化学生物学 第五章 相互作用与分子识别

（4）蛋白质与糖链相互作用的专一性
• 人的胃液、唾液、卵巢囊肿的粘液和红细胞中都含有血型物 质，它包含约75％的糖，主要是岩藻糖、半乳糖、氨基葡 萄糖和氨基半乳糖。含糖部分决定血型物质的特异性。
• 在糖蛋白中，糖链结构可以直接影响肽链构象以及由构象决 定的所有功能。糖链相互识别并互补性结合，引起细胞粘附， 动物凝集素对受体蛋白的专一性识别可发生在蛋白质与糖链、 糖链与糖链之间的互相作用，表明糖链标记的识别具有多元 化的特征。
• 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 特定位点结合，引起受体分子构象变化， 进而启动细胞功能变化。
• 细胞或组织对特异配体分子的应答是由它所具有的特异受 体、以及配体结合受体所启动的胞内反应指令，不同类型 细胞所具有的受体不同，对同一配体分子所引起的反应不 同；相同类型的受体也可能出现在不同类型的细胞中，但 同一信号分子在不同类型细胞中以不同方式引起不同的反 应。
• 例如，乙酰胆碱受体(AChR)分布于骨骼肌、心肌和胰腺 泡细胞。当ACh释放时在骨骼肌引起肌收缩，在心脏引起 心率减缓，在胰腺则引起腺体分泌。
• 在某些细胞，不同的受体—配体相互作用可引起相同的细 胞反应。
• 例如，胰高血糖素、肾上腺素与肝细胞相应受体结合均可 引起糖原分解，释放葡萄糖使血糖升高。受体蛋白只能与 特异的信号分子相结合，这就是受体与配体相互作用的特 异性，又称结合特异性。
三、分子识别的特性
1，作用的专一性
• 生物大分子在机体内行使各种各样的功能，参 与了形形色色的反应，它们行使的功能和参与 的反应都具有高度专一性。这种专一性也是药 物分子与生物大分子相互作用并产生某专一性 生物效应的理论基础。
• 不同生物大分子之间相互作用专一性的基本原 理是相同的。
（1）酶与底物作用的专一性
• 一般说，复合物中两分子结合愈强，解离反应 的速率也就愈低。
• 与热运动能量比较，如果形成的化学键总能量 极小、可以忽略不计，那么两分子结合反应速 率与复合物解离反应速率近似相等；
• 如果形成的化学键总能量很高，则极少发生解 离反应。当某种生物学功能需要两分子长期维 持紧密结合状态时，那么细胞内所发生的结合 反应就很强。
• 每一分子从开始位点出发所经历的平均距离与时间 的平方根相当。
• 小分子通过细胞膜扩散至胞内的速度与水中的扩散 速度是一样的。然而大分子移动极慢。这是因为大 分子不仅扩散速率极小，而且时常被很多胞液中存 在有其它大分子频繁碰撞而阻滞。
2，运动
• 细胞内发生化学反应的速率是极快的。 例如，一个典型的酶分子每秒钟可催化 1000次反应，某些酶反应速率可达106。
• 而这种识别在化学及生命过程中是非常重要的，也 是药物分子(底物)与蛋白质、核酸、生物受体等生 物靶分子(受体)相互识别的关键所在。
• 近几年来，关于分子识别机制、分子识别模型的建 立、分子识别与药物分子的选择性关系等的研究已 经成为生物化学和化学领域研究的热门课题。
分子间相互作用模型
第一节、生物分子之间的相互作用
谷氨酸受体与谷氨酸结合过程中的开启和关闭构象
某些转录阻遏蛋白，在与DNA（10个碱基对的 寡核苷酸）结合过程中也会发生构象变化，而且 变化过程极为迅速
阻遏蛋白（even-skipped）与DNA相互作用
过程中的构象变化
• 在所有已发现的蛋白质中，有三分之一以上必须以金 属离子或金属结合部位作为辅因子。
• 生物大分子的高层次结构是靠分子内非共价键来维 系的，这些非共价键使分子中很多基团不能自由转 动；而一些在表面的基团因不参入非共价键的形成， 自由度较大，可处于不停的热运动中。有些非共价 键可因外来分子或周围环境的影响而改变，从而使 生物高分子局部空间构象有所改变。
• 有时构象的改变和生物活性的呈现密切相关。酶反 应的诱导契合学说就是以这种现象为依据，既是酶 在与底物相互作用下，具有柔性和可塑性的酶活性 中心被诱导发生构象变化，因而产生互补性结合。 这种构象的诱导变化是可逆的，可以复原。
