆过程，但不是简单的反向进行糖酵解糖异生是能量消耗过程，每合成一分子葡萄糖需消耗分子6ATP中有三个强放热步骤（己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催和分子主要在肝脏和肾脏进行，是维持血糖稳态的关键2GTP化的反应）在热力学上不可逆，必须通过不同酶催化的旁路机制，尤其在禁食状态下反应克服糖异生受多种因素调控（）底物可用性，如乳酸、丙氨酸、1关键旁路酶包括丙酮酸羧化酶（丙酮酸草酰乙酸）、磷酸烯甘油和谷氨酰胺；（）酶水平，糖皮质激素促进糖异生关键酶→2醇丙酮酸羧激酶（草酰乙酸磷酸烯醇丙酮酸）、果糖二表达；（）激素调控，胰高血糖素激活而胰岛素抑制糖异生；→-1,6-3磷酸酶（果糖二磷酸果糖磷酸）和葡萄糖磷酸酶（）能量状态，低能量促进糖异生相互拮抗的调控确保糖酵-1,6-→-6--6-4（葡萄糖磷酸葡萄糖）解和糖异生不会同时活跃，避免徒劳循环-6-→糖异生的生理意义主要在于维持血糖水平，特别是在禁食或剧烈运动期间大脑和红细胞主要依赖葡萄糖作为能源，而禁食后肝糖原仅能维持约小时的血糖供应，此后必须依靠糖异生乳酸是糖异生的主要底物之一，来源于缺氧组织（如运动中的肌肉）的糖酵24解这形成了葡萄糖乳酸循环（科里循环）肌肉中的葡萄糖通过糖酵解产生乳酸，乳酸在肝脏通过糖异生再次转化为葡萄糖返回血-液糖原代谢糖原合成以UDP-葡萄糖为底物，糖原合成酶催化α-1,4-糖苷键形成，支链酶催化α-1,6-分支形成糖原分解糖原磷酸化酶催化磷酸解生成葡萄糖-1-磷酸，脱支酶处理分支点调控机制通过磷酸化/去磷酸化级联反应响应胰岛素和胰高血糖素信号相关疾病糖原累积病是一组遗传性代谢障碍，由糖原代谢酶缺陷引起糖原是动物体内主要的碳水化合物储存形式，由α-1,4-连接的葡萄糖长链和α-1,6-分支点组成糖原颗粒呈树状结构，分支使糖原更紧密，增加溶解度，并提供多个非还原性末端，便于快速合成和分解肝脏和骨骼肌是糖原储存的主要部位，但功能不同肝糖原主要用于维持全身血糖稳态，而肌糖原仅供肌肉自身能量需求糖原代谢受严格调控，确保在进食后储存过剩葡萄糖，在禁食时释放葡萄糖胰岛素促进糖原合成，抑制糖原分解；胰高血糖素和肾上腺素则相反两条代谢途径的关键酶（糖原合成酶和糖原磷酸化酶）通过磷酸化/去磷酸化在相反方向调控，确保两条途径不会同时活跃糖原累积病是一组遗传性疾病，由糖原代谢酶缺陷导致，表现为不同组织的糖原异常累积或利用障碍，如冯·基尔克病（肝糖原磷酸化酶缺陷）和麦卡德尔病（肌糖原磷酸化酶缺陷）第八部分脂类代谢脂肪酸氧化脂肪酸在线粒体中通过β-氧化途径分解，每个循环切除两个碳原子，产生乙酰CoA、NADH和FADH2，提供大量能量脂肪酸合成在细胞质中由脂肪酸合成酶复合体催化，以乙酰CoA和丙二酰CoA为底物，NADPH提供还原力，逐步延长碳链酮体代谢肝脏将过量乙酰CoA转化为酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮），作为脑等组织的替代能源，尤其在饥饿状态甘油脂与胆固醇代谢甘油脂合成和分解调控脂肪储存与动员，胆固醇合成和代谢对细胞膜功能和类固醇激素合成至关重要脂类代谢是生物体能量平衡的关键组成部分脂肪组织中的甘油三酯是长期能量储存的主要形式，每克提供约9千卡热量，是碳水化合物的两倍多当碳水化合物不足时，脂肪动员释放脂肪酸进入血液，被各组织氧化产生能量脂类代谢与碳水化合物代谢密切相关在能量过剩时，葡萄糖通过糖酵解产生乙酰CoA，用于脂肪酸合成；在能量不足时，脂肪酸氧化产生的乙酰CoA可通过酮体生成为大脑提供能量脂质代谢失调与多种疾病相关，如肥胖、糖尿病、心血管疾病和非酒精性脂肪肝等了解脂类代谢的调控机制对于这些疾病的预防和治疗具有重要意义脂肪酸氧化β-能量产生氧化循环β-以十六碳棕榈酸为例，完全氧化产生分子β-8活化与转运每个β-氧化循环包含四个反应

