基础分子生物学教程 第二章生物大分子相互作用

1、基础分子生物学教程 第二章生物大分子相互作用第2章 细胞内生物大分子相互作用概述 Interaction of macromolecules in Cells第一节 分子生物学的基本概念第二节 分子生物学的研究内容第三节 分子生物学与生物化学之间的关系第四节 分子生物学发展历程第五节 21世纪分子生物学的发展趋势2.1 生物活性物质的本质2.2 生物大分子间相互作用的化学力2.3 生物大分子的自我组装2.4 生物大分子的2.1 生物活性物质的本质所有的生物大分子都是由一些基本单元组成的聚合物。如：核酸单核苷酸；蛋白质氨基酸；多糖单糖；脂脂肪酸；各种大分子在生命活动过程中都具有特定的功能。2.1

2、 生物活性物质的本质 细胞器核、线粒体、高尔基体、溶酶体、内质网等超大分子组装核糖体、染色质、微管构建分子 氨基酸、 单糖、脂肪酸、核苷酸大分子 蛋白质 核酸 多糖 脂蛋白质DNA代谢物 丙酮酸，柠檬酸 草酰乙酸 等前体 H2O CO2 NH3元素 C、H、O细胞中的生物大分子macromolecules in Cells原核细胞Prokaryotic cell真核细胞 Eukaryotic cell蛋白质DNARNA其它生物大分子Other macromolecules unrelated to MB course多糖Polysaccharides脂类lipidsComplex macrom

3、olecules including these moleculesPolysaccharides are polymers of simple sugars covalently linked by glycosidic bonds.Lipids: individual lipids are not strictly macromolecules, large lipid molecules are built up from small monomeric units and involved in many macromolecule assembly Triglycerides (甘油

4、三酯)复合大分子(Complex macromolecules）Covalent or noncovalent associations of more than one major classes of large biomolecules which greatly increases the functionality or structural capabilities of the complex.Nulceoprotein: nucleic acids + proteinGlycoprotein:carbohydrate + proteinLipoprotein:Lipid + p

5、rotein生物体是由生物大分子等有机物构成的；这种有机体的构成是有层次，有序的集合。如单细胞生物，多细胞生物。生物体能与环境不断的交换物质与能量； 生物体要进行自身的新陈代谢代谢活动，物质交换。这种物质交换与环境保持着密不可分的关系。2.1.1 生物活性物质的属性 生物大分子存在于细胞环境中； 所有的这些生物大分子占细胞容积的2030。 生物体能进行自我更新。2.1.2 生物大分子的化学本质与特征 对于一个生命体来说，都是由生物大分子蛋白质、核酸、糖类、脂类等和一些小分子化合物，无机盐和水构成。 绝大多数蛋白质是核酸序列的编码产物；DNAmRNAProtein 多糖单糖。与蛋白和脂糖蛋白、脂

6、蛋白细胞膜的抗原 脂类脂肪、脂肪酸、磷脂、鞘磷脂、胆固醇细胞膜、类固醇激素。2.2 生物大分子间相互作用的化学力 生物大分子的基本结构是靠共价键结合的，但是生物学功能的执行是靠生物大分子之间的相互作用来实现的。如：蛋白质与DNA的相互作用；蛋白质与RNA的相互作用；蛋白质与蛋白质的相互作用。生物大分子间相互作用的化学力 1 扩散作用 2 专一性相互作用结构基序，离子键，氢键，范德华力1、共价键：成键原子间通过电子对共享形成的。键 能一般在200KJ/mol以上。 磷酸二酯键、肽键、二硫键，SS2、弱键（非共价键）：小于20KJ/mol。（1）氢键（2）盐键（离子键）静电作用力（3）范德华力（短

7、程力）（4）疏水作用3、配位键一般在250KJ/mol以上2.2.2 生物大分子内部相互作用的化学键 概念：供氢体上的氢原子与受氢体原子间的引力。是两个原子共用一个质子形成氢键。（1）氢键( hydregen bond ) 供氢体：羧基、氨基和羟基 受氢体：羧基氧、羧基碳和肽键氧等 能的大小取决于氢键的方向：氢键具有高度 的方向性。 氢键结合力与供氢体和受氢体之间距离的6次 方成反比，键能约20.9kJ/mol。（2）静电引力（electrostatic forces）（coulombic forces） 概念：两个相互作用基团带有相反电荷的 氨基和羧基基团之间相互的引力。 引力的大小与两个相

