生物大分子的相互影響因素第一節概述一、生物大分子的概念生物大分子是由基本結構單位按一定的順序以特定的化學鍵連接、聚合而成，發揮特定的生物學功能的大分子化合物。分子量大小范圍在104～106kD之間。蛋白質、核酸和多糖均屬生物大分子范疇。生物大分子發揮生物學功能，執行表達、傳遞生物信息的三個條件：①分子結構②分子運動及變化③分子間的相互作用。生物大分子的相互影響因素生物大分子的分布：分布及其廣泛，動物、植物和微生物界都有存在。

和哺乳類細胞分子組成（占細胞質量百分比％）成分E.coli哺乳類水7070

無機鹽（Na+,K+,Cl-等）11

各種小分子化合物33

蛋白質1518

磷脂23

其它脂--2

多糖22生物大分子的相互影響因素二、生物大分子相互作用的力生物大分子之間的相互作用力是：非共價鍵作用。非共價鍵的類型：①離子鍵②氫鍵③vanderWaals力④疏水鍵三、生物大分子的擴散與運動①擴散②運動生物大分子的相互影響因素四、分子相互作用的動力學結合與解離復合物中兩分子結合愈強，解離反應的速率也就愈低。則兩分子間的作用力就愈強。平衡常數（親和常數）

A+BAB

平衡時有Kon[A][B]＝Koff[AB][A][B]Koff[AB]Kon

生物系統中簡單的結合反應的親和常數103～1012L/mol之間，相應的自能（又稱結合能）在4～17kcal/mol,大約可產生4～17個氫鍵。KonKoffKeq（平衡常數）結合速率＝Kon[A][B]解離速率＝Koff[AB]生物大分子的相互影響因素第二節蛋白質－蛋白質相互作用一、蛋白質相互作用的結構基礎1、多肽鏈的折疊與裝配：伸展的多肽鏈必需形成特定的立體結構，或三維結構，才具有分子識別、結合及其它各種生物學功能。蛋白質的三維結構就是指多肽鏈在不同水平的折疊，即蛋白質折疊（proteinfolding)。伸展的多肽鏈通過內部規律性的氫鍵相互作用形成α螺旋和β片層，二或三個α螺旋和β片層組合成模序（motif)，進而形成結構域（domain),形成蛋白質的三級結構。生物大分子的相互影響因素2、蛋白質的模序(motif):

