FAFU第二章生物大分子及其相互作用

1、第二章第二章 生物大分子及其相互作用生物大分子及其相互作用福建农林大学食科院福建农林大学食科院 赵赵 超超College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University2012.03.012012.03.01分子生物学分子生物学( (Molecular Biology) )第第2 2章章 生物大分子及其相互作用生物大分子及其相互作用 2.1 2.1 生物活性物质的本质生物活性物质的本质 2.2 2.2 生物大分子间相互作用的化学力生物大分子间相互作用的化学力 2.3 2.3 生物大分子的自我组装生物大分子的自我组装 2.4

2、 2.4 生物大分子的相互作用生物大分子的相互作用前前 言言一、一、在我们居住的地球，有大约在我们居住的地球，有大约10001000万种生物万种生物。 从高山到平原，从沙膜到极地，从空中到海洋，几乎到处都有生命的踪迹。有天上飞的，地下爬的，水中游的。 有的生物只是一个单细胞，如大肠杆菌和酵母菌；有的则有复杂的组织和器官，象人体就有1014体细胞。二、二、如果就生物大分子而言，人体大约有如果就生物大分子而言，人体大约有5000050000种以上种以上的蛋白的蛋白质，同时含有数以万计的核酸及其它大分子种类。质，同时含有数以万计的核酸及其它大分子种类。 地球上的全部生物，估计包括1011种蛋白和差不

3、多相同数量的核酸。 即使极为简单的大肠杆菌（其体积约为210-12cm3)，也含有3000多种蛋白质，1000多种核酸，还有1000多种其他生物大分子和低分子的有机化合物。三、三、在这样种类复杂，形态万千的生物体系中，人们在这样种类复杂，形态万千的生物体系中，人们 必须寻求生命状态的基本逻辑原理，必须寻求生命状态的基本逻辑原理，这就是：（一）生物大分子虽然具有复杂的结构，但在组成方面却存在一种基本的简单性，例如： 1.DNA由4种脱氧核糖核苷酸（4dNTP)聚合而成； 2.RNA由4种核糖核苷酸（4NTP)聚合而成； 3.蛋白质由20余种氨基酸聚合而成； 4.多糖由少数几种单糖聚合而成。（二）

4、所有的生物都使用相同种类的的构件分子，似乎它们是从一个共同的祖先进化而来。（三）每种生物的特性是通过它具有的一套与众不同的核酸和蛋白质而保持的。（四）每种生物大分子在细胞中有特定的功能。 以上这些正是生物化学、分子生物学、分子遗传学以上这些正是生物化学、分子生物学、分子遗传学所要研究的基本问题所遵循的逻辑。所要研究的基本问题所遵循的逻辑。四、四、生物大分子（生物大分子（biopolymerbiopolymer、biomacromoleculebiomacromolecule) )是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物。包括核酸、蛋白质和多糖。 基本结构单位的排列顺序构成

5、生物大分子的一级结构，生物大分子在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构。 自然界典型的生物大分子的分子量在10103之间。五、五、基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究和信号传导研究是当今分子生物学研究的和信号传导研究是当今分子生物学研究的4 4大前沿领域。大前沿领域。 生物功能由结构所决定。生物大分子在表现其生理功能过程中，必须具备特定的空间立体结构（即三维结构）。 现已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各种体现功能结构域，结构域本身特点和形态及它们所处的空间大分子的空间结构形态都直接影响DNA，基因或RNA的功能发挥。 在蛋白质

6、水平由于它们是直接体现生物理功能的物质，其空间结构对其功能影响更为直接。因此，蛋白质的空间结构与功能的关系研究是结构分子生物学研究的主体。六、六、研究生物大分子结构的新技术、新方法和新仪器不断研究生物大分子结构的新技术、新方法和新仪器不断改进和涌现改进和涌现，如：，如： DNA重组技术 酶逐步降解技术 基因自动合成和测序技术 X线晶体学分析技术 计算机技术 以及不同技术组合，使获得清晰度的结构图象，了解生物过程中蛋白质构象的动态变化，以及对生物大分子结构进行贮存，比较和结构功能预测成为可能。生物大分子生物大分子 关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别是关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别

7、是生物大分子（生物大分子（biological macromolecule）的结构、相）的结构、相互关系及其功能。互关系及其功能。 生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。如氨基酸生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。如氨基酸蛋蛋白质、核苷酸白质、核苷酸核酸、葡萄糖核酸、葡萄糖淀粉等。生物大分子执行着各种各淀粉等。生物大分子执行着各种各样的生物学功能，如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递样的生物学功能，如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递与表达遗传信息等。与表达遗传信息等。 它们复杂的空间结构是其功能的化学基础它们复杂的空间结构是其功能的化学基础。N2CO2H2O 单单 体体

