生物化学教学课件

生物化学教学绪论生物化学的研究内容生物化学是研究生命现象本质的科学，它在分子层面揭示生命活动的化学基础作为生命科学的核心学科，生物化学与分子生物学、细胞生物学等形成密切关联，共同构成现代生命科学的理论基础生物化学的根本目标是阐明生命物质的化学组成、结构特点及其在生命活动中的功能，探索生物体内各种化学反应及其调控机制，从而理解生命的本质生命的基本单位细胞——1原核细胞无核膜包围的核区，无成形的细胞器，遗传物质直接暴露于细胞质中典型代表为细菌和古菌细胞结构相对简单，但代谢功能完整2真核细胞具有由核膜包围的细胞核，含有多种膜性细胞器（线粒体、内质网、高尔基体等）典型代表为动物、植物、真菌和原生生物细胞结构复杂，功能分化明显生物化学的定义与任务生物化学是研究生命体系中分子水平上的化学反应及其相互关系的科学组成与结构代谢与调控研究生物体的化学组成成分，各类生物分子的精细结构及其与功能的关系阐明生物体内物质的合成、降解过程及其调控机制，揭示代谢网络的相互联系能量转换信息传递探索生物体如何获取、储存、释放能量，以及能量在生命活动中的转化与利用研究遗传信息的存储、表达与调控，以及细胞间信号转导的分子机制生物体的化学组成水蛋白质占细胞质量，为生化反应提供介质，约占干重的，执行催化、结构、运输、调60-70%50%参与多种代谢反应节等功能无机元素核酸、、、等离子维持渗透压储存遗传信息，参与基因表达与Na+K+Ca2+Fe2+DNA RNA和电位平衡蛋白质合成脂类糖类构成生物膜，储存能量，参与信号传导提供能量，形成细胞结构，参与信息识别脂质与生物膜脂质的主要分类磷脂构成生物膜的主要成分，含疏水性脂肪酸尾和亲水性头甘油三酯由甘油与三个脂肪酸分子形成，是能量储存的主要形式固醇类如胆固醇，调节膜流动性和稳定性鞘脂存在于神经细胞髓鞘中，参与信号传导脂肪酸脂质的基本构建单元，可分为饱和与不饱和脂肪酸生物膜流动镶嵌模型和于年提出的模型，描述了生物膜的基本结构Singer Nicolson1972磷脂双分子层构成膜的基本骨架•膜蛋白镶嵌或附着于脂质双层中•膜具有流动性，脂质和膜蛋白可在平面内移动•胆固醇分子插入磷脂分子之间，调节膜的流动性与稳定性•胆固醇调节膜流动性糖与多糖单糖二糖最简单的糖类，无法通过水解分解为更简单的糖由两个单糖通过糖苷键连接形成蔗糖葡萄糖果糖，常见食用糖+葡萄糖，生物体主要能量来源C6H12O6麦芽糖两个葡萄糖，淀粉酶水解产物果糖与葡萄糖同分异构体，甜度最高的天然糖乳糖葡萄糖半乳糖，存在于乳汁中+半乳糖乳糖水解产物，参与糖脂和糖蛋白合成核糖与脱氧核糖构成和的戊糖RNA DNA多糖由大量单糖通过糖苷键连接形成的高分子化合物淀粉直链淀粉和支链淀粉和，植物储能物质α-1,4α-1,4α-1,6糖原高度支链多糖，动物储能物质，主要存在于肝脏和肌肉纤维素连接的葡萄糖多聚体，植物细胞壁主要成分β-1,4几丁质乙酰葡萄胺多聚体，构成节肢动物外骨骼N-糖类不仅是能量来源，还在细胞识别、免疫反应和细胞间通讯中发挥重要作用糖蛋白和糖脂在细胞表面形成糖衣，参与细胞识别和信号传导过程氨基酸与多肽氨基酸的基本特征氨基酸是蛋白质的基本构建单元，含有氨基、羧基和特异性侧链基团自然界存在种标准氨基酸，-NH2-COOH R20其中种为人体必需氨基酸（赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸），必须从食物中获8取根据侧链性质，氨基酸可分为非极性氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸）•极性无电荷氨基酸（如丝氨酸、苏氨酸）•酸性氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸）•碱性氨基酸（如赖氨酸、精氨酸）•氨基酸的等电点与两性离子行为在水溶液中，氨基酸以两性离子形式存在，即和同时存在等电点是指氨基酸净电荷为零的值，在此下-NH3+-COO-pH pH氨基酸溶解度最小不同氨基酸的等电点不同，这一特性是蛋白质分离分析的基础多肽链的形成核苷酸与核酸核苷酸的基本结构细胞能量货币与的结构特点ATP DNARNA核苷酸是核酸的基本单元，由三部分组成三磷酸腺苷是最重要的核苷酸之一，作为细（脱氧核糖核酸）ATP DNA胞内能量传递的主要形式含氮碱基可分为嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤）和通常为双螺旋结构，两条链通过碱基互补配对A G•嘧啶（胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶）含有高能磷酸键，水解释放能量驱动生化反应C TU•与，与通过氢键配对•A TG C五碳糖中为脱氧核糖，中为核糖释放约能量DNA2-RNA•ATP→ADP+Pi

