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1、AP biology,成都七中嘉祥外国语学校国际高中 牟秋香,基础分子生物学教程,第2章 细胞内生物大分子相互作用概述 Interaction of macromolecules in cells,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第2章 细胞内生物大分子相互作用概述 Interaction of macromolecules in Cells,第一节 分子生物学的基本概念 第二节 分子生物学的研究内容 第三节 分子生物学与生物化学之间的关系 第四节 分子生物学发展历程 第五节 21世纪分子生物学的发展趋势,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
2、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,所有的生物大分子都是由一些基本单元组成的聚合物。如： 核酸单核苷酸； 蛋白质氨基酸； 多糖单糖； 脂脂肪酸； 各种大分子在生命活动过程中都具有特定的功能。,2.1 生物活性物质的本质,细胞中的生物大分子macromolecules in Cells,原核细胞 Prokaryotic cell,真核细胞 Eukaryotic cell,蛋白质,DNA,RNA,其它生物大分子 Other macromolecules unrelated to MB course,多糖Polysaccharides,脂类lipids,Compl
3、ex macromolecules including these molecules,Polysaccharides are polymers of simple sugars covalently linked by glycosidic bonds.,Lipids: individual lipids are not strictly macromolecules, large lipid molecules are built up from small monomeric units and involved in many macromolecule assembly,Trigly
4、cerides (甘油三酯),复合大分子(Complex macromolecules） Covalent or noncovalent associations of more than one major classes of large biomolecules which greatly increases the functionality or structural capabilities of the complex.,Nulceoprotein: nucleic acids + protein,Glycoprotein:,carbohydrate + protein,Lipo
5、protein:,Lipid + protein,生物体是由生物大分子等有机物构成的；这种有机体的构成是有层次，有序的集合。如单细胞生物，多细胞生物。,生物体能与环境不断的交换物质与能量； 生物体要进行自身的新陈代谢代谢活动，物质交换。这种物质交换与环境保持着密不可分的关系。,2.1.1 生物活性物质的属性, 生物大分子存在于细胞环境中； 所有的这些生物大分子占细胞容积的2030。, 生物体能进行自我更新。,2.1.2 生物大分子的化学本质与特征 对于一个生命体来说，都是由生物大分子蛋白质、核酸、糖类、脂类等和一些小分子化合物，无机盐和水构成。 绝大多数蛋白质是核酸序列的编码产物；DNAmRN
6、AProtein 多糖单糖。与蛋白和脂糖蛋白、脂蛋白细胞膜的抗原 脂类脂肪、脂肪酸、磷脂、鞘磷脂、胆固醇细胞膜、类固醇激素。,2.2 生物大分子间相互作用的化学力,生物大分子的基本结构是靠共价键结合的，但是生物学功能的执行是靠生物大分子之间的相互作用来实现的。如：蛋白质与DNA的相互作用；蛋白质与RNA的相互作用；蛋白质与蛋白质的相互作用。 2.2.1生物大分子间相互作用的化学力 1 扩散作用 2 专一性相互作用 结构基序，离子键，氢键，范德华力,1、共价键：成键原子间通过电子对共享形成的。键 能一般在200KJ/mol以上。 磷酸二酯键、肽键、二硫键，SS 2、弱键（非共价键）：小于20KJ
7、/mol。 （1）氢键 （2）盐键（离子键）静电作用力 （3）范德华力（短程力） （4）疏水作用 3、配位键一般在250KJ/mol以上,2.2.2 生物大分子内部相互作用的化学键,概念：供氢体上的氢原子与受氢体原子间的引力。是两个原子共用一个质子形成氢键。,（1）氢键( hydregen bond ),供氢体：羧基、氨基和羟基,受氢体：羧基氧、羧基碳和肽键氧等,能的大小取决于氢键的方向：氢键具有高度 的方向性。,氢键结合力与供氢体和受氢体之间距离的6次 方成反比，键能约20.9kJ/mol。,（2）静电引力（electrostatic forces）（coulombic forces）,概念
8、：两个相互作用基团带有相反电荷的 氨基和羧基基团之间相互的引力。,引力的大小与两个相互作用基团间的距离的平方成反比；平均键能约为20.9kJ/mo1。,（3）二硫键的形成，SH HS SS,抗原和抗体的结合是互补性的特异性结合 不形成牢固的共价键，通过非共价键结合 这种弱的结合力涉及几种分子间的作用力,*1静电引力 *2范德华引力 *3氢键结合力 *4疏水作用力,概念：两个原子或基团距离很短时，由于分子的极化作用而产生的引力。,结合力的大小与两个相互作用基团的极化程 度的乘积成正比、与它们之间距离的7次方 成反比，键能约为4.212.5kJmol。,这种引力的能量小于静电引力。,具有特异性。,