8、生物大生物大分分 子子细胞器细胞器细胞细胞细细胞胞细胞中的物质代谢与能量代谢细胞中的物质代谢与能量代谢 合成代谢合成代谢（anabolism）： 将小分子的前体将小分子的前体（precursor）经过特经过特 定的代谢途径构建成较大的分子，并且消定的代谢途径构建成较大的分子，并且消 耗能量。耗能量。 分解代谢分解代谢（catabolism）： 将较大的分子经过特定的代谢途径，将较大的分子经过特定的代谢途径， 分解成小的分子并且释放出能量。分解成小的分子并且释放出能量。 物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） 是能量转换

9、和传递的中间体。是能量转换和传递的中间体。 1953年年Watson 和和Crick描绘出了描绘出了DNA的的双螺旋结构模型双螺旋结构模型，这，这在生命科学发展历史在生命科学发展历史上是一个具有里程碑上是一个具有里程碑意义的重大事件意义的重大事件 。 生命科学从此进入了生命科学从此进入了分子生物学新时代。分子生物学新时代。悼念克里克悼念克里克第一节第一节 生物活性物质的本质生物活性物质的本质三、生物大分子的高聚物性质三、生物大分子的高聚物性质二、生物活性分子的化学本质二、生物活性分子的化学本质一、生物活性物质的属性一、生物活性物质的属性生命体由有机化合物构成的生物分子组成生命体由有机化合物构成

10、的生物分子组成生命体与环境持续进行物质和能量交换生命体与环境持续进行物质和能量交换细胞内生物大分子相互处于拥挤环境细胞内生物大分子相互处于拥挤环境生命体能够进行自我更新生命体能够进行自我更新一、生命是结构和功能高度协调的系统一、生命是结构和功能高度协调的系统（1 1）生物体是由生物大分子生物体是由生物大分子(biomolecule(biomolecule) )等有机物构成的等有机物构成的 细细 胞胞超分子复合物超分子复合物 染色体染色体, ,核糖体核糖体, ,膜膜, ,微管等微管等生物大分子生物大分子 DNA,RNA,DNA,RNA,蛋白质蛋白质, ,多糖，脂等多糖，脂等 单体单体 核苷酸核苷

11、酸, ,氨基酸氨基酸, ,单糖单糖, ,脂肪酸脂肪酸(2) (2) 生物体能与环境不断地交换物质与能量生物体能与环境不断地交换物质与能量 活机体中存在着一个具一定顺序、相互协调、活机体中存在着一个具一定顺序、相互协调、可自我调节的代谢网络可自我调节的代谢网络, ,其中各个代谢反应都有相其中各个代谢反应都有相应的酶催化。细胞和机体与环境保持在一个远离平应的酶催化。细胞和机体与环境保持在一个远离平衡态的稳态衡态的稳态(steady state)(steady state)中。与此相反中。与此相反, ,无生命无生命物质总是趋向于与环境达成平衡。物质总是趋向于与环境达成平衡。 (3) (3) 所有生物

12、大分子共同存在于细胞环境中所有生物大分子共同存在于细胞环境中 细胞是生命的结构基础，是生物体结构功能细胞是生命的结构基础，是生物体结构功能的基本单位。的基本单位。(4) (4) 生物体能进行自我更新生物体能进行自我更新 生物体能精确的自我复制、生长、繁殖，而生物体能精确的自我复制、生长、繁殖，而且在一定的条件下产生变异，产生新的生命类型，且在一定的条件下产生变异，产生新的生命类型，从而对新环境表现出适应性。从而对新环境表现出适应性。二、生物活性分子的化学本质二、生物活性分子的化学本质 尽管活细胞或生命物体是由许多无生命的有机化合物组成，但细胞不是包容所有相遇的物质和无选择地摄取。在生命的进化过

13、程中，只是特定生物分子的聚集才能使生命出现。（一）生物分子在化学组成上的统一性与多样性（一）生物分子在化学组成上的统一性与多样性 对于生命个体来说，无论是原核生物还是真核生物，其化学组成都是蛋白质、核酸、脂类等生物大分子和一些小分子化合物及无机盐组成。（二）（二） 生物大分子中构件在代谢中的重要性生物大分子中构件在代谢中的重要性 生物大分子中的单体不仅作为结构单位,同时还是合成机体时许多重要组分的前体。尤其是单糖，脂肪酸及氨基酸也是机体中间代谢的重要枢纽。三大物质代谢途径之间的联系三、生物大分子的高聚物特性三、生物大分子的高聚物特性 核酸（DNA和RNA） 蛋白质 多糖 脂质核核 酸（酸（Nu

14、cleic AcidNucleic Acid）核酸（核酸（DNA和和RNA） 核酸分子的骨架是由核苷酸以3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接成的多核苷酸链。DNA和RNA的区别在于前者是4种脱氧核种脱氧核糖核苷酸糖核苷酸，后者为4种核糖核苷酸种核糖核苷酸，不同的脱氧核苷酸或核苷酸的区别在于其碱基的不同。核酸核酸的类别与分布的类别与分布核酸分为两大类：核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸( (D Deoxyriboeoxyribon nucleicucleic A Acidcid，DNADNA) ) 核糖核酸核糖核酸( (R Riboibon nucleicucleic A Acidcid,R

