蛋白质分子的运动——功能、相互作用
蛋白质相互作用的特性及应用
蛋白质相互作用的特性及应用序言蛋白质是生物体内重要的功能分子，而蛋白质相互作用则是蛋白质发挥功能的基础。
随着生物学和化学等领域的发展，研究蛋白质相互作用的方法和技术也日益丰富和多样化。
本文将从蛋白质相互作用的特性、研究方法以及应用等角度来详细探讨蛋白质相互作用的相关内容。
第一部分蛋白质相互作用的特性蛋白质相互作用的特性是指蛋白质之间的相互作用方式、特定结构和生物功能等方面的特点和表现。
这些特性的深入研究对于我们深入了解蛋白质生物学功能和药物研究等方面都具有重要的意义。
1.1 蛋白质相互作用的基本方式蛋白质相互作用可以分为非共价相互作用和共价相互作用两种类型。
其中，非共价相互作用又可以细分为静电相互作用、氢键相互作用、范德华力作用、疏水相互作用等不同类型。
这些相互作用方式在蛋白质的折叠、分泌、转运、代谢、信号传导等生物学过程中都具有重要作用。
1.2 蛋白质相互作用的结构蛋白质相互作用的结构包括相互作用双方的结构与相互作用界面的结构。
其中，相互作用双方的结构可以根据不同类型蛋白质分为同源相互作用和异源相互作用两种。
同源相互作用是指两个结构相似的蛋白质之间的相互作用，而异源相互作用则是两个结构不同的蛋白质之间的相互作用。
相互作用界面的结构则是在蛋白质相互作用的过程中形成的，它反映谁和谁、哪些部分进行了相互作用，并且是相互作用的动力学基础。
1.3 蛋白质相互作用的生物功能蛋白质相互作用是蛋白质发挥生物功能的基础。
例如，酶和底物之间的相互作用是化学反应发生的基础；细胞膜上受体和配体之间的相互作用则是细胞信号转导的基础；抗体和抗原之间的相互作用是免疫防御系统的基础。
因此，深入了解蛋白质相互作用的生物功能对于我们认识蛋白质生物学功能的完整性和系统性具有重要的意义。
第二部分蛋白质相互作用的研究方法蛋白质相互作用的研究方法包括分子生物学方法、生物物理化学方法和计算方法等。
其中，分子生物学方法广泛使用于蛋白质相互作用的鉴定和定量分析；生物物理化学方法主要用于研究蛋白质相互作用过程中物理化学性质的变化；计算方法则是通过计算机模拟来分析和预测蛋白质相互作用的特性。
生物化学 蛋白质的结构与功能(共112张PPT)
三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形 成三级结构
（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸 残基的相对空间位置
定义:
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。 即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
主要的化学键: 疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。
• 肌红蛋白 (Mb)
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。
由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此， 只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以 下公式推算出蛋白质的大致含量：
100克样品中蛋白质的含量 (g %) = 每克样品含氮克数× 6.25×100
1/16%
一、组成人体蛋白质的20种L--氨基酸
存在自然界中的氨基酸有300余种，但 组 成 人 体 蛋 白 质 的 氨 基 酸 仅 有 20 种 ， 且 均 属 L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。
遍存在
-转角
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分 肽链结构。
（五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体
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，形成一个有规则
的二级结构组合，被称为超二级结构。
二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ 。
二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上 相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体 (motif) 。
CHHR3
COO-
C
+NH3
H
L-氨基酸的丙甘通氨氨式酸酸
除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱氨 酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代半胱氨 酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的 硫原子。硒代半胱氨酸存在于少数天然蛋白质中， 包括过氧化物酶和电子传递链中的还原酶等。硒代 半胱氨酸参与蛋白质合成时，并不是由目前已知的 密码子编码，具体机制尚不完全清楚。
1蛋白质的结构与功能
β-折叠
两条以上多肽链构成，多肽链充分伸展,每个肽单 元以Cα为旋转点,依次折叠如扇面状；
氨基酸残基侧链(R)交替位于折叠片层上下方；平 行肽链走向有平行与反平行两种方式。
通过肽链间的肽键羰基氧(O=C)和亚氨基氢形成氢 键从而稳固β－折叠结构。
蚕丝蛋白几乎都是β－折叠结构,许多蛋白质既有α螺旋又有β－折叠。
高级结构 或空间构象 (conformation)
一. 蛋白质的一级结构 (Primary structure of protein)
从N端至C端以肽键相连的氨基酸排 列顺序，包括二硫键的位置。 主要的化学键：肽键，有些蛋白质 还包括二硫键。
蛋白质的氨基酸序列是由基因序列决定的
转录
翻译
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础
（四）-转角(β－turn)和无规卷曲(random coil)
* β－转角常发生于肽链进行180°回 折时的转角上。 * β一转角通常由4个氨基酸残基组 成,其第一个残基的羰基氧(O=C)与 第四个残基的氨基氢(H)可形成氢键。 * β－转角的第二个残基常为脯氨酸, 其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、 天冬酰胺和色氨酸。
丝氨酸
含硫氨基酸 蛋氨酸
半胱氨酸
胱氨酸
三. 氨基酸的理化性质(Properties of amino acids) 1. 氨基酸具有两性解离的性质
➢α–NH2 and α–COOH 可解离： – COOH→COO- + H+
– NH2 + H+→ NH3+
α
➢ R 基团含可解离基团:
酸性和碱性 AAs
➢ 氨基酸是两性电解质，其解离程度
取决于所处溶液的酸碱度(pH).
