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1、第三讲 相互作用与分子识别,生物分子与化学物质之间均存在相互作用。分子间的相互作用有非专一性和专一性两类，前者指分子之间的一般相互作用；后者指生物分子之间及生物分子与化学物质之间的专一性识别作用，即分子识别。分子识别是许多重要生理现象的分子基础，例如抗原与抗体，药物与受体靶。,第一节 生物分子间的识别,不同生物大分子之间普遍存在的专一结合现象，称分子识别。例如胰岛素和其受体，凝血酶与血纤维蛋白原之间。分子识别通过结合部位实现实现分子识别必须具备以下条件：两者结合部位的微区构象互补结合部位的化学基团形成化学键,（一）分子或亚基的聚合,不少蛋白质，其分子或亚基能够形成聚合体，例如，胰岛素单体，在溶
2、液中能够发生聚合反应。,胰岛素浓度越大，高聚体的数量越多。（二）形成聚合体的主要结合力疏水作用在胰岛素单体的B链上，由Val12、Tyr16、Phe24、Phe25和Tyr26的疏水侧链形成一个疏水面，两个疏水面可结合成一个疏水核。氢键研究表明，胰岛素B链C末端肽段是伸展构象,在两个C末端肽段之间，一方的Phe24的NH和C=O基分别与另一方的Tyr26 的C=O和NH基形成二个氢键；一方的Tyr26的NH和C=O基分别与另一方的Phe24的C=O和NH基形成二个氢键。结果形成反平行-折叠片。酶水解除去B链C端5肽，胰岛素仍保持生物学活性，却不能聚合。这说明，上述反平行-折叠片是稳定二聚体的重
3、要因素。,（三）蛋白质分子或亚基的聚合方式以不同方式聚合，形成聚合体。线性聚合特点：聚合体呈线性，聚合度非常大。蛋白质的生理功能与线性聚合有关，例如杆状的血纤维蛋白质分子按末端对末端的方式直接聚合，生成细长的聚合体，同时也侧向聚集，以增加纤维蛋白的厚度，导致血液凝固。,环状聚合聚合形成环状，有环对称性,螺旋聚合体聚合体呈螺旋状，例如烟草花叶病毒的壳体蛋白，每圈16.3个亚基，每个亚基分子量13.500，螺距2.5nm，长度300nm，由2130个亚基组成。,肌肉的F-肌动蛋白是双股螺旋，每圈含13个单体，螺距70nm，单体呈球状。,球状聚合体由许多球状亚基相互聚合组成空心的球体蛋白质分子或亚基
4、之间的聚合有一定基础，即聚合部位一定是互补的；在聚合时，为了达到一定程度的互补，还要发生单体之间的构象变化（类似与酶与底物相互作用）。许多蛋白质的生物学功能与其聚合或解离关系密切。,例如，鸡肝乙酰CoA羧化酶单体无催化活性，分子量410,000。加入柠檬酸或磷酸，可引起单体聚合，生成有催化活性的多聚体，分子量410106若除去活化剂，加入丙二酰CoA或软酯酰CoA，则引起该酶解聚，丧失活力。,（四）分子识别的物理基础,概述识别可分为三个阶段，即扩散、接触并形成化学键。扩散分子热运动引起的由高浓度向低浓度的运动，方向不定，扩散平均距离与时间的平方根相关。对小分子，扩散是一种有效的运动方向；对于大
5、分子，受共存的其它大分子的频繁碰撞而阻滞，扩散速率极小。,细胞内发生化学反应的速率极快，一个酶分子平均每秒可催化1000次反应，分子运动须十分迅速才能满足。分子的运动分为三类，即移动运动（从一个位置移动到另一位置）；振动（共价连接的原子相对另一原子的快速往复运动）；旋转。快速分光技术发现：球蛋白每秒绕其轴心作大约106次翻滚和旋转（实际是构象变化）。运动导致的扩散碰撞速率与扩散分子的浓度成正比。,分子识别的动力学,通过扩散，分子间发生碰撞并形成复合物的过程是可逆的，即结合和解离同时存在，直至达到动态平衡。,结合速率=KonAB，解离速率=KoffAB。达到平衡时，两者相等，所以Keq为平衡常数
