第2章 细胞内生物分子相互作用概述

1、第2章细胞内生物分子相互作用概述（SummaryonBiomolecularInterationsinCells)河南科技大学农学院施江AgricultureCollege,HenanUniversityofScienceTechnology，ShiJiang,第2章细胞内生物分子相互作用概述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生物大分子的相互作用,2.1生物活性物质的本质2.1.1生物活性物质的属性（1）生物体是由生物大分子(biomolecule)等有机物构成的,(2)生物体能与环境不断地交换物质与能量活机体中存在着一个具一定顺序、相互

2、协调、可自我调节的代谢网络,其中各个代谢反应都有相应的酶催化。细胞和机体与环境保持在一个远离平衡态的稳态(steadystate)中。与此相反,无生命物质总是趋向于与环境达成平衡。,(3)所有生物大分子共同存在于细胞环境中细胞是生命的结构基础，是生物体结构功能的基本单位。(4)生物体能进行自我更新生物体能精确的自我复制、生长、繁殖，而且在一定的条件下产生变异，产生新的生命类型，从而对新环境表现出适应性。,2.1.2生物大分子的化学本质与特性蛋白质、核酸、多糖和脂类是生物体细胞内的4类重要的生物大分子。核酸中的DNA担负着遗传信息的传递（遗传）的任务，RNA担负将遗传信息表达为蛋白质的任务；蛋白

3、质是生命现象的主要体现者，是细胞和身体结构和功能的主要物质，其中酶是生命活动中各种化学反应的催化剂，是生物体进行发育而周密的新陈代谢的基本保证。,(1)蛋白质蛋白质是由氨基酸构成的生物大分子。蛋白质作为“生物性状”分子，在生命活动中起十分重要的功能：蛋白质作为生物催化剂酶。细胞中各种生化反应都是在酶的催化下进行的，而酶就是一类有特定功能的蛋白质。4000蛋白质参与细胞信号和配体运输。许多蛋白质参与细胞信号产生和转导过程。许多配体运输蛋白可以与特定的小分子物质结合，并把这些分子转运到多细胞生物身体的其他部位。结构蛋白。,所有的蛋白质都含有碳氢氧氮四种元素，有些蛋白质还含有硫、磷和一些金属元素。蛋

4、白质平均含碳50，氢7，氧23，氮16。其中氮的含量较为恒定，而且在糖和脂类中不含氮，所以常通过测量样品中氮的含量来测定蛋白质含量。如常用的凯氏定氮：蛋白质含量蛋白氮6.25（其中6.25是16的倒数）,(2)核酸DNA是生物体中信息的原初载体，DNA通过复制使遗传信息由亲代流向子代,通过转录使特定基因的遗传信息转换成相应的指令-mRNA,后者指导氨基酸按一定的顺序连接成特定的多肽,然后折叠成相应的蛋白质。核酸分子的骨架是由核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接成的多核苷酸链,核苷酸是其单体。构成DNA和RNA的分别是4种脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸。不同的核糖核苷酸(和脱氧核糖核苷酸)的区别在于其碱

5、基的差异。,(3)糖类糖类常被称为碳水化合物，是由碳、氢、氧三种元素构成的有机化合物，这三种元素的比例一般为1:2：1。在生物体内，糖既是能源，又是代谢过程的中间产物，某些糖还是构成其他重要生物大分子(如糖蛋白)的成分。生物体内的糖主要有单糖、寡糖和多糖。,(4)脂类脂类包括的范围很广，所有不溶于水而易溶于有机溶剂的生物分子都属于脂类，它们构成了细胞的疏水成分。生物体所含有的脂类主要有：脂肪和油、蜡、磷脂类、类固醇和萜类。组成脂类的主要元素也是碳、氢、氧(有时含有磷、氮)，脂类是非极性物质，它们不溶于水，能溶于非极性溶剂。脂类在生物体内也有一系列重要功能：磷脂是构成生物膜结构的基础；脂肪含较高