①脱氢——脂乙酰CoA、7分子FADH2和7分子NADH每脂肪酸首先在细胞质中被脂酰CoA合成酶活化酰CoA脱氢酶催化，生成反式-2-烯酰CoA和分子乙酰CoA通过TCA循环和氧化磷酸化产生为脂酰CoA，消耗1ATP长链脂酰CoA通过FADH2；

②加水——烯酰CoA水合酶催化加10ATP，每分子FADH2产生

1.5ATP，每分子肉碱穿梭系统进入线粒体肉碱脂酰转移酶水生成L-3-羟酰CoA；

③再脱氢——L-3-羟NADH产生

2.5ATP考虑到活化消耗的ICPT I将脂酰基从CoA转移到肉碱上，肉碱酰CoA脱氢酶催化生成3-酮酰CoA和NADH；2ATP，棕榈酸净产生约106ATP，能量效率远转位酶将脂酰肉碱转入线粒体内膜，肉碱脂酰

④断裂——硫解酶催化，3-酮酰CoA与CoA高于葡萄糖转移酶II再将脂酰基转回CoA反应生成乙酰CoA和缩短两个碳原子的脂酰CoA不饱和脂肪酸的氧化需要额外酶辅助当双键位于奇数位置时，正常氧化到含有顺式双键的中间产物后，需要顺式反式异构酶将其转化为常规β-β--的反式中间产物；当双键位于偶数位置时，需要二烯酰还原酶和将双键还原2,4-CoA NADPH奇数碳脂肪酸氧化的最后一轮产生丙酰而非乙酰丙酰经过三步反应转化为琥珀酰进入循环羧化生成甲基丙二酰β-CoA CoA CoA CoA TCA

①；甲基丙二酰经异构化生成琥珀酰，这一步需要辅酶；琥珀酰可进入循环或用于糖异生氧化的主要调控点是CoA

②CoA CoAB12

③CoA TCAβ-，被胰岛素诱导产生的丙二酰抑制，被脂肪动员激素激活CPT ICoA脂肪酸的合成1底物准备乙酰CoA羧化酶ACC催化乙酰CoA羧化生成丙二酰CoA，这是脂肪酸合成的限速步骤三羧酸循环中产生的柠檬酸可通过柠檬酸裂解酶在细胞质中转化为乙酰CoA和草酰乙酸，为脂肪酸合成提供底物2脂肪酸合成酶复合体哺乳动物脂肪酸合成酶FAS是一个多功能酶复合体，包含7个催化域和一个酰基载体蛋白ACP域起始步骤是乙酰转移酶将乙酰基转移至ACP，丙二酰转移酶将丙二酰基转移至β-酮酰合成酶延长循环每个延长循环包含四个反应

①缩合——乙酰-ACP与丙二酰-ACP缩合形成乙酰乙酰-ACP；

②还原——β-酮基还原为β-羟基，消耗NADPH；

③脱水——形成反式双键；

④再还原——双键还原为单键，消耗NADPH每个循环延长两个碳原子，通常进行7轮产生C16棕榈酸进一步修饰棕榈酸可通过脂肪酸延长酶进一步延长，或通过去饱和酶引入双键哺乳动物不能在ω-6和ω-3位引入双键，必需从食物中摄取必需脂肪酸亚油酸和α-亚麻酸脂肪酸合成与分解在多个方面存在差异