15、NA,RNA) )RNARNA根据它的功能根据它的功能, ,可以分为可以分为 信使信使RNA(mRNA(messengeressenger RNARNA，mRNAmRNA) ) 转运转运RNA(tRNA(transferransfer RNA,tRNARNA,tRNA) ) 核糖体核糖体RNA(rRNA(ribosomeibosome RNARNA，rRNArRNA) )蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位基本氨基酸基本氨基酸 1. 化学结构化学结构R-CH(NH2)-COOH含有氨基的羧酸含有氨基的羧酸R 代代 表表 氨氨 基基 酸酸 之之 间间 相相 异异 的的 部分部分 ，叫，叫 R 基基

16、， 又又 称称 为为 侧侧 链链 。 酪氨酸分子酪氨酸分子 l 除除脯氨酸脯氨酸外，其他均具有如上结构通式。外，其他均具有如上结构通式。不变部分不变部分可变部分可变部分2.2.结构通式结构通式COOHCHH2NR组成蛋白质的基本氨基酸有组成蛋白质的基本氨基酸有20种种，除除脯氨酸脯氨酸为为- -亚氨基酸亚氨基酸外，均为外，均为除除甘氨酸甘氨酸外外，都具有，都具有和和除了除了甘氨酸甘氨酸外外，蛋白质水解后的所有蛋白质水解后的所有-氨氨基酸基酸都是都是L L型型 蛋白质分子的骨架由氨基酸通过肽键连接蛋白质分子的骨架由氨基酸通过肽键连接成的多肽链。成的多肽链。 糖类物质糖类物质是一类多羟基醛或多羟基

17、酮类化合物是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；或聚合物； 糖类物质可以根据其水解情况分为：糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡单糖、寡糖和多糖；糖和多糖； 在生物体内，糖类物质主要以在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。形式存在。 重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。露糖等。(1).(1).淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉） 直链淀粉直链淀粉分子量约1万-200万，250-260个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色

18、。 支链淀粉支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。(2).(2).纤维素纤维素 由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，不溶于水不溶于水。(3).(3).几丁质（壳多糖）几丁质（壳多糖） N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。(4).(4).杂多糖杂多糖 糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等） 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸角质素 肝素 脂质是一类包括许多化学上不同的物质，如磷脂、类固醇、胡萝卜素及脂溶性维生素等。其共同特点在于难溶于水，从结构上说不属于高聚合物。 化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物，脂

19、质的元素主要是碳、氢、氧，及氮、硫、磷。脂类（脂类（lipideslipides） 名 称 代 号丁酸(butyric acid) 己酸(caproic acid)辛酸(caprylic acid)癸酸(capric acid)月桂酸(1auric acid) 肉豆蔻酸(myristic acid) 棕榈酸(palmitic acid) 棕榈油酸(palmitoleic acid) 硬脂酸(stearic acid) 油酸(oleic acid) 反油酸(elaidic acid) 亚油酸(1inoleic acid) -亚麻酸(-1inolenic acid) -亚麻酸(-1inolenic

20、 acid) 花生酸(arachidic acid) 花生四烯酸(arachidonic acid) 二十碳五烯酸(timnodonic acid，EPA ) 芥子酸(erucic acid) 二十二碳五烯酸(鰶鱼酸)(clupanodonic acid) 二十二碳六烯酸(docosahexenoic acid，DHA) 二十四碳单烯酸(神经酸)(nervonic acid) C 4：0C 6：0C 8：0C10：0C12：0C14：0C16：0C16：1，n-7 cisC18：0C18：1，n-9 cisC18：1，n-9 transC18：2，n-6,9,all cisC18：3，n-3，

21、6，9，all cisC18：3，n-6，9，12 all cisC20：0 C20：4，n-6,9,12,15 all cisC20：5，n-3，6，9,12，15 all cisC22：1，n-9 cisC22：5，n-3，6，9，12，15 all cisC22：6，n-3，6，9，12，15，18 all cisC24：1，n-9 cis常见的脂肪酸常见的脂肪酸 脂肪（甘油三酯）脂肪（甘油三酯） 磷脂：含磷酸及有机碱的脂类磷脂：含磷酸及有机碱的脂类 糖脂：含糖及有机碱的脂类糖脂：含糖及有机碱的脂类 类脂类脂 胆固醇及其酯胆固醇及其酯 类固醇类固醇 胆汁酸胆汁酸 类固醇激素类固醇激素 脂

22、类分类：脂类分类：根据生理功能不同分：根据生理功能不同分：根据化学结构分：根据化学结构分：甘油酯类甘油酯类神经鞘脂类神经鞘脂类类固醇类固醇 脂肪的生理功能：脂肪的生理功能： 1)1)氧化供能氧化供能 2)2)储存能量储存能量 3)3)提供必需脂肪酸提供必需脂肪酸 类脂的生理功能：类脂的生理功能： 1)1)是生物膜的组成成分；是生物膜的组成成分； 2)2)协助脂类和脂溶性维生素的吸收；协助脂类和脂溶性维生素的吸收； 3 3）胆固醇是机体合成维生素）胆固醇是机体合成维生素D D3 3、胆汁酸及、胆汁酸及 各种类固醇激素的重要原料。各种类固醇激素的重要原料。脂类的功能脂类的功能一、构成体质一、构成体

