生物材料学第二章生物组织相互作用修改

生物材料学第二章生物组织相互作用修改生物材料学第二章生物组织相互作用修改 脂肪族的芬芳的硫磺氨基乙酸脯氨酸缩氨酸AA NH2与另一AA COOH间失水形成的酰胺键称肽键 所形成的化合物称肽 组成多肽的单元称为氨基酸残基共价主链 四 蛋白质蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物高分子 蛋白质 是细胞中最丰富的生物分子 是生命的物质基础 没有蛋白质就没 有生命 整个生物界中已知存在着的蛋白质总数逾百万 蛋白质具有多种不同的生物功能 其中最重要的一种就是结构功能 如动物的角 腱 韧带 骨 蚕丝 细胞骨架等 其主要成分都是 结构蛋白 结构蛋白还可与多糖和生物矿物结合在一起获得各式各样的结构功 能 如使骨骼或皮肤 叶脉等具有特定的柔性和刚度 蛋白质的结构层次次一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构 四级结构高级结构空间构象4 1蛋白质的结构组织层次 指肽链的主 链在空间的排列 或规则的几何走向 旋转及折叠 只涉及主链构象及链内 间形成的氢键 主要有 螺旋 折叠 转角 无规卷曲 螺旋 环等 二级结构 11 螺旋 helix 螺旋的结构 螺距0 54nm 每圈含3 6个个AA残基每个AA残基占0 15nm 绕轴旋转100 链内形成氢键与轴平行 多为右手螺旋 由两 多条 几乎完全伸展的肽链平行排列 通过链间的氢键交联而形成 肽链主链呈锯齿状折叠构象 22 折叠 pleated sheet C 总是处于折叠的角上 AA的R基团处于折叠的棱角上并与 之垂直 两个AA之间的轴心距为0 35nm 折叠结构特点 33 转角和 凸起 转角 turn bend hairpin structure 肽链主链骨架180 的回折结构特点 由44个连续的AA 残基组成 第一个残基C O 第四个残基NH 形成氢键O 氢键 H C NH CH CO 2 N R 比较稳定的环状结构 主要存在于球状蛋白分子中 多数处在蛋白 质分子的表面 反平行 折叠片中的一种不规则排列 实质上是多出 来的一个AA残基 凸起 bugle 泛指不能归入明确的二级结构 如折叠片和螺旋的多肽片断 44 无规卷曲 random coil 1 超二级结构超二级结构与结构域若干相邻的二级结构单元按照一 定规律有规则组合在一起 相互作用 形成在空间构象上可彼此区 别的二级结构组合单位 2 结构域二级 超二级结构基础上形成的特定区域结构域存在 的原因 局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理 结构域 之间由肽链连接 有利于结构的调整由二级结构元件构建成的总三 维结构 包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链 在三维空间中彼此间的相互关系 维系力有氢键 疏水键 离子键 范德华力三级结构指由多条各自具有 一 二 三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式 包括各亚基 种类 数目 空间排列方式 亚基间的相互作用关系蛋 白质四级结构稳定四级结构的作用力结构互补 极性 和非共价键 离子键和氢键 缔合的专一性 疏水相互作用 驱动缔合 脊椎动物体中50 以上是纤维状结构蛋白质 支架 