生物化學生物化學是研究生物體內化學物質結構、性質及其在生命活動中發生的化學變化規律的科學。它是連接化學與生物學的橋梁，為我們理解生命現象提供了分子水平的解釋。生物化學的定義和研究內容1定義生物化學是研究生物體內分子的結構、組成和化學反應的學科，是化學與生物學相結合的交叉科學，主要關注生命活動中的物質變化和能量轉換過程。2研究對象主要研究對象包括蛋白質、核酸、碳水化合物和脂類等生物大分子，以及它們在體內的代謝和調控機制。這些分子構成了生命的物質基礎。研究內容生物化學的發展歷史1早期萌芽期(18-19世紀)1828年維勒合成尿素，打破了有機物只能由生物體合成的觀念。巴斯德研究發酵過程，證明生物體內化學反應由酶催化。2經典生物化學期(19世紀末-20世紀初)布赫納實現無細胞發酵，埃姆登和邁耶霍夫闡明糖酵解途徑，克雷布斯發現三羧酸循環。3分子生物學崛起期(20世紀中期)沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構，蛋白質結構測定技術發展，為理解生命本質提供了分子基礎。4現代生物化學期(20世紀末至今)基因組學、蛋白質組學、代謝組學等技術迅速發展，生物信息學興起，為生命科學研究帶來革命性變化。生物化學與其他學科的關系與化學的關系生物化學應用化學原理和方法研究生物體內的分子結構與反應1與生物學的關系為生物學現象提供分子和化學解釋2與醫學的關系為疾病診斷和治療提供理論依據3與農業的關系指導動植物育種和農作物增產4與工業的關系發展生物技術和生物制藥5生物化學作為一門基礎學科，與多學科緊密相連。它不僅是理解生命科學的基石，也是現代醫藥、農業、食品和環境科學等領域發展的重要支撐。通過生物化學的交叉研究，推動了生命科學的整體進步。氨基酸的結構與性質基本結構氨基酸是含有氨基(-NH?)和羧基(-COOH)的有機化合物，通常以α-氨基酸形式存在于蛋白質中。其中心α碳原子連接著一個氫原子、一個氨基、一個羧基和一個R基團(側鏈)。酸堿性質氨基酸具有兩性特點，在不同pH條件下呈現不同的離子形態。等電點是氨基酸分子中正負電荷數相等時的pH值，在此pH值下氨基酸的凈電荷為零，溶解度最小。物理化學性質氨基酸通常呈現為白色晶體，大多數能溶于水，不溶于非極性溶劑。由于分子中同時含有極性基團和非極性基團，使得氨基酸具有獨特的兩親性特征。氨基酸的分類按側鏈極性分類非極性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸極性非帶電氨基酸：絲氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、半胱氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸：賴氨酸、精氨酸、組氨酸按R基團化學特性分類脂肪族氨基酸：甘氨酸、丙氨酸等芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、甲硫氨酸含羥基氨基酸：絲氨酸、蘇氨酸含咪唑基氨基酸：組氨酸按必需性分類必需氨基酸：賴氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸非必需氨基酸：可由體內其他物質合成的氨基酸肽的結構與命名肽鍵的形成肽鍵是氨基酸之間通過脫水縮合反應形成的共價鍵，具有部分雙鍵特性，呈平面結構，不能自由旋轉。肽鍵的形成是一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基之間脫水形成的酰胺鍵。肽的命名規則按照氨基酸從N端到C端的順序命名，二肽含有兩個氨基酸，三肽含有三個氨基酸，依此類推。如甘氨酸-丙氨酸表示N端為甘氨酸，C端為丙氨酸的二肽。肽的性質肽具有兩性電解質特性，可溶于水，不溶于有機溶劑。肽中的氨基酸數量不同，其性質也有所差異。隨著肽鏈的延長，肽的性質逐漸接近蛋白質。蛋白質的一級結構定義蛋白質的一級結構是指蛋白質分子中氨基酸殘基的排列順序，即蛋白質多肽鏈的氨基酸序列。這是蛋白質最基本的結構層次，決定了蛋白質的其他高級結構和生物學功能。遺傳決定性蛋白質的一級結構是由基因編碼決定的，DNA通過轉錄和翻譯過程指導蛋白質合成。一個基因上的堿基序列對應著特定蛋白質的氨基酸序列。特異性不同蛋白質具有不同的氨基酸序列，這種特異性序列是蛋白質多樣性的基礎。序列的微小變化可能導致蛋白質結構和功能的顯著改變。蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構是指多肽鏈局部區域形成的規則結構，主要通過肽鏈中的肽鍵平面之間的氫鍵穩定。最常見的二級結構包括α-螺旋和β-折疊。α-螺旋是一種右手螺旋結構，每個氨基酸殘基旋轉約100°，每轉3.6個氨基酸殘基。其中，第n個殘基的C=O與第n+4個殘基的N-H之間形成氫鍵，使螺旋結構穩定。α-螺旋的側鏈基團指向螺旋外側。β-折疊是多肽鏈呈鋸齒狀排列的結構，相鄰的肽鏈段可以是平行或反平行排列。在β-折疊中，相鄰肽鏈間通過氫鍵連接穩定。這種結構常見于纖維蛋白和球蛋白中。蛋白質的三級結構結構定義蛋白質的三級結構是指整個多肽鏈在三維空間中的折疊方式，形成具有特定空間構象的分子。這種結構使得遠離的氨基酸在空間上可能靠近，形成功能性的活性中心。穩定力量多種非共價相互作用維持三級結構穩定性，包括氫鍵、疏水相互作用、離子鍵、范德華力和二硫鍵。其中疏水相互作用是主要穩定力量，促使非極性氨基酸側鏈聚集在蛋白質內部。結構特點球狀蛋白通常在外部表面有極性氨基酸側鏈與水接觸，內部核心區域則主要由疏水氨基酸側鏈組成。這種"疏水核心，親水表面"的安排確保蛋白質在水環境中穩定存在。功能關聯蛋白質的三級結構直接決定其生物學功能。例如，酶的特定折疊形成催化活性位點，膜蛋白的折疊方式使其能嵌入生物膜中，結構蛋白的特殊折疊則提供機械強度。蛋白質的四級結構血紅蛋白由四個亞基組成(兩個α鏈和兩個β鏈)，每個亞基含有一個血紅素分子，能夠運輸氧氣。亞基之間通過非共價鍵相互作用形成穩定的四級結構。抗體典型的抗體分子由兩條重鏈和兩條輕鏈組成，呈Y形結構。這種特殊的四級結構使抗體能夠同時與抗原結合和激活免疫系統。膠原蛋白由三條多肽鏈纏繞成三股超螺旋結構，形成極其堅韌的纖維。