2005年第16届国际生物学奥林匹克竞赛理论考试(1)

第1部分总时间:2．5 h(150 min) 总分值:80 1 各种作用力对于维持一个蛋白的三维结构所必需的相互作用是十分重要的。下面这张图显示了几种可能的相互作用。请按照编号写出这些相互作用的正确名称。(1分)     

棉酚对鱼精DNA作用的量子生物学研究

紫外吸收光谱显示棉酚与DNA相互作用没有共价键形成.也不生成电荷迁移络台物.量子化学计算棉酚与胸腺嘧啶分子中的净电荷分布,发现沿两者结构式粗线上各原子的电荷恰好符号相反(图2).这表示棉酚很可能以共轭平面平行地插入到DNA分子双螺旋结构的碱基片层之间,与其中的胸腺嘧啶碱基以弱相互作用的极性键形成复合物.这种结合是可逆的,不影响DNA的一级结构.     

阳离子-π相互作用在两种典型蛋白质折叠型中的偏好性

阳离子-π相互作用是一种在阳离子和芳香性体系之间形成的一种作用力。在蛋白质中,带正电荷的氨基酸(Lys、Arg)和芳香族氨基酸(Phe、Tyr、Trp)之间可以形成阳离子-π相互作用。对α/β类蛋白中两种典型折叠类型――单绕和双绕的研究表明:(1)单绕结构中阳离子-π相互作用的分布密度是双绕结构的2.3倍。(2)Arg-Phe组合偏好在双绕中出现,Arg-Tyr组合偏好在单绕中出现。(3)在单绕中除Lys-Phe组合外,其余5种组合的阳离子-π相互作用能量高于双绕的对应组合,其中以Arg-Trp组合的能量最高。(4)在单绕结构中,样本所含氨基酸残基数量和样本中阳离子-π的数量有明显的相关性,在双绕结构中没有发现类似的相关性。(5)在单绕和双绕结构当中,把阳离子-π相互作用能量分解为静电能和范德华力能揭示出静电能与范德华力能之比接近2∶1,静电作用在阳离子-π相互作用中起主要作用。     

DNA与个体发育调控(2)

生物结构的形成需要各种细胞按照类型分别聚集,这主要是通过细胞表面的钙黏蛋白实现的。形成片、管、腔等结构需要细胞具有极性;上皮表面上的的结构如纤毛、羽毛、鳞片、毛发具有方向性,也需要有关细胞具有极性。细胞的极性是由细胞内和细胞表面的一些蛋白质聚合物彼此拮抗并不对称分布而形成的。细胞之间通过Notch蛋白及其配体之间的相互作用导致彼此相邻的细胞向不同的分化方向发展。这些"成型分子"在胚胎发育过程中都发挥重要的作用。     

三种金属硫蛋白聚合体的疏水性相互作用研究

通过分子表面的计算考察了三类金属硫蛋白（大鼠金属硫蛋白亚型Ⅱ,兔肝金属硫蛋白亚型Ⅰ和Ⅱ）二聚体短聚体中组成单元之间的疏水性相互作用。计算结果表明二聚体和三聚体中各组成单元之间均可以形成较好的几何匹配。对于二聚体而言,单体和单体之间存在一定的疏水性相互作用,但作用力 三聚体中,单体和二聚体之间的疏水残基能通过好的空间匹配形成很强的疏水性相互作用。对于这三种金属硫蛋白,二聚体中单体和单体之间的疏水性相     

细胞社会学简介

高等生物是由许许多多的细胞组成的,但它们不是细胞简单的集合,而是一个由各种分化细胞、组织和器官等结构层次形成的、有高度组织结构的复杂系统,可视为一个高度分工和整合的细胞社会。从系统论的观点看来,生命是生命系统整体的属性。生命活动是通过系统内部,各部分(子系统)之间,以及组成这些子系统的细胞之间的信息交流和相互作用来实现的,并且各部分的活动还受到整体的调控。     

超电荷绿色荧光蛋白(+36GFP):一种新型生物大分子穿膜载体

超电荷绿色荧光蛋白(sc GFP)是一种表面带很高净电荷的新型功能蛋白质。ScGFP具有很强的水溶性和抗蛋白质聚集的能力,在生物技术、医药和材料科学方面有着广泛的应用前景。带正电荷的sc GFP能够穿透细胞膜,具有运载核酸和蛋白质等生物大分子进入哺乳动物细胞内的能力。与传统的转运载体相比,sc GFP有细胞毒性低、转运效率高和具广泛的细胞普适性等优点。带正电荷的sc GFP与带负电荷的核酸分子之间通过静电相互作用形成自组装的多离子复合物,这与生物体中的组蛋白和带负电荷的DNA之间自组装成染色质的行为非常相似。本文以带有36个正电荷的超电荷绿色荧光蛋白(+36GFP)为例,对超电荷蛋白的性质,细胞穿透能力以及其作为生物大分子穿透载体的应用等方面做一综述。     