6、，又称亲和常数。亲和常数与结合力反相关，生物体系的亲和常数一般在103-1012mol/L之间，对应的结合能在17-71KJ/mol，大约有4-17个氢键。,分子识别的特征,专一性作用包括；酶与底物抗原与抗体受体与配体蛋白质与糖链蛋白质与核酸（多肽链与碱基的直接接触；碱性氨基酸与戊糖骨架的电荷联系）。,通过DNA-蛋白质相互作用分析，发现了多种结合特异DNA序列的蛋白质结构单元，最常见的是锌指结构，它存在于调节蛋白、DNA和RNA结合蛋白中。锌指结构指至少由三个以上不同结构的、由锌离子稳定的、超小结构域组成的蛋白质单元，该单元与DNA的大沟主要通过三个碱基对作用，而锌指结构的连接区则悬于大沟之
7、上，不直接参与与DNA的结合。,（四）分子识别过程中的高级结构变化,诱导契合学说,（五）分子识别过程的连续和协调性,表现在协同完成一个系列代谢反应如图,肾上腺素调节糖代谢的过程,第二节 分子识别的化学基础,从本质上讲，分子识别是在特异的空间通过化学键实现的。一般将这种化学作用分成两大类，即强相互作用（共价键）和弱相互作用（分子间力）。,（一）相互作用的化学键,共价键结合,共价键是有机分子之间最强的作用力，许多底物与受体、药物与靶的作用是通过该化学键实现的。如-内酰胺类抗生素,离子键,离子-偶极和偶极-偶极相互作用,药物和受体分子，由于碳和其它原子（如N,O等）间电负性的差异，导致电子不对称分布
8、，产生电子偶极。例如带有部分正、负电荷的羰基、酯、醚、酰胺、腈和其它基团。,这些电荷分布不均匀的基团，可以与带相反电荷的基团形成相互作用，即偶极-离子相互作用；偶极-偶极间相互作用；前者比范德华力强，后者与范德华力相当。这种作用常在药物与受体之间出现。例如局部麻醉药狄布卡因，解痉药阿托品和乙酰胆碱与各自的受体相互作用（后图）,氢键相互作用,氢键在保持生物体系的完整性和药物与受体分子的相互契合方面有着特殊的重要作用。在给定的氢键中（X-HY)，氢原子一方面与供体原子保持共价连接，另一方面，则与受体原子以离子化的方式结合，可以看成是偶极-偶极键的一种特例，H原子作为一个偶极的正极端。,生物体系中最
9、常见的氢键发生在羟基（-OH）和氨基（-NH2)之间，其稳定性递减次序是：OHNOXO NHN-NHO.氢键既可以发生在分子间，也可以发生在分子内。,单个氢键较弱，多重氢键可大大增强稳定性。氢键使DNA碱基配对，使蛋白质形成二级结构。蛋白质分子暴露的质子供-受体基团，可与药物分子的质子受-供体基团相互作用。而药物上的-OH-COOH-CO-NH2和-SH基团，可通过氢键有效地与受体结合。,芳香氢键(平面氢键）,芳环的电子云作为质子受体与一个质子供体所形成的氢键，通常是在酰胺和芳环形成氢键。这种氢键在序列特异的蛋白质-DNA相互作用中能代替普通氢键的功能。,电荷转移,在给电子分子和受电子分子间，
10、由电荷转移产生的静电引力形成复合物。这种复合物的相互作用常发生于药物和受体间。一般的情况是，药物的生物活性中心电子密度低，构成了和电子云密度高的受体成键的基础，酶的富电子区域则与抑制剂的缺电子区域形成相互作用。,疏水相互作用,是疏水基团聚集所产生的能量效应和熵效应。例如，体液中游离存在的药物和受体，其分子表面、包括非极性部位均处于水合状态，当两者邻近结合时，非极性部分的水分子被排斥，导致体系的混乱度增加，即熵增加。随着这种特异结合完成，该非极性分区域稳定化，熵变值减少。疏水相互作用对于形成药物-受体复合物非常重要。蛋白质分子内也形成分子内疏水键、疏水腔或疏水缝隙，稳定其空间构象。,鸽肝二氢叶酸