23、质二、功能与保护机体二、功能与保护机体三、提供必需脂肪酸与促进脂溶性维生素的吸收三、提供必需脂肪酸与促进脂溶性维生素的吸收四、增加饱腹感和改善食品感官性状四、增加饱腹感和改善食品感官性状第二节第二节 生物分子内相互作用的化学力生物分子内相互作用的化学力 一、生物分子相互作用的化学力一、生物分子相互作用的化学力 （一）扩散作用（一）扩散作用 分子随热运动而移动称为扩散（分子随热运动而移动称为扩散（diffusiondiffusion）。）。 （二）专一性相互作用（二）专一性相互作用 （三）平衡常数（三）平衡常数 当热运动时各种分子被带到当热运动时各种分子被带到一起，那些表面形态相匹配一起，那些表

24、面形态相匹配的分子正确地靠拢。促使大的分子正确地靠拢。促使大分子发生特异相互反应的一分子发生特异相互反应的一些非共价键包括离子键、氢些非共价键包括离子键、氢键和范德华力。键和范德华力。 二、生物分子内部的共价键 表表2-1 2-1 生物大分子中常见共价键的强度生物大分子中常见共价键的强度 氢原子与一个电负性较大而半径较小的原子如N、O、F形成共价键时，氢原子带有正电性，可以被另一个电负性强的原子共享的作用力称氢键。 氢键发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间（X-HY），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是电负性较强的原子。氢键既可以是分子间氢键，也可以是分子内的

25、。其键能一般为5-30kJ/mol，比一般的共价键、离子键和金属键键能要小。三、氢三、氢 键键氢键的存在氢键的存在(1)(1)分子间氢键：分子间氢键：(2)(2)分子内氢键分子内氢键：一个分子的一个分子的X XH H键中的键中的H H与另一个分与另一个分子的子的Y Y原子相结合而成的氢键称为分原子相结合而成的氢键称为分子间氢键，有同种分子间与不同分子间氢键，有同种分子间与不同分子间。子间。一个分子的一个分子的X XH H键中的键中的H H与其与其分子内部的分子内部的Y Y原子相结合而成原子相结合而成的氢键称为分子内氢键。如：的氢键称为分子内氢键。如：邻羟基苯甲酸。邻羟基苯甲酸。分子间氢键会增分

26、子间氢键会增强分子间作用力强分子间作用力分子内氢键则削分子内氢键则削弱分子间作用力弱分子间作用力O OO OH HC CO OH H氢原子与一个电负性较大而半径较小的原子如氢原子与一个电负性较大而半径较小的原子如N、O、F靠近时就有可能共享一个质子而形成氢键。靠近时就有可能共享一个质子而形成氢键。 氢键具有饱和性和方向性。氢键具有饱和性和方向性。 氢键对生物体系有重大意义，特别是在稳定生物大氢键对生物体系有重大意义，特别是在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用。分子的二级结构中起主导作用。 氢键使水具有强内聚力、高汽化热和溶化热，从而氢键使水具有强内聚力、高汽化热和溶化热，从而为细胞提供了一个

27、稳定的内环境。为细胞提供了一个稳定的内环境。除共价键之外的除共价键之外的最强的稳定因素最强的稳定因素蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成l氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。l氢键的键能较低氢键的键能较低(12kJ/mol)(12kJ/mol)，因而易被破坏。，因而易被破坏。离子键又称静电作用力，代表着正负离子间的引力。由带相反电荷的两个基团间的静电吸引而形成的。四、离子键（盐键）四、离子键（盐键）正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离子既可以是单离子，如子既可以是单离

28、子，如NaNa+ +、ClCl- -；也可以由原子团形成；也可以由原子团形成；如如SOSO4 42-2-，NONO3 3- -等。力的大小与荷电量成正比，与荷电基等。力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。 离子键的作用力强，无饱和性，无方向性离子键的作用力强，无饱和性，无方向性。 l离子键离子键(salt bond)(salt bond)是由带正电荷基团与带是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。l在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基在近中性环境中，蛋白质分子

29、中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。离子键。蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成五、二硫键五、二硫键肽键适当位置的两个半胱氨酸之间可通过氧化脱氢而形成二硫键，该化学键对稳定蛋白质空间构象具有重要意义。Cys-SH + HS-Cys Cys-S-S-Cys二硫键（二硫键（disulfide bond）又称又称S SS S键。是键。是2 2个个SHSH基被基被氧化而形成的氧化而形成的S SS S形式的硫原子间的键。二硫键形式的硫原子间的键。二硫键在蛋白