這種特殊的四級結構賦予膠原蛋白獨特的機械強度，使其成為結締組織的主要成分。蛋白質的四級結構是指由兩個或多個多肽鏈(亞基)通過非共價鍵相互作用組裝成的具有特定生物學功能的蛋白質復合物。亞基之間的相互作用包括氫鍵、疏水相互作用、離子鍵和范德華力。蛋白質的生物學功能催化功能酶類蛋白質能夠加速生物化學反應速率，降低活化能，如消化酶、代謝酶等。酶的催化能力極其高效，特異性強，是維持生命活動的關鍵。1運輸功能血紅蛋白運輸氧氣，血清白蛋白運輸脂肪酸和藥物，轉鐵蛋白運輸鐵離子。這些運輸蛋白確保各種物質能夠在體內安全有效地傳遞。2調節功能激素如胰島素調節血糖，生長激素促進生長發育。蛋白質激素通過與細胞表面受體結合，啟動胞內信號傳遞，調控生理過程。3防御功能抗體識別并中和外來抗原，干擾素抵抗病毒感染，補體系統參與免疫應答。這些蛋白質構成機體防御系統的重要組成部分。4結構功能膠原蛋白提供組織強度與彈性，角蛋白構成毛發指甲，肌動蛋白和肌球蛋白負責肌肉收縮。結構蛋白為細胞和組織提供支持和保護。5蛋白質的變性與復性1變性過程蛋白質高級結構被破壞，失去生物活性2變性因素溫度、pH、有機溶劑、重金屬離子、尿素等3變性機制破壞維持蛋白質結構的非共價鍵4復性條件移除變性劑，恢復適宜環境蛋白質變性是指蛋白質在物理或化學因素作用下，其空間構象發生改變，導致生物活性喪失的過程。變性過程中，蛋白質的一級結構保持不變，但二級、三級和四級結構被破壞。常見的變性因素包括高溫(如煮雞蛋)、極端pH值(如酸奶中的酸使牛奶蛋白質變性)、有機溶劑(如酒精消毒)、重金屬離子和尿素等。復性是蛋白質從變性狀態恢復到天然構象的過程。安芬森的核糖核酸酶實驗首次證明了蛋白質的一級結構決定其高級結構，即在適當條件下，蛋白質可以自發地從完全變性狀態折疊回具有生物活性的天然構象。這一發現為理解蛋白質折疊機制奠定了基礎。蛋白質的分離與純化方法方法原理應用鹽析法利用蛋白質溶解度隨鹽濃度變化的特性分離蛋白質粗分離，如血漿蛋白初步分離等電點沉淀在蛋白質等電點pH下，其溶解度最低而沉淀酪蛋白、大豆蛋白的提取透析利用半透膜選擇性透過性除去小分子物質去除鹽類和其他小分子雜質凝膠過濾色譜根據分子大小不同在多孔凝膠中的分配系數不同進行分離蛋白質脫鹽和分子量測定離子交換色譜利用蛋白質帶電性質與離子交換劑間的相互作用分離高純度蛋白質的分離親和色譜基于特異性生物相互作用分離目標蛋白質抗體、酶等特異性蛋白質的純化電泳在電場作用下帶電粒子移動速率不同而分離蛋白質組分分析和純度檢測核酸的化學組成核苷酸結構核苷酸是核酸的基本構建單位，由三部分組成：含氮堿基、五碳糖和磷酸。根據五碳糖的不同，核苷酸分為核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸，分別構成RNA和DNA。核苷酸通過3',5'-磷酸二酯鍵連接形成核酸鏈。含氮堿基含氮堿基分為嘌呤和嘧啶兩類。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)，存在于DNA和RNA中；嘧啶包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T，DNA特有)和尿嘧啶(U，RNA特有)。堿基通過N-糖苷鍵與五碳糖相連。五碳糖DNA中的五碳糖是2'-脫氧核糖，而RNA中是核糖。兩者的區別在于2'位碳原子上的羥基，這一微小差異導致兩種核酸的化學穩定性和功能特性有顯著不同。磷酸磷酸基團通過磷酯鍵與五碳糖的5'位或3'位羥基相連，形成核酸分子的"骨架"。核酸鏈中的磷酸基團在生理pH下帶負電荷，使核酸成為多陰離子聚合物。DNA的結構雙螺旋結構DNA分子由兩條多核苷酸鏈按反平行方向纏繞形成雙螺旋結構。兩鏈之間通過堿基配對(A與T，G與C)形成氫鍵連接。雙螺旋中，堿基對位于內側，磷酸-糖骨架位于外側。標準B型DNA每轉10.5個堿基對，螺旋上升3.4nm，螺旋直徑約2nm。主溝和次溝交替出現，是蛋白質與DNA特異性結合的重要位點。DNA分子在生物體內主要以B型構象存在，但在不同環境條件下還可形成A型和Z型等構象。這些不同構象在結構特征和穩定性上有所差異，可能與特定的生物學功能相關。DNA的空間結構與其功能緊密相關。雙螺旋結構不僅確保了遺傳信息的穩定存儲，也使DNA復制成為可能。在復制過程中，雙鏈解開，每條鏈作為模板指導新鏈的合成，從而將遺傳信息準確傳遞給下一代細胞。RNA的類型與結構信使RNA(mRNA)攜帶遺傳信息從DNA轉移到蛋白質合成場所。其5'端有帽結構，3'端有多聚A尾巴。含有非編碼的5'和3'非翻譯區，以及編碼蛋白質的開放閱讀框。在真核生物中，成熟mRNA是通過前體mRNA的剪接加工而來。轉運RNA(tRNA)負責將氨基酸運送到核糖體進行蛋白質合成。呈現"三葉草"二級結構和"L"形三級結構。包含反密碼環(與mRNA密碼子配對)和3'端接受臂(連接氨基酸)。含有多種修飾核苷酸，對其功能至關重要。核糖體RNA(rRNA)構成核糖體的主要成分，在蛋白質合成中提供結構支持和催化功能。細菌有16S、23S和5SrRNA，真核生物有18S、28S、5.8S和5SrRNA。rRNA分子內存在大量堿基配對形成復雜的二級結構。非編碼RNA不翻譯成蛋白質但具有重要調控功能的RNA。包括微小RNA(miRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、小干擾RNA(siRNA)等。參與基因表達調控、染色質修飾、RNA加工等多種生物學過程。核酸的理化性質1紫外吸收特性最大吸收峰在260nm，用于定量分析2變性與復性高溫或堿性條件下雙鏈解離，條件恢復可復性3酸堿性質磷酸基團使核酸呈酸性，能與堿性蛋白質結合4水解反應在酸、堿和核酸酶作用下可水解為小分子組分核酸分子的紫外吸收特性是由其中的堿基引起的，這一特性被廣泛應用于核酸的定量分析。DNA溶液在260nm處的吸光度每1.0對應約50μg/ml的雙鏈DNA濃度。DNA的純度可通過260nm與280nm處吸光度的比值(A260/A280)來評估，純DNA的比值約為1.8。核酸的變性是指雙鏈核酸分子在高溫、極端pH值或變性劑作用下，氫鍵斷裂導致雙鏈解開成為單鏈的過程。這一過程伴隨著紫外吸收增加(稱為高色效應)。