7.3kcal/mol主要存在于细胞核中，携带遗传信息•每日周转量约等于体重•ATP（核糖核酸）RNA磷酸基团可含有个磷酸1-3参与多种代谢反应，如磷酸化修饰•通常为单链结构，可形成局部双螺旋•核苷酸通过磷酸二酯键连接形成核酸多聚体含尿嘧啶代替胸腺嘧啶•U T种类多样、、、•mRNA tRNA rRNA等miRNA维生素与辅酶维生素分类水溶性维生素维生素B1（硫胺素）参与糖代谢，缺乏导致脚气病维生素B2（核黄素）参与电子传递，形成FAD维生素B3（烟酰胺）形成NAD+和NADP+维生素B5（泛酸）形成辅酶A维生素B6（吡哆醇）参与氨基酸代谢维生素B12（钴胺素）参与甲基转移，造血维生素C（抗坏血酸）抗氧化剂，参与羟基化脂溶性维生素维生素A（视黄醇）维持视觉，上皮组织健康维生素D（钙化醇）促进钙吸收，骨骼健康维生素E（生育酚）抗氧化，保护细胞膜维生素K（菲醌）参与血液凝固常见辅酶及其功能辅酶来源维生素主要功能NAD+/NADP+维生素B3氧化还原反应，氢原子传递FAD/FMN维生素B2氧化还原反应，电子传递辅酶A维生素B5酰基传递，脂肪酸代谢硫胺素焦磷酸维生素B1α-酮酸的脱羧反应吡哆醛磷酸维生素B6转氨基反应，氨基酸代谢四氢叶酸叶酸单碳单位传递蛋白质的结构层次一级结构蛋白质中氨基酸的线性排列顺序，由肽键连接形成多肽链一级结构由基因编码决定，是蛋白质所有高级结构的基础如胰岛素的一级结构由两条多肽链组成，链个氨基酸，链个氨基酸，通过二硫键连接A21B30二级结构多肽链局部区域形成的规则空间排列，主要由氢键稳定主要形式包括螺旋多肽链呈螺旋状盘绕，每个氨基酸形成一个完整螺旋•α-

3.6折叠多肽链呈伸展状，相邻链段通过氢键连接形成片层结构•β-转角连接不同二级结构单元的短肽段•β-无规卷曲无规则排列的区域•三级结构整个多肽链在三维空间中的折叠排列，形成特定的功能构象三级结构由多种非共价键和相互作用力稳定疏水相互作用非极性氨基酸侧链倾向于聚集在蛋白质内部•离子键带相反电荷的氨基酸侧链之间的静电吸引•氢键不同氨基酸残基间形成的氢键•二硫键半胱氨酸残基间形成的共价键•范德华力分子间的微弱吸引力•四级结构多个蛋白质亚基之间的相互作用形成的功能性复合体如血红蛋白由四个亚基（两个链和两个链）组成的四聚体，αβ具有协同氧结合特性多亚基蛋白常表现出复杂的调节机制，如别构效应蛋白质的功能催化功能结构功能酶是生物催化剂，能显著提高化学反应速率，具有高度的专一性和效率提供细胞和组织的机械支持与形态维持胶原蛋白结缔组织的主要成分•消化酶胃蛋白酶、胰蛋白酶分解食物蛋白质•肌动蛋白肌肉收缩的骨架蛋白•代谢酶己糖激酶催化葡萄糖磷酸化•角蛋白毛发、指甲的主要成分•合成酶聚合酶合成•DNA DNA微管蛋白细胞骨架组成•运输功能负责小分子和离子在体内的运输与分配血红蛋白运输氧气•运铁蛋白运输铁离子•脂蛋白运输脂质•离子通道蛋白膜上离子转运•调节功能防御功能控制生理过程和基因表达保护机体免受外来物质侵害激素胰岛素调节血糖抗体特异性识别抗原••转录因子调控基因表达补体参与免疫反应••生长因子促进细胞生长分化干扰素抗病毒感染••信号传导介导细胞间通讯和信号传递受体蛋白识别并结合信号分子•蛋白传递细胞内信号•G蛋白激酶磷酸化调节蛋白功能•蛋白质的分离与鉴定蛋白质分离技术分离蛋白质的常用方法包括盐析法利用不同蛋白质在不同盐浓度下的溶解度差异进行分离离子交换色谱基于蛋白质表面电荷与固定相离子基团的相互作用凝胶过滤色谱根据蛋白质分子大小分离，小分子能进入凝胶孔隙而被延迟洗脱亲和色谱利用蛋白质与特定配体的特异性结合实现高选择性分离等电点沉淀在蛋白质等电点pH下，溶解度最小，易于沉淀分离核酸的结构与功能的种类与功能RNA在结构上与不同含核糖而非脱氧核糖，含尿嘧啶代替胸腺嘧啶，通常为单链结构根据RNA DNAU T功能不同，可分为多种类型RNA信使

