第2章-结构蛋白质生物材料学

第2章结构蛋白质,主要内容,2.1蛋白质,2.2结构蛋白质,2.3结构蛋白组装三定律,胶原丝心蛋白角蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白整联蛋白,2.1蛋白质,2.1.1蛋白质的化学组成,()元素组成,蛋白质的构件分子,ProteinArchitecture,2.1.2氨基酸,(AminoAcid,AA,Aa,aa),氨基酸的结构,地球上天然形成的AA300种以上。构成蛋白质的AA只有20余种，且都是-氨基酸。,什么是氨基酸？,二、肽（peptide）,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。,由两个AA组成的肽称为二肽。由多个AA组成的肽则称为多肽。组成多肽的AA单元称为氨基酸残基。,共价主链,2.1.3蛋白质构象和结构的组织层次,蛋白质的结构层次,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,示例,二、二级结构（SecondaryStructure）,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。,（一）-螺旋（-helix）,1、-螺旋的结构,螺距0.54nm每圈含3.6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。,（二）-折叠,（-pleatedsheet）,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,1、-折叠结构特点,（三）-转角和凸起,1、转角（turn/bend/hairpinstructure）,肽链主链骨架180的回折结构特点：由4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）HC（NHCHCO）2NR,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,2、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。,（四）无规卷曲（randomcoil）,六、超二级结构与结构域,（一）超二级结构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。,（二）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：1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的调整,球状蛋白质与三级结构,(TertiaryStructure),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,在二级结构基础上包括主链和侧链构象在内的三维结构球状蛋白质的分类：根据其结构域分为4大类,蛋白质四级结构(QuaternaryStructure）,亚基缔合和四级结构,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,1、单体蛋白2、亚基3、聚集体（二、三、寡）4、同多聚蛋白、异多聚蛋白5、原聚体（原体）6、分子和分子聚集体,有关四级结构的概念,（二）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,（三）亚基相互作用的方式多聚蛋白质,同种缔合,异种缔合,两个亚基的结构,（四）四级结构的对称性,单体蛋白没有对称性；含两/多种不同单拷贝亚基的异多聚体没有对称性；只有含相同亚基有可能有对称性。,1、影响蛋白质三维结构的因素内力（内因）蛋白质分子内各原子间作用力外力（外因）与溶剂及其他溶质作用力,稳定蛋白质结构的作用力,2、蛋白质分子内部的作用力,肽键、二硫键一级结构氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键三维结构,（)氢键(Hydrogenbond),两负电性原子对氢原子的静电引力所形成XHY质子给予体X-H和质子接受体Y间相互作用氢键具有：方向性-（键角）指XH与HY间的夹角饱和性-XH只与一个Y结合,（)范德华力(vanderWaalsforce),（）疏水作用(HydrophobicInteractions),非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所产生主要存在蛋白质的内部结构蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质可形成分子内疏水链/腔/缝隙稳定生物大分子的高级结构,（)离子键(Electrostaticattraction),又称盐键：具有相反电荷的两个基团间的库仑作用。,F：吸引力Q1/2：电荷电量：介质介电常数R：电荷质点间距离,（5）二硫键(DisulfideBond)由含硫氨基酸形成起稳定肽链空间结构的作用二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失,二硫键的断裂,盐酸胍/尿素解离多肽链间的非共价力。应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。