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考研802生物化学
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编辑于2024-03-29 17:21:22- 生物化学
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- 大纲
生物化学与分子生物学 （生物分子的结构与功能）
生命的分子基础
生命属性 生物化学与分子生物
生长、发育、繁殖 化学成分复杂而同一、结构错综而有序 催化剂参与的新陈代谢 遗传、变异 进化、适应 应激性
生命元素 生命分子
大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg
微量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo
四大生物分子类别（糖类、核酸、蛋白质、脂质）
碳化合物
生物小分子
相对分子质量：100～500
生物大分子
多聚体
相对分子质量5000以上
较短的叫寡聚体
前体分子
单体亚基、构件分子 相对分子质量≤500
超分子复合体
生物分子的三维结构： 构型、构象
构型： 分子中原子的固定空间排列
立体异构： 结构式相同，但原子的空间排列不同的分子
同分异构体：分子式相同但结构不同的分子互为同分异构体 结构异构体： 立体异构体
几何异构：又称顺反异构
旋光性：可以使偏振光的偏振面发生旋转的性质（+：右旋顺时针、-：左旋逆时针） 旋光异构：由于手性中心的存在，而使得其具有将偏振光偏振面发生旋转的性质。
手性/手性中心
具有四个不同取代基团的碳原子 有n个手性中心，则有2的n次方个旋光异构体
对映体
互为不可重叠的镜像的两个旋光异构体
命名系统
DL命名系统
根据人为规定的构型标准物确定相对构型
RS命名系统
有多个手性中心的化合物，方便
确定优先级顺序，相邻原子的原子序数越高优先级越高 最小取代基最远，排列其他三个取代基 顺时针为R，逆时针为S
没有对应的关系
构象： 分子中任一瞬间各原子的实际相对位置，不需要改变共价键即可改变。
水和生命 细胞 生物分子的起源进化
生物系统中的非共价相互作用
离子相互作用/离子键/盐键/盐桥
静电相互作用 电荷同性相斥，异性相吸 介电常数ε
氢键
亦是静电相互作用 氢原子电子云密度小，遇到电负性大的原子产生的静电吸引，即为氢键。
方向性
接纳体y与供体x之间的角度接近180°
饱和性
两个分子之间只能形成一个氢键
协同性
一个氢键的形成会促进其他氢键的形成
范德华力
3种弱静电相互作用
定向效应（极性基团之间）
诱导效应（极性基团与非极性基团之间） 永久偶极与其诱导产生的诱导偶极之间的静电相互作用
分散效应（极性基团之间，多数情况下主要的范德华力） 瞬时偶极之间的弱静电相互作用，用于电子运动的不对称导致 可诱导附近的原子形成相反的偶极，从而产生微弱的引力
疏水相互作用
在介质水中的疏水分子（非极性）倾向于聚拢的现象 跟疏水分子接近的水分子相当有序，熵值低，系统倾向于熵增从而驱动疏水分子聚拢。
级联放大效应
糖类和糖生物学P325
引言
定义：糖类物质是含多羟基的醛类或酮类化合物及缩聚物和某些衍生物的总称。
命名和分类
单糖、双糖、多糖、糖缀合物
1.单糖
类别
丙糖~辛糖
醛糖、酮糖
吡喃糖（五元环）、呋喃糖（六元环）
结构
最简单的糖
甘油醛
二羟丙酮
三种常见的戊糖
D-木酮糖 D-核糖 L-阿拉伯糖
三种常见的己糖
D-甘露糖 D-葡萄糖 D-半乳糖
构型
远离羰基的手性碳确定构型 自然界中已知的糖均为D型糖 单糖有多个手性碳原子
环式结构 羰基与最末端羟基发生亲核加成学，环化形成半缩醛或半缩酮
溶液和晶体糖多为环式结构
半缩醛羟基在糖环平面下为a（异头碳与最末端羟基的相对位置），反之为β。a,β互为异头体 变旋现象：新配置的单糖溶液会发生旋光度的改变
构象
吡喃环的椅式构象和船式构象
5. 单糖物理化学性质
物理性质
旋光性
溶解度 羟基越高溶解度越高
甜度 单糖都有甜度，蔗糖100，果糖170，转化糖130 甜味剂：糖精5000，应乐果甜蛋白2000
化学性质
异构化（弱碱作用）：碱催化烯醇化作用 酮-烯醇互变异构
单糖的氧化
Fehling试剂 Benedict试剂
单糖的还原性
糖醇
山梨醇
甲基化/乙酰化/酯化
磷酸酯
糖苷化
成苷反应：环状单糖的半缩醛/酮的羟基与另一化合物发生缩合反应形成的缩醛/酮 糖苷配基：非糖部分（醇、酚、含氮碱基） 糖基 α/β糖苷键
单糖衍生物
糖醇
单糖磷酸酯
糖酸
脱氧糖
氨基糖
糖胺
胞壁酸
神经氨酸
唾液酸
糖苷
强心苷
皂苷
寡糖 2-10多个单糖通过糖苷键连接而成的糖类
结构
命名
简单二糖
环糊精 6、7、8 α、β、γ
多糖
分类
同多糖
杂多糖
淀粉
直链淀粉（14左手螺旋）
遇碘变蓝
支链淀粉14 16
紫红色
糖原
8-12单位一个分支
分支多有利于分子在水中分散溶解，也有利于酶的降解作用
纤维素β14
几丁质β14 2-N-乙酰葡萄糖胺
细菌细胞壁的结构杂多糖
肽聚糖 二糖四肽重复单位连接而成的网状的囊形结构 壳多糖单糖残基3交替被乳酸取代，连接四肽后形成的网状结构
糖缀合物
糖密码
生物功能
1. 作为生物的结构成分 2. 作为生物体内主要的能源物质 3. 在生物体内转变为其他物质 4. 作为信息分子
脂质和生物膜
脂键
概论
脂质： 微溶或不溶于水而高溶于非极性溶剂的生物有机分子的统称。 大多数的化学本质是脂肪酸和醇形成的脂及其衍生物。
分类：
按化学组成分：
简单脂质，由脂肪酸和甘油或长链醇形成的脂，如三酰甘油和蜡；
复合脂质，除脂肪酸和醇外，尚有非脂分子成分，如磷脂和糖脂；
衍生脂质，由脂质衍生而来并具有脂质基本性质的物质。
按极性分：
非极性脂质，不能形成单分子层，如；
极性脂质，I类可以参入膜，但自身不能形成膜，如三酰甘油、胆固醇等，II类可以形成膜，如磷脂、鞘糖脂等。
按功能分：
贮存脂质
结构脂质
活性脂质
脂肪酸
脂肪酸的结构和命名
脂肪酸的结构特征
脂肪酸的物理和化学性质
多不饱和脂肪酸（PUFA）与必需脂肪酸
脂肪酸盐与乳化作用
贮存脂质—三酰甘油和蜡