6、能量，因而是储能物质；蜡质等可以作为保护层，起保水、保温和绝缘等作用；维生素、激素等重要的生物活性物质按其理化性质也可归为脂类中。,一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种碱基所组合而成的，由此产生了分子生物学的3条基本原理：构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的（构成生物大分子的单体是相同的，共同的核酸语言、共同的蛋白质语言）；生物遗传信息表达的中心法则相同。生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则。生物大分子单体的排列（核苷酸、氨基酸）的不同，某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。,2.2生物

7、大分子间相互作用的化学力生物大分子间相互作用主要表现在：DNA与蛋白质之间（染色体、染色质、病毒）;RNA与蛋白质之间（信号识别颗粒、核糖体、核内小分子核糖核蛋白体snRNP）;蛋白质与蛋白质之间（两个亚基和两个亚基结合形成血红蛋白；微管蛋白和微管蛋白先形成二聚体，然后再组装成微管。）。,2.2.1生物大分子间相互作用的化学力(1)扩散作用在同一温度下，分子的运动的方向是由分子浓度较高的地方往浓度较低的地方运动，这种现象称为扩散作用。扩散作用是一种自然发生的现象，它不必藉外界力量即可发生。水、气体分子（如二氧化碳、氧气）可通过细胞膜，藉扩散作用进出细胞膜。葡萄糖等物质，则不能藉扩散作用通过细胞

8、膜。(2)专一性相互作用生物大分子在进化过程中形成了表面形态相匹配的分子能通过分子表面的识别正确地靠拢并结合。这种结合依赖于大分子表面的结构基序及离子键、氢键和范德华力等促使大分子发生特异相互反应的一些非共价键。,2.2.2生物大分子内部的化学键（1）氢键(hydrogenbond)氢原子与一个电负性较大而半径较小的原子如N、O、F靠近时就有可能共享一个质子而形成氢键。氢键具有饱和性和方向性。氢键对生物体系有重大意义，特别是在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用。氢键使水具有强内聚力、高汽化热和溶化热，从而为细胞提供了一个稳定的内环境。,(2)离子键正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键

9、。离子既可以是单离子，如Na+、Cl-；也可以由原子团形成；如SO42-，NO3-等。力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽效应，介质的极性越小，荷电基团相互作用越强。例如，-COO-与-NH3+间在极性介质水中的相互作用力，仅为在蛋白质分子内部非极性环境中的1/20，在真空中的1/80。离子键的作用力强，无饱和性，无方向性。,(3)二硫键（disulfidebond）又称SS键。是2个SH基被氧化而形成的SS形式的硫原子间的键。Cys-SH+HS-CysCys-S-S-Cys二硫键在蛋白质分子的立体结构形成上起着十分重要的

10、作用。,人胰岛索的一级结构,(4)短程力当原子或基团接近到很短的距离时，会明显产生一种作用力，称为短程力。大多数短程力都属于范德华力。范德华力一般发生在偶极与偶极、偶极与诱导偶极及诱导偶极与诱导偶极之间。范德华力对生物多层次结构的形成和分子的相互识别与结合有重要意义。,(5)疏水作用(hydrophobicinteraction)当两亲化合物混于水中时，两亲化合物的非极性端相互靠近避开水的作用。生物分子有许多结构部分具有疏水性质，如蛋白质的疏水氨基酸侧链，核酸的碱基，脂肪酸的烃链等。它们之间的疏水相互作用，在稳定蛋白质，核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用。,(6)配位键（coordi

11、nationbond）配位键是特殊的共价键，它的共用电子对是由一个原子提供的。例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：图片中表示配位键。在N和B之间的一对电子来自N原子上的孤对电子。在生物体系中，配位键对稳定生物大分子的构象，形成特定的生物分子复合物具有重要意义。,2.3生物大分子的自我组装分子自组装是各种复杂生物结构形成的基础。分子自组装就是在平衡条件下，分子间通过非共价相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。自组装是由较弱的、可逆的非共价相互作用驱动的，如氢键，-相互作用等。同时，自组装体系的结构稳定性和完整性也是靠这些作用非共价相互作用来保持