當變性條件去除后，互補單鏈可以重新配對形成雙鏈結構，這一過程稱為復性或退火。在生物體內，核酸的水解主要由特異性核酸酶催化。這些酶在核酸代謝、遺傳信息處理和免疫防御中發揮關鍵作用。根據作用底物和切割方式的不同，核酸酶可分為核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、內切酶和外切酶等多種類型。酶的概念與特點1定義酶是生物體內催化特定生化反應的蛋白質分子，能夠顯著加快反應速率而自身不被消耗。酶作為生物催化劑，在溫和的生理條件下有效工作，是維持生命活動的重要分子。2高效性酶能將反應速率提高10^6-10^12倍，遠超普通化學催化劑。如過氧化氫酶每秒可分解數百萬個底物分子，葡萄糖氧化酶每分鐘可轉化25,000個葡萄糖分子。3高特異性酶對底物具有嚴格的選擇性，只催化特定分子或特定類型的化學鍵。如脂肪酶只催化脂類水解，不作用于蛋白質或碳水化合物；胰蛋白酶只切割肽鏈中賴氨酸和精氨酸羧基端的肽鍵。4可調節性酶活性可被多種因素精細調控，包括底物濃度、輔因子、溫度、pH值、激活劑和抑制劑等。這種可調節性使細胞代謝能夠根據環境變化靈活調整。酶的作用機制底物結合底物與酶的活性位點結合形成酶-底物復合物，酶的活性位點通常是一個三維口袋或凹槽，由分散在一級結構中但在三維空間相鄰的氨基酸殘基組成。底物結合過程遵循"誘導契合"模型，即底物結合可能導致酶構象變化。催化反應酶通過多種方式促進化學反應，包括：降低活化能、提供有利的微環境、正確定向底物、誘導應變和提供化學催化基團。在反應過程中，酶可能形成共價酶-底物中間體，或者通過一般酸堿催化作用于底物。產物釋放反應完成后，產物從酶的活性位點釋放，酶恢復原始狀態，可繼續催化新一輪反應。產物釋放速率在某些酶促反應中可能成為限速步驟。酶在整個催化循環中保持完整，可重復使用。酶的分類與命名酶的國際分類系統國際生物化學與分子生物學聯盟(IUBMB)根據酶催化的反應類型，將酶分為六大類：氧化還原酶：催化氧化還原反應，如脫氫酶、氧化酶轉移酶：催化官能團轉移反應，如激酶、轉氨酶水解酶：催化水解反應，如蛋白酶、脂肪酶裂解酶：催化非水解裂解反應，如裂合酶、脫氨酶異構酶：催化分子內重排反應，如異構酶、表異構酶連接酶：催化兩分子連接反應，同時斷裂ATP，如合成酶酶的命名原則酶的命名遵循兩種系統：系統命名：按照EC編號系統，如EC3.4.21.4表示胰蛋白酶通用命名：通常根據底物名稱加后綴"-酶"，如葡萄糖酶某些酶保留歷史名稱，如胰蛋白酶、胃蛋白酶等酶的EC編號由四部分組成：第一位表示大類，第二位表示亞類，第三位表示次亞類，第四位是該酶在次亞類中的序號。酶動力學底物濃度(mM)反應速率(μmol/min)酶動力學研究酶促反應的速率及其影響因素，為理解酶的作用機制提供定量基礎。圖表展示了典型的酶促反應動力學曲線，隨著底物濃度增加，反應速率先迅速上升，然后逐漸趨于平穩，最終達到最大反應速率(Vmax)。在低底物濃度時，反應速率與底物濃度近似成正比，呈一級反應動力學；當底物濃度很高時，幾乎所有酶分子都與底物結合，反應速率達到最大值，此時反應速率不再隨底物濃度增加而增加，呈零級反應動力學。這種動力學特性可通過米氏方程進行定量描述，該方程引入了兩個重要參數：最大反應速率(Vmax)和米氏常數(Km)。Km是底物濃度等于1/2Vmax時的值，反映了酶與底物的親和力，Km值越小，親和力越大。米氏方程方程推導米氏方程基于酶促反應的穩態假設推導而來。假設酶與底物結合形成酶-底物復合物，然后轉化為產物并釋放酶：E+S?ES→E+Pv=Vmax[S]/(Km+[S])其中：v=反應速率Vmax=最大反應速率[S]=底物濃度Km=米氏常數線性變換形式為便于實驗數據分析，米氏方程可轉化為幾種線性形式：Lineweaver-Burk雙倒數作圖：1/v=(Km/Vmax)(1/[S])+1/VmaxEadie-Hofstee作圖：v=Vmax-Km(v/[S])Hanes-Woolf作圖：[S]/v=[S]/Vmax+Km/Vmax米氏方程是理解酶催化動力學的基礎。方程中的Vmax與酶的總量成正比，而Km則是反映酶與底物親和力的重要參數。酶的催化效率常用kcat/Km表示，其中kcat是轉換數，表示每個酶分子單位時間內能處理的底物分子數量。當底物濃度遠低于Km時，反應速率近似為一級反應(v≈Vmax[S]/Km)；當底物濃度遠高于Km時，反應速率接近Vmax，表現為零級反應。這種動力學特性使得酶的活性可以根據底物濃度的變化而自動調節。酶活性的影響因素溫度對酶活性有顯著影響。在最適溫度范圍內，溫度升高使分子動能增加，分子碰撞頻率提高，酶活性增強。但當溫度過高時，酶蛋白質結構變性，活性迅速下降。不同來源的酶有不同的最適溫度，如人體酶通常在37°C左右活性最高，而嗜熱菌的酶則可在70°C以上保持活性。pH值影響酶分子的離子化狀態和空間構象，從而影響其催化活性。每種酶都有特定的最適pH值，如胃蛋白酶在酸性環境(pH2-3)活性最高，而胰蛋白酶則在弱堿性環境(pH7.5-8.5)活性最佳。pH偏離最適值過多會導致酶變性失活。底物濃度增加通常會提高酶促反應速率，直至達到飽和狀態。此外，酶濃度、產物累積、抑制劑和激活劑的存在、離子強度等因素也會顯著影響酶活性。了解這些因素對酶活性的影響，對于調控酶促反應和優化生物化學過程具有重要意義。酶抑制劑可逆抑制可逆抑制劑與酶的結合是非共價的，可逆抑制分為：競爭性抑制(抑制劑與底物競爭相同的結合位點)、非競爭性抑制(抑制劑與酶或酶-底物復合物結合但不影響底物結合)和反競爭性抑制(抑制劑只與酶-底物復合物結合)。許多藥物如他汀類降膽固醇藥物就是通過競爭性抑制機制發揮作用。不可逆抑制不可逆抑制劑通常通過共價修飾酶的活性位點氨基酸殘基，永久性地滅活酶。如神經毒劑有機磷化合物能與乙酰膽堿酯酶的活性位點絲氨酸殘基形成共價鍵，導致酶永久失活；青霉素能與細菌細胞壁合成酶形成共價結合，抑制細菌生長。變構抑制變構抑制劑結合在酶的變構位點(非活性位點)，引起酶的構象變化，從而影響其與底物的結合或催化活性。變構抑制是調節細胞代謝的重要機制，常見于代謝途徑中的關鍵酶。如ATP通過結合磷酸果糖激酶的變構位點，抑制糖酵解途徑。輔酶與輔基輔酶概念與類型輔酶是非蛋白質性有機分子，能暫時結合于酶分子參與催化反應。