①发生部位不同，合成在细胞质中，分解在线粒体中；

②载体不同，合成使用ACP，分解使用CoA；

③延长方向不同，合成从羧基端延长，分解从甲基端缩短；

④氧化还原辅酶不同，合成使用NADPH，分解使用FAD和NAD+；

⑤酶结构不同，合成是多功能酶复合体，分解为分离的酶脂肪酸合成受多种因素调控

①饮食状态，高碳水化合物饮食促进脂肪酸合成；

②激素调控，胰岛素激活而胰高血糖素和肾上腺素抑制合成；

③酶水平调控，ACC是主要调控点，可通过磷酸化失活（AMPK介导）或脱磷酸化激活（胰岛素介导）；

④转录调控，胰岛素和葡萄糖通过SREBP-1c和ChREBP转录因子促进脂肪酸合成酶基因表达这些调控机制确保在能量充足时储存脂肪，能量不足时抑制脂肪合成酮体代谢酮体的生成途径酮体的利用机制酮体合成发生在肝脏线粒体中，尤其在饥饿或糖尿病状态下当脂肪动员增酮体（主要是乙酰乙酸和羟丁酸）可被心脏、肌肉和尤其是脑等组织作β-加而碳水化合物不足时过量的乙酰不能完全被循环氧化，转而为替代能源利用肝脏自身不能利用酮体，因为缺乏关键酶琥珀酰CoA TCACoA:合成酮体乙酰乙酸转移酶CoA SCOT合成途径包括三个主要步骤两分子乙酰在硫解酶作用下缩合为利用过程中，羟丁酸首先氧化为乙酰乙酸，乙酰乙酸在转移酶作用

①CoAβ-CoA乙酰乙酰；乙酰乙酰与第三分子乙酰通过羟基甲基下与琥珀酰反应生成乙酰乙酰和琥珀酸，乙酰乙酰经硫解酶CoA

②CoA CoAβ--β-CoA CoACoA戊二酰合成酶合成酶作用形成；裂解为两分子乙酰进入循环氧化在长期饥饿状态下，脑逐渐适CoA HMG-CoAHMG-CoA

③HMG-CoATCA裂解酶作用生成乙酰乙酸和乙酰；部分乙酰乙酸经羟丁酸应使用酮体，可替代的葡萄糖需求，这是人类适应饥饿的重要机制CoACoA

④β-75%脱氢酶还原为羟丁酸，或自发脱羧为丙酮β-酮症是指血液中酮体水平升高，常见于糖尿病（特别是型糖尿病）、长期饥饿和低碳水化合物饮食状态正常情况下，血液中酮体浓度很低

10.2，而在酮症状态可升至严重酮症可导致酮症酸中毒，是糖尿病的危及生命的并发症酮体具有酸性，高浓度可导致代谢性酸中mmol/L7-25mmol/L毒，表现为恶心、呕吐、腹痛、呼吸急促和意识改变等症状酮体代谢受多种因素调控胰岛素胰高血糖素比值是主要调控因素，胰岛素抑制脂肪动员和酮体合成，胰高血糖素则促进；合成酶活性

①/

②HMG-CoA是酮体合成的限速步骤，其表达受激素和营养状态调控；短期禁食后，血液中羟丁酸乙酰乙酸比值约为，随着禁食延长和酸中毒发展可升至

③β-/3:1适度酮症被认为可能对某些神经系统疾病有益，如癫痫、阿尔茨海默病和帕金森病等，是生酮饮食治疗某些疾病的理论基础8:1胆固醇代谢70%30%11内源性合成比例膳食摄入比例降低胆固醇酶体内胆固醇主要来自肝脏合成饮食摄入的胆固醇总量占比他汀类药物靶点数量胆固醇合成是一个复杂的过程，主要在肝脏进行起始原料是乙酰CoA，经过多步反应形成甲羟戊酸，再经过一系列缩合和修饰反应最终合成胆固醇HMG-CoA还原酶催化HMG-CoA转化为甲羟戊酸，是胆固醇合成的限速步骤和主要调控点他汀类药物通过抑制这一酶来降低胆固醇合成胆固醇合成受多种因素调控

