關于細胞內生物分子相互作用概述第1頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三第2章細胞內生物分子相互作用概述

2.1

生物活性物質的本質

2.2

生物大分子間相互作用的化學力

2.3

生物大分子的自我組裝

2.4

生物大分子的相互作用第2頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.1生物活性物質的本質2.1.1生物活性物質的屬性（1）生物體是由生物大分子(biomolecule)等有機物構成的

細胞

超分子復合物

染色體,核糖體,膜,微管等

生物大分子

DNA,RNA,蛋白質,多糖，脂等

單體

核苷酸,氨基酸,單糖,脂肪酸第3頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(2)

生物體能與環(huán)境不斷地交換物質與能量活機體中存在著一個具一定順序、相互協(xié)調、可自我調節(jié)的代謝網絡,其中各個代謝反應都有相應的酶催化。細胞和機體與環(huán)境保持在一個遠離平衡態(tài)的穩(wěn)態(tài)(steadystate)中。與此相反,無生命物質總是趨向于與環(huán)境達成平衡。

第4頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(3)

所有生物大分子共同存在于細胞環(huán)境中細胞是生命的結構基礎，是生物體結構功能的基本單位。(4)

生物體能進行自我更新生物體能精確的自我復制、生長、繁殖，而且在一定的條件下產生變異，產生新的生命類型，從而對新環(huán)境表現(xiàn)出適應性。第5頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.1.2生物大分子的化學本質與特性

蛋白質、核酸、多糖和脂類是生物體細胞內的4類重要的生物大分子。核酸中的DNA擔負著遺傳信息的傳遞（遺傳）的任務，RNA擔負將遺傳信息表達為蛋白質的任務；蛋白質是生命現(xiàn)象的主要體現(xiàn)者，是細胞和身體結構和功能的主要物質，其中酶是生命活動中各種化學反應的催化劑，是生物體進行發(fā)育而周密的新陳代謝的基本保證。

第6頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(1)蛋白質

蛋白質是由氨基酸構成的生物大分子。蛋白質作為“生物性狀”分子，在生命活動中起十分重要的功能：

①蛋白質作為生物催化劑——酶。細胞中各種生化反應都是在酶的催化下進行的，而酶就是一類有特定功能的蛋白質。4000

②蛋白質參與細胞信號和配體運輸。許多蛋白質參與細胞信號產生和轉導過程。許多配體運輸?shù)鞍卓梢耘c特定的小分子物質結合，并把這些分子轉運到多細胞生物身體的其他部位。

③結構蛋白。第7頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

所有的蛋白質都含有碳氫氧氮四種元素，有些蛋白質還含有硫、磷和一些金屬元素。蛋白質平均含碳50％，氫7％，氧23％，氮16％。其中氮的含量較為恒定，而且在糖和脂類中不含氮，所以常通過測量樣品中氮的含量來測定蛋白質含量。如常用的凱氏定氮：

蛋白質含量＝蛋白氮×6.25（其中6.25是16％的倒數(shù)）

第8頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

(2)核酸

DNA是生物體中信息的原初載體，DNA通過復制使遺傳信息由親代流向子代,通過轉錄使特定基因的遺傳信息轉換成相應的指令--mRNA,后者指導氨基酸按一定的順序連接成特定的多肽,然后折疊成相應的蛋白質。

核酸分子的骨架是由核苷酸通過3′,5′-磷酸二酯鍵連接成的多核苷酸鏈,核苷酸是其單體。構成DNA和RNA的分別是4種脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸。不同的核糖核苷酸(和脫氧核糖核苷酸)的區(qū)別在于其堿基的差異。第9頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(3)糖類

糖類常被稱為碳水化合物，是由碳、氫、氧三種元素構成的有機化合物，這三種元素的比例一般為1:2：1。在生物體內，糖既是能源，又是代謝過程的中間產物，某些糖還是構成其他重要生物大分子(如糖蛋白)的成分。生物體內的糖主要有單糖、寡糖和多糖。

