《生物大分子》课件

《生物大分子》欢迎学习《生物大分子》课程本课程将深入探讨构成生命体的基本分子结构，包括蛋白质、核酸、多糖和脂质等主要生物大分子这些大分子是生命活动的物质基础，它们复杂的结构决定了其独特功能通过本课程，您将了解生物大分子的基本结构特征、生物合成过程以及它们在细胞内的功能我们将从分子水平上理解生命现象，探索大分子如何协同工作，维持生命活动的正常进行课程概述掌握生物大分子基础知认识分子与生命关系识揭示大分子如何通过其特定结理解蛋白质、核酸、多糖和脂构执行生命功能，支持细胞正质的结构与功能，建立分子水常运作平理解生命的思维方式掌握研究方法与技术了解现代生物技术中分离、鉴定和研究大分子的核心实验方法与原理生物大分子是生命科学的核心研究对象，它们构成了生命的物质基础理解这些分子的结构与功能对于解释生命现象、研究疾病机制和发展生物技术至关重要第一章生物大分子概述碳基大分子以碳原子为骨架形成的复杂分子结构高分子量特性2分子量通常在数千至数百万道尔顿范围生物体内广泛分布存在于所有细胞中，执行生命基本功能生物大分子是指在生物体内具有高分子量、结构复杂的有机化合物它们普遍以碳链为骨架，通过多种化学键连接形成特定空间构象这些大分子在细胞内外广泛分布，是维持生命活动的物质基础理解生物大分子的基本特性是深入学习分子生物学和生物化学的前提，也是后续研究各类生物大分子的必要基础生物大分子的共同特征高分子量与复杂性特定空间构象生物大分子通常由成百上千个亚基通过共价键连接而成，分子量从数千大分子不是随机排列的，而是折叠成特定的三维结构，这种空间构象对到数百万道尔顿不等，结构高度复杂其功能至关重要结构决定功能水溶液特性大分子的结构与其生物学功能紧密相关，结构变化通常导致功能改变或在细胞水环境中，大分子表现出独特的溶解性、电荷分布和构象变化特丧失性这些共同特征使生物大分子能够在生物系统中执行高度特异的功能，支持从细胞代谢到遗传信息传递的各种生命过程生物大分子的分类蛋白质核酸由氨基酸构成的功能分子，是生命活动的主要包括DNA和RNA，负责遗传信息的存储和表达执行者•基因组成部分•催化生化反应12•蛋白质合成中介•提供结构支持•基因表达调控•参与信号传导多糖脂质由单糖分子通过糖苷键连接而成的复杂碳水化疏水性或两亲性分子，是细胞膜的主要成分合物•形成生物膜•能量储存•能量储存•细胞结构支持•信号传导•细胞识别这四类大分子共同构成了生命的物质基础，它们之间相互作用，协同完成复杂的生命活动生物大分子的研究方法分离纯化技术通过离心、色谱和电泳等方法，从复杂的生物样品中分离出特定的大分子类型这些技术利用大分子的理化性质差异，如大小、电荷和亲疏水性，实现高纯度分离•超速离心法•各类色谱技术•电泳分离方法结构分析方法采用现代物理技术解析大分子的精细结构，从一级序列到三维空间构象这些方法为理解结构与功能关系提供了关键信息•X射线晶体衍射•核磁共振波谱•冷冻电镜技术功能研究方法通过生物化学、分子生物学和生物物理学方法研究大分子的生物学活性和功能机制，揭示其在生命活动中的作用•酶活性测定•DNA-蛋白质互作分析•基因表达研究这些研究方法的结合应用使科学家能够从多个角度全面研究生物大分子，促进了分子生物学和生物化学的快速发展第二章蛋白质蛋白质是生物体内最丰富、功能最多样的大分子，由20种基本氨基酸通过肽键连接形成它们的多样性不仅体现在一级结构的氨基酸序列上，还表现在高级结构的空间折叠上蛋白质在生命活动中扮演核心角色，从催化生化反应的酶，到提供结构支持的骨架蛋白，再到参与信号传导的受体蛋白，几乎所有细胞过程都离不开蛋白质的参与本章将系统介绍蛋白质的结构层次与功能多样性氨基酸基本结构氨基酸分类氨基酸是蛋白质的基本单元，每个氨基酸分子都包含一个中心碳根据R基团的性质，氨基酸可分为几类原子（α碳），连接着一个氨基-NH

2、一个羧基-COOH、一•非极性氨基酸如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸个氢原子以及一个特异性的R基团•极性非带电氨基酸如丝氨酸、苏氨酸正是R基团的多样性赋予了20种常见氨基酸不同的理化性质，进•带正电荷氨基酸如赖氨酸、精氨酸而影响蛋白质的结构与功能•带负电荷氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸这种分类反映了氨基酸侧链在水溶液中的相对亲水性或疏水性，直接影响蛋白质的折叠和相互作用氨基酸的特性两性离子特性基团的多样性R氨基酸分子在水溶液中呈现两性离20种常见氨基酸具有不同的侧链结子形式，即氨基带正电（-构，赋予它们独特的理化性质这NH3+），羧基带负电（-COO-些性质包括体积大小、电荷特性、）在不同pH环境下，质子化程度亲疏水性和化学反应活性等不同，导致氨基酸的净电荷发生变R基团的多样性是蛋白质结构和功化能多样性的基础，决定了蛋白质的每种氨基酸都有特定的等电点，在折叠方式和相互作用特性该pH值下分子呈电中性状态，这一特性是蛋白质电泳分离的理论基础立体异构特性除甘氨酸外，所有氨基酸的α碳都是手性中心，形成D型和L型两种立体异构体自然界的蛋白质几乎完全由L型氨基酸构成这种立体异构选择性对蛋白质的三维结构和生物活性至关重要，是生命过程中分子识别的基础肽键与多肽肽键形成通过脱水缩合反应，氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基连接肽键特性部分双键性质，平面结构，顺式构型为优势多肽链方向性从氨基端（