基礎(chǔ)分子生物學(xué)教程 第二章生物大分子相互作用

1、基礎(chǔ)分子生物學(xué)教程 第二章生物大分子相互作用第2章 細(xì)胞內(nèi)生物大分子相互作用概述 Interaction of macromolecules in Cells第一節(jié) 分子生物學(xué)的基本概念第二節(jié) 分子生物學(xué)的研究內(nèi)容第三節(jié) 分子生物學(xué)與生物化學(xué)之間的關(guān)系第四節(jié) 分子生物學(xué)發(fā)展歷程第五節(jié) 21世紀(jì)分子生物學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)2.1 生物活性物質(zhì)的本質(zhì)2.2 生物大分子間相互作用的化學(xué)力2.3 生物大分子的自我組裝2.4 生物大分子的2.1 生物活性物質(zhì)的本質(zhì)所有的生物大分子都是由一些基本單元組成的聚合物。如：核酸單核苷酸；蛋白質(zhì)氨基酸；多糖單糖；脂脂肪酸；各種大分子在生命活動(dòng)過程中都具有特定的功能。2.1

2、 生物活性物質(zhì)的本質(zhì) 細(xì)胞器核、線粒體、高爾基體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等超大分子組裝核糖體、染色質(zhì)、微管構(gòu)建分子 氨基酸、 單糖、脂肪酸、核苷酸大分子 蛋白質(zhì) 核酸 多糖 脂蛋白質(zhì)DNA代謝物 丙酮酸，檸檬酸 草酰乙酸 等前體 H2O CO2 NH3元素 C、H、O細(xì)胞中的生物大分子macromolecules in Cells原核細(xì)胞Prokaryotic cell真核細(xì)胞 Eukaryotic cell蛋白質(zhì)DNARNA其它生物大分子Other macromolecules unrelated to MB course多糖Polysaccharides脂類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)復(fù)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生物體是由生物大分子等有機(jī)物構(gòu)成的；這種有機(jī)體的構(gòu)成是有層次，有序的集合。如單細(xì)胞生物，多細(xì)胞生物。生物體能與環(huán)境不斷的交換物質(zhì)與能量； 生物體要進(jìn)行自身的新陳代謝代謝活動(dòng)，物質(zhì)交換。這種物質(zhì)交換與環(huán)境保持著密不可分的關(guān)系。2.1.1 生物活性物質(zhì)的屬性 生物大分子存在于細(xì)胞環(huán)境中； 所有的這些生物大分子占細(xì)胞容積的2030。 生物體能進(jìn)行自我更新。2.1.2 生物大分子的化學(xué)本質(zhì)與特征 對(duì)于一個(gè)生命體來說，都是由生物大分子蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類等和一些小分子化合物，無機(jī)鹽和水構(gòu)成。 絕大多數(shù)蛋白質(zhì)是核酸序列的編碼產(chǎn)物；DNAmRNAProtein 多糖單糖。與蛋白和脂糖蛋白、脂

6、蛋白細(xì)胞膜的抗原 脂類脂肪、脂肪酸、磷脂、鞘磷脂、膽固醇細(xì)胞膜、類固醇激素。2.2 生物大分子間相互作用的化學(xué)力 生物大分子的基本結(jié)構(gòu)是靠共價(jià)鍵結(jié)合的，但是生物學(xué)功能的執(zhí)行是靠生物大分子之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。如：蛋白質(zhì)與DNA的相互作用；蛋白質(zhì)與RNA的相互作用；蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用。生物大分子間相互作用的化學(xué)力 1 擴(kuò)散作用 2 專一性相互作用結(jié)構(gòu)基序，離子鍵，氫鍵，范德華力1、共價(jià)鍵：成鍵原子間通過電子對(duì)共享形成的。鍵 能一般在200KJ/mol以上。 磷酸二酯鍵、肽鍵、二硫鍵，SS2、弱鍵（非共價(jià)鍵）：小于20KJ/mol。（1）氫鍵（2）鹽鍵（離子鍵）靜電作用力（3）范德華力（短