防护作 用 规则的线性结构纤维结构蛋白 不溶性纤维蛋白 角蛋白 胶原 蛋白 弹性蛋白 可溶性纤维蛋白 肌球蛋白血纤蛋白原 硬蛋白 4 2结构蛋白质4 2 1胶原胶原 Collagen 细胞外基质中的一种 张力强度很高的水不溶性纤维状蛋白质 富含甘氨酸和脯氨酸 是 构成细胞外基质的骨架 简介胶原在细胞外基质中形成半晶体的纤维 给细胞提供抗张力和 弹性 在成熟的组织中起结构作用外 并在细胞的迁移和发育中起 作用 所有多细胞生物都含有胶原 哺乳动物身上所有蛋白质中约30 是胶 原蛋白 不同程度地存在于一切器官中 分布胶原是皮肤 骨 腱 软骨 血管和牙齿的主要纤维成分 细 胞骨架的重要成分也是胶原 皮肤胶原蛋白是人体肌肤肤的主要成分 影响皮肤弹性的重要因素 皮肤中胶原蛋白占72 真皮中80 是胶原蛋白 它在皮肤中构成 了一张细致的保护网 能锁住水分 如支架般支撑着皮肤 骨腱血管眼睛角膜肠迄今已鉴别出15种胶原 并已分析出其主链组 成和在组织中的分布 其中 型胶原在动物体内含量最多 研究得 最清楚并已被提纯而广泛用于生物医用材料及生化试剂 胶原蛋白种类皮肤中胶原蛋白肽链的96 是按三联体 G1y x x y n顺序重复排列 Gly数目占残基总数1 3X常为Pro y y常为Hy Pro Hy Lys胶原蛋白分子结构成纤维胶原中基本结构单元是三股螺旋的原胶 原 原胶原的质量约为285kDa Da全称道尔顿 Dalton 是分子量最 常用的单位 就是将分子中所有原子按个数求原子量的代数和 由于蛋白质是大分子 所以常用KDa 千道尔顿 来表示 由两条 1和一条 2链共三条多肽链组成 每股多肽链中都有 约1000个氨基酸 胶原蛋白分子结构胶原蛋白分子结构胶原蛋白分子结构胶原蛋白分 子结构腱腱腱肠肠肠胶原的抗原性胶原和其他蛋白质相比确实不易 引起抗体产生 其理由是前面所述I I型胶原种属间的差异很小 与球形蛋白质不同 三股螺旋结构一般 不发生变化 例如 所有从哺乳动物分离提取的I I型胶原非常相似 因而不易被人体免疫系统作为外体识别 但是其短的原肽端因种属间的判别较大而表现出较大的抗原性 因 此在使用时常将其原肽端切除 以降低胶原的抗原性 胶原的生物合成蚕丝的成分几乎是纯蛋白质 但蛋白质种类因蚕品 种不同而有异 有家蚕 柞蚕 天蚕 塔色蚕 姆珈蚕 蓖麻蚕 蜘蛛类虽然不属于昆虫 它也吐丝 马达加斯加有一种蜘蛛的丝与 天蚕科蛾的丝心蚕白纤维相似 简介4 2 2丝心蛋白蚕丝的断裂吸收能量 断裂功 比钢都大 家蚕丝的拉伸强度实验值是10GPa 可与高强度合成纤维媲美 性能茧丝还有一个不寻常的性质 即当负载率增大时 随着强度和 弹性模量增大 延伸率也增大 可达35 而绝大多数化学纤维的延伸率随负荷率的增大而下降 蜘蛛网表现出的材料和能量的高效利用令人叹服 180 的丝心蛋白能张开100 2的网络以捕捉飞虫 蜘蛛网通过其刚度 强度和延伸能力的巧妙平衡 把飞虫的冲击能 分散到大片的面积上 作用于蜘蛛网上的约70 的冲击能通过黏弹性拉伸过程发热耗散掉 从而避免了网破或将捕获物反弹回去 依赖于蚕丝的种类不同 断面有很多种几何形状 直径从0 01 50 不等 丝心蛋白一般约占蚕丝成分的70 75 包围丝心蛋白的丝胶蛋白占20 25 其他成分主要分布在丝胶中 如蜡质 0 4 0 8 色素 约约0 2 碳水化合物 1 2 1 6 无机物 0 7 蚕丝形状和组成丝心蛋白的结构丝心蛋白的结构丝蛋白的结构丝心 