1.RNA mRNA携带从转录的遗传信息•DNA作为蛋白质合成的模板•具有帽子结构和多聚尾，增加稳定性•53A含有编码区（外显子）和非编码区（内含子和）•UTR转运

2.RNA tRNA呈三叶草二级结构，形三级结构•L一端含有反密码子，另一端能结合特定氨基酸•在蛋白质合成中作为氨基酸的载体•实现遗传密码与氨基酸的对应关系•核糖体

3.RNArRNA与蛋白质结合形成核糖体•双螺旋结构提供蛋白质合成的结构骨架DNA•具有催化肽键形成的核酶活性•年，和提出双螺旋模型，揭示了的基本结构特征1953Watson CrickDNA DNA非编码

4.RNA两条多核苷酸链以反平行方式缠绕形成右手螺旋••碱基位于双螺旋内侧，糖-磷酸骨架位于外侧•微小RNA miRNA调控基因表达•腺嘌呤A与胸腺嘧啶T通过两个氢键配对•长链非编码RNA lncRNA参与表观遗传调控•鸟嘌呤G与胞嘧啶C通过三个氢键配对•核内小RNA snRNA参与RNA剪接每个碱基对完成一个螺旋周期，长度约•

103.4nm两条链之间存在互补性，一条链的序列决定另一条链的序列•酶的结构与催化酶的基本特性酶的催化机制酶是生物催化剂，几乎所有生化反应都需要酶的参与锁钥模型是在年提出的早期酶催化理论，Fischer1894作为蛋白质，酶具有以下特点认为酶与底物的结合如同锁与钥匙，底物必须与酶的活性位点完全吻合才能发生催化反应高催化效率能将反应速率提高倍106-1012诱导契合模型是在年提出的改良理论，高特异性只催化特定底物的特定反应Koshland1958认为酶与底物结合过程中，酶的活性位点构象会发生变受调节性活性可被多种因素调控化，以更好地适应底物，类似于手套适应手的形状反应条件温和在生理温度、和压力下高效工作pH酶的组成酶促反应的一般过程大多数酶由蛋白质部分（酶蛋白）和非蛋白质部分组成底物结合底物与酶的活性位点结合形成酶底物复合物-非蛋白质部分可能包括辅助因子金属离子（如、、）转化状态底物分子被活化，化学键重排，形成过渡态Zn2+Mg2+Fe2+辅酶有机分子（如、、辅酶）NAD+FAD A产物释放反应完成，产物从酶上释放，酶恢复原状可辅基与酶蛋白共价结合的非蛋白质部分再次催化酶能降低反应活化能，主要通过以下机制提供最适宜的化学微环境•正确定向底物分子•通过氢键、静电作用等稳定过渡态•提供替代反应途径•暂时改变底物的电子分布•酶促反应动力学米麦克利斯常数（）-Km米歇-门腾Michaelis-Menten方程是描述酶促反应动力学的基本方程其中•v反应速率•Vmax最大反应速率•[S]底物浓度•Km米-麦克利斯常数Km等于使反应速率达到Vmax一半时的底物浓度，反映了酶与底物的亲和力，Km值越小，亲和力越大Km值通常在10-6至10-2M范围内底物饱和与Vmax随着底物浓度增加，反应速率先迅速上升，后逐渐趋于平缓，最终达到最大速率Vmax这种现象称为底物饱和，表明所有酶分子都与底物结合，形成酶-底物复合物酶促反应的抑制竞争性抑制•抑制剂与底物竞争酶的活性位点•增加Km值，Vmax不变•可通过增加底物浓度克服抑制•例琥珀酸脱氢酶被丙二酸抑制非竞争性抑制•抑制剂结合于酶的非活性位点•降低Vmax，Km不变•增加底物浓度不能克服抑制•例重金属离子对含巯基酶的抑制酶活调控与共价修饰别构调节反馈抑制共价修饰别构酶含有催化位点和调节位点，调节物质与调节位点结合，引起代谢途径的终产物抑制该途径中早期关键酶的活性，是一种高效的蛋白质翻译后通过共价修饰调控活性，其中磷酸化去磷酸化是最/酶构象变化，从而影响催化活性代谢控制机制常见的方式正向别构效应调节物质增强酶活性，如氧与血红蛋白