N端）到羧基端（C端）的方向性肽键是蛋白质骨架的基本连接方式，它通过脱水缩合反应形成，连接相邻氨基酸肽键具有部分双键性质，导致其围绕的原子共平面，旋转受限这种平面性质对蛋白质二级结构形成至关重要多肽链具有明确的方向性，通常以从N端到C端的方式表示序列蛋白质合成过程也是从N端向C端方向进行的了解肽键特性是理解蛋白质高级结构形成的基础蛋白质的一级结构线性序列基因编码折叠决定因素测序技术氨基酸以特定顺序通过肽键连接形序列由DNA基因编码决定，体现中一级结构包含了蛋白质折叠所需的埃德曼降解法和质谱技术是主要测成的链状分子心法则全部信息序方法蛋白质的一级结构是指构成蛋白质的氨基酸按特定顺序排列形成的线性序列这种序列是由基因编码的，通过DNA转录和翻译过程最终表达为蛋白质一级结构决定了蛋白质如何折叠成特定的三维形态，因此包含了蛋白质结构和功能的全部信息现代蛋白质测序技术可以准确测定氨基酸序列，为研究蛋白质结构与功能关系提供基础数据许多遗传疾病正是由于基因突变导致蛋白质一级结构改变所致蛋白质的二级结构螺旋α螺旋状结构，每转

3.6个氨基酸，螺旋内侧氢键稳定氨基酸R基团指向螺旋外侧，最适合由小型非极性氨基酸构成α螺旋在球状蛋白和膜蛋白中广泛存在，如血红蛋白和肌红蛋白折叠β由多条伸展的多肽链通过氢键连接形成的片层结构多肽链可以平行或反平行排列，形成不同类型的β折叠这种结构常见于纤维蛋白、丝素蛋白等结构蛋白中无规则卷曲不具有规则周期性的结构区域，但并非完全随机这些区域通常具有较高的灵活性，常位于蛋白质表面或连接规则二级结构元件在蛋白质功能中可能扮演重要角色蛋白质二级结构是由氢键稳定的局部有序结构这些结构形成的主要驱动力是主链肽键平面之间的氢键作用，而非侧链相互作用二级结构的形成对蛋白质整体三维结构的稳定性具有重要意义蛋白质的三级结构疏水作用氢键与离子键疏水性氨基酸倾向于聚集在蛋白质内部，远极性基团间形成的非共价键，提供稳定性离水环境范德华力二硫键分子间的弱相互作用，数量众多时产生显著半胱氨酸之间形成的共价键，大幅增强结构稳定效应稳定性蛋白质的三级结构是指整个多肽链在空间中的三维折叠构象这种折叠主要由侧链之间的相互作用驱动，包括疏水作用、氢键、离子键、二硫键和范德华力等其中疏水作用是主要驱动力，将疏水性氨基酸侧链聚集在分子内部，形成疏水核心三级结构的形成不仅依赖于氨基酸序列本身，还受到环境因素如pH、温度和离子强度的影响正确的三级结构对蛋白质功能至关重要，结构异常可导致多种疾病蛋白质的四级结构2+4亚基数量血红蛋白亚基多数功能性蛋白质由两个或更多亚基组成经典四级结构例子两个α亚基和两个β亚基60+病毒壳蛋白某些病毒壳体可含有数十至数百个亚基蛋白质的四级结构是指由多个多肽链（亚基）组装形成的功能性蛋白质复合体这些亚基可以相同（同源多聚体）或不同（异源多聚体），通过非共价键相互作用结合在一起四级结构的形成增强了蛋白质的稳定性，并为复杂功能提供了结构基础亚基间的相互作用通常涉及疏水接触、静电相互作用和氢键，有时还包括金属离子配位键四级结构的变化可用于调节蛋白质活性，例如血红蛋白通过亚基间的协同作用来调节氧的结合与释放这种结构层次为蛋白质功能提供了更复杂的调控机制蛋白质结构与功能氨基酸序列一级结构提供折叠所需的全部信息特定三维折叠形成具有精确空间构象的结构分子识别表面形成特异性结合位点和活性中心生物学功能催化、运输、信号传导、防御等多种功能蛋白质结构与功能之间存在着密切关系，这是分子生物学的核心原理之一蛋白质的功能直接依赖于其独特的三维结构，而这种结构又由氨基酸序列决定正确的折叠使蛋白质形成特定的分子表面、口袋和沟槽，这些结构特征使其能与特定分子相互作用结构域是蛋白质中具有独立折叠和功能的区域，一个蛋白质可包含多个结构域，每个结构域可能执行不同功能通过结构域的组合，蛋白质能够实现复杂而多样的功能解析蛋白质结构是理解其功能和设计靶向药物的关键步骤蛋白质折叠与变性未折叠状态新合成的多肽链或变性蛋白，构象多样但无序折叠中间体部分有序结构形成，如疏水核心和局部二级结构熔球状态具有大部分二级结构但三级结构尚不完全的中间态天然状态能量最低的稳定构象，具有完整的三维结构蛋白质折叠是新合成的多肽链形成功能性三维结构的过程这一过程遵循能量最小化原则，通常在毫秒至秒级时间内完成蛋白质折叠的驱动力主要来自疏水相互作用，同时受到熵减少的阻碍分子伴侣蛋白如热休克蛋白在细胞内辅助折叠过程，防止错误折叠和聚集变性是蛋白质三维结构被破坏的过程，可由多种因素引起，如高温、极端pH值、有机溶剂和变性剂蛋白质错误折叠与多种疾病相关，如阿尔茨海默病、帕金森病和朊病毒病，这些疾病涉及蛋白质聚集形成不溶性沉淀蛋白质功能分类酶类蛋白质•催化生化反应•提高反应速率•高度特异性•例如DNA聚合酶、胰蛋白酶结构蛋白•提供细胞和组织支持•形成细胞骨架•赋予组织弹性和强度•例如胶原蛋白、角蛋白运输蛋白•跨膜运输物质•血液中携带分子•维持体内平衡•例如血红蛋白、葡萄糖转运蛋白防御蛋白•识别和中和外来物质•参与免疫反应•抵抗病原体入侵•例如抗体、补体蛋白蛋白质根据其生物学功能可分为多种类型，上述分类仅为主要几类此外还有调节蛋白（如激素和转录因子）、存储蛋白（如卵白蛋白）和收缩蛋白（如肌动蛋白和肌球蛋白）等一个蛋白质可能同时具有多种功能，在不同环境下表现出不同的活性第三章核酸核酸的发现历程核酸的基本类型核酸最早由米舍尔在1869年从白细胞细胞核中分离得到，命名核酸主要分为两类脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸为核素随后Watson和Crick于1953年解析了DNA的双螺旋（RNA）DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的长期存储结构，揭示了遗传信息存储与传递的分子基础者；RNA主要分布在细胞质中，参与遗传信息的表达过程核酸研究的发展开创了分子生物学时代，为理解生命本质提供了•DNA双链结构，脱氧核糖作为糖基关键视角核酸作为遗传信息的分子载体，是生物体中最重要的•RNA通常为单链，核糖作为糖基信息分子•DNA含有A、T、G、C四种碱基•RNA中T被U（尿嘧啶）取代核酸是生命系统中信息存储和传递的关键分子，体现了生物学中心法则DNA复制自身，转录为RNA，最终翻译为蛋白质理解核酸结构与功能对于现代生物技术和医学研究至关重要核苷酸结构核苷酸完整结构1由碱基、五碳糖和磷酸基团组成的复合物核苷2碱基与五碳糖的连接体含氮碱基嘌呤（A、G）或嘧啶（C、T/U）结构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通过N-糖苷键与五碳糖相连形成核苷，再通过酯键与磷酸基团相连形成完整的核苷酸碱基分为两大类嘌呤（腺嘌呤A和鸟嘌呤G）和嘧啶（胞嘧啶C、胸腺嘧啶T和尿嘧啶U）在DNA中使用ATGC四种碱基，而RNA中T被U替代核苷酸之间通过3到5磷酸二酯键连接，形成具有方向性的多核苷酸链这种连接方式产生了核酸骨架的极性，一端为5端，另一端为3端结构DNA双螺旋结构DNA由两条相互缠绕的多核苷酸链组成，形成右手螺旋两条链方向相反（反平行），通过碱基对之间的氢键相连每完成一圈螺旋约有10个碱基对，螺距为

3.4纳米碱基配对原则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）这种特异性配对是DNA复制和转录的分子基础，确保了遗传信息的准确传递构象多样性DNADNA可以存在于不同构象中，主要有A型、B型和Z型B型是生物体内最常见的形式，而A型和Z型在特定条件下出现，具有不同的螺旋参数和结构特征DNA结构的稳定性来源于多种力的协同作用碱基对之间的氢键，碱基堆积产生的疏水相互作用，以及带负电的磷酸骨架与水分子和金属离子的相互作用这种结构既稳定又灵活，允许在复制和转录过程中暂时解开双螺旋DNA分子还可以形成超螺旋，这是DNA在细胞内紧密包装的必要形式超螺旋可以是正超螺旋或负超螺旋，对DNA拓扑结构和基因表达调控有重要影响功能DNA遗传信息存储DNA是生物体遗传信息的长期存储载体基因组中的每个基因包含编码特定蛋白质或RNA分子的信息人类基因组包含约30亿个碱基对，编码约2万个蛋白质编码基因复制DNA在细胞分裂前，DNA通过半保留复制机制精确复制DNA解旋酶打开双螺旋，DNA聚合酶沿着模板链合成新链这一过程具有极高的准确性，错误率约为10^-9基因表达DNA中的基因通过转录和翻译过程表达为蛋白质转录因子结合到DNA特定区域，调控基因的开启或关闭这种调控机制使细胞能够应对环境变化和发育需求DNA的主要功能是存储和传递遗传信息通过精确的复制机制，DNA可以在世代间传递基因组信息；通过转录和翻译过程，DNA中的遗传密码被转化为功能性蛋白质DNA还含有非编码区域，这些区域参与基因表达调控和染色体结构维持DNA损伤可能导致遗传疾病和癌症，因此细胞进化出复杂的DNA修复机制来维护基因组完整性现代生物技术如基因工程、基因测序和基因编辑都基于对DNA结构和功能的深入理解类型与结构RNA信使转运核糖体RNA mRNARNA tRNARNA rRNA携带从DNA到核糖体的遗传信息，用于指导负责将氨基酸运送到核糖体，是翻译过程的关构成核糖体的主要成分，为蛋白质合成提供结蛋白质合成mRNA具有5帽子结构、编码区键适配器分子典型的tRNA呈三叶草状二级构和催化平台人类核糖体含有四种rRNA和3端多聚A尾巴，这些结构保护mRNA免受结构和L形三级结构，一端识别mRNA密码（28S、18S、

5.8S和5S），与多种蛋白质共降解并促进翻译起始人类mRNA平均长度约子，另一端连接特定氨基酸每种氨基酸至少同组装成核糖体亚基rRNA不仅是结构支为2000个核苷酸有一种对应的tRNA架，还具有催化肽键形成的核心功能除上述主要类型外，细胞中还存在多种非编码RNA，如微小RNAmiRNA、长链非编码RNAlncRNA和小干扰RNAsiRNA等，它们在基因表达调控和细胞功能中扮演重要角色RNA通常为单链结构，但常形成复杂的二级和三级结构，这些结构对RNA功能至关重要功能RNA遗传信息传递蛋白质合成mRNA作为DNA和蛋白质之间的信息中介，将遗传密码从细胞核传递到细胞RNA在翻译过程中发挥多重作用mRNA提供遗传密码，tRNA携带氨基质中的核糖体在真核生物中，初生mRNA需经过剪接、修饰等加工过程才酸，rRNA构成核糖体并催化肽键形成这一过程体现了RNA在生命起源和能形成成熟mRNA这一过程使基因表达调控更加复杂和精细进化中的核心地位，支持RNA世界假说基因表达调控催化活性多种非编码RNA参与精细调节基因表达miRNA和siRNA通过RNA干扰机制某些RNA分子具有催化活性，称为核酶核糖体中的rRNA催化肽键形成；抑制特定mRNA的翻译；lncRNA可以招募染色质修饰复合物影响基因转自剪接内含子可催化自身从RNA前体中切除；RNase