蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性

山西大學(xué)生物技術(shù)研究所

DiversityofStructureandFunctionofProtein1.蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究方法

X-射線衍射法（X-raydiffractionmethod）核磁共振（NMR）電子顯微技術(shù)

質(zhì)譜法熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)

光譜法（紅外光譜、紫外差光譜、熒光光譜）旋光色散法（opticalrotatorydispersion,ORD）園二色性（circulardichroism,CD）X-射線衍射法簡(jiǎn)單原理◆基本原理●質(zhì)譜技術(shù)MS

是將帶電原子、分子或分子碎片按其質(zhì)荷比的大小順序排列而形成的圖譜●核磁共振波譜技術(shù)NMR

◎連續(xù)波NMR：是利用強(qiáng)磁場(chǎng)中原子核對(duì)射頻輻射的吸收光譜來(lái)鑒定無(wú)機(jī)物或有機(jī)物結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)

◎傅立葉變換NMR：在恒定的磁場(chǎng)中引入一定能量的脈沖使自旋取向發(fā)生改變并躍遷至高能態(tài)，收集高能態(tài)的核重返低能態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)傅立葉變換得到的圖譜●產(chǎn)生核磁共振波譜的必要條件有三條

◎原子核必須具有核磁性質(zhì)

◎需要有外加磁場(chǎng)

◎只有那些能量與核自旋能級(jí)差相同的電磁輻射才能被共振吸收，這就是核磁共振波譜的選擇性

經(jīng)過(guò)空間編碼技術(shù)，把在磁共振過(guò)程中所發(fā)出的電磁波以及與之有關(guān)的各種信息參數(shù)等，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，最后形成圖像。醫(yī)生通過(guò)分析圖像中的具體情況做出診斷◆對(duì)樣品的要求●質(zhì)譜樣品必須先轉(zhuǎn)化為氣態(tài)●核磁共振

樣品通常都配制溶液，在配制溶液應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題：

◎溶劑不應(yīng)含被檢測(cè)的原子如：常用的氫譜，其溶劑不應(yīng)含質(zhì)子，常用的有

CCl4、CS2

◎樣品溶液的濃度一般為2-10﹪

◎化學(xué)位移基準(zhǔn)物質(zhì)（TMS）的濃度一般為0.2﹪左右◆譜圖提供的主要信息

●共振吸收峰的組數(shù)

一般表明有幾種帶氫基團(tuán)●各組吸收峰的位置

提供各類型氫核(各基團(tuán))所處化學(xué)環(huán)境的信息，用化學(xué)位移表示●各組峰的分裂情況及分裂峰的數(shù)目

提供各類型(各基團(tuán))的相互作用情況，用磁核的自旋偶合和裂分表示●各組峰的相對(duì)強(qiáng)度

提供各類型氫核(各基團(tuán))的數(shù)量比。在NMR譜圖中用峰面積的積分階梯線高度表示橫坐標(biāo)為化學(xué)位移，說(shuō)明在不同分子或同一分子的不同基團(tuán)中，氫核所處的化學(xué)環(huán)境不同，產(chǎn)生核磁共振所吸收的頻率也不一樣，這種由于核周圍分子環(huán)境不同引起共振吸收頻率位移的現(xiàn)象叫化學(xué)位移◆核磁共振波譜法的特點(diǎn)●核磁共振波譜法是結(jié)構(gòu)分析最強(qiáng)有力的手段之一，因?yàn)樗延袡C(jī)化合物最常見(jiàn)的組成元素氫(氫譜)或碳(碳譜)等作為“生色團(tuán)”來(lái)使用的，因此它可能確定幾乎所有常見(jiàn)官能團(tuán)的環(huán)境，有的是其它光譜或分析法所不能判斷的環(huán)境，NMR法譜圖的直觀性強(qiáng)，特別是碳譜能直接反映出分子的骨架，譜圖解釋較為容易?！裼卸喾N原子核的共振波譜(除了常用的氫譜外，還有碳譜，氟譜，磷譜等)，因此，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，各種譜之間還可以互相印證。●可以進(jìn)行定量測(cè)定，研究反應(yīng)機(jī)理，還可以求得某些化學(xué)過(guò)程的動(dòng)力和熱力學(xué)的參數(shù)?！裨摲ǖ娜秉c(diǎn)是：不能用于固體的測(cè)定，儀器比較昂貴，工作環(huán)境要求比較苛刻，因而影響了基應(yīng)用的普及性電子顯微技術(shù)通過(guò)電子顯微鏡技術(shù)并結(jié)合圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，在直接提供生物大分子的形貌信息上具有很大的優(yōu)越性。研究生物大分子、超分子復(fù)合體及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的有力手段