①产物反馈抑制，细胞内胆固醇水平上升抑制HMG-CoA还原酶；

②激素调控，胰岛素促进而胰高血糖素抑制合成；

③转录调控，SREBP转录因子在胆固醇水平低时激活合成基因表达胆固醇在体内主要以脂蛋白形式运输主要脂蛋白包括

①乳糜微粒CM，负责从肠道运输外源性脂质；

②极低密度脂蛋白VLDL，由肝脏合成，运输内源性甘油三酯；

③低密度脂蛋白LDL，VLDL代谢产物，主要载体蛋白为apoB-100，负责向周围组织运送胆固醇；

④高密度脂蛋白HDL，负责从外周组织回收胆固醇到肝脏逆向胆固醇运输胆固醇代谢失调与多种疾病相关，尤其是高LDL胆固醇与动脉粥样硬化和冠心病密切相关，而高HDL胆固醇具有保护作用胆固醇还是胆汁酸和类固醇激素的前体，胆汁酸促进脂质消化吸收并形成肠肝循环第九部分氨基酸代谢氨基酸来源氨基基团代谢膳食蛋白质、组织蛋白质降解和合成转氨基作用、脱氨基作用和尿素循环代谢障碍碳骨架代谢由特定氨基酸代谢酶缺陷导致的遗传性疾病转化为中间代谢物进入能量代谢或生物合成氨基酸代谢涉及两个方面氮原子的代谢和碳骨架的代谢在氮代谢中，氨基酸通过转氨基作用将氨基转移给α-酮酸形成新的氨基酸，常见的受体是α-酮戊二酸形成谷氨酸谷氨酸可进一步脱氨基产生氨，过量的氨通过尿素循环转化为无毒的尿素排出体外氨基酸碳骨架的代谢去向根据其结构不同而异，最终可能转化为乙酰CoA、丙酮酸、TCA循环中间产物等，参与能量代谢或生物合成氨基酸可分为三类

①必需氨基酸，人体不能合成，必须从食物中获取，包括赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、苏氨酸和组氨酸；

②条件性必需氨基酸，在特定生理条件下合成不足，包括精氨酸和半胱氨酸；

③非必需氨基酸，人体可以合成，如丙氨酸、天冬氨酸等一碳单位的转移在氨基酸代谢中起重要作用，特别是甲硫氨酸和叶酸代谢，参与甲基化、嘌呤和嘧啶合成等过程氨基酸的分解与转化转氨基作用转氨基作用是氨基酸代谢的第一步，由转氨酶（又称氨基转移酶）催化，依赖维生素B6（吡哆醛磷酸，PLP）作为辅酶在这一反应中，氨基酸的氨基转移给α-酮酸，生成对应的α-酮酸和新的氨基酸最常见的受体是α-酮戊二酸，形成谷氨酸主要转氨酶包括谷丙转氨酶ALT和谷草转氨酶AST，它们在临床上是重要的肝功能指标脱氨基作用脱氨基作用主要通过谷氨酸脱氢酶催化，将谷氨酸氧化脱氨基生成α-酮戊二酸和氨这一反应可使用NAD+或NADP+作为氧化剂，是可逆的产生的氨毒性较大，必须迅速转化为尿素排出通过转氨基和脱氨基作用的组合，大多数氨基酸的氨基可以转化为氨，而碳骨架则进入各种代谢途径碳骨架代谢氨基酸碳骨架的代谢去向根据其结构不同而异按照最终产物可分为