30、质分子的立体结构形成上起着十分重要的作用。在蛋白质分子的立体结构形成上起着十分重要的作用。人胰岛素的一级结构人胰岛素的一级结构六、短程力（六、短程力（范德华力范德华力） 短程力（short-range force）是原子或基团接近到很短距离时明显出现的作用力。 1、当离子与分子接近时，相互间即逐渐产生静电作用。 2、分子和分子间也可发生相互作用。这种相互作用可以发生在偶极与偶极之间，偶极和诱导偶极之间及诱导偶极之间，这些作用力统称为范德华力。 两个微溶于水的分子或基团之间的相互作用两个微溶于水的分子或基团之间的相互作用 概念：概念： l提供的作用力最大，约占总结合力的提供的作用力最大，约占总结

31、合力的5050。七、疏水作用力（疏水键）七、疏水作用力（疏水键）l非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力疏水键或疏水作用力。l蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如LeuLeu，IleIle，ValVal，PhePhe，AlaAla等的侧链基团。等的侧链基团。 配位键是特殊的共价键，它的共用电子对是由一个原子提配位键是特殊的

32、共价键，它的共用电子对是由一个原子提供的。供的。例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：图片中例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：图片中表示表示配位键。配位键。在在N N和和B B之间的一对电子来自之间的一对电子来自N N原子上的孤对电子原子上的孤对电子。 在生物体系中，配位键对稳定生物大分子的构象，形成特在生物体系中，配位键对稳定生物大分子的构象，形成特定的生物分子复合物具有重要意义。定的生物分子复合物具有重要意义。八、配位键（八、配位键（coordination bondcoordination bond） 一些金属离子能与含氮、一些金属离子能与含氮、氧的基团间形成一种特殊类氧的基团间形成一种

33、特殊类型的共价结合。这种结合力型的共价结合。这种结合力称配位键。称配位键。 配位键的本质与一般共价配位键的本质与一般共价键不同，在于共享电子对全键不同，在于共享电子对全由键合原子的一方提供。由键合原子的一方提供。共价键共价键次级键次级键化学键化学键 肽键肽键一级结构一级结构氢键氢键二硫键二硫键二、三、四级结构二、三、四级结构疏水键疏水键盐键盐键三、四级结构三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质分子中的共价键与次级键范德华力范德华力第三节第三节 生物分子的自我组装生物分子的自我组装 核酸链中的磷酸二酯键 蛋白质内多肽链中的肽键 寡糖链间-1，6糖苷键或-1，4糖苷键OII I C N P

34、 O 2.3.1 2.3.1 生物大分子的共价结构生物大分子的共价结构 macromolecular covalent structuremacromolecular covalent structure核酸链中的磷酸二酯键核酸链中的磷酸二酯键（0.1590.1590.162 nm0.162 nm）比）比P=OP=O双键的键双键的键长（长（0.146 nm)0.146 nm)长长, ,但远比但远比P PO O单键的键长（单键的键长（0.172 nm)0.172 nm)短。短。5 3 结构式结构式OHOHOH5 3 肽与肽键肽与肽键多肽链中的肽键多肽链中的肽键（0.132 nm) 0.132 n

35、m) 比比C=NC=N键（键（0.125 nm)0.125 nm)长，长，而又比正常的而又比正常的C CN N键（键（0.144 nm)0.144 nm)短。短。 寡糖链间的寡糖链间的-1-1，6 6糖苷糖苷键或键或-1-1，4 4糖苷键糖苷键也类似于也类似于共价键性质。共价键性质。 自组装即组成分子的单体或亚基自发地形成超分子结构(如核糖核蛋白体、病毒、膜或多酶系统)。 1. 类似功能分子组装 2. 同类生物分子组装 3. 异类生物分子组装2.3.2 2.3.2 生物大分子的自我组装生物大分子的自我组装 Large macromolecular AssembliesLarge macromo

36、lecular Assemblies 自组装包含两个问题：自组装包含两个问题： 形成复合物的生物分子具有相形成复合物的生物分子具有相应的专一性表面结构；应的专一性表面结构； G G 有利于复合物的形成。有利于复合物的形成。 有关定律：有关定律： 热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律 热力学第二定律热力学第二定律( (熵定律熵定律) )：G=HG=HTSTS，G0G0 G0 该过程（反应）不能自发进行，需提供能量才能进行。该过程（反应）不能自发进行，需提供能量才能进行。G0 G0 该过程（反应）释放自由能，反应能自发进行。该过程（反应）释放自由能，反应能自发进行。 例如例如,

37、 ,烟草花叶病毒烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus ,TMV) (tobacco mosaic virus ,TMV) 组装过程的组装过程的H H为为120 KJ/mol,120 KJ/mol,S S为为415 J/mol,415 J/mol,由于由于G=G=H-TH-TS,S,故故TMVTMV的组装过程显著受温度的影响。的组装过程显著受温度的影响。低于低于10,10,G G为正为正, ,病毒粒子解体；约病毒粒子解体；约16,16,G=0,G=0,两者建立平两者建立平衡衡;37;37时时, ,G G为负为负, ,过程明显趋向自组装。过程明显趋向自组装。这是由于温度这是由于温

