分子生物学第二章细胞内生物分子相互作用概述(精)
第一章 绪论3分子生物学课件
1.3 分子生物学与生物化学之间的关系
分子生物学发展的三大支撑学科： 1、细胞学：研究细胞的结构与功能。细胞的化学组
成，细胞器的结构，细胞骨架，生物大分子在细胞中
的定位及功能。 2、遗传学：研究基因的遗传与变异。基因结构，基 因复制，基因表达，基因重组，基因突变。 3、生物化学：研究活性物质代谢规律。
第一个细菌基因的克隆，开创了基因工程新纪元，标志
着人类认识生命本质并能主动改造生命的新时期开始，
1980年。
5. 1975年，Kohler和Milstein巧妙地创立了
淋巴细胞杂交瘤技术，获得了珍贵的单克隆抗体；
1984年。
6. 1975-1977年，Sanger和Gilbert发明了 DNA序列测定技术；1977年第一个全长5387个核苷 酸的Φ X174基因组序列由Sanger测定完成；1980年， 1958年。
划，2003年4月14日美、英、日、法、德和中国科学家经
过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图）。
3. PCR技术的建立（1983年，Mullis，PCR被喻 为加速分子生物学发展进程的一项“简单而晚熟”的 技术，1993年）。 4. 单克隆抗体及基因工程抗体的发展和应用 （生物制品生产，如酶、细胞因子、干扰素、生长激 素、胰岛素等，疾病的诊断、治疗和研究）。 5. 基因表达调控机理（反义RNA技术、RNAi干扰、 基因芯片）。 6. 细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域（G 蛋白、细胞凋亡、细胞癌变、细胞分化）。 7. 基因组学、蛋白质组学、生物信息学成为新 的前沿领域。
分子结构生物学 分子发育生物学 分子细胞生物学 分子免疫学 分子遗传学 分子数量遗传学
分子神经生物学
分子育种学 分子肿瘤学
《细胞分子生物学》PPT课件
信号转导途径
信号转导途径的组成
信号转导途径通常由受体、信号转导分子和效应分子三个部分组 成。
常见的信号转导途径
包括MAPK途径、PI3K/Akt途径、JAK/STAT途径等。
信号转导途径的特点
各种信号转导途径具有不同的特点，如选择性、级联反应、可调节 性等。
信号转导与疾病
1 2
信号转导与肿瘤
许多肿瘤的发生和发展与信号转导异常有关，如 EGFR、K-Ras等基因突变引起的信号转导异常。
细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受外界信号 刺激，进而将信息传递至细胞内，引起细胞功能改变的过 程。
信号转导的分类
根据信号分子的性质，信号转导可分为亲缘性信号转导和 远缘性信号转导。
信号转导的生物学意义
信号转导是细胞Leabharlann 应环境变化，维持正常生理功能的重要 方式，对细胞的生长、发育、代谢和分化等过程具有重要 调控作用。
细胞衰老是指细胞在生 理和生化方面发生一系 列改变，导致其功能逐 渐衰退的过程。
细胞衰老的特征
细胞衰老时，细胞周期 停滞，细胞体积减小， 细胞器减少，细胞内色 素沉积，细胞膜通透性 改变等。
细胞衰老的机制
细胞衰老涉及多种机制 ，包括基因组不稳定、 端粒缩短、表观遗传改 变、线粒体功能障碍等 。
细胞凋亡
细胞器的相互关系
各种细胞器在结构上相互连接，功能 上相互配合，共同完成细胞的各项生 理功能。同时，它们之间也存在动态 的联系和互动，如物质的合成、加工 、运输和降解等过程都需要各种细胞 器的协同作用。
03
基因与蛋白质
基因结构与功能
01
02
03
基因组成
基因由DNA组成，具有编 码遗传信息的特性。
相互作用位点-概述说明以及解释
相互作用位点-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容：相互作用位点是指在分子或化合物之间发生作用的特定位置。
在生物学和化学领域中，相互作用位点对于研究分子间相互作用的本质和机制非常重要。
它们在药物设计、蛋白质功能研究以及化学反应过程中发挥着关键的作用。
相互作用位点的特征和功能多种多样。
在蛋白质领域，相互作用位点通常指的是蛋白质分子与其他蛋白质、小分子或DNA/RNA等分子之间发生作用的位置。
这些相互作用位点可以通过特定的疏水性、电荷分布、氢键等特征来识别。
通过研究这些位点的结构和性质，可以揭示蛋白质的功能和相互作用机制，进一步探究疾病发生的原因，并设计针对性的药物。