三酰甘油（油脂、中性脂肪、脂肪）
油脂酸败与脂质过氧化 氢化反应产生反式脂肪酸 储能和保温
蜡及其用作储能和防水
膜结构脂质—磷脂、糖脂和固醇
子主题
活性脂质——萜类、固醇
子主题
血浆脂蛋白
分类
结构和功能
生物膜的组成和结构
脂质的提取、分离和分析
有机溶剂提取
氯仿、甲醇和水（体积比1：2：0.8），不溶物过滤 加入过量的水后分成两相，上层甲醇水，下层氯仿
吸附层析
气-液色谱
核酸
相关概念
右手双螺旋结构
中心法则
核酸的种类和分布
脱氧核糖核酸
环状双链DNA
质粒
线状双链DNA
末端端粒
DNA病毒
核糖核酸
转运RNA
核糖体RNA（mRNA）
信使RNA（mRNA）
其他
小RNA（small RNA ,sRNA） 300bp左右
微RNA（microRNA,miRNA）
位置分类
核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA
功能分类
反义RNA、小分子干扰RNA、小分子时序RNA、指导RNA、核酶
RNA病毒
核酸的化学组成
组成
D-戊糖/D-2-脱氧戊糖
磷酸
碱基
嘌呤碱
嘧啶碱
稀有碱基 种类多样，大多数是甲基化的碱基，tRNA中含量居多。
核苷
β-N-糖苷键
核苷酸
通用核苷酸
A、G、C、T、U
核苷酸衍生物
ATP、ADP
β键和γ键是两个高能磷酸键
能量的载体
核酸合成的前体
重要的辅酶
NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、FAD 辅酶A等
重要的辅酶的组成部分 腺苷酸不参与辅酶的功能，但却有助于底物或辅酶与酶的结合。
cAMP/cGMP
第二信使
核苷酸的聚合物（无分支）
DNA的结构和功能
DNA的一级结构
碱基序列：DNA的一级结构，即DNA中脱氧核苷酸的连接方式和排列顺序。 一级结构的走向规定为5`→3`。
DNA碱基配对的Chargaff规则： 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等，即G=C。 含氨基的碱基总数等于含酮基的碱基总数，即A+C=G+T。 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。
一级结构表示法：结构式、线条式、字母式。
二级结构
watson-crick双螺旋结构模型 B-DNA
两条反向平行的多聚核苷酸沿一个假设的中心轴相互右旋盘绕形成。 磷酸和核糖作为固定的骨架位于外侧，碱基作为可变成为位于内侧，并以A-T、G-C的配对原则配对。 螺旋直径2nm，相邻碱基之间平面垂直距离为0.34nm，螺旋结构每隔十个碱基对重复一次，间隔为3.4nm。
双螺旋稳定性因素： 碱基配对的氢键 碱基堆积力 碱基处于疏水的环境 磷酸基团负电荷被组蛋白或其他阳离子中和
A、B、C、D、Z-DNA
五种不同构象
参数比较
三股螺旋（triplex）
人工合成 天然某些区域也会出现，功能未知
分子间
分子内（H-DNA）
四股螺旋
三级结构： DNA分子通过扭曲折叠所形成的特定构象，包括二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征
超螺旋
定量描述：L=T+W 连环数（linking），一条链与另一条链缠绕的次数 DNA分子中的螺旋数（twisting） 超螺旋数/缠绕数（writhing）——松为－，形成负超螺旋 超螺旋度 l=（L-L0）/L0 松弛态连环数
意义： DNA的压缩和解链
拓朴异构酶
拓扑异构体：连环数不同，其他性质均相同的DNA分子。 酶可以通过改变L来影响其拓扑结构。
拓扑异构酶1：催化一次，L+1消除一个负超螺旋 一条链发生断裂和再连接，无需能量。
拓扑异构酶2：催化一次，L-2形成负超螺旋 两条链同时断裂和再连接，需要ATP。
原核生物
含量严格控制可使DNA保持一定的超螺旋水平
DNA与蛋白复合体结合
DNA（直径：2nm） 核小体链（11nm，200bp/个） 纤丝(30nm，6个/圈) 突环（150nm，75000bp） 玫瑰花结（300nm，6个突环） 螺旋圈（700nm，30个玫瑰花） 染色体（1400nm）
压缩近1000倍
基因（Aa）：染色体上的一段DNA序列
基本属性： 1. 通过复制，将遗传信息传递到子代。 2. 通过转录控制生物的表型。 3. 通过突变形成各种等位基因。
DNA贮存遗传信息
RNA的结构与功能
RNA的一级结构： A、G、C、U
含稀有碱基
RNA的高级结构
tRNA的高级结构
含稀有碱基最多
二级结构
单链四臂四环
三级结构
rRNA的高级结构
mRNA
原核生物多顺反子
真核生物单顺反子
小分子RNA：核内小分子RNA（snRNA）、反义RNA（asRNA）、 dsRNA、smRNA、siRNA、miRNA
RNA干扰
核内小分子RNA（snRNA）：RNA剪接体的主要成分，负责RNA转录后的加工
反义RNA（asRNA）：可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译。除此之外，也可以抑制DNA的复制和转录过程。
双链RNA（dsRNA）
smRNA
siRNA、miRNA：沉默基因
酶切形成很多小片段
RNA表达遗传信息
参与蛋白质合成
催化功能
对基因表达的调节作用
对染色体结构的组装
表型效应
核酸的物理化学性质 和研究方法
核酸的水解
酸水解 糖苷键(嘌呤>嘧啶)>磷酸脂键
研究核酸碱基组成
完全脱嘌呤 PH1.6 37℃ 对水透析 PH2.8 100℃ 1h
脱嘧啶 98-100%甲酸 175℃ 2h 三氯乙酸 155℃ DNA60min/RNA80min
碱水解
磷酸脂键
RNA 水解 0.3-1mol/LKOH 室温 24h(2` 3`)
DNA较稳定
酶水解
磷酸二酯酶
非特异性 蛇毒磷酸二酯酶水解DNARNA,得5`-核苷酸 牛脾磷酸二酯酶水解DNARNA,得3`-核苷酸
核酸酶
核酸外切酶 核酸内切酶 单链核酸酶 双链核酸酶 杂链核酸酶
5` 3`
DNase
S1:作用于单链DNA
DNase 1:单双链,5`核苷酸结尾
限制性核酸内切酶EcoR1:作用于外源DNA,有严格的碱基专一性.