蛋白的结构家蚕丝心蛋白多肽链中包含结晶区域和非晶区 结晶区域的氨基酸顺序特点是Gly和Ala的大量重复 非晶区域规律较差 有 种多肽组分 含酩氨酸 缬氨酸比例比结 晶区高 主链中结晶区域和非结晶区域交互排布 每两个结晶区域 单个结 晶区含 个残基 和两个非晶区域 每个非结晶区域残基数为 组成一个重复单元 总是由 个这样的重复结构单元组成的 丝心蛋白的结构丝心蛋白构象性家蚕蛾幼虫的绢丝腺中逐渐合成的 可溶性silkI型液态蛋白经绢丝腺末端吐丝管压出而成为不可溶的si lkII型蛋白 丝心蛋白基因结构丝心蛋白形成成分与性能角蛋白是一大类蛋白质 常见于脊椎动物的皮肤 毛 发 角 忌毛 蹄中 角蛋白含有 大份额的硫 或交联的酩氨酸残基 按物种可将角蛋白分为哺乳动物角蛋白 鸟角蛋白和爬虫类角蛋白 三大类 人们对人发和羊毛中的角蛋白研究最为详细 4 2 3角蛋白大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微原纤维初原纤维 螺 旋卷发 烫发 的生物化学基础 角蛋白在湿热条件下伸展转变为 构象 冷却干燥时可自发地恢复原状 侧链R R基一般较大 不适于处在 构象 螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联 交联键使外力解除后肽链恢复原状烫发时还原剂氧化剂卷发时弹性 蛋白常与胶原和多糖一起存在于脊椎动物的结缔组织中 弹性蛋白是弹性纤维的主要成分 能拉长到原长度的几倍 而努力 松弛后就会很快恢复到原来的大小和形状 简介延伸率高而弹性模量低 很像橡胶 故名橡胶蛋白 4 2 4弹性蛋白在血管壁 特别是在心脏附近主动脉的弓形结构以及 韧带中 都有大量的弹性蛋白 在皮 腱和松结缔组织中弹性蛋白则较少 分布分布食草动物颈部凸出的弹性韧带含有丰富的弹性蛋白 可达8 0 应力 应变曲线性蛋白受热后仍很稳定 可用110 下的自动分解处理法 从结缔组织中去掉胶原和其他成分 从而提取出弹性蛋白 食草动物颈部韧带切变模量可达约0 6 在0 6MPa以下是标准 的弹性区弹性蛋白的氨基酸组成很独特 与胶原一样 残基中的1 3是甘氨酸 弹性蛋白中也富含脯氨酸 也富含非极性脂肪残基 如丙氨酸 缬 氨酸 亮氨酸和异亮氨酸 氨基组成与胶原不同 弹性蛋白中羟基脯氨酸极少 且不含羟基赖 氨酸和极性氨基酸 交联成熟的弹性蛋白包含许多交联 使其拉伸后能恢复到它们原来 的大小和形状 同时也使它极为难溶和分析 11 胶原中发现的醛醇交联也存在于弹性蛋白中 22 锁链赖氨酸素存在于弹性蛋白中 是由 个赖氨酸侧链组成 的 33 赖氨酸亮氨酸缩合物交联交联弹性蛋白交联之间的区段富含 甘氨酸 脯氨酸和缬氨酸 已经知道有些区段的氨基酸顺序显示规则性 交联前述序列性质使得 转折容易发生并导致一种螺旋二级结构 该螺旋结构亦称为元弹性蛋白螺旋 有足够敞开的空隙使水分子容 易进入螺旋心部 三级结构是三股弹性蛋白螺旋拧成的弹性蛋白纤维 分子结构 转折中的化学键旋转自由度使得螺旋具有弹性 这可能是由于蛋白质的疏水性和大量的水分子进入心区作用的结果 脊椎动物的肌肉有三种类型平滑肌 心肌和横纹肌 在电镜下可见沿肌肉收缩方向有周期约为0 2 的明暗带 明暗带 中央有一条细线 称 线 相邻 线之间的片段叫肌结 它是肌肉收缩的单位 这三种肌肉都具有特定的分级结构 4 2 5肌肉收缩蛋白典型的横纹肌细胞为圆柱形 体积非常大 长11 50 每个细胞 又称肌纤维 