在化学领域，相互作用位点同样扮演着至关重要的角色。
化学反应的进行往往依赖于分子之间的相互作用。
通过研究相互作用位点的电子云分布、键长等性质，可以预测化学反应的进行性和产物的生成。
同时，通过改变相互作用位点的性质，还可以实现对化学反应的控制和优化。
相互作用位点的研究方法也非常多样。
从实验角度来看，X射线晶体学、核磁共振等技术可以用于揭示分子间的相互作用位点。
而计算化学方法则能够通过模拟和计算来预测和分析相互作用位点的性质及其对反应的影响。
这些方法的综合应用使得我们对相互作用位点有了更加全面和深入的认识。
综上所述，相互作用位点在生物学和化学领域中具有重要的意义。
通过揭示相互作用位点的结构、性质和功能，我们可以深入理解分子之间的相互作用机制，并在药物设计、蛋白质工程和化学反应优化等方面进行有针对性的研究和应用。
未来，随着研究方法的不断发展和完善，相互作用位点的研究将进一步推动科学的进步和应用的发展。
1.2文章结构文章结构部分的内容：在本文中，我们将按照下列结构展开讨论关于相互作用位点的主题。
这样的结构能够帮助读者更好地理解和组织文章的内容。
首先，我们将在引言部分提供一个概述，介绍相互作用位点的基本概念和重要性。
通过这一概述，读者将了解到我们为何要探索相互作用位点的研究，并对其意义有一个初步的认识。
分子生物学第二章DNA结构与功能
Alu家族： Alu家族是哺乳动物包括人基因组中含量最丰富的一种中度重复顺序家族，在单倍体人基因组中重复达30万-50万次，约占人基因组的3-6％。 Alu家族每个成员的长度约300bp，由于每个单位长度中有一个限制性内切酶Alu的切点（AG↓CT）从而将其切成长130和170bp的两段，因而定名为Alu序列（或Alu家族）。
定义：
核心颗粒
核小体的结构
Histone octamer (组蛋白八聚体)
Top view Side view Nucleosome core
Nucleosome core
Chromatosome
146 bp, 1.8 superhelical turn
166 bp, 2 superhelical turn
原核生物(prokaryote)
（三）染色体的结构和组成
组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4 非组蛋白 } DNA 蛋白质 真核生物染色体的组成
1、组蛋白(histone)
真核生物染色体的基本结构蛋白 富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸 碱性蛋白质 可以和酸性的DNA紧密结合（非特异性结合）；
28S、5.8S及18S rRNA基因： 非洲爪蛙的18S、5.8S及28S rRNA基因是连在一起的，它们中间隔着不转录的间隔区，这些18S、5.8S及28S rRNA基因及间隔区组成的单位在DNA链上串联重复许多次。 不转录的间隔区是由21-100个碱基对组成的类似卫星DNA的串联重复序列。 中度重复序列往往分散在不重复序列之间。
真核细胞DNA序列大致可被分为3类：
不重复序列/单一序列
1
中度重复序列
2
高度重复序列
3
不重复序列/单一序列 在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40％-80％，不重复序列长约750-2000bp，相当于一个结构基因的长度。 真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等 功能：编码蛋白质。
分子生物学基础知识(两篇)2024
引言概述：分子生物学是一个关于生物体内分子结构、功能和相互作用的研究领域。
它涵盖了遗传物质DNA与RNA的复制、转录和翻译过程，以及蛋白质的合成、修饰和功能调控等方面。
在本文中，我们将继续探讨分子生物学的基础知识，为读者提供更深入的了解。
正文内容：一、DNA复制1.DNA复制的意义和基本原理2.DNA双螺旋结构的解开3.DNA复制酶的作用和分类4.模板链与新合成链的配对规则5.DNA复制的错误修复机制二、转录和RNA合成1.转录的基本概念和意义2.RNA聚合酶的作用和机制3.RNA合成的调控方式4.剪接和RNA后修饰5.转录的异质性和后转录调控三、翻译和蛋白质合成1.翻译的基本原理和意义2.tRNA的结构和功能3.翻译的起始、延伸和终止机制4.翻译后修饰和蛋白质的折叠5.翻译的调控途径和功能多样性四、蛋白质的修饰和功能调控1.蛋白质修饰的类型和作用2.磷酸化和酶的调控3.乙酰化和转录因子的激活4.泛素化和蛋白降解的调控5.蛋白质的定位和分子交互作用五、分子生物学技术1.聚合酶链式反应（PCR）和其应用2.荧光标记和共定位技术3.基因克隆和基因工程的原理4.单细胞测序和组学研究方法5.CRISPRCas9基因编辑技术和应用总结：分子生物学是现代生命科学领域中至关重要的一个分支，它研究了生物体内分子水平上的各种基本过程和调控机制。
