《生物化学教程》课件

生物化学教程欢迎进入生物化学的奇妙世界！本课程将全面介绍生物化学的核心知识体系，涵盖从分子基础到代谢途径，从结构生物学到前沿应用的各个方面本教程采用2025年最新内容结构，融合了当代生物化学研究的最新进展与经典理论，旨在为学习者构建完整的生物化学知识框架，培养分析问题和解决问题的能力无论您是初学者还是希望深化知识的研究者，这套教程都将成为您探索生命奥秘的得力助手让我们一起踏上这段探索微观世界的奇妙旅程！绪论生物化学的研究对象与意义研究对象学科意义生物化学主要研究生物体内各种分子的结构、功能及其生物化学是现代生命科学的基础，它与医学、药学、农在生命活动中的作用这些分子包括蛋白质、核酸、碳业等领域紧密相连通过研究生物分子的结构与功能，水化合物、脂质等，它们共同构成了生命的物质基础生物化学帮助人类理解疾病机制、开发新药物、改良作物等生物化学从分子水平探索生命的本质，揭示了生命现象背后的化学机制，为我们理解生命的起源、发展和演变当前，生物化学正在推动精准医疗、基因编辑、合成生提供了科学依据物学等前沿领域的发展，对解决人类健康、能源、环境等全球性挑战具有重要意义生物化学的发展简史初期探索（世纪前）191828年，维勒合成尿素，打破了有机物只能由生物体合成的观念这被视为生物化学的起点，证明了生物体内的化学过程可以在实验室中模拟经典时期（世纪初）19-20布赫纳发现无细胞酵母提取物能发酵糖，证实酶的存在巴斯德研究发酵过程，奠定了生物化学的实验基础1897年，布赫纳因此获得诺贝尔奖分子生物学革命（世纪中）201953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋模型，揭示了遗传信息的分子基础随后，中心法则的确立和遗传密码的破译，开启了分子生物学时代现代与未来（世纪末至今）20人类基因组计划完成，蛋白质组学、代谢组学等多组学技术兴起CRISPR-Cas9等基因编辑技术的发展，为疾病治疗和合成生物学带来革命性变化生物化学与其他学科的关系与医学的关系与分子生物学的关系生物化学为理解疾病机制提供分子基生物化学与分子生物学紧密结合，前者础，推动了诊断技术和药物开发例2注重分子结构和功能，后者关注遗传信如，酶学研究直接应用于临床诊断，血息的传递两者互补协作，共同揭示生液生化指标成为疾病监测的重要手段命现象的本质与细胞生物学的关系与遗传学的关系生物化学研究细胞内分子事件，而细胞生物化学解释了遗传现象的分子机制，生物学研究细胞整体行为两者结合，如DNA复制、转录、翻译等过程同从微观到宏观全面解析细胞活动的内在时，遗传学研究成果也促进了生物化学机理对基因表达调控的理解生物分子的基本元素碳（）占比约C-18%碳原子的四个价电子能形成稳定的共价键，可与多种元素结合，是构成生物大分子骨架的核心元素碳原子间能形成单键、双键或三键，创造出极其丰富的分子结构氢（）占比约H-10%氢是生物体中最丰富的元素，主要与碳、氧、氮等形成共价键氢键虽然较弱，但对维持蛋白质结构、DNA双螺旋等生物大分子的空间构象至关重要氧（）占比约O-65%氧主要以水分子形式存在，也是呼吸作用的关键元素氧参与形成羟基、羧基等官能团，赋予生物分子特定的化学性质，对代谢反应至关重要氮（）、磷（）、硫（）等N PS氮是蛋白质和核酸的必需元素；磷对能量转移（ATP）和核酸骨架至关重要；硫参与某些氨基酸（如半胱氨酸）的结构，形成二硫键稳定蛋白质构象水和在生物体系中的作用pH水的独特物理化学特性水作为生化反应介质值与生物体系平衡pH水分子由于氧原子强电负性，形成水的极性使其能溶解多种离子和极生物体内pH值通常维持在

7.4左右极性分子，能形成氢键网络这赋性分子，同时排斥非极性物质，促的窄范围内，由缓冲系统（如碳酸予水高比热容、高表面张力等特进生物膜形成水参与多种生化反氢盐、磷酸盐等）精密调控pH变性，使其成为理想的生物溶剂，能应，如水解反应、缩合反应等，直化会影响蛋白质电荷状态、酶活稳定体温并促进生化反应接影响生物大分子的合成与分解性、细胞膜通透性等，对维持正常生理功能至关重要氨基酸的结构与分类基本结构α-碳连接氨基、羧基、R基团和氢原子按极性分类非极性、极性无电荷、酸性、碱性按基团化学性质分类R3脂肪族、芳香族、含硫、含羟基等生物体内存在20种标准α-氨基酸，它们是构成蛋白质的基本单位每种氨基酸都有一个中心碳原子（α-碳），连接着一个氨基（-₂NH）、一个羧基（-COOH）、一个氢原子和一个特定的侧链（R基团）根据R基团的性质，氨基酸可分为几大类非极性氨基酸（如