2024年度北京大学生物化学课件18

北京大学生物化学课件1812024/2/2目录contents课程介绍与生物化学概述蛋白质结构与功能酶与催化作用机制基因表达调控与疾病关系细胞信号传导途径及其调控机制生物大分子相互作用研究方法现代生物化学技术前沿进展22024/2/201课程介绍与生物化学概述32024/2/2掌握生物化学基本概念、原理和方法，理解生物大分子的结构和功能，了解生物化学在医学、农业、工业等领域的应用。课程目标包括蛋白质、酶、核酸、糖类、脂质等生物分子的化学组成、结构和功能，以及生物分子在细胞代谢中的作用和调控机制。教学内容课程目标与教学内容42024/2/2生物化学作为一门独立的学科始于19世纪末，经历了从静态生物化学到动态生物化学的发展过程，逐渐揭示了生命现象的本质。随着分子生物学、基因组学、蛋白质组学等学科的快速发展，生物化学在揭示生命奥秘、疾病诊断和治疗等方面发挥着越来越重要的作用。生物化学研究历史及现状研究现状研究历史52024/2/2生物化学方法可用于检测生物样品中的特定分子，如蛋白质、核酸等，为疾病的早期诊断提供重要依据。疾病诊断生物化学研究有助于揭示药物与生物分子之间的相互作用机制，为新药的设计和开发提供理论指导。药物研发通过调节生物分子的结构和功能，生物化学方法为疾病的治疗提供了新的思路和手段。治疗策略生物化学在医学领域重要性62024/2/2认真听课主动学习重视实验拓展阅读学习方法及建议课堂是获取知识的重要场所，应认真听讲、做好笔记，积极参与课堂讨论。生物化学实验是理解和掌握生物化学知识的重要途径，应认真完成实验任务，培养实验技能。课后应及时复习、巩固所学知识，积极思考和解决问题，提高自主学习能力。阅读相关教材和参考文献，了解生物化学领域的最新研究进展和应用前景。72024/2/202蛋白质结构与功能82024/2/2

蛋白质基本组成单位-氨基酸氨基酸是蛋白质的基本组成单位，共有20种常见氨基酸。氨基酸具有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）等官能团，以及特有的侧链（R基）。氨基酸通过肽键（-CO-NH-）连接成肽链，进而构成蛋白质。92024/2/2序列分析是确定蛋白质一级结构的重要手段，包括Edman降解法和质谱法等。一级结构决定蛋白质的基本性质和功能，是蛋白质研究的基础。蛋白质一级结构指蛋白质中氨基酸的线性排列顺序。蛋白质一级结构及序列分析102024/2/2蛋白质二级结构指蛋白质分子中局部的空间结构，主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等。蛋白质三级结构指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。二级结构和三级结构共同决定蛋白质的立体构象和稳定性。蛋白质二级结构和三级结构特征112024/2/2蛋白质四级结构指蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用。亚基之间的相互作用包括氢键、离子键、范德华力和疏水作用等。四级结构对于蛋白质的功能发挥至关重要，如酶活性的调节、信号转导等。蛋白质四级结构域相互作用122024/2/203酶与催化作用机制132024/2/2酶分类根据酶所催化的反应性质的不同，将酶分为六大类，即氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶。酶定义酶是一类由活细胞产生的、具有催化作用的一类有机物，大多数为蛋白质，少数为RNA。酶命名规则采用系统命名法，包括酶的系统名称、编号、催化反应的类型等。酶定义、分类及命名规则142024/2/2指酶分子中与催化作用直接相关的部位，包括结合基团和催化基团。酶活性中心酶通过降低反应的活化能来加速化学反应的进行，其催化作用具有高效性、专一性和条件温和性等特点。