本文逐一介绍了DNA复制、转录和RNA合成、翻译和蛋白质合成、蛋白质的修饰和功能调控以及分子生物学技术等方面的基础知识。
通过深入了解这些内容，读者将能更好地理解生物体的基本生命过程，并为进一步的研究和应用奠定扎实的基础。
引言概述：分子生物学是研究生物体内的分子结构、生物的化学组成、分子间相互作用以及分子在生物体内的功能和调控的学科。
对分子生物学基础知识的理解是理解生物学的基础，它涵盖了DNA的结构和功能、RNA的生物合成、基因表达调控、蛋白质合成等重要内容。
在本文中，我们将深入探讨分子生物学的基础知识。
分子与细胞生物学
分子与细胞生物学细胞是生命的基本单位，而细胞内的分子是构成细胞的最基本的组成部分。
分子与细胞生物学是研究分子与细胞之间相互关系的学科，它在揭示生命的本质和功能中起着重要的作用。
一、分子与细胞的相互关系细胞是由分子构成的，分子在细胞内发挥着重要的功能。
例如，DNA是一种重要的分子，它携带了生物体遗传信息的基本单位。
在细胞中，DNA通过转录和翻译过程转化为蛋白质，从而实现基因的表达。
蛋白质是细胞功能的重要组成部分，它们参与细胞的结构、代谢、信号传导等多种生物学过程。
二、分子与细胞的相互作用分子间的相互作用是细胞内很重要的过程。
例如，蛋白质与其他分子之间的相互作用决定了细胞内的信号传导和代谢调控。
此外，细胞膜上的受体蛋白质与外界信号分子的结合也是细胞与环境相互作用的关键环节。
三、分子生物学的研究方法分子生物学是研究生物分子结构、功能和相互关系的学科。
它包括了一系列的实验和分析技术。
例如，PCR技术可以快速扩增DNA序列，从而方便了基因的检测和研究；基因测序技术可以高通量地获取DNA序列信息，帮助挖掘基因的功能和调控机制；蛋白质质谱技术可以鉴定蛋白质的组成和修饰等。
四、细胞生物学的研究方法细胞生物学是研究细胞结构、功能和生命活动的学科。
细胞生物学通过显微镜技术观察和分析细胞的形态和结构；细胞培养技术可以在体外研究细胞生长和分裂等过程；基因编辑技术可以在细胞中精确改变基因序列，研究基因的功能和调控机制。
五、分子与细胞生物学的应用分子与细胞生物学的研究对许多领域有着广泛的应用。
例如，在医学领域，研究细胞和分子的功能和异常变化有助于理解疾病的发生机制，并为疾病的诊断和治疗提供新的思路；在农业领域，通过研究植物细胞和分子，可以改良农作物、提高产量和抗病能力；在生物工程领域，利用基因编辑和基因转导等技术，可以对细胞和分子进行精确的调控，开发出更多用于生产和疾病治疗的新药和新材料。
结论：分子与细胞生物学作为生命科学的重要分支，对揭示生命的本质和功能具有重要意义。
分子生物学概述
分子生物学概述概念：分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象，是当前生命科学中发展最快并正在与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。
分子生物学的发展为人类认识生命现象带来了前所未有的机会，也为人类利用和改造生物创造了极为广阔的前景所谓在分子水平上研究生命的本质主要是指对遗传、生殖、生长和发育等生命基本特征的分子机理的阐明，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。
这里的分子水平指的是那些携带遗传信息的核酸和在遗传信息传递及细胞内、细胞间通讯过程中发挥着重要作用的蛋白质等生物大分子。
这些生物大分子均具有较大的分子量，由简单的小分子核苷酸或氨基酸排列组合以蕴藏各种信息，并且具有复杂的空间结构以形成精确的相互作用系统，由此构成生物的多样化和生物个体精确的生长发育和代谢调节控制系统。
阐明这些复杂的结构及结构与功能的关系是分子生物学的主要任务。
发展历史：一、准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。