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等），这些氨基酸通常隐藏在蛋白质内部；极性无电荷氨基酸（如丝氨酸、苏氨酸等），常与水分子相互作用；带电荷氨基酸包括酸性（天冬氨酸、谷氨酸）和碱性（赖氨酸、精氨酸、组氨酸），常参与离子键形成氨基酸的理化性质两性电解质性质同时含有酸性羧基和碱性氨基等电点分子呈电中性时的pH值肽键形成羧基与氨基脱水缩合形成氨基酸因同时含有酸性羧基和碱性氨基，表现出两性电解质特性在水溶液中，这两个基团会根据pH值发生离解或接受质子，导致氨基酸分子带有不同的净电荷每种氨基酸都有特定的等电点（pI），即分子呈电中性状态时的pH值在等电点pH下，氨基酸分子呈两性离子形式（内盐），溶解度最小低于等电点时，氨基酸带正电荷；高于等电点时，带负电荷这一特性是蛋白质电泳分离的基础氨基酸通过肽键连接成多肽链，形成肽键时，一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合，释放一分子水蛋白质的一般结构一级结构指蛋白质中氨基酸的线性排列顺序，由基因编码决定这是蛋白质最基本的结构层次，决定了其所有高级结构和功能特性一级结构是通过肽键连接的氨基酸序列二级结构指多肽链局部区域形成的规则构象，主要包括α-螺旋和β-折叠这些结构主要由肽链骨架上的氢键稳定，与侧链基团的性质关系不大二级结构是蛋白质折叠的基本模式三级结构指整个多肽链在三维空间的折叠构象由各种作用力稳定，包括疏水作用、离子键、氢键、二硫键等三级结构决定了蛋白质的生物学功能和活性位点的形成四级结构由多个多肽链（亚基）组合形成的复合体亚基间通过非共价作用力相互结合许多功能性蛋白质如血红蛋白都具有四级结构，可实现协同效应等复杂调控蛋白质的分离与纯化样品制备首先需要从细胞或组织中提取总蛋白这通常涉及细胞破碎（如超声波处理、冻融、机械研磨等）和初步分离（如离心、沉淀等）步骤，以去除细胞碎片和非蛋白质成分分离纯化根据蛋白质的不同物理化学性质选择适当的纯化方法常用的技术包括各种层析法（如离子交换层析、凝胶过滤层析、亲和层析等）、电泳技术（如聚丙烯酰胺凝胶电泳、等电聚焦等）以及沉淀法（如硫酸铵分级沉淀）纯度检测与定量采用SDS-PAGE、质谱等方法检测蛋白质纯度蛋白质定量常用方法包括紫外吸收法（280nm）、考马斯亮蓝法（Bradford法）、BCA法和Lowry法等选择合适的方法取决于样品性质和实验需求蛋白质的功能催化功能⁶作为酶，蛋白质能催化生物化学反应，提高反应速率达10~10¹²倍例如，消化酶如胰蛋白酶催化蛋白质水解；ATP合成酶催化ATP的合成；DNA聚合酶催化DNA复制等几乎所有的生化反应都需要特定的酶参与运输功能某些蛋白质负责运输特定分子如血红蛋白运输氧气；血清白蛋白运输脂肪酸、激素等；细胞膜上的转运蛋白帮助葡萄糖、氨基酸等物质跨膜转运，维持细胞内环境稳态防御功能免疫球蛋白（抗体）识别并中和外来抗原；干扰素抵抗病毒感染；血液凝固蛋白参与伤口修复；某些蛋白质作为抗冻蛋白，帮助生物在极端环境中生存结构与调节功能结构蛋白如胶原蛋白、弹性蛋白构成组织骨架；肌动蛋白、肌球蛋白参与肌肉收缩；激素和受体蛋白参与信号转导，调控生理活动；组蛋白与DNA结合调控基因表达酶的基本特点高效的生物催化剂高度的专一性酶是高效的生物催化剂，能显著降低反应活化能，加速酶表现出对底物的高度专一性，这种专一性可表现为化⁶生化反应速率达10~10¹²倍与普通化学催化剂相比，学专一性（只催化特定类型的化学键）、底物专一性酶在温和条件下（生理pH、体温）即可高效工作，且不（只识别特定分子）、立体专一性（区分立体异构体）会被反应消耗等多种形式酶通过提供适合的微环境，使底物分子以最有利的方向这种专一性源于酶分子表面特定的活性位点构象，与底接触并相互作用，从而降低了反应的活化能，提高了反物形成精确的锁钥配合这使细胞能精确控制各种代应速率这种催化效率是现代化学催化剂难以企及的谢反应，避免不必要的副反应，保证生化反应的有序进行酶的命名与分类氧化还原酶转移酶催化氧化还原反应，如脱氢酶、氧催化官能团从一个分子转移到另一化酶、还原酶等分子，如转氨酶、激酶等连接酶水解酶催化两分子连接并伴随ATP等高能催化水解反应，如蛋白酶、核酸化合物分解，如DNA连接酶酶、脂肪酶等异构酶裂解酶催化分子内部重排，如异构酶、表催化非水解方式的断键反应，如醛异构酶等缩酶、脱氢酶等酶促反应机制底物结合底物分子与酶的活性位点结合，形成酶-底物复合物这种结合主要依靠非共价作用力，如氢键、疏水作用、离子键等活性位点的空间构象与底物高度互补，确保特异性识别催化转化底物结合后，酶的活性位点提供适合的微环境，通过多种作用机制（如酸碱催化、共价催化、金属离子催化等）降低反应活化能，促进化学键的断裂或形成，将底物转化为产物产物释放反应完成后，产物从酶的活性位点释放，酶分子恢复原状，可以继续参与下一轮催化循环这个过程使酶能持续发挥催化作用，一个酶分子能够催化成千上万次反应酶动力学基础米蒙方程的意义和-Km