RNase
RNase H:作用于DNA-RNA中的RNA链,可用来去除RNA
RNase 1(牛胰核糖核苷酸):最适PH为7.0~8.2,产物以3`-嘧啶核苷酸结尾
RNase T1(米粬):耐热耐酸,产物以3`-鸟苷酸结尾
RNase T2(米粬):产物以3`-腺苷酸结尾
N-糖苷酶
核酸的酸碱性质
碱基的解离
核苷的解离
戊糖可增强碱基的解离,戊糖羟基可解离在12以上不考虑其解离。
碱基的N以及其他取代基有结合和释放质子的能力
核苷酸的解离
核酸的滴定曲线
核酸的紫外光吸收（碱基共轭双键引起） 在260nm有最大吸收峰
DNA/RNA定量
保证样品很纯的条件下
OD260=1.0 双链DNA 50μg/ml 单链DNA/RNA 40μg/ml 寡核苷酸 20μg/ml
判断纯度
OD260/OD280=2.0 RNA纯品 OD260/OD280=1.8 DNA纯品 不纯比值会低
判断变性,变性OD会变高(增色效应)
摩尔磷
核酸的变性复性杂交
变性：在物理、化学因素的影响下，核酸碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开。 是一个跃变过程（发生在很窄的范围）。 现象有OD260增加、粘度降低、浮力密度增高、功能丧失。
热变性 Tm 熔解温度：变性一半时的温度
Tm的大小和温度范围的影响因素： 1. GC含量有关，测定的Tm值可推算碱基组成和判断DNA纯度。 2. 介质离子强度高则不易变性，即Tm高，变性范围小 3. 均质DNA温度范围小
复性（缓慢冷却）
杂交（快速冷却，探针）
Southern杂交 （人名）
Northern杂交
研究方法
核酸的分离纯化
超速离心
凝胶电泳
柱层析
核酸提取和纯化
DNA的分离
注意：防止核酸的降解和变性
浓盐法
DNA溶于浓盐
RNA的分离
注意：RNase广泛且稳定存在，致使RNA很容易被降解
定量
紫外分光光度法
定磷法
定糖法
核酸序列测定
第一代测序技术
第二代测序技术
第三代测序技术
DNA微阵列技术
探针
类型： 不同生物体来源的基因片段 cDNA/EST 合成的寡聚核苷酸
核酸标记物
激光共聚焦荧光检测法
核酸的化学合成
固相亚磷酸三酯法（自动化）
PCR
维生素和辅酶
维生素概论
脂溶性维生素
A
D
E
K
水溶性维生素
数字为下标
B1和硫胺素焦磷酸
PP和烟酰胺辅酶
B2和黄素辅酶
泛酸和辅酶A
B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺
B12及其辅酶
生物素和辅酶生物胞素
叶酸和四氢叶酸
硫辛酸
维生素C
作为辅酶（辅基）的金属离子
概论
金属酶类与金属激活酶类
含铁酶类
含铜酶类
含锌酶类
其他金属酶类
激素和信号传导
激素
通论
人和脊椎动物的一些重要激素
昆虫激素
植物激素
信号传导
概述
G蛋白偶联受体和第二信使
受体酪氨酸激酶
受体鸟苷酸环化酶
门控离子通道
酶学
酶的催化作用 一、酶通论
酶作为生物催化剂与 一般催化剂的异同
同
降低化学反应的活化能
能显著改变化学反应的速率
在反应前后的化学本质和数量不变
异
1. 酶容易失活
2. 酶具有很高的催化效率
3. 酶具有高度专一性
4. 酶活性受到调节和控制
酶的命名和分类
习惯命名
国际系统命名
国际系统分类及酶的编号
1. 氧化还原酶类
2. 转移酶类
3. 水解酶类
4. 裂合酶类
5. 异构酶类
6. 连接酶类
酶的专一性
类型
结构专一性
绝对专一性
相对专一性
基团专一性
键专一性
立体异构专一性
旋光异构专一性
几何异构专一性
假说
锁钥学说
诱导契合
酶活力测定 分离纯化
酶活力测定
酶活力
转换数
酶活力单位
酶的比活力
测定方法
分光光度法
荧光法
同位素测定法
电化学法
核酶 核酸酶
种类
大分子核酶
I型内含子
II型内含子
Rnase P 的RNA组分
小分子核酶 活性片段<100bp
锤头状核酶
发卡状核酶
肝炎δ病毒（HDV）核酶
Vs核酶
脱氧核酶
应用前景
抗体酶
应用前景
二、酶动力学
底物浓度对酶促反应的影响
中间复合物学说
动力学方程（米氏方程）
酶的抑制作用
抑制程度的表示方法
抑制作用类型
可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别
酶的抑制剂
不可逆抑制剂
可逆抑制剂
温度对酶促反应的影响
pH对酶促反应的影响
激活剂对酶促反应的影响 激活剂：凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。
无机离子
特征： 1. 激活剂对酶具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用。 2. 有时金属离子之间可互相替代。 3. 可因浓度不同起不同的作用
金属离子
多数激酶及合成酶的激活剂
无机阴离子
唾液淀粉酶的激活剂
简单的小分子有机化合物
还原剂（如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽）使二硫键还原为巯基
去除重金属对酶抑制的螯合剂（如EDTA）
一些激活酶原的蛋白酶
三、酶作用机制
活性部位/活性中心
结合部位 负责与底物结合，决定酶的专一性
催化部位 负责催化底物键的断裂和形成，决定酶的催化能力。
