第三章 生物大分子的相互作用(2007)

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。
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α螺旋-环-α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）。
• 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
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。
• 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。
二、DNA局部结构对相互作用的影响 • 牛胰脱氧核糖核酸酶Ⅰ(DNAase Ⅰ)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 Ⅰ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 Ⅰ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 Å变为15 Å)，有利于DNAase Ⅰ的切割。
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：①高效性 ②特异性 ③可调节性
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： ①离子键 ②氢键 ③van der Waals 力 ④疏水键 三、生物大分子的扩散与运动 ①扩散 ②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） 结合速率＝Kon [A][B] A + B
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：①分子伴侣的可逆结 合有利于蛋白质的折叠。②分子伴侣可 纠正肽段的错误折叠。③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。
• α-螺旋类型中还有一类H1,H4,SAP,CRP的一 致性序列：-VRKSLRKG , 在形成核小体结 构时起重要作用。 • 有关蛋白质模序和DNA的结合作用在蛋白质 部分已叙述，
四、DNA-蛋白质相互作用中的序列特异识别 1、序列特异结合的结合能：蛋白质与特异DNA序列的 选择性结合主要依赖两种类型的相互作用提供结合 能。 ①多肽链与碱基对之间的直接接触。 ②多肽链中的碱性氨基酸残基与戊糖-磷酸骨架之间 的电荷联系。 • 序列特异的选择性结合基本原理主要在于第一类结 合，即多肽链与B型DNA大沟暴露的碱基对侧缘之间、 通过氢键和van der Waals力所建立的直接联系。 • 从能量角度分析，序列依赖的DNA弯曲或变形又可 使一个特殊的DNA结合位点被限定在最有利的构象， 这种构象辅助多肽链与碱基对的定向连接。
• α-螺旋类GR(P)型：存在于其它ຫໍສະໝຸດ Baidu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。 • α-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α-螺旋基 元，这种基元含有AKP序列，在这种结构中 赖氨酸残基带正电荷，可与戊糖-磷酸骨架 形成离子键，而丙氨酸和脯氨酸残基则起稳 定作用。AK螺旋典型例子为Pseudomonas的 调节蛋白AlgR3，含有一个170氨基酸残基的 区域，富含APKK重复序列。
2、序列特异结合的结构基元 • 多肽链对特异DNA序列的识别与结合可通过 各种限定结构进行。以现代先进研究技术、 通过对DNA-蛋白质相互作用分析，已鉴定出 多种结合特异DNA序列的蛋白质结构元件： • 真核调节蛋白中的α-螺旋-β-转角- α-螺 旋（HTH)，与DNA的大沟结合，沟内方向可 变，有序列选择性。常见的细菌阻遏蛋白和 激活蛋白常含有这样的结构。
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。
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 α螺旋和β片层，二或三个α螺旋和β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。
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。
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： ①可逆性 ②特异性 ③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。
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β-折叠和 α-螺旋。 • β-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。
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。
• 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。
• 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 α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α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。
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104～106kD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：①分子结构 ②分子 运动及变化 ③分子间的相互作用。
Kon
AB
Koff
平衡时有 Kon [A][B] ＝ Koff [AB] [A] [B] Koff [AB] Kon
解离速率＝Koff [AB]
Keq （平衡常数）
生物系统中简单的结合反应的亲和常数103～1012 L/mol 之间，相应的自 能（又称结合能）在4～17 kcal /mol , 大约可产生4～17个氢键。
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α-环-α、 α-环-β、β-环- α、 β-环- α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。
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。