Vmaxkcatv=Vmax[S]/Km+[S]Km（米氏常数）等于使反应速率达到Vmax表示在底物饱和条件下的最大反₀Vmax一半时的底物浓度，反映了酶与应速率，等于kcat[E]，其中kcat是这一方程描述了酶促反应速率v与底底物亲和力的倒数Km越小，表示酶酶的转换数，表示每个酶分子每秒能物浓度[S]之间的关系，其中Vmax表示与底物亲和力越强；Km越大，则亲和催化的底物分子数，是衡量酶催化效最大反应速率，Km表示米氏常数当力越弱率的重要参数[S]=Km时，反应速率为最大速率的一半酶活性的调节460%主要调节机制活性提升酶活性调节方式包括基因表达调控、变构磷酸化可使某些酶活性提升的幅度，如肝糖调节、共价修饰和反馈抑制原磷酸化酶⁻10³调节敏感性某些变构酶对效应物的敏感度可达摩尔级别，实现精确调控酶活性调节是生物体控制代谢的重要机制基因表达调控控制酶的合成量；变构调节是通过效应物与酶的变构位点结合，引起酶构象变化从而改变活性；共价修饰如磷酸化、乙酰化等可直接改变酶的活性状态反馈抑制是代谢通路自我调节的重要机制，通常代谢终产物会抑制通路起始酶的活性例如，在氨基酸合成通路中，如苏氨酸抑制天冬氨酸激酶，从而控制自身的合成速率这些精密的调控机制确保细胞内生化反应的有序进行，维持生命活动的正常运转核酸的结构基础核苷酸1由碱基、戊糖和磷酸基团组成的基本单位磷酸二酯键连接相邻核苷酸，形成核酸主链一级结构核苷酸的线性排列顺序决定遗传信息核酸是由核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的大分子每个核苷酸由三部分组成含氮碱基（嘌呤或嘧啶）、五碳糖（DNA中为脱氧核糖，RNA中为核糖）和磷酸基团DNA中主要含有腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T四种碱基，而RNA中T被尿嘧啶U替代核酸的骨架由交替的五碳糖和磷酸基团组成，碱基则垂直于骨架伸出相邻核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，即一个核苷酸的5碳上的磷酸基团与下一个核苷酸的3碳上的羟基结合这种连接方式使核酸链具有方向性，一端为5端（带有磷酸基团），另一端为3端（带有羟基）双螺旋模型DNA模型基本特征碱基互补配对原则Watson-CrickDNA双螺旋由两条反向平行的多核苷酸链组成，一条链DNA中的碱基按特定规则配对腺嘌呤A总是与胸腺嘧的5端对应另一条链的3端两链通过碱基间的氢键连啶T配对，通过两个氢键连接；鸟嘌呤G总是与胞嘧啶接，形成右手螺旋结构每完成一圈螺旋约需10个核苷C配对，通过三个氢键连接这种严格的配对规则是酸对，螺旋的螺距为

3.4纳米DNA复制、转录等生命过程的分子基础DNA的碱基对位于螺旋内部，形成疏水核心；而带负电碱基互补配对原则确保了DNA复制的精确性在复制过的磷酸-糖骨架则位于外部，与水分子接触这种结构既程中，双链解开，每条单链作为模板，按照碱基互补原保护了携带遗传信息的碱基，又提供了稳定的物理化学则合成新链，最终形成两个完全相同的DNA双螺旋，实环境现遗传信息的精确传递的类型与功能RNA信使RNA mRNA携带遗传信息从DNA传递到蛋白质合成场所mRNA是DNA转录的直接产物，其序列按照遗传密码转换为蛋白质的氨基酸序列真核生物mRNA具有5帽子结构、3多聚A尾巴和非编码区，这些结构对调控翻译和mRNA稳定性至关重要转运RNA tRNA作为翻译过程中的适配器，将氨基酸准确送至蛋白质合成位点tRNA呈现独特的三叶草结构，一端能识别mRNA上的密码子，另一端连接特定的氨基酸每种tRNA由特定的氨酰-tRNA合成酶识别，确保翻译的准确性核糖体RNA rRNA构成核糖体的主要成分，提供蛋白质合成的分子机器rRNA不仅有结构作用，还具有催化肽键形成的核酶活性原核生物有16S、23S和5S rRNA，真核生物则有18S、28S、