活性中心的共同特点
研究酶活性部位的方法
侧链基团化学修饰法
动力参数测定法
X射线晶体结构分析法
定点诱变法
现代常用
酶促反应机制
基元催化反应
酸碱催化： 通过瞬时的向反应物提供质子或 从反应物接收质子以稳定过渡态， 加速催化反应的一类催化机制。
专一的酸碱催化/侠义酸碱催化： 水溶液中，通过高反应性的质子和氢氧根进行的催化
总酸碱催化/广义酸碱催化： 通过质子和氢氧根或能提供质子和氢氧根的供体进行的催化。
共价催化/亲核催化/亲电子催化： 能放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电子中心， 迅速形成稳定的共价中间复合物。
金属离子催化
金属酶 具有结合紧密的金属离子
金属-激活酶 含松散结合的金属离子
酶高催化能力的原因
邻近和定向效应
底物形变和诱导契合
多元催化和协同效应 几个基元催化反应配合在一起共同起作用。
活性部位微环境的影响
实例
溶菌酶
结构
催化作用机制
关键要素
碳酸酐酶
丝氨酸蛋白酶
消化作用的丝氨酸蛋白酶 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶
催化机制
凝血作用的丝氨酸蛋白酶
乙酰胆碱酯酶
天冬氨酸蛋白酶
四、酶活性调节
别构调节
效应物/别构剂
正效应物/别构激活剂
负效应物/别构抑制剂
同促效应
异促效应
酶的别构效应
别构酶的性质
别构模型
齐变模型
序变模型
别构酶实例
天冬氨酸转氨甲酰酶
共价调节
酶的可逆共价修饰
磷酸化与脱磷酸化
蛋白激酶
酶原激活——不可逆共价调节
同工酶： 催化相同化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面具有明显差异的一组酶，它们被不同基因编码。
乳酸脱氢酶
生物学功能
蛋白质
一、氨基酸、肽和蛋白质
氨基酸
分类
20~30种蛋白质氨基酸
20种常见的蛋白质氨基酸（L型）
稀有蛋白质氨基酸
200多种非蛋白质氨基酸
性质
物理性质
溶解性 溶于水，特别是稀酸、稀碱溶液 不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂
熔点 熔点很高，均大于200℃，因此常温下为晶体。 氨基酸之间的结合力很强，是离子键。
旋光性与光谱性质
在280nm有最大吸收峰
酸碱性质
解离
碱性：接收质子 酸性：提供质子
等电点
化学性质
α-氨基和α-羧基的反应
侧链官能团的反应
多肽
肽和肽键
物理化学性质
氨基酸相比
双缩脲反应
天然活性肽
肽类激素
催产素 加压素 舒缓激素
脑啡肽
某些抗生素
蕈毒素
α-鹅膏蕈碱
还原性谷胱甘肽
蛋白质通论
蛋白质的化学组成和分类
形状和溶解度分类：
纤维状蛋白质
球状蛋白质
膜蛋白
组成分类：
简单蛋白
缀合蛋白
蛋白质分子的形状和大小
蛋白质的共价结构（一级结构/化学结构）
蛋白质测序策略
蛋白质测序常用方法
N端测序
C端测序
二硫键断裂
全序列重建
确定二硫键位置
蛋白质的8功能
行使催化与转化的功能
作为信号分子和信号转导器
转运专一的分子和物质
作为结构和支撑成分
起运动和动力作用
具有防卫和保护功能
作为养分的贮库
起支架或衔接作用
二、 蛋白质的三维结构 蛋白质的空间结构，即蛋白质的构象， 指的是蛋白质中所有原子在三维空间中的位置。
概述
弱相互作用
酰胺平面
二面角
φ角
ψ角
ω角
空间位阻
三维结构测定方法
X射线衍射
蛋白质的二级结构 纤维状蛋白
二级结构
α螺旋
β片/β折叠片
β转角、Ω环
无规卷曲
纤维状蛋白 是动物体的基本支架和外保护成分，呈纤维状， 由单一类型的二级结构简单重复而成
α-角蛋白
β-角蛋白
胶原蛋白
超二级结构
αα
βαβ
ββ
结构域 三级结构 球状蛋白
结构域： 多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区， 它是一个相对独立的紧密球状实体。
三级结构： 蛋白质分子的肽链中所有肽键和氨基酸残基的空间位置
三级结构的特征
以螺旋和折叠片构成分子核心
三维结构具有明显的折叠层次
分子是紧密的球状或椭球状实体
疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面
分子表面有一个空穴
分类
全α蛋白质
全β蛋白质
α/β蛋白质
单绕平行β桶
双绕平行β片
α+β蛋白质
富含金属或二硫键蛋白质
小的不规则
四级结构 亚基缔合
亚基/单体
分类
单体蛋白质
寡聚蛋白质
原聚体/原体
多聚体蛋白质
四级缔合
亚基缔合驱动力 及相互作用方式
对称性
n-重轴
环状对称
二面体点群对称
立方体点群对称
螺旋对称
优越性
增强结构稳定性
提高遗传经济性和效率
使催化基团汇集在一起
具有协同性和别构效应
变性、折叠和结构预测
折叠
氨基酸序列规定蛋白质的三维结构
二硫键稳定蛋白质构象
折叠热力学和动力学
异构酶和伴侣蛋白参与体内蛋白质的折叠
三维结构与功能的关系
同源蛋白质的物种差异与生物进化
同源蛋白质
不变残基
可变残基
细胞色素c
氧结合蛋白
血红素/铁卟啉
肌红蛋白（Mb）
氧结合曲线
血红蛋白（Hb）
构象变化
T态
R态
氧结合
别构效应
2,3-二磷酸甘油降低氧亲和力
降低氧亲和力
Bohr效应
血红蛋白分子病
镰状细胞贫血
珠蛋白家族
三、蛋白质的性质、分离纯化和鉴定