P参与tRNA加工这些录；核糖开关riboswitch能感知特定分子并调整mRNA结构影响其翻译发现改变了传统上认为只有蛋白质才具有催化能力的观点RNA分子的功能多样性远超早期认识，现代研究发现RNA在细胞内执行结构、催化和调控等多种功能RNA在生命起源中可能扮演了核心角色，这一观点构成了RNA世界假说的基础基于RNA功能的理解已发展出多种治疗策略，如反义寡核苷酸和RNA干扰技术第四章多糖结构多糖保护多糖提供结构支持的多糖提供保护功能的多糖•纤维素（植物）•透明质酸（结缔组织）•几丁质（真菌、节肢动物）•肝素（抗凝血）能量多糖信号多糖用于储存能量的多糖参与细胞识别和信号传导•淀粉（植物）•细胞表面糖蛋白•糖原（动物）•糖脂复合物多糖是由大量单糖通过糖苷键连接形成的复杂碳水化合物，是生物体中分布广泛的一类大分子根据其组成和功能，多糖可分为多种类型能量多糖主要用于储存能量，结构多糖提供机械支持，保护多糖形成保护层或参与免疫过程，而信号多糖则参与细胞识别和信号传导不同生物体中的多糖结构和功能各异，反映了它们在进化过程中适应不同环境和生理需求的结果多糖研究对于理解细胞生物学、发育过程和疾病机制具有重要意义单糖结构结构多样性环化反应单糖是构成多糖的基本单元，是一类不能被水解为更简单化合物在水溶液中，大多数单糖分子通过分子内的亲核加成反应形成环的多羟基醛或酮根据羰基类型，单糖分为醛糖（如葡萄糖）和状结构六碳糖通常形成六元环（吡喃环），五碳糖则形成五元酮糖（如果糖）根据碳原子数量，可分为三碳糖（如丙糖）、环（呋喃环）环化过程中产生新的手性中心，形成和两种αβ五碳糖（如核糖）和六碳糖（如葡萄糖）等异构体，它们在羟基方向上存在差异单糖分子中含有多个手性中心，因此存在多种立体异构体D型不同构型的单糖及其异构体具有不同的物理和生化特性，这种多和L型是根据分子中最远端手性碳原子的构型来区分的，生物体样性是碳水化合物功能丰富的基础单糖的构型对多糖的结构和内主要使用D型糖功能有决定性影响，例如α-1,4糖苷键连接的直链淀粉和β-1,4糖苷键连接的纤维素具有完全不同的性质糖苷键形成过程一个单糖的羟基与另一个单糖的异头碳脱水缩合构型α连接基团与环平面呈反方向，向下排列构型β连接基团与环平面方向相同，向上排列糖苷键是多糖中单糖单元之间的化学键，由一个单糖的羟基与另一个单糖的半缩醛羟基通过脱水缩合反应形成糖苷键的形成需要脱去一分子水，其逆反应（水解）则需要添加一分子水糖苷键的形成是多糖合成的关键步骤，也是碳水化合物代谢的重要反应糖苷键的结构有两种主要类型α-糖苷键和β-糖苷键，区别在于连接基团相对于糖环平面的空间取向这种构型差异虽微小，却导致多糖性质的显著不同例如，α-1,4连接的淀粉呈螺旋状结构，易于消化；而β-1,4连接的纤维素形成直线状结构，具有高强度且人体无法消化糖苷键的多样性是多糖结构和功能多样性的基础常见多糖淀粉与糖原纤维素几丁质与透明质酸淀粉是植物的主要储能多糖，由直链淀粉纤维素是地球上最丰富的有机物，是植物细胞几丁质是昆虫外骨骼和真菌细胞壁的主要成（α-1,4糖苷键）和支链淀粉（α-1,4和α-1,6糖壁的主要成分由葡萄糖通过β-1,4糖苷键连分，由N-乙酰葡萄糖胺通过β-1,4糖苷键连苷键）组成糖原是动物体内的储能多糖，结接形成直链结构，多条链平行排列并通过氢键接结构类似纤维素但强度更高，提供保护和构类似支链淀粉但分支更多，有利于快速分解相互连接，形成高强度微纤维这种结构赋予支持功能透明质酸是动物结缔组织中的重要释放能量这些多糖可被淀粉酶水解，是人体植物细胞刚性和强度，但人体缺乏水解β-1,4成分，由葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺交替碳水化合物的主要来源糖苷键的酶，无法消化纤维素连接组成它具有高度亲水性和黏弹性，在关节润滑、组织水合和伤口愈合中发挥重要作用多糖功能70%植物干重纤维素占植物细胞壁干重的比例600g人体糖原健康成人体内储存的平均糖原量15g透明质酸人体内总含量，分布于结缔组织2000x水合能力透明质酸可吸收自身重量2000倍的水多糖在生物体内执行多种重要功能作为能量储存物质，淀粉和糖原可在需要时被降解为葡萄糖提供能量结构多糖如纤维素和几丁质提供细胞和组织的机械支持，赋予植物细胞刚性和昆虫外骨骼强度这些结构多糖通过特定的空间排列和分子间相互作用形成高强度超分子结构多糖还在细胞识别和免疫过程中发挥关键作用细胞表面的糖蛋白和糖脂作为分子标记，参与细胞间通讯和免疫识别某些多糖如透明质酸具有保水性和润滑作用，维持组织水合和关节润滑肝素是一种硫酸化多糖，具有抗凝血活性，广泛用于医疗领域多糖结构和功能的多样性使其成为生物体中不可或缺的大分子糖蛋白与糖脂结构特点生物膜中的作用细胞表面标记糖蛋白是蛋白质与寡糖共价结合形成的复合物，连糖蛋白和糖脂是生物膜的重要组成部分，其糖链通细胞表面的糖蛋白和糖脂构成细胞特异性的分子接方式包括N-糖基化（与天冬酰胺侧链连接）和常朝向细胞外侧，形成称为糖萼的结构这些分子身份证，参与细胞识别、免疫反应和病原体结O-糖基化（与丝氨酸或苏氨酸侧链连接）糖脂则在细胞识别、细胞黏附、信号传导和免疫反应中发合例如，ABO血型就是由红细胞表面糖蛋白决定是由脂质与碳水化合物通过糖苷键连接形成的复合挥关键作用的，不同的末端糖基修饰产生不同血型物，如神经节苷脂和脑苷脂•影响膜流动性和微结构•决定血型的分子基础•寡糖链通常位于分子表面•参与跨膜信号传导•病毒和细菌的结合位点•结构高度多样化•形成膜微区域（脂筏）•免疫系统识别的靶标•修饰过程在内质网和高尔基体进行糖蛋白和糖脂的异常与多种疾病相关，包括先天性糖基化障碍、自身免疫