11、酶与碳氢化合物取代基杂环间的疏水作用,范德华引力,是原子核吸引另一原子核外电子产生的作用力，非特异性，强度低且与原子间距离密切相关（0.4-0.6nm）。包括色散力、静电力、诱导力。通过多原子间的相互作用发挥一定作用。,螯合作用,供电子基团与金属离子结合并形成环状结构的化合物；供电子体为配位体（主要是N、O、S）,最稳定的螯合环为五元或六元环，含硫的四元环也较稳定。体内的配位体有氨基酸、核酸、蛋白质及有机酸等，螯合的离子一般是Fe,Mg,Ca,Zn,Co等，作为蛋白质辅助因子。与金属离子的螯合可达到解毒作用，但有的也有毒性。,青霉胺与Cu的螯合物,8-羟基喹宁-Fe螯合物,（二）分子识别中的立
12、体化学因素,几何异构由于双键或脂环等刚性或半刚性结构导致的顺（Z)反（E）异构现象称为几何异构。,几何异构体中官能团分布与受体药效基团排列相差极大，相互作用受到影响，理化和生物活性也都有较大差别。例如，（Z)-和（E)-己烯雌酚的立体结构和生物活性相差甚远。,反式泰尔酚比其顺式结构异构体的活性强5-40倍。,桂皮酰胺类药物,反式-抗惊；顺式-致惊，中枢兴奋。,光学异构分子中原子或基团的排列方式不同形成的异构体，有镜像关系，除旋光外，理化性质极相似，生物活性的差异主要由受体的选择性表现。,S-(+)氟苯丙胺抑制食欲，R-(-)无,麻黄碱：血管收缩；伪麻黄碱：支气管扩张。,扑尔敏（+）-异构体比（
13、-）-异构体活性强,肾上腺素与其受体形成三部分结合，分别是氨基；苯环及两个酚羟基；侧链醇羟基。D-(-)-肾上腺素的血管收缩作用是L-(+)-异构体的20倍,手性碳原子的数量与光学异构体药物的活性密切相关，例如氯霉素有4个光学异构体，只有（-）(1R;2S)有显著抗菌活性,构象异构,分子内各原子及基团因单键旋转导致的空间结构称构象，实际上大分子的构象有限，即存在优势构象。能为受体识别并与受体结构互补的构象，能产生特定的药理效应。药物的构象直接影响与受体的结合及生理活性。构象对药效的影响方式多种多种多样，有的只能以一种构象与受体结合发挥药效，如多巴胺；有的则可以多种构象发挥作用，如组胺，以反式作
14、用于H1受体；以扭曲式作用于H2受体；甚至有的以不同的构象产生不同的生理作用。,多巴胺和阿扑吗啡均作用于多巴胺受体，研究发现，对位交叉式是其优势构象，须多巴胺的N与O4的距离为0.78nm才能有最大活性。10-羟基阿扑吗啡也有此距离，所以有活性，而11，10，11二甲氧基衍生物等均无活性。,第四节 超分子化学与分子识别,超分子化学是研究分子间通过非共价作用形成功能体系的科学。超分子体系的成员一般称为受体和作用物（或配体），通常，将小分子称为作用物，如阴、阳离子及中性小分子。经过精心设计的超分子体系具有分子识别、能量转换、选择性催化及物质运输等功能，其中分子识别是超分子功能的基础。,（一）环糊精
15、及其衍生物与分子识别,环糊精（CD)分子由D-吡喃葡萄糖通过1，4糖苷键连接成的环状结构，分别为、-环糊精，环糊精的空腔内侧有两圈氢原子及一圈糖，此处糖的氧原子处于C-H键屏蔽下，具有疏水性；外侧边框由于羟基聚集呈亲水性。位于CD窄口端，指向环外面的伯羟基称为第一面羟基，位于宽口处的为仲羟基，称为第二面羟基，第二面羟基有顺时针和逆时针两种指向，该结构可在手性手性化合物的识别起作用。,环糊精在分子识别中的应用,环糊精的空腔与尺寸适宜的手性化合物形成包合物，两者间的分子识别即相互作用。作为环状主体分子，对客体的识别有内识别，作用力主要有范德华力，疏水作用力，色散力等；外识别，作用力主要是氢键。环糊