,（6）配位键(Metal-ionCoordination)两个原子之间形成的共价键共用电子对由其中一个原子提供金属离子与蛋白质的结合方式例如：铁氧还蛋白,（7）酯键(EsterBond)Ser/Thr的羟基与AA的羧基形成酯键磷酸与含羟基AA缩合形成磷酸酯键,2.1.4蛋白质合成与转运,一、蛋白质的生物合成合成场所：核糖体原料：AA、tRNA、mRNA、rRNA其他蛋白因子、ATP、GTP,（二）蛋白质合成的分子基础1、模板是mRNA含有密码子阅读方向5到3起始密码和终止密码3端：真核生物有PolyA尾巴5端：决定起始密码的选择,2、tRNA转运活化的AA到模板上每种AA都至少有一种tRNA负责转运书写方式：tRNAPhe、tRNASer通常一种AA具有几种tRNA,3、核糖体是蛋白质合成的工厂,（二）蛋白质合成的步骤1、氨酰tRNA的生成,2、氨酰tRNA合成酶识别：AA、tRNA、ATP,型和型酶,7、蛋白合成的延伸（elongation）,延伸因子EF-TuEF-Ts真核：EF-1,8、翻译的终止（terminate）没有识别终止密码子的tRNA释放因子核糖体释放因子,肽酰转移酶活性变为酯酶活性,五、蛋白质的运输及翻译后修饰,1、肽链末端的修饰：N-端fMet或Met的切除2、信号序列的切除3、二硫键的形成4、部分肽段的切除5、个别氨基酸的修饰6、糖基侧链的添加7、辅基的加入,蛋白质的加工修饰,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,2.2结构蛋白质,2.2.1胶原蛋白(collagen),胶原的存在形式胶原主要存在于动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带和血管中，真皮的蛋白质主要是纤维状胶原。胶原是白色，透明、无分支的原纤维，在它周围是由其它蛋白质和粘多糖组成的基质。严格讲，胶原是指生物体组织中存在的一类蛋白质或在提取时没有改变结构的蛋白质。而从生物体中提取的，结构和分子量都发生变化的应称为胶原蛋白。属结构蛋白质使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度,胶原的组成胶原是人体和脊椎动物的主要结构蛋白，占人体内蛋白总量的25-30%，相当于体重6%，是支持组织和结缔组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机部分）的主要组成成分。哺乳动物的皮肤胶原种属差异较小，不同种类的动物分离出的胶原极其相似。胶原蛋白中含有大量的甘氨酸、脯氨酸、羟基脯氨酸，同时因为胶原中羟基脯氨酸含量比较均一，因此由测量羟基脯氨酸的量、很容易计算出胶原含量。一般含有C.H.N.O.S五种元素，有些含有P和卤族元素或金属元素Fe、Cu、Zn、Cd等.,胶原的氨基酸含量氨基酸含量（克分子/100克分子）甘氨酸31.4-33.8脯氨酸11.7-13.8羟基脯氨酸9.4-12.5酸性氨基酸11.5-12.5（天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰氨）碱性氨基酸8.5-8.9（赖氨酸、精氨酸、组氨酸）其他氨基酸余量,原胶原蛋白胶原蛋白的基本单位称原胶原蛋白，它是由大约1000个氨基酸基构成的肽链所组成，其分子量约为30万。根据肽链结构与组成的不同，可将其分为由两种不同的肽链，即由两条1（I）肽链和一条2（I）肽链所组成的I型胶原和由三条相同肽链所组成的、型胶原。均具有重复的三重序列结构（甘氨酸XY）,原胶原蛋白胶原蛋白的基本单位称原胶原蛋白，它是由大约1000个氨基酸基构成的肽链所组成，其分子量约为30万。根据肽链结构与组成的不同，可将其分为由两种不同的肽链，即由两条1（I）肽链和一条2（I）肽链所组成的I型胶原和由三条相同肽链所组成的、型胶原。均有重复的三重序列结构（甘氨酸XY）n,胶原的性质胶原的两性电解质：胶原的相对分子量和分子量分布：取决于制备方法。胶原的胶体性质：胶原有许多极性侧基，亲水能力较强，吸收的水有结合水和自由状态的水两种。胶原蛋白的变性：引发变性的因素很多（加热，机械作用，辐射，化学试剂等），变性的结果是生物活性丢失。胶原的化学反应：与亚硝酸、醛、茚、酸、碱以及盐的反应。,HOOC-R-NH3+-OOC-RNH3+-OOC-RNH2正离子两性离子负离子,AA组成皮肤中胶原蛋白肽链的96%是按三联体(G1yxy)n顺序重复排列Gly数目占残基总数1/3X常为Pro，y常为Hy-Pro/Hy-Lys需Vc、是糖蛋白,由肽组成至少有：l(I)/l(II)/l(III)/1(IV)和2胶原蛋白I：1(I)22三螺旋五种肽链AA顺序不同，分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右,胶原蛋白的类型,Gly,结构,胶原的二级结构示意图,胶原的分解,胶原的基因,胶原合成过程,胶原的制备天然胶原一般伴有杂质，因此使用前多需净化分离。为了保持胶原的力学性能，应力求在整个过程中保持胶原的纤维状结构和尽可能的避免其变性和降解。由于胶原分子间常存在某些共价交联，不易从动物组织中直接萃取。但在某些组织中，例如幼小动物的皮肤中，存在约百分之几的胶原，未能形成交联或交联不够充分。因而可以用0.5-1M冷NaCl溶液进行萃取，这部分可溶性胶原通常作为标准品进行研究。,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。,胶原蛋白一般的应用氨基酸：由蛋白质水解得到氨基酸，可用来制备氨基酸营养液。保健食品：补钙剂、排铝散、减肥降血脂、指甲头发护理剂。表面活性剂：润肤乳剂、洗发香波及其它化妆品。絮凝剂：两性电解质，絮凝范围大。黏合剂：墨水、墨汁、造纸的施胶剂，航空黏合剂。生物农药：,胶原蛋白一般的医用人造血浆：胶原蛋白纯化，祛除热源，分子量在5万-10万与血液的渗透压相当，可用做血浆的代用品。胶原蛋白海绵：止血剂，可用于几乎所有的外科手术。胶原蛋白纤维：用做制备手术缝合线、内衣内裤及其抗菌贴身服装固定化酶：对酶的亲合性好，能吸附多种酶和细胞。与甲壳素的并用：人造活性皮肤药物缓释材料其他医用材料。,胶原蛋白的灭菌最常用的胶原制品的灭菌的方法是离子辐射菌，但其他灭菌方法如干热灭菌、环氧乙烷气体灭菌亦可采用，它对胶原蛋白的性能影响不大，但是对再生可溶性胶原的灭菌，应采用温和的灭菌方法，一般均采用过滤法除菌，然后在无菌条件下加工和包装。天然动物胶原，通过适当加工改性亦可直接用于人体，如心瓣膜，肌腱等。,腱,肠,眼角膜,2.2.2-角蛋白（Keratin）,-角蛋白,硬-角蛋白强,软-角蛋白弱,皮肤与皮肤的衍生物,主要由-螺旋构象的多肽链组成,毛发的结构,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,2.2.3-角蛋白,丝蛋白的结构,2.2.4弹性蛋白（elastin）,2.2.5肌球蛋白和原肌球蛋白,肌肉,肌纤维束,肌纤维,肌原纤维,粗丝和细丝,轻酶解肌球蛋