9、（4）短程力 （范德华力 Van der Waals forces）,（5）疏水作用力（疏水键）两个微溶于水的 分子或基团之间的相互作用。,概念：两个疏水基团在水溶液中相互接触 时，由于对水分子排斥而趋向聚集的力。,抗原决定簇与抗体上的结合点靠近，互相间 正、负极性消失，亲水层立即失去。,此力在抗原抗体反应中的结合是很重要的。,提供的作用力最大，约占总结合力的50。,（6）配位键，一些金属离子能与含氮、氧的基团形成一种特殊类型的共价结合，这种结合力称配位键。,2.3 生物大分子的自我组装,蛋白质肽键 核酸 多糖、寡糖1，6糖苷键；1，4糖苷键, P O ,2.3.1 生物大分子的共价结构 ma
10、cromolecular covalent structure,线性结构：一级结构的基础上通过分子间力学的相互作用（次级键的作用）自我折叠形成二级结构或高级结构，具有特定的生物学活性。 组装：一级结构的组装是模板指导组装，高级结构的组装是自我组装（部分靠蛋白分子的帮助），,2.3.2 生物大分子的自我组装 Large macromolecular Assemblies,蛋白质 核糖体 核酸 DNA聚合酶 或 RNA聚合酶 多糖的合成 在特异酶的作用下合成,从分子水平看，一般认为在生物大分子组装成超分子结构的过程中，蛋白质在此过程中起着重要的作用。,Nulceoprotein associati
11、ons of nucleic acids and protein,Ribosome: ribosomal proteins rRNAs,Chromatin： Viruses: Telomerase： Ribonuclease P：,deoxyribonucleoprotein consisting of DNA & histones to form a repeating unit called nucleosome,protein capsid + RNA or DNA,replicating the ends of eukaryotic chromosomes. RNA acts as t
12、he replication template, and protein catalyzes the reaction,tRNA maturation. Protein P RNA,Nulceoprotein,蛋白质通常由亚基通过非共价键联合组成，如血红蛋白有4条多肽链亚基。许多超分子结构亚基可以自我组装，无需外界指导，其组装的信息主要存在于蛋白质自身结构中。例如血红蛋白有、两种亚基，在生理环境中，始终是组装成22血红蛋白形式，而不会组装成其它形式，即使溶液中含有其它不同种蛋白质亚基或不同物种血红蛋白亚基，它们也不会交换成杂种，说明了、亚基具有十分专一的结构信息。这里，形状和空间结构精确的互补
13、性，保证了专一的组装。,Many proteins are composed of two or more polypeptide chains (subunits). These subunits may be identical or different. The same forces which stabilize tertiary structure hold these subunits together. This level of organization called quaternary structure.,The quaternary structure of hemo
14、globin：a1-yellow; b1-light blue; a2-green; b2-dark blue; heme-red,Protein structure Quaternary,The tertiary structures of the c-type cytochromes,Cys, Met and His side chains covalently linked to the heme to the protein,Domain,1 功能类似的分子的组装 结构生物学研究表明，结构域的组合是许多蛋白质在功能上存在差异的物质基础。,2 同类分子的组装 超分子复合物-通过蛋白质自身
15、及蛋白和其它生物大分子自发聚集形成。,3 异类生物分子的组装 蛋白质与核酸形成的复合物称为核蛋白体。核内小核糖核蛋白体（small nuclear ribonucleoprotein, snRNP),信号识别颗粒（signal recognition particle,SRP）,转录因子等。,2.3.3 生物大分子的结构层次macromolecular levels,生物学功能的表现与生物分子在特定环境下的构型和构象有关。,构型(configuration): 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): 分子的共价键结构不变，在单
16、键时周围原子旋转所产生的原子空间排列。,核酸核苷酸，核苷酸的序列决定了蛋白质中相应氨基酸的序列。 氨基酸的序列决定了蛋白质的一级结构、一级结构决定二级结构或更高级的结构。 分子构象是空间结构，高级结构，立体结构、三位构象的总称。如：蛋白质的结构包含了一级结构、二级结构三级结构和四级结构。,2.3.4 生物分子的螺旋结构macromolecular helix structure,生物分子中二级结构多以螺旋结构普遍存在。有些螺旋分子会出现在更高的层次。如蛋白质、核酸、染色质、微管等。,转录因子与DNA分子的作用； 鞭毛的结构与运动； 酶蛋白的催化功能； 膜蛋白的螺旋结构与功能；,结构是功能的基础：,2.3.4 生物分子的螺旋结构 macromolecular helix structure,2.3.5 生物膜的组装 biomembrane assemblies,生物膜是由蛋白质和脂质组成的装配体。 脂双