12、的。,2.3.1生物大分子的共价结构核酸链中的磷酸二酯键（0.1590.162nm）比P=O双键的键长（0.146nm)长,但远比PO单键的键长（0.172nm)短。,肽与肽键,多肽链中的肽键（0.132nm)比C=N键（0.125nm)长，而又比正常的CN键（0.144nm)短。,寡糖链间的-1，6糖苷键或-1，4糖苷键也类似于共价键性质。,2.3.2生物大分子的自我组装高级结构的组装是自我组装，一级结构不仅提供组装的信息，而且提供组装的能量，使其自发进行。1.功能类似的分子的组装：许多与DNA结合的蛋白质都含有螺旋-转角-螺旋结构基序。锌指结构基序。2.同类生物分子的组装：两个亚基和两个亚

13、基结合形成血红蛋白；微管蛋白和微管蛋白先形成二聚体，然后再组装成微管。3.异类生物分子组装：蛋白质与核酸形成的复合物称为核蛋白体；病毒粒子是由RNA或DNA与蛋白质结合而形成的。,自组装包含两个问题：形成复合物的生物分子具有相应的专一性表面结构；G有利于复合物的形成。有关定律：热力学第一定律：能量守恒定律热力学第二定律(熵定律)：G=HTS，G0该过程（反应）不能自发进行，需提供能量才能进行。G0该过程（反应）释放自由能，反应能自发进行。,例如,烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirus,TMV)组装过程的H为120KJ/mol,S为415J/mol,由于G=H-TS,故TMV的组装过

14、程显著受温度的影响。低于10,G为正,病毒粒子解体；约16,G=0,两者建立平衡;37时,G为负,过程明显趋向自组装。这是由于温度不同,过程的熵变和熵变在G中所占的比重发生变化结果。,除了病毒外,生物机体内蛋白质与核酸的交互作用对生命活动具有十分重要的意义。遗传信息的传递和调控都离不开蛋白质与核酸的交互作用。蛋白质和核酸的交互作用可以分为两个方面：1、核酸与蛋白质形成特定的超分子复合物,如核糖体(ribosome),核内小核糖核蛋白、信号识别颗粒、延长因子与核糖体形成的三元复合物等。他们为生命过程提供所需的机构。2、蛋白质与核酸间的交互作用是动态性的,它与基因表达及其调控有关。,2.3.3生物

15、大分子的结构层次构型是指由于手性的存在而造成的基团不同空间排布称为构型(configuration)。构型的改变必须通过共价键的断裂。构象是指由于单键旋转时有关原子相对转动所造成的相应原子或基团在空间的不同排布称为构象(conformation)。构象的改变不涉及共价键的改变。,蛋白质结构一级结构：多肽链中氨基酸的排列顺序。二级结构：多肽链经过折叠形成几种由氢键维持的规则结构，如螺旋，折叠，转角和无规则卷曲。三级结构：在二级结构的基础上进一步折叠成三维构象。四级结构：如果蛋白质由多个亚基构成（如血红蛋白），各个亚基通过各种稳定因素维系在一起。,DNA也有一级结构、二级结构和三级结构。DNA的一

16、级结构DNA是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸。它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序，即碱基序列。碱基的特定序列携带着遗传信息。DNA的二级结构DNA的三级结构DNA的三级结构是指双螺旋的进一步扭曲形成的超螺旋，即螺旋的螺旋。盘绕过多时形成正超螺旋，不足时为负超螺旋。,RNA有一级结构、二级结构和三级结构。RNA通常是一条单链分子，它的一级结构即是其核苷酸序列。但RNA能通过自身回折形成局部碱基配对的双螺旋区，这是RNA的二级结构。在二级结构的基础上再折叠就形成三级结构。,5sRNA的二级结构,2.3.4生物分子的螺旋结构虽然人类设计建筑与马路时均偏好于笔直的线条，但大自

17、然的选择对此并不赞同，而更倾向于螺旋状的卷曲结构。小到决定生命形态的DNA结构，乃至关乎我们后天性状美丑的蛋白质结构及我们赖以生存的食物的主要组分淀粉，无一例外是螺旋结构。,2.3.5生物膜的组装细胞及细胞器表面覆盖着一层极薄的膜，统称生物膜。生物膜主要由脂类和蛋白质组成，脂类约占40，蛋白质占60。真核细胞的生物膜约占细胞干重的70%80%，最多的是内质网膜。1972年提出的流动镶嵌模型(fluidmosaicmodel)受到广泛的支持。其要点为：（1）膜磷脂排列成双分子层，构成膜的基质。（2）多种蛋白质包埋于基质中，称为膜蛋白。,生物膜具有及其重要的生物功能：（1）它具有保护层的作用，是细