16、精的这种分子识别作用可应用于分析分离、医药、模拟酶等许多领域。,分子识别,自组装,模拟酶功能,许多研究发现，环糊精的疏水空腔可包一些酶的底物；表面亲水性羟基具有孤电子对，也可传递质子。前者相当于酶与底物的结合中心，后者则相当于酶的催化中心。因此，成为模拟研究酶的重要载体之一。通过修饰环糊精，改善其结构和理化性质，可构筑成不同类型的模拟酶。,用环糊精母体设计的水解酶使乙酰对硝基苯酯水解速度增加900倍，磷酸对硝基苯酯水解速度增加2900-3700倍,（二）杯芳烃与分子识别,杯芳烃是由苯酚与甲醛经缩合反应生成的一类环状低聚物，其命名习惯写成杯n芳烃。例如对位由叔丁基取代的环状四聚体可写为对叔丁基杯
17、4芳烃（）,合成及修饰,杯芳烃的特征：,具有由亚甲基相连的苯环所构成的空腔；有易于导入官能团或用于催化反应的酚羟基；有可利用芳香族置换反应进行化学修饰的苯环；通过引入适当取代基，构象能够发生变化，可固定所需各种构型。,杯芳烃可作为酶模拟物发挥离子载体、分子识别和酶催化等功能，是继环糊精、冠醚之后的第三类新型主体化合物,分子识别作用,在杯芳烃上引入酯基、酰胺基、羧基和冠醚等，构成人工受体，可识别各类金属离子，形成稳定配合物，并显示出独特的性能。例如与Na+形成1：1配合物,第五节化学物质与核酸的相互作用,许多分子能与核酸发生相互作用，或干扰其模板功能，或是使其断链，影响其调控和表达。小分子与核酸
18、的作用，既可作为生物探针，研究其结构与功能，还可作为药物，探测细胞癌变或攻击癌的核酸靶。因此，小分子化合物与核酸的特异性相互作用研究有重要学术和应用价值。,(一）与核酸特异相互作用的小分子,主要有诱变剂和化学致癌物，多为芳香族烃，入苯并芘等。化学治疗剂，例如特别是抗肿瘤、抗病毒药物，入顺铂、多柔比星。可作为核酸检测探针，荧光探针、电化学探针，哑啶、噻吩嗪、喹啉类及金属卟啉类分子。,（二）化学物质的致突变作用,生命体系的遗传关系一般是：,DNA的变化导致DNA、mRNA等变化，引起遗传形状改变。DNA的变化可能是碱基种类的变化、或是碱基顺序的变化，DNA顺序的变化产生基因突变。基因突变是遗传物质
19、的分子水平变化，包括碱基置换、移码、损伤等类型。,基因突变 指基因DNA序列改变导致的子代遗传信息变化。从化学角度讲涉及到少数碱基的置换、缺失或插入。,碱基置换DNA中某一碱基被另一碱基所置换引起的遗传变异。包括转换：即DNA链中的嘌呤被嘌呤或是嘧啶被嘧啶所置换；颠换：嘌呤被嘧啶,或是嘧啶被嘌呤所置换。,引起置换的诱变剂,定义：可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂，在体内和离体时均有作用。诱变剂种类多，例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N硝基-N-亚硝基胍，N-甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥）等。,作用：它们可与核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复