结合的协同通常作用于代谢途径的第一个不可逆步骤蛋白激酶催化的磷酸基团转移到蛋白质的特定氨基酸残•ATPγ-作用基（通常是丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸）防止代谢中间产物过度积累•负向别构效应调节物质降低酶活性，如抑制磷酸果糖激酶蛋白磷酸酶催化磷酸基团的水解去除ATP节约能量和原料•磷酸化通常改变蛋白质的构象和电荷分布，从而改变其活性、底物例如胆固醇合成中，胆固醇抑制还原酶；氨基酸合成HMG-CoA别构调节特点是快速、可逆，能使代谢通路对环境变化做出敏感响亲和力或与其他分子的相互作用中，终产物抑制该合成路径中的第一个酶应除了磷酸化，其他重要的共价修饰还包括蛋白质水解如胰蛋白酶原被切割活化为胰蛋白酶糖基化影响蛋白质稳定性和靶向运输乙酰化去乙酰化调控转录因子和组蛋白活性/泛素化标记蛋白质进行降解甲基化影响蛋白质相互作用-DNA生物氧化概述氧化还原反应的基本概念生物氧化是生物体内进行的氧化还原反应，包括脱氢反应底物失去氢原子H，如葡萄糖氧化加氧反应分子氧O2直接结合到底物上电子传递通过载体传递电子，最终传给氧生物氧化的特点•在常温常压下进行•多步骤、分级进行•能量逐步释放并高效利用•有精细的调控机制高能磷酸化合物ATP是最重要的高能磷酸化合物，通过水解释放能量其他高能磷酸化合物•磷酸肌酸（~

10.3kcal/mol）•磷酸烯醇式丙酮酸（~

14.8kcal/mol）•1,3-二磷酸甘油酸（~

11.8kcal/mol）线粒体呼吸链呼吸链是一系列电子载体蛋白复合物，位于线粒体内膜，负责将代谢产生的还原当量（主要是NADH和FADH2）的电子传递给最终电子受体O2，同时偶联ATP合成呼吸链四大复合体复合物I（NADH脱氢酶）NADH→FMN→Fe-S中心复合物II（琥珀酸脱氢酶）FADH2→Fe-S中心复合物III（细胞色素c还原酶）泛醌→细胞色素b→Fe-S中心→细胞色素c1→细胞色素c复合物IV（细胞色素c氧化酶）细胞色素c→细胞色素a→细胞色素a3→O2糖代谢基础1糖酵解（糖的无氧分解）糖酵解是细胞质中进行的分解葡萄糖的代谢途径，共分10步酶促反应，包括两个阶段能量消耗阶段（前步）

51.葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸（己糖激酶，消耗1ATP）

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→果糖-1,6-二磷酸（磷酸果糖激酶，消耗1ATP）

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（磷酸丙糖异构酶）能量产生阶段（后步）

51.甘油醛-3-磷酸→1,3-二磷酸甘油酸（甘油醛-3-磷酸脱氢酶，产生NADH）

2.1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸（磷酸甘油酸激酶，产生1ATP）

3.3-磷酸甘油酸→2-磷酸甘油酸（磷酸甘油酸变位酶）

4.2-磷酸甘油酸→磷酸烯醇式丙酮酸（烯醇酶）

5.磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸（丙酮酸激酶，产生1ATP）总结葡萄糖→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O2三羧酸循环（TCA循环）TCA循环在线粒体基质中进行，是有氧条件下丙酮酸进一步氧化的主要途径关键步骤