①糖原性氨基酸，碳骨架可转化为葡萄糖前体（如丙酮酸、草酰乙酸等），包括丙氨酸、天冬氨酸等；

②酮原性氨基酸，碳骨架产生乙酰CoA或乙酰乙酰CoA，不能转化为葡萄糖，包括亮氨酸和赖氨酸；

③既糖原又酮原的氨基酸，如苯丙氨酸和色氨酸等一碳单位代谢在多种生物合成反应中起关键作用主要的一碳单位供体是甲硫氨酸（通过S-腺苷甲硫氨酸，SAM）和四氢叶酸（THF）的衍生物SAM是最重要的甲基供体，参与DNA、蛋白质和磷脂的甲基化THF可携带不同氧化态的一碳单位，参与嘌呤合成、胸腺嘧啶合成和甲硫氨酸再生等过程尿素循环碳酸氢铵合成1线粒体内，碳酸氢铵合成酶催化碳酸氢根与NH4+反应生成碳酸氢铵N-carbamoylphosphate，消耗2分子ATP2鸟氨酸转氨甲酰酶线粒体内，碳酸氢铵与鸟氨酸反应生成瓜氨酸，是尿素循环的第一步精氨酰琥珀酸合成酶3细胞质中，瓜氨酸与天冬氨酸反应形成精氨酰琥珀酸，消耗1分子ATP4精氨酰琥珀酸裂解酶细胞质中，精氨酰琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸精氨酸酶5细胞质中，精氨酸水解为尿素和鸟氨酸，鸟氨酸返回线粒体开始新循环尿素循环是哺乳动物体内排除多余氨的主要途径，主要在肝脏中进行每个循环产生一分子尿素NH2-CO-NH2，含有两个氮原子一个来自碳酸氢铵（最终来源于氨），另一个来自天冬氨酸（通过转氨基作用获得氮）尿素循环与TCA循环有密切联系延胡索酸可转化为TCA循环中间物苹果酸；而天冬氨酸通过转氨基作用与草酰乙酸相连尿素循环消耗大量能量，每合成一分子尿素需要3分子ATP和1分子GTP这种高能耗反映了排除氨毒性的重要性尿素循环的调控主要在转录水平高蛋白饮食增加循环酶的表达，低蛋白饮食则降低尿素循环障碍是一组遗传性疾病，由循环中任一酶缺陷引起，导致氨积累和尿素合成减少症状包括高氨血症、神经系统异常、呕吐、嗜睡甚至昏迷治疗包括限制蛋白质摄入、提供替代排氮途径和补充缺乏酶下游代谢物特殊氨基酸的代谢芳香族氨基酸代谢苯丙氨酸和酪氨酸代谢密切相关苯丙氨酸羟化酶将苯丙氨酸转化为酪氨酸，这一反应需要四氢生物蝶呤BH4作为辅因子此酶缺陷导致苯丙酮尿症，是最常见的氨基酸代谢病之一酪氨酸进一步代谢可形成多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素等神经递质，以及黑色素色氨酸代谢色氨酸代谢有两条主要途径

①色氨酸羟化酶催化生成5-羟色氨酸，进而形成5-羟色胺血清素和褪黑素，这些物质在神经功能和生物节律调节中起重要作用；

②吲哚胺-2,3-双加氧酶催化形成犬尿氨酸，最终产物包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+，是重要的氧化还原辅酶含硫氨基酸代谢甲硫氨酸和半胱氨酸是主要含硫氨基酸甲硫氨酸与ATP反应形成S-腺苷甲硫氨酸SAM，是体内最重要的甲基供体SAM失去甲基后生成S-腺苷高半胱氨酸，进而形成高半胱氨酸，后者可与叶酸代谢产物5-甲基四氢叶酸反应重新生成甲硫氨酸甲硫氨酸循环，或转化为半胱氨酸，后者参与谷胱甘肽合成支链氨基酸BCAA包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，这三种氨基酸的初始代谢步骤相似，均由支链氨基酸氨基转移酶催化形成相应的α-酮酸，然后经支链α-酮酸脱氢酶复合体进一步代谢此复合体缺陷导致枫糖尿症，特征是尿液中排出具有枫糖香味的α-酮酸支链氨基酸是重要的能量来源，尤其在肌肉组织中氨基酸代谢障碍导致多种遗传病，主要包括