在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破：确定了蛋白质是生命的主要基础物质19世纪末Buchner兄弟证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，第一次提出酶（enzyme）的名称，酶是生物催化剂。
20世纪20-40年代提纯和结晶了一些酶（包括尿素酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、黄酶、细胞色素C、肌动蛋白等），证明酶的本质是蛋白质。
随后陆续发现生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。
在此期间对蛋白质结构的认识也有较大的进步。
1902年EmilFisher证明蛋白质结构是多肽；40年代末，Sanger创立二硝基氟苯（DNFB）法、Edman发展异硫氰酸苯酯法分析肽链N端氨基酸；1953年Sanger 和Thompson完成了第一个多肽分子--胰岛素A链和B链的氨基全序列分析。
分子生物学(共19张PPT)
04
蛋白质的结构与功能
蛋白质的分子组成与结构
氨基酸通过肽键连 接形成多肽链，即 蛋白质的一级结构 。
多条多肽链组合在 一起，形成蛋白质 的三级结构。
蛋白质的基本组成 单位是氨基酸，共 有20种常见氨基酸 。
多肽链经过盘绕、 折叠形成二级结构 ，主要形式包括α螺旋和β-折叠等。
在特定条件下，蛋 白质可形成四级结 构，由多个亚基组 成。
发展历程
从20世纪50年代DNA双螺旋结构 的发现开始，分子生物学经历了 飞速的发展，成为现代生命科学 中最为活跃和前沿的领域之一。
分子生物学的研究对象与任务
研究对象
主要包括DNA、RNA、蛋白质Байду номын сангаас生 物大分子，以及它们之间的相互作用 和调控机制。
研究任务
揭示生物大分子的结构、功能及其相 互作用机制；阐明基因表达调控的分 子机制；探索生物大分子在生命过程 中的作用和意义。
转录因子
01
真核生物中存在大量转录因子，它们与DNA特定序列结合，激
活或抑制基因转录。
表观遗传学调控
02
通过DNA甲基化、组蛋白修饰等方式，改变染色质结构，影响
基因表达。
microRNA调控
03
microRNA是一类小分子RNA，通过与mRNA结合，抑制其翻
译或促进其降解，从而调节基因表达。
基因表达调控的分子机制
发育生物学研究生物体的发育过程，而分子 生物学则揭示了发育过程中基因表达和调控 的分子机制。
02
DNA的结构与功能
DNA的分子组成与结构
DNA的基本组成单位
脱氧核糖核苷酸，由磷酸、脱氧核糖 和碱基组成。
DNA的碱基
DNA的双螺旋结构
分子生物学 细胞内生物分子相互作用概述
• 功能相似分子的组装 • 同类生物分子的组装 • 异类生物分子的组装
生物大分子的结构层次
• 构型(configuration )是一个分子中各原 子都具有的各自固定的空间排列，使分 子能以立体化学的形式区分开。
核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子
• DNA是生物体中原初的遗传物质．DNA通过 自我复制把遗传信息传给子代，然后经转录 使特定基因的遗传信息转换成相应的mRNA ， 后者以一定的顺序将氨基酸连接成特定的多 肽，多肽在分子伴侣的协助下折叠成具有生 物活性的蛋白质．蛋白质是遗传信息表达的 最终产物，而核酸和蛋白质合成则是生物体 在其生命活动中遗传信息流动的主要途径， 它存在于生命的全过程。因此，实现信息流 动的基础是核酸与蛋白质的高聚合物特性。
HTH
• HTH基元：最初发现于λ噬菌体的阻遏蛋 白中，现发现在很多原核及真核DNA结 合蛋白中存在。由两个较短的α螺旋与其 间含Gly残基的绞链组成。如大肠杆菌的 CAP蛋白含一HTH结构域，HTH通过 DNA双螺旋大沟识别、结合反向重复序 列TGTG/CACA。
• 蛋白质的基元（motif）与结构域 由α螺旋和β片层参与的特定组合称为基元或模体。 常见模体有：
• 2、序列特异结合的结构基元：螺旋-转角-螺 旋（helix-turn-helix HTH），锌指结构（zinc finger motif）
蛋白质-蛋白质的相互作用 （protein-protein interaction）
• 蛋白质通过分子之间的相互作用实现其 特异的生物学功能。如蛋白质酶的催化 作用需要酶与特异作用物之间的相互识 别、结合成中间复合物；抗体参与的防 御功能需要抗体与抗原之间的特异识别 与结合。
细胞的分子生物学