7、程力）（4）疏水作用3、配位鍵一般在250KJ/mol以上2.2.2 生物大分子內(nèi)部相互作用的化學(xué)鍵 概念：供氫體上的氫原子與受氫體原子間的引力。是兩個(gè)原子共用一個(gè)質(zhì)子形成氫鍵。（1）氫鍵( hydregen bond ) 供氫體：羧基、氨基和羥基 受氫體：羧基氧、羧基碳和肽鍵氧等 能的大小取決于氫鍵的方向：氫鍵具有高度 的方向性。 氫鍵結(jié)合力與供氫體和受氫體之間距離的6次 方成反比，鍵能約20.9kJ/mol。（2）靜電引力（electrostatic forces）（coulombic forces） 概念：兩個(gè)相互作用基團(tuán)帶有相反電荷的 氨基和羧基基團(tuán)之間相互的引力。 引力的大小與兩個(gè)相

8、互作用基團(tuán)間的距離的平方成反比；平均鍵能約為20.9kJ/mo1。（3）二硫鍵的形成，SH HS SS抗原和抗體的結(jié)合是互補(bǔ)性的特異性結(jié)合不形成牢固的共價(jià)鍵，通過非共價(jià)鍵結(jié)合這種弱的結(jié)合力涉及幾種分子間的作用力 *1靜電引力 *2范德華引力 *3氫鍵結(jié)合力 *4疏水作用力概念：兩個(gè)原子或基團(tuán)距離很短時(shí)，由于分子的極化作用而產(chǎn)生的引力。 結(jié)合力的大小與兩個(gè)相互作用基團(tuán)的極化程 度的乘積成正比、與它們之間距離的7次方 成反比，鍵能約為4.212.5kJmol。 這種引力的能量小于靜電引力。 具有特異性。（4）短程力 （范德華力 Van der Waals forces）（5）疏水作用力（疏水鍵）兩

9、個(gè)微溶于水的 分子或基團(tuán)之間的相互作用。 概念：兩個(gè)疏水基團(tuán)在水溶液中相互接觸 時(shí)，由于對(duì)水分子排斥而趨向聚集的力。 抗原決定簇與抗體上的結(jié)合點(diǎn)靠近，互相間 正、負(fù)極性消失，親水層立即失去。 此力在抗原抗體反應(yīng)中的結(jié)合是很重要的。 提供的作用力最大，約占總結(jié)合力的50。（6）配位鍵，一些金屬離子能與含氮、氧的基團(tuán)形成一種特殊類型的共價(jià)結(jié)合，這種結(jié)合力稱配位鍵。2.3 生物大分子的自我組裝蛋白質(zhì)肽鍵核酸 多糖、寡糖1，6糖苷鍵；1，4糖苷鍵 OII I C N P O 2.3.1 生物大分子的共價(jià)結(jié)構(gòu) macromolecular covalent structure 線性結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上

10、通過分子間力學(xué)的相互作用（次級(jí)鍵的作用）自我折疊形成二級(jí)結(jié)構(gòu)或高級(jí)結(jié)構(gòu)，具有特定的生物學(xué)活性。 組裝：一級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝是模板指導(dǎo)組裝，高級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝是自我組裝（部分靠蛋白分子的幫助）， 2.3.2 生物大分子的自我組裝 Large macromolecular Assemblies 蛋白質(zhì) 核糖體核酸 DNA聚合酶 或 RNA聚合酶多糖的合成 在特異酶的作用下合成從分子水平看，一般認(rèn)為在生物大分子組裝成超分子結(jié)構(gòu)的過程中，蛋白質(zhì)在此過程中起著重要的作用。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蛋白質(zhì)通常由亞基通過非共價(jià)鍵聯(lián)合組成，如血紅蛋白有4條多肽鏈亞基。許多超分子結(jié)構(gòu)亞基可以自我組裝，無需外界指導(dǎo)，其組裝的信息主要存在于蛋白質(zhì)自身結(jié)構(gòu)中。例如血紅蛋白有、兩種亞基，在生理環(huán)境中，始終是組裝成22血紅蛋白形式，而不會(huì)組裝成其它形式，即使溶液中含有其它不同種蛋白質(zhì)亞基或不同物種血紅蛋白亞基，它們也不會(huì)交換成雜種，說明了、亞基具有十分專一的結(jié)構(gòu)信息。這里，形狀和空間結(jié)構(gòu)精確的互補(bǔ)性，保證了專一的組裝。 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 功能類似的分子的組裝 結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究表明，結(jié)構(gòu)域的組合是許多蛋白質(zhì)在功能上存在差異的物質(zhì)基礎(chǔ)。2 同類分子的組裝 超分子復(fù)合物-通過蛋白質(zhì)自身及蛋白和其它生物大分子自發(fā)聚集形成。3 異類生物分子的組裝 蛋白質(zhì)與核酸形成的復(fù)合物稱為核蛋白體。核內(nèi)小核糖核蛋白體（small