①苯丙酮尿症PKU，苯丙氨酸羟化酶缺陷导致苯丙氨酸及其有毒代谢物积累，造成智力障碍；

②高半胱氨酸血症，甲硫氨酸代谢异常导致高半胱氨酸积累，增加血栓形成风险；

③尿素循环障碍，如瓜氨酸血症，由循环酶缺陷导致高氨血症；

④枫糖尿症，支链α-酮酸脱氢酶缺陷导致支链氨基酸代谢产物积累大多数氨基酸代谢病需早期诊断和终身治疗第十部分核苷酸代谢嘌呤核苷酸代谢嘧啶核苷酸代谢嘌呤核苷酸包括腺苷酸和鸟苷酸，是、、嘧啶核苷酸包括尿苷酸、胞苷酸和胸苷酸，也是AMP GMPDNA RNAATP UMPCMP TMP和的重要组分嘌呤环合成从磷酸核糖焦磷酸开始，通过和的基本组分与嘌呤合成不同，嘧啶环先合成，然后再与GTP PRPPDNA RNA一系列酶促反应最终形成肌苷酸，是和的共同前结合形成核苷酸合成始于碳酸氢铵和天冬氨酸反应形成氨甲IMP IMPAMP GMPPRPP N-体酰天冬氨酸嘌呤核苷酸可通过两种途径合成从头合成，完全从简单前体合成嘧啶合成的关键酶是天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢尿嘧啶脱氢酶

①UMP整个嘌呤环；补救合成，利用预先存在的嘌呤碱基或核苷重新合成可进一步转化为和嘧啶核苷酸降解产物包括氨基异丁酸

②CTP dTMPβ-核苷酸，这是一种节能途径嘌呤核苷酸降解的最终产物是尿酸，在人和丙氨酸，最终可完全降解为、和丙氨酸许多抗癌药β-CO2NH3β-类中不能进一步分解，通过肾脏排出和抗病毒药是嘌呤或嘧啶类似物，通过干扰核苷酸代谢发挥作用核苷酸代谢的调控机制精密复杂，确保了核苷酸供应与需求的平衡主要调控点包括产物反馈抑制，如和抑制其各自的合成路径；

①ATP GTP

②变构调节，如核苷和脱氧核苷通过结合合成酶的变构位点抑制合成；基因表达调控，如核苷酸合成酶基因在细胞增殖期上调表达

③核苷酸代谢障碍可导致多种疾病痛风，由于尿酸生成过多或排泄减少导致尿酸盐在关节沉积；综合征，由于次黄嘌呤鸟嘌呤

①②Lesch-Nyhan-磷酸核糖转移酶缺陷导致嘌呤代谢紊乱，表现为高尿酸血症、智力障碍和自伤行为；免疫缺陷病，如腺苷脱氨酶缺乏导致的严重联合免疫缺陷；

③先天性红细胞生成异常性贫血，由于嘧啶核苷酸酶缺乏导致核苷酸在红细胞中积累

④-5-嘌呤核苷酸代谢从头合成以PRPP为起点，逐步构建嘌呤环补救合成回收利用已有嘌呤碱基和核苷降解过程最终产物为尿酸，人体无法进一步分解代谢异常尿酸代谢紊乱导致痛风等疾病嘌呤核苷酸从头合成是一个复杂的多步骤过程，从磷酸核糖焦磷酸PRPP开始，通过10个酶促反应逐步构建嘌呤环，最终形成肌苷酸IMP这一过程能量消耗大，需要6分子ATP关键步骤包括

①谷氨酰胺PRPP氨基转移酶催化第一步，将谷氨酰胺的氨基转移给PRPP；

②甲酰基四氢叶酸提供嘌呤环上的C8和C2位碳原子；

③甘氨酸提供整个嘌呤环的N

7、C

4、C5和N3；

④天冬氨酸提供N1IMP是AMP和GMP的共同前体，转化为AMP需要GTP，转化为GMP需要ATP，这种交叉调节确保两种核苷酸的平衡合成补救合成途径允许细胞重新利用核酸降解产生的嘌呤碱基和核苷，节约能量并减少尿酸产生两个关键酶是