含有多达100个细胞核和许多成束 的纤维 后者称为肌原纤维 每个肌原纤维又由重复排列的肌节组成 在松弛的肌肉中 每个肌节长约21 在电镜下可见 每个肌节又包括两种类型的纤维粗丝就是肌球蛋白 细丝含有肌动蛋白 细丝的一端连接在 线上 另一端连接肌节的中央 肌肉中司运动功能的蛋白质包括收缩蛋白质 即肌球蛋白和肌动蛋 白 及调节蛋白质 如原肌球蛋白和肌钙蛋白等 肌肉肌纤维束肌纤维维肌原纤维粗丝和细丝肌球蛋白和肌动蛋白参 与需能的收缩活动肌原纤维由纵向排列的肌丝组成 粗丝 thick filament 只分布于暗 A带 细丝 thick filament I带只有细丝H区只有粗丝肌球蛋白肌动蛋白肌原纤维明带和暗带肌 节轻酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白头片肌动蛋白的两种形式球状 G actin 纤维状 F actin 单体形式聚合形式K Mg2 ATP存在时原肌球蛋白肌钙蛋白 复合体肌动蛋白变构引起肌肉收缩受Ca2 ATP调节目前对具体结构 与功能的对应规律研究尚刚刚起步整联蛋白又名整合素 因其主要 介导细胞与细胞外基质的黏附 使细胞附着以形成整体而得名 整联蛋白参与细胞爬行 活化 增殖 分化 介导吞噬与炎症形成 等多种功能 4 2 6整联蛋白整联蛋白分子结构是由 两条多肽链由非共价键 连接组成的异源二聚体 电镜下可见整联蛋白分子有一个球状头部 向下伸展有两条杆状结 构穿过细胞膜的磷脂双层 整联蛋白是一大类蛋白分子 已知其家族成员有20余种 有14种 链和 种 链 一种 链可与不同 链组合 而大多数 链只能与一种 链结合 按 亚单元可将整合素家族分为 1 8共8个组 在同一个组不同成员中 链均相同 链不同 整联蛋白家族的组成整联蛋白家族的分布一种整合素可分布于不同 的组织细胞表面 同一种细胞也可表达多种不同的整联蛋白整合素 少数整联蛋白分子的分布有明显的细胞类型特异性 如 2组主要分 布于白细胞表面 gp b a则表达于巨核细胞和血小板 整联蛋白分子的表达水平可随细胞分化和生长状况不同而改变 整合素家族的配体主要是ECM蛋白 如纤连蛋白 血纤蛋白原 玻连 蛋白等 是介导细胞与ECM相互黏附的物质 某些整联蛋白配体是细 胞表面分子 可介导细胞间的相互作用 当整联蛋白分子与配体结合时 所识别的只是配体分子中由数个氨 基酸组成的短肽序列 同一种短肽序列可存在于不同配体中 不同 整联蛋白分子也可识别相同的短肽序列 整联蛋白分子的配体组装三定律生物体用基本相同的结构蛋白大分 子 纤维蛋白 胶原及多糖 构造出形貌和功能完全不同的系统时 它们共同遵循下面三条定律 1 大分子结合成含有几个不同大小层次的组织 通常这些大分子结合成纤维状 这些纤维状本身又是用更小的亚纤 维组成 纤维常排列成多层结构以体现出整个复杂系统所需要的特定功能 在生物复合系统中观察到的大小层次至少有 级结构 即分子水平 纳米级 微观层次 宏观水平 这个结构是一个有序分级结构的生物复合系统中所需的最起码的构 成结构单元 2 多层次结构被具有特殊相互作用的界面连接在一起 有相当多证据表明 界面上的相互作用本质上是在特定活化结点上 或具有晶体特性的外延排列下的分子间化学键合 3 纤维和层状物组装成有取向的分级复合系统 复合系统被设计满足功能或性质的要求 这条组装定律使系统具备如下功能 即随着整个系统及使用的复杂 程度提高 系统对复杂的环境有高度的适应能力 这