蛋白质结构与功能之间的相互作用机制解析
蛋白质结构与功能之间的相互作用机制解析蛋白质是生物体内构成细胞和参与生物化学反应的重要分子。
它们在生物体内扮演着结构支架、催化反应和信号传递等关键角色。
蛋白质的结构与功能之间存在着密切的相互作用机制，这种相互作用对于维持生命活动的正常进行至关重要。
在本文中，我们将解析蛋白质结构与功能之间的相互作用机制。
蛋白质的结构是其功能的基础。
蛋白质的结构可分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构指的是蛋白质的氨基酸序列，即由多个氨基酸组成的线性链。
二级结构是指蛋白质中氨基酸间的局部空间排列关系，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲。
三级结构是指蛋白质整体的空间构象，由多个二级结构单元组成。
四级结构是指由两个或多个蛋白质聚合而成的亚单位。
蛋白质的这种层次结构是由氨基酸之间的化学键以及非共价相互作用引起的。
蛋白质结构与功能之间的相互作用机制主要包括结构稳定性、柔性和域间协调三个方面。
首先，结构稳定性是指蛋白质在特定环境中能保持其二级、三级和四级结构不变的能力。
这种稳定性是通过氨基酸之间的共价键和非共价键相互作用实现的。
共价键可以形成二硫键、酯键和肽键等化学键，从而保持蛋白质的整体结构。
非共价键包括静电相互作用、氢键、疏水作用和范德华力等，它们可以在蛋白质中产生各种作用力，使其结构保持稳定。
其次，柔性是指蛋白质分子在运动和变形时对外界环境变化做出的响应能力。
蛋白质分子具有一定的柔性，使其可以随着碰撞和相互作用产生形状的变化。
这种柔性是由蛋白质分子的二级和三级结构决定的，包括局部改变、回旋和异构化等。
蛋白质的柔性使其可以适应不同的环境和功能需求，从而发挥其多样的生物功能。
最后，域间协调是指蛋白质不同域之间的相互作用，这种相互作用对于蛋白质的功能发挥起着关键性的调控作用。
蛋白质可以由多个结构域组成，每个结构域具有特定的结构和功能。
这些结构域之间的相互作用可以增强或抑制蛋白质的功能，从而实现生物过程的调控。
蛋白质分子模拟及相互作用模型
蛋白质分子模拟及相互作用模型蛋白质是生命体中最为重要的分子之一，它们在细胞的结构、催化反应和信号传递等方面起着关键作用。
为了更好地理解蛋白质的结构和功能，科学家们使用蛋白质分子模拟方法进行研究，并开发了相互作用模型来描述蛋白质之间的相互作用。
蛋白质分子模拟是一种基于分子力学和分子动力学的计算方法，通过计算蛋白质的力场和运动方程来模拟蛋白质的结构和运动。
分子力场是一种描述分子内原子和键的相互作用的数学模型，它包括键的能量、角度、扭曲和非键相互作用等信息。
分子动力学则通过求解牛顿运动方程，模拟蛋白质中原子的运动轨迹。
通过这些分子模拟方法，科学家们可以研究蛋白质的二级、三级结构以及蛋白质的折叠、解折叠和动态过程等现象。
蛋白质的相互作用模型是为了描述蛋白质之间的相互作用而开发的数学模型。
蛋白质的相互作用可以分为两种类型：非共价相互作用和共价相互作用。
非共价相互作用包括范德华力、静电相互作用、疏水效应等，而共价相互作用则包括共价键的形成和断裂等。
这些相互作用决定了蛋白质的稳定性、结构和功能。
在蛋白质分子模拟和相互作用模型的研究中，科学家们面临着许多挑战和困难。
首先是计算复杂度的问题，蛋白质的结构复杂多样，计算时间和计算资源较为庞大。
其次是力场的准确性问题，蛋白质分子的力场是通过近似和参数化得到的，在一些特殊情况下可能存在偏差。
此外，对于大规模蛋白质的模拟和相互作用模型的发展也需要进一步的研究和探索。
尽管面临着挑战，蛋白质分子模拟和相互作用模型在生物学和药物研发等领域仍然发挥着重要作用。
通过模拟蛋白质的结构和运动，科学家们可以更好地理解蛋白质的功能和机制，为药物的设计和研发提供理论依据。