1.丙酮酸→乙酰CoA（丙酮酸脱氢酶，产生1NADH）

2.乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸（柠檬酸合成酶）

3.柠檬酸→顺-乌头酸→异柠檬酸（顺乌头酸酶）

4.异柠檬酸→α-酮戊二酸（异柠檬酸脱氢酶，产生1NADH）

5.α-酮戊二酸→琥珀酰CoA（α-酮戊二酸脱氢酶，产生1NADH）

6.琥珀酰CoA→琥珀酸（琥珀酸硫激酶，产生1GTP≈1ATP）

7.琥珀酸→延胡索酸（琥珀酸脱氢酶，产生1FADH2）

8.延胡索酸→苹果酸（延胡索酸酶）

9.苹果酸→草酰乙酸（苹果酸脱氢酶，产生1NADH）每1分子乙酰CoA通过TCA循环产生3NADH+1FADH2+1GTP+2CO23有氧呼吸与发酵对比有氧呼吸•最终电子受体为氧•能量释放充分，产能效率高•葡萄糖完全氧化C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量•产生约30-32ATP/葡萄糖乳酸发酵•无氧条件下，NADH通过还原丙酮酸为乳酸而再生NAD+糖异生与糖原代谢糖异生糖异生是从非糖类物质（如乳酸、丙氨酸、甘油和某些氨基酸）合成葡萄糖的过程，主要发生在肝脏和肾脏，对维持血糖稳定具有重要意义糖异生的原料•乳酸剧烈运动时肌肉产生的乳酸可通过柯里循环在肝脏转化为葡萄糖•甘油脂肪分解产生的甘油可转化为3-磷酸甘油酸进入糖异生•糖原氨基酸丙氨酸、谷氨酸等可转化为丙酮酸或TCA循环中间体糖异生关键酶

1.丙酮酸羧化酶丙酮酸→草酰乙酸（需ATP和生物素）

2.磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶草酰乙酸→磷酸烯醇式丙酮酸（需GTP）

3.果糖-1,6-二磷酸酶果糖-1,6-二磷酸→果糖-6-磷酸

4.葡萄糖-6-磷酸酶葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖（肌肉缺乏此酶）这些酶催化的反应与糖酵解相应步骤正好相反，但使用不同的酶和能量来源，以克服不利的热力学条件脂类代谢12脂肪酸氧化酮体代谢β-脂肪酸β-氧化是脂肪酸在线粒体中分解的主要途径，过程如下酮体是肝脏中脂肪酸不完全氧化的产物，主要包括乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮活化脂肪酸+CoA+ATP→脂酰CoA+AMP+PPi酮体合成（肝脏）转运脂酰CoA通过肉碱穿梭系统进入线粒体

1.两分子乙酰CoA缩合形成乙酰乙酰CoA氧化循环（每循环裂解两个碳原子）

2.乙酰乙酰CoA与第三分子乙酰CoA缩合形成β-羟基-β-甲基戊二酰CoA（HMG-CoA）•脱氢脂酰CoA→反式-2-烯酰CoA（产生1FADH2）

3.HMG-CoA裂解为乙酰乙酸和乙酰CoA•加水反式-2-烯酰CoA→L-3-羟酰CoA

4.乙酰乙酸部分还原为β-羟丁酸，或自发脱羧为丙酮•再脱氢L-3-羟酰CoA→3-酮酰CoA（产生1NADH）酮体利用（外周组织）•裂解3-酮酰CoA→乙酰CoA+缩短2个碳的脂酰CoA

1.β-羟丁酸氧化为乙酰乙酸每氧化一个乙酰CoA单位产生1FADH2+1NADH+1乙酰CoA

2.乙酰乙酸活化为乙酰乙酰CoA例如棕榈酸（C16）完全β-氧化产生7FADH2+7NADH+8乙酰CoA

3.乙酰乙酰CoA裂解为两分子乙酰CoA进入TCA循环能量产量棕榈酸完全氧化约产生106ATP，远高于葡萄糖（约30-32ATP）酮体是脑、心脏等组织在禁食或糖尿病状态下的重要能源与脂肪酸不同，酮体可穿过血脑屏障供应脑组织能量3脂肪酸合成脂肪酸合成主要发生在细胞质中，与β-氧化相比有几个显著区别•合成酶是一个多功能酶复合体，而不是独立的酶•使用NADPH作为还原当量，而非FAD和NAD+•脂酰基中间体与酰基载体蛋白ACP结合，而非CoA•碳链延长方向相反脂肪酸合成的主要步骤