在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間結構，被稱為模序。一個模序總有其特征性的氨基酸序列，并發揮特殊的功能。如α螺旋-環-α螺旋構成的鈣調蛋白模序（HLH）、鋅指結構模序（zincfinger）、亮氨酸拉鏈模序（LZ）、螺旋-轉角-螺旋（HTH）。生物大分子的相互影響因素3、結構域(domain)：分子量大的蛋白質三級結構常可分割成一個或數個球狀或纖維狀的區域，折疊的較為緊密，各行其功能，稱為結構域。結構域是由多種模序組合而成，結構域的核心可由α-環-α、α-環-β、β-環-α、β-環-α等模序構成。結構域可以被看作是具有三級折疊形式的肽鏈的一部分。生物大分子的相互影響因素結構域是蛋白質分子的一個功能單位，蛋白質的各種功能就是通過不同結構域的參與而形成的。結構域的多少取決于蛋白質分子的大小，一個蛋白質分子可以有一個結構域，也可以有幾個結構域。如纖連蛋白是由二條多肽鏈構成，有6個結構域，各個結構域分別執行一種功能，有可與細胞、膠原、DNA和肝素等結合的結構域。生物大分子的相互影響因素4、分子伴侶（chaperone)分子伴侶是一種可增加蛋白質正確折疊速率的蛋白質，它是通過與沒有完全折疊好的新合成的多肽鏈結合發揮協助折疊作用的。分子伴侶的作用：①分子伴侶的可逆結合有利于蛋白質的折疊。②分子伴侶可糾正肽段的錯誤折疊。③分子伴侶可對蛋白質結構中二硫鍵的正確形成起重要作用。生物大分子的相互影響因素5、蛋白質的結合位點一個蛋白質分子與配體之間的結合需要在兩個分子的特定部位之間形成許多弱化學鍵，兩分子間相互作用的部位稱為蛋白質的結合位點(bindingsite)。結合位點通常是由多肽鏈上一些相互分離的氨基酸殘基通過肽鏈折疊而在空間上聚集到一起，形成特定的空間排列方式。構成結合位點的氨基酸殘基僅僅是多肽鏈的一小部分，其余的氨基酸殘基為維持其正確空間位置所必需，并提供調節過程所需要的其它結合位點，蛋白質內部氨基酸殘基則對維持蛋白質分子適當形狀和剛性起作用。生物大分子的相互影響因素6、蛋白質之間相互作用的特異性蛋白質分子之間相互作用的特異性是由其結合位點決定的。兩分子的結合位點必須存在能夠配對形成非共價鍵的基團，而且每對基團在空間上恰好能達到形成共價鍵的最佳距離。這就是所謂的“鏡像關系”，即兩分子的結合位點具有相對應的基團和對稱的空間排列。這種基團的對應及空間排列的對稱關系決定了蛋白質分子之間相互作用的特異性。生物大分子的相互影響因素二、蛋白質-蛋白質相互作用的類型1、酶-作用物相互作用：因為酶無論是蛋白酶還是核酶均為生物大分子，而酶的作用物，即底物有許多本身就是大分子物質蛋白質、核酸或多糖。蛋白酶和蛋白質之間的作用就屬于此范疇。如：胰蛋白酶、彈性蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶等對蛋白質相應結合位點的特異性結合形成酶-底物的復合物，然后發揮蛋白酶的水解作用。酶-底物相互作用的特點：①高效性②特異性③可調節性生物大分子的相互影響因素2、抗原-抗體的相互作用抗原-抗體相互作用具有與其它生物大分子反應相同的基本原理，屬于蛋白質-蛋白質的相互作用。抗原-抗體相互作用的特點：①可逆性②特異性③異質性生物大分子的相互影響因素3、受體-蛋白質配體之間的相互作用任何胞外信號分子引起靶細胞一定的應答反應均需依賴信號分子與特異受體的結合。受體蛋白依據其細胞定位被區分為膜受體、胞內受體或核受體。信號分子，如激素、信息素（外激素）或神經遞質被稱為配體，必須與受體蛋白特點位點結合，引起受體分子構象變化，進而啟動細胞功能變化。如受體酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases,RTKs)是一類重要的膜受體，其配體是可溶性的或膜結合的多肽和蛋白質激素，包括胰島素、表皮生長因子等。生物大分子的相互影響因素4、蛋白質的二聚化(dimerization)或多聚化一些具有生物學功能的蛋白質僅含有一條具有三級結構的多肽鏈，但也有一些蛋白質分子需要由兩條或兩條以上相同或不相同的多肽鏈聚合，形成四級結構才能顯示生物學功能。我們把含有一條多肽鏈，在可溶性狀態下可以單體(monomer)、二聚體(dimer)或多聚體存在稱為蛋白質的聚合。由單體形成二聚體的反應即為二聚化。蛋白質的二聚化和多聚化均屬于蛋白質-蛋白質相互作用。二聚化參與許多生物學過程，尤其在基因轉錄激活過程中一些轉錄調節因子的二聚化具有普遍的和特殊的意義。生物大分子的相互影響因素亮氨酸拉鏈(leucinezipper,LZ)：最早發現于CCAAT增強子結合蛋白(CCAAT/enhancerbindingprotein,C/EBP)的近N端約有30個氨基酸組成的α螺旋中，每7個氨基酸殘基即出現一個亮氨酸殘基。當兩條具有這種結構的兩性α螺旋結構相對靠近時，兩鏈即可通過亮氨酸殘基疏水表面形成二聚體，兩鏈仿佛提包拉鏈樣齒對齒嵌合，故稱這種結構為亮氨酸拉鏈。拉鏈的N端有一段富含堿性氨基酸肽段，與DNA的結合有關。生物大分子的相互影響因素螺旋-環-螺旋(helix-loop-helix,HLH)、螺旋-轉角-螺旋(helix-turn-helix,HTH)等也存在二聚化，其二聚體與基因轉錄調控有關。在轉錄過程中的一些轉錄因子常常也形成二聚體后才能與DNA結合而起作用。在生物化學課程中：脂酸合成酶系為7個酶均位于分子量為250kD的一條多肽鏈上，屬多功能酶，必須形成二聚體后才有活性。又如乙酰CoA羧化酶單體為分子量4萬的無活性形式，當其由10-20個單體形成多聚體時，才顯示催化活性。生物大分子的相互影響因素