例如，通过模拟蛋白质的结构，科学家们可以预测药物与蛋白质之间的相互作用，并设计出具有更高活性和选择性的药物分子。
此外，蛋白质分子模拟和相互作用模型还有助于揭示蛋白质的动态过程。
蛋白质的功能往往与其在特定条件下的构象和动态过程密切相关。
蛋白质相互作用范文
蛋白质相互作用范文蛋白质相互作用有多种形式，包括蛋白质与蛋白质的结合、蛋白质与其他生物分子（如DNA、RNA和小分子化合物）的结合等。
这些相互作用通常通过非共价键（如氢键、范德华力和离子键）进行，这些键的形成和打破可以调控蛋白质的结构和功能。
蛋白质与蛋白质的相互作用是细胞内许多生物过程的核心，例如酶反应、膜传导、细胞信号转导、基因转录和翻译等。
通过相互作用，蛋白质可以形成复合物或蛋白质网络，从而协调和调控细胞内生物过程的进行。
蛋白质相互作用研究的方法有很多，包括结构生物学、蛋白质组学、生物物理学、生化学和细胞生物学等。
其中，结构生物学是其中的重要方法之一，可以通过解析蛋白质的三维结构来揭示蛋白质之间的相互作用。
结构生物学方法包括X射线晶体学、核磁共振（NMR）和电子显微镜等。
通过这些方法，研究人员可以了解蛋白质之间的空间构型和相互作用界面，从而揭示蛋白质相互作用的机制。
蛋白质相互作用的研究对于理解疾病发生和发展具有重要意义。
一些疾病的发生往往与蛋白质相互作用的失调有关，例如癌症、神经退行性疾病和免疫系统疾病等。
通过研究蛋白质相互作用在疾病中的作用，研究人员可以发现新的治疗靶点和方法，为疾病治疗提供新的思路和策略。
除了研究蛋白质相互作用在疾病中的作用外，还有一些研究致力于利用蛋白质相互作用来设计新的药物和治疗方法。
蛋白质相互作用在药物设计和开发中起着重要的作用，可以用于开发新的药物靶点、设计小分子化合物和肽类药物等。
这些方法可以高效地发现具有特定生物活性的分子，并有望成为未来创新药物研发的重要手段之一总之，蛋白质相互作用是生物学中重要的研究领域，对于理解生物过程的调控机制、疾病发生和发展以及药物研发有着重要的意义。
随着技术的不断发展，相信蛋白质相互作用的研究将为生命科学领域的进展带来更多的突破。
南开大学结构生物学第五讲-2-核酸-蛋白质的相互作用研究方法的新进展
2.2 核苷酸-氨基酸相互作用数据库
核苷酸-氨基酸相互作用数据库搜集核苷酸和氨基 酸间4 埃大小内的成对原子，能让使用者找到成对 的核苷酸和氨基酸。
使用者可以指定残基名称( 核苷酸或氨基酸)、原子 类型和侧链/ 骨干。
3 生物芯片技术
生物芯片技术是基于生物大分子间相互作用 的大规模并行分析方法，使得生命科学研究 中所涉及的样品反应、检测、分析等过程得 以连续化、集成化和微型化，现已成为当今 生命科学研究领域发展最快的技术之一。
目前的生物芯片主要有核酸芯片、蛋白质芯 片和糖体芯片等几大类。
蛋白质芯片是依靠手工、压印或喷墨的方 法将探针蛋白点样在化学膜、凝胶、微孔 板或玻片上形成阵列，经过与样品的杂交 捕获靶蛋白，再用原子力显微镜、磷光成 像仪、光密度仪或激光共聚焦扫描仪进行 检测，获得靶蛋白表达的种类、数量及关 联等信息。
研究蛋白质/ 核酸相互作用近期采用的新技 术有：1.核酸适体技术、2.生物信息学方法、 3.蛋白质芯片技术以及4.纳米技术等。
蛋白质和核酸是构成生命体最为重要的两类 生物大分子。
蛋白质与核酸的相互作用是分子生物学研究 的中心问题之一，它是许多生命活动的重要 组成部分。
随着人类基因组计划的完成，大量基因被发 现和定位，基因的功能问题将成为今后研究 的热点。大多数基因的最终产物是相应的蛋 白质，因此要认识基因的功能，必然要研究 基因所表达的蛋白质。
通过准确检测DNA分子穿孔过程中引起的 电流阻塞效应，可将DNA与组蛋白的相互 作用的一些性质反映出来。
蛋白质的功能往往体现在与其他蛋白质及 (或)核酸的相互作用之中。
细胞各种重要的生理过程，包括信号的转导、 细胞对外界环境及内环境变化的反应等，都 是以蛋白质与其他物质的相互作用为纽带。