多數輔酶由維生素衍生而來，主要功能包括：電子或氫原子的傳遞(如NAD+、FAD、輔酶Q)化學基團的轉移(如ATP、輔酶A、四氫葉酸)提供特殊官能團(如硫胺素焦磷酸、吡哆醛磷酸)輔酶通常在反應過程中被消耗，需要通過代謝循環再生。輔基特點與功能輔基是與酶蛋白牢固結合的非蛋白質組分，包括：金屬離子(如Zn2+、Fe2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+等)有機小分子(如血紅素、生物素等)輔基的主要功能有：維持酶的空間構象直接參與底物結合提供電子或催化基團穩定反應中間體輔基通常與酶緊密結合，在反應中不被消耗。維生素與輔酶的關系維生素對應輔酶參與的生化反應維生素B1(硫胺素)硫胺素焦磷酸(TPP)α-酮酸的脫羧反應維生素B2(核黃素)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、黃素單核苷酸(FMN)氧化還原反應中的電子傳遞維生素B3(煙酸)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)脫氫反應中的電子和氫離子傳遞維生素B5(泛酸)輔酶A(CoA)酰基轉移反應維生素B6(吡哆醇)吡哆醛磷酸(PLP)氨基酸代謝中的轉氨反應維生素B7(生物素)生物素-酶復合物羧基化反應維生素B9(葉酸)四氫葉酸(THF)單碳基團的轉移維生素B12(鈷胺素)腺苷酰鈷胺分子重排反應糖的分類與結構1單糖最簡單的糖類，不能水解為更小的糖2寡糖由2-10個單糖通過糖苷鍵連接3多糖由大量單糖單元組成的高分子聚合物糖類(碳水化合物)是由碳、氫和氧組成的有機化合物，通常具有(CH?O)n的分子式。單糖是最基本的糖單元，不能通過水解再分解為更簡單的糖。根據碳原子數量，單糖可分為三碳糖(如丙糖)、五碳糖(如核糖)和六碳糖(如葡萄糖)等。根據所含醛基或酮基，又可分為醛糖和酮糖。寡糖由少數幾個單糖通過糖苷鍵連接而成，最常見的是二糖，如蔗糖(葡萄糖和果糖)、麥芽糖(兩個葡萄糖)和乳糖(葡萄糖和半乳糖)。寡糖在細胞表面糖蛋白和糖脂中發揮重要的生物識別功能。多糖是由大量單糖單元通過糖苷鍵連接形成的高分子聚合物，如淀粉、纖維素和糖原。這些多糖在能量儲存、結構支持和細胞識別等方面具有重要功能。多糖可根據組成單糖的類型分為同多糖(如淀粉)和雜多糖(如透明質酸)。單糖的性質環化單糖在水溶液中主要以環狀構象存在，而非直鏈形式。六碳醛糖(如葡萄糖)形成六元環(吡喃糖)，五碳醛糖(如核糖)形成五元環(呋喃糖)。這種環化是由于醛基與分子內羥基之間發生半縮醛反應。環化后，原醛基碳原子(C1)成為半縮醛碳，其構型可以是α或β，這兩種構型在水溶液中可相互轉化，形成變旋現象。還原性具有游離半縮醛羥基的單糖顯示還原性，能夠還原費林試劑、托倫試劑等。這種還原性源于單糖在堿性溶液中開環后暴露的醛基或酮基。葡萄糖、果糖、半乳糖等都是還原糖。單糖的還原性被廣泛應用于臨床檢測，如血糖和尿糖的測定。立體異構由于碳原子的不對稱性，單糖存在多種立體異構體。例如，D-葡萄糖和D-半乳糖是差向異構體，它們只在C4位置的羥基構型不同。這種立體結構的差異導致單糖在生物體內的識別和代謝存在特異性，對于糖代謝和細胞識別具有重要意義。二糖和多糖二糖蔗糖(α-D-葡萄糖+β-D-果糖)是非還原性糖，因為沒有游離的半縮醛羥基。麥芽糖(兩個α-D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接)和乳糖(β-D-半乳糖+D-葡萄糖)都是還原性糖，因為有一個單糖單元保留了游離的半縮醛羥基。二糖在消化過程中被水解為單糖后吸收利用。儲能多糖淀粉是植物的儲能多糖，由直鏈淀粉(α-1,4-糖苷鍵)和支鏈淀粉(α-1,4-和α-1,6-糖苷鍵)組成。糖原是動物的儲能多糖，結構與支鏈淀粉類似但分支更多。這些多糖可快速分解為葡萄糖，為細胞提供能量。結構多糖纖維素是植物細胞壁的主要成分，由β-D-葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接形成。這種連接方式使纖維素分子形成直鏈結構，分子間可形成氫鍵，賦予高度的機械強度。幾丁質是節肢動物外骨骼的主要成分，由N-乙酰-D-氨基葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成。雜多糖透明質酸由D-葡萄醛酸和N-乙酰-D-氨基葡萄糖交替連接而成，是結締組織的重要成分，具有保水和潤滑作用。肝素由D-葡萄醛酸和硫酸化的N-乙酰-D-氨基葡萄糖組成，是體內最強的天然抗凝血劑。糖蛋白和糖脂糖蛋白結構與功能糖蛋白是蛋白質與寡糖或多糖共價結合形成的復合物。糖基化主要通過N-糖基化(寡糖與蛋白質的天冬酰胺側鏈氨基連接)和O-糖基化(寡糖與蛋白質的絲氨酸或蘇氨酸側鏈羥基連接)兩種方式。糖蛋白廣泛分布于細胞膜表面和細胞外基質中，具有多種重要功能：細胞識別與黏附免疫系統中的分子識別蛋白質的穩定性與溶解性激素受體功能血液凝固系統組分糖脂結構與功能糖脂是脂質與碳水化合物結合的復合物，主要存在于細胞膜外層。根據脂質部分的不同，糖脂可分為糖基神經酰胺(神經節苷脂)、糖基甘油脂和糖基鞘磷脂等。糖脂在細胞生物學中發揮重要作用：細胞表面抗原(如ABO血型抗原)細胞間的識別與黏附信號傳導分子細胞分化與發育調控穩定膜結構脂質的分類與結構簡單脂質簡單脂質是脂肪酸與醇形成的酯。三酰甘油(甘油三酯)是最常見的簡單脂質，由甘油與三個脂肪酸分子形成酯鍵。蠟是脂肪酸與長鏈一元醇形成的酯，常見于植物表面的保護層。復合脂質復合脂質除含脂肪酸和醇外，還含有其他成分。磷脂是含磷的復合脂質，如磷脂酰膽堿；糖脂含有糖基，如腦苷脂；脂蛋白含有蛋白質部分。這些復合脂質是生物膜的重要組成部分。固醇類脂質固醇類脂質基本骨架是環戊烷多氫菲，不含脂肪酸。膽固醇是動物細胞膜的重要組成部分，也是合成類固醇激素的前體。植物固醇如谷固醇和豆固醇在植物中扮演類似角色。脂質是一類在水中不溶或難溶，但能溶于有機溶劑(如乙醚、氯仿等)的有機化合物。它們在生物體內具有多種重要功能，包括能量儲存、生物膜的構成、細胞信號傳導以及作為激素前體等。脂肪酸的性質化學結構脂肪酸是一類含有長鏈脂肪烴和末端羧基的有機酸。