生物大分子的相互影响因素

生物大分子的相互影响因素第一节概述一、生物大分子的概念生物大分子是由基本结构单位按一定的顺序以特定的化学键连接、聚合而成，发挥特定的生物学功能的大分子化合物。分子量大小范围在104～106kD之间。蛋白质、核酸和多糖均属生物大分子范畴。生物大分子发挥生物学功能，执行表达、传递生物信息的三个条件：①分子结构②分子运动及变化③分子间的相互作用。生物大分子的相互影响因素生物大分子的分布：分布及其广泛，动物、植物和微生物界都有存在。

和哺乳类细胞分子组成（占细胞质量百分比％）成分E.coli哺乳类水7070

无机盐（Na+,K+,Cl-等）11

各种小分子化合物33

蛋白质1518

磷脂23

其它脂--2

多糖22生物大分子的相互影响因素二、生物大分子相互作用的力生物大分子之间的相互作用力是：非共价键作用。非共价键的类型：①离子键②氢键③vanderWaals力④疏水键三、生物大分子的扩散与运动①扩散②运动生物大分子的相互影响因素四、分子相互作用的动力学结合与解离复合物中两分子结合愈强，解离反应的速率也就愈低。则两分子间的作用力就愈强。平衡常数（亲和常数）

A+BAB

平衡时有Kon[A][B]＝Koff[AB][A][B]Koff[AB]Kon

生物系统中简单的结合反应的亲和常数103～1012L/mol之间，相应的自能（又称结合能）在4～17kcal/mol,大约可产生4～17个氢键。KonKoffKeq（平衡常数）结合速率＝Kon[A][B]解离速率＝Koff[AB]生物大分子的相互影响因素第二节蛋白质－蛋白质相互作用一、蛋白质相互作用的结构基础1、多肽链的折叠与装配：伸展的多肽链必需形成特定的立体结构，或三维结构，才具有分子识别、结合及其它各种生物学功能。蛋白质的三维结构就是指多肽链在不同水平的折叠，即蛋白质折叠（proteinfolding)。伸展的多肽链通过内部规律性的氢键相互作用形成α螺旋和β片层，二或三个α螺旋和β片层组合成模序（motif)，进而形成结构域（domain),形成蛋白质的三级结构。生物大分子的相互影响因素2、蛋白质的模序(motif):