18、胞表面的屏障；（2）它是细胞内外环境进行物质交换的通道；能量转换和信息传递也都要通过膜进行。（3）许多酶系与膜相结合，一系列生化反应在膜上进行。,2.3.6复杂大分子的自我装配举例现代分子生物学发展中具有重要意义的成就之一就是认识到生物大分子是生物一切生命活动的分子基础。生物的生长、发育和繁殖从根本上来说也就是各种生物大分子的依次合成、组装和扩增过程。遗传物质（核酸）能够自我复制并控制蛋白质的合成，由蛋白质再合成其他生物分子。生物大分子自我组装成生物不同层次的结构和组织。遗传信息的表达可在不同水平上进行自我调节。由此呈现出生物的各种不同功能。,烟草花叶病毒是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位

19、按一定方式围绕RNA聚集而成，不借助酶，也无需能量再生体系。烟草花叶病毒（TMV）呈直杆状，长300nm，宽18nm，中空内径4nm，由158个氨基酸组成一个皮鞋状的衣壳粒，总共有2130个衣壳粒，排列成130圈螺旋，TMV的核酸核心是单链的RNA，含有6395个核苷酸，每3个核苷酸与一个衣壳粒相结合，盘绕于蛋白质的中空内径中。,2.4生物大分子的相互作用2.4.1核酸与蛋白质的相互作用（1）DNA、组蛋白结合形成染色质。（2）蛋白质和DNA相互作用参与基因的表达调控。调节蛋白与DNA结合打开或关闭特定基因的活性。（3）蛋白质对DNA的位点特异性切割。限制性内切核酸酶能识别四核苷酸或六核苷酸序

20、列，并在相邻的核苷酸之间打断磷酸二酯键。,2.4.2蛋白质与蛋白质的相互作用生物体内一种蛋白质分子与另一种蛋白质分子结合的例子很多。例如：血红蛋白，RNA聚合酶，DNA聚合酶。蛋白质多亚基形式的优点是:1）亚基对DNA的利用来说是一种经济的方法；2）可以减少蛋白质合成过程中随机的错误对蛋白质活性的影响；3）活性能够非常有效和迅速地被打开和被关闭。,血红蛋白四级结构,细菌的RNA聚合酶,DNA聚合酶-（DNApol-）,2.4.3糖与蛋白质的相互作用1.糖蛋白糖蛋白是以蛋白质为主体的糖蛋白质复合物，在肽链的特定残基上共价结合着一个、几个或十几个寡糖链。寡糖链一般由215个单糖构成。寡糖链与肽链的

21、连接方式有两种：一种是它的还原末端以O-糖苷键与肽链的丝氨酸或苏氨酸残基的侧链羟基结合；另一种是以N-糖苷键与侧链的天冬酰胺残基的侧链氨基结合。,N-乙酰半乳糖胺,糖蛋白在体内分布十分广泛，许多酶、激素、运输蛋白、结构蛋白都是糖蛋白。糖蛋白的生物学功能：（1）糖蛋白携带某些蛋白质代谢去向的信息。糖蛋白寡糖链末端的唾液酸残基，决定着某种蛋白质是否在血流中存在或被肝脏除去的信息。（2）寡糖链在细胞识别、信号传递中起关键作用。淋巴细胞正常情况应归巢到脾脏，而切去唾液酸后，结果竞归巢到了肝脏。在原核中表达的真核基因，无法糖基化。,2.蛋白聚糖（proteoglycan，PG）蛋白聚糖是以糖胺聚糖为主体的糖蛋白质复合物。存在于人和动物的皮肤、软骨、肌腱、脐带、角膜等部位的各种结缔组织中。蛋白聚糖以蛋白质为核心，以糖胺聚糖链为主体，在同一条核心蛋白肽链上，密集地结合着几十条至千百条糖胺聚糖糖链，形成瓶刷状分子。每条糖胺聚糖链由100到200个单糖分子构成，具有二糖重复序列，一般无分支。,