性质
蛋白质变性与复性
蛋白质的分离纯化
蛋白质相对分子质量的测定
蛋白质含量测定和纯度鉴定
生物化学与分子生物学 （新陈代谢：途径和能学）
新陈代谢总论
生物能学
糖代谢
六碳糖、五碳糖
糖酵解
柠檬酸循环
氧化磷酸化作用
磷酸戊糖途径
糖异生及其他
糖原的分解和生物合成
光合作用
脂质代谢
-COO-
新陈代谢的调节控制
核酸代谢
核酸的降解和核苷酸的代谢
核酸降解
核酸的解聚作用
核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶。
核酸外切酶：从核酸链两端逐步水解下核苷酸。 脱氧核糖核酸外切酶只作用于DNA。 核糖核酸外切酶只作用于RNA。
核酸内切酶：从核酸分子内部切断3`,5`-磷酸二酯键
限制性核酸内切酶：特异性切割外源DNA。
水解位点/酶切位点
四/六核苷酸
粘性末端/平末端切口
核苷酸的降解代谢
核苷酸酶
磷酸基团
核苷
核苷磷酸化酶广泛存在。（1-磷酸戊糖，碱基） 核苷水解酶只对核糖核苷起作用，主要存在于植物、微生物。（戊糖，碱基）
碱基的分解代谢 碱基水平/核苷酸水平
嘌呤的分解代谢：
人类等灵长类最终代谢产物为尿酸，会形成结晶引起痛风
除灵长类的哺乳动物（尿酸氧化酶）最终代谢产物为尿囊素
硬骨鱼和植物（尿囊素酶）最终代谢产物为尿囊酸
鱼类和两栖类（尿囊酸酶）最终代谢产物为尿素和乙醛酸
嘧啶的分解代谢
核苷酸的合成代谢
嘌呤核苷酸的两条途径
从头代谢途径（de novo synthesis）： 不以现成的碱基为原料，以磷酸核糖、氨基酸、一碳单位、CO2等简单物质为原料，经一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的过程。 主要的合成路径，主要在肝组织中进行，小肠黏膜和胸腺也可以。 细胞液
1. 合成IMP
2. IMP→AMP、GMP
负反馈调节
IMP 2 IMP→AMP、GMP
补救合成途径（salvage pathway）： 利用游离的嘌呤或嘌呤核苷，经简单反应，合成嘌呤核苷酸的过程。 脑、骨髓等只能进行此途径。 意义：过程简单，减少能量和氨基酸的消耗，弥补一些组织不能从头合成嘌呤核苷酸的不足。
APRT：腺嘌呤磷酸核糖转移酶 HGPRT：次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶
腺苷酸激酶，使腺苷酸核苷磷酸化（缺乏其他嘌呤核苷酸的激酶），得到AMP
嘧啶核苷酸
从头合成途径
补救合成途径（salvage pathway）
负反馈调节
1、2 CTP合成酶
脱氧核糖核苷酸
核糖核苷酸还原
生物体的dUTPase活性很高
通过调节
四种产物数量一致
蛋白质代谢
蛋白质降解和氨基酸的分解代谢
氨基酸的生物合成
生物化学与分子生物学 （遗传信息：传递和表达）
基因和染色体
DNA的复制和修复
DNA重组
RNA的生物合成和加工
蛋白质的合成、加工和定位
基因组学及蛋白质组学
基因工程、蛋白质工程及相关技术
基因表达调节
科学史
生物信息学
系统生物学
生物系统网络
基因表达调控网络
代谢网络
信号传导途径
蛋白质相互作用网络
虚拟细胞
统计学习与推理
贝叶斯定理
在某一事件条件下，事件发生的概率
生物应用
二元预测
灵敏度
100%说明都找出来了
特异度
100%说明找到的都是对的
生物应用
机器学习
一类从数据中获得规律，并利用这个规律对未知数据进行预测的算法
深度学习
多维向量描述物体
标注
分类
回归
训练组数据
K次交叉检验
完成检验的同时避免过学习和欠学习的情况
1.将训练组数据进行分组，依次挑选出一组作为测试组数据 2.取K次测试结果的平均值，即可完成检验
聚类
没有背景知识，通过属性判断将所有新物体分组
算法
贝叶斯
概率统计算法
最近邻居
物体根据自身的特征属性标记到坐标系中 未知物体的位置离哪种已知物体近就是哪种物体
决策树
节点：对象属性的判断条件 分支：符合节点条件的对象 叶子：预测结果
支持向量机
间隔最大化
人工神经网络
遗传算法
数据库整合 数据挖掘 数据库及其管理系统（DBMS）
SQL大数据 大、快、杂、疑
数据库结构
平面文件
早期纯文本
Flat File
通用性强
检索困难
entry
P22
面向对象数据库
JSON
javascript object notation
Internet XML
extensible markup language 可扩展标记语言
exist-db
XQuery
关系型数据库
表格
MySQL
SQL语言
检索系统
Enterz
Database Commons
DaTo
WEKA
文件类型转换
ARFF文件
软件识别的文件格式
数据类型
CSV文件
explorer 界面
数据预处理
属性转换
添加属性
执行数据挖掘
Perl
代替
python
编程基础、网页制作
Linux操作系统
python
R
前端页面
测序
测序技术
一二三代测序
NGS在精准医学中的应用
筛查出致病基因 遗传病筛查 癌症筛查
从头测序（de novo assembly）
没有参考基因组， 需要从头开始测序
基因组组装
重复区组装问题
重测序
转录组测序
表观基因组测序
非遗传基因表达调控
组蛋白结合
甲基化修饰
问题
易质性
噪音污染（共生细菌等引起）
基因组学、蛋白组学 转录组、表观遗传组 非编码RNA、代谢组