①腺嘌呤磷酸核糖转移酶APRT，催化腺嘌呤与PRPP反应生成AMP；

②次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRT，催化次黄嘌呤和鸟嘌呤与PRPP反应分别生成IMP和GMPHGPRT缺陷导致Lesch-Nyhan综合征，表现为严重的高尿酸血症、智力障碍和自残行为嘌呤核苷酸降解的最终产物是尿酸，高浓度尿酸易在关节和组织中形成结晶，导致痛风痛风与尿酸生成过多（常见于嘌呤摄入过多或代谢异常）或排泄减少（肾功能不全）有关嘧啶核苷酸代谢嘧啶环合成嘧啶合成从碳酸氢铵和天冬氨酸开始，首先形成N-氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸转氨甲酰酶是哺乳动物中的限速酶，由三个功能域组成的多功能蛋白，催化前三步反应经过一系列反应形成尿嘧啶环，然后与PRPP结合形成UMP这一过程中，嘧啶环先合成再与核糖结合，与嘌呤合成不同核苷酸转化UMP是其他嘧啶核苷酸的前体UMP经磷酸化生成UDP和UTP，UTP可通过CTP合成酶转化为CTPdUMP由核糖核苷酸还原酶将UDP还原为dUDP，再经脱磷酸形成胸腺嘧啶酸合成酶催化dUMP甲基化生成dTMP，这一反应需要5,10-亚甲基四氢叶酸作为甲基供体这也是许多抗癌药的作用靶点，如甲氨蝶呤和5-氟尿嘧啶降解与回收嘧啶降解始于核苷酸的去磷酸化和核苷的水解，释放嘧啶碱基尿嘧啶和胸腺嘧啶首先被还原为二氢嘧啶，然后开环形成β-氨基丙酸衍生物，最终分解为NH

3、CO2和β-丙氨酸或β-氨基异丁酸与嘌呤不同，嘧啶可以完全降解嘧啶补救合成主要通过嘧啶核苷酸激酶实现，催化尿嘧啶核苷或胞嘧啶核苷与ATP反应生成相应的核苷酸嘧啶与嘌呤代谢的主要区别包括

①嘧啶环先合成再与PRPP结合，而嘌呤是在PRPP上直接构建环；

②嘧啶合成需要一个多功能蛋白催化多步反应，而嘌呤合成涉及多个独立酶；

③嘧啶可以完全降解为CO2和NH3，而嘌呤在人体内最终降解为尿酸；

④嘧啶代谢的调控较简单，主要受UTP和CTP抑制，而嘌呤代谢受多种因素复杂调控抗嘧啶药物是重要的抗癌和抗病毒药物5-氟尿嘧啶5-FU是一种嘧啶类似物，在体内转化为活性代谢物FdUMP，抑制胸腺嘧啶酸合成酶，阻断dTMP合成，干扰DNA合成嘧啶代谢障碍包括遗传性酶缺陷，如二氢嘧啶脱氢酶缺陷导致对5-FU严重毒性反应，和嘧啶-5-核苷酸酶缺陷导致溶血性贫血嘧啶核苷酸的平衡合成对细胞增殖和维持至关重要第十一部分代谢整合与调控代谢网络整合组织代谢分工生理状态适应代谢疾病各代谢途径通过共享中间产物和调不同组织在代谢中发挥特定作用代谢模式根据生理状态（进食、禁代谢调控异常导致多种疾病，如糖控机制形成复杂网络，确保细胞能肝脏是代谢中心，负责糖异生、脂食、剧烈运动等）动态调整禁食尿病（葡萄糖稳态失调）、肥胖量平衡和物质转化的协调进行关质合成和尿素合成；肌肉主要消耗时激活糖异生和脂肪动员；进食后（能量平衡失调）、高脂血症（脂键连接点包括乙酰CoA、丙酮酸能量；脂肪组织储存能量；脑几乎促进糖原和脂肪合成；运动时增加质代谢异常）和痛风（嘌呤代谢紊和TCA循环中间物等完全依赖葡萄糖氧化肌肉能量供应乱）等代谢整合是指不同代谢途径之间的相互联系和协调，确保细胞和组织在各种生理条件下维持能量和物质平衡三大营养物质（碳水化合物、脂肪和蛋白质）的代谢途径通过关键中间代谢物相连