5.8S和5SrRNA，它们与核糖体蛋白一起组装成核糖体亚基非编码RNA包括微小RNAmiRNA、长链非编码RNAlncRNA、小干扰RNAsiRNA等，参与基因表达调控这些RNA通过影响转录、翻译、染色质结构等多种机制调控基因表达，在细胞分化、发育和疾病发生中发挥重要作用核酸的理化性质紫外吸收特性变性与复性分子杂交核酸在260nm波长加热、极端pH或变不同来源的互补核处有强烈吸收，这性剂可破坏DNA双酸链可以特异性结是由碱基的共轭双螺旋结构，导致双合形成杂交分子键系统造成的链分离为单链，称这一特性是DNA重DNA变性后，碱基为变性冷却后，组、基因芯片、荧堆积被破坏，吸光在适当条件下单链光原位杂交等技术度增加约40%，称可重新结合形成双的基础杂交严格为超色效应这螺旋，称为复性或度受温度、离子强一特性常用于核酸退火变性温度度和变性剂浓度影浓度测定和变性过（Tm）受GC含量响，可用于控制杂程监测影响，GC含量越交特异性高，Tm越高基因表达的分子基础复制DNADNA复制是遗传信息传递的基础，采用半保留复制方式DNA双链解开，每条链作为模板，按碱基互补配对原则合成新链，最终形成两个完全相同的DNA分子转录转录是由RNA聚合酶催化，以DNA为模板合成RNA的过程转录从启动子开始，到终止子结束，只有DNA的一条链（模板链）被转录转录产物包括mRNA、tRNA、rRNA等多种RNA翻译翻译是在核糖体上，以mRNA为模板，合成蛋白质的过程tRNA作为适配器，将氨基酸带到核糖体上，按照mRNA密码子指定的顺序连接成多肽链这一过程遵循遗传密码的规则基因组基因组是生物体完整的遗传信息集合，包含编码区和非编码区人类基因组含约30亿个碱基对，但只有约

1.5%编码蛋白质基因组测序和分析是现代生物学的核心研究领域基因复制的分子机制终止与连接延伸起始DNA聚合酶I去除RNA引物并填补空缺，DNA聚合酶III沿着模板链5→3方向合成新DNA连接酶将冈崎片段连接成完整链在环DNA复制从特定的起始点ori开始，起始蛋链由于两条模板链方向相反，一条可以连状DNA（如细菌染色体）中，复制一直进行白结合并打开双螺旋，形成复制泡随后续合成（前导链），另一条则需要分段合成到两个复制叉相遇；在线性DNA中，端粒区DNA解旋酶继续打开双链，单链结合蛋白稳（滞后链），形成冈崎片段每个片段以域有特殊的复制机制以解决端粒问题定暴露的单链，防止其重新配对这个过程RNA引物起始，由DNA聚合酶合成需要ATP提供能量基因转录及调控启动子识别RNA聚合酶与特定转录因子结合，识别基因上游的启动子区域转录起始与延伸DNA局部解链，RNA聚合酶按模板链合成RNA，方向为5→3转录终止RNA聚合酶识别终止信号，释放新合成的RNA分子转录调控通过转录因子、增强子、沉默子等元件精确控制基因表达蛋白质生物合成（翻译）起始延长小核糖体亚基与起始tRNA和mRNA核糖体移动，氨酰-tRNA依次进入A结合，识别起始密码子AUG位，形成肽键，多肽链逐渐延长蛋白质折叠终止新合成的多肽链自发或在分子伴侣遇到终止密码子，释放因子结合，协助下折叠成有功能的蛋白质新合成的多肽链释放基因表达调控机制原核生物调控真核生物调控原核生物基因表达调控主要在转录水平，经典模型是乳糖操纵真核生物调控更复杂，包括多个水平染色质水平（组蛋白修子当没有乳糖时，阻遏蛋白结合操作子阻止转录；有乳糖时，饰、DNA甲基化）、转录水平（增强子、沉默子）、转录后水平乳糖与阻遏蛋白结合，使其构象改变，脱离操作子，启动转录（RNA剪接、修饰）、翻译和翻译后水平（蛋白质修饰、降解）原核生物基因常组织成操纵子，多个功能相关基因共用一个启动真核基因表达需要多种转录因子协同作用，包括基本转录因子和子，受协同调控，高效适应环境变化例如色氨酸操纵子通过阻特异性转录因子细胞内各种信号通路最终通过影响转录因子活遏和衰减机制实现双重调控性，调控基因表达，使细胞能应对内外环境变化糖类的化学结构单糖最简单的糖，如葡萄糖、果糖、半乳糖等寡糖2-10个单糖通过糖苷键连接，如蔗糖、麦芽糖、乳糖多糖大量单糖连接形成的高分子，如淀粉、纤维素、糖原₂糖类是生物体内最丰富的有机物之一，主要由C、H、O组成，通式为CH On单糖是最基本的糖单位，含有醛基或酮基，按碳原子数分为三碳糖（如丙酮酸）、五碳糖（如核糖）、六碳糖（如葡萄糖）等单糖通常以环状结构存在，如葡萄糖的α和β构型寡糖由几个单糖通过糖苷键连接而成例如，蔗糖由葡萄糖和果糖组成；麦芽糖由两个葡萄糖组成；乳糖由葡萄糖和半乳糖组成多糖是由大量单糖单位连接形成的高分子化合物，如淀粉（植物储能物质）、糖原（动物储能物质）和纤维素（植物结构成分）不同多糖因组成单糖和连接方式不同而具有不同的结构和功能糖的同分异构与变旋作用同分异构现象变旋作用糖类因为含有多个不对称碳原子，存在多种同分异构新制备的葡萄糖水溶液旋光度随时间变化，最终达到平₆₁₂₆体如葡萄糖和半乳糖都是C