38、度不同不同, ,过程的熵变和熵变在过程的熵变和熵变在G G中所占的比重发生变化结果。中所占的比重发生变化结果。 线性结构：一级结构的基础上通过分子间力学的相互作用线性结构：一级结构的基础上通过分子间力学的相互作用（次级键的作用）自我折叠形成二级结构或高级结构，具（次级键的作用）自我折叠形成二级结构或高级结构，具有特定的生物学活性。有特定的生物学活性。 组装：一级结构的组装是模板指导组装，高级结构的组装组装：一级结构的组装是模板指导组装，高级结构的组装是自我组装（部分靠蛋白分子的帮助）是自我组装（部分靠蛋白分子的帮助）蛋白质蛋白质 核糖体核糖体核酸核酸 DNADNA聚合酶聚合酶 或或 RNARN

39、A聚合酶聚合酶多糖的合成多糖的合成 在特异酶的作用下合成在特异酶的作用下合成 从分子水平看，一般认为在生物大分子组装从分子水平看，一般认为在生物大分子组装成超分子结构的过程中，成超分子结构的过程中，蛋白质蛋白质在此过程中在此过程中起着重要的作用。起着重要的作用。Nulceoproteinassociations of nucleic acids and proteinRibosome: ribosomal proteins rRNAsChromatin：Viruses:Telomerase： deoxyribonucleoprotein consisting of DNA & histones

40、 to form a repeating unit called nucleosomeprotein capsid + RNA or DNA replicating the ends of eukaryotic chromosomes. RNA acts as the replication template, and protein catalyzes the reaction Nulceoprotein 蛋白质通常由亚基通过非共价键联合组成，如血红蛋白有蛋白质通常由亚基通过非共价键联合组成，如血红蛋白有4 4条多肽链亚基。许多超分子结构亚基可以自我组装，无需外条多肽链亚基。许多超分子结构亚

41、基可以自我组装，无需外界指导，其组装的信息主要存在于蛋白质自身结构中。界指导，其组装的信息主要存在于蛋白质自身结构中。 血红蛋白有血红蛋白有、两种亚基两种亚基，在生理环境中，始终是组装成，在生理环境中，始终是组装成2222血红蛋白形式，而不会组装成其它形式，即使溶液中血红蛋白形式，而不会组装成其它形式，即使溶液中含有其它不同种蛋白质亚基或不同物种血红蛋白亚基，它们含有其它不同种蛋白质亚基或不同物种血红蛋白亚基，它们也不会交换成杂种，说明了也不会交换成杂种，说明了、亚基具有十分专一的结构亚基具有十分专一的结构信息。信息。形状和空间结构精确的互补性形状和空间结构精确的互补性，保证了专一的组装。，保

42、证了专一的组装。 Many proteins are composed of two or more polypeptide chains (subunits). These subunits may be identical or different. The same forces which stabilize tertiary structure hold these subunits together. This level of organization called quaternary structure.The quaternary structure of hemoglob

43、in： 1-yellow; 1-light blue; 2-green; 22-dark blue; heme-redProtein structure Quaternary1. 1. 类似功能分子组装类似功能分子组装1 1 功能类似的分子的组装功能类似的分子的组装 结构生物学研究表明，结构域的组合是许多蛋白质在结构生物学研究表明，结构域的组合是许多蛋白质在功能上存在差异的物质基础。功能上存在差异的物质基础。2. 2. 同类生物分子组装同类生物分子组装2 2 同类分子的组装同类分子的组装 超分子复合物超分子复合物- -通过蛋白质自身及蛋白和其它生物大分通过蛋白质自身及蛋白和其它生物大分子自发聚

44、集形成。子自发聚集形成。3. 3. 异类生物分子组装异类生物分子组装3 3 异类生物分子的组装异类生物分子的组装 蛋白质与核酸形成的复合物称为核蛋白体。核内小核糖蛋白质与核酸形成的复合物称为核蛋白体。核内小核糖核蛋白体（核蛋白体（snRNPsnRNP),),信号识别颗粒（信号识别颗粒（SRPSRP）, ,转录因子等。转录因子等。三、生物分子的构型与构象三、生物分子的构型与构象 （一）构型 （二）构象 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 （三）生物分子的螺旋结构 2.3.3.1 2.3.3.1 生物大分子的结构层生物大分子的结构层次次 macromolecular levelsmacromo

45、lecular levels 生物学功能的表现与生物分子在特定环境生物学功能的表现与生物分子在特定环境下的构型和构象有关。下的构型和构象有关。 构型构型(configuration): 分子中各原子都具有的各自固定的空间排列使分子能以立体化学的形式区分开。 构象构象(conformation): 分子的共价键结构不变，在单键时周围原子旋转所产生的原子空间排列。 核酸核苷酸，核苷酸的序列决定了蛋白质中相应氨基酸的序列。 氨基酸的序列决定了蛋白质的一级结构、一级结构决定二级结构或更高级的结构。 分子构象是空间结构，高级结构，立体结构、三位构象的总称。如：蛋白质的结构包含了一级结构、二级结构三级结构