细胞的分子生物学细胞是生命的基本单位，它包含了许多分子和化学物质，通过这些分子的相互作用和调控，维持了细胞的正常功能。
细胞的分子生物学研究的是细胞内分子的组成、结构和功能，以及它们之间的相互作用和调控机制。
细胞的分子生物学主要研究的对象包括DNA、RNA、蛋白质等分子。
DNA是细胞中的遗传物质，它携带着细胞的遗传信息。
RNA 是DNA的转录产物，它在细胞内起着传递遗传信息和参与蛋白质合成的重要作用。
蛋白质是细胞的重要组成部分，它们具有各种功能，包括催化化学反应、传递信号、构建细胞结构等。
DNA的结构是由两条互补的链组成的，这两条链通过碱基配对相互连接。
DNA的碱基包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
RNA的结构与DNA类似，但它只有一条链，胸腺嘧啶（T）被尿嘧啶（U）取代。
蛋白质的结构非常复杂，它由一条或多条多肽链组成，多肽链上的氨基酸通过肽键连接。
DNA的复制是细胞分裂过程中的重要步骤。
在DNA复制过程中，DNA的两条链被解开，然后通过DNA聚合酶酶的作用，合成两个新的DNA分子。
这样，细胞在分裂时可以将遗传信息传递给下一代细胞。
RNA的合成过程称为转录，它是通过RNA聚合酶酶的作用，将DNA的信息转录成RNA分子。
转录是基因表达的重要步骤，它决定了细胞合成哪些蛋白质。
蛋白质的合成是细胞中的重要过程。
蛋白质的合成是通过翻译过程完成的，它是将RNA的信息翻译成蛋白质的过程。
在翻译过程中，mRNA被核糖体识别，然后通过tRNA将氨基酸带到核糖体上，最终形成蛋白质。
蛋白质的合成过程是高度调控的，包括转录调控、转运调控、翻译调控等。
细胞的分子生物学研究不仅仅关注单个分子的结构和功能，还关注它们之间的相互作用和调控机制。
细胞内的分子之间相互作用的方式非常多样，包括物理相互作用、化学反应、信号传递等。
这些相互作用和调控机制使得细胞能够完成各种生物学过程，如细胞分裂、细胞信号传导、细胞运动等。
第二章生物大分子及其相互作用详解演示文稿
三、生物大分子的高聚物特性 • 核酸（DNA和RNA） • 蛋白质 • 多糖 • 脂质
第二十三页，共147页。
核 酸（Nucleic Acid）
核酸（DNA和RNA） 核酸分子的骨架是由核苷酸以[3’，5’]-磷酸二酯键连接成的
多核苷酸链。DNA和RNA的区别在于前者是4种脱氧核糖核苷 酸，后者为4种核糖核苷酸，不同的脱氧核苷酸或核苷酸的区别 在于其碱基的不同。
• 类脂的生理功能： 1)是生物膜的组成成分； 2)协助脂类和脂溶性维生素的吸收； 3）胆固醇是机体合成维生素D3、胆汁酸及 各种类固醇激素的重要原料。
第十七页，共147页。
(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。
第十八页，共147页。
二、生物活性分子的化学本质
(2).纤维素
• 由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，不溶 于水。
(3).几丁质（壳多糖） • N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成
的线性均一多糖。 (4).杂多糖 • 糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等）
• 透明质酸
• 硫酸软骨素 • 硫酸皮肤素 • 硫酸角质素
• 肝素
第三十二页，共147页。
涌现，如：
DNA重组技术
酶逐步降解技术 基因自动合成和测序技术 X线晶体学分析技术
计算机技术 以及不同技术组合，使获得清晰度的结构图象，了解生物过程 中蛋白质构象的动态变化，以及对生物大分子结构进行贮存，比 较和结构——功能预测成为可能。
第八页，共147页。
分子生物学课件(共51张PPT)
蛋白质局部主链的空间结构， 包括α-螺旋、β-折叠等。
三级结构
整条肽链中全部氨基酸残基的 相对空间位置Байду номын сангаас即整条肽链每 一原子的相对空间位置。
四级结构
由两条或两条以上的多肽链组 成的一类结构，每一条多肽链
都有完整的三级结构。
蛋白质的功能与分类
结构蛋白：作为细胞的结构，如膜蛋白，染色体蛋白等 。 酶：催化生物体内的化学反应。
分子生物学是生物学的重要分支
01
分子生物学以生物大分子为研究对象，揭示生命现象的分子基
础，是生物学的重要分支之一。
分子生物学推动生物学的发展
02