HO，但结构不衡，这一现象称为变旋作用这是因为α型和β型在溶液同；葡萄糖本身还有D型和L型两种光学异构体，自然界中通过开环-闭环过程相互转化，直到达到平衡比例主要存在D型变旋现象对于理解糖在体内的代谢和反应机制非常重单糖在水溶液中以环状结构存在，通常是五元环（呋喃要例如，酶对α型和β型的识别往往具有严格的特异型）或六元环（吡喃型）环化时，醛基或酮基的碳原性，影响相关生化反应的进行在多糖结构中，α-和β-子变成新的不对称碳，产生α和β两种异构体，如α-D-葡糖苷键的不同导致了淀粉和纤维素等多糖结构和功能的萄糖和β-D-葡萄糖巨大差异糖酵解途径102主要反应步骤净产量ATP糖酵解途径将一分子葡萄糖分解为两分子丙每分子葡萄糖完成糖酵解过程，净产生2分子酮酸，共包含10个酶促反应步骤ATP（总产生4个，消耗2个）2产量NADH每分子葡萄糖完成糖酵解过程，产生2分子NADH，用于后续能量生成糖酵解是细胞分解葡萄糖获取能量的主要途径之一，在细胞质中进行，不需要氧气参与该过₆₁₂₆₃₄₃程将一分子葡萄糖（C HO）分解为两分子丙酮酸（C HO），同时产生能量（ATP）和还原力（NADH）糖酵解途径中的关键调控酶包括己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，这些酶受到ATP/AMP比例、柠檬酸浓度等因素的精确调控在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体参与三羧酸循环进一步氧化；在无氧条件下，丙酮酸可转化为乳酸（乳酸发酵）或乙醇（酒精发酵），⁺以再生NAD，使糖酵解能持续进行糖异生与糖原代谢糖异生糖原合成糖原分解糖异生是从非糖前体（如丙酮酸、乳酸、甘油当血糖水平高时，过剩的葡萄糖在肝脏和肌肉当需要能量时，糖原通过糖原磷酸化酶作用分和某些氨基酸）合成葡萄糖的代谢途径，主要中转化为糖原储存这一过程需要将葡萄糖磷解为葡萄糖-1-磷酸，然后转化为葡萄糖-6-磷在肝脏和肾脏进行这一过程基本上是糖酵解酸化为葡萄糖-6-磷酸，然后转化为葡萄糖-1-酸在肝脏中，葡萄糖-6-磷酸可通过葡萄糖-的逆过程，但有几个关键步骤使用了不同的磷酸，最终通过糖原合成酶添加到糖原分子6-磷酸酶水解为葡萄糖并释放到血液中；而肌酶上肉缺乏该酶，只能将葡萄糖-6-磷酸用于产生能量三羧酸循环（）TCA初始反应异构化乙酰CoA与草酰乙酸结合形成柠檬柠檬酸重排为异柠檬酸酸，释放CoA第四次氧化第一次氧化脱羧8苹果酸氧化为草酰乙酸，产生异柠檬酸氧化为α-酮戊二酸，产生₂NADH，循环完成CO和NADH第二次氧化脱羧水合作用α-酮戊二酸转化为琥珀酰CoA，产生延胡索酸加水形成苹果酸₂6CO和NADH5底物水平磷酸化第三次氧化₂琥珀酰CoA转化为琥珀酸，产生GTP琥珀酸氧化为延胡索酸，产生FADH（相当于ATP）电子传递链与氧化磷酸化电子传递链组成电子传递链位于线粒体内膜，由四个蛋白质复合体（复合体I-IV）和两个移动电子载体（辅酶Q和细胞色素c）组成这些组分按照电子亲和力递增的顺序排列，形成电子传递的阶梯电子传递过程₂NADH和FADH分别将电子传递给复合体I和复合体II，电子沿着传递链向下移动，最终传递给氧气，将其还原为水电子传递过程中释放⁺的能量被用于将质子（H）从线粒体基质泵入膜间隙，形成质子浓度梯度和电化学势能合成ATP质子沿浓度梯度通过ATP合成酶（复合体V）回流到基质，释放的能量用于催化ADP和无机磷酸结合形成ATP这一过程称为氧化磷酸化，是有氧呼吸产生大量ATP的关键环节每个NADH可产生约₂

2.5个ATP，每个FADH可产生约

1.5个ATP脂类的分类与结构脂类是一组疏水性或两亲性的生物分子，在生物体内具有多种功能简单脂类如甘油三酯由甘油与三个脂肪酸酯化形成，主要用于能量储存；复合脂类如磷脂由甘油与两个脂肪酸和一个磷酸基团结合而成，是生物膜的主要成分固醇类如胆固醇具有四环结构，是细胞膜的重要组成部分，也是类固醇激素的前体；鞘脂由鞘氨醇骨架构成，在神经组织中尤为丰富；前列腺素、血栓素等衍生脂类是重要的信号分子，参与多种生理过程的调节脂类的多样性结构决定了它们在生物体内的多种功能脂肪酸的代谢脂肪酸分解（氧化）脂肪酸合成β-脂肪酸β-氧化在线粒体中进行，分为四个基本步骤脱脂肪酸合成与β-氧化不是简单的逆过程，它在细胞质中氢、水合、再脱氢和硫解每经过一个循环，脂肪酸链进行，由脂肪酸合成酶复合体催化起始物为