蛋白質結構與功能的多樣性

山西大學生物技術研究所

DiversityofStructureandFunctionofProtein1.蛋白質空間結構的研究方法

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

質譜法熒光共振能量轉移技術

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-射線衍射法簡單原理◆基本原理●質譜技術MS

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

◎連續波NMR：是利用強磁場中原子核對射頻輻射的吸收光譜來鑒定無機物或有機物結構的分析技術

◎傅立葉變換NMR：在恒定的磁場中引入一定能量的脈沖使自旋取向發生改變并躍遷至高能態，收集高能態的核重返低能態過程中產生的感應電流經傅立葉變換得到的圖譜●產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

◎需要有外加磁場

◎只有那些能量與核自旋能級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

經過空間編碼技術，把在磁共振過程中所發出的電磁波以及與之有關的各種信息參數等，通過計算機處理，最后形成圖像。醫生通過分析圖像中的具體情況做出診斷◆對樣品的要求●質譜樣品必須先轉化為氣態●核磁共振

樣品通常都配制溶液，在配制溶液應注意幾個問題：

◎溶劑不應含被檢測的原子如：常用的氫譜，其溶劑不應含質子，常用的有

CCl4、CS2

◎樣品溶液的濃度一般為2-10﹪

◎化學位移基準物質（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

一般表明有幾種帶氫基團●各組吸收峰的位置

提供各類型氫核(各基團)所處化學環境的信息，用化學位移表示●各組峰的分裂情況及分裂峰的數目

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

提供各類型氫核(各基團)的數量比。在NMR譜圖中用峰面積的積分階梯線高度表示橫坐標為化學位移，說明在不同分子或同一分子的不同基團中，氫核所處的化學環境不同，產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境不同引起共振吸收頻率位移的現象叫化學位移◆核磁共振波譜法的特點●核磁共振波譜法是結構分析最強有力的手段之一，因為它把有機化合物最常見的組成元素氫(氫譜)或碳(碳譜)等作為“生色團”來使用的，因此它可能確定幾乎所有常見官能團的環境，有的是其它光譜或分析法所不能判斷的環境，NMR法譜圖的直觀性強，特別是碳譜能直接反映出分子的骨架，譜圖解釋較為容易。●有多種原子核的共振波譜(除了常用的氫譜外，還有碳譜，氟譜，磷譜等)，因此，擴大了應用范圍，各種譜之間還可以互相印證。●可以進行定量測定，研究反應機理，還可以求得某些化學過程的動力和熱力學的參數。●該法的缺點是：不能用于固體的測定，儀器比較昂貴，工作環境要求比較苛刻，因而影響了基應用的普及性電子顯微技術通過電子顯微鏡技術并結合圖像處理技術發展起來的，在直接提供生物大分子的形貌信息上具有很大的優越性。研究生物大分子、超分子復合體及亞細胞結構的有力手段

TandemMS(MS/MS)cangivesequenceinformation熒光共振能量轉移技術可用于蛋白質結構、蛋白質間的相互作用及酶研究中。將蛋白質標記上熒光探針，當蛋白質不發生作用時，其相對距離較大，無FRET現象；而蛋白質發生作用時，FRET發生。2.蛋白質結構預測方法蛋白質數據庫HPDB

或PDB

可分為三大類同源建模：目標序列與模板序列比較，按照模板序列的空間結構，經過優化，產生目標序列三維結構折疊識別——預測二級結構，預測折疊方式，參考其它蛋白的空間結構，產生目標序列三維結構；從無到有——單個氨基酸形成二級結構的傾向，加上各種作用力力場信息，直接產生目標序列三維結構。SWISS-MODEL是一項預測蛋白質三級結構的服務

三級結構預測（同源建模）：瑞士生物信息研究所SWISS-MODEL

丹麥技術大學生物序列分析中心CPHmodels

比利時拿摩大學ESyPred3D

英國癌癥研究中心3DJigsaw

二級結構預測（折疊識別）美國哥倫比亞大學PredictProtein

英國瓦衛克大學PSIpred

印度昌迪加爾的微生物技術研究所APSSP

歐洲生物信息研究所（EBI）Jpred

美國加利福尼亞大學SSpro

3.蛋白質的用途在臨床化學分析上：生物體化學成分的分析；酶的活力測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生產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：以蛋白質水解酶為添料

膠原蛋白在化妝品中的應用

膠原蛋白膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動物和無脊椎動物體內含量最豐富的蛋白質，它屬于結構蛋白質，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度。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度(tensilestrength)，約為20-30kg／mm2，相當于12號冷拉鋼絲的拉力。骨鉻中的膠原纖維為骨骼提供基質，在它的周圍排列著羥磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸鈣聚合物Ca10(PO4)6(OH)2]結晶。脊椎動物的皮膚含有編織比較疏松，向各個方向伸展的膠原纖維。血管亦含有膠原纖維。膠原蛋白的結構膠原蛋白在體內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)，長度為280nm，直徑為1.5nm，分子量為30萬Da。原膠原蛋白分子經多級聚合形成膠原纖維。在電子顯微鏡下，膠原纖維呈現特有的橫紋區帶，區帶間距為60-70nm，其大小取決于膠原的類型和生物來源；原膠原蛋白分子在膠原纖維中都是有規則地按四分之一錯位，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1／4錯位排列便形成間隔一定的（大約70nm)電子密度區域，而呈現模紋區帶。生物體內膠原蛋白網膠原蛋白的高級結構膠原蛋白中肽鏈的交聯膠原蛋白作為一種有效的化妝品原料，可以滋潤肌膚，賦予其平滑感覺，對頭發也有很好的調理作用。0.01%的膠原蛋白純溶液就有良好的抗各種輻射的作用，能形成很好的保水層。膠原蛋白應用于化妝品中的功效(1)營養性：保持角質層水分以及纖維結構的完整性(2)修復性：(3)保濕性：含有大量的親水基(4)配伍性：具有調節和穩定pH值、穩定泡沫、乳化膠體的作用(5)親和性：主要通過物理吸附與皮膚和頭發結合，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物有核細胞產生的糖蛋白。據其細胞來源、理化性質和抗原性的不同可分為IFNα、IFNβ和IFNγ三種類型。IFNS的生物學作用主要有：

①抑制病毒在細胞內增殖；

②抑制細胞分裂和抗腫瘤作用；

③在輔助MΦ的功能方面IFNγ的作用強于IFNα、β

④增強NK細胞、CTL和Mo/Mφ的活性、增強MHCⅠ、Ⅱ類分子和Fc受體的表達。Immunoglobulinsuperfamilymembers,foundoncellsurfacesorsecreted,arewidelyusedforspecificmolecularrecognition.1.AnimmunoglobulinG(IgG)molecule(of~150kD)wasfoundtocontaintwolightandtwoheavychains,connectingtoeachotherthroughdisulfidebonds. （1）PapaindigestionconverttheIgGmoleculeintotwoFabandoneFcfragments. （2）EachFabfragment(containingonecompletelightchainandhalfofasingleheavychain)bindsonemoleculeofantigeninasimilarmannertotheoriginalimmunoglobulinmolecule.（3）EachIgGmoleculebindstotwomoleculesofantigens(thuscalledbivalent).抗體結構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