分子生物学的发展推动了生物学的研究从细胞水平向分子水平
深入，为生物学的发展提供了新的理论和技术支持。
分子生物学与其他学科的交叉融合
03
分子生物学与遗传学、生物化学、微生物学、免疫学等学科存
。
表观遗传学调控
通过改变染色质结构和DNA 甲基化等方式来调控基因表达
。
05
蛋白质的结构与功能
蛋白质的分子组成
氨基酸
蛋白质的基本组成单元，共有20 种标准氨基酸。
肽键
连接氨基酸之间的主要化学键。
辅基与辅酶
某些蛋白质还包含辅基或辅酶， 以辅助其功能的发挥。
蛋白质的结构层次
一级结构
指蛋白质中氨基酸的排列顺序 。
重组DNA分子的构建和 筛选
PCR技术及其应用
01
02
PCR技术的基本原理和步骤
引物的设计和选择
03
04
PCR反应体系和条件优化
PCR技术在DNA扩增、突变 分析、基因分型等领域的应用
基因克隆与基因工程
第2章细胞内生物分子相互作用概述2精品PPT课件
2.3.1 生物大分子的共价结构
核酸链中的磷酸二酯键（0.159～0.162 nm） 比P=O双键的键长（0.146 nm)长,但远比P—O单键 的键长（0.172 nm)短。
5´ 3´
OH
5´
3´ OH
OH
结构式
多肽链中的肽键（0.132 nm) 比C=N键 （0.125 nm)长，而又比正常的C—N键（0.144 nm)短。
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(hydrogen bond) 氢原子与一个电负性较大而半径较小的原子如N、
2.同类生物分子的组装：两个α亚基和两个β亚基 结合形成血红蛋白；α微管蛋白和β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：① 形成复合物的生物分子具有相 应的专一性表面结构；② ΔG 有利于复合物的形成。
② 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。
③ 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： ① DNA与蛋白质之间（染色体、染色质、病毒）; ② 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）; ③ 蛋白质与蛋白质之间（两个α亚基和两个β 亚基结合形成血红蛋白；α微管蛋白和β微管蛋白先 形成二聚体，然后再组装成微管。 ）。
生物分子之间的相互作用与功能
生物分子之间的相互作用与功能生物是由分子构成的，而生物分子之间的相互作用与功能是生命存在和运转的基础。
生物分子具有复杂的结构和多种功能，包括储存、传递、转化和调控信息等。
在生物体内，许多分子之间通过相互作用实现了协同作用，从而完成了生物体的各种生命过程。
生物分子的相互作用生物分子之间的相互作用是生命过程中最基本的一环。
分子之间的相互作用有很多种，包括共价键、离子键、氢键、范德华力等。
这些相互作用在分子的三维结构和功能上起到了重要的影响。
其中，共价键是指通过相互共享电子使原子之间形成化学键的一种键。
共价键可以是单键、双键或三键等，不同类型的共价键有不同的键长和键能。
共价键在生物体内的重要作用是连接分子中的碳、氢、氧和氮等原子，从而形成生命体中的各种生物大分子，如蛋白质、核酸和多糖等。
离子键是指通过离子化的原子之间发生的相互作用。
离子键的特点是键能很大，而键长很短。
离子键在生物体内的重要作用是维持蛋白质和核酸等分子的稳定性和功能。
氢键是指通过氢原子与弱电负性的原子（如氮、氧等）之间的相互作用。
氢键的特点是键能较小，但作用距离较近。
氢键在生物体内的重要作用是维持蛋白质的二级、三级结构和核酸的双螺旋结构。
范德华力是各种非共价键的总和，它是由于分子内部的电荷分布和相互引力作用产生的。
范德华力的作用是使生物分子的相互作用更加非特异性，同时也是保护蛋白质和核酸等分子的关键之一。
生物分子的功能生物分子的功能和它们的结构密切相关。
不同的生物分子具有不同的功能，如储存、传递、转化和调控信息等。
以下是一些生物分子及其主要功能的介绍：蛋白质：蛋白质是由氨基酸（共有20种）连接而成的分子，它们构成了生物体内的大部分物质。
蛋白质的作用非常广泛，包括酶、调节、结构和运动等方面。
例如，酶能够催化生物反应，调节蛋白质可以调节生物体的代谢和细胞活动，结构蛋白质能够构建细胞骨架和保护细胞内部的器官，而肌肉蛋白质则用于肌肉收缩。
核酸：核酸是由核苷酸连接而成的分子，分为DNA和RNA两种。