天然脂肪酸通常含有偶數個碳原子(C4-C24)，可分為:飽和脂肪酸：不含雙鍵，如棕櫚酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)不飽和脂肪酸：含有一個或多個雙鍵，如油酸(C18:1)、亞油酸(C18:2)、亞麻酸(C18:3)物理性質脂肪酸的物理性質受碳鏈長度和不飽和度影響:熔點：碳鏈越長，熔點越高；不飽和度越高，熔點越低溶解性：短鏈脂肪酸(聚集狀態：飽和脂肪酸在室溫下多為固體，不飽和脂肪酸多為液體生物學意義脂肪酸在生物體內具有多種重要功能:能量儲存：三酰甘油形式儲存能量，每克脂肪提供約9千卡能量膜結構：作為磷脂和糖脂的組分，維持生物膜的流動性和功能信號分子：某些脂肪酸衍生物如前列腺素、白三烯是重要的信號分子必需脂肪酸：亞油酸、亞麻酸等多不飽和脂肪酸不能由人體合成，必須從食物獲取磷脂和糖脂磷脂酰膽堿含有膽堿頭基，是動物細胞膜中最豐富的磷脂1磷脂酰乙醇胺含有乙醇胺頭基，主要分布在內層膜2磷脂酰絲氨酸帶負電荷，細胞凋亡時轉移到外層膜3磷脂酰肌醇可被磷酸化，參與信號傳導4鞘磷脂含神經酰胺骨架，高度富集在髓鞘中5磷脂是含磷的復合脂質，是生物膜的主要成分。它們具有兩親性特征，即分子中同時含有親水性頭部(磷酸基團和極性基團)和疏水性尾部(脂肪酸鏈)。這種獨特結構使磷脂在水環境中能自發形成雙分子層，構成細胞膜的基本骨架。糖脂是指含有一個或多個單糖殘基的脂質。根據其脂質部分的不同，糖脂可分為糖基神經酰胺(神經節苷脂)、糖基甘油脂和糖基鞘磷脂等。糖脂主要分布在細胞膜的外層，其糖基部分朝向細胞外環境，參與細胞間的識別、信號傳導和免疫反應等過程。磷脂和糖脂的分布不對稱性對于維持細胞膜的生物學功能至關重要。細胞膜外層富含磷脂酰膽堿、鞘磷脂和糖脂，而內層則富含磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。這種分布不對稱性的改變常與細胞凋亡等生理或病理過程有關。固醇類化合物1膽固醇膽固醇是動物細胞膜的重要組成成分，調節膜的流動性和通透性。同時，它也是類固醇激素、膽汁酸和維生素D的前體。哺乳動物體內膽固醇既可從食物獲取，也能在肝臟等組織中合成。2類固醇激素包括腎上腺皮質激素(如皮質醇)、性激素(如睪酮、雌二醇)、孕激素(如孕酮)等。這些激素通過結合細胞內的受體蛋白，調控基因表達，影響機體的代謝、發育和生殖等多種生理過程。3膽汁酸膽汁酸是膽固醇代謝的主要產物，包括膽酸、鵝去氧膽酸等。它們以甘氨酸或牛磺酸結合物形式存在于膽汁中，具有促進脂質消化和吸收的功能。膽汁酸還作為信號分子參與多種代謝過程的調控。4植物甾醇植物甾醇如谷甾醇、豆甾醇等在結構上與膽固醇相似，但在側鏈上有額外的甲基或乙基。這些化合物在植物中起著與膽固醇在動物中類似的作用，同時可降低人體對膽固醇的吸收。生物膜的結構與功能1流動鑲嵌模型生物膜由脂質雙分子層和嵌入其中的蛋白質構成2膜的不對稱性內外層脂質組成不同，蛋白質定向排布3膜的流動性脂質和部分蛋白質可在平面內自由擴散4膜的選擇通透性控制物質進出細胞，維持內環境穩態生物膜是生命系統中的基本結構，由脂質雙分子層和鑲嵌其中的蛋白質組成。磷脂是膜的主要成分，其親水頭部朝向水環境，疏水尾部相互靠攏形成脂質雙層。膽固醇嵌入在磷脂分子之間，調節膜的流動性和剛性。膜蛋白根據與脂質雙層的結合方式可分為整合膜蛋白、外周膜蛋白和脂錨定蛋白。生物膜具有選擇性通透的特性，允許某些物質通過而阻止其他物質。小分子如水、氧氣可通過簡單擴散穿過脂質雙層；離子和極性分子則需要通過膜蛋白形成的通道或載體蛋白；大分子物質通常通過胞吞和胞吐方式進出細胞。除了作為細胞與環境的屏障，生物膜還參與多種生物學過程，包括細胞識別與黏附、信號傳導、能量轉換、物質運輸等。膜區域的特化形成了多種細胞器和功能結構，如線粒體內膜的嵴結構、內質網膜的扁平囊泡結構等，這些特化結構與其特定功能密切相關。生物氧化概述生物氧化的定義生物氧化是指在生物體內，有機物質在酶的催化下被氧化的過程，伴隨著能量的釋放和高能磷酸鍵(如ATP)的生成。這是生物體獲取能量的主要途徑，包括有氧呼吸和無氧呼吸。從化學角度看，氧化反應是失去電子的過程，還原反應是得到電子的過程。在生物氧化中，底物失去的電子最終被氧接受，形成水。生物氧化的主要特點多步驟氧化：與直接燃燒不同，生物氧化通過多步反應緩慢釋放能量酶催化：每一步氧化反應都由特定酶催化，確保高效性和特異性能量耦聯：氧化過程釋放的能量部分用于合成ATP電子傳遞鏈：電子通過一系列載體傳遞給最終電子受體底物水平磷酸化和氧化磷酸化：兩種ATP合成方式生物體內的主要氧化底物包括糖類、脂肪酸和氨基酸。這些物質經過不同的代謝途徑(如糖酵解、三羧酸循環、脂肪酸β-氧化等)，最終產生還原性輔酶NADH和FADH?。這些還原性輔酶攜帶的高能電子通過電子傳遞鏈傳遞給氧，同時釋放的能量用于ATP的合成。電子傳遞鏈復合物INADH-輔酶Q氧化還原酶，接受NADH的電子，將其傳遞給輔酶Q，同時將4個質子泵出線粒體內膜。這是電子傳遞鏈中最大的復合物，含有多個鐵硫中心作為電子傳遞媒介。復合物II琥珀酸-輔酶Q氧化還原酶，催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時產生FADH?，其電子傳遞給輔酶Q。與其他復合物不同，它不泵出質子，因此能量效率較低。復合物III輔酶Q-細胞色素c氧化還原酶，負責將來自輔酶Q的電子傳遞給細胞色素c，同時泵出質子。其中的Q循環機制使得每對電子能泵出4個質子。復合物IV細胞色素c氧化酶，接受細胞色素c的電子，將其傳遞給分子氧，同時將質子泵出內膜。這是電子傳遞鏈的終點，氧被還原為水，每個氧分子接受4個電子和4個質子。電子傳遞鏈位于線粒體內膜上，由一系列電子載體按照氧化還原電位遞增的順序排列組成。當電子沿著傳遞鏈從低電位(NADH、FADH?)流向高電位(O?)時，釋放的能量被用來將質子(H?)從線粒體基質泵到膜間隙，形成跨膜質子梯度(質子動力勢)。除了四個主要復合物外，電子傳遞鏈還包括兩個可移動的電子載體：輔酶Q(泛醌)和細胞色素c。輔酶Q在脂雙層中自由擴散，連接復合物I、II和III；細胞色素c則位于膜間隙側，連接復合物III和IV。