在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间结构，被称为模序。一个模序总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。如α螺旋-环-α螺旋构成的钙调蛋白模序（HLH）、锌指结构模序（zincfinger）、亮氨酸拉链模序（LZ）、螺旋-转角-螺旋（HTH）。生物大分子的相互影响因素3、结构域(domain)：分子量大的蛋白质三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠的较为紧密，各行其功能，称为结构域。结构域是由多种模序组合而成，结构域的核心可由α-环-α、α-环-β、β-环-α、β-环-α等模序构成。结构域可以被看作是具有三级折叠形式的肽链的一部分。生物大分子的相互影响因素结构域是蛋白质分子的一个功能单位，蛋白质的各种功能就是通过不同结构域的参与而形成的。结构域的多少取决于蛋白质分子的大小，一个蛋白质分子可以有一个结构域，也可以有几个结构域。如纤连蛋白是由二条多肽链构成，有6个结构域，各个结构域分别执行一种功能，有可与细胞、胶原、DNA和肝素等结合的结构域。生物大分子的相互影响因素4、分子伴侣（chaperone)分子伴侣是一种可增加蛋白质正确折叠速率的蛋白质，它是通过与没有完全折叠好的新合成的多肽链结合发挥协助折叠作用的。分子伴侣的作用：①分子伴侣的可逆结合有利于蛋白质的折叠。②分子伴侣可纠正肽段的错误折叠。③分子伴侣可对蛋白质结构中二硫键的正确形成起重要作用。生物大分子的相互影响因素5、蛋白质的结合位点一个蛋白质分子与配体之间的结合需要在两个分子的特定部位之间形成许多弱化学键，两分子间相互作用的部位称为蛋白质的结合位点(bindingsite)。结合位点通常是由多肽链上一些相互分离的氨基酸残基通过肽链折叠而在空间上聚集到一起，形成特定的空间排列方式。构成结合位点的氨基酸残基仅仅是多肽链的一小部分，其余的氨基酸残基为维持其正确空间位置所必需，并提供调节过程所需要的其它结合位点，蛋白质内部氨基酸残基则对维持蛋白质分子适当形状和刚性起作用。生物大分子的相互影响因素6、蛋白质之间相互作用的特异性蛋白质分子之间相互作用的特异性是由其结合位点决定的。两分子的结合位点必须存在能够配对形成非共价键的基团，而且每对基团在空间上恰好能达到形成共价键的最佳距离。这就是所谓的“镜像关系”，即两分子的结合位点具有相对应的基团和对称的空间排列。这种基团的对应及空间排列的对称关系决定了蛋白质分子之间相互作用的特异性。生物大分子的相互影响因素二、蛋白质-蛋白质相互作用的类型1、酶-作用物相互作用：因为酶无论是蛋白酶还是核酶均为生物大分子，而酶的作用物，即底物有许多本身就是大分子物质蛋白质、核酸或多糖。蛋白酶和蛋白质之间的作用就属于此范畴。如：胰蛋白酶、弹性蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶等对蛋白质相应结合位点的特异性结合形成酶-底物的复合物，然后发挥蛋白酶的水解作用。酶-底物相互作用的特点：①高效性②特异性③可调节性生物大分子的相互影响因素2、抗原-抗体的相互作用抗原-抗体相互作用具有与其它生物大分子反应相同的基本原理，属于蛋白质-蛋白质的相互作用。抗原-抗体相互作用的特点：①可逆性②特异性③异质性生物大分子的相互影响因素3、受体-蛋白质配体之间的相互作用任何胞外信号分子引起靶细胞一定的应答反应均需依赖信号分子与特异受体的结合。受体蛋白依据其细胞定位被区分为膜受体、胞内受体或核受体。信号分子，如激素、信息素（外激素）或神经递质被称为配体，必须与受体蛋白特点位点结合，引起受体分子构象变化，进而启动细胞功能变化。如受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases,RTKs)是一类重要的膜受体，其配体是可溶性的或膜结合的多肽和蛋白质激素，包括胰岛素、表皮生长因子等。生物大分子的相互影响因素4、蛋白质的二聚化(dimerization)或多聚化一些具有生物学功能的蛋白质仅含有一条具有三级结构的多肽链，但也有一些蛋白质分子需要由两条或两条以上相同或不相同的多肽链聚合，形成四级结构才能显示生物学功能。我们把含有一条多肽链，在可溶性状态下可以单体(monomer)、二聚体(dimer)或多聚体存在称为蛋白质的聚合。由单体形成二聚体的反应即为二聚化。蛋白质的二聚化和多聚化均属于蛋白质-蛋白质相互作用。二聚化参与许多生物学过程，尤其在基因转录激活过程中一些转录调节因子的二聚化具有普遍的和特殊的意义。生物大分子的相互影响因素亮氨酸拉链(leucinezipper,LZ)：最早发现于CCAAT增强子结合蛋白(CCAAT/enhancerbindingprotein,C/EBP)的近N端约有30个氨基酸组成的α螺旋中，每7个氨基酸残基即出现一个亮氨酸残基。当两条具有这种结构的两性α螺旋结构相对靠近时，两链即可通过亮氨酸残基疏水表面形成二聚体，两链仿佛提包拉链样齿对齿嵌合，故称这种结构为亮氨酸拉链。拉链的N端有一段富含碱性氨基酸肽段，与DNA的结合有关。生物大分子的相互影响因素螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)、螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix,HTH)等也存在二聚化，其二聚体与基因转录调控有关。在转录过程中的一些转录因子常常也形成二聚体后才能与DNA结合而起作用。在生物化学课程中：脂酸合成酶系为7个酶均位于分子量为250kD的一条多肽链上，属多功能酶，必须形成二聚体后才有活性。又如乙酰CoA羧化酶单体为分子量4万的无活性形式，当其由10-20个单体形成多聚体时，才显示催化活性。生物大分子的相互影响因素