46、和四级结构。一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构螺旋螺旋折叠折叠血红蛋白质的三级结构和四级结构Many proteins are composed of two or more polypeptide chains (subunits). These subunits may be identical or different. The same forces which stabilize tertiary structure hold these subunits together. This level of organization called quate

47、rnary structure.The quaternary structure of hemoglobin： 1-yellow; 1-light blue; 2-green; 22-dark blue; heme-redProtein structure Quaternary2.3.3.2 2.3.3.2 生物分子的螺旋结构生物分子的螺旋结构macromolecularmacromolecular helix structure helix structure 生物分子中二级结构多以螺旋结构普遍存在。生物分子中二级结构多以螺旋结构普遍存在。有些螺旋分子会出现在更高的层次。如蛋白质、有些螺旋分

48、子会出现在更高的层次。如蛋白质、核酸、染色质、微管等。核酸、染色质、微管等。 转录因子与转录因子与DNADNA分子的作用分子的作用 鞭毛的结构与运动鞭毛的结构与运动 酶蛋白的催化功能酶蛋白的催化功能 膜蛋白的螺旋结构与功能膜蛋白的螺旋结构与功能结构是功能的基础：结构是功能的基础：生物分子的螺旋结构生物分子的螺旋结构macromolecular helix structuremacromolecular helix structure2.3.4 2.3.4 生物膜的组装生物膜的组装 biomembranebiomembrane assemblies assemblies 生物膜是由蛋白质和脂质蛋

49、白质和脂质组成的装配体。 脂双层分子构成细胞膜，膜中的蛋白质与脂质通过疏水作用相互结合。膜蛋白结构的主要特征是螺旋的球状结构。膜的流动性膜的流动性流动镶嵌模型流动镶嵌模型 现代分子生物学发展中具有重要意义的成就之一就是认识到生物大分子是生物一切生命活动的分子基础。生物的生长、发育和繁殖从根本上来说也就是各种生物大分子的依次合成、组装和扩增合成、组装和扩增过程。遗传物质（核酸）能够自我复制并控制蛋白质的合成，由蛋白质再合成其他生物分子。生物大分子自我组装成生物不同层次的结构和组织。遗传信息的表达可在不同水平上进行自我调节。由此呈现出生物的各种不同功能。五、复杂聚集物的自我装配五、复杂聚集物的自我

50、装配一种多蛋白装配体一种多蛋白装配体胶原蛋白胶原蛋白 原胶原细丝原胶原细丝 (procollagen filaments) (04nm) 原小纤维原小纤维 (protofibrils) (1115nm) 微小纤维微小纤维 (microfibrils) (30200nm) 胶原蛋白小纤维胶原蛋白小纤维 (collagen fibrils) (0.20.4m) 纤维纤维 (fibers) (110m) 腱、骨胳、软骨等腱、骨胳、软骨等(肉眼可见肉眼可见)胶原纤维中原胶原蛋白分子的排列胶原纤维中原胶原蛋白分子的排列 烟草花叶病毒是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成，不借

51、助酶，也无需能量再生体系。 烟草花叶病毒（TMV）呈直杆状，长300 nm，宽18 nm，中空内径4 nm，由158个氨基酸组成一个皮鞋状的衣壳粒，总共有2130个衣壳粒，排列成130圈螺旋，TMV的核酸核心是单链的RNA，含有6395个核苷酸，每3个核苷酸与一个衣壳粒相结合，盘绕于蛋白质的中空内径中。第四节第四节 生物大分子的相互作用生物大分子的相互作用 生物大分子发挥生理功能所需的三个条件：分子结构、分子运动和变化以及分子间的相互作用。 生物大分子相互作用的力： 1.非共价键的作用； 2.分子的结合与解离；生物大分子的相互作用生物大分子的相互作用 DNA-蛋白质相互作用（DNA-prote

52、in interaction） 蛋白质-蛋白质的相互作用（protein-protein interaction） 糖-蛋白质的相互作用 脂-蛋白质的相互作用染色质的构成染色质的构成转录因子与转录因子与DNADNA的结合的结合2.4.1 核酸与蛋白质的相互作用核酸与蛋白质的相互作用蛋白质和核酸大分子之间的相互作用蛋白质和核酸大分子之间的相互作用 DNA结合域(DNA- banding domain)锌指结构锌指结构 (zinc finger motif)同源结构域同源结构域 (homodomain,HD)：螺旋螺旋-转转角螺旋角螺旋 (helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构亮氨酸拉链

53、结构 (leucine zipper)螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋 (helix-loop-helix,HLH)碱性碱性螺旋螺旋(alkaline -helix)The helix turn helix domaina.Helix-turn-helix（螺旋-转角-螺旋）。是最早发现于原核生物中的一个关键因子，该结构域长约20个aa，主要是两个-螺旋区和将其隔开的转角。其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列相识别的氨基酸。FrontSideTop Helix Turn Helix domain CRO Cro Protein Complex With DNA Contain