TandemMS(MS/MS)cangivesequenceinformation熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)可用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)間的相互作用及酶研究中。將蛋白質(zhì)標(biāo)記上熒光探針，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)不發(fā)生作用時(shí)，其相對(duì)距離較大，無(wú)FRET現(xiàn)象；而蛋白質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，F(xiàn)RET發(fā)生。2.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)HPDB

或PDB

可分為三大類同源建模：目標(biāo)序列與模板序列比較，按照模板序列的空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，產(chǎn)生目標(biāo)序列三維結(jié)構(gòu)折疊識(shí)別——預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)折疊方式，參考其它蛋白的空間結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生目標(biāo)序列三維結(jié)構(gòu)；從無(wú)到有——單個(gè)氨基酸形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向，加上各種作用力力場(chǎng)信息，直接產(chǎn)生目標(biāo)序列三維結(jié)構(gòu)。SWISS-MODEL是一項(xiàng)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的服務(wù)

三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（同源建模）：瑞士生物信息研究所SWISS-MODEL

丹麥技術(shù)大學(xué)生物序列分析中心CPHmodels

比利時(shí)拿摩大學(xué)ESyPred3D

英國(guó)癌癥研究中心3DJigsaw

二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（折疊識(shí)別）美國(guó)哥倫比亞大學(xué)PredictProtein

英國(guó)瓦衛(wèi)克大學(xué)PSIpred

印度昌迪加爾的微生物技術(shù)研究所APSSP

歐洲生物信息研究所（EBI）Jpred

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)SSpro

3.蛋白質(zhì)的用途在臨床化學(xué)分析上：生物體化學(xué)成分的分析；酶的活力測(cè)定許多蛋白制劑是安全有效的藥品酶法分析也用于食品分析上一些工業(yè)生產(chǎn)上也常常利用酶制劑：生絲在日常生活中所使用的合成洗滌劑：以蛋白質(zhì)水解酶為添料

膠原蛋白在化妝品中的應(yīng)用

膠原蛋白膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它屬于結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機(jī)械強(qiáng)度。膠原蛋白至少包括四種類型，稱膠原蛋白I、Ⅱ、Ⅲ和IV。腱的膠原纖維具有很高的抗張強(qiáng)度(tensilestrength)，約為20-30kg／mm2，相當(dāng)于12號(hào)冷拉鋼絲的拉力。骨鉻中的膠原纖維為骨骼提供基質(zhì)，在它的周圍排列著羥磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸鈣聚合物Ca10(PO4)6(OH)2]結(jié)晶。脊椎動(dòng)物的皮膚含有編織比較疏松，向各個(gè)方向伸展的膠原纖維。血管亦含有膠原纖維。膠原蛋白的結(jié)構(gòu)膠原蛋白在體內(nèi)以膠原纖維的形式存在。其基本組成單位是原膠原蛋白分子(tropocollagen)，長(zhǎng)度為280nm，直徑為1.5nm，分子量為30萬(wàn)Da。原膠原蛋白分子經(jīng)多級(jí)聚合形成膠原纖維。在電子顯微鏡下，膠原纖維呈現(xiàn)特有的橫紋區(qū)帶，區(qū)帶間距為60-70nm，其大小取決于膠原的類型和生物來(lái)源；原膠原蛋白分子在膠原纖維中都是有規(guī)則地按四分之一錯(cuò)位，首尾相接，并行排列組成纖維束。由于原膠原肽鏈上殘基所帶電荷不同，因而電子密度不同，這樣通過(guò)1／4錯(cuò)位排列便形成間隔一定的（大約70nm)電子密度區(qū)域，而呈現(xiàn)模紋區(qū)帶。生物體內(nèi)膠原蛋白網(wǎng)膠原蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)膠原蛋白中肽鏈的交聯(lián)膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料，可以滋潤(rùn)肌膚，賦予其平滑感覺(jué)，對(duì)頭發(fā)也有很好的調(diào)理作用。0.01%的膠原蛋白純?nèi)芤壕陀辛己玫目垢鞣N輻射的作用，能形成很好的保水層。膠原蛋白應(yīng)用于化妝品中的功效(1)營(yíng)養(yǎng)性：保持角質(zhì)層水分以及纖維結(jié)構(gòu)的完整性(2)修復(fù)性：(3)保濕性：含有大量的親水基(4)配伍性：具有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定pH值、穩(wěn)定泡沫、乳化膠體的作用(5)親和性：主要通過(guò)物理吸附與皮膚和頭發(fā)結(jié)合，能耐漂洗處理