疾病和某些癌症肿瘤细胞表面的糖基化模式通常发生改变，这可作为诊断标志物和潜在治疗靶点研究糖蛋白和糖脂对理解细胞表面生物学和开发新型治疗策略具有重要意义第五章脂质疏水性特征两亲性结构脂质是一类在水中不溶但能溶于有机溶许多膜脂质分子同时具有亲水性头部和剂（如乙醇、乙醚）的生物分子这种疏水性尾部，这种两亲性结构使它们能疏水性源于其分子结构中含有大量非极在水环境中自发形成双分子层这种自性烃基团正是这种特性使脂质成为隔组装特性是生物膜形成的物理化学基离水环境的理想物质，例如形成细胞膜础，细胞膜的流动镶嵌模型就建立在这隔离内外环境一特性之上分类多样性脂质家族包含结构多样的成员，主要分为简单脂质（如中性脂肪）、复合脂质（如磷脂、糖脂）和衍生脂质（如固醇类、脂溶性维生素）尽管结构各异，它们都参与生物体的能量存储、信号传导和膜结构维持等重要功能脂质是生物大分子中相对独特的一类，不同于由单体通过共价键连接形成的多聚物（如蛋白质和核酸）它们通过非共价相互作用形成超分子结构，如脂滴和生物膜这种组织方式赋予了脂质结构的动态性和可塑性，使其能够适应细胞内外环境的变化理解脂质的结构与功能对于研究细胞生物学、营养学和多种代谢性疾病具有重要意义脂质代谢紊乱与肥胖、糖尿病、心血管疾病等多种现代文明病密切相关脂肪酸基本结构与分类与脂肪酸ω-3ω-6脂肪酸是由碳氢链和一个羧基组成的长链脂肪族羧酸根据碳链多不饱和脂肪酸可根据最后一个双键到末端甲基（端）的距离ω中是否含有双键，脂肪酸分为饱和脂肪酸（无双键）和不饱和脂分类ω-3脂肪酸（如α-亚麻酸、EPA和DHA）和ω-6脂肪酸肪酸（含一个或多个双键）不饱和脂肪酸又可根据双键数量分（如亚油酸和花生四烯酸）是两类重要的必需脂肪酸，人体无法为单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸合成而必须从食物中获取天然脂肪酸通常含有偶数个碳原子（如C16棕榈酸和C18硬脂这两类脂肪酸在体内转化为不同的生物活性分子，如前列腺素和酸），这与生物合成途径有关不饱和脂肪酸的双键通常为顺式白三烯，参与炎症反应和免疫调节ω-3脂肪酸通常具有抗炎作构型，形成碳链的弯曲，而反式双键则使链保持相对直线状态用，而某些ω-6脂肪酸则可能促进炎症反应它们的平衡摄入对维持健康至关重要脂肪酸的物理性质（如熔点）受其结构特征影响碳链越长，熔点越高；不饱和度越高，熔点越低这解释了为什么饱和脂肪（如动物脂肪）在室温下呈固态，而不饱和脂肪（如植物油）呈液态这些特性也影响细胞膜的流动性，不饱和脂肪酸含量高的膜在低温下仍能保持适当流动性甘油脂鞘脂磷脂鞘脂是一类以鞘氨醇而非甘油为骨架的复合脂质主要包甘油三酯磷脂是生物膜的主要成分，结构上由甘油骨架、两条脂肪括鞘磷脂（如神经鞘磷脂）和糖鞘脂（如脑苷脂和神经节甘油三酯是由一分子甘油与三分子脂肪酸通过酯键连接形酸链和一个含磷极性头部组成最常见的磷脂是磷脂酰胆苷脂）鞘脂在细胞膜中含量较少但功能重要，特别富集成的中性脂质，是生物体主要的能量储存形式三个脂肪碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸等磷脂的于神经组织，参与形成脂筏微区域和细胞信号传导酸可以相同或不同，赋予甘油三酯结构多样性动物脂肪两亲性结构（亲水头部和疏水尾部）使其在水环境中自发中饱和脂肪酸含量较高，植物油中不饱和脂肪酸比例较形成双分子层，这是细胞膜形成的物理基础•结构包含一个长链碱基（鞘氨醇）大甘油三酯在人体内主要储存于脂肪组织中，需要时可•通常位于SN-1位的脂肪酸为饱和型水解释放脂肪酸供能•通过酰胺键连接脂肪酸•SN-2位通常为不饱和脂肪酸•某些鞘脂含有复杂的寡糖链•每克提供约9千卡能量•极性头部决定磷脂的具体类型和功能•疏水性使其成为理想能量储存形式•缺乏极性基团，不形成膜结构固醇类1胆固醇胆固醇是动物细胞膜的重要组成部分，由四个相互连接的环状结构组成，具有一个羟基作为极性头部和一个疏水性侧链胆固醇嵌入磷脂双分子层中，调节膜的流动性和通透性在高温下减少膜流动性，在低温下防止膜过度刚性人体胆固醇部分来自食物，但主要在肝脏合成2类固醇激素类固醇激素是由胆固醇衍生的一类脂溶性信号分子，包括性激素（雌激素、孕激素、睾酮）、糖皮质激素（如皮质醇）和盐皮质激素（如醛固酮）这些激素通过结合细胞内受体调控基因表达，影响发育、代谢和应激反应等生理过程它们的脂溶性使其能够穿过细胞膜直接进入细胞内部胆汁酸与维生素D胆汁酸是肝脏中胆固醇代谢的主要产物，作为生物表面活性剂促进脂肪消化和吸收维生素D则是另一种重要的胆固醇衍生物，在皮肤中由7-脱氢胆固醇在紫外线照射下形成，经肝脏和肾脏进一步羟基化后产生活性形式1,25-二羟维生素D3，调控钙磷代谢和骨骼发育固醇类化合物结构特点是含有四环的甾体核心结构，这种结构相对刚性，使它们能在生物膜中起到稳定作用胆固醇的合成和代谢是高度调控的过程，其异常与多种疾病相关，如动脉粥样硬化和胆石症类固醇药物如皮质类固醇和合成性激素被广泛用于临床治疗，但长期使用可能产生多种副作用生物膜结构生物膜是由脂质双分子层和镶嵌其中的蛋白质组成的动态结构1972年提出的流动镶嵌模型描述了膜的基本特性磷脂分子可在膜平面内自由扩散，形成流动性的二维液晶结构；膜蛋白则如同冰山漂浮其中，有的完全穿过膜（跨膜蛋白），有的仅与膜表面相连（周边蛋白）现代研究发现膜结构比早期模型更为复杂，存在功能性微区域如脂筏，这些区域富含胆固醇和鞘脂，形成相对有序的平台，聚集特定膜蛋白参与信号传导膜的非均质性和动态性是