分子生物学研究解析生物分子的功能与相互作用
分子生物学研究解析生物分子的功能与相互作用分子生物学是研究生物体内分子结构、功能和相互作用的科学领域。
通过深入探索生物分子的组成、结构和功能，我们可以揭示生命现象背后的奥秘，并为解决生物学、医学等领域的问题提供理论和实践依据。
本文将从分子生物学的角度，讨论生物分子的功能与相互作用的研究方法和应用。
1. 生物分子的组成及其功能解析生物分子包括核酸、蛋白质和多糖等。
其中，核酸是DNA和RNA的载体，蛋白质是生物体内主要的功能分子，而多糖则参与细胞外基质的构建与维持。
从生物分子组成的角度出发，我们可以利用一系列分析技术，如核酸测序、质谱和光谱等，揭示分子的序列、结构和化学性质。
这些信息为我们进一步理解生物分子的功能提供基础。
2. 蛋白质的结构与功能研究蛋白质是生物体内多功能的分子机器，其结构与功能密切相关。
通过X射线晶体学、核磁共振等结构生物学技术，我们可以解析蛋白质的三维结构，揭示其与功能相关的活性位点和结构域。
另外，通过基因工程技术的发展，我们也可以合成和表达特定的蛋白质，研究其功能和作用机制。
蛋白质的功能研究可以帮助我们理解细胞信号传导、酶催化和蛋白质相互作用等重要生物过程。
3. DNA与RNA的功能解析DNA和RNA是生物分子中的核酸，它们携带和传递遗传信息，参与蛋白质的合成和调控。
通过基因测序、DNA芯片和转录组学等技术，我们可以解析基因组的组成和表达模式，探究DNA和RNA在基因调控和表达调控中的作用。
同时，RNA干扰技术和CRISPR-Cas9系统的发展也为研究DNA和RNA的功能提供了新的手段和途径。
4. 生物分子的相互作用研究生物分子之间的相互作用对于生物体内的调控和功能实现至关重要。
蛋白质之间的相互作用可以通过酵母双杂交、蛋白质芯片和质谱等技术进行探索。
此外，核酸-蛋白质、蛋白质-蛋白质以及蛋白质-小分子化合物等生物分子间的相互作用也是研究的热点。
研究这些相互作用可以为药物研发、疾病治疗等提供重要的参考。
Part1-3 分子生物物理-生物分子的相互作用
图
能层n 符号 能级 轨道数 最多容 纳的电 子数
一 K s 1 2 2 s 1 2
二 L p 3 6 8 s 1 2
三 M p 3 d 5 s 1 2 p 3 6
四 N d 5 f 7
6 10 18
10 14 32 2n2
能层、能级、原子轨道
原子轨道电子云密度的几何图形
σ键（sigma bond）
当热运动时各种分子被带到一起，那些表面 形态相匹配的分子正确地靠拢。促使大分子 形成发生特异相互反应的一些非共价键包括 氢键和范德华力。
分子内与分子间相互作用的意义：
维持大分子的结构
分子间特异的相互作用（识别）
势能与势能曲线
直接测定两个原子或分子之间的力很困难，但在许多情况下 常常可测定相互作用的能量。例如当Na+与Cl-相距无限远时， 可认为相互作用力为0，因此可以任意规定此时体系所具有的 势能为0。而当这两个离子由于引力作用彼此接近到相距为r 时，其势能为： 实际上两个原子核之间还有斥力，由于斥力而产生的势能按 指数规律变化： 因此整个体系势能为E1与E2之和，即：
London推出，两分子间色散相互作用的近似表达 式：
U 3
I1, I2为两个分子的电离能，α1, α2为两个分子的极化率
I 1 I 2 1 2 2 I I r 6 1 2
色散力一般比较弱，但在非极性分子间，这种相互作用占 主导地位。 以下两个效应可以使色散相互作用得到加强：
1. 累加效应：一个分子可以有多个瞬时偶极矩，他们都可 以诱导另一个分子产生一个偶极矩，总的相互作用是一种 累加效应。
静电相互作用
偶极子-偶极矩
各种电相互作用及E与r的关系
电荷-电荷 电荷-偶极子 偶极子-偶极子
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Noncovalent interactions
Hydrogen bonds Van der Waals attractions
Energy
4.2-8.4 4.2-8.4 4.2-8.4
Hydrophobic interactions
2.3生物大分子的自我组装
• 自我组装是组成大分子的结构单位（单 体或亚基）自发形成超分子结构（如核 糖核蛋白体、病毒、膜或多酶系统）的 装配过程。
• 一、 DNA-蛋白质相互作用的化学键 1、露于大沟侧缘的T-CH3基团 是疏水性的，可与疏水氨基酸残基侧链 相互作用。 3、离子键：?