第10頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(4)脂類

脂類包括的范圍很廣，所有不溶于水而易溶于有機溶劑的生物分子都屬于脂類，它們構成了細胞的疏水成分。生物體所含有的脂類主要有：脂肪和油、蠟、磷脂類、類固醇和萜類。組成脂類的主要元素也是碳、氫、氧(有時含有磷、氮)，脂類是非極性物質，它們不溶于水，能溶于非極性溶劑。脂類在生物體內也有一系列重要功能：

①磷脂是構成生物膜結構的基礎；

②脂肪含較高能量，因而是儲能物質；

③蠟質等可以作為保護層，起保水、保溫和絕緣等作用；

④維生素、激素等重要的生物活性物質按其理化性質也可歸為脂類中。第11頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

一切生物體中的各類有機大分子都是由完全相同的單體，如蛋白質分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種堿基所組合而成的，由此產生了分子生物學的3條基本原理：

①構成生物體有機大分子的單體在不同生物中都是相同的（構成生物大分子的單體是相同的，共同的核酸語言、共同的蛋白質語言）；生物遺傳信息表達的中心法則相同。

②生物體內一切有機大分子的建成都遵循著各自特定的規(guī)則。

③生物大分子單體的排列（核苷酸、氨基酸）的不同，某一特定生物體所擁有的核酸及蛋白質分子決定了它的屬性。第12頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.2生物大分子間相互作用的化學力生物大分子間相互作用主要表現(xiàn)在：

①DNA與蛋白質之間（染色體、染色質、病毒）;

②RNA與蛋白質之間（信號識別顆粒、核糖體、核內小分子核糖核蛋白體snRNP）;

③蛋白質與蛋白質之間（兩個α亞基和兩個β亞基結合形成血紅蛋白；α微管蛋白和β微管蛋白先形成二聚體，然后再組裝成微管。）。第13頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.2.1生物大分子間相互作用的化學力(1)擴散作用

在同一溫度下，分子的運動的方向是由分子濃度較高的地方往濃度較低的地方運動，這種現(xiàn)象稱為擴散作用。擴散作用是一種自然發(fā)生的現(xiàn)象，它不必藉外界力量即可發(fā)生。水、氣體分子（如二氧化碳、氧氣）可通過細胞膜，藉擴散作用進出細胞膜。葡萄糖等物質，則不能藉擴散作用通過細胞膜。(2)專一性相互作用生物大分子在進化過程中形成了表面形態(tài)相匹配的分子能通過分子表面的識別正確地靠攏并結合。這種結合依賴于大分子表面的結構基序及離子鍵、氫鍵和范德華力等促使大分子發(fā)生特異相互反應的一些非共價鍵。第14頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.2.2生物大分子內部的化學鍵（1）氫鍵(hydrogenbond)

氫原子與一個電負性較大而半徑較小的原子如N、O、F靠近時就有可能共享一個質子而形成氫鍵。氫鍵具有飽和性和方向性。氫鍵對生物體系有重大意義，特別是在穩(wěn)定生物大分子的二級結構中起主導作用。氫鍵使水具有強內聚力、高汽化熱和溶化熱，從而為細胞提供了一個穩(wěn)定的內環(huán)境。第15頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(2)離子鍵

正離子和負離子之間由于靜電引力所形成的化學鍵。離子既可以是單離子，如Na+、Cl-；也可以由原子團形成；如SO42-，NO3-等。

力的大小與荷電量成正比，與荷電基團間的距離平方成反比，還與介質的極性有關。介質的極性對荷電基團相互作用有屏蔽效應，介質的極性越小，荷電基團相互作用越強。例如，-COO-與-NH3+間在極性介質水中的相互作用力，僅為在蛋白質分子內部非極性環(huán)境中的1/20，在真空中的1/80。離子鍵的作用力強，無飽和性，無方向性。第16頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(3)二硫鍵（disulfidebond）

又稱S－S鍵。是2個SH基被氧化而形成的—S—S—形式的硫原子間的鍵。

Cys-SH+HS-Cys→Cys-S-S-Cys

二硫鍵在蛋白質分子的立體結構形成上起著十分重要的作用。人胰島索的一級結構第17頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(4)短程力