乙酰CoA和缩短两个碳原子，产生一分子乙酰CoA、一分子NADH和丙二酰CoA，需要NADPH提供还原力每增加两个碳原₂一分子FADH乙酰CoA进入三羧酸循环进一步氧化；子需要经过四个反应步骤缩合、还原、脱水和再还₂NADH和FADH则进入电子传递链产生ATP原以棕榈酸（C16）为例，完全β-氧化可产生8个乙酰脂肪酸合成和分解的相互调控非常精密，主要通过激素₂CoA、7个NADH和7个FADH，乙酰CoA进入TCA循环（如胰岛素、胰高血糖素）和关键酶（如乙酰CoA羧化后最终可产生大量ATP，使脂肪成为高效的能量储存形酶）的活性调节当能量充足时促进合成，能量缺乏时式促进分解，以维持能量平衡生物膜结构与功能脂双层模型生物膜的基本结构是脂质双分子层，主要由磷脂构成磷脂分子具有亲水性的头部（朝向膜的两侧）和疏水性的尾部（朝向膜的内部），形成稳定的双层结构胆固醇插入磷脂分子之间，调节膜的流动性和稳定性膜蛋白膜蛋白嵌入脂双层或附着于膜表面，执行多种功能跨膜蛋白贯穿整个脂双层，如转运蛋白、离子通道、受体蛋白等；周边蛋白则通过非共价键与膜表面结合，如细胞骨架连接蛋白膜蛋白约占膜质量的50%跨膜运输₂₂生物膜控制物质进出细胞的选择性屏障小分子如O、CO可直接扩散通过膜；水分子通过水通道蛋白快速通过；离子和大分子则需要特定的转运蛋白或通道蛋白转运方式包括被动运输（顺浓度梯度，不需能量）和主动运输（逆浓度梯度，需要ATP）信号传导膜蛋白特别是受体蛋白，在细胞信号传导中发挥关键作用当配体（如激素、神经递质）与膜受体结合时，引发受体构象变化，激活胞内信号通路，最终导致细胞响应这一过程是细胞间通讯和协调的基础维生素及其生化作用维生素类别代表成员辅酶形式主要功能₁水溶性维生素维生素B（硫胺素）硫胺素焦磷酸脱羧反应辅酶（TPP）₂维生素B（核黄素）FAD,FMN氧化还原反应₃⁺⁺维生素B（烟酸）NAD,NADP氧化还原反应₆维生素B（吡哆醇）吡哆醛磷酸（PLP）氨基转移、脱氨₉维生素B（叶酸）四氢叶酸（THF）一碳单位转移₁₂维生素B（钴胺素）腺苷钴胺素甲基转移反应维生素C（抗坏血酸）-抗氧化剂，羟化反应脂溶性维生素维生素A（视黄醇）-视觉、上皮细胞生长维生素D（骨化醇）-钙磷代谢调节维生素E（生育酚）-抗氧化剂，膜保护维生素K-血液凝固因子γ-羧化激素的类型与信号转导蛋白质肽类激素类固醇激素胺类激素/如胰岛素、生长激素如皮质醇、雌激素如肾上腺素、甲状腺等，由于水溶性强，等，脂溶性强，能直素等，根据不同激素不能通过细胞膜，需接穿过细胞膜，与胞的性质，可通过膜受要与膜表面受体结内受体结合激素-体或细胞内受体发挥合激活的受体通过受体复合物进入细胞作用肾上腺素与膜第二信使系统（如核，作为转录因子直受体结合，激活腺苷₃cAMP、IP-DAG系接调控基因表达这酸环化酶，而甲状腺统）将信号传入细胞类激素作用持久但起素则主要通过核受体内，最终影响靶基因效较慢，常涉及新蛋调控基因表达表达或酶活性，产生白质的合成生理效应能量代谢与生成ATP30-

327.3产量水解能ATP ATP一分子葡萄糖完全氧化可产生的ATP分子数ATP水解为ADP和Pi释放的能量（kcal/mol）10^20日循环量人体每天约消耗和再生这个数量级的ATP分子ATP（三磷酸腺苷）是生物体内主要的能量货币，由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成ATP水解为ADP（二磷酸腺苷）和无机磷酸（Pi）时释放能量，这一过程的标准自由能变化约为-

7.3kcal/molATP的高能磷酸键中储存的能量可用于驱动各种耗能反应，如生物合成、主动运输、肌肉收缩等在有氧条件下，葡萄糖的完全氧化（经糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化）可产生约30-32个ATP分子；而在无氧条件下，通过糖酵解和发酵仅能产生2个ATP分子脂肪酸通过β-氧化产生的乙酰CoA进入三羧酸循环，可提供更多的ATP人体ATP的总量虽然有限（约100g），但周转速度极快，每天合成和分解的ATP约为体重的等量一碳单位代谢与生物合成一碳单位来源载体分子主要来自丝氨酸、甘氨酸、组氨酸四氢叶酸THF是主要的一碳单位等氨基酸的代谢载体转移过程生物合成应用不同氧化态的一碳单位（甲基、亚参与嘌呤、嘧啶、甲硫氨酸等合成甲基、甲酰基等）转移氨基酸的合成与分解必需与非必需氨基酸人体能合成约10种非必需氨基酸，如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