2024年度北京大學(xué)生物化學(xué)課件18

北京大學(xué)生物化學(xué)課件1812024/2/2目錄contents課程介紹與生物化學(xué)概述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能酶與催化作用機(jī)制基因表達(dá)調(diào)控與疾病關(guān)系細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑及其調(diào)控機(jī)制生物大分子相互作用研究方法現(xiàn)代生物化學(xué)技術(shù)前沿進(jìn)展22024/2/201課程介紹與生物化學(xué)概述32024/2/2掌握生物化學(xué)基本概念、原理和方法，理解生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，了解生物化學(xué)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。課程目標(biāo)包括蛋白質(zhì)、酶、核酸、糖類、脂質(zhì)等生物分子的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和功能，以及生物分子在細(xì)胞代謝中的作用和調(diào)控機(jī)制。教學(xué)內(nèi)容課程目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容42024/2/2生物化學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科始于19世紀(jì)末，經(jīng)歷了從靜態(tài)生物化學(xué)到動(dòng)態(tài)生物化學(xué)的發(fā)展過(guò)程，逐漸揭示了生命現(xiàn)象的本質(zhì)。隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，生物化學(xué)在揭示生命奧秘、疾病診斷和治療等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。生物化學(xué)研究歷史及現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀研究歷史52024/2/2生物化學(xué)方法可用于檢測(cè)生物樣品中的特定分子，如蛋白質(zhì)、核酸等，為疾病的早期診斷提供重要依據(jù)。疾病診斷生物化學(xué)研究有助于揭示藥物與生物分子之間的相互作用機(jī)制，為新藥的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論指導(dǎo)。藥物研發(fā)通過(guò)調(diào)節(jié)生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，生物化學(xué)方法為疾病的治療提供了新的思路和手段。治療策略生物化學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要性62024/2/2認(rèn)真聽課主動(dòng)學(xué)習(xí)重視實(shí)驗(yàn)拓展閱讀學(xué)習(xí)方法及建議課堂是獲取知識(shí)的重要場(chǎng)所，應(yīng)認(rèn)真聽講、做好筆記，積極參與課堂討論。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)是理解和掌握生物化學(xué)知識(shí)的重要途徑，應(yīng)認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能。課后應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)、鞏固所學(xué)知識(shí)，積極思考和解決問(wèn)題，提高自主學(xué)習(xí)能力。閱讀相關(guān)教材和參考文獻(xiàn)，了解生物化學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。72024/2/202蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能82024/2/2

蛋白質(zhì)基本組成單位-氨基酸氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，共有20種常見(jiàn)氨基酸。氨基酸具有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）等官能團(tuán)，以及特有的側(cè)鏈（R基）。氨基酸通過(guò)肽鍵（-CO-NH-）連接成肽鏈，進(jìn)而構(gòu)成蛋白質(zhì)。92024/2/2序列分析是確定蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的重要手段，包括Edman降解法和質(zhì)譜法等。一級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的基本性質(zhì)和功能，是蛋白質(zhì)研究的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中氨基酸的線性排列順序。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)及序列分析102024/2/2蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子中局部的空間結(jié)構(gòu)，主要包括α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲等。蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置，即整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)共同決定蛋白質(zhì)的立體構(gòu)象和穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)特征112024/2/2蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子中各個(gè)亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用。亞基之間的相互作用包括氫鍵、離子鍵、范德華力和疏水作用等。四級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于蛋白質(zhì)的功能發(fā)揮至關(guān)重要，如酶活性的調(diào)節(jié)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)域相互作用122024/2/203酶與催化作用機(jī)制132024/2/2酶分類根據(jù)酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)的不同，將酶分為六大類，即氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和合成酶。酶定義酶是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化作用的一類有機(jī)物，大多數(shù)為蛋白質(zhì)，少數(shù)為RNA。酶命名規(guī)則采用系統(tǒng)命名法，包括酶的系統(tǒng)名稱、編號(hào)、催化反應(yīng)的類型等。酶定義、分類及命名規(guī)則142024/2/2指酶分子中與催化作用直接相關(guān)的部位，包括結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)。酶活性中心酶通過(guò)降低反應(yīng)的活化能來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其催化作用具有高效性、專一性和條件溫和性等特點(diǎn)。