香草酸与多酚氧化酶相互作用机制研究及新型指纹谱构建

生物大分子与小分子之间的相互作用机制研究是当今各个学科领域的前沿和热点,不仅有利于进一步认识大分子的结构和功能,还能进一步获得检测生物大分子或小分子的新途径．本研究将中药材特征指纹图谱应用于植物多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)与植物体内活性成分香草酸(vanillic acid, VA)的具体相互作用机制的研究,采用光谱实验法结合分子模拟技术,分析VA与PPO的相互作用机制,并构建其三维相互作用指纹谱．光谱实验结果显示,VA增强了PPO的荧光强度. 维持VA-PPO体系的相互作用力主要为疏水作用,VA与PPO的结合距离r值为2.48 nm,发生了非辐射能量转移．由光谱实验数据构建的λ-UV-F新型指纹图谱,系统地反映了活性分子VA与PPO之间相互作用特征．分子模拟结果精确显示了VA与PPO的结合位域与结合作用力,表明维持VA与PPO的相互作用力主要为疏水作用和氢键(位于氨基酸残基 Met258, His88, His109, His240, His244和His274位)．计算机模拟与光谱学实验结果一致,并成功构建了VA-PPO相互作用特征关系的新型指纹图谱．     

花青素主要成分与HER-2激酶区的分子对接

用分子对接方法预测天然植物化学物质与受体蛋白的相互作用位点并探究作用机制。利用MVD(Molecular Virtual Docker 5.5)软件,以HER-2激酶区为受体模板建立活性位点,与12种花青素成分进行分子对接。结果表明12种化合物均能在同一活性腔中与HER-2激酶区对接(MolDock Score:苷元–105 kJ/mol,单葡糖苷–130 kJ/mol),主要作用力是疏水作用和氢键;该活性腔也是ATP与HER-2激酶区的结合(MolDock Score=–161 kJ/mol)位点,花青素的结合可能会干扰ATP与HER-2之间氢键的形成。提示花青素可能以竞争性结合方式阻碍ATP与HER-2的结合,抑制HER-2磷酸化激活及下游信号通路的激活,从而发挥抑癌活性。     

土壤矿物与微生物相互作用的机理及其环境效应

土壤矿物与微生物相互作用是地球表层系统中重要的生态过程.微生物或生物分子与矿物间的吸附(粘附)是两者相互作用的基础.吸附(粘附)是一个由分子间力、静电力、疏水作用力、氢键和空间位阻效应等多种作用力或作用因素共同决定、影响的物理化学过程.因此,微生物和矿物的表面性质如表面电荷、疏水性和它们所处的环境条件如pH、电解质浓度、温度等,都影响着矿物-微生物吸附(粘附)过程.微生物细胞或酶可吸附于矿物表面,其结果是细胞代谢或酶活性会发生明显变化,并进一步影响土壤中诸多相关的生态、环境过程.结合4种典型的初始吸附理论:表面自由能热力学理论、DLVO理论、吸附等温线理论和表面复合物理论及本课题组近年来的研究成果,对土壤矿物与微生物相互作用的类型、机理、作用力和现代研究技术等方面的最新研究进展进行了较为全面的论述,对土壤矿物-微生物相互作用的环境效应进行了讨论,并就该领域今后研究工作的特点及应关注的问题进行了展望.     

细胞黏附分子互作网络的构建与分析

借助网络分析可对基因调控、蛋白质互作和信号转导等细胞活动进行全局和局部性质分析.以细胞黏附的蛋白质相互作用为对象,通过数据挖掘和可视化软件构建了整合蛋白介导的黏附分子互作网络,该分子互作网络由156种蛋白质通过690种相互作用相连,其平均节点度为8.66、平均聚集系数为0.24,平均路径长度为2.6.黏附分子互作网络中包含数个功能模块,这些模块涉及网络内部多种分子相互作用的启动与停止,并进一步影响细胞的黏附、迁移和骨架组织.对黏附分子网络进行模体筛选和比较,发现一些数量相对较少、以三元复合物为主要结构的关键模体,同时对各网络模块和模体对细胞黏附的调控作用进行了探讨.     