等；而9种必需氨基酸（如赖氨酸、色氨酸等）必须从食物中获取某些氨基酸在特定生理状态下成为条件必需氨基酸，如精氨酸在生长期氨基酸合成非必需氨基酸主要通过转氨基作用从中间代谢物合成例如，丙氨酸可由丙酮酸转氨基化而来；谷氨酸由α-酮戊二酸转氨基化产生；天冬氨酸由草酰乙酸转氨基化形成这些反应通常需要谷氨酸作为氨基供体氨基酸分解氨基酸分解首先去除氨基（通过转氨基作用或氧化脱氨基），产生的碳骨架（α-酮酸）进入中间代谢途径根据碳骨架的命运，氨基酸分为糖原型（可转化为葡萄糖）、酮原型（产生酮体）或兼具两种特性氮的处理氨基酸分解释放的氨基首先通过转氨基作用转给α-酮戊二酸生成谷氨酸，然后谷氨酸经过氧化脱氨基释放氨氨具有毒性，在肝脏通过尿素循环转化为无毒的尿素排出体外；在脑组织中，氨与谷氨酸结合形成谷氨酰胺，安全运输尿素循环碳酸氢铵形成氨甲酰磷酸合成₄⁺₃⁻NH与HCO在线粒体中形成碳酸氢铵与ATP反应形成氨甲酰磷酸12碳酸氢铵尿素释放瓜氨酸形成精氨酸水解释放尿素，同时再生氨甲酰磷酸与鸟氨酸结合形成瓜3鸟氨酸氨酸精氨酸形成精氨基琥珀酸合成54精氨基琥珀酸裂解为精氨酸和延胡瓜氨酸与天冬氨酸结合形成精氨基索酸琥珀酸核苷酸代谢及相关疾病核苷酸合成1通过从头合成途径或补救途径生成核苷酸分解2嘌呤最终生成尿酸，嘧啶形成β-氨基酸相关疾病代谢异常导致痛风、免疫缺陷等疾病治疗策略4抑制特定酶活性，如黄嘌呤氧化酶抑制剂代谢途径的整体调控胰岛素调控胰岛素是在血糖升高时由胰腺β细胞分泌的多肽激素它促进细胞对葡萄糖的摄取和利用，同时促进糖原、脂肪和蛋白质的合成，抑制它们的分解在分子水平，胰岛素通过激活胰岛素受体引发信号级联反应，影响多个代谢酶的活性和基因表达胰高血糖素调控胰高血糖素由胰腺α细胞在血糖降低时分泌，作用与胰岛素相反它促进肝糖原分解和糖异生，提高血糖水平；同时促进脂肪分解和酮体生成胰高血糖素通过G蛋白偶联受体和cAMP介导的信号通路发挥作用，调控关键代谢酶的活性能量感应调控AMP激活蛋白激酶AMPK是细胞能量状态的关键传感器当ATP/AMP比例降低时，AMPK被激活，促进产能代谢途径（如脂肪酸氧化）并抑制耗能过程（如脂肪酸合成）这种机制确保细胞在能量匮乏时能优先维持ATP水平，对细胞存活至关重要生化实验技术基础技术类别代表方法主要应用分离纯化技术离心技术（差速、密度梯亚细胞组分分离，蛋白质沉度、超速离心）降层析技术（凝胶过滤、离子蛋白质、核酸等大分子分离交换、亲和层析）纯化电泳技术（PAGE、SDS-蛋白质分子量和纯度分析PAGE、等电聚焦）定量分析技术分光光度法（紫外吸收、可核酸、蛋白质浓度测定见光）荧光分析（荧光标记、分子间相互作用、构象变化FRET）研究质谱分析（MALDI-TOF、蛋白质鉴定、翻译后修饰分ESI-MS）析结构分析技术X射线晶体衍射蛋白质高分辨率三维结构解析核磁共振波谱NMR溶液中蛋白质结构和动力学研究冷冻电子显微镜大型蛋白质复合物结构分析分子生物学技术应用操作技术基因编辑技术DNA聚合酶链反应PCR通过体外DNA复制实现特定DNA片段的快速扩增；CRISPR-Cas9系统利用RNA引导的核酸酶进行精准基因编辑，可实现DNA测序技术可确定核苷酸精确序列，包括Sanger法和新一代测序；基因敲除、插入或点突变；锌指核酸酶ZFNs和转录激活因子样效应DNA重组技术利用限制酶和连接酶将外源DNA片段插入载体，构建重物核酸酶TALENs也是重要的基因编辑工具，可用于基础研究和基因组DNA分子治疗蛋白质工程应用领域定点突变技术可改变蛋白质特定氨基酸，研究结构功能关系；蛋白质这些技术广泛应用于基础研究、医学诊断（如基因检测、分子标志表达系统包括原核（大肠杆菌）和真核（酵母、昆虫细胞、哺乳动物物）、药物开发（靶向药物、生物制剂）、农业（转基因作物）和法细胞）表达系统，用于获取重组蛋白；融合蛋白技术通过添加标签便医学（DNA指纹）等领域，推动了生命科学研究和生物技术产业的快于纯化和检测速发展典型生化实验数据分析底物浓度mM反应速率μmol/min生物化学研究最新进展结构生物学革命冷冻电子显微镜Cryo-EM技术在近年取得突破性进展，实现了对大型蛋白质复合物的原子分辨率结构解析，而无需结晶2017年，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson因此获得诺贝尔化学奖该技术与X射线晶体学和NMR形成互补，极大推动了对细胞内大分子机器工作机制的理解高通量筛选技术基于微流控技术和自动化平台的高通量筛选方法极大加速了生物活性分子的发现过程这些