基因组学
古基因组学
猛犸象基因组测序计划
标本的不完整
较为完整的部位：骨骼、毛发
DNA降解片段化
细菌污染
DNA damage
转录组学
非编码RNA
蛋白质组学
蛋白质结构预测与分析 蛋白质相互作用
二级结构
螺旋
β折叠
β折片
无规卷曲
β转角
已知蛋白
ID：3CIG
DSSP文件
二级结构定义词典 对已经测定三级结构的蛋白质各个位置指认出是哪种二级结构
Biotools
未知蛋白
预测
PSIPRED
三级结构
已知蛋白
X射线衍射
核磁共振
冷冻电镜
下载PDB文件
三级结构可视化软件
pymol
收费
VMD
主窗口
显示窗口
命令窗口
未知蛋白
预测
同源穿模法
相似的序列对应着相似的蛋白质结构 一致度大于百分之三十
SWISS-MODEL
穿线法
不相似的氨基酸序列也可以对应的蛋白质结构
I-TASSER
从头计算法
最低自由能
QUARK
综合法
ROBETTA
模型质量评估
三级结构比对
蛋白质分子表面性质
四级结构
分子对接
虚拟筛选与反向对接
分子动力学模拟
分子进化系统发生 计算进化生物学 生物多样性研究
进化的证据
化石、比较解剖、分子进化
分子进化
基本假设
DNA、RNA或蛋白质序列包含了物种的所有进化信息
生物钟理论
一个特定蛋白的变异进化速度在不同物种中是基本恒定的。 即两个序列越相似 ，他们的亲缘关系就越近。
同源
同源序列：来源于共同祖先的相似序列
直系同源
来自不同物种的，由垂直家系进化而来的基因。其一个重要特征是保留了原始基因的相同功能。
旁系同源
在同一物种中的来自基因复制的基因，可能进化出新的或与原来有关的功能。
异同源
通过水平基因转移，由于共生或病毒侵染所产生的相似基因
树/网
水平基因转移
其水平越高，进化树就越接近网状
生物将遗传物质传递到其他细胞而非子代细胞的过程
系统发生树
意义：亲缘关系 预测功能 预测分子功能的走势 追溯基因的起源
根和节表示理论上曾经存在过的共同祖先 叶表示现存物种
有根树、无根树区别的关键在于根的确定
外类群
研究内容之外的一个group，用来确定根节点
构建
基于距离的方法NJ
快
非加权分组平均法
计算所有序列两两之间的距离 距离：用双序列比对得出的一致度/相似度代表或使用其他简化值
mega软件
最大简约法MP
贝叶斯推断法
慢
最大似然法ML
序列分析
序列比对
普通序列比对
打点法
连续的对角线
dotlet
替换计分矩阵
核酸
等价矩阵
转换-颠换矩阵
BLAST矩阵
实践经验所得
蛋白质
等价矩阵
PAM矩阵
进化单点可接受突变
PAM250
BLOSUM矩阵
最小相同残基数百分比
BLOSUM65
空位罚分
对序列不了解的情况下保持默认即可
空位起始罚分
存在一段序列缺失的情况下给高分
空位延长罚分
不存在缺失的情况下给一个相对较高的分数
双序列比对
长度不同怎么办？
Needleman-Wunsch算法
动态规划算法
计算复杂度=
n：序列的长度
全局比对
同源序列
ACGTC A ATC
得分从零开始到最后的最高分为最终得分
局部比对
特定的位点
首尾得分为零
EMBL
BLAST搜索
Basic Local Alignment Search Tool 基本局部比对搜索工具 是综合在一起的一组工具的统称，各个搜索工具的搜索算法有所不同。 作用：根据我们手中有未知序列，从数据库中找到与它相同或相似序列。 各大数据库均有提供，可跨平台搜索。
算法
片段对
（要点）给定序列中完全匹配的一对子序列。 特征：牺牲准确度换取检索速度。
计算复杂度=n
六条链？——与起始碱基有关 1 2 3 （互补链 1 2 3） 后三种用于新发现的序列搜索
标准BLAST
PSI BLAST
位点特异性迭代
PHI BLAST
其他
SMARTBLAST
多序列比对
我们知道两条序列比对是二维的，由此说来多序列比对则是多维的，比较难度也就相应的加大了，准确度也会有损失。 所以目前所有的比对工具都使用的是一种类似的算法，都不是完美的。
算法
动态规划算法—多维矩阵
渐进式算法
大多数序列比对工具使用的算法
迭代算法
统计概率算法
工具
Clustal
常用
TCOFFEE
新，准确率高但计算耗时长。
MUSCLE
快
结果处理
输出格式
编辑器
jalveiw
寻找保守区域
序列标识图
基序
MEME
指纹 prints数据库
序列算法
为研究生物序列而开发出的复杂度尽可能低的算法
构建后缀树
应用
查找字符串是否在该字符串中
查找字符串的重复次数
最长重复子序列
最高分子序列
应用
预测跨膜区域
找出富含GC的区域
计算复杂度
基因序列注释
生物数据库 数据库结构类型
储存和管理数据 的计算机文档， 方便数据信息的检索和调用
生物数据库
NAR（Nucleic Acids Research）
信息聚集地 数据库专辑（database issue）：数据库介绍与统计。 网络服务器专辑（Web Servicer issue）：提供基于网络的分子生物学数据分析及可视化软件资源。
数据库专辑（database issue）
15大类多个小类
生物信息学 陈铭 P14
网络服务器专辑（Web Servicer issue）
11大类多个小类
核酸数据库
一级核酸序列数据库
NCBI-GenBank
FASTA格式
第一行：大于号加名称和其他注释 序列60/80/.