1.乙酰CoA羧化为丙二酰CoA（乙酰CoA羧化酶，消耗ATP）

2.乙酰CoA和丙二酰CoA转移到脂肪酸合成酶复合体

3.缩合、还原、脱水、再还原的循环反应，每循环延长两个碳原子

4.通常合成到棕榈酸（C16）停止

5.超长链和不饱和脂肪酸需要额外的酶系统脂肪酸合成受胰岛素、饮食状态等因素的严格调控高脂饮食与代谢综合征长期高脂饮食可能导致脂质代谢紊乱，引发代谢综合征，表现为中心性肥胖、胰岛素抵抗、高血压、高血脂等过量脂肪在脂肪组织外积聚（如肝脏、肌肉等），产生脂毒性，干扰胰岛素信号通路，加剧胰岛素抵抗同时，脂肪组织分泌的炎症因子增加，加重全身慢性炎症状态，进一步恶化代谢异常核苷酸代谢嘌呤核苷酸代谢嘌呤核苷酸从头合成的关键步骤

1.5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）是合成的起始物质

2.谷氨酰胺提供第一个氮原子

3.甘氨酸提供C

4、C5和N

74.四氢叶酸提供C2和C

85.天冬氨酸提供N

16.最终形成次黄嘌呤核苷酸（IMP）

7.IMP可转化为腺苷酸（AMP）或鸟苷酸（GMP）嘌呤核苷酸补救合成利用已有的嘌呤碱基重新合成核苷酸，节约能量嘌呤核苷酸分解最终产物是尿酸，通过尿液排出体外嘧啶核苷酸代谢嘧啶核苷酸从头合成的关键步骤