氧化磷酸化2.5ATP/NADH比值每個NADH通過電子傳遞鏈可產生約2.5個ATP分子1.5ATP/FADH?比值每個FADH?通過電子傳遞鏈可產生約1.5個ATP分子30-32葡萄糖總ATP產量一個葡萄糖分子完全氧化可產生約30-32個ATP分子氧化磷酸化是通過電子傳遞鏈建立的質子梯度驅動ATP合成的過程。根據Mitchell提出的化學滲透學說，電子傳遞過程中釋放的能量用于將質子從線粒體基質泵到膜間隙，形成跨膜質子梯度。這一梯度包含兩個組成部分：pH梯度(膜間隙pH較低)和膜電位(基質側帶負電)。質子通過ATP合酶(F?F?-ATP合酶)順濃度梯度回流到基質時，釋放的能量用于催化ADP和無機磷酸結合形成ATP。這一過程稱為偶聯，因為電子傳遞和ATP合成是偶聯在一起的。ATP合酶由兩部分組成：嵌入膜中的F?部分形成質子通道，基質側的F?部分具有ATP合成活性。某些物質如2,4-二硝基酚(DNP)和FCCP等能使質子不經過ATP合酶而直接回流至基質，導致電子傳遞與ATP合成解偶聯。這種情況下，能量以熱的形式釋放而不是儲存在ATP中。這一機制在棕色脂肪組織中由解偶聯蛋白1(UCP1)介導，用于產熱調節體溫。糖酵解1葡萄糖磷酸化葡萄糖在己糖激酶作用下被ATP磷酸化為葡萄糖-6-磷酸，消耗1個ATP。這一不可逆反應是糖酵解的第一步，也是重要的調控點。2葡萄糖異構化葡萄糖-6-磷酸在磷酸葡萄糖異構酶催化下異構化為果糖-6-磷酸。3果糖磷酸化果糖-6-磷酸在磷酸果糖激酶-1作用下被ATP磷酸化為果糖-1,6-二磷酸，消耗第2個ATP。這是糖酵解的第二個不可逆步驟和關鍵調控點。4裂解果糖-1,6-二磷酸在醛縮酶作用下裂解為兩個三碳化合物：二羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。二羥丙酮磷酸隨后被三磷酸異構酶轉化為甘油醛-3-磷酸。5氧化與磷酸化甘油醛-3-磷酸被甘油醛-3-磷酸脫氫酶氧化并磷酸化為1,3-二磷酸甘油酸，同時將NAD?還原為NADH。6ATP生成1,3-二磷酸甘油酸將高能磷酸基團轉移給ADP，在磷酸甘油酸激酶催化下生成3-磷酸甘油酸和ATP。由于有兩分子甘油醛-3-磷酸，此步驟產生2個ATP。7轉化為丙酮酸3-磷酸甘油酸經過一系列反應最終轉化為丙酮酸，在烯醇化酶催化下再產生2個ATP。糖酵解是細胞質中將一分子葡萄糖分解為兩分子丙酮酸的過程，共消耗2個ATP并產生4個ATP，凈產生2個ATP和2個NADH。這一過程不需要氧參與，是有氧和無氧條件下都能進行的代謝途徑。檸檬酸循環入口反應丙酮酸脫氫酶復合體催化丙酮酸脫羧并與輔酶A結合形成乙酰CoA1循環第一步乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸，釋放輔酶A2脫水與水合檸檬酸經脫水和再水合形成異檸檬酸3第一次氧化脫羧異檸檬酸脫氫酶催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸，產生NADH4第二次氧化脫羧α-酮戊二酸脫氫酶復合體催化氧化脫羧生成琥珀酰CoA，產生NADH5檸檬酸循環(三羧酸循環或克雷布斯循環)是有氧條件下細胞能量代謝的中心環節，發生在線粒體基質中。每一輪循環消耗一個乙酰CoA(2C)，產生兩個CO?、3個NADH、1個FADH?和1個GTP(相當于ATP)。檸檬酸循環后半部分包括：琥珀酰CoA在琥珀酰CoA合成酶催化下轉變為琥珀酸，同時產生GTP；琥珀酸經琥珀酸脫氫酶氧化為延胡索酸，產生FADH?；延胡索酸經延胡索酸酶水合為蘋果酸；蘋果酸被蘋果酸脫氫酶氧化為草酰乙酸，產生NADH，完成一個循環。檸檬酸循環不僅是能量產生的途徑，也是許多生物合成反應的碳骨架提供者。例如，α-酮戊二酸和草酰乙酸是氨基酸合成的前體，琥珀酰CoA用于血紅素合成，檸檬酸可用于脂肪酸合成。循環的活性受到多種因素調控，包括底物可用性、輔酶比率和關鍵酶的變構調節。糖異生底物來源乳酸、丙氨酸、丙酮酸等三碳化合物，甘油(源自脂肪分解)，以及某些氨基酸(經過脫氨基作用)可作為糖異生的底物。在長時間饑餓狀態下，這一過程對維持血糖水平至關重要。繞過不可逆步驟糖異生需要繞過糖酵解中的三個不可逆步驟：丙酮酸→磷酸烯醇丙酮酸(由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶催化)，果糖-1,6-二磷酸→果糖-6-磷酸(由果糖-1,6-二磷酸酶催化)，葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖(由葡萄糖-6-磷酸酶催化)。能量需求糖異生是一個高能耗過程，每合成一分子葡萄糖需要消耗6個ATP和2個GTP(相當于8個高能磷酸鍵)。這些能量主要來自脂肪酸氧化，使得機體可以將脂肪儲備轉化為葡萄糖供給大腦和紅細胞等嚴重依賴葡萄糖的組織。主要發生部位糖異生主要在肝臟進行，少量在腎臟皮質中進行。其中肝臟對血糖的長期調節尤為重要，而腎臟在長期饑餓狀態下的貢獻增加。胃腸道、骨骼肌和大腦等其他組織由于缺乏關鍵酶而無法進行完整的糖異生。糖異生是從非碳水化合物前體合成葡萄糖的代謝途徑，與糖酵解方向相反。在禁食、饑餓和劇烈運動等條件下，當肝糖原儲備耗盡時，糖異生對維持血糖水平尤為重要。糖原的合成與分解肝臟骨骼肌心肌腦其他組織糖原是動物體內主要的葡萄糖儲存形式，特別是在肝臟和肌肉中含量豐富。糖原分子是由α-D-葡萄糖單元通過α-1,4-糖苷鍵連接形成的直鏈，每隔8-12個葡萄糖單元有一個α-1,6-糖苷鍵形成的分支。這種高度分支的結構增加了可溶性，并提供了更多的非還原性末端，有利于快速合成和分解。糖原合成始于葡萄糖-6-磷酸，經過葡萄糖-1-磷酸中間體，UDP-葡萄糖作為活化的糖基供體被糖原合酶添加到現有糖原分子的非還原性末端。分支酶負責形成α-1,6-糖苷鍵，創建新的分支點。糖原合成的啟動需要一種特殊的蛋白質——糖原蛋白，它自身先被葡萄糖基化，作為糖原鏈生長的起點。糖原分解由磷酸化酶從非還原性末端逐個移除葡萄糖單元，產生葡萄糖-1-磷酸。當遇到分支點時，轉移酶和α-1,6-葡萄糖苷酶協同作用去除分支。肝臟中的葡萄糖-6-磷酸酶可將葡萄糖-6-磷酸水解為葡萄糖釋放入血，而肌肉缺乏該酶，因此肌糖原主要用于滿足肌肉自身的能量需求。