20、制时碱基配对的转换，并在细胞分裂过程中使细胞发生变异。羟胺只引起GCA:T，其余都是可使GC=A:T发生互变。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有此功能（参见下表）。,若干诱变剂的作用机制及诱变功能,诱变因素在DNA上的初级效应 遗传效应碱基类似物 掺入作用 T=GC双向转换 羟 胺 与胞嘧啶起反应 GCAT的转换 亚硝酸 A、G、C的氧化脱氨作用AT=GC双向转换 交 联 缺失 烷化剂 烷化碱基（主要是G）AT=GC双向转换 烷化磷酸基 ATTA的颠换 丧失烷化的嘌呤 GCCG的颠换 糖-磷酸骨架的断裂 巨大损伤,根据化学诱变剂对DNA作用方式，分为以下几大类,烷化剂类这是一类能与一个
21、或几个核酸碱基发生化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对转换而发生遗传变异的化学物质。主要的有（见后）,诱变原理诱变剂的活性烷基，能够攻击DNA分子中电子云密度极高的位点，取代氢原子。DNA中最可能的烷化点是鸟嘌呤的N7、N3位，胞嘧啶的N3位等。取代导致的效果是分子量增大，与核糖的结合链容易水解而脱落，形成缺口。修复时易发生错配，引起遗传密码子改变-基因突变。,G在正常情况下是酮式，与胞嘧啶C配对，烷基化的G常以烯醇式存在，该形式的G不能再与C配对，而与T错误配对。,碱基类似物诱变剂,类似天然碱基，渗入到DNA分子中引起变异。例如5-溴尿嘧啶（5-BU）,5-氟尿嘧啶，5-氨基尿嘧啶，2-氨
22、基嘌呤6-氯嘌呤，8-氮嘌呤。主要产生复制错误和渗入错误，造成碱基对的转换，可回复突变。5-溴尿嘧啶的酮式与鸟嘌呤配对，烯醇式则与胸腺嘧啶配对。,移码诱变剂,嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间，称嵌入剂。通常为多环平面结构，其长度为0.68nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的2倍。如果该物质嵌入到新合成的互补链上，就会减少1个碱基；如果嵌入到模板链的两碱基之间，就会时互补链插入一个多余的碱基。两者均造成移码。,移码诱变剂包括吖啶黄，吖啶橙等吖啶类化合物。该类化合物插入到DNA双螺旋的邻近碱基之间，使DNA链拉长，距离由0.34增大到0.68nm，既可能造成DNA链上
23、碱基的添加或缺失，导致突变。,脱氨基诱变剂,指脱除碱基环外氨基的化学试剂，最常用的是亚硝酸。亚硝酸使腺嘌呤（A)、鸟嘌呤(G)脱氨，分别变成次黄嘌呤（H）和黄嘌呤（X）；胞嘧啶(C)脱氨,变成尿嘧啶。脱氨基的A不能与T配对，只能与C配对；脱氨基的C不能与U配对，只能与A配对；造成AT HC GC;GC UA TA,化学致癌物及其作用机制,人类癌症有80%-90%是受环境影响而产生的，化学致癌物是主要的致癌因素。使正常细胞转化为癌细胞的化学物质称致癌物。直接致癌物：不经体内转化直接作用于生物大分子物质引发癌症的物质（烷化剂，亚硝酸类）间接致癌物：经体内代谢活化引发癌症的物质（多环芳烃类、亚硝胺类
24、、芳香胺等）促癌物：本身不致癌，但强化致癌物作用的物质，如巴豆油，丙酮，酚，氧化铁尘粉尘。,大部分化学致癌物属于间接致癌物，体内的活化主要发生于微粒体的多功能氧化酶。有机致癌物大致可分为多环芳烃类、芳香胺类、偶氮类、亚硝胺类及亚硝酰胺类、烷化剂类、内酯类、性激素、霉菌毒素等。其中多环芳烃、亚硝胺及霉菌毒素是环境中三类最普遍、最重要的致癌物。,烷化剂类,一类具有烷化作用的有机分子，其中某些功能基团有致癌作用，素有化学射线之称。工业原料中硫酸二甲酯、氯甲甲醚、二氯甲醚、氯乙烯、氯丁二烯、药物氮芥、环磷酰胺等都有致癌性，可诱发皮肤、呼吸系统、消化系统和造血系统的肿瘤。,多环芳烃类(PAH),数量最多