催化作用原理酶活性中心与催化作用原理152024/2/2表示酶催化反应的快慢，常用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示。酶促反应速率米氏方程抑制常数Ki描述酶促反应速率与底物浓度关系的数学表达式，可用于计算最大反应速率Vmax和米氏常数Km。表示抑制剂对酶的抑制强度，可通过实验测定并计算得出。030201酶促反应动力学参数计算方法162024/2/2抑制剂种类根据抑制剂与酶结合方式的不同，将抑制剂分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂等。抑制剂作用机制抑制剂通过与酶活性中心结合或改变酶构象等方式来影响酶的催化作用，从而降低反应速率。抑制剂应用在药物设计和疾病治疗中，通过合理利用抑制剂对酶活性的调节作用来达到治疗目的。抑制剂对酶促反应影响172024/2/204基因表达调控与疾病关系182024/2/2基因表达调控是指在生物体内，基因转录和翻译过程中，通过一系列调节机制来控制基因表达的速度、水平和时间等，从而适应不同的生理和病理需求。基因表达调控的类型包括转录水平调控、翻译水平调控、表观遗传调控等，这些调控机制相互作用，共同维持生物体内基因表达的稳态。基因表达调控基本概念及类型192024/2/2转录水平调控是指在基因转录过程中，通过调节转录因子的活性、RNA聚合酶的招募和转录后修饰等方式来控制基因转录的速度和水平。转录因子是一类能够结合DNA并调控基因转录的蛋白质，其活性受到多种信号通路的调节，包括磷酸化、乙酰化、甲基化等。RNA聚合酶是负责基因转录的关键酶，其招募和活性也受到多种因素的调节，包括启动子结构、转录因子等。转录水平调控机制剖析202024/2/2翻译水平调控是指在蛋白质翻译过程中，通过调节mRNA的稳定性、翻译起始因子的活性、核糖体的招募和翻译后修饰等方式来控制蛋白质合成的速度和水平。mRNA的稳定性受到多种因素的影响，包括5'端帽子结构、3'端多聚腺苷酸尾巴、内部核糖体进入位点等，这些结构能够保护mRNA免受降解，从而提高其稳定性。翻译起始因子是一类能够促进翻译起始的蛋白质，其活性也受到多种因素的调节，包括磷酸化、甲基化等。翻译水平调控策略探讨212024/2/2基因表达异常是指基因在转录和翻译过程中出现异常，导致基因表达产物的量或质发生变化，进而引起细胞功能和代谢的异常。例如，在癌症中，原癌基因的异常激活和抑癌基因的失活是导致细胞癌变的重要原因之一。这些基因的异常表达往往受到转录水平和翻译水平的调控，因此针对这些调控机制的研究有助于开发新的癌症治疗方法。基因表达异常与多种疾病的发生密切相关，包括癌症、心血管疾病、神经退行性疾病等。这些疾病的发生往往伴随着特定基因的异常表达，因此研究基因表达调控机制对于理解疾病发生机理和开发新的治疗方法具有重要意义。基因表达异常与疾病发生关系222024/2/205细胞信号传导途径及其调控机制232024/2/2包括激素、神经递质、生长因子等，通过与靶细胞表面受体结合传递信息。信号分子位于细胞膜上或细胞内，能特异性识别并结合信号分子，触发细胞响应。受体信号从细胞外传递至细胞内，经过一系列生物化学反应，最终调节细胞生理功能和基因表达。信号转导细胞信号传导途径概述242024/2/2G蛋白偶联受体（GPCR）01一类具有七个跨膜结构域的受体蛋白，与G蛋白结合后激活下游信号通路。G蛋白02由α、β、γ三个亚基组成，结合GDP/GTP后发生构象变化，传递信号。下游效应器03包括腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）等，被G蛋白激活后产生第二信使，如cAMP、DAG、IP3等。G蛋白偶联受体介导信号通路252024/2/2酶联受体通过磷酸化等修饰方式将信号传递至细胞内，激活下游信号分子和转录因子，调节基因表达。