原核
例如：X01714
真核
U90223、AF018430
外显子
信号肽
基因组数据库：Ensemble
人类基因组
微生物宏基因组数据库：JCVI
二级核酸序列数据库
蛋白质数据库
一级蛋白质数据库
UniProt
序列
UniProtKB
PDB
蛋白质结构数据库 3H6X
PDB文件
注释解读
JSmol 3d展示
二级蛋白质数据库
Pfam
结构域家族
search
CATH
蛋白质结构分类数据库 分类代码：2.70.40.10
C：种类
全α、全β型、α+β型、低二级结构
A：二级结构的架构
T：拓扑结构
H：同源超家族
SCOP
结构分类（蛋白质进化关系）
class
fold
super family
family
专用数据库
pubmed
文献数据库
KEGG
代谢通路
pathway
OMIM
遗传疾病
分子生物学技术
提取
全基因组DNA
裂解
裂解液
吸附
清洗
RNA（核糖核酸）
AUCG
提取
转录组RNA mRNA siRNA
总RNA
trizol
裂解
裂解液
吸附
mRNA poly dT磁珠
清洗
PCR
PCR
反应体系（10μl）
水
缓冲液
dNTP
Taq酶
引物（primer）
引物设计
模板加入
6
程序运行并循环
2的n次方
RT-PCR
cDNA
Real-time-PCR和 qPCR（Quantitative Real-time-PCR ）
实时荧光定量PCR 在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
荧光染料
SYBR Green
荧光探针
测序
转录组测序 RNA-seq
相关名词
通量
一般定义：某种物质每秒内通过每平方厘米的假想平面的摩尔数。 放在测序方面来讲则是测序速度和测序数量的综合体现。
一代测序
Sanger测序
末端终止法
一代测序技术的主要特点就是测序读长可达1000bp，准确性高达99.999%，二三代所不能及），但它的通量低，成本高。目前一代测序在验证序列（就是平时送公司测序返回来自己blast的那些）以及验证基因组组装完整性方面都是金标准。
反应体系
分别加入四种同位素/荧光标记的ddNTP，进行PCR程序
将得到的产物分别点样到对应的槽位中，进行电泳
检测荧光信号，获取序列信息
文库构建
illumina
将DNA分子打断到一定的大小（300bp左右） 使用酶将两端补平 Klenow 酶在3‘ 端加一个 A 碱基（用于连接接头序列） 加上测序接头（3’端带有突出的T碱基粘性末端）
ion torrent
AmpliSeq文库
AmpliSeq文库是通过多重PCR扩增出来的DNA，再加上接头做的文库。
利用PuFa试剂把PCR扩增产物上大部分的引物序列都给切掉，在测序的时候就可以尽可能多得测到样本序列。
接头不是3’端带有突出的T碱基粘性末端，而是平头的。
二代测序
（Next-generation sequencing，NGS） 高通量测序 主战场转移到了临床。
illumina
illumina-Solexa
荧光信号 桥式PCR
读长短、通量高、准确度高，在进行基因组组装或者结构变异分析的时候没有优势，可用作三四代测序read的纠错
flowcell
流动池：一片带有8条通道（lanes）的玻璃载玻， 每个通道内表面附有两种DNA引物
接头固定在玻璃表面
CBotDNA簇
反应体系
dNTP
3′-OH以叠氮集团 RTG (Reversible Terminating Group,可逆末端基团)进行修饰
反应因RTG终止，激发荧光进行信号采集。
荧光分子标记在碱基上
上机测序
成簇反应
引物会与DNA文库的接头序列互补配对，固定在通道表面
聚合酶生成杂交片段的互补片段
加入NaOH碱溶液后，双链分子变性，原始模板链（左边的链）被流动池中的液体洗去
加入中性液体用于中和碱溶液，剩下的单链拷贝链另一端的接头就会与通道表面的引物结合，形成单链桥。
在聚合酶参与下，生成互补链，最终形成双链桥
通过变性，DNA分子线性化，变为两个单链拷贝
它们又分别与自己配对的引物结合
重复这个循环，同时形成数百万的簇。在这个过程中，所有的DNA片段都会被克隆扩增。
循环n次
测序
桥式扩增后，反向链会被切断洗去，仅留下正向链。为防止特异性结合重新形成单链桥，3‘端被封锁
Flowcell中加入荧光标记的dNTP和酶，由引物起始开始合成子链。
dNTP存在 3’端叠氮基会阻碍子链延伸，这使得每个循环只能测得一个碱基。
合成完一个碱基后， Flowcell 通入液体洗掉多余的dNTP和酶，使用显微镜的激光扫描特征荧光信号。
荧光发射波长与信号强度一起决定了碱基的读出，所有的DNA片段的一个碱基会被同时读取。
加入化学试剂将叠氮基团与荧光基团切除，然后 Flowcell 再通入荧光标记的dNTP和酶，由引物起始开始合成一个碱基。不断重复这个过程，完成第一次读取。
Paired-end测序
双末端测序
将模板链3’去保护，模板折叠，index片段引入
在聚合酶参与下形成双链桥
变性，恢复为单链。注意，这次是将正向链切除并洗去，只留下反向链
反向链以测序引物为起始，与正向链类似，经过多个循环后完成读取。
数据分析
数百万个reads
index 分类来自不同样本的序列
具有相似延伸的碱基被聚在一起。正向和反向read配对生成连续序列。这些序列通过与参考基因组匹配后，实现完整序列的构建。
illumina-Hiseq
Roche
Roche-454
赛默飞
ion torrent
翻版罗氏454：焦磷酸荧光显色 半导体芯片测序技术，通过实时检测 DNA 复制时产生的 H+ 离子流导致的 PH 值变化，从而得到碱基序列。
晶芯®BioelectronSeq 4000 基因测序仪（简称 BES 4000，博奥生物）