25、、分布最广、对人类健康威胁最大的一类环境污染物，主要存在于煤、石油、焦油和和沥青中，也可由含碳氢元素的化合物不完全燃烧产生，机动车废气、香烟烟雾、烧荒的烟中均含有多环芳烃致癌物。多环芳烃经微粒体代谢成环氧化芳烃致癌物，如苯并芘，最终生成7，8-二氢二醇-9，10-环氧化物。,芳香胺类,包括芳香胺和芳香酰胺是合成染料和化学药的重要原料，需体内酶代谢活化才有致癌性。这类化合物的代表有-萘胺、4-氨基联苯、联苯胺，2-乙酰氨基芴（hu）。主要引起职业性膀胱癌（染发），美发师及使用者患白血病。它们与DNA形成加合物，从而导致突变。,含有偶氮基团（-N=N-)，多数与芳香基团相连，属于衍生物致癌，通过与
26、DNA或蛋白质结合，引起职业性肝脏肿瘤。常见的有奶油黄、偶氮萘、酸性猩红等。,偶氮染料,亚硝基化合物（NOC）,NOC具有R-N(NO)-R结构的一类化合物，它们能溶于水和脂肪，具有使DNA烷化的作用，从而致癌。有亚硝胺、亚硝酰胺、亚硝基氨基酸等。间接致癌物，常引起食道癌或胃癌,生物毒素,来源于生物体、分子结构各异的天然性化学致癌物，须经代谢活化才能发挥致癌（消化系统肿瘤）作用。植物源性毒素包括吡咯啉碱（如千里光碱），黄酮类衍生物（黄酮醇），铁树果实中的苏铁素，生姜和肉桂中的黄樟素，百蘑菇中的伞菌氨基酸和甲基肼等。微生物源性毒素有黄曲霉素、杂色曲霉等。黄曲霉素是黄曲霉菌体产生的一类毒素的总称，
27、B1毒性最强，是奶油黄的900倍，二甲基亚硝胺的75倍。,小分子药物对DNA的相互作用,小分子化合物对DNA分子的识别研究发展很快，主要是因为能够与DNA结合的小分子很多都是临床上广泛使用的抗癌药物，小分子与DNA的相互作用是以DNA为靶分子的各种物质生物效应的分子基础，其键合状态可能是导致癌变、突变及细胞死亡的重要环节。作用方式分别是共价结合，非共价结合和剪切作用。,共价结合作用,氮丙啶类抗生素丝裂霉素C是此类物质中研究最多的一种抗癌抗生素，其作用机制如下：,丝裂霉素在体内的酶还原导致其甲氧基脱去，进而与DNA发生一元或双元烷基化，烷基化位点在G处。,氨茴霉素、茅屋霉素,氨茴霉素、茅屋霉素、
28、西伯利亚霉素及新乳霉素等先非共价结合于DNA的小沟区，再通过脱水或脱醇的形式与G的N2形成共价键。,螺旋丙烷类抗生素,螺旋丙烷类抗生素CC1065，该抗生素首先特异性作用于DNA小沟区，再攻击AT富集区A的N3位，发生脱氨基反应并引起DNA的单链断裂。对白血病L1210细胞有毒性，有较好的体内抗肿瘤活性。,非共价结合,大部分抗癌药物与DNA的作用都是非共价结合，包括静电作用、沟区结合和嵌插结合。静电结合DNA上的游离磷酸根可与正电荷小分子发生静电作用。例如乙二酸，十六烷基三甲基溴化铵等。该作用一般在小沟区。沟区结合许多蛋白质与DNA以氢键或范德华力等特异性结合于DNA的大沟区富含AT处，阻挡DNA复制等。,偏端霉素和纺锤霉素,每一个酰胺键均与相邻A的N3和另一链C的O形成氢键此外，还有SN699,CC1065类似物、苯并咪唑、二苯眯等,嵌插结合,经典的嵌插结合是1960年代进行的芳香平面稠环分子与DNA的作用模式。嵌插导致了碱基对分开，使螺旋伸长0.34nm，导致DNA构象变化，不能或不易复制。,此外，还有双嵌插剂，例如吖啶类、三骨菌素等,
