生物大分子相互作用分析技术共91页文档
生物大分子与生物小分子的相互作用研究
生物大分子与生物小分子的相互作用研究生物大分子和生物小分子是生物学领域中的两个重要概念。
前者包括蛋白质、核酸和多糖等，后者包括氨基酸、核苷酸和单糖等。
这些分子在生物体内存在着相互作用，形成了各种生物学现象。
因此，深入了解生物大分子和生物小分子的相互作用机制，对于理解生物学原理和研究生物学问题都具有重要的意义。
一、生物大分子的相互作用1.1 蛋白质的结构和功能蛋白质是一类由氨基酸串联而成的生物大分子。
其具有多样性的结构和功能，包括酶、激素、抗体等。
其中最重要的是酶，其在生物体内起着如同催化剂一般的作用，加速了化学反应的进行。
蛋白质的结构包括四个层次：一级、二级、三级和四级结构。
一级结构指的是蛋白质中氨基酸的线性序列；二级结构指的是蛋白质中氨基酸序列的局部折叠，如alpha-螺旋和beta-折叠等；三级结构指的是整个蛋白质分子的空间构型，由多个二级结构组成；四级结构指的是由多个蛋白质分子组成的超级分子结构。
1.2 多肽的相互作用多肽是由少于100个氨基酸组成的生物大分子。
其在生物体内起着诸如携带氧气和运输铁离子等作用。
多肽之间可以通过非共价和共价键的相互作用形成复杂的三维结构。
非共价键包括静电作用、氢键和范德华力等，共价键包括硫醚键等。
多肽遇到环境变化时，如温度、pH 值的变化等，其结构也会发生改变。
其中，氢键的断裂是影响多肽结构的关键因素。
当温度或 pH 值发生改变时，氢键的断裂会导致多肽中各种结构的丧失，最终导致蛋白质的完全失活。
1.3 核酸的相互作用核酸是由核苷酸组成的生物大分子。
其在生物体内起着如同蓝图一般的作用，控制了基因表达和维持遗传物质的稳定。
核酸之间可以通过氢键和静电作用等非共价键的相互作用形成双螺旋结构。
该结构为 DNA 和 RNA 分子的基本结构，也是遗传信息传递的基础。
二、生物小分子的相互作用2.1 代谢途径生物小分子是生物体内参与代谢途径的化合物。
代谢途径包括糖原代谢、脂肪代谢、蛋白质代谢等。
生物大分子相互作用
生物大分子相互作用
Interaction between Biomacromolecules
The biomacromolecules in cell
Protein
DNA
RNA
Others
SPR: advantages & applications
优点： 优点：
无需对样品进行标记 实时监测 灵敏度高 快速
用处： 用处：
特异性—哪些分子发生了相互作用 特异性 哪些分子发生了相互作用? 哪些分子发生了相互作用 浓度—存在多少结合分子 存在多少结合分子? 浓度 存在多少结合分子 动力学—相互作用的速率 结合和解离的比例是多少? 相互作用的速率、 动力学 相互作用的速率、结合和解离的比例是多少 亲和性—相互作用的程度有多大 相互作用的程度有多大? 亲和性 相互作用的程度有多大 协同作用—是否存在任何异构效应 是否存在任何异构效应? 协同作用 是否存在任何异构效应 相互作用模式—结合模式与不同样品是否存在对应关系 结合模式与不同样品是否存在对应关系？ 相互作用模式 结合模式与不同样品是否存在对应关系？
Co-Immunoprecipitation
(Western Blot or MS)
Example: BAG2 was identified by Co-IP as a CHIP-binding protein
CHIP: carboxyl terminus of Hsp70interacting protein
Detecting methods
• Monitor changes in donor fluorescence 检测供体 荧光 • Monitor changes in acceptor fluorescence 检测受 体荧光 • Simultaneously measure changes in both donor and acceptor fluorescence using spectral imaging 同时检测受体和供体荧光
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法生物大分子相互作用是维持生物体各种生理活动的关键，也是许多生命过程中发生的基础反应。
其运动、结构、功能和调控的机制都与充电和热力学相关。
此文旨在介绍生物大分子相互作用的热力学原理及其分析方法。
一、热力学基础热力学是研究能量转化与宏观现象之间的关系的学科。
能量转化是指从一种形式的能量转移到另一种形式，从而驱动宏观过程。
而生物大分子相互作用存在于生物体内，因此必须重视化学反应热力学的基础知识。
热力学中有几个重要的概念需要特别说明。
（一）系统与环境在本文中，系统指的是被研究的生物大分子样品，而环境是指不包括系统的所有其他物质，两者间通过作用力所交换的能量就是热力学热力。