1.碳酸氢铵与2分子ATP反应形成氨基甲酰磷酸

2.氨基甲酰磷酸与天冬氨酸结合形成氨基甲酰天冬氨酸

3.环化形成二氢乌嘧啶

4.氧化形成乌嘧啶核苷酸（UMP）

5.UMP可转化为胞苷酸（CMP）和胸苷酸（TMP）嘧啶核苷酸补救合成与嘌呤类似，重新利用嘧啶碱基嘧啶核苷酸分解最终产物是β-氨基异丁酸和NH

3、CO2大分子的生物合成DNA复制1DNA复制遵循半保留机制，即新合成的DNA分子中，每条链都包含一条原始模板链和一条新合成链DNA复制的主要步骤2mRNA转录起始DNA解旋酶和单链结合蛋白打开双螺旋，形成复制叉引物合成RNA引物酶合成短的RNA引物转录是以DNA为模板合成RNA的过程，由RNA聚合酶催化链延长DNA聚合酶按5→3方向合成新链转录的主要步骤•前导链连续合成起始RNA聚合酶结合于启动子，DNA局部解旋•滞后链以岡崎片段形式不连续合成延长RNA聚合酶按5→3方向合成RNA，以DNA的一条链为模板校对DNA聚合酶具有3→5外切酶活性，可校正错配碱基终止RNA聚合酶到达终止子，转录结束，RNA释放连接DNA连接酶连接岡崎片段原核生物转录的特点终止复制叉到达终止位点，复制完成•一种RNA聚合酶催化所有RNA的合成DNA复制具有高度准确性，错误率约为10-9至10-10•转录与翻译可以偶联进行真核生物转录的特点蛋白质翻译3•具有三种RNA聚合酶（I、II、III）催化不同RNA的合成翻译是以mRNA为模板合成蛋白质的过程，在核糖体上进行•转录与翻译在空间和时间上分离翻译的主要步骤•初级转录产物需经过加工（如剪接、加帽、多聚腺苷酸化）形成成熟mRNA起始•原核生物起始因子、mRNA的Shine-Dalgarno序列、起始密码子AUG、起始tRNA（N-甲酰蛋氨酰-tRNA）和核糖体亚基形成起始复合物•真核生物起始因子识别mRNA的5帽子结构，起始复合物在AUG密码子处形成延长•氨酰-tRNA结合到核糖体A位•肽基转移酶催化肽键形成•核糖体移位一个密码子终止•遇到终止密码子（UAA、UAG或UGA）•释放因子识别终止密码子•多肽链释放，核糖体解离抗生素抑制蛋白生物合成的分子靶点许多抗生素通过干扰细菌蛋白质合成发挥抗菌作用例如四环素结合核糖体30S亚基，阻止tRNA进入A位；氯霉素结合50S亚基，抑制肽基转移酶活性；红霉素结合50S亚基，阻碍新生肽链的延长；链霉素结合30S亚基，导致mRNA密码子错读这些抗生素能选择性抑制细菌蛋白质合成而相对不影响人体细胞，是临床上重要的抗感染药物激素调节与信号转导激素的分类与作用机制激素是由内分泌腺或专化细胞分泌的化学信使，通过血液循环到达靶器官发挥作用根据化学结构，激素可分为肽类激素如胰岛素、胰高血糖素、生长激素•水溶性，不能自由穿过细胞膜•结合细胞膜表面受体•通过第二信使系统传递信号类固醇激素如皮质醇、雌激素、睾酮•脂溶性，可自由穿过细胞膜•结合细胞内受体•激素-受体复合物直接调控基因表达氨基酸衍生物如肾上腺素、甲状腺素•根据结构特点，可通过膜表面受体或细胞内受体作用胰岛素与胰高血糖素调控胰岛素和胰高血糖素是调控血糖的主要激素，作用相互拮抗胰岛素（由胰岛细胞分泌，血糖升高时释放）β物质代谢的联系与整合主要代谢途径的交叉连接生物体内各代谢途径并非孤立存在，而是通过共用的中间产物紧密联系在一起，形成复杂的代谢网络糖代谢氨基酸代谢葡萄糖→丙酮酸→乙酰CoA→TCA循环氨基酸→α-酮酸→丙酮酸/乙酰CoA/TCA中间体葡萄糖↔糖原（储存）氨基酸↔蛋白质（合成/分解）葡萄糖↔核糖（核苷酸合成）2氨基酸→尿素循环（排泄氮）核苷酸代谢脂质代谢4核糖-5-磷酸←葡萄糖（戊糖磷酸途径）脂肪酸→乙酰CoA→TCA循环/酮体氨基酸→嘌呤/嘧啶合成甘油→甘油-3-磷酸→糖异生3核苷酸→DNA/RNA合成乙酰CoA→脂肪酸/胆固醇合成不同生理状态下的代谢调控进食状态（高胰岛素低胰高血糖素）长期饥饿（极低胰岛素高胰高血糖素）//肝脏葡萄糖→糖原；氨基酸→蛋白质；乙酰CoA→脂肪酸肝脏氨基酸→葡萄糖（减少）；脂肪酸→酮体（增加）肌肉葡萄糖→糖原/能量；氨基酸→蛋白质肌肉蛋白质分解减少；酮体和脂肪酸→能量脂肪组织葡萄糖→甘油-3-磷酸；脂肪酸→三酰甘油脂肪组织持续脂解特点合成代谢为主，储存能量脑部分使用酮体代替葡萄糖特点节约蛋白质，主要依赖脂肪供能短期饥饿（低胰岛素高胰高血糖素）/剧烈运动肝脏糖原→葡萄糖；氨基酸→葡萄糖；脂肪酸→酮体代谢疾病与代谢综合征型糖尿病IIII型糖尿病是最常见的代谢性疾病之一，全球患病率不断上升主要特征发病机制•胰岛素抵抗外周组织对胰岛素敏感性降低•胰岛β细胞功能逐渐衰竭，胰岛素分泌不足代谢异常•肝脏糖原合成减少，糖异生增加•肌肉葡萄糖摄取减少，糖酵解降低•脂肪组织脂解增强，游离脂肪酸增加临床表现多饮、多食、多尿、体重减轻、疲乏慢性并发症视网膜病变、肾病、神经病