《大学生物化学思维导图》
一、绪论
1.1 生物化学定义与范畴
- 定义： 研究生命物质的化学组成、结构、性质、代谢及其调控的学科。
- 范畴：
- 生物分子的结构与功能
- 生物代谢的途径与调控
- 遗传信息的储存、传递与表达
- 酶学
- 生物能量学
1.2 生物化学的研究方法
- 分离与纯化： 离心、沉淀、层析、电泳
- 结构分析： 质谱、核磁共振、X-射线晶体衍射
- 功能研究： 酶活性测定、代谢流分析、基因敲除/敲入
- 标记与示踪： 同位素示踪、荧光标记
1.3 生物化学与相关学科的关系
- 化学： 提供物质基础和反应原理
- 生物学： 提供研究对象和生理背景
- 医学： 揭示疾病的分子机制和治疗靶点
- 遗传学： 研究遗传信息的传递和表达
- 分子生物学： 从分子水平研究生命现象
二、生物分子的结构与功能
2.1 蛋白质
- 氨基酸：
- 结构：α-碳原子连接氨基、羧基、氢原子和R基团
- 分类：非极性、极性不带电、酸性、碱性
- 特殊氨基酸：甘氨酸、脯氨酸、半胱氨酸
- 肽键： 氨基酸之间通过肽键连接形成肽链
- 蛋白质结构：
- 一级结构：氨基酸序列
- 二级结构：α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲
- 三级结构：侧链相互作用，形成特定的空间构象
- 四级结构：多个亚基组装形成的复合物
- 蛋白质功能：
- 酶：催化生物化学反应
- 结构蛋白：维持细胞和组织结构
- 运输蛋白：运输氧气、营养物质等
- 免疫蛋白：识别和清除异物
- 信号蛋白：传递细胞信号
- 蛋白质折叠与错误折叠： 分子伴侣、错误折叠疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）
2.2 核酸
- 核苷酸：
- 组成：戊糖、磷酸、含氮碱基
- 碱基：嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤）、嘧啶（胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶）
- DNA：
- 结构：双螺旋结构，碱基互补配对（A-T，G-C）
- 功能：储存遗传信息
- RNA：
- 结构：单链结构，碱基互补配对（A-U，G-C）
- 类型：mRNA、tRNA、rRNA
- 功能：参与基因表达
- 核酸序列分析： DNA测序、RNA测序
2.3 碳水化合物
- 单糖：
- 结构：多羟基醛或酮
- 分类：葡萄糖、果糖、半乳糖
- 异构体：D-型、L-型、α-型、β-型
- 寡糖：
- 结构：由少数单糖通过糖苷键连接而成
- 分类：二糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖）
- 多糖：
- 结构：由大量单糖通过糖苷键连接而成
- 分类：淀粉、糖原、纤维素
- 糖胺聚糖：
- 结构：重复的二糖单元，含有氨基糖和酸性糖
- 功能：细胞外基质的主要成分
- 糖蛋白和糖脂： 蛋白质或脂类与糖类结合的复合物
2.4 脂类
- 脂肪酸：
- 结构：长链烷烃酸
- 分类：饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸
- 必需脂肪酸：亚油酸、α-亚麻酸
- 甘油三酯：
- 结构：甘油与三个脂肪酸酯化而成
- 功能：储存能量
- 磷脂：
- 结构：甘油或鞘氨醇与磷酸、脂肪酸和极性头基组成
- 功能：细胞膜的主要成分
- 固醇：
- 结构：四环结构
- 胆固醇：细胞膜的重要成分，合成类固醇激素的前体
- 类固醇激素：调节生理功能
- 类异戊二烯： 植物色素、维生素A、维生素K
三、酶学
3.1 酶的定义与特性
- 定义： 生物催化剂，降低反应活化能，加速反应速率
- 特性：
- 高效性：催化效率高
- 专一性：作用底物和反应具有高度选择性
- 可调节性：活性受多种因素调节
3.2 酶的分类与命名
- 六大类酶： 氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶
- 命名： 系统命名法、常用名
3.3 酶的作用机制
- 活性中心： 酶分子中与底物结合并进行催化的区域