信号转导生物学效应酶联受体介导的信号通路在细胞增殖、分化、凋亡等生理过程中发挥重要作用。具有酶活性，可直接催化信号分子产生第二信使，如酪氨酸激酶受体、丝氨酸/苏氨酸激酶受体等。酶联受体介导信号通路262024/2/203信号转导与疾病信号转导异常与多种疾病的发生发展密切相关，如癌症、心血管疾病、神经退行性疾病等。01信号交叉与整合不同信号通路之间存在交叉对话和整合作用，形成复杂的信号网络。02信号放大与终止信号在传递过程中被逐级放大，同时受到负反馈和降解机制的调节，确保信号传递的准确性和时效性。细胞内信号转导网络复杂性272024/2/206生物大分子相互作用研究方法282024/2/2原理凝胶过滤层析法是利用具有一定孔径范围的多孔凝胶作为固定相，对混合物中各组分按分子大小进行分离的方法。当样品溶液通过凝胶层析柱时，比凝胶内部孔隙大的分子不能进入凝胶孔隙内，只能在凝胶颗粒外表面被缓冲液洗脱下来，移动路径比较短，速度较快；而较小的分子则可以进入凝胶孔隙内部，所经历的路径较长，移动速度较慢，从而使样品中分子大小不同的物质得到分离。应用凝胶过滤层析法广泛应用于蛋白质、酶、核酸等生物大分子的分离纯化，以及分子量的测定和样品脱盐等。凝胶过滤层析法原理及应用292024/2/2选择合适的亲和层析介质，装入层析柱中，并用适当的缓冲液平衡柱子。准备亲和层析柱用适当的再生液对亲和层析柱进行再生处理，以便下次使用。柱子再生将待分离的样品进行适当的处理，如透析、超滤等，以去除杂质和干扰物质。样品处理将处理好的样品加入到层析柱中，控制流速和样品体积，使样品与亲和层析介质充分接触。上样用适当的洗脱液进行洗脱，收集洗脱液并进行检测，直到目标物质被完全洗脱下来。洗脱0201030405亲和层析法实验操作步骤302024/2/2免疫共沉淀是研究蛋白质相互作用的经典方法。其原理是利用抗体与抗原之间的特异性结合，将目标蛋白质沉淀下来，同时与该蛋白质相互作用的其他蛋白质也会被一同沉淀下来。通过对沉淀物进行检测和分析，可以了解蛋白质之间的相互作用情况。原理免疫共沉淀技术广泛应用于蛋白质相互作用的研究，如信号转导通路、蛋白质复合物组成等方面的研究。此外，该技术还可以用于药物筛选和疾病诊断等领域。应用免疫共沉淀技术原理及应用312024/2/2高通量、高灵敏度蛋白质芯片技术可以同时检测多个生物样品中的多种蛋白质，具有高通量和高灵敏度的特点，为生物医学研究提供了有力的工具。临床应用前景广阔蛋白质芯片技术在疾病诊断、药物筛选和疗效监测等方面具有广阔的临床应用前景。例如，利用蛋白质芯片技术可以检测癌症患者血清中的肿瘤标志物，为癌症的早期诊断和治疗提供重要依据。技术不断创新和完善随着生物技术的不断发展，蛋白质芯片技术也在不断创新和完善。例如，将蛋白质芯片技术与质谱技术相结合，可以对蛋白质进行更深入的鉴定和分析；利用纳米材料制备蛋白质芯片，可以提高芯片的灵敏度和稳定性等。蛋白质芯片技术发展前景322024/2/207现代生物化学技术前沿进展332024/2/201通过RNA引导Cas9蛋白对特定DNA序列进行切割，实现基因敲除、敲入、修复等。CRISPR-Cas9系统工作原理02高特异性、高效率、低细胞毒性、可多基因同时编辑等。技术优势03基因治疗、基因功能研究、农作物遗传改良、动物模型制备等。应用领域基因组编辑技术CRISPR-Cas9系统342024/2/2单细胞测序技术原理对单个细胞进行基因组、转录组或表观组测序，揭示单个细胞的基因表达及变异信息。技术优势高分辨率、高灵敏度、无需细胞培养等。应用领域肿瘤异质性研究、胚胎发育过程研究、免疫细胞功能研究、微生物组学研究等。单细胞测序技术在生物医学中应用352024/2/2123研究生物体内所有蛋白质的表达、功能及相互作用，揭示生物体生理、病理过程的分子机制。蛋白质组学技术概述蛋白质种类繁多、表达量差异大、翻译后修饰多样等。技术挑战高通量测序技术、质谱技术、蛋白质