其功能多样性的基础，支持细胞内外物质交换、信号感知和能量转换等关键生命过程膜动力学过程如胞吞、胞吐和膜融合是细胞功能的重要组成部分第六章大分子相互作用分子互补性分子表面形状和电荷分布的互补性，类似锁钥关系弱相互作用累积多个氢键、离子键、疏水相互作用和范德华力的协同作用构象变化相互作用过程中的结构调整与诱导契合特异性结合精确识别目标分子，排除非特异性结合生物大分子之间的相互作用是细胞内信息传递和物质代谢的基础这些相互作用依赖于分子表面的互补性，包括几何形状和化学性质的匹配虽然单个非共价键的强度较弱，但多个弱相互作用的累积效应可产生高度特异和稳定的分子结合分子识别的特异性来源于结合表面的精确匹配，有时还涉及结合过程中的构象变化许多大分子相互作用表现出高度特异性但可逆性，这种特性使细胞能够根据环境变化快速调整分子间的结合状态分子相互作用的研究对理解生命过程和设计药物具有重要意义配体受体相互作用-特异性结合构象变化配体与受体结合位点的精确匹配受体结合配体后发生的三维结构变化响应调节4信号传导细胞对外界刺激产生特定生物学反应构象变化触发下游信号分子级联反应配体-受体相互作用是细胞感知外界信号并作出响应的核心机制配体（如激素、神经递质或生长因子）与特定受体结合，引起受体构象变化，启动细胞内信号转导级联反应这种相互作用的特异性源于结合位点的精确互补，涉及空间结构匹配和化学基团定向排列结合亲和力（用解离常数Kd表示）反映了配体与受体结合的紧密程度，典型的生物相互作用Kd值在10^-6至10^-9摩尔范围结合亲和力越高，所需配体浓度越低配体-受体相互作用可表现为不同的动力学特性有的快速结合解离，有的则形成长期稳定复合物这种多样性使细胞能够响应不同时间尺度的信号变化，从毫秒级的神经突触传递到小时级的激素调节酶底物相互作用-底物识别与结合2催化反应发生酶的活性位点与底物分子特异性结合，酶通过多种机制降低反应活化能提供形成酶-底物复合物这一过程涉及多最优反应微环境、稳定过渡态、调整底种非共价力的协同作用，包括氢键、离物反应基团取向、提供催化基团参与反子键、疏水相互作用和范德华力活性应这些作用使酶能将反应速率提高位点的微环境使底物处于有利于反应的10^6至10^14倍，同时避免副反应发构象和化学状态生3产物释放反应完成后，产物从酶活性位点释放，酶分子重新恢复到原始状态，准备进行下一轮催化循环产物释放速率有时是整个反应过程的限速步骤，影响整体催化效率酶与底物的相互作用模型经历了从早期的锁钥模型到现代的诱导契合模型的发展后者认为酶与底物结合过程中双方均可能发生构象变化，更好地解释了酶催化的动态本质酶的特异性源于活性位点与底物的精确结构互补和特定化学环境，这使酶能够从混合物中识别特定分子并催化特定反应酶催化不改变反应的平衡常数，只加速正反应和逆反应达到平衡的速率酶活性可受多种因素调控，包括温度、pH、抑制剂和别构效应等，这种精细调控是细胞代谢网络协同运作的基础蛋白质相互作用DNA-序列特异性识别DNA结构修饰许多DNA结合蛋白能识别特定的DNA序列，这种识某些蛋白质与DNA结合后能改变其结构，如诱导别依赖于蛋白质结构域（如螺旋-转角-螺旋、锌指DNA弯曲、解旋或超螺旋化这些结构变化对DNA和亮氨酸拉链）与DNA碱基和骨架的相互作用识功能至关重要，例如启动转录需要解开双螺旋，而别过程涉及氢键、离子键和疏水相互作用的精确配DNA修复则需要将损伤区域暴露给修复酶对，有时还包括DNA小沟和大沟的几何形状识别•螺旋扭曲和弯曲•直接识别蛋白质与特定碱基形成氢键•局部解链•间接识别感知DNA局部构象和可变形性•拓扑结构改变•协同结合多个蛋白因子共同识别复杂序列染色质重塑高等生物中，DNA与蛋白质复合形成染色质结构染色质重塑蛋白能够调整DNA与组蛋白的相互作用，改变染色质的紧密程度，从而调控基因的可及性这类相互作用往往涉及ATP驱动的大分子机器，能够滑动、重组或替换核小体•核小体重定位•组蛋白变体替换•组蛋白修饰（乙酰化、甲基化等）DNA-蛋白质相互作用是基因表达调控的核心机制，也是DNA复制、修复和重组的基础转录因子与特定DNA序列的结合控制基因的开启与关闭，而组蛋白与DNA的相互作用则决定染色质的结构状态这些相互作用受到多种因素调控，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的参与，构成了复杂的表观遗传调控网络第七章生物大分子的研究技术光谱分析技术利用大分子与电磁辐射相互作用的特性进行研究，包括紫外-可见光谱、荧光光谱、红外光谱和圆二色谱等这些技术可用于测定大分子浓度、研究构象变化、监测分子间相互作用和分析二级结构成分例如，圆二色谱是研究蛋白质二级结构的重要工具，能够区分α螺旋、β折叠等结构元素的比例色谱分离技术基于大分子物理化学性质差异进行分离，包括凝胶过滤色谱（按分子大小分离）、离子交换色谱（按电荷分离）、亲和色谱（利用特异性结合）和疏水相互作用色谱（按疏水性分离）等这些技术是获取高纯度大分子样品的关键步骤，为后续结构和功能研究奠定基础电泳技术利用带电分子在电场中的迁移差异进行分离，包括聚丙烯酰胺凝胶电泳PAGE、SDS-PAGE（蛋白质分子量测定）、等电聚焦（按等电点分离蛋白质）和琼脂糖凝胶电泳（DNA片段分离）等电泳技术操作简便、分辨率高，是生物化学和分子生物学实验室的基本工具现代大分子研究综合运用多种物理、化学和生物学技术，从分子分离纯化到结构测定和功能分析形成完整的技术体系X射线晶体衍射是解析大分子三维结构的经典方法，已解析了数万种蛋白质结构近年来，冷冻电镜技术发展迅速，能够在接近生理条件下观察大分子复合物，正成为结构生物学的重要手段蛋白质组学技术基因组学技术$1000人类基因组测序成本从人类基因组计划的30亿美元降至现今的约1000美元小时24测序时间现代高通量测序平台完成一个人类基因组的时间100+PB全球基因组数据全球每年产生的基因组测序数据量$25B市场规模全球基因组学技术和服务市场年规模基因组学技术经历了从传统Sanger测序到下一代测序NGS再到第三代测序技术的快速发展现代高通量测序平台如Illumina、Ion