- 底物结合： 诱导契合模型、锁钥模型
- 催化机制： 酸碱催化、共价催化、金属离子催化
- 米氏方程： 描述酶催化反应速率与底物浓度的关系
- Km：米氏常数，反映酶与底物的亲和力
- Vmax：最大反应速率
3.4 酶的抑制
- 可逆性抑制：
- 竞争性抑制：抑制剂与底物竞争活性中心
- 非竞争性抑制：抑制剂与酶的其他部位结合
- 反竞争性抑制：抑制剂只与酶-底物复合物结合
- 不可逆性抑制： 抑制剂与酶形成共价键，使其永久失活
3.5 酶的调节
- 别构调节： 调节剂与酶的别构位点结合，改变酶的构象和活性
- 共价修饰： 磷酸化、乙酰化、糖基化等
- 酶原激活： 无活性的酶前体经过切割激活
- 反馈抑制： 代谢产物抑制途径中早期酶的活性
四、生物能量学
4.1 热力学基本概念
- 系统与环境：
- 状态函数： 内能、焓、熵、吉布斯自由能
- 热力学第一定律： 能量守恒定律
- 热力学第二定律： 熵增定律
- 吉布斯自由能变： ΔG = ΔH - TΔS，判断反应自发性的指标
4.2 ATP
- 结构： 腺嘌呤核苷三磷酸
- 功能： 细胞能量货币，为各种生命活动提供能量
- 生成： 有氧呼吸、光合作用
- 水解： ATP水解释放能量，驱动吸能反应
4.3 生物氧化
- 氧化还原反应： 电子的转移
- 氧化还原电位： 反映物质得电子的能力
- 呼吸链： 线粒体内膜上的电子传递链，将电子从NADH和FADH2传递给氧气
- 复合体I：NADH-泛醌氧化还原酶
- 复合体II：琥珀酸-泛醌氧化还原酶
- 复合体III：泛醌-细胞色素c氧化还原酶
- 复合体IV：细胞色素c氧化酶
- 氧化磷酸化： 呼吸链电子传递与ATP合成偶联的过程
- 化学渗透假说：质子梯度驱动ATP合成
五、物质代谢
5.1 糖代谢
- 糖酵解： 葡萄糖分解为丙酮酸的过程
- 糖异生： 从非糖物质合成葡萄糖的过程
- 磷酸戊糖途径： 生成NADPH和戊糖
- 糖原合成与分解：
- 糖原合成：葡萄糖转化为糖原
- 糖原分解：糖原分解为葡萄糖
- 三羧酸循环： 丙酮酸氧化分解为CO2，产生NADH和FADH2
5.2 脂类代谢
- 脂肪酸氧化： 脂肪酸分解为乙酰CoA的过程
- 脂肪酸合成： 乙酰CoA合成为脂肪酸的过程
- 甘油三酯合成与分解：
- 甘油三酯合成：甘油和脂肪酸合成为甘油三酯
- 甘油三酯分解：甘油三酯分解为甘油和脂肪酸
- 酮体生成： 乙酰CoA过多时生成酮体
5.3 氨基酸代谢
- 氨基酸分解代谢：
- 脱氨基反应：氨基酸脱去氨基
- 转氨基反应：氨基在不同氨基酸之间转移
- 尿素循环：将氨转化为尿素排出体外
- 氨基酸合成代谢： 从其他代谢中间产物合成氨基酸
- 一碳单位代谢： 四氢叶酸参与的一碳单位转移反应
5.4 核苷酸代谢
- 核苷酸合成代谢： 从头合成途径、补救途径
- 核苷酸分解代谢： 核苷酸分解为尿酸
六、基因信息的传递
6.1 DNA复制
- 复制起点： DNA复制开始的位置
- 复制叉： DNA双链解旋形成的Y型结构
- DNA聚合酶： 催化DNA链延伸
- 引物酶： 合成RNA引物
- 连接酶： 连接DNA片段
- 拓扑异构酶： 缓解DNA复制过程中的扭曲
6.2 RNA转录
- RNA聚合酶： 催化RNA链合成
- 启动子： RNA聚合酶结合的DNA序列
- 转录因子： 调节转录的蛋白质
- RNA加工： 加帽、加尾、剪接
6.3 蛋白质翻译
- 核糖体： 蛋白质合成的场所
- tRNA： 携带氨基酸
- 密码子： mRNA上的三个碱基序列，决定一个氨基酸
- 起始密码子： AUG
- 终止密码子： UAA、UAG、UGA
6.4 基因表达调控
- 原核生物： 操纵子模型
- 真核生物： 转录因子、染色质结构、表观遗传修饰
七、信号转导
7.1 细胞信号
- 细胞间信号： 内分泌信号、旁分泌信号、自分泌信号、接触依赖性信号
- 细胞内信号： 受体、第二信使
7.2 受体
- 细胞表面受体：
- G蛋白偶联受体
- 受体酪氨酸激酶
- 离子通道受体
- 细胞内受体： 甾体激素受体
7.3 信号通路
- cAMP通路： G蛋白激活腺苷酸环化酶，生成cAMP
- 磷脂酰肌醇通路： G蛋白激活磷脂酶C，生成IP3和DAG
- MAPK通路： 受体酪氨酸激酶激活Ras，启动MAPK级联反应