當原子或基團接近到很短的距離時，會明顯產生一種作用力，稱為短程力。大多數(shù)短程力都屬于范德華力。范德華力一般發(fā)生在偶極與偶極、偶極與誘導偶極及誘導偶極與誘導偶極之間。范德華力對生物多層次結構的形成和分子的相互識別與結合有重要意義。第18頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(5)疏水作用(hydrophobicinteraction)

當兩親化合物混于水中時，兩親化合物的非極性端相互靠近避開水的作用。生物分子有許多結構部分具有疏水性質，如蛋白質的疏水氨基酸側鏈，核酸的堿基，脂肪酸的烴鏈等。它們之間的疏水相互作用，在穩(wěn)定蛋白質，核酸的高層次結構和形成生物膜中發(fā)揮著主導作用。第19頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三(6)配位鍵（coordinationbond）

配位鍵是特殊的共價鍵，它的共用電子對是由一個原子提供的。例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：圖片中→表示配位鍵。在N和B之間的一對電子來自N原子上的孤對電子。

在生物體系中，配位鍵對穩(wěn)定生物大分子的構象，形成特定的生物分子復合物具有重要意義。第20頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3生物大分子的自我組裝分子自組裝是各種復雜生物結構形成的基礎。分子自組裝就是在平衡條件下，分子間通過非共價相互作用自發(fā)組合形成的一類結構明確、穩(wěn)定、具有某種特定功能或性能的分子聚集體或超分子結構。自組裝是由較弱的、可逆的非共價相互作用驅動的，如氫鍵，π-π相互作用等。同時，自組裝體系的結構穩(wěn)定性和完整性也是靠這些作用非共價相互作用來保持的。第21頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.1生物大分子的共價結構核酸鏈中的磷酸二酯鍵（0.159～0.162nm）比P=O雙鍵的鍵長（0.146nm)長,但遠比P—O單鍵的鍵長（0.172nm)短。5′3′結構式OHOHOH5′3′第22頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三肽與肽鍵

多肽鏈中的肽鍵（0.132nm)比C=N鍵（0.125nm)長，而又比正常的C—N鍵（0.144nm)短。第23頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

寡糖鏈間的α-1，6糖苷鍵或β-1，4糖苷鍵也類似于共價鍵性質。第24頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.2生物大分子的自我組裝高級結構的組裝是自我組裝，一級結構不僅提供組裝的信息，而且提供組裝的能量，使其自發(fā)進行。

1.功能類似的分子的組裝：許多與DNA結合的蛋白質都含有螺旋-轉角-螺旋結構基序。鋅指結構基序。

2.同類生物分子的組裝：兩個α亞基和兩個β亞基結合形成血紅蛋白；α微管蛋白和β微管蛋白先形成二聚體，然后再組裝成微管。

3.異類生物分子組裝：蛋白質與核酸形成的復合物稱為核蛋白體；病毒粒子是由RNA或DNA與蛋白質結合而形成的。第25頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

自組裝包含兩個問題：①形成復合物的生物分子具有相應的專一性表面結構；②ΔG有利于復合物的形成。

有關定律：

熱力學第一定律：能量守恒定律

熱力學第二定律(熵定律)：ΔG=ΔH—TΔS，ΔG<0為自發(fā)。ΔG（自由能）:生物化學反應釋放出的自由能是生物體能用來做功的能?；瘜W反應中自由能的變化及其意義:ΔG=0該過程（反應）為可逆的。ΔG>0該過程（反應）不能自發(fā)進行，需提供能量才能進行。ΔG<0該過程（反應）釋放自由能，反應能自發(fā)進行。第26頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

例如,煙草花葉病毒(tobaccomosaicvirus,TMV)組裝過程的△H為120KJ/mol,△S為415J/mol,由于△G=△H-T△S,故TMV的組裝過程顯著受溫度的影響。低于10℃,△G為正,病毒粒子解體；約16℃,△G=0,兩者建立平衡;37℃時,△G為負,過程明顯趨向自組裝。這是由于溫度不同,過程的熵變和熵變在△G中所占的比重發(fā)生變化結果。第27頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