54、ing Operator OR1 from BacteriophageDomain 2Domain 3Domain 1b. Homeodomain（同源域），最早来自控制躯体发育的基因，长约60个氨基酸，其中的DNA结合区与 helix-turn-helix motif相似，人们把该DNA序列称为homeobox。主要与DNA大沟相结合。The Zinc Finger domain c. Zinc finger（锌指）长约30个aa，其中4个氨基酸（Cys或2个Cys，两个His）与一个Zinc原子相结合。与Zinc结合后锌指结构较稳定。 Gal4DNA complex from Saccha

55、romyces cerevisiae.FrontSideTopd. Leucine zippers（亮氨酸拉链） d. 亮氨酸拉链亮氨酸拉链是亲脂性（amphipathic）的螺旋，包含有许多集中在螺旋一边的疏水氨基酸，两条多肽链以此形成二聚体。每隔6个残基出现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。 Gcn4 Complex With Ap-1 Dna from Saccharomyces cerevisiae.FrontSideTopThe basic helix-loop-helix domain e. 碱性螺旋碱性螺旋-环环-螺旋螺旋该调控区长约50个aa残基

56、，同时具有DNA结合和形成蛋白质二聚体的功能，其主要特点是可形成两个亲脂性-螺旋，两个螺旋之间由环状结构相连，其DNA结合功能是由一个较短的富碱性氨基酸区所决定的。 DNA蛋白质相互作用： （一）化学键： 1.氢键 2.疏水键 3.离子键 （二） DNA蛋白质相互作用中的序列特异识别： 1.序列特异识别的结合能 2.序列特异结合的机构基元2.4.2 蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白质与蛋白质的相互作用 一种蛋白质分子的表面可以被另一种蛋白质分子所结合，如蛋白水解酶类（proteinase）和蛋白质聚集在一起形成一个复杂的结构，膜和病毒外壳尤其是相同部件自我聚集形成一个多亚基的复合物。 蛋白抗原与抗

57、体的作用 转录因子间的相互作用 细胞因子和膜蛋白受体的作用酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体Receptor tyrosine kinasesRNA polymerase requires a protein complex at a promoter to initiate RNA synthesisEnhancer binding proteins can act from a distance to enhance initiation of transcription 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶：跨 膜 1 2 次 。 在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylate

58、cyclase蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白质与蛋白质的相互作用 生物体内一种蛋白质分子与另一种蛋白质分子结合的例子很多。生物体内一种蛋白质分子与另一种蛋白质分子结合的例子很多。例如：血红蛋白，例如：血红蛋白，RNARNA聚合酶，聚合酶，DNADNA聚合酶。聚合酶。 蛋白质多亚基形式的优点是蛋白质多亚基形式的优点是: : 1 1）亚基对）亚基对DNADNA的利用来说是一种经济的方法；的利用来说是一种经济的方法； 2 2）可以减少蛋白质合成过程中随机的错误对蛋白质活性的影）可以减少蛋白质合成过程中随机的错误对蛋白质活性的影响；响； 3 3）活性能够非常有效和迅速地被打开和被关闭。）活性能够非常有效

59、和迅速地被打开和被关闭。 血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构 细菌的细菌的RNARNA聚合酶聚合酶DNADNA聚合酶聚合酶-（DNA polDNA pol-） （一）糖蛋白 糖蛋白（glycoprotein）是蛋白质和寡糖链通过糖苷键连接成的，有N-糖苷键和O-糖苷键。 （二）蛋白聚糖 蛋白聚糖是一类非常复杂的大分子，是含有共价连接的一条或数条糖胺聚糖链的核心蛋白大分子。（1 1）糖蛋白糖蛋白：是蛋白与糖通过糖苷键连接成的产物。 寡糖链由不同单糖组成，根据结合方式不同可以有多种形式，作为分子识别标志。 单糖：葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、胞壁酸、甘露糖、鼠李糖和唾液酸等。 糖苷键：12、13、14、

60、16、23、26等。 半缩醛的构型：型、型。 糖蛋白组成人体内的重要物质：免疫球蛋白、激素、酶、干扰素、凝血因子、细胞膜表面抗原、受体、转运蛋白、凝集素、毒素。 单糖结构 -D-葡萄糖 -D-半乳糖 D-甘露糖 D-木糖 （Glc，） (Gal，) (Man，) (Xyl， )-D-N-乙酰葡糖胺 -D-葡糖醛酸 -L-艾杜糖醛酸 -D-葡糖胺 （GlcNAc ,） （GlcUA, ) (IdoUA， ) （GlcN）-D-N-乙酰半乳糖胺 -L-岩藻糖 唾液酸 -D-N-乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸（GalNAc，) (Fuc，) (SA，) GlcNAc-UDP (*单糖的英文缩写及代表符号在括