二、DNA-蛋白质相互作用中的序列特异性 • 1、序列特异识别的结合能：依赖两种类型的 相互作用。一是多肽链与DNA大沟暴露的碱 基之间通过氢键和范德华力建立的联系；二是 多肽链中的碱性氨基酸与戊糖-磷酸骨架之间 的电荷联系。 • 2、序列特异结合的结构基元：螺旋-转角-螺 旋（helix-turn-helix HTH），锌指结构（zinc finger motif）
• •
蛋白质结构，从一级结构到四级结构
生物大分子的相互作用
• DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） • 蛋白质-蛋白质的相互作用（protein-protein interaction） • 糖-蛋白质的相互作用 • 脂-蛋白质的相互作用
DNA-蛋白质相互作用（DNAprotein interaction）
蛋白质-蛋白质的相互作用 （protein-protein interaction）
• 蛋白质通过分子之间的相互作用实现其 特异的生物学功能。如蛋白质酶的催化 作用需要酶与特异作用物之间的相互识 别、结合成中间复合物；抗体参与的防 御功能需要抗体与抗原之间的特异识别 与结合。
HTH
• HTH基元：最初发现于λ噬菌体的阻遏蛋 白中，现发现在很多原核及真核DNA结 合蛋白中存在。由两个较短的α螺旋与其 间含Gly残基的绞链组成。如大肠杆菌的 CAP蛋白含一HTH结构域，HTH通过 DNA双螺旋大沟识别、结合反向重复序 列TGTG/CACA。
离子键（ionic bonds）
正、负电荷之间的静电引力
范德瓦尔接触距离
4 种非共价作用力的示意图
Bond strength
Covalent bonds Single bonds H-H (436), C-H (411), C-O (369), C-N (294), C-S (260) Double bonds: C=C (616), C=O (704), O=O (402) Triple bonds CC (805), NN (955) Bond energy (kJ/mol) – Joule/mole
核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子
• DNA是生物体中原初的遗传物质．DNA通过 自我复制把遗传信息传给子代，然后经转录 使特定基因的遗传信息转换成相应的mRNA ， 后者以一定的顺序将氨基酸连接成特定的多 肽，多肽在分子伴侣的协助下折叠成具有生 物活性的蛋白质．蛋白质是遗传信息表达的 最终产物，而核酸和蛋白质合成则是生物体 在其生命活动中遗传信息流动的主要途径， 它存在于生命的全过程。因此，实现信息流 动的基础是核酸与蛋白质的高聚合物特性。
• 功能相似分子的组装 • 同类生物分子的组装 • 异类生物分子的组装
生物大分子的结构层次
• 构型(configuration )是一个分子中各原 子都具有的各自固定的空间排列，使分 子能以立体化学的形式区分开。 • 构象(conformation)指分子的共价结构 不变，在单键时周围原子旋转所产生的 原子空间结构。
Cells and macromolecules
RNA
Protein DNA Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
2.2生物大分子间相互作用的化学力
在生物大分子之间主要存在的非共价的相互作用力包括氢键、离子
键、范德瓦尔力、疏水力。
氢键（hydrogen bonds）
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
• • • • 生物体是由生物大分子等有机物构成的; 生物体能与环境不断地交换物质与能量; 所有生物大分子共同存在于细胞环境中; 生物体能进行自我更新.
蛋白质分子的结构包括一级结构、二级结 构、三级结构和四级结构，核酸分子结构 只具有一级、二级和超螺旋的三级结构。
• 。
• • 一级结构：组成蛋白质多肽链的 线性氨基酸序列。 二级结构：依靠不同氨基酸之间 的C=O和N-H基团间的氢键形成 的稳定结构，主要为α螺旋和β折 叠。 三级结构：通过多个二级结构元 素在三维空间的排列所形成的一 个蛋白质分子的三维结构。 四级结构：用于描述由不同多肽 链（亚基）间相互作用形成具有 功能的蛋白质复合物分子。
生物大分子的化学本质与特性
• 无论是原核生物还是真核生物，对一个生命体 来说，均由蛋白质，核酸，糖类等生物大分子 和一些小分子化合物及无机盐等这些化学成分 组成。 • 生物大分子中的单体既是结构单位，又可作为 许多重要组分的前体．尤其是单糖，脂肪酸及 氨基酸也是沟通机体中间代谢的重要桥梁，它 们沿不同而又相互连接的代谢途径渐次降解， 并汇集到共同产物，如α－酮戊二酸，草酰乙酸， 最终进入呼吸链成为二氧化碳和水，在着一过 程中伴随能量的释放。
由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体， 另一个是氢受体
范德瓦尔力（Van der Waals bonds）
一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力
疏水力（hydrophobic interaction）
非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力