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第五章 整合分子生态学 生命系统的复杂性 蛋白质分子的相互作用 蛋白质和核酸的相互作用 基因调控网络 代谢物组与基因型和表现型的关系 信息传递网络 1.生命系统的复杂性 1.1生物体是个相互作用的系统 生命活动中的各种功能和行为不是由单一分子完成的，都是通过体内各种分子的相互作用实现的。 1.2 生命系统复杂性的特征 “组分之间有着广泛的相互作用”，换句话说，生命复杂性的本质是由其组成元素之间的关系所决定，而非组成的物质本身。 系统具有开放性，可以在过程中不断演化。 生命不象简单的“自稳态”系统那样，通过负反馈的调节控制来稳定自身状态，从而适应外界的变化。 生命是一种远离平衡态的开放系统，通过不断地形成新性质或新功能来适应外界的挑战或改变。 1.3生命系统复杂性研究的主要技术平台 生物体是由大量结构和功能不同的元件组成的复杂系统，因此，要建立多层次的组学技术平台，研究和鉴别生物体内所有分子，研究其功能和相互作用。 在各种技术平台产生的大量数据的基础上，通过计算生物学用数学语言定量描述和预测生物学功能和生物体表型和行为。 主要技术平台有：基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等 1.3.1 相互作用组学 在生命从低级到高级的进化过程中，有可能是蛋白质之间的相互作用在起主导作用，越是高级的生命，其相互作用越广泛。 相互作用组学系统地研究各种分子相互作用，包括蛋白质．蛋白质、蛋白质一核酸、蛋白质一代谢物的相互作用和这些作用形成的分子机器、途径和网络。 相互作用组学研究可用于构建生物系统中的各种途径和网络， 鉴别参与网络和途径的生物元件，形成系统生物学研究中的模块，进一步通过模块的相互作用研究构建完整的生命活动线路图。 1.3.2 表型组学 表型组学主要是细胞水平的研究，因为细胞作为生命活动的基本单元具有活生物体的主要性状，如信息传导、时空组织、繁殖、体内平衡和对环境变化的应答和适应等，而且可用细胞进行高通量全基因组水平的研究。 表型组学是生命系统复杂研究的终端，通过基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学到表型组学完成了由基因组序列到基本生命活动的全过程。 1.4 整合分子生态学－生命系统复杂性研究的核心 系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）的整合 从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。 研究思路和方法的整合 需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与，真正实现这种整合还有很长的路要走 蛋白质通过分子之间的相互作用实现其特异的生物学功能。如蛋白质酶的催化作用需要酶与特异作用物之间的相互识别、结合成中间复合物；抗体参与的防御功能需要抗体与抗原之间的特异识别 与结合等。 2.1 蛋白质相互作用网络 系统生物学关注的不是单个基因或蛋白，而是它们的相互关系 2.2 蛋白质相互作用位点及其特异性 蛋白质的结合位点 一个蛋白质分子与其配体之间的结合需要在两个分子的特定部位之间形成很多弱化学键，两分子间相互作用的部位称为结合位点。仅仅属于多肽链的一小部分，其余的氨基酸残基为维持正确的空间位置所必需。 蛋白质之间相互作用的特异性 由其结合位点决定。两分子的结合位点必需存在能够配对形成非共价键的基团，而且每对基团在空间上恰好能达到形成非共价键的最佳距离。 信号传递过程中，正是通过蛋白质分子之间相互作用的特异性而保证信号传递的特异性。 2.3 蛋白质分子相互作用的方式 2.3.1 分子或亚基的聚合 不少蛋白质分子或亚基能够聚合成聚合体。由单体形成二聚体的主要结合力有疏水作用和氢键。 聚合体的形状： 线性聚合体 环状聚合体 螺旋状聚合体 环状聚合体 2.3.2 分子杂交 对于某些具有四级结构的酶分子，在同工酶的不同纯聚体之间，或者在不同种属来源的同一种酶分子之间，可以发生亚基交叉聚合，产生有活性的杂交分子。 2.3.4 分子自我装配 细胞器（如核糖体、细菌鞭毛）、细胞器碎片（如线粒体碎片）以及病素（如烟草花叶病素），在拆散成蛋白质、核酸、糖以及其他组分之后，在特定的条件下，又能够自动地装配成具有原来生物功能的细胞器、细胞器碎片以及病素。 自我装配的实质，就是生物大分子之间的相互识别，相互作用。这是一种特殊的聚合现象。 2.3.5多酶复合体 有不少的多酶体系,体系中的各种酶彼此有机地结合在一起，精巧地镶嵌成一定的结构，形成多酶复合体。 反应链中的各种酶构成了结构化的复合体。这样，在连续有序的反应中，能够缩短每个产物与参加下一步反应的酶之间的距离，使反应能以最高的效率进行。 3.蛋白质和核酸的整合作用 蛋白质和核酸的整合作用 是整合分子生态学的关键部分. DNA-蛋白质相互作用（DNA-protein interaction） 3.1