催化作用原理酶活性中心與催化作用原理152024/2/2表示酶催化反應(yīng)的快慢，常用單位時(shí)間內(nèi)底物的減少量或產(chǎn)物的增加量來(lái)表示。酶促反應(yīng)速率米氏方程抑制常數(shù)Ki描述酶促反應(yīng)速率與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可用于計(jì)算最大反應(yīng)速率Vmax和米氏常數(shù)Km。表示抑制劑對(duì)酶的抑制強(qiáng)度，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定并計(jì)算得出。030201酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法162024/2/2抑制劑種類根據(jù)抑制劑與酶結(jié)合方式的不同，將抑制劑分為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑等。抑制劑作用機(jī)制抑制劑通過(guò)與酶活性中心結(jié)合或改變酶構(gòu)象等方式來(lái)影響酶的催化作用，從而降低反應(yīng)速率。抑制劑應(yīng)用在藥物設(shè)計(jì)和疾病治療中，通過(guò)合理利用抑制劑對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)作用來(lái)達(dá)到治療目的。抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)影響172024/2/204基因表達(dá)調(diào)控與疾病關(guān)系182024/2/2基因表達(dá)調(diào)控是指在生物體內(nèi)，基因轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中，通過(guò)一系列調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)控制基因表達(dá)的速度、水平和時(shí)間等，從而適應(yīng)不同的生理和病理需求?；虮磉_(dá)調(diào)控的類型包括轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控、表觀遺傳調(diào)控等，這些調(diào)控機(jī)制相互作用，共同維持生物體內(nèi)基因表達(dá)的穩(wěn)態(tài)。基因表達(dá)調(diào)控基本概念及類型192024/2/2轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是指在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性、RNA聚合酶的招募和轉(zhuǎn)錄后修飾等方式來(lái)控制基因轉(zhuǎn)錄的速度和水平。轉(zhuǎn)錄因子是一類能夠結(jié)合DNA并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，其活性受到多種信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，包括磷酸化、乙酰化、甲基化等。RNA聚合酶是負(fù)責(zé)基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵酶，其招募和活性也受到多種因素的調(diào)節(jié)，包括啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄因子等。轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控機(jī)制剖析202024/2/2翻譯水平調(diào)控是指在蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性、翻譯起始因子的活性、核糖體的招募和翻譯后修飾等方式來(lái)控制蛋白質(zhì)合成的速度和水平。mRNA的穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括5'端帽子結(jié)構(gòu)、3'端多聚腺苷酸尾巴、內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)等，這些結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)mRNA免受降解，從而提高其穩(wěn)定性。翻譯起始因子是一類能夠促進(jìn)翻譯起始的蛋白質(zhì)，其活性也受到多種因素的調(diào)節(jié)，包括磷酸化、甲基化等。翻譯水平調(diào)控策略探討212024/2/2基因表達(dá)異常是指基因在轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中出現(xiàn)異常，導(dǎo)致基因表達(dá)產(chǎn)物的量或質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起細(xì)胞功能和代謝的異常。例如，在癌癥中，原癌基因的異常激活和抑癌基因的失活是導(dǎo)致細(xì)胞癌變的重要原因之一。這些基因的異常表達(dá)往往受到轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平的調(diào)控，因此針對(duì)這些調(diào)控機(jī)制的研究有助于開發(fā)新的癌癥治療方法。基因表達(dá)異常與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，包括癌癥、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等。這些疾病的發(fā)生往往伴隨著特定基因的異常表達(dá)，因此研究基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制對(duì)于理解疾病發(fā)生機(jī)理和開發(fā)新的治療方法具有重要意義?；虮磉_(dá)異常與疾病發(fā)生關(guān)系222024/2/205細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑及其調(diào)控機(jī)制232024/2/2包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長(zhǎng)因子等，通過(guò)與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合傳遞信息。信號(hào)分子位于細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)，能特異性識(shí)別并結(jié)合信號(hào)分子，觸發(fā)細(xì)胞響應(yīng)。受體信號(hào)從細(xì)胞外傳遞至細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過(guò)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞生理功能和基因表達(dá)。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑概述242024/2/2G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）01一類具有七個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的受體蛋白，與G蛋白結(jié)合后激活下游信號(hào)通路。G蛋白02由α、β、γ三個(gè)亞基組成，結(jié)合GDP/GTP后發(fā)生構(gòu)象變化，傳遞信號(hào)。下游效應(yīng)器03包括腺苷酸環(huán)化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）等，被G蛋白激活后產(chǎn)生第二信使，如cAMP、DAG、IP3等。