热力学研究的重点是如何将系统和环境之间相互转移的能量描述，并对系统和环境特征作出测量。
（二）热力学第一定律和第二定律热力学第一定律指的是能量不会消失或产生，只能转化成其他形式。
第二定律主要说明了能量转化的方向：永远不会从自己低温的物体转移热量到高温的物体上，也不会从无序的系统到有序的系统上。
因此，生物大分子相互作用过程中能量的转移必须遵循第一和第二定律的规律。
（三）熵和自由能热力学中有一个重要的概念是熵（entropy）。
在生物大分子相互作用的过程中，随着体系的复杂化，熵增加，从而使有序变为混沌的情况变得不可避免。
自由能（Gibbs free energy）是能量转移和过程中的有助于实现生物大分子相互作用的因素。
要能够提高系统中有组织的状态，并使其达到最大的稳定状态，就需要使系统的自由能达到最小。
在预测反应的方向和速率上，自由能变化是非常重要的。
二、常用的生物化学分析方法生物大分子相互作用的研究涉及到多种现代生物化学和物理化学方法。
目前，常用于热力学研究的方法主要包括等温滴定量热法、差示扫描量热法、圆二色性光学光谱法、荧光共振能量转移法、表面等离子共振法等。
下面将分别介绍这些方法的原理和应用。
（一）等温滴定量热法等温滴定量热法（Isothermal titration calorimetry，ITC）是研究生物大分子相互作用最常用的实验技术之一。
细胞内生物分子的相互作用文稿演示
6395个核苷酸残基的RNA
生理条件下，34个亚基聚集成20S双盘结构， RNA嵌入双盘结构（距中心4nm,圈内侧） 后，盘状结构转化为 螺旋，称起始复合物，
－－－蛋白亚基逐个加入，完成包装；
RNA起始部位具发夹结构，位于RNA内部，
装配不是随意的，是有起始点，有顺序 又 终点的
起始点的辨认等其实是分子特异的相互作 用的过程。
疏水作用是指极性基团间的静电 力和氢键使极性基团倾向于聚集 在一起，因而排斥疏水基团，使 疏水基团相互聚集所产生的能量 效应和熵效应。
蛋白质和酶的表面通常具有极性 链或区域，这是由构成它们的氨 基酸侧链上的烷基链或苯环在空 间上相互接近时形成的。
高分子的蛋白质可形成分子内疏 水链、疏水腔或疏水缝隙，可以 稳定生物大分子的高级结构。
这种分子作用方式普遍存在于生物的代谢、 信号转导途径中。
2.4生物大分子的相互作用
普遍存在 特异作用 作用方式为共价和非共价键
2)，氢键
氢键的形成 氢键是由两个负电性原子对氢原子 的静电引力所形成，是一种特殊形式的偶极— 偶极键。它是质子给予体X-H和质子接受体Y 之间的一种特殊类型的相互作用。
氢键的大小和方向 氢键的键能比共价键弱，比 范德华力强，在生物体系中为8.4～ 320.4kj/mol(2-8kcal/mol)。键长为0.25～ 0.31nm，比共价键短。氢键的方向用键角表 示，是指X—H与H…Y之间的夹角，一般为 180～250。
细胞内生物分子的相互作用文稿演示
（优选）细胞内生物分子的相 互作用
2.1 生物活性物质的本质 生物活性物质的化学属性
生物大分子 小分子
生命体的属性 物质能量交换、细胞稳定内 环境、环境适应能力
生物大分子间相互作用的研究
生物大分子间相互作用的研究随着生物科技的不断发展，研究生物大分子间相互作用的越来越深入。
生物大分子是指在生物体内大量存在的具有重要生物功能的高分子化合物，包括蛋白质、核酸、多糖等。
在生物体内，这些大分子通过相互作用，形成了复杂的生物系统，完成了众多的生物功能，因此，研究生物大分子间相互作用，对于理解生命活动的本质，以及发现和开发新的治疗手段具有重要的价值。
1. 蛋白质之间的相互作用蛋白质是构成生物体的重要组成部分，具有极其重要的生物功能。
蛋白质之间的相互作用是生物体内重要的分子相互作用之一。
其相互作用形式多样，主要包括：氢键相互作用、范德瓦尔斯力相互作用、离子键相互作用等。
在蛋白质的三级结构中，同源二聚体是一种重要的相互作用形式。
同源二聚体是指由两个完全相同的蛋白质链构成的二聚体，其通过相互作用，形成一个具有新的功能的蛋白质结构体。
同源二聚体在生物体内广泛存在，具有很高的生物功能性。
研究同源二聚体的结构、功能和调控，对于探索新的生物功能分子具有重要的意义。
2. 核酸之间的相互作用核酸是生物体内最具有代表性的大分子之一。
在生物体内，核酸通过配对相互作用，形成了重要的生物结构和机体功能。
核酸之间的相互作用主要包括：氢键相互作用、范德瓦尔斯力相互作用等。
在生物体内，RNA与蛋白质之间的相互作用是一种重要的分子相互作用形式。
RNA的特点是在其不同区域上具有不同的功能结构和序列，这使得RNA能够通过与蛋白质的相互作用实现其不同的生物功能。
研究RNA与蛋白质之间的相互作用机制，对于理解生命分子的功能机理具有重要的意义。