第三节DNA-蛋白质相互作用一、DNA-蛋白质相互作用(DNA-proteininterraction)的化学键1、氢键：原核阻遏蛋白核真核转录调节因子具有识别功能的螺旋结构经常与DNA的大沟相互作用。暴露于大沟侧缘的不同碱基基团供氢或受氢能力不同，与不同氨基酸侧链之间形成氢键的趋势也不同。Glu和Asp作为受氢体与C和A形成氢键。Ser、Thr和Cys含有-OH和-SH即可供氢也可受氢，可与各种碱基建立氢键联系。Arg和Lys只能供氢，不能与C连接。生物大分子的相互影响因素2、疏水键：暴露于DNA大沟侧缘的T的-CH3基团是疏水的，与疏水性氨基酸Ala、Val、Leu、Ile等均可建立疏水键联系。C的环内两个-CH2-也可与疏水氨基酸残基侧链相互作用，但力量较T弱。Ala因侧链较短，不能与C形成疏水键。某些极性氨基酸的侧链，如Ser、Gln、His也能与T形成疏水键。生物大分子的相互影响因素3、离子键一些荷电氨基酸可依据其荷电性质选择相反电荷的核苷酸碱基，通过离子键相互作用。例如Arg和Lys与G，Asp和Glu与C之间的离子键联系。总之，上述化学键联系是根据化学理论确立的原则，实际情况可能复杂的多，其结合情况不仅与DNA和蛋白质的空间结构、位置有关，而且与相互作用的化学基团的局部环境、状态也有关。生物大分子的相互影响因素二、DNA局部结构对相互作用的影响牛胰脱氧核糖核酸酶Ⅰ(DNAaseⅠ)可在双螺旋中的一条链产生切口，然而该酶沿着一定序列的DNA所发生的裂解速率是在变化的，说明酶对双链结构变化是敏感的；DNAaseⅠ水解dA、dT、dG、dC同质多聚域的裂解速率比随机序列小，也说明DNA的局部构象对酶的结合有影响。DNAaseⅠ作用部位是DNA的小沟，当DNA缠绕在一个蛋白质分子表面时，DNA变形，向大沟弯曲o，导致小沟变宽(从11-12Å变为15Å)，有利于DNAaseⅠ的切割。生物大分子的相互影响因素三、参与DNA-蛋白质相互作用的碱性蛋白质基元。在真核组蛋白和其它某些染色体碱性蛋白质中存在一些短肽基元或模序，以独特构型选择性地结合DNA。这些短肽基元基本上分两类：某些形式β-折叠和α-螺旋。β-折叠的典型序列为SPKK(SPRK)，反复多次出现于海胆精子组蛋白N，C端和组蛋白H2B的N端。可和DNA小沟富含AT部分结合。生物大分子的相互影响因素α-螺旋类GR(P)型：存在于其它类型染色体蛋白质中，特别是哺乳类的HMG-1和果蝇D1，这些蛋白质含有-PRKRGRPRK型重复序列，在DNA结合AT富含区。α-螺旋类AK型：AK螺旋是大量存在于组蛋白和其它染色体蛋白质中的一种α-螺旋基元，这种基元含有AKP序列，在这种结构中赖氨酸残基带正电荷，可与戊糖-磷酸骨架形成离子键，而丙氨酸和脯氨酸残基则起稳定作用。AK螺旋典型例子为Pseudomonas的调节蛋白AlgR3，含有一个170氨基酸残基的区域，富含APKK重复序列。生物大分子的相互影响因素α-螺旋类型中还有一类H1,H4,SAP,CRP的一致性序列：-VRKSLRKG,在形成核小体结构时起重要作用。有关蛋白质模序和DNA的结合作用在蛋白质部分已叙述，生物大分子的相互影响因素四、DNA-蛋白质相互作用中的序列特异识别1、序列特异结合的结合能：蛋白质与特异DNA序列的选择性结合主要依赖两种类型的相互作用提供结合能。①多肽链与碱基对之间的直接接触。②多肽链中的碱性氨基酸残基与戊糖-磷酸骨架之间的电荷联系。序列特异的选择性结合基本原理主要在于第一类结合，即多肽链与B型DNA大沟暴露的碱基对侧缘之间、通过氢键和vanderWaals力所建立的直接联系。从能量角度分析，序列依赖的DNA弯曲或变形又可使一个特殊的DNA结合位点被限定在最有利的构象，这种构象辅助多肽链与碱基对的定向连接。生物大分子的相互影响因素2、序列特异结合的结构基元多肽链对特异DNA序列的识别与结合可通过各种限定结构进行。以现代先进研究技术、通过对DNA-蛋白质相互作用分析，已鉴定出多种结合特异DNA序列的蛋白质结构元件：真核调节蛋白中的α-螺旋-β-转角-α-螺旋（HTH)，与DNA的大沟结合，沟内方向可变，有序列选择性。常见的细菌阻遏蛋白和激活蛋白常含有这样的结构。生物大分子的相互影响因素HTH：此类蛋白因子中至少含有两个α螺旋，两个螺旋间可由短肽形成大约120度的转角。HTH可结合于靶DNA序列大沟，对转录进行调控。生物大分子的相互影响因素例：CAP即代谢物基因激活蛋白它是操纵子转录激活相关的调节蛋白，也可作为自身基因的阻遏蛋白发挥功能。CAP分子量为，含一个HTH结构域。在有cAMP存在时，CAP结合cAMP，以二聚体形式结合三圈双螺旋DNA，其识别位点是高度保守的反向重复序列TGTG/CACA。HTH通过DNA双螺旋大沟识别、结合该序列。生物大分子的相互影响因素例：Lac阻遏蛋白在无半乳糖存在时，Lac阻遏蛋白在转录起始点上游结合以为中心的操纵子DNA，抑制RNA转录；在有半乳糖存在时，Lac阻遏蛋白结合代谢物半乳糖，使其对操纵子上结合位点的亲和力下降而脱落，使转录进行。Lac阻遏蛋白是由4个38kD的相同亚基组成的四聚体，每个亚基N端均含一HTH结构。核磁共振分析表明，HTH中的螺旋2落进DNA的大沟。生物大分子的相互影响因素生物大分子的相互影响因素例③、Trp阻遏蛋白

Trp阻遏蛋白结合配体L-色氨酸后，可以结合Trp操纵子的启动基因、阻断转录起始