Torrent和PacBio能够并行测序数百万至数十亿DNA片段，大幅提高了测序速度并降低了成本NGS技术已广泛应用于全基因组测序、转录组分析、表观基因组研究和宏基因组学等领域PCR技术作为DNA扩增的基础方法，已发展出多种变体如实时定量PCR、数字PCR和单细胞PCR等基因芯片技术虽部分被测序技术替代，但在特定应用如基因表达谱分析和SNP检测中仍有重要价值近年来，CRISPR-Cas基因编辑技术的发展为基因功能研究提供了强大工具，能够在细胞和生物体水平精确修改特定基因这些技术的进步正推动生命科学研究进入精准基因组学时代结构生物学技术冷冻电子显微镜X射线晶体衍射通过在极低温度下观察快速冷冻的生物样品，避免传统电镜样品制备的损伤近年技术突破使分辨通过分析X射线照射晶体产生的衍射图案解析大分子三维结构，分辨率可达原子水平（~1Å）是解率大幅提升，现可达亚原子水平（2Å）特别适合研究大型蛋白质复合物和膜蛋白，不需要晶体样析大分子结构的经典方法，但要求样品能形成高质量晶体自1958年解析肌红蛋白结构以来，已有品，能在接近生理状态下观察分子2017年该技术获得诺贝尔化学奖，正引领结构生物学进入新时超过15万种结构通过该技术解析并存入蛋白质数据库代2核磁共振波谱利用原子核在磁场中的共振行为研究分子结构，可在溶液状态下分析蛋白质动态构象特别适合研究小分子和较小蛋白质（30kDa）的结构和分子动力学NMR不仅能解析结构，还能研究分子运动、相互作用和动态过程，揭示蛋白质功能的动态基础当代结构生物学常综合多种技术优势X射线提供高分辨率静态结构，NMR揭示分子动态信息，冷冻电镜则适合研究大型复合物原子力显微镜AFM能在接近生理条件下观察单分子表面拓扑结构和力学特性小角X射线散射SAXS适合研究溶液中大分子的整体形状和柔性区域结构大分子结构信息与功能研究结合，支持计算生物学方法如分子对接和动力学模拟，帮助理解分子相互作用机制和设计靶向药物结构生物学技术的进步持续加深我们对生命分子机器工作原理的理解第八章生物大分子与生物进化分子进化理论保守性与多样性分子进化理论提出生物大分子是生物进化的核心载体，其序列和生物大分子进化呈现出高度保守性与多样性并存的特点关键功结构变化能够反映生物进化历史根据中性突变理论，大多数分能域往往在漫长进化中高度保守，如核糖体RNA的催化中心、子水平的变异是选择性中性的，因此积累速率相对恒定，形成蛋白质折叠的核心结构和代谢酶的活性位点等这些区域的保守分子钟这一理论为重建生物进化关系提供了全新视角，使得性反映了自然选择对功能约束的强大作用可以基于序列差异定量估算物种分化时间与此同时，大分子的某些区域则表现出高度可变性，这为生物适同时，研究表明不同类型的大分子对变异的容忍度不同功能重应不同环境提供了基础这种变异通过基因复制、外显子重组、要的区域保守性更高，而边缘区域变异较快这种变异速率的不点突变等机制产生，并在选择压力下形成功能创新，推动物种多同成为研究基因功能和重要性的线索样化和适应性进化在分子水平研究生物进化为传统形态学分类提供了独立验证，有时还揭示了形态学方法无法发现的演化关系例如，分子系统学研究证实了鸟类实际上是恐龙的后代，而非独立进化的类群现代分子进化研究结合高通量测序技术和复杂计算方法，能够在全基因组尺度重建生物进化历史，深化我们对生命历程的理解分子系统发育学序列收集获取同源基因或蛋白质序列数据多序列比对序列排列以确定同源位点进化距离计算估算序列间变异程度系统树构建应用算法推断进化关系分子系统发育学利用生物大分子序列信息重建物种演化关系常用的系统树构建方法包括距离法（如邻接法和UPGMA）基于序列差异计算进化距离；最大简约法寻找需要最少进化变化的树；最大似然法评估不同树拓扑结构下观察到序列数据的可能性；贝叶斯法则综合先验知识和序列数据计算后验概率每种方法各有优缺点距离法计算简单但信息损失较多；最大简约法概念清晰但假设简单；最大似然法理论基础坚实但计算量大；贝叶斯方法能估算不确定性但依赖模型假设现代研究通常结合多种方法，并通过自展法评估树的可靠性分子钟假设允许我们将系统树分支长度转换为实际时间尺度，从而估算物种分化的绝对年代基因组与蛋白质组演化基因复制序列变异原有基因被复制形成多个拷贝冗余拷贝积累突变而不受选择压力限制2选择固定功能分化有益变异在种群中固定新拷贝获得新功能或优化原有功能基因组和蛋白质组的演化是生物多样性的分子基础基因复制是新基因产生的主要机制，可通过区段复制、染色体或全基因组复制事件发生复制后的基因拷贝通常面临三种命运保持原功能（功能冗余）、获得新功能（新功能化）或失去功能成为假基因这一过程推动了基因家族的扩张和分化，如脊椎动物血红蛋白家族和嗅觉受体基因家族蛋白质结构域是独立折叠的功能单元，被认为是蛋白质进化的基本单位通过结构域洗牌、融合和分离，生物可以创造具有新功能的蛋白质物种树与基因树的比较可揭示基因水平转移、基因丢失和重复等复杂进化事件现代比较基因组学研究表明，虽然