3. 生物大分子与其它分子之间的相互作用生物大分子不仅与自身相互作用，还与其它物质之间相互作用。
例如，血红蛋白是一种具有重要生物功能的蛋白质，在生物体内与氧气之间的相互作用实现了氧气的转运功能。
同样，DNA与荧光染料之间的相互作用也是一种重要的生物相互作用形式，可以通过检测荧光信号实现DNA的检测和诊断。
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
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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
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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。
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生物大分子及其相互作用
第四节 生物分子的相互作用
生物大分子及其相互作用
一、核酸与蛋白质的相互作用
生物大分子及其相互作用
生物大分子及其相互作用
二、蛋白质—蛋白质相互作用
• 一种蛋白质分子的表面可以被另一种蛋白 质分子所结合，如蛋白水解酶类 （proteinase）和蛋白质聚集在一起形成一 个复杂的结构，膜和病毒外壳尤其是相同 部件自我聚集形成一个多亚基的复合物。
生物大分子及其相互作用
三、糖与蛋白质的相互作用
• （一）糖蛋白
– 糖蛋白（glycoprotein）是蛋白质和寡糖链通过 糖苷键连接成的，有N-糖苷键和O-糖苷键。
• （二）蛋白聚糖
– 蛋白聚糖是一类非常复杂的大分子，是含有共 价连接的一条或数条糖胺聚糖链的核心蛋白大 分子。
生物大分子及其相互作用
– 一些金属离子能与含氮、氧的基团间形成一种 特殊类型的共价结合。这种结合力称配位键。
– 配位键的本质与一般共价键不同，在于共享电 子对全由键合原子的一方提供。
生物大分子及其相互作用
生物大分子及其相互作用
第三节 生物分价结构
• 核酸链中的磷酸二酯键 • 蛋白质内多肽链中的肽键 • 寡糖链间α-1，6糖苷键或β-1，4糖苷键
生物大分子及其相互作用
3. 异类生物分子组装
生物大分子及其相互作用
生物大分子及其相互作用
三、生物分子的构型与构象
• （一）构型 • （二）构象
– 一级结构 – 二级结构 – 三级结构 – 四级结构
• （三）生物分子的螺旋结构
生物大分子及其相互作用
四、膜的组装
生物大分子及其相互作用
五、复杂聚集物的自我装配
生物大分子及其相互作用
生物大分子间相互作用的研究
生物大分子间相互作用的研究生命的出现和发展，是由大分子水平上的化学相互作用和微观结构的演变而驱动的。
生物大分子是生命起源和生命进化的基础。
在生物学中，我们通常指的大分子是指DNA，RNA，蛋白质和多肽等具有生物活性和功能的巨大分子。
这些大分子之间的相互作用是非常重要的，它们不仅能够编码和储存遗传信息，还可以构建细胞结构和运输信号。
因此，生物大分子间相互作用的研究，是生命科学领域的重要领域之一。
生物大分子的分类生物大分子主要包括：蛋白质，RNA，DNA和多肽等。
蛋白质是细胞中最为重要的大分子之一，它们占据了细胞干重的70%左右。
蛋白质是由氨基酸连接而成的线性链状聚合物，具有多种功能。
RNA是遗传信息的主要携带者，同时还在细胞中直接参与蛋白质的合成。
RNA分为mRNA、tRNA、rRNA三类，它们在细胞中所扮演的角色不同。
DNA是基因的载体，是所有生物的遗传信息的储存库。
脱氧核糖核酸是由鸟嘌呤、胸腺嘧啶、腺嘌呤、鳞喉嘌呤四种碱基构成的。
多肽是由数十个氨基酸通过肽键连接而成的分子，在生物体内进行各种生理代谢反应，如肽类激素，如胃泌素等都是重要的多肽分子。
生物大分子间的相互作用生物大分子间的相互作用主要包括两种，一种是外部作用于分子表面的物理化学效应，包括静电相互作用、范德华相互作用等；另一种是基于结构的分子生物学相互作用。
它们之间有多层次、多方面、协同作用的积累。
例如，蛋白质和DNA 之间的相互作用，往往涉及到多个层次的结构，如氨基酸残基上的静电相互作用，氢键和水合作用，这些相互作用都是在共同构建分子结构的过程中发挥作用的。
生物大分子的相互作用机制生物大分子间的相互作用机制是非常复杂的，其主要包括两种：电荷效应和立体效应。
电荷效应是指同性电荷相斥，异性电荷相吸，这是最基本的相互作用，也是分子间相互识别的基础；立体效应是指分子之间相互作用形成的结构和几何构象相互匹配，这种作用是高级别的相互作用。
细胞分子生物学领域中，特别是酶反应、离子沟通和相互识别等过程中，这些作用机制非常重要。