生物物理学中的生物分子动态行为和力学特性
生物物理学中的生物分子动态行为和力学特性生物物理学是研究生物系统中物理和化学机制的科学领域，生物分子动态行为和力学特性是其重要研究方向之一。
生物分子包括蛋白质、核酸、脂质等，它们在细胞内发挥着重要作用。
了解生物分子的动态行为和力学特性，可以揭示它们的结构和功能之间的关系，有助于深入理解生命的机理。
一、生物分子动态行为生物分子的动态行为包括分子间相互作用、结构变化和运动等。
分子间相互作用是生物分子间交换能量和信息的基础，包括共价键、键的极性和电荷等。
结构变化是生物分子的高度可塑性体现，它可以使分子在各种生理和环境条件下发挥不同的功能。
运动是生物分子的重要属性，它直接涉及到分子在细胞内的功能展示。
下面以蛋白质为例，阐述其动态行为的具体表现。
1.分子间相互作用蛋白质分子通常由氨基酸链组成。
不同的氨基酸具有不同的性质，如电荷、极性、疏水性等，从而引起相应的相互作用。
蛋白质结构通常可以描述为四级结构，包括原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。
原始结构由氨基酸序列决定，二级结构由氢键形成的α-螺旋和β-片层构成，三级结构由二级结构之间的转折和结合决定，四级结构由多个蛋白质聚合形成的超级复合物决定。
2.结构变化蛋白质的结构对其生物学功能起着决定性作用。
蛋白质的结构变化可以是缓慢的，也可以是极快的。
缓慢变化意味着蛋白质结构的稳定性和存活性高，常常与蛋白质的传统功能相关。
快速结构变化可以产生一些新功能，比如酶的催化或者配体在受体上的结合。
蛋白质结构的变化涉及到蛋白质本身的能量消耗和环境的重要因素。
3.运动蛋白质在分子水平上的运动是其功能的表现之一。
这种运动通常不包括蛋白质分子的大规模运动和形态变化，而是指物理学上的扰动或振动，如转子或者振荡的运动。
这种运动可以促使氨基酸运动，并改变氨基酸之间的距离，这些运动会导致蛋白质结构的变化和新的功能。
二、生物分子力学特性生物物理学研究的另一个重点是生物分子的力学特性。
这些特性包括弹性、塑性、黏性、剪切和扭曲等，反映了生物分子在机械压缩和拉伸下的行为。
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蛋白质芯片技术
蛋白质芯片, 又称蛋白质阵
列或蛋白质微阵列，是指以蛋白
质分子作为配基,将其有序地固
定在固相载体的表面形成微阵列； 用标记了荧光的蛋白质或其他它 分子与之作用，洗去未结合的成 分，经荧光扫描等检测方式测定 芯片上各点的荧光强度，来分析 蛋白之间或蛋白与其它分子之间 的相互作用关系。
生物信息学研究蛋白质相互作用网络
[PA]
[P][A]
[PA2]
[PA][A]
结合
[PA2]
[P][A]2
=
[PA]+2[PA2]
[P]+[PA]+[PA2]
=
K1[A]+2K2[A]2 1+K1[A]+K2[A]2
三、一个大分子有n个配体结合点
i Ki [A]i
i=1 n
i=0 n
=
Ki [A]i
其中 K0 = 1
生物学角度
——功能
酵母双杂交技术（1989）
酵母双杂交技术的基本原理
DNA结合结 构域(DNA binding domain, 简称 为BD) 转录激活结构域 (transcriptionactivating domain，简称 AD区)
生物物理角度
——动态、直观
跟踪定位: 激光共聚焦显微术
• 2. 作用力特点：分子的结合与解离；
二、蛋白质—蛋白质相互作用： 1、蛋白质之间相互作用的结构模式：通 过蛋白质的模体或基元（motif）或结 构域而发生相互作用 α螺旋和β片层参与的特定组合 β发夹 β拱形 β-α-β模体 α-α模体
三、DNA—蛋白质相互作用：