第三節DNA-蛋白質相互作用一、DNA-蛋白質相互作用(DNA-proteininterraction)的化學鍵1、氫鍵：原核阻遏蛋白核真核轉錄調節因子具有識別功能的螺旋結構經常與DNA的大溝相互作用。暴露于大溝側緣的不同堿基基團供氫或受氫能力不同，與不同氨基酸側鏈之間形成氫鍵的趨勢也不同。Glu和Asp作為受氫體與C和A形成氫鍵。Ser、Thr和Cys含有-OH和-SH即可供氫也可受氫，可與各種堿基建立氫鍵聯系。Arg和Lys只能供氫，不能與C連接。生物大分子的相互影響因素2、疏水鍵：暴露于DNA大溝側緣的T的-CH3基團是疏水的，與疏水性氨基酸Ala、Val、Leu、Ile等均可建立疏水鍵聯系。C的環內兩個-CH2-也可與疏水氨基酸殘基側鏈相互作用，但力量較T弱。Ala因側鏈較短，不能與C形成疏水鍵。某些極性氨基酸的側鏈，如Ser、Gln、His也能與T形成疏水鍵。生物大分子的相互影響因素3、離子鍵一些荷電氨基酸可依據其荷電性質選擇相反電荷的核苷酸堿基，通過離子鍵相互作用。例如Arg和Lys與G，Asp和Glu與C之間的離子鍵聯系。總之，上述化學鍵聯系是根據化學理論確立的原則，實際情況可能復雜的多，其結合情況不僅與DNA和蛋白質的空間結構、位置有關，而且與相互作用的化學基團的局部環境、狀態也有關。生物大分子的相互影響因素二、DNA局部結構對相互作用的影響牛胰脫氧核糖核酸酶Ⅰ(DNAaseⅠ)可在雙螺旋中的一條鏈產生切口，然而該酶沿著一定序列的DNA所發生的裂解速率是在變化的，說明酶對雙鏈結構變化是敏感的；DNAaseⅠ水解dA、dT、dG、dC同質多聚域的裂解速率比隨機序列小，也說明DNA的局部構象對酶的結合有影響。DNAaseⅠ作用部位是DNA的小溝，當DNA纏繞在一個蛋白質分子表面時，DNA變形，向大溝彎曲o，導致小溝變寬(從11-12?變為15?)，有利于DNAaseⅠ的切割。生物大分子的相互影響因素三、參與DNA-蛋白質相互作用的堿性蛋白質基元。在真核組蛋白和其它某些染色體堿性蛋白質中存在一些短肽基元或模序，以獨特構型選擇性地結合DNA。這些短肽基元基本上分兩類：某些形式β-折疊和α-螺旋。β-折疊的典型序列為SPKK(SPRK)，反復多次出現于海膽精子組蛋白N，C端和組蛋白H2B的N端。可和DNA小溝富含AT部分結合。生物大分子的相互影響因素α-螺旋類GR(P)型：存在于其它類型染色體蛋白質中，特別是哺乳類的HMG-1和果蠅D1，這些蛋白質含有-PRKRGRPRK型重復序列，在DNA結合AT富含區。α-螺旋類AK型：AK螺旋是大量存在于組蛋白和其它染色體蛋白質中的一種α-螺旋基元，這種基元含有AKP序列，在這種結構中賴氨酸殘基帶正電荷，可與戊糖-磷酸骨架形成離子鍵，而丙氨酸和脯氨酸殘基則起穩定作用。AK螺旋典型例子為Pseudomonas的調節蛋白AlgR3，含有一個170氨基酸殘基的區域，富含APKK重復序列。生物大分子的相互影響因素α-螺旋類型中還有一類H1,H4,SAP,CRP的一致性序列：-VRKSLRKG,在形成核小體結構時起重要作用。有關蛋白質模序和DNA的結合作用在蛋白質部分已敘述，生物大分子的相互影響因素四、DNA-蛋白質相互作用中的序列特異識別1、序列特異結合的結合能：蛋白質與特異DNA序列的選擇性結合主要依賴兩種類型的相互作用提供結合能。①多肽鏈與堿基對之間的直接接觸。②多肽鏈中的堿性氨基酸殘基與戊糖-磷酸骨架之間的電荷聯系。序列特異的選擇性結合基本原理主要在于第一類結合，即多肽鏈與B型DNA大溝暴露的堿基對側緣之間、通過氫鍵和vanderWaals力所建立的直接聯系。從能量角度分析，序列依賴的DNA彎曲或變形又可使一個特殊的DNA結合位點被限定在最有利的構象，這種構象輔助多肽鏈與堿基對的定向連接。生物大分子的相互影響因素2、序列特異結合的結構基元多肽鏈對特異DNA序列的識別與結合可通過各種限定結構進行。以現代先進研究技術、通過對DNA-蛋白質相互作用分析，已鑒定出多種結合特異DNA序列的蛋白質結構元件：真核調節蛋白中的α-螺旋-β-轉角-α-螺旋（HTH)，與DNA的大溝結合，溝內方向可變，有序列選擇性。常見的細菌阻遏蛋白和激活蛋白常含有這樣的結構。生物大分子的相互影響因素HTH：此類蛋白因子中至少含有兩個α螺旋，兩個螺旋間可由短肽形成大約120度的轉角。HTH可結合于靶DNA序列大溝，對轉錄進行調控。生物大分子的相互影響因素例：CAP即代謝物基因激活蛋白它是操縱子轉錄激活相關的調節蛋白，也可作為自身基因的阻遏蛋白發揮功能。CAP分子量為，含一個HTH結構域。在有cAMP存在時，CAP結合cAMP，以二聚體形式結合三圈雙螺旋DNA，其識別位點是高度保守的反向重復序列TGTG/CACA。HTH通過DNA雙螺旋大溝識別、結合該序列。生物大分子的相互影響因素例：Lac阻遏蛋白在無半乳糖存在時，Lac阻遏蛋白在轉錄起始點上游結合以為中心的操縱子DNA，抑制RNA轉錄；在有半乳糖存在時，Lac阻遏蛋白結合代謝物半乳糖，使其對操縱子上結合位點的親和力下降而脫落，使轉錄進行。Lac阻遏蛋白是由4個38kD的相同亞基組成的四聚體，每個亞基N端均含一HTH結構。核磁共振分析表明，HTH中的螺旋2落進DNA的大溝。生物大分子的相互影響因素生物大分子的相互影響因素例③、Trp阻遏蛋白

Trp阻遏蛋白結合配體L-色氨酸后，可以結合Trp操縱子的啟動基因、阻斷轉錄起始