蛋白质结构与功能的多样性

胶原蛋白的结构




胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基 本组成单位是原胶原蛋白分子 (tropocollagen)，长度为280nm，直径为 1.5nm，分子量为30万Da。 原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在 电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带， 区带间距为60-70nm，其大小取决于胶原的类 型和生物来源； 原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按 四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维 束。 由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电 子密度不同，这样通过1／4错位排列便形成间 隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现 模纹区带。
●共振吸收峰的组数
一般表明有几种带氢基团
●各组吸收峰的位置
提供各类型氢核(各基团)所处化学环境的信息，用化学 位移表示
●各组峰的分裂情况及分裂峰的数目
提供各类型(各基团)的相互作用情况，用磁核的自旋偶 合和裂分表示
● 各组峰的相对强度
提供各类型氢核(各基团)的数量比。在NMR谱图中用峰 面积的积分阶梯线高度表示
④增强NK细胞、CTL和Mo/Mφ 的活性、增强MHCⅠ、Ⅱ类分子 和Fc受体的表达。
Immunoglobulin superfamily members, found on cell surfaces or secreted, are widely used for specific molecular recognition.




（ 4 ） Amino acid sequence analysis revealed that the variable region of the light chain (VL) is similar in sequence to that of the heavy chain (VH). （ 5 ） The constant region of each heavy chain can divided into three parts (CH1, CH2, CH3) of similar sequences. （ 6 ） The amino acid sequence of the constant region of each light chain (CL) is similar to that of the three parts in the constant region of the heavy chains. Rodney Porter and Gerry Edelman were awarded the Nobel Prize in 1972 in Medicine or Physiology for their structure-function studies on the antibody molecules.


（ 1 ） Residues 1 to 108 in the L chains are relatively variable, and 109 to 204 relatively constant. （ 2 ） Residues 1 to 108 in the H chains are variable, and 109 to 446 relatively constant. （ 3 ） Three segments in the L chain and three in the H chain display far more variability than do others, which are thus named as hypervariable segments (also called complementary-determining regions, or CDRs, ) they determine antibody specificity.
X-射线衍射法
简单原理
◆基本原理
●质谱技术 MS
是将带电原子、分子或分子碎片按其质荷比的大小顺序排 列而形成的图谱

●
核磁共振波谱技术
NMR


◎连续波NMR：是利用强磁场中原子核对射 频辐射的吸收光谱来鉴定无机物或有机物结 构的分析技术 ◎傅立叶变换NMR：在恒定的磁场中引入一 定能量的脉冲使自旋取向发生改变并跃迁至 高能态，收集高能态的核重返低能态过程中 产生的感应电流经傅立叶变换得到的图谱
电子显微技术


通过电子显微镜技术并结合图像处理技 术发展起来的，在直接提供生物大分子 的形貌信息上具有很大的优越性。 研究生物大分子、超分子复合体及亚细 胞结构的有力手段
Tandem MS (MS/MS) can give sequence information
荧光共振能量转移技术


可用于蛋白质结构、蛋白质间的相互作 用及酶研究中。 将蛋白质标记上荧光探针，当蛋白质不 发生作用时，其相对距离较大，无 FRET现象；而蛋白质发生作用时， FRET发生。
3. 蛋白质的用途


在临床化学分析上 ：生物体化学成分的分 析；酶的活力测定 许多蛋白制剂是安全有效的药品 酶法分析也用于食品分析上 一些工业生产上也常常利用酶制剂 ：生丝 在日常生活中所使用的合成洗涤剂：以蛋白 质水解酶为添料
胶原蛋白在化妆品中的应用
胶原蛋白



横坐标为化学位移，说明在不同分子或同一分子的不同基团中，氢核所处的化学 环境不同，产生核磁共振所吸收的频率也不一样，这种由于核周围分子环境不同 引起共振吸收频率位移的现象叫化学位移
◆核磁共振波谱法的特点
●核磁共振波谱法是结构分析最强有力的手段之一，因为它把 有机化合物最常见的组成元素氢(氢谱)或碳(碳谱)等作为 “生 色团”来使用的，因此它可能确定几乎所有常见官能团的环 境，有的是其它光谱或分析法所不能判断的环境，NMR法谱 图的直观性强，特别是碳谱能直接反映出分子的骨架，谱图 解释较为容易。 ●有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有碳谱， 氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种谱之间还可 以 互相印证。 ●可以进行定量测定，研究反应机理，还可以求得某些化学过 程的动力和热力学的参数。 ●该法的缺点是：不能用于固体的测定，仪器比较昂贵，工作 环境要求比较苛刻，因而影响了基应用的普及性
●
产生核磁共振波谱的必要条件有三条
◎原子核必须具有核磁性质 ◎需要有外加磁场 ◎只有那些能量与核自旋能级差相同的电磁辐射才能 被共振吸收，这就是核磁共振波谱的选择性