干擾素

(interferon，IFN)干擾素是由病毒或干擾素誘生劑刺激人或動(dòng)物有核細(xì)胞產(chǎn)生的糖蛋白。據(jù)其細(xì)胞來(lái)源、理化性質(zhì)和抗原性的不同可分為IFNα、IFNβ和IFNγ三種類型。IFNS的生物學(xué)作用主要有：

①抑制病毒在細(xì)胞內(nèi)增殖；

②抑制細(xì)胞分裂和抗腫瘤作用；

③在輔助MΦ的功能方面IFNγ的作用強(qiáng)于IFNα、β

④增強(qiáng)NK細(xì)胞、CTL和Mo/Mφ的活性、增強(qiáng)MHCⅠ、Ⅱ類分子和Fc受體的表達(dá)。Immunoglobulinsuperfamilymembers,foundoncellsurfacesorsecreted,arewidelyusedforspecificmolecularrecognition.1.AnimmunoglobulinG(IgG)molecule(of~150kD)wasfoundtocontaintwolightandtwoheavychains,connectingtoeachotherthroughdisulfidebonds. （1）PapaindigestionconverttheIgGmoleculeintotwoFabandoneFcfragments. （2）EachFabfragment(containingonecompletelightchainandhalfofasingleheavychain)bindsonemoleculeofantigeninasimilarmannertotheoriginalimmunoglobulinmolecule.（3）EachIgGmoleculebindstotwomoleculesofantigens(thuscalledbivalent).抗體結(jié)構(gòu)2.Completeaminoacidsequenceanalysisofpurifiedmyeloma（骨髓瘤）patient’simmunoglobulinsrevealedstrikinglythattheLandHchainsconsistofvariableandconstantregions.

（1）Residues1to108intheLchainsarerelativelyvariable,and109to204relativelyconstant. （2）Residues1to108intheHchainsarevariable,and109to446relativelyconstant. （3）ThreesegmentsintheLchainandthreeintheHchaindisplayfarmorevariabilitythandoothers,whicharethusnamedashypervariablesegments(alsocalledcomplementary-determiningregions,orCDRs,)theydetermineantibodyspecificity.

（4）Aminoacidsequenceanalysisrevealedthatthevariableregionofthelightchain(VL)issimilarinsequencetothatoftheheavychain(VH). （5）Theconstantregionofeachheavychaincandividedintothreeparts(CH1,CH2,CH3)ofsimilarsequences. （6）Theaminoacidsequenceoftheconstantregionofeachlightchain(CL)issimilartothatofthethreepartsintheconstantregionoftheheavychains. RodneyPorterandGerryEdelmanwereawardedtheNobelPrizein1972inMedicineorPhysiologyfortheirstructure-functionstudiesontheantibodymolecules.3.X-raycrystallographystudiesrevealed,strikingly,thattheimmunoglobulinmoleculesaremadeof12structurallysimilardomains.

（1）Eachdomainhasarecurringstructuralmotif,calledtheimmunoglobulinfoldconsistingoftwobroadsheetsofantiparallelb-strandsjoinedbyadisulfidebond.（2）TheCDRsofbothVLandVHarel