G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)信號(hào)通路252024/2/2酶聯(lián)受體通過(guò)磷酸化等修飾方式將信號(hào)傳遞至細(xì)胞內(nèi)，激活下游信號(hào)分子和轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)生物學(xué)效應(yīng)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路在細(xì)胞增殖、分化、凋亡等生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。具有酶活性，可直接催化信號(hào)分子產(chǎn)生第二信使，如酪氨酸激酶受體、絲氨酸/蘇氨酸激酶受體等。酶聯(lián)受體介導(dǎo)信號(hào)通路262024/2/203信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，如癌癥、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等。01信號(hào)交叉與整合不同信號(hào)通路之間存在交叉對(duì)話和整合作用，形成復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。02信號(hào)放大與終止信號(hào)在傳遞過(guò)程中被逐級(jí)放大，同時(shí)受到負(fù)反饋和降解機(jī)制的調(diào)節(jié)，確保信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性272024/2/206生物大分子相互作用研究方法282024/2/2原理凝膠過(guò)濾層析法是利用具有一定孔徑范圍的多孔凝膠作為固定相，對(duì)混合物中各組分按分子大小進(jìn)行分離的方法。當(dāng)樣品溶液通過(guò)凝膠層析柱時(shí)，比凝膠內(nèi)部孔隙大的分子不能進(jìn)入凝膠孔隙內(nèi)，只能在凝膠顆粒外表面被緩沖液洗脫下來(lái)，移動(dòng)路徑比較短，速度較快；而較小的分子則可以進(jìn)入凝膠孔隙內(nèi)部，所經(jīng)歷的路徑較長(zhǎng)，移動(dòng)速度較慢，從而使樣品中分子大小不同的物質(zhì)得到分離。應(yīng)用凝膠過(guò)濾層析法廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子的分離純化，以及分子量的測(cè)定和樣品脫鹽等。凝膠過(guò)濾層析法原理及應(yīng)用292024/2/2選擇合適的親和層析介質(zhì)，裝入層析柱中，并用適當(dāng)?shù)木彌_液平衡柱子。準(zhǔn)備親和層析柱用適當(dāng)?shù)脑偕簩?duì)親和層析柱進(jìn)行再生處理，以便下次使用。柱子再生將待分離的樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚缤肝?、超濾等，以去除雜質(zhì)和干擾物質(zhì)。樣品處理將處理好的樣品加入到層析柱中，控制流速和樣品體積，使樣品與親和層析介質(zhì)充分接觸。上樣用適當(dāng)?shù)南疵撘哼M(jìn)行洗脫，收集洗脫液并進(jìn)行檢測(cè)，直到目標(biāo)物質(zhì)被完全洗脫下來(lái)。洗脫0201030405親和層析法實(shí)驗(yàn)操作步驟302024/2/2免疫共沉淀是研究蛋白質(zhì)相互作用的經(jīng)典方法。其原理是利用抗體與抗原之間的特異性結(jié)合，將目標(biāo)蛋白質(zhì)沉淀下來(lái)，同時(shí)與該蛋白質(zhì)相互作用的其他蛋白質(zhì)也會(huì)被一同沉淀下來(lái)。通過(guò)對(duì)沉淀物進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以了解蛋白質(zhì)之間的相互作用情況。原理免疫共沉淀技術(shù)廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)相互作用的研究，如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、蛋白質(zhì)復(fù)合物組成等方面的研究。此外，該技術(shù)還可以用于藥物篩選和疾病診斷等領(lǐng)域。應(yīng)用免疫共沉淀技術(shù)原理及應(yīng)用312024/2/2高通量、高靈敏度蛋白質(zhì)芯片技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)生物樣品中的多種蛋白質(zhì)，具有高通量和高靈敏度的特點(diǎn)，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了有力的工具。臨床應(yīng)用前景廣闊蛋白質(zhì)芯片技術(shù)在疾病診斷、藥物篩選和療效監(jiān)測(cè)等方面具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。例如，利用蛋白質(zhì)芯片技術(shù)可以檢測(cè)癌癥患者血清中的腫瘤標(biāo)志物，為癌癥的早期診斷和治療提供重要依據(jù)。技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，蛋白質(zhì)芯片技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和完善。例如，將蛋白質(zhì)芯片技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行更深入的鑒定和分析；利用納米材料制備蛋白質(zhì)芯片，可以提高芯片的靈敏度和穩(wěn)定性等。蛋白質(zhì)芯片技術(shù)發(fā)展前景322024/2/207現(xiàn)代生物化學(xué)技術(shù)前沿進(jìn)展332024/2/201通過(guò)RNA引導(dǎo)Cas9蛋白對(duì)特定DNA序列進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)基因敲除、敲入、修復(fù)等。CRISPR-Cas9系統(tǒng)工作原理02高特異性、高效率、低細(xì)胞毒性、可多基因同時(shí)編輯等。技術(shù)優(yōu)勢(shì)03基因治療、基因功能研究、農(nóng)作物遺傳改良、動(dòng)物模型制備等。應(yīng)用領(lǐng)域基因組編輯技術(shù)CRISPR-Cas9系統(tǒng)342024/2/2單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)原理對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行基因組、轉(zhuǎn)錄組或表觀組測(cè)序，揭示單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)及變異信息。技術(shù)優(yōu)勢(shì)高分辨率、高靈敏度、無(wú)需細(xì)胞培養(yǎng)等。應(yīng)用領(lǐng)域腫瘤異質(zhì)性研究、胚胎發(fā)育過(guò)程研究、免疫細(xì)胞功能研究、微生物組學(xué)研究等。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用352024/2/2123研究生物體內(nèi)所有蛋白質(zhì)的表達(dá)、功能及相互作用，揭示生物體生理、病理過(guò)程的分子機(jī)制。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)概述蛋白質(zhì)種類繁多、表達(dá)量差異大、翻譯后修飾多樣等。技術(shù)挑戰(zhàn)高通量測(cè)序技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、蛋白質(zhì)