Байду номын сангаас
经过空间编码技术，把在磁共振过程中所发出的电磁波以及与之 有关的各种信息参数等，通过计算机处理，最后形成图像。医生通过 分析图像中的具体情况做出诊断
干扰素 (interferon，IFN)


干扰素是由病毒或干扰素诱生剂刺激人或动 物有核细胞产生的糖蛋白。 据其细胞来源、理化性质和抗原性的不同可 分为IFNα、IFNβ和IFNγ三种类型。
IFNS的生物学作用主要有：

①抑制病毒在细胞内增殖；
②抑制细胞分裂和抗肿瘤作用；
③在辅助MΦ的功能方面IFNγ的 作用强于IFNα、β
蛋白质结构与功能的多样性
Diversity of Structure and Function of Protein
山西大学生物技术研究所
1. 蛋白质空间结构的研究方法
(1) X-射线衍射法（X-ray diffraction method） (2) 核磁共振（NMR） (3) 电子显微技术 (4) 质谱法 (5) 荧光共振能量转移技术 (6) 光谱法（红外光谱、紫外差光谱、荧光光谱） (7) 旋光色散法（optical rotatory dispersion, ORD） (8) 园二色性（circular dichroism, CD）

三级结构预测（同源建模）：


瑞士生物信息研究所 SWISS-MODEL 丹麦技术大学生物序列分析中心 CPHmodels 比利时拿摩大学 ESyPred3D 英国癌症研究中心 3DJigsaw
二级结构预测（折叠识别）



美国哥伦比亚大学 PredictProtein 英国瓦卫克大学 PSIpred 印度昌迪加尔的微生物技术研究所 APSSP 欧洲生物信息研究所（EBI）Jpred 美国加利福尼亚大学 SSpro




1. An immunoglobulin G (IgG) molecule (of ~150 kD) was found to contain two light and two heavy chains, connecting to each other through disulfide bonds. （ 1 ） Papain digestion convert the IgG molecule into two Fab and one Fc fragments. （ 2 ） Each Fab fragment (containing one complete light chain and half of a single heavy chain) binds one molecule of antigen in a similar manner to the original immunoglobulin molecule. （ 3 ） Each IgG molecule binds to two molecules of antigens (thus called bivalent).
胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物 和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它属 于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机 械强度。 胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、Ⅱ、 Ⅲ和IV。 腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength)，约为20-30kg／mm2， 相当于12号 冷拉钢丝的拉力。 骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周 围排列着羟磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸钙聚 合物Ca10(PO4)6(OH)2]结晶。脊椎动物的皮肤 含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤 维。血管亦含有胶原纤维。
2. 蛋白质结构预测方法

蛋白质数据库 HPDB 或 PDB 可分为三大类 同源建模 ：目标序列与模板序列比较，按照模板序 列的空间结构，经过优化，产生目标序列三维结构 折叠识别——预测二级结构，预测折叠方式，参考其 它蛋白的空间结构，产生目标序列三维结构； 从无到有——单个氨基酸形成二级结构的倾向，加上 各种作用力力场信息，直接产生目标序列三维结构。 SWISS-MODEL是一项预测蛋白质三级结构的服务
◆对样品的要求
●质谱 样品必须先转化为气态 ●核磁共振
样品通常都配制溶液，在配制溶液应注意几个问题： ◎溶剂不应含被检测的原子 如：常用的氢谱，其溶剂不应含质子，常用的有 CCl4、CS2 ◎样品溶液的浓度一般为2-10﹪ ◎化学位移基准物质（TMS）的浓度一般为0.2﹪左右
◆谱图提供的主要信息
抗体结构
2. Complete amino acid sequence analysis of purified myeloma （骨髓瘤）patient’s immunoglobulins revealed strikingly that the L and H chains consist of variable and constant regions.
生物体内胶原蛋白网
胶原蛋白的高级结构
胶原蛋白中肽链的交联


胶原蛋白作为一种有效的化妆品原料， 可以滋润肌肤，赋予其平滑感觉，对头 发也有很好的调理作用。 0.01%的胶原蛋白纯溶液就有良好的抗 各种辐射的作用，能形成很好的保水 层。
胶原蛋白应用于化妆品中的功效

(1)营养性 ：保持角质层水分以及纤维 结构的完整性 (2)修复性 ： (3)保湿性 ：含有大量的亲水基 (4)配伍性 ：具有调节和稳定pH值、稳 定泡沫、乳化胶体的作用 (5)亲和性：主要通过物理吸附与皮肤 和头发结合，能耐漂洗处理