物种表型差异巨大，但核心代谢和发育通路的基因组成却高度保守，反映了基础生命过程的演化稳定性第九章生物大分子与疾病蛋白质错误折叠疾病蛋白质错误折叠导致的疾病包括阿尔茨海默病（β-淀粉样蛋白聚集）、帕金森病（α-突触核蛋白聚集）和朊病毒病（朊蛋白错误折叠）等这些疾病的共同特点是特定蛋白质采取异常构象，形成不溶性聚集体，损害细胞功能蛋白质质量控制系统失效是这类疾病的关键因素核酸突变与遗传病DNA序列变异可导致多种遗传疾病，如镰刀型细胞贫血症（单碱基突变导致血红蛋白结构异常）、囊性纤维化（CFTR基因突变影响氯离子通道功能）和亨廷顿舞蹈症（CAG三核苷酸重复扩增）这些疾病反映了基因组完整性对正常生理功能的重要性脂质和多糖相关疾病脂质代谢紊乱与多种疾病相关，如家族性高胆固醇血症（LDL受体基因突变）和动脉粥样硬化（脂质堆积导致血管炎症）多糖相关疾病包括糖原贮积病（糖原代谢酶缺陷）和糖基化障碍（影响糖蛋白合成）这些疾病突显了脂质和多糖平衡对健康的重要性研究生物大分子与疾病关系不仅有助于理解疾病机制，还为开发诊断和治疗策略提供基础现代分子医学正努力开发针对特定分子异常的精准治疗方法，如针对蛋白质错误折叠的化学伴侣、针对基因突变的基因治疗和针对异常脂质代谢的靶向药物等分子医学应用靶向药物设计基于生物大分子结构的理性药物开发基因疗法通过导入功能基因修复遗传缺陷蛋白质治疗利用单克隆抗体和重组蛋白进行治疗分子医学将生物大分子研究转化为临床应用结构生物学和计算模拟支持的靶向药物设计已成为现代药物研发的主流方法这种方法基于对疾病相关分子靶点的精确理解，设计能特异结合并调节靶点的小分子化合物例如，针对HIV蛋白酶的抑制剂和针对癌细胞特定激酶的抑制剂都是基于分子结构设计的成功案例基因治疗通过递送功能基因拷贝纠正遗传缺陷，已在某些单基因疾病如脊髓性肌萎缩症和遗传性视网膜病变治疗中取得突破蛋白质靶向治疗如单克隆抗体药物能特异识别并中和疾病相关分子，在癌症、自身免疫疾病和感染性疾病治疗中显示出强大潜力精准医学整合基因组、蛋白质组和代谢组等多组学数据，为个体患者提供定制化治疗策略，代表着未来医学发展的主要方向第十章生物大分子与生物技术重组DNA技术蛋白质工程重组DNA技术是现代生物技术的基础，包括蛋白质工程通过定点突变、区域交换或从头DNA切割（限制性内切酶）、连接（DNA设计等方法改造天然蛋白质，创造具有增强连接酶）和扩增（PCR）等核心操作这些稳定性、改变底物特异性或新催化功能的技术使科学家能够精确操作遗传物质，创造酶这些工程化酶在工业催化、环境治理和具有新性状的生物体应用领域包括基因工生物传感器开发等领域具有广泛应用最新程细胞和生物制剂生产，如胰岛素、人生长的计算设计方法如AlphaFold和激素和各种抗体药物的工业化生产RosettaDesign正推动蛋白质工程进入新阶段生物材料基于生物大分子的材料结合了生物相容性和功能多样性，包括医用胶原蛋白、壳聚糖材料、透明质酸衍生物和DNA纳米结构等这些材料用于组织工程支架、药物递送系统和生物相容性植入物，在再生医学和生物医药领域具有重要应用前景自组装蛋白质材料则展示了从分子设计到宏观功能的桥梁合成生物学代表了生物大分子技术的前沿，它将工程原理应用于生物系统设计，创造具有新功能的生物元件、装置和系统标准化生物元件库如BioBricks和合成基因线路设计使生物体的编程成为可能这一领域正在开发能生产生物燃料、降解污染物和生物传感的工程微生物，展示了生物技术在能源、环境和医疗领域的变革潜力前沿研究热点基因编辑人工合成大分子生物计算与纳米技术CRISPRCRISPR-Cas系统是一种革命性的基因编辑技人工合成生物大分子是合成生物学的关键能力，生物计算利用大分子的特性执行计算任务，包括术，源自细菌的获得性免疫系统与传统基因编从最早的人工合成胰岛素基因到如今的全合成细DNA计算、RNA逻辑门和基于蛋白质的计算系辑方法相比，CRISPR技术操作简便、成本低菌基因组，技术不断突破DNA合成技术使科学统这些系统可以在分子水平执行信息处理，潜廉、精度高，能在几乎任何生物体中实现精确基家能构建从无到有的基因和基因组，创造全新生在应用于疾病诊断和智能药物递送生物纳米技因编辑基础研究应用包括基因功能研究和模式物元件氨基酸扩展技术允许向蛋白质中引入非术则利用核酸和蛋白质的自组装特性构建纳米结生物构建；临床应用包括遗传病治疗、抗病毒治天然氨基酸，赋予蛋白质新性质这些技术为创构，如DNA折纸术创造的纳米机器人和蛋白质疗和癌症免疫疗法等该技术持续演化，新型造具有特定功能的人工生物系统提供了基础，未笼这些技术融合了生物学与纳米科学，开创了Cas蛋白和碱基编辑器正拓展其应用范围来可能催生全新的生物产业材料科学与生物医学的新前沿总结与展望跨学科融合1生物学、化学、物理学、计算科学的深度整合技术驱动创新新型研究方法持续拓展认知边界应用领域扩展从基础科学到医学、农业和工业的全面渗透本课程系统介绍了蛋白质、核酸、多糖和脂质四大类生物大分子的结构特征、功能多样性及其在生命活动中的核心地位我们探讨了大分子间的相互作用机制，研究方法的进步，以及在进化、疾病和生物技术中的重要作用通过学习，希望大家已建立起分子水平理解生命现象的思维方式未来生物大分子研究将向着多尺度整合、动态过程解析和系统功能理解方向发展新型成像技术将实现对单分子动态过程的实时观察；合成生物学将设计全新功能的人工生物大分子；人工智能与计算模拟将加速从序列到结构到功能的预测这些进步将持续深化我们对生命本质的理解，并催生医学、农业和能源等领域的变革性应用。