变、大血管病变治疗策略生活方式干预、口服降糖药、胰岛素治疗代谢性脂肪肝非酒精性脂肪肝病（NAFLD）是最常见的慢性肝病病理特征肝细胞内脂质（主要是甘油三酯）异常积累发病机制•胰岛素抵抗导致脂肪组织脂解增加•肝脏脂肪酸摄取增加，β-氧化相对不足•肝脏脂质合成增加，极低密度脂蛋白分泌减少疾病谱系单纯性脂肪肝→脂肪性肝炎→肝纤维化→肝硬化治疗原则减轻体重、增加运动、控制血糖和血脂代谢综合征代谢综合征是一组代谢紊乱的集合，包括•中心性肥胖（腰围增加）•高血压•空腹血糖升高•高甘油三酯•低高密度脂蛋白胆固醇生物化学技术应用进展蛋白质工程通过定向进化或理性设计改变蛋白质结构与功能的技术定点突变改变特定氨基酸，修饰酶活性中心1域交换融合不同蛋白质功能域，创造嵌合蛋白计算机辅助设计基于结构预测设计新功能应用生产热稳定酶，设计抗体药物，开发生物传感器基因编辑（）CRISPR革命性基因组编辑技术，基于细菌免疫系统2组成Cas9核酸酶和引导RNA（sgRNA）原理sgRNA引导Cas9精确切割靶DNA序列优势简单、高效、精确、可同时编辑多个位点应用基因功能研究，疾病模型构建，基因治疗代谢组学研究生物体内所有代谢物的系统性分析技术平台质谱、核磁共振等高通量分析方法3数据分析生物信息学工具解析复杂代谢网络代谢流分析追踪同位素标记物研究代谢动态应用疾病生物标志物发现，药物代谢研究，个体化医疗医学诊断中的生化技术应用质谱技术高通量测序质谱分析已成为临床诊断的重要工具新一代测序技术革新了分子诊断领域新生儿筛查串联质谱筛查50多种遗传代谢病全基因组测序发现罕见遗传病致病变异微生物鉴定MALDI-TOF质谱快速鉴定病原菌外显子组测序识别编码区突变，辅助诊断复杂疾病蛋白质组学发现癌症和自身免疫性疾病的生物标志物RNA测序分析基因表达谱，指导癌症分型和治疗药物浓度监测精确测定血液中药物及其代谢物浓度液体活检检测循环肿瘤DNA，早期诊断和监测复发宏基因组测序检测难培养病原体，研究微生物组即时检测技术便携式生化分析仪器改变了临床实践血糖监测持续血糖监测系统实时追踪血糖变化生物传感器基于酶电极或免疫层析技术的快速检测生物化学前沿合成生物学合成生物学的基本概念合成生物学是一门新兴交叉学科，结合生物化学、分子生物学、工程学和计算机科学，旨在设计和构建具有新功能的生物系统与传统生物技术相比，合成生物学更强调标准化、模块化和系统设计，将工程思维应用于生物学研究基因线路设计最小基因组1设计具有特定功能的基因网络，如振荡器、开关、逻辑门电路等，使细胞能够按照预设程序运行确定和构建维持生命所必需的最小基因集，创造具有简化基因组的人工生命形式24代谢工程生物传感与响应重新设计或优化生物体的代谢途径，用于生产有价值的化合物、药物或生物燃料设计能够感知特定环境信号并做出预设响应的生物系统，如检测污染物或疾病标志物3合成生物学的产业化应用生物医药领域疫苗开发与生产胰岛素生产的演进合成生物学为疫苗研发提供新方法传统方法从动物胰腺提取，纯度低，供应有限mRNA疫苗利用体外合成的mRNA，指导细胞表达抗原基因工程1982年首个重组人胰岛素上市，大肠杆菌表达•COVID-19mRNA疫苗仅用11个月从设计到获批合成生物学优化表达系统，提高产量和质量•可快速调整序列应对病毒变异•设计人工启动子和增强子，提高转录效率病毒样颗粒无基因组的病毒外壳，模拟病毒结构但不具感染性•优化密码子使用，增强翻译效率•HPV疫苗、乙肝疫苗采用此技术总结与未来展望生物化学的核心贡献生物化学作为生命科学的基础学科，对医学、农业和环境科学等领域产生了深远影响医学创新•阐明疾病的分子机制，为靶向治疗提供理论基础•发展精准诊断技术，如基因检测、代谢组分析•生物制药技术进步，如重组蛋白药物、基因治疗•个体化医疗的实现，基于遗传和代谢特征制定治疗方案农业发展•作物改良，提高产量、营养价值和抗性•生物农药和肥料开发，减少环境污染•食品安全检测技术，保障食品质量环境保护•生物修复技术，处理环境污染物•可再生能源开发，如生物燃料•生物降解材料研发，减少塑料污染未来研究方向与挑战生物化学研究面临多个前沿领域的重大挑战蛋白质组动态研究理解蛋白质相互作用网络及其时空调控细胞代谢重编程揭示代谢流在疾病和发育中的调控机制膜蛋白结构与功能攻克膜蛋白晶体结构测定难题表观遗传学调控阐明DNA和组蛋白修饰对基因表达的影响生物大分子相分离理解细胞内无膜细胞器形成机制单细胞生物化学发展单细胞分析技术，揭示细胞异质性系统生物学整合构建多层次生物网络模型，预测系统行为人工智能辅助研究利用机器学习预测蛋白质结构和设计新酶职业前景与学科发展研究与学术领域生物技术产业交叉学科发展生物化学研究人员在多种环境中工作生物化学为生物技术产业提供基础生物化学与其他学科的交叉融合•高校和研究所基础研究与教学•基因编辑技术商业化•生物物理学探索生物大分子物理特性。