15、nuclear ribonucleoprotein, snRNP),信號(hào)識(shí)別顆粒（signal recognition particle,SRP）,轉(zhuǎn)錄因子等。2.3.3 生物大分子的結(jié)構(gòu)層次macromolecular levels 生物學(xué)功能的表現(xiàn)與生物分子在特定環(huán)境下的構(gòu)型和構(gòu)象有關(guān)。 構(gòu)型(configuration): 分子中各原子都具有的各自固定的空間排列使分子能以立體化學(xué)的形式區(qū)分開。 構(gòu)象(conformation): 分子的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)不變，在單鍵時(shí)周圍原子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的原子空間排列。核酸核苷酸，核苷酸的序列決定了蛋白質(zhì)中相應(yīng)氨基酸的序列。氨基酸的序列決定了蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、一級(jí)

16、結(jié)構(gòu)決定二級(jí)結(jié)構(gòu)或更高級(jí)的結(jié)構(gòu)。分子構(gòu)象是空間結(jié)構(gòu)，高級(jí)結(jié)構(gòu)，立體結(jié)構(gòu)、三位構(gòu)象的總稱。如：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)包含了一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。2.3.4 生物分子的螺旋結(jié)構(gòu)macromolecular helix structure 生物分子中二級(jí)結(jié)構(gòu)多以螺旋結(jié)構(gòu)普遍存在。有些螺旋分子會(huì)出現(xiàn)在更高的層次。如蛋白質(zhì)、核酸、染色質(zhì)、微管等。 轉(zhuǎn)錄因子與DNA分子的作用； 鞭毛的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)； 酶蛋白的催化功能； 膜蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)與功能；結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)：2.3.4 生物分子的螺旋結(jié)構(gòu)macromolecular helix structure2.3.5 生物膜的組裝 biomembrane a

17、ssemblies生物膜是由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組成的裝配體。 脂雙層分子構(gòu)成細(xì)胞膜，膜中的蛋白質(zhì)與脂質(zhì)通過疏水作用相互結(jié)合。膜蛋白結(jié)構(gòu)的主要特征是螺旋的球狀結(jié)構(gòu)。膜流動(dòng)性的生理意義: 質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。例如跨膜物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞信息傳遞、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等都與膜的流動(dòng)性密切相關(guān)。 膜的流動(dòng)性 細(xì)胞膜由流動(dòng)的脂雙層和嵌在其中的蛋白質(zhì)組成。 磷脂分子以疏水性尾部相對(duì)，極性頭部朝向水相組成膜骨架 蛋白質(zhì)或嵌在脂雙層表面，或嵌在其內(nèi)部，或橫跨整個(gè)脂雙層流動(dòng)鑲嵌模型2.4 生物大分子的相互作用染色質(zhì)的構(gòu)成；轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合；2.4.1 核酸與蛋白質(zhì)的相互作用反

18、式作用因子結(jié)構(gòu)域的模式DNA結(jié)合域(DNA- banding domain)鋅指結(jié)構(gòu) (zinc finger motif)同源結(jié)構(gòu)域 (homodomain,HD)：螺旋-轉(zhuǎn)角螺旋 (helix-turn-helix)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu) (leucine zipper)螺旋-環(huán)-螺旋 (helix-loop-helix,HLH)堿性螺旋(alkaline -helix)The helix turn helix domaina.Helix-turn-helix（螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋）。是最早發(fā)現(xiàn)于原核生物中的一個(gè)關(guān)鍵因子，該結(jié)構(gòu)域長約20個(gè)aa，主要是兩個(gè)-螺旋區(qū)和將其隔開的轉(zhuǎn)角。其中的一個(gè)被稱為識(shí)別