8、互作用基团间的距离的平方成反比；平均键能约为20.9kJ/mo1。（3）二硫键的形成，SH HS SS抗原和抗体的结合是互补性的特异性结合不形成牢固的共价键，通过非共价键结合这种弱的结合力涉及几种分子间的作用力 *1静电引力 *2范德华引力 *3氢键结合力 *4疏水作用力概念：两个原子或基团距离很短时，由于分子的极化作用而产生的引力。 结合力的大小与两个相互作用基团的极化程 度的乘积成正比、与它们之间距离的7次方 成反比，键能约为4.212.5kJmol。 这种引力的能量小于静电引力。 具有特异性。（4）短程力 （范德华力 Van der Waals forces）（5）疏水作用力（疏水键）两

9、个微溶于水的 分子或基团之间的相互作用。 概念：两个疏水基团在水溶液中相互接触 时，由于对水分子排斥而趋向聚集的力。 抗原决定簇与抗体上的结合点靠近，互相间 正、负极性消失，亲水层立即失去。 此力在抗原抗体反应中的结合是很重要的。 提供的作用力最大，约占总结合力的50。（6）配位键，一些金属离子能与含氮、氧的基团形成一种特殊类型的共价结合，这种结合力称配位键。2.3 生物大分子的自我组装蛋白质肽键核酸 多糖、寡糖1，6糖苷键；1，4糖苷键 OII I C N P O 2.3.1 生物大分子的共价结构 macromolecular covalent structure 线性结构：一级结构的基础上

10、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，高级结构的组装是自我组装（部分靠蛋白分子的帮助）， 2.3.2 生物大分子的自我组装 Large macromolecular Assemblies 蛋白质 核糖体核酸 DNA聚合酶 或 RNA聚合酶多糖的合成 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成超分子结构的过程中，蛋白质在此过程中起着重要的作用。Nulceoproteinassociations of nucleic acids and proteinRibosome: ribosoma

11、l proteins rRNAsChromatin：Viruses:Telomerase：Ribonuclease P： deoxyribonucleoprotein consisting of DNA & histones 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 react

12、ion tRNA maturation. Protein P RNANulceoprotein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条多肽链亚基。许多超分子结构亚基可以自我组装，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。例如血红蛋白有、两种亚基，在生理环境中，始终是组装成22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，它们也不会交换成杂种，说明了、亚基具有十分专一的结构信息。这里，形状和空间结构精确的互补性，保证了专一的组装。 Many proteins are composed of two or more poly

13、peptide 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 hemoglobin：a1-yellow; b1-light blue; a2-green; b2-dark blue; he

14、me-redProtein structure QuaternaryThe tertiary structures of the c-type cytochromesCys, Met and His side chains covalently linked to the heme to the proteinDomain1 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功能上存在差异的物质基础。2 同类分子的组装 超分子复合物-通过蛋白质自身及蛋白和其它生物大分子自发聚集形成。3 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。核内小核糖核蛋白体（small

15、nuclear ribonucleoprotein, snRNP),信号识别颗粒（signal recognition particle,SRP）,转录因子等。2.3.3 生物大分子的结构层次macromolecular levels 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。 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(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

16、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、二级结构三级结构和四级结构。2.3.4 生物分子的螺旋结构macromolecular helix structure 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、核酸、染色质、微管等。 转录因子与DNA分子的作用； 鞭毛的结构与运动； 酶蛋白的催化功能； 膜蛋白的螺旋结构与功能；结构是功能的基础：2.3.4 生物分子的螺旋结构macromolecular helix structure2.3.5 生物膜的组装 biomembrane a

17、ssemblies生物膜是由蛋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。膜流动性的生理意义: 质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等都与膜的流动性密切相关。 膜的流动性 细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。 磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成膜骨架 蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层流动镶嵌模型2.4 生物大分子的相互作用染色质的构成；转录因子与DNA的结合；2.4.1 核酸与蛋白质的相互作用反

18、式作用因子结构域的模式DNA结合域(DNA- banding domain)锌指结构 (zinc finger motif)同源结构域 (homodomain,HD)：螺旋-转角螺旋 (helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构 (leucine zipper)螺旋-环-螺旋 (helix-loop-helix,HLH)碱性螺旋(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

19、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 DNA Binding DomainHelix Turn Helix domain CRO Cro Protein Complex With DNA Containing 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 Zi

20、nc 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。 DNA Binding MotifZinc Binding Motif Gal4DNA complex from Saccharomyces cerevisiae.FrontSideTopd. Leucine zippers（亮氨酸拉链） d. Leucine zippers（亮氨酸拉链）是亲脂性（hipathic）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

21、现一个亮氨酸。由赖氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）组成DNA结合区。 DNA Binding Motif Leucine Zipper Motif Gcn4 Complex With Ap-1 Dna from Saccharomyces cerevisiae.FrontSideTopThe basic helix-loop-helix domain e. 碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix）该调控区长约50个aa残基，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