优点：无以伦比的快速，2个小时完成测序工作；Ion Torrent的化学测序原理自然简单，无修饰的核苷酸、无激光器或光学检测设备，因而可达到极小的测序偏差和出色的测序覆盖均衡度。 缺点：测序通量目前还不够大，增加半导体芯片的容量将有望提高测序仪的处理能力。
油包水相扩增
乳液PCR：水相是核心，油相起到分隔作用。
测序珠子
这些珠子的表面，共价连接了许多的PCR引物，这个引物的序列正好是和文库的P1接头是互补的
游离的PCR引物
这个游离的PCR引物，它的5’端标记了生物素（标记的生物素的作用，后面还要提到，），这个引物的序列是和前面的A接头或者X接头相一致。
把文库种到测序珠子上去，并且进行扩增。
把水相混合好之后加入油，把油和水进行混合，接着，把混合好的乳浊液进行PCR反应
它同时有文库分子和测序微珠，那么它就会发生PCR反应
发生了PCR反应的珠子给纯化出来
链霉亲和素的磁珠
发生了PCR反应的珠子它上面的DNA链是连了一个从PCR扩增引物带来的生物素，生物素会和链霉亲和素很牢固地结合，这样磁珠就会和发生了PCR反应的测序珠子结合在一块。
通过专门的洗脱液，把磁珠所富集起来的测序珠子给洗脱下来，这些洗脱下来的珠子，就可以上机测序了。
上机测序
每个小孔正好可以容纳一个测序微珠。
DNA 聚合酶以DNA 模板链为模板，遵循核苷酸互补配对规则，若核苷酸掺入并且发生结合，就会产生 H+（氢离子），而在每个孔的底端都有一些传感器，这些感应器能够检测到 H+浓度并将其转换成数字信号，实时解读核苷酸序列。
例如流入的是dCTP溶液，而模板上正好有一个G碱基。就会发生聚合反应，并产生电压变化，而且会被记录下来。如果流入的溶液与模板上的碱基不匹配，就不会发生聚合反应。也就没有电压变化，不会有碱基被记录下来。
两个相同的碱基，检测到双倍电压
Key sequence
在测序的序列安排上，最前面的4个碱基叫Key sequence，分别是A、C、G、T，因为每个珠子上长多少个DNA链，它的变化范围是很大的。所以用Key Sequence的A、C、G、T四个碱基所测到的PH值变化的强度来确定这个珠子的信号强度。
MGI（华大）-DNB
DNB滚环复制
DNA 纳米球
三代测序
单分子测序， 在科研端有一定优势
PacBio
微孔 荧光信号
读长长、通量高、准确度不高，但可通过测序深度弥补，GC偏差低，可进行甲基化的直接测序。
四色荧光分子标记在磷酸上
不需要PCR扩增，信号的有效提取成为了关键
零模波导孔（ZMW）技术
nanopore
牛津 纳米孔 电信号
读长长、通量高、准确度低，不可通过测序深度弥补，但可通过Illumina read 纠错。
主要是通过ssDNA或RNA模板分子通过纳米孔而带来的“电信号”变化推测碱基组成进行实时测序。
杂交
东南西北
三维结构检测
X射线衍射
晶体样品
核磁共振
溶液
产物纯化
PCR产物纯化
PCR产物：酶试剂=3：1 混合
37℃20' → 80℃20'→12℃forever
测序反应产物纯化
质检
分光检测
电泳检测
bp：碱基对 1Mb=1000kb=1000000bp
琼脂糖凝胶
1.2g琼脂、80ml1xTBE buffer
TBE：电泳缓冲液（用于核酸的溶解） 10xTBE：108gTris+55硼酸+7.44gEDTA 去离子水定容1000ml
点样体系（6μl）
Gelred：核酸染料
6μlDNA marker（BL2000、λ DNA/HindIII）
LoadingBuffer+1μl核酸样品1
凝胶成像仪
HLA检测 A、B、C、DQB1、DRB1 DPB1
提取组
检测样品存放整理
1||| 接收、拆箱、核查、登记
实验室编号
内部抽检-R、骨髓库抽检-C
骨髓
脐血
其他
2||| 排序、贴签（5×16 对号）、拔质控、插质控、摇匀、加样（2×16 对号）
3||| 4℃暂存（10×10）
4||| -20℃保存3年
5||| 过期丢弃
基因组DNA提取
Genon
台湾圆点工作站-H、质控（骨髓）、第二管-D
手工试剂盒（K、B）-S、T、F
口拭子
细胞
ZA-1（H-S）2×8×2
ZA-2（H-S）2×8×2
96
ZA-3（H-S）2×8×2
ZA-4（H、N、O、P-S） 2×10
TianGen
血凝块
DNA浓度稀释
美国UCLA质控品 U+
C1
C2
鲑鱼精、大肠杆菌（）
质检
浓度检测（ng/ul）
打印电泳图
拍照核对
基因组DNA转管交接
0.2mlPCR管（40、80ul）
吸电泳1ul、分装-2
96孔板（40ul）
B行吸电泳1ul
PCR扩增组
实验体系配制（A201），分装
体系单
模板加入（A203）
24ul+1ul
记录单
模板单
子主题
运行PCR仪（A205）
吸电泳1ul
变性93
退火55
记录单
延伸72
数据组
纯化组
PCR产物纯化
3、10列吸电泳1µl
测序反应产物纯化
电泳组
基因组DNA
PCR纯化产物
测序反应纯化产物
测序组
测序反应
Sanger末端终止法测序
实验前准备
体系配置与分装
9ul
模板加样与上机扩增（A206）
1µl
制作模板表及上传
二代建库上机
illumina
文库制备
CBotDNA簇
上机测序
数据分析
ion torrent
制备测序文库
油包水相扩增
收集纯化磁珠
上机测序
数据分析
卫生部临检中心
QC+
骨髓库
临床
科研
脐血库
样品库
交接单
地库
蓝夹子 黑夹子
登记表（无需打印）
提取记录表+流程记录单
整理单+模板单
质控记录
仪器使用记录
仪器维护记录
移液器维护记录
废弃物交接记录+废弃物灭菌记录
清场记录
试剂使用记录+验证记录
物料（无需打印）
试剂耗材
办公用品
冰箱温度+环境温湿度记录
交接记录
样品质检间
样品提取间
样品整理间
供体、受体