胶原蛋白异源三聚体的理性设计

胶原蛋白是高等动物中最丰富的蛋白质,约占总蛋白质量的1/3.同时,胶原又是重要的生物医用材料,被广泛应用在伤口缝线、软骨缺损填充、骨骼金属植入物镀膜等.目前,在已知的人类28种胶原蛋白中,其中有1/4的胶原构型(7/28)是以异源三聚体的形式存在.由于缺乏对胶原蛋白链间特异性识别与折叠机制的了解,如何通过理性设计来制备清洁来源、纳米尺度可调控的胶原蛋白材料一直是蛋白质工程与生物材料工程交叉领域中的热点和难点问题.迄今为止,在胶原三螺旋中鉴定的最重要的成对相互作用是轴向电荷对,其可以在适当放置的赖氨酸与天冬氨酸或谷氨酸残基之间形成.这些成对氨基酸相互作用将允许制备具有高特异性的异源三聚体螺旋,以及对螺旋结构和稳定性的总体改进控制.此外,对这些相互作用的详细研究将帮助我们修改天然胶原蛋白序列,制造清洁来源、高度可控和成分响应的胶原蛋白生物材料.本综述将总结我们对这种相互作用和其他电荷对相互作用的理解,以及它们如何成功地用于控制胶原三螺旋自组装并探索新的蛋白质设计策略.     

应用双分子荧光互补技术分析米曲霉Fus3与Ste12之间的蛋白互作

【背景】双分子荧光互补(Bimolecularfluorescencecomplementation,BiFC)在水稻恶苗病菌(Fusarium fujikuroi)等微生物蛋白互作中的应用已有报道,但在工业菌株米曲霉(Aspergillus oryzae)中还未见应用。【目的】探究米曲霉中Fus3和Ste12蛋白在生长发育中可能存在的相互作用关系,建立在米曲霉活细胞中检测蛋白互作的方法,即BiFC体系。该系统可用于特异性、可视化米曲霉目标蛋白在活细胞中的定位,并且可以更加直观地探究蛋白之间是否存在相互作用。【方法】利用MultisiteGateway复杂载体构建技术,使用切开的绿色荧光蛋白,将荧光蛋白分子的两个片段N端和C端分别与米曲霉Fus3和Ste12蛋白融合,对获得的转化株进行荧光观察。通过BiFC系统检测蛋白之间的相互作用。【结果】成功转化的米曲霉菌丝中观察到荧光,Fus3和Ste12在米曲霉中存在相互作用。【结论】通过BiFC技术证实蛋白质Fus3和Ste12在无性繁殖菌株米曲霉体内发生互作,暗示它们通过互作可能参与除了有性生殖之外的其他细胞功能,并为米曲霉蛋白互作功能研究提供一种新的检测技术和方法。     

利用激光AFM和TEM探索肌动蛋白体外自装配聚合结构

细胞内肌动蛋白(actin)通过与actin结合蛋白(actin binding proteins,ABPs)相互作用,形成以F-actin为基础多种ABPs参与装配的高度有序的超分子聚合结构,行使各种重要生理功能。在体外聚合条件下,不存在F-actin稳定剂时纯化的actin主要通过自装配形成大尺度的聚集堆积结构;这种表观无序的结构体系由于被认为不具备细胞功能活性而受到忽视。利用激光原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)和透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)技术,对actin体外通过自装配过程形成的大尺度聚集结构进行了细致的观察和分析。研究发现,actin在体外通过自装配过程除了形成无序的蛋白堆积物之外,还能够聚合形成复杂的离散结构,包括树状分支的纤维丛、无规卷曲的纤维簇以及具有不同直径的长纤维等;这些大尺度纤维复合物明显不同于在ABPs或过量F-actin稳定剂参与下形成的由单根微丝和微丝束构成的聚合结构。表明无ABPs或F-actin稳定剂存在的情况下,体外聚合的F-actin在一定条件下可进一步聚集缠绕形成复杂的纤维结构或无序的蛋白堆积物。事实上,actin自装配过程反映了其固有的聚合热力学特性,深入探索将有助于理解ABPs在体内actin超分子聚合结构体系装配中的调控作用及其分子机制。     

上皮细胞间紧密连接功能的研究进展

紧密连接(tight junction,TJ)广泛存在于所有上皮或内皮细胞间连接的最顶端,是物质经旁细胞途径转运的结构和功能基础。TJ是由跨膜蛋白和胞浆蛋白两大类构成的大分子复合物,主要行使"屏障"和"栅栏"功能,前者可对物质的大小和电荷进行选择,进而调控旁细胞途径的物质转运;后者则通过调控顶膜和基底侧膜两个功能区之间的脂质和蛋白等物质的自由弥散形成高度极性化的细胞。近年来,关于TJ在各种上皮细胞中的作用及调控机制的研究日益增多。本文重点综述了上皮细胞间TJ研究的最新进展,包括TJ的构成、结构和功能检测以及调控机制,并以几类研究比较集中的上皮类型为例介绍TJ研究的现状,这将为防治与TJ改变相关的上皮屏障功能障碍性疾病提供新的思路。     