• 抗体和免疫球蛋白是同一物质的两个概 念，抗体是生物学功能上的概念，免疫 球蛋白是化学结构上的概念。
• 抗原与相应的抗体相遇可发生特异性结合，呈 现某种反应现象，在体内表现为溶菌、杀菌， 促进吞噬、中和毒素等作用。在体外，可出现 凝集、沉淀、细胞溶解和补体结合等反应。
（3）受体与配体相互作用的特异性
一、分子识别的物理基础
• 生物分子之间的相互作用过程首先是分 子扩散、相互接触，进而通过一定方式 联系在一起，或产生相互影响。
1，扩散
• 两分子在结合之前需靠分子热运动使之彼此靠近。 热运动引起的分子从开始位点“漫步”或移动称为 扩散。
• 由于快速不定的碰撞和反弹，单个分子会不断从一 条路线转变为另一条路线，扩散途径成为连续变换 运动方向的随机“散步”。
2，平衡常数
• 两分子之间结合力大小是生物分子相互作用特异性 高低的指征。如果分子A可特异识别分子B，这种相 互作用(结合反应)达到平衡点时复合物AB的形成速 率与解离速率是相等的，即：
式中Kon为结合速率常数，Koff为解离速率常数。
• 利用两个速率常数可分别计算结合速率和解离速 率 ： 结 合 速 率 ＝ Kon[A][B] ， 解 离 速 率 ＝ Koff[AB]。当反应达到平衡点时结合速率与解离 速率相等，即 Kon[A][B]＝Koff[AB] 所以有：
• 物质之间的相互作用十分复杂，它们有各种各样 的表现形式。
• 无论在生物体内，还是在生物体外，生物分子和 所涉及到的化学物质都存分子运动及变化，包括 生物分子的自身运动及各种物质的分子代谢。
• 生物分子之间、生物大分子与化学物质之间也存 在着各种各样的相互作用。
相互作用的类型
• 相互作用可分为非专一性相互作用和专一 性相互作用两种类型，前者指分子之间普 遍存在的一般相互作用；后者指生物分子 之间以及生物分子及化学物质之间的专一 性识别作用，即分子识别。
诱导契合学说
• 诱导契合学说也可以扩展到化学信号（激素、 药物）与受体的相互作用，抑制剂与酶的相互 作用以及生物大分子之间的相互作用。
葡萄糖与己糖激酶的结合过程存在的诱导契合现象
受体分子与药物结合和解离时，构象发生可逆性 变化。激动剂与受体诱导契合后，使受体构象变 化引起生物活性；而拮抗剂虽也可与受体结合， 但不能诱导同样的构象变化。
极其重要的。 • 分子运动速率可通过各种分光技术测定。球形蛋白
质分子每秒钟绕其轴心大约作106翻滚和旋转。转 移运动所产生的扩散碰撞速率与扩散分子的浓度成 正比。如果两分子在相对方向上发生了碰撞，那么 化学反应就可能在两分子之间迅速进行。
二、分子识别过程的动力学
1，结合与解离
• 通过简单扩散两个大分子，或一个大分子与一个小分子可 发生随机碰撞，形成复合物。所以，这种结合反应导致复 合物形成的速率是受扩散限速的。
• 细胞表面的糖链犹如天线，担负着细胞间的识别、黏附以及 信息传递任务。精卵识别过程中，糖起到了至关重要的作用。
外源凝集素与糖链的相互作用
（5）蛋白质与核酸相互作用的专一
性
• 在真核细胞的许多生物化学过程中，如基因表达与 调控、DNA复制、损伤和修复，蛋白质的生物合 成等都涉及核酸（DNA、RNA）与蛋白质的相互 作用。与蛋白质-蛋白质相互作用一样，DNA-蛋 白质的相互作用的情况极其复杂，方式较多。
• 金属蛋白和金属酶的生物功能包括：:结构支持、双 氧结合、存储和转运金属离子、电子转移、分子识别 和催化、信号转导、基因表达调控等。
• 金属离子通过与内源配体(氨基酸侧链基团)和外源配 体(如水分子、卟啉环、有机小分子等)配位，结合到 蛋白质分子中，形成金属活性部位，从而影响蛋白质 结构和赋予蛋白质功能。
• 组蛋白、DNA聚合酶与DNA识别、结合时对 DNA序列的选择不是很严格，但真核转录调节因 子和限制性内切酶等对DNA序列的识别却具有高 度特异性，它们可以从106109个碱基对的序列中 选择性地结合一些仅为几个至十几个的核苷酸区域。
• 多肽链对特异DNA序列的识别与结合可以通 过限定结构进行。