技术结合机器学习算法，能在数百万化合物中快速识别潜在的药物候选物或生物标志物单细胞测序和组学分析技术也取得重大进展，揭示了细胞异质性和发育轨迹的复杂图景合成生物学与蛋白质设计计算机辅助蛋白质设计取得突破性进展，AlphaFold等AI工具能准确预测蛋白质三维结构，为理解蛋白质功能和设计新蛋白质开辟了新途径合成生物学领域，研究者已能设计全新的酶催化非天然反应，创建人工代谢途径，甚至合成具有最小基因组的人造细胞，这些进展为生物制造和生物医学应用带来革命性变化人类基因组与精准医学基因组测序自2003年人类基因组计划完成以来，测序技术取得爆炸性进展新一代测序技术将测序成本从最初的30亿美元降至现在的不到1000美元，使个人基因组测序成为现实大规模人群基因组计划如千人基因组计划揭示了人类遗传变异的全景图多组学整合除基因组外，转录组、蛋白质组、代谢组等多组学数据的整合分析成为理解疾病机制的关键这些数据共同构建了从基因到表型的完整图景，揭示了基因-环境相互作用和表观遗传调控的重要性，为疾病预防和治疗提供了新视角精准治疗基于基因组信息的精准医学正在改变疾病治疗模式例如，非小细胞肺癌患者可根据EGFR、ALK等基因突变类型选择靶向药物；乳腺癌患者可通过基因检测确定是否适合接受HER2靶向治疗或PARP抑制剂治疗；药物基因组学帮助预测个体对药物的反应和不良反应风险生物化学与疾病三高疾病的分子机制遗传代谢病肿瘤代谢重编程高血压涉及肾素-血管紧张素系统失调、血管内皮遗传代谢病是由单基因缺陷导致的特定酶或转运蛋肿瘤细胞代谢模式与正常细胞显著不同，表现为增功能障碍等；高血糖（糖尿病）主要由胰岛素分泌白功能异常，引起代谢途径阻断例如，苯丙酮尿强的有氧糖酵解（Warburg效应）、谷氨酰胺代谢不足或胰岛素抵抗引起，涉及多个信号通路异常；症由苯丙氨酸羟化酶缺陷引起，导致苯丙氨酸积累上调、脂质合成增强等特点这些代谢改变支持肿高血脂则与脂蛋白代谢紊乱相关，如低密度脂蛋白和毒性代谢物产生；高半胱氨酸血症与胱硫醚β-合瘤细胞的快速增殖和特殊微环境适应受体功能异常或脂蛋白脂酶活性下降成酶缺陷有关；戈谢病由葡萄糖脑苷脂酶缺陷导肿瘤代谢重编程的分子机制包括癌基因（如MYC、致这些疾病的共同特点是代谢调控网络的多点失衡，RAS）和抑癌基因（如p

53、PTEN）的突变，以及往往相互影响，共同增加心血管疾病风险生物化这类疾病虽然单个罕见，但总体发病率达1/1500，HIF-1α等转录因子的异常激活针对肿瘤代谢特点学研究揭示了它们的分子机制，为靶向药物开发提生化诊断和早期干预对预防不可逆损伤至关重要的治疗策略正在开发中，如糖酵解抑制剂、谷氨酰供了基础酶替代疗法、底物减少疗法和基因治疗为部分患者胺代谢抑制剂等，有望成为肿瘤治疗的新方向带来了希望生物化学未来展望合成生物学挑战合成生物学以工程学原理重新设计生物系统，面临的挑战包括标准化生物元件库的构建，实现类似电子电路的模块化组装；基因线路的可预测设计，克服生物系统的内在复杂性和随机性；开发更高效的DNA合成和基因组组装技术，实现更大规模的基因组工程人工智能与生物化学融合人工智能技术正深刻改变生物化学研究范式深度学习模型能准确预测蛋白质结构（如AlphaFold）、发现新型抗生素和设计新酶；强化学习和进化算法辅助合成路径设计和代谢网络优化；大数据分析加速从海量生物化学数据中挖掘规律，推动系统生物学发展未来突破方向未来可能的突破包括全定制人工细胞的创建，理解生命的基本原理；新型生物计算系统的开发，利用DNA或蛋白质进行信息处理；生物-非生物界面技术的进步，如生物传感器和神经接口；生物制造平台的完善，实现复杂分子的生物合成，替代化学合成方法，推动绿色化学发展总结与课程复习要点生物分子结构与功能氨基酸、蛋白质、核酸、糖类、脂类的基本结构与性质代谢途径与调控2糖、脂肪、氨基酸代谢；能量转换；代谢整合遗传信息传递DNA复制、转录、翻译；基因表达调控技术应用与前沿进展4实验技术；疾病机制；生物技术；前沿研究本课程涵盖了生物化学的基础理论和前沿应用，从分子结构到代谢途径，从基因表达到疾病机制，构建了完整的知识体系课程强调了生物化学在理解生命现象和解决实际问题中的核心地位，也展示了学科的快速发展和未来趋势推荐拓展阅读《Lehninger生物化学原理》、《Stryer生物化学》等经典教材；Nature、Science、Cell等期刊中的生物化学研究前沿；公开课如MIT的生物化学原理自测题建议关注各章节关键概念、主要代谢途径、调控机制等，通过绘制概念图和代谢图谱加深理解，建立知识联系欢迎继续探索生物化学的奇妙世界！。