除了病毒外,生物機體內蛋白質與核酸的交互作用對生命活動具有十分重要的意義。遺傳信息的傳遞和調控都離不開蛋白質與核酸的交互作用。蛋白質和核酸的交互作用可以分為兩個方面：

1、核酸與蛋白質形成特定的超分子復合物,如核糖體(ribosome),核內小核糖核蛋白、信號識別顆粒、延長因子與核糖體形成的三元復合物等。他們?yōu)樯^程提供所需的機構。

2、蛋白質與核酸間的交互作用是動態(tài)性的,它與基因表達及其調控有關。第28頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.3生物大分子的結構層次

構型是指由于手性的存在而造成的基團不同空間排布稱為構型(configuration)。構型的改變必須通過共價鍵的斷裂。

構象是指由于單鍵旋轉時有關原子相對轉動所造成的相應原子或基團在空間的不同排布稱為構象(conformation)。構象的改變不涉及共價鍵的改變。第29頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三蛋白質結構一級結構：多肽鏈中氨基酸的排列順序。二級結構：多肽鏈經過折疊形成幾種由氫鍵維持的規(guī)則結構，如α螺旋，β折疊，β轉角和無規(guī)則卷曲。三級結構：在二級結構的基礎上進一步折疊成三維構象。四級結構：如果蛋白質由多個亞基構成（如血紅蛋白），各個亞基通過各種穩(wěn)定因素維系在一起。

第30頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三DNA也有一級結構、二級結構和三級結構。DNA的一級結構

DNA是由成千上萬個脫氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脫氧核糖核酸。它的一級結構是它的構件的組成及排列順序，即堿基序列。堿基的特定序列攜帶著遺傳信息。DNA的二級結構DNA的三級結構

DNA的三級結構是指雙螺旋的進一步扭曲形成的超螺旋，即螺旋的螺旋。

盤繞過多時形成正超螺旋，不足時為負超螺旋。第31頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三RNA有一級結構、二級結構和三級結構。

RNA通常是一條單鏈分子，它的一級結構即是其核苷酸序列。但RNA能通過自身回折形成局部堿基配對的雙螺旋區(qū)，這是RNA的二級結構。在二級結構的基礎上再折疊就形成三級結構。5sRNA的二級結構第32頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.4生物分子的螺旋結構

雖然人類設計建筑與馬路時均偏好于筆直的線條，但大自然的選擇對此并不贊同，而更傾向于螺旋狀的卷曲結構。小到決定生命形態(tài)的DNA結構，乃至關乎我們后天性狀美丑的蛋白質結構及我們賴以生存的食物的主要組分淀粉，無一例外是螺旋結構。第33頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.5生物膜的組裝

細胞及細胞器表面覆蓋著一層極薄的膜，統(tǒng)稱生物膜。生物膜主要由脂類和蛋白質組成，脂類約占40％，蛋白質占60％。真核細胞的生物膜約占細胞干重的70%—80%，最多的是內質網膜。

1972年提出的流動鑲嵌模型(fluidmosaicmodel)受到廣泛的支持。其要點為：（1）膜磷脂排列成雙分子層，構成膜的基質。（2）多種蛋白質包埋于基質中，稱為膜蛋白。第34頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三生物膜具有及其重要的生物功能：（1）它具有保護層的作用，是細胞表面的屏障；（2）它是細胞內外環(huán)境進行物質交換的通道；能量轉換和信息傳遞也都要通過膜進行。（3）許多酶系與膜相結合，一系列生化反應在膜上進行。