• 酶的主要特征之一就是其催化作用的专 一性。在这反应过程中，底物浓度、酶 浓度、反应温度、pH值、激活剂与抑制 剂等都是影响酶反应动力学的重要因素。
• 底物与酶的特异性结合是催化反应的开 始，所以结合能直接影响催化反应。
（2）抗原-抗体相互作用的专一性
• 机体的免疫系统接受抗原物质（如多糖、 核酸和蛋白质等）刺激后，由浆细胞合 成和分泌的一类能与抗原发生特异性结 合的球蛋白，被称为抗体。
第五章 相互作用与分子识别
生物体系的小分子调控中，分子识别和相互作用的化学 基础研究是化学生物学的另一个重要的研究方向，主要 是研究小分子与生物大分子之间的相互作用、构效关系 和作用机制，进一步在分子和化学键水平上研究它们在 调控生理过程中的分子识别作用。
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相互作用的普遍存在特性
• 物质处于不断运动变化之中，物质之间的各种相 互作用支配着物质的运动和变化。
式中Keq为平衡常数，又称亲合常数。测定反 应达到平衡点时的A、B和AB浓度即可计算出 平衡常数。结合反应愈强，测得的亲合常数值 愈小。
• 两分子相互作用的反应平衡常数与结合所需要 的标准自由能变化(ΔGo)有关。
• 生物系统中简单的结合反应亲合常数在103～ 1012L ／ mol 之 间 ， 相 对 应 的 结 合 能 在 4 ～ 17kcal／mol，大约可产生4～17个氢键。
• 由于每个反应都要求一个酶分子与一个 作用物分子碰撞，所以分子必须运动十 分迅速才可能达到那样大的反应速率。
分子运动可以分为三类
• ①分子从一位置移动到另一位置，称转移运动； • ②共价连接的原子相对另一原子作快速往复运动，
称为振动； • ③旋转。 • 所有这些运动形式对相互作用分子表面的接近都是
Lac阻遏蛋白-DNA的相互作
用
锌指结构
• 锌指结构是指由至少三个在结构上不同 的、由锌离子稳定的超小结构域组成的 蛋白质基元，锌指结构与DNA大沟结合 时主要涉及三个碱基对，锌指结构之间 的连接区悬于大沟之上，不直接参与与 DNA的结合。
锌指结构与DNA作用
2，分子识别过程中高级结构的变化
• 在不同的生物大分子之间，普遍存在着一种专一 性结合现象。
• 生物大分子之间的这种专一性结合，就是所谓分 子识别。分子识别是通过两种蛋白质分子各自的 结合部位来实现的。要实现分子识别，就必须具 备下列两个条件：
• (1)在两种蛋白质分子的结合部位之间，其结合 部位的微区构象要能够相嵌互补，
• (2)两个结合部位各有化学基团，能使两种蛋白 质分子结合起来。
• 结构生物学家利用多种先进分析技术，通过 DNA-蛋白质相互作用分析，已经坚定出多 种结合特异DNA序列的蛋白质结构元件。
• 其中最常见的是存在于原核、真核调节蛋白 中的HTH（螺旋-转角-螺旋模体），DNA、 RNA结合蛋白中的锌指结构（zine finger）。
• 目前已知的蛋白质识别基元大多数是与DNA 大沟接触。
• 在金属酶中，金属离子和蛋白质是牢固结合在一起， 金属离子可以认为是蛋白质结构的一部分，除非剧烈 的化学作用，金属离子是不易分离的。
• 分子识别是许多重要生理现象的分子基础， 例如抗体与抗原的结合作用，酶与底物的 专一性作用等。
分子识别
• 100年前E．Fisher用“锁匙”学说来描述分子识 别，还只是针对刚性分子，之后Koshland提出的 诱导契合学说则是开始趋向柔性分子的识别，这就 是说不仅有一级结构的识别，而且有二级结构、三 级结构的识别。
• 由于在碰撞过程中一个、有时是两个分子需调整其表面结 构，以使分子反应表面相互契合。在反应表面调整适应前 经常发生两分子彼此反弹，使结合反应不能发生，所以复 合物形成速率可能很低。一旦两分子表面相互契合、并能 充分接近，彼此之间即可形成多个弱化学键、实现双分子 结合反应。
• 随机热运动又可使弱化学键断裂，使复合物解离。在一个 反应体系中，结合反应与解离反应偶联在一起，处于平衡 状态。