脂肪酸的分解激活脂肪酸首先在細胞質中被脂酰CoA合成酶激活，與輔酶A結合形成脂酰CoA，消耗一個ATP。這一步是脂肪酸進入代謝途徑的必要準備，增加了脂肪酸的反應活性。運輸長鏈脂酰CoA通過肉堿穿梭系統轉運到線粒體基質中。這一過程包括：肉堿酰基轉移酶I催化脂酰基從輔酶A轉移到肉堿上；脂酰肉堿通過內膜轉運蛋白進入基質；肉堿酰基轉移酶II將脂酰基重新轉移到線粒體基質中的輔酶A上。β-氧化循環脂酰CoA在線粒體基質中通過一系列循環反應逐步氧化。每個循環包括：脫氫(由脂酰CoA脫氫酶催化，產生FADH?)、水合(由烯酰CoA水合酶催化)、再脫氫(由L-3-羥酰CoA脫氫酶催化，產生NADH)和硫解裂解(由β-酮脂酰CoA硫解酶催化，產生乙酰CoA和縮短兩個碳原子的脂酰CoA)。能量產生一個棕櫚酰CoA(C16)經過7輪β-氧化循環產生8個乙酰CoA、7個FADH?和7個NADH。乙酰CoA進入三羧酸循環進一步氧化；FADH?和NADH進入電子傳遞鏈產生ATP。整體計算，一個棕櫚酸分子完全氧化可產生約129個ATP分子。脂肪酸的合成底物準備乙酰CoA從線粒體轉運到細胞質中，由乙酰CoA羧化酶催化形成丙二酰CoA。乙酰CoA也直接作為第一個二碳單元。NADPH作為還原力主要來自戊糖磷酸途徑和蘋果酸酶反應。1脂肪酸合酶復合體哺乳動物的脂肪酸合成酶是一個多功能酶復合體，含有兩個相同的多肽鏈。每條鏈上有七個功能區域，負責整個合成過程。該復合體以丙二酰ACP和乙酰ACP為底物，通過一系列反應循環合成脂肪酸。2延長與去飽和脂肪酸合成酶產生棕櫚酸(C16:0)后，可通過內質網和線粒體中的脂肪酸延長酶系統進一步延長。不飽和脂肪酸的形成通過去飽和酶在特定位置引入雙鍵。人體不能合成亞油酸和α-亞麻酸，必須從食物獲取。3調控脂肪酸合成主要受乙酰CoA羧化酶活性調控。胰島素促進該酶活性，升高糖類轉化為脂肪；而胰高血糖素和腎上腺素通過促進酶的磷酸化抑制其活性。長期調控涉及酶的合成與降解，如高碳水化合物飲食增加合成酶的轉錄。4膽固醇的合成與代謝膽固醇合成是一個復雜的多步驟過程，主要在肝臟中進行，但幾乎所有細胞都有膽固醇合成能力。合成始于乙酰CoA，經過一系列反應形成甲羥戊酸，這一步由HMG-CoA還原酶催化，是膽固醇合成的限速步驟和主要調控點。他汀類藥物正是通過抑制這一酶來降低血膽固醇水平。甲羥戊酸經過一系列反應形成鯊烯，然后經環化和修飾最終合成膽固醇。膽固醇代謝產物主要包括膽汁酸和類固醇激素。膽汁酸合成是膽固醇代謝的主要途徑，由肝臟中的7α-羥化酶催化第一步反應。膽汁酸以結合型(與甘氨酸或牛磺酸結合)存在于膽汁中，促進脂質消化和吸收。類固醇激素包括腎上腺皮質激素、性激素等，在各種生理過程中發揮重要調節作用。膽固醇在體內以脂蛋白形式運輸，主要包括幾種類型：低密度脂蛋白(LDL，"壞膽固醇")將肝臟合成的膽固醇運送到外周組織；高密度脂蛋白(HDL，"好膽固醇")將外周組織的多余膽固醇運回肝臟進行代謝；極低密度脂蛋白(VLDL)主要運輸內源性三酰甘油。膽固醇的平衡對健康至關重要，失衡可導致動脈粥樣硬化等疾病。蛋白質的降解溶酶體途徑主要負責降解胞外蛋白(通過內吞作用攝入)和部分胞內蛋白(通過自噬作用)。溶酶體中含有多種蛋白水解酶，如組織蛋白酶D、B、H、L等，在酸性環境(pH4.5-5.0)下最活躍。這些酶協同作用，將蛋白質分解為氨基酸，可被細胞重新利用。泛素-蛋白酶體途徑主要負責特異性降解胞內蛋白。該途徑首先通過一系列酶(E1、E2、E3)將泛素分子共價連接到靶蛋白上。多泛素化的蛋白被26S蛋白酶體識別和降解。蛋白酶體是一個桶狀復合物，含有多種蛋白酶活性，在ATP依賴下將蛋白質降解為小肽。鈣蛋白酶途徑鈣激活的蛋白酶參與特定蛋白的選擇性剪切和降解。鈣蛋白酶主要存在于細胞質中，在鈣離子濃度升高時被激活。它們在細胞凋亡、信號傳導、細胞遷移等過程中發揮重要作用。與完全降解不同，鈣蛋白酶往往通過有限蛋白水解修飾靶蛋白的活性或功能。氨基酸的分解代謝脫氨基作用氨基酸分解的第一步通常是脫去氨基，主要通過兩種機制：轉氨基作用：由轉氨酶催化，氨基從氨基酸轉移到α-酮戊二酸上，生成對應的α-酮酸和谷氨酸氧化脫氨基作用：由谷氨酸脫氫酶催化，谷氨酸氧化脫氨形成α-酮戊二酸和氨釋放的氨基通過尿素循環轉化為尿素排出體外(主要在肝臟中進行)。碳骨架代謝脫氨后的碳骨架(α-酮酸)根據其結構特點進入不同的代謝途徑：糖原氨基酸：碳骨架可轉化為葡萄糖(如丙氨酸、絲氨酸)酮原氨基酸：碳骨架可轉化為酮體(如亮氨酸、賴氨酸)糖原和酮原氨基酸：碳骨架既可轉化為葡萄糖又可轉化為酮體(如苯丙氨酸、色氨酸)最終，這些碳骨架轉化為乙酰CoA、丙酮酸或TCA循環中間體進一步氧化。氨基酸的生物合成必需氨基酸與非必需氨基酸人體可合成約10種氨基酸(非必需氨基酸)，包括丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、脯氨酸、絲氨酸、酪氨酸和半胱氨酸。其余9種必需氨基酸(賴氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、組氨酸)必須從食物中獲取。氨基酸合成的一般途徑非必需氨基酸的合成主要通過以下方式：轉氨基作用：α-酮酸接受氨基形成氨基酸，如丙酮酸→丙氨酸氨基化：氨直接添加到化合物上，如天冬酰胺和谷氨酰胺的合成碳骨架修飾：通過加氫、羥基化等反應，如絲氨酸→甘氨酸特殊氨基酸的合成谷氨酸：α-酮戊二酸通過谷氨酸脫氫酶催化的還原性氨基化谷氨酰胺：谷氨酸通過谷氨酰胺合成酶催化添加氨丙氨酸：丙酮酸通過丙氨酸轉氨酶催化的轉氨基作用半胱氨酸：從甲硫氨酸衍生或通過絲氨酸與硫化氫結合酪氨酸：由苯丙氨酸經苯丙氨酸羥化酶催化羥基化尿素循環碳酸化合物的形成線粒體中，氨與碳酸氫鹽在碳酸酐酶和氨甲酰磷酸合成酶作用下形成氨甲酰磷酸1鳥氨酸轉氨甲酰化氨甲酰磷酸將氨甲酰基轉移給鳥氨酸，形成瓜氨酸，此反應由鳥氨酸轉氨甲酰酶催化2精氨酰琥珀酸的合成瓜氨酸經精氨酰琥珀酸合成酶作用與天冬氨酸結合，形成精氨酰琥珀酸3精氨酸的形成精氨酰琥珀酸經精氨酰琥珀酸裂解酶裂解成精氨酸和延胡索酸4尿素的釋放精氨酸經精氨酸酶水解為尿素和鳥氨酸，鳥氨酸重新進入循環5尿素循環(也稱鳥氨酸循環)是體內處理氨的主要途徑，主要在肝臟中進行。