第35頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3.6復雜大分子的自我裝配舉例現(xiàn)代分子生物學發(fā)展中具有重要意義的成就之一就是認識到生物大分子是生物一切生命活動的分子基礎。生物的生長、發(fā)育和繁殖從根本上來說也就是各種生物大分子的依次合成、組裝和擴增過程。遺傳物質（核酸）能夠自我復制并控制蛋白質的合成，由蛋白質再合成其他生物分子。生物大分子自我組裝成生物不同層次的結構和組織。遺傳信息的表達可在不同水平上進行自我調節(jié)。由此呈現(xiàn)出生物的各種不同功能。第36頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

煙草花葉病毒是核酸與衣殼蛋白相互識別，由衣殼亞單位按一定方式圍繞RNA聚集而成，不借助酶，也無需能量再生體系。煙草花葉病毒（TMV）呈直桿狀，長300nm，寬18nm，中空內徑4nm，由158個氨基酸組成一個皮鞋狀的衣殼粒，總共有2130個衣殼粒，排列成130圈螺旋，TMV的核酸核心是單鏈的RNA，含有6395個核苷酸，每3個核苷酸與一個衣殼粒相結合，盤繞于蛋白質的中空內徑中。第37頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.4生物大分子的相互作用2.4.1核酸與蛋白質的相互作用（1）DNA、組蛋白結合形成染色質。（2）蛋白質和DNA相互作用參與基因的表達調控。調節(jié)蛋白與DNA結合打開或關閉特定基因的活性。

（3）蛋白質對DNA的位點特異性切割。限制性內切核酸酶能識別四核苷酸或六核苷酸序列，并在相鄰的核苷酸之間打斷磷酸二酯鍵。第38頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.4.2蛋白質與蛋白質的相互作用生物體內一種蛋白質分子與另一種蛋白質分子結合的例子很多。例如：血紅蛋白，RNA聚合酶，DNA聚合酶。蛋白質多亞基形式的優(yōu)點是:1）亞基對DNA的利用來說是一種經濟的方法；

2）可以減少蛋白質合成過程中隨機的錯誤對蛋白質活性的影響；

3）活性能夠非常有效和迅速地被打開和被關閉。

血紅蛋白四級結構

細菌的RNA聚合酶DNA聚合酶-Ⅲ（DNApol-Ⅲ）第39頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.4.3糖與蛋白質的相互作用1.糖蛋白糖蛋白是以蛋白質為主體的糖－蛋白質復合物，在肽鏈的特定殘基上共價結合著一個、幾個或十幾個寡糖鏈。寡糖鏈一般由2－15個單糖構成。寡糖鏈與肽鏈的連接方式有兩種：一種是它的還原末端以O-糖苷鍵與肽鏈的絲氨酸或蘇氨酸殘基的側鏈羥基結合；

另一種是以N-糖苷鍵與側鏈的天冬酰胺殘基的側鏈氨基結合。

N-乙酰半乳糖胺第40頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

糖蛋白在體內分布十分廣泛，許多酶、激素、運輸?shù)鞍?、結構蛋白都是糖蛋白。糖蛋白的生物學功能：

（1）糖蛋白攜帶某些蛋白質代謝去向的信息。糖蛋白寡糖鏈末端的唾液酸殘基，決定著某種蛋白質是否在血流中存在或被肝臟除去的信息。

（2）寡糖鏈在細胞識別、信號傳遞中起關鍵作用。淋巴細胞正常情況應歸巢到脾臟，而切去唾液酸后，結果競歸巢到了肝臟。在原核中表達的真核基因，無法糖基化。第41頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.蛋白聚糖（proteoglycan，PG）

蛋白聚糖是以糖胺聚糖為主體的糖蛋白質復合物。

存在于人和動物的皮膚、軟骨、肌腱、臍帶、角膜等部位的各種結締組織中。蛋白聚糖以蛋白質為核心，以糖胺聚糖鏈為主體，在同一條核心蛋白肽鏈上，密集地結合著幾十條至千百條糖胺聚糖糖鏈，形成瓶刷狀分子。每條糖胺聚糖鏈由100到200個單糖分子構成，具有二糖重復序列，一般無分支。第42頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三蛋白聚糖的性質多接近于多糖，有三種不同類型的糖肽鍵：