19、螺旋區(qū)，因?yàn)樗３в袛?shù)個(gè)直接與DNA序列相識(shí)別的氨基酸。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），最早來自控制軀體發(fā)育的基因，長約60個(gè)氨基酸，其中的DNA結(jié)合區(qū)與 helix-turn-helix motif相似，人們把該DNA序列稱為homeobox。主要與DNA大溝相結(jié)合。The Zi

20、nc Finger domain c. Zinc finger（鋅指）。長約30個(gè)aa，其中4個(gè)氨基酸（Cys或2個(gè)Cys，兩個(gè)His）與一個(gè)Zinc原子相結(jié)合。與Zinc結(jié)合后鋅指結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。 DNA Binding MotifZinc Binding Motif Gal4DNA complex from Saccharomyces cerevisiae.FrontSideTopd. Leucine zippers（亮氨酸拉鏈） d. Leucine zippers（亮氨酸拉鏈）是親脂性（hipathic）的螺旋，包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體。每隔6個(gè)殘基出

21、現(xiàn)一個(gè)亮氨酸。由賴氨酸（Lys）和精氨酸（Arg）組成DNA結(jié)合區(qū)。 DNA Binding Motif Leucine Zipper Motif Gcn4 Complex With Ap-1 Dna from Saccharomyces cerevisiae.FrontSideTopThe basic helix-loop-helix domain e. 堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix）該調(diào)控區(qū)長約50個(gè)aa殘基，同時(shí)具有DNA結(jié)合和形成蛋白質(zhì)二聚體的功能，其主要特點(diǎn)是可形成兩個(gè)親脂性-螺旋，兩個(gè)螺旋之間由環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連，其DNA結(jié)合功能是由一個(gè)較短的富堿性氨

22、基酸區(qū)所決定的。 2.4 生物大分子的相互作用2.4.2 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用蛋白抗原與抗體的作用；轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用；細(xì)胞因子和膜蛋白受體的作用；2.4.3 糖與蛋白質(zhì)的相互作用2.4.2 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用 蛋白抗原與抗體的作用酪氨酸激酶受體Receptor tyrosine kinasesRNA polymerase requires a protein complex at a promoter to initiate RNA synthesis轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用Enhancer binding proteins can act from a distance to en

23、hance initiation of transcription.腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylate cyclase 細(xì)胞因子和膜蛋白受體的作用（1）糖蛋白：是蛋白與糖通過糖苷鍵連接成的產(chǎn)物。 寡糖鏈由不同單糖組成，根據(jù)結(jié)合方式不同可以有多種形式，作為分子識(shí)別標(biāo)志。 單糖：葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、胞壁酸、甘露糖、鼠李糖和唾液酸等。 糖苷鍵：12、13、14、16、23、26等 半縮醛的構(gòu)型：型、型。 糖蛋白組成人體內(nèi)的重要物質(zhì)：免疫球蛋白、激素、酶、干擾素、凝血因子、細(xì)胞膜表面抗原、受體、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、凝集素、毒素。2.4.3 糖

24、與蛋白質(zhì)的相互作用 單糖結(jié)構(gòu) -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-巖藻糖 唾液酸 -D-N-乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸（GalNAc，) (Fuc，) (SA，) GlcNAc-UDP (*單糖的英文縮寫及代表符號(hào)在括號(hào)標(biāo)明)糖蛋白是蛋白與糖共價(jià)結(jié)合的復(fù)合分子。糖鏈和肽鏈的結(jié)合主要有兩大類：N糖苷鍵，由構(gòu)型的N乙酰葡萄糖胺與天冬酰胺的酰胺基形成；O糖苷鍵，由