氨主要來源于氨基酸脫氨基作用和腸道細菌活動，由于氨具有神經毒性，必須轉化為毒性較低的尿素排出體外。從能量角度看，每形成一分子尿素需消耗4個高能磷酸鍵：氨甲酰磷酸合成消耗2個ATP，精氨酰琥珀酸合成消耗1個ATP，天冬氨酸合成過程中間接消耗1個ATP。尿素循環與三羧酸循環有密切聯系：精氨酰琥珀酸裂解產生的延胡索酸可進入三羧酸循環；而天冬氨酸可由草酰乙酸轉化而來。核苷酸的生物合成1嘌呤核苷酸從頭合成以磷酸核糖焦磷酸(PRPP)為起始物，通過多步驟反應構建嘌呤環2嘧啶核苷酸從頭合成先構建嘧啶環，然后與PRPP結合形成嘧啶核苷酸3脫氧核苷酸的形成核糖核苷酸在核糖核苷酸還原酶作用下還原為脫氧核糖核苷酸4胸腺嘧啶核苷酸的合成脫氧尿苷酸甲基化形成脫氧胸腺苷酸(dTMP)核苷酸生物合成有兩種主要途徑：從頭合成和補救途徑。從頭合成是指從簡單前體(如氨基酸、CO?、甲酰四氫葉酸等)完全構建核苷酸。補救途徑則利用核苷或核堿基的分解產物，在磷酸核糖轉移酶或核苷激酶作用下重新合成核苷酸，能夠節約能量。嘌呤核苷酸(如AMP、GMP)的從頭合成起始于PRPP，通過一系列反應先構建肌苷酸(IMP)，然后轉化為AMP和GMP。嘧啶核苷酸(如UMP、CMP)合成則先由天冬氨酸和碳酸氫銨形成嘧啶環，再與PRPP結合形成UMP，UMP可進一步轉化為CMP。脫氧核糖核苷酸(如dATP、dGTP、dCTP、dTTP)是DNA合成的直接前體，由相應的核糖核苷酸在核糖核苷酸還原酶作用下形成。dTMP的合成比較特殊，由dUMP在胸腺嘧啶合成酶催化下甲基化而來，這一反應需要甲基四氫葉酸作為甲基供體，體現了葉酸在DNA合成中的重要作用。核苷酸的降解代謝嘌呤核苷酸降解始于磷酸基團的去除，形成核苷。核苷在核苷磷酸化酶作用下水解為嘌呤堿基和核糖。腺嘌呤在黃嘌呤氧化酶作用下氧化為次黃嘌呤，次黃嘌呤進一步氧化為黃嘌呤，最后轉化為尿酸。鳥嘌呤直接脫氨為黃嘌呤，然后轉化為尿酸。在大多數哺乳動物中，尿酸進一步代謝為尿囊素，但人類缺乏尿酸氧化酶，因此尿酸是人體嘌呤代謝的終產物。嘧啶核苷酸降解也始于去磷酸化和核糖的移除。尿嘧啶和胸腺嘧啶通過一系列反應最終產生β-氨基異丁酸、丙酮酸和氨；胞嘧啶先脫氨為尿嘧啶，然后進入同樣的降解途徑。嘧啶堿基的降解產物可進入三羧酸循環或用于其他生物合成。核苷酸代謝的調控對維持正常細胞功能至關重要。過量的嘌呤代謝會導致高尿酸血癥，進而引發痛風。某些遺傳性疾病如Lesch-Nyhan綜合征(HGPRT缺陷)和腺苷脫氨酶缺乏癥會導致嚴重的代謝紊亂和臨床癥狀。此外，多種抗腫瘤藥物和免疫抑制劑通過干擾核苷酸代謝發揮作用。DNA復制起始DNA復制從特定的起始位點(ori)開始，起始蛋白結合并打開雙螺旋，形成復制泡。DNA解旋酶繼續展開DNA雙鏈，單鏈結合蛋白穩定暴露的單鏈，防止其重新配對。DNA拓撲異構酶通過臨時切斷和重連DNA鏈，緩解超螺旋張力。延伸DNA聚合酶III在引物的3'-OH端添加脫氧核苷酸，嚴格遵循A-T，G-C配對原則。由于DNA聚合酶只能在5'→3'方向合成，一條鏈(前導鏈)可連續合成，而另一條鏈(滯后鏈)需分段合成形成岡崎片段。RNA引物由DNA引物酶(原始酶)合成，為DNA聚合酶提供3'-OH起點。終止與連接DNA聚合酶I通過其5'→3'外切酶活性去除RNA引物，并用DNA填補空缺。DNA連接酶將相鄰的岡崎片段連接起來，形成連續的DNA鏈。復制完成后，兩條子鏈分離，每條含有一條母鏈和一條新合成的鏈(半保留復制)。轉錄過程轉錄起始RNA聚合酶結合到DNA的啟動子區域。在原核生物中，RNA聚合酶與輔助因子(如σ因子)結合形成全酶，識別特定的啟動子序列。在真核生物中，需要多種轉錄因子(如TFIIA、TFIIB等)協助RNA聚合酶II結合到啟動子上，形成轉錄前起始復合物。轉錄延伸RNA聚合酶沿DNA模板鏈5'→3'方向移動，將互補核苷酸連接形成RNA鏈。RNA聚合酶具有解旋DNA雙螺旋的能力，創建一個轉錄泡。在延伸過程中，新合成的RNA暫時與DNA模板鏈形成短暫的RNA-DNA雜合體，然后分離。轉錄終止原核生物有兩種終止方式：Rho依賴性終止(需要Rho蛋白)和Rho非依賴性終止(依賴RNA中的莖環結構)。真核生物的終止機制則更為復雜，涉及多種蛋白因子識別特定的終止信號，轉錄的終止通常與RNA的3'端加工緊密偶聯。轉錄過程是遺傳信息從DNA傳遞到RNA的過程，由RNA聚合酶催化。與DNA復制不同，轉錄通常只復制DNA的一條鏈(模板鏈)，且不需要引物。轉錄產物包括信使RNA(mRNA)、轉運RNA(tRNA)、核糖體RNA(rRNA)和各種非編碼RNA。RNA加工RNA剪接真核生物前體mRNA(pre-mRNA)含有編碼區(外顯子)和非編碼區(內含子)。剪接過程切除內含子并連接外顯子，由剪接體(spliceosome)完成。剪接體由小核RNA(snRNA)和蛋白質組成，識別內含子邊界上的保守序列(5'剪接位點、分支點和3'剪接位點)。選擇性剪接使一個基因可產生多種mRNA，增加蛋白質組的多樣性。5'帽子結構在轉錄起始后不久，pre-mRNA的5'端加上甲基化的鳥嘌呤核苷酸，形成5'帽子結構(m7GpppN)。這一結構保護mRNA免受5'→3'外切核酸酶降解，促進mRNA出核，并參與翻譯起始過程。帽子結構的形成需要多種酶的協同作用，包括焦磷酸酶、鳥嘌呤轉移酶和甲基轉移酶。3'端多聚腺苷酸化大多數真核mRNA的3'端經過剪切和添加多聚A尾巴。剪切發生在特定信號序列(AAUAAA)下游，由多聚A聚合酶催化添加約100-250個腺苷酸殘基。多聚A尾巴增強mRNA穩定性，促進翻譯，并協助mRNA出核。某些組蛋白mRNA和許多非編碼RNA不經過多聚腺苷酸化。RNA編輯RNA編輯是指轉錄后RNA序列的改變，不包括剪接。常見類型包括腺苷脫氨作用(A→I)和胞苷脫氨作用(C→U)。編輯可改變密碼子，產生與基因組編碼不同的蛋白質。在某些生物中，如錐蟲，RNA編輯非常廣泛，對合成功能性蛋白至關重要。遺傳密碼1密碼子特性遺傳密碼是由三個連續核苷酸(密碼子)組成的三聯體，共有64個密碼子，其中61個編碼20種氨基酸，3個作為終止信號(UAA、UAG、UGA)。AUG編碼甲硫氨酸，通常作為蛋白質合成的起始密碼子。遺傳密碼具有簡并性，即多個密碼子可編碼同一種氨基酸，但一個密碼子只編碼一種氨基酸。2密碼表特點遺傳密碼表展