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104106kD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：分子结构 分子 运动及变化 分子间的相互作用。 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。 E.coli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 70 70 无机盐（Na+,K+,Cl- 等） 1 1 各种小分子化合物 3 3 蛋白质 15 18 RNA 6 1.1 DNA 1 0.25 磷脂 2 3 其它脂 - 2 多糖 2 2 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： 离子键 氢键 van der Waals 力 疏水键 三、生物大分子的扩散与运动 扩散 运动 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 + B AB 平衡时有 Kon AB Koff AB A B Koff AB Kon 生物系统中简单的结合反应的亲和常数1031012 L/mol 之间，相应的自 能（又称结合能）在417 kcal /mol , 大约可产生417个氢键。 Kon Koff Keq （平衡常数） 结合速率Kon AB 解离速率Koff AB 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（protein folding)。伸展的多 肽链通过内部规律性的氢键相互作用形成 螺旋和片层，二或三个螺旋和片 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。 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。如螺旋-环-螺 旋构成的钙调蛋白模序（HLH） 、锌指 结构模序（zinc finger） 、亮氨酸拉 链模序（LZ）、螺旋-转角-螺旋（HTH） 。 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-环-、 -环-、-环- 、 -环- 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。 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。 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：分子伴侣的可逆结 合有利于蛋白质的折叠。分子伴侣可 纠正肽段的错误折叠。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。 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 (binding site)。 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。 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 。 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：高效性 特异性 可调节性 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： 可逆性 特异性 异质性 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(receptor tyrosine kinases, 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。 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。 亮氨酸拉链(leucine zipper, LZ)：最 早发现于CCAAT增强子结合蛋白 (CCAAT/enhancer binding protein, C/EBP) 的近N端约有30个氨基酸组成的 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 。 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。 第三节 DNA-蛋白质相互作用 一、DNA-蛋白质相互作用(DNA-protein interraction)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。 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。 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。 二、DNA局部结构对相互作用的影响 牛胰脱氧核糖核酸酶(DNAase )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；DNAase 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。DNAase 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21.5o，导致小沟 变宽(从11-12 变为15 )，有利于DNAase 的切割。 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-折叠和 -螺旋。 -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。 -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。 -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-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