22、基酸区所决定的。 2.4 生物大分子的相互作用2.4.2 蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白抗原与抗体的作用；转录因子间的相互作用；细胞因子和膜蛋白受体的作用；2.4.3 糖与蛋白质的相互作用2.4.2 蛋白质与蛋白质的相互作用 蛋白抗原与抗体的作用酪氨酸激酶受体Receptor tyrosine kinasesRNA polymerase requires a protein complex at a promoter to initiate RNA synthesis转录因子间的相互作用Enhancer binding proteins can act from a distance to en

23、hance initiation of transcription.腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylate cyclase 细胞因子和膜蛋白受体的作用（1）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、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。2.4.3 糖

24、与蛋白质的相互作用 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号标明)糖蛋白是蛋白与糖共价结合的复合分子。糖链和肽链的结合主要有两大类：N糖苷键，由构型的N乙酰葡萄糖胺与天冬酰胺的酰胺基形成；O糖苷键，由

25、构型的N 乙酰半乳糖胺与丝氨酸或苏氨酸的羟基形成；N糖苷键连接的糖肽又称为天冬酰胺连接的糖肽；由O糖苷键形成的糖肽又称为粘蛋白型糖肽。天冬酰胺连接的糖链中由共同的5糖核心，而粘蛋白型糖链不具有共同的寡糖结构。糖的种类及连接方式呈高度的多样化，表明糖链能够编码大量的信息。糖蛋白的分类与结构N-连接 ：O-连接：GPl-连接： GlcNAc Asn GalNAc Ser (Thr)连接方式N-连接糖蛋白:糖链的N-乙酰葡糖胺与多肽链的天冬酰胺的酰胺氮连接，形成N-糖苷键，此种糖链为N-连接糖链，也称N-连接聚糖。 连接点的结构 GlcNAc-N-Asn 糖基化位点 N-连接聚糖中Asn-X-Ser

26、Thr三个氨基 酸残基序列子(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸) 称为糖基化位点。核心结构 高甘露糖型 复杂型 杂合型 N-连接糖链结构都有一个五糖核心结构Man Man Man GlcNAc GlcNAcAsn D-甘露糖-D-N-乙酰葡糖胺天冬酰胺O-连接糖蛋白:糖链的N-乙酰半乳糖胺与多肽链的丝氨酸或苏氨酸的羟基连接，形成O-糖苷键，糖链为O-连接糖链，也称O-连接聚糖。连接点的结构GalNAc-O-SerThrIgA分子的O-连接糖链有6种GPl-连接糖蛋白:糖磷脂酰肌醇(GPl)与多肽链连接,此类蛋白质称为GPl-连接糖蛋白或GPl-锚定糖蛋白。 连接结构 磷酸乙醇胺-甘露糖-甘露糖-

27、甘露糖-葡糖胺-磷脂酰肌醇。糖蛋白的功能（一）糖链对糖蛋白理化性质、空间结构和 生物活性的影响 1.对糖蛋白新生肽链的影响:参与新生肽链 的折叠并维持蛋白质的正确的空间构象; 影响亚基聚合;糖蛋白在细胞内的分栋和 投送。 2.对糖蛋白的生物活性的影响:保护糖蛋白 不受蛋白酶的水解,延长其半衰期。 3.参与分子的识别作用（二）糖蛋白在分子识别和黏附中的作用 1.糖蛋白在细胞-细胞分子识别和黏附 中的作用 2.糖蛋白在细胞-细胞外基质分子识别和 黏附中的作用糖蛋白的作用:1、由于糖蛋白的高粘度特性，机体用它作 为润滑剂。2、防护蛋白水解酶的水解作用。3、防止细菌、病毒侵袭。4、在组织培养时对细胞粘

28、着和细胞接触抑 制作用。5、对外来组织的细胞识别也有一定作用。6、与肿瘤特异性抗原活性的鉴定有关。（2）蛋白聚糖（proteoglycan)：由糖胺聚糖和核心蛋白通过共价键连接所形成的糖复合物。通常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。主要存在于皮肤、肌腱、软骨和结缔组织。蛋白聚糖中糖胺聚糖与核心蛋白的连接有： N 乙酰半乳糖胺与丝氨酸或苏氨酸连接的O糖苷键； N乙酰葡萄糖胺与天冬酰胺的酰胺之间形成的N糖苷键； D木糖与丝氨酸羟基之间形成的O糖苷键；蛋白聚糖的结构核心蛋白糖胺聚糖糖胺糖醛酸葡萄糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸组成糖胺聚糖：是己糖胺和己糖醛酸二糖重复单位的聚合物。 体内重要糖胺聚糖有6种：透明质酸、硫酸软骨素 硫酸皮肤素、硫酸角质素，肝素和硫酸类肝素