25、構(gòu)型的N 乙酰半乳糖胺與絲氨酸或蘇氨酸的羥基形成；N糖苷鍵連接的糖肽又稱為天冬酰胺連接的糖肽；由O糖苷鍵形成的糖肽又稱為粘蛋白型糖肽。天冬酰胺連接的糖鏈中由共同的5糖核心，而粘蛋白型糖鏈不具有共同的寡糖結(jié)構(gòu)。糖的種類及連接方式呈高度的多樣化，表明糖鏈能夠編碼大量的信息。糖蛋白的分類與結(jié)構(gòu)N-連接 ：O-連接：GPl-連接： GlcNAc Asn GalNAc Ser (Thr)連接方式N-連接糖蛋白:糖鏈的N-乙酰葡糖胺與多肽鏈的天冬酰胺的酰胺氮連接，形成N-糖苷鍵，此種糖鏈為N-連接糖鏈，也稱N-連接聚糖。 連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu) GlcNAc-N-Asn 糖基化位點(diǎn) N-連接聚糖中Asn-X-Ser

26、Thr三個(gè)氨基 酸殘基序列子(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸) 稱為糖基化位點(diǎn)。核心結(jié)構(gòu) 高甘露糖型 復(fù)雜型 雜合型 N-連接糖鏈結(jié)構(gòu)都有一個(gè)五糖核心結(jié)構(gòu)Man Man Man GlcNAc GlcNAcAsn D-甘露糖-D-N-乙酰葡糖胺天冬酰胺O-連接糖蛋白:糖鏈的N-乙酰半乳糖胺與多肽鏈的絲氨酸或蘇氨酸的羥基連接，形成O-糖苷鍵，糖鏈為O-連接糖鏈，也稱O-連接聚糖。連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)GalNAc-O-SerThrIgA分子的O-連接糖鏈有6種GPl-連接糖蛋白:糖磷脂酰肌醇(GPl)與多肽鏈連接,此類蛋白質(zhì)稱為GPl-連接糖蛋白或GPl-錨定糖蛋白。 連接結(jié)構(gòu) 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）糖鏈對(duì)糖蛋白理化性質(zhì)、空間結(jié)構(gòu)和 生物活性的影響 1.對(duì)糖蛋白新生肽鏈的影響:參與新生肽鏈 的折疊并維持蛋白質(zhì)的正確的空間構(gòu)象; 影響亞基聚合;糖蛋白在細(xì)胞內(nèi)的分棟和 投送。 2.對(duì)糖蛋白的生物活性的影響:保護(hù)糖蛋白 不受蛋白酶的水解,延長其半衰期。 3.參與分子的識(shí)別作用（二）糖蛋白在分子識(shí)別和黏附中的作用 1.糖蛋白在細(xì)胞-細(xì)胞分子識(shí)別和黏附 中的作用 2.糖蛋白在細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)分子識(shí)別和 黏附中的作用糖蛋白的作用:1、由于糖蛋白的高粘度特性，機(jī)體用它作 為潤滑劑。2、防護(hù)蛋白水解酶的水解作用。3、防止細(xì)菌、病毒侵襲。4、在組織培養(yǎng)時(shí)對(duì)細(xì)胞粘

28、著和細(xì)胞接觸抑 制作用。5、對(duì)外來組織的細(xì)胞識(shí)別也有一定作用。6、與腫瘤特異性抗原活性的鑒定有關(guān)。（2）蛋白聚糖（proteoglycan)：由糖胺聚糖和核心蛋白通過共價(jià)鍵連接所形成的糖復(fù)合物。通常是含有共價(jià)連接的一條或數(shù)條糖胺聚糖鏈的核心蛋白大分子。主要存在于皮膚、肌腱、軟骨和結(jié)締組織。蛋白聚糖中糖胺聚糖與核心蛋白的連接有： N 乙酰半乳糖胺與絲氨酸或蘇氨酸連接的O糖苷鍵； N乙酰葡萄糖胺與天冬酰胺的酰胺之間形成的N糖苷鍵； D木糖與絲氨酸羥基之間形成的O糖苷鍵；蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)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組成糖胺聚糖：是己糖胺和己糖醛酸二糖重復(fù)單位的聚合物。 體內(nèi)重要糖胺聚糖有6種：透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素 硫酸皮膚素、硫酸角質(zhì)素，肝素和硫酸類肝素