（一） DNA-蛋白质相互作用的化学键 1、氢键:具有识别功能蛋白质的螺旋结构常 与DNA的大沟相互作用。 2、疏水键：暴露于大沟侧缘的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：
第一部分习题：
1. 为什么说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？蛋白质元素组 成有何特点？ 什么是肽、肽链和肽键？ 什么是蛋白质等电点（pI）？聚赖氨酸（poly Lys）在pH 7时 呈无规则线团，在pH 10时则呈α-螺旋；聚谷氨酸（poly Glu）， 在pH 7时呈无规则线团，在pH 4时则呈α-螺旋，为什么？ 举例说明几个主要分离纯化蛋白质方法的原理？ 超速离心机的转速为58000 r/min时，（1）计算角速度，以 每秒的弧度表示，（2）计算距离旋转中心6.2 cm处的离心力。 （3）此离心力相当于重力“g”的多少倍？ 蛋白质的一级结构包含哪些内容？了解蛋白质一级结构对于认 识其高级结构有什么意义？ 蛋白质的二级结构是如何产生的？研究二级结构的意义？ 说明X射线用于解析蛋白质空间结构的原理。 简述Anfinsen实验主要内容及说明的问题。 蛋白质折叠问题为什么受到重视？它与疾病有什么关系？ 生物分子间的作用力主要有哪些，各有什么特点?蛋白质相互 作用的主要特点?
荧光共振能量转移技术 （FRET）
energy transfer acceptor dye donor dye
donor dye acceptor dye absorbance emission absorbance emission
~2 to ~8 nm
normalized absorbance
2. 3.
4. 5. 6.
7. 8. 9. 10. 11.
物理化学角度
——反应原理
热力学平衡
热力学平衡
一、一个大分子有1个配体结合点
[P] + [A] 结合 [PA] Kon 结合常数
结合速率 = Kon [P][A] [PA] 解离 [P] + [A]
解离速率 = Koff [PA] 平衡时： Kon[P][A] = Koff [PA] [PA] [P][A]
Koff 解离常数
=
Kon Koff
= K = 平衡常数（亲和力）
每个大分子上结合配体的平均数目：
= [PA] [P]+[PA]
=
K[P][A]
[P]+K[P][A]
=
K[A] 1+K[A]
二、一个大分子有2个配体结合点 每个大分子上结合配体的平均数目：
[P] + [A]
[PA] + [A] [P] + 2 [A] 结合 结合 [PA] [PA2] [PA2] K1 = 2 = K2 =
HTHLeabharlann HTH模体：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
蛋白质相互作用的研究
（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）
wavelength of light fluorescence intensity spFRET data for reversible interactions
time
Weiss S. Science, 283(1999)1676
SPR传感器技术
质谱技术鉴定蛋白质相互作用复合物
• 基本原理：在靶蛋白与目标蛋白质经过特 异性相互作用后，用质谱技术对得到的蛋 白质复合体进行鉴定。 质谱技术：MALDI-TOF-MS LC-ESI-MS/MS
蛋白质分子的运动—— 功能、相互作用
§10
蛋白质的相互作用
• 生物大分子发挥生理功能所需的三个条件：分子 结构、分子运动和变化以及分子间的相互作用。 • 一、生物大分子相互作用的力： • 1. 非共价键的作用；离子键、氢键、范德华力、疏水
键。信息的传递及利用极大地依赖弱的非共价键。它们 不仅决定着生物大分子的三维结构，还决定着这些结构 如何与其它结构相互作用。