杆状病毒经口感染因子之间相互作用分析

昆虫杆状病毒包涵体衍生型病毒(Occlusion-derived virus,ODV)被幼虫食下后通过感染中肠上皮细胞引发全身感染,这个过程被称为经口感染。多种ODV囊膜蛋白在经口感染中发挥关键作用,它们被称为经口感染因子(PIFs)。研究表明7种PIFs:P74、PIF1、PIF2、PIF3、PIF4、PIF6、P95(Ac83)和2种ODV特异性蛋白,Ac5和Ac108,与ODV表面复合物相关,该复合物被称为PIF复合物。阐明杆状病毒PIFs之间,尤其是复合物各个成分之间的相互作用特点是了解经口感染因子功能的关键。本研究以杆状病毒模式种-苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒(Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus,Ac MNPV)为研究对象,利用酵母双杂交和双分子荧光互补技术探究了与PIF复合物相关的9种蛋白之间相互作用的特点。我们鉴定到了6对相互作用,分别为PIF1-PIF2、PIF1-PIF3、PIF1-PIF4、PIF1-P95、PIF2-PIF3和PIF3-PIF4,但是没有鉴定到P74、PIF6、Ac5和Ac108参与相互作用。其中PIF1-PIF3、PIF2-PIF3和PIF1-P95为强相互作用,其他相互作用为中等强度相互作用。根据这些结果我们推测PIF1是PIF复合物的中心,其他成分都和PIF1存在相互作用。最后,我们对目前为止已报道的PIF之间相互作用进行了总结,包括10对不同蛋白之间的相互作用:PIF1-PIF2、PIF1-PIF3、PIF1-PIF4、PIF1-P95、PIF2-PIF3、PIF3-PIF4、ODV-E56-PIF1、ODV-E56-PIF2、ODV-E56-PIF3和ODV-E56-P74,以及2对自相互作用:PIF3-PIF3和ODV-E56-ODV-E56。总之,本研究探索了PIF复合物中蛋白质的相互作用特点,揭示了复合物中各成分如何通过相互作用有机地结合在一起,推进了对该复合物的认识。     

一些球蛋白可解离基的相互作用特征

球状蛋白质的结构分析有助于蛋白质三维结构的认识.维持蛋白质三维结构的作用力至少有3种类型,即氢键、盐桥(亦称盐键或静电键)和疏水键.维持三维结构的作用力可以看作是可解离基和非解离基各自间的以及两者之间的相互作用.     

氨基酸的亲、疏水性研究 Ⅰ.各种氨基酸及其残基的疏水性标度

蛋白质由20种氨基酸组成。它们的亲、疏水性的相互作用是维持蛋白质三级结构最重要的作用力之一。有些变性的蛋白质(即随机松散分布的多肽链)能够自动地重新折叠起来,成为具有生物活性、高度有序的天然构象,就是疏水基起着关键作用。因此,研究各种氨基酸侧链亲水性或疏水性的大小及其相互作用(该方面的工作是七十年代才开展起来的),对于深入了解蛋白质、核酸等生物大分子的结构与功能,具有重要意义。     

非肌细胞的运动蛋白质

从单细胞生物到高等动物,直至人体的各种细胞,表现出各种形式的细胞运动。尽管运动形式多种多样,但从分子角度看都是由两种蛋白质相互作用,引致由该种蛋白质构成的一定结构——丝或管——相对滑动的结果。本文分别介绍了非肌细胞肌动蛋白—肌球蛋白运动体系及微管蛋白—待宁(达因)蛋白运动体系蛋白质的结构与功能。     

双分子荧光互补技术及其在蛋白质相互作用研究中的应用

双分子荧光互补(bimolecularfluorescencecomplementation,BiFC)分析技术,是由Hu等在2002年最先报道的一种直观、快速地判断目标蛋白在活细胞中的定位和相互作用的新技术.该技术巧妙地将荧光蛋白分子的两个互补片段分别与目标蛋白融合表达,如果荧光蛋白活性恢复则表明两目标蛋白发生了相互作用.其后发展出的多色荧光互补技术(multicolorBiFC),不仅能同时检测到多种蛋白质复合体的形成,还能够对不同蛋白质间产生相互作用的强弱进行比较.目前,该技术已用于转录因子,G蛋白βγ亚基的二聚体形式,不同蛋白质间产生相互作用强弱的比较以及蛋白质泛素化等方面的研究工作上.