①乙酰CoA是脂肪酸氧化、糖有氧氧化和某些氨基酸分解的共同产物，也是脂肪酸合成的原料；

②丙酮酸连接糖酵解、糖异生和某些氨基酸代谢；

③TCA循环中间物参与多种氨基酸代谢代谢调控的分子机制包括

①酶活性水平调控，如变构调节、共价修饰和蛋白质降解；

②代谢物水平调控，如底物可用性和产物反馈抑制；

③基因表达水平调控，通过转录因子和表观遗传修饰；

④激素介导的整体调控，如胰岛素促进同化代谢，胰高血糖素和肾上腺素促进分解代谢了解代谢整合与调控对理解生物体如何适应环境变化和代谢疾病的发病机制至关重要代谢整合代谢调控酶水平调控激素调节酶活性的调控是代谢调控最直接的方式，包括变构胰岛素是主要的同化激素，促进葡萄糖、脂肪酸和调节、共价修饰、亚细胞定位变化和蛋白质降解氨基酸从血液进入细胞，激活糖原合成、糖酵解和等变构调节是最快速的调控机制，通过效应物与脂肪酸合成，抑制糖异生和脂肪分解胰高血糖素酶的变构位点结合改变酶的构象和活性共价修饰具有与胰岛素相反的作用，促进肝糖原分解和糖异（主要是可逆磷酸化）可以激活或抑制酶活性，是生，提高血糖肾上腺素和去甲肾上腺素在压力状激素信号传导的主要方式态下释放，促进糖原和脂肪分解，为战斗或逃跑反应提供能量基因表达调控基因表达调控是代谢适应的长期机制，涉及特定转录因子和辅助因子主要转录因子包括SREBP调控脂肪酸和胆固醇合成基因；PPARs影响脂肪酸氧化和脂肪细胞分化；ChREBP响应高碳水化合物状态激活糖酵解和脂肪酸合成基因；FOXO1在低胰岛素状态下激活糖异生基因营养与代谢调控密切相关营养物可直接影响代谢酶活性或通过特定转录因子和激素系统影响基因表达例如，高脂饮食激活PPARs促进脂肪酸氧化基因表达；高碳水化合物饮食激活ChREBP促进糖酵解和脂肪酸合成；饥饿状态下，低胰岛素和高胰高血糖素水平促进糖异生和脂肪分解，抑制合成途径代谢调控网络的复杂性确保了代谢适应的精确性和鲁棒性调控发生在多个层次（酶活性、蛋白表达、组织协调等）和时间尺度（从秒级的变构调节到天级的基因表达变化）了解这些调控机制对理解代谢疾病发病机制和开发针对性治疗至关重要例如，二型糖尿病的核心是胰岛素抵抗，导致葡萄糖摄取和糖异生调节异常；肥胖涉及能量平衡和脂肪组织调节紊乱；代谢综合征则是多种代谢调控机制同时失调的结果复习重点与答疑重点知识总结本学期核心内容包括生物大分子结构与功能关系、代谢途径中的关键酶与调控点，以及各代谢途径间的相互联系尤其要掌握糖酵解、TCA循环、β-氧化、尿素循环等主要能量代谢途径的反应步骤和调控机制易错点分析常见易错点包括混淆糖酵解和糖异生的不同步骤；计算ATP产量时忽略转运消耗；未区分可逆和不可逆反应；错误理解脂肪酸合成与分解的差异；混淆同化和分解代谢的激素调控考试中应注意代谢路径图的完整性和准确性典型例题解析计算题主要涉及ATP产量、能量消耗和代谢途径转化效率理论题侧重对代谢调控机制和途径整合的理解例如，分析饥饿状态下机体代谢调整时，需全面考虑肝脏、肌肉和脂肪组织的代谢变化及激素调控考试策略建议备考建议绘制主要代谢途径图并标记关键酶和调控点；归纳不同生理状态下的代谢变化；理解而非死记硬背；多做计算题练习；注重代谢整合的宏观理解考试时先做有把握题目，合理分配时间生物化学是一门内容繁多且相互关联的学科，建议采用构建代谢地图的学习方法，将各代谢途径视为相互连接的网络，通过关键节点和调控机制建立联系理解代谢调控的基本原理比记忆具体数值更重要例如，理解为什么糖酵解和糖异生不会同时高速进行，比记住每个酶的具体Km值更有意义生物化学知识与临床医学和生物技术密切相关了解代谢途径对理解疾病机制和药物作用机制至关重要例如，糖尿病治疗药物二甲双胍通过激活AMPK抑制糖异生；他汀类药物通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇合成建议在复习过程中将理论知识与实际应用相结合，这不仅有助于加深理解，也能激发学习兴趣如有任何疑问，欢迎随时提问或参加答疑课祝大家复习顺利，考试成功！。