3.051/BE.340 第五讲蛋白质表面相互作用 蛋白质表面相互作用的重要性 调节细胞粘附 激发生物体系列反应,产生异体反应 ●诊断分析/传感装置的设计和使用的关键 激发其他生物粘附:蛋白污染,细菌粘附等 关于蛋白质的基础知识: 细胞的最大有机组成(~18Mt%/H2O=70%);细胞外基质和血浆(7wt%H2O=90%)。 ●成千上万的存在一每一种都是DNA上的一个基因编码。 ●涉及细胞的所有活动:粘附,移动,分泌,识别,繁殖和凋亡(死亡)。 在体液中可溶或不溶 不溶蛋白质—组成结构和运动功能的部分:也能调节细胞功能(通过吸附肽) 可溶蛋白质一通过吸附、粘附等强烈地控制细胞功能 ●分子量存在很大的范围
1 3.051/BE.340 第五讲 蛋白质表面相互作用 蛋白质表面相互作用的重要性 z 调节细胞粘附 z 激发生物体系列反应，产生异体反应 z 诊断分析/传感装置的设计和使用的关键 z 激发其他生物粘附：蛋白污染，细菌粘附等 关于蛋白质的基础知识： z 细胞的最大有机组成（~18wt%/H2O=70%）；细胞外基质和血浆（7wt%/H2O=90%）。 z 成千上万的存在—每一种都是 DNA 上的一个基因编码。 z 涉及细胞的所有活动：粘附，移动，分泌，识别，繁殖和凋亡（死亡）。 z 在体液中可溶或不溶 不溶蛋白质—组成结构和运动功能的部分；也能调节细胞功能（通过吸附肽） 可溶蛋白质—通过吸附、粘附等强烈地控制细胞功能 z 分子量存在很大的范围
3.051/BE.340 “肽”(若干个氨基酸):激素,药物试剂 例如:脑下垂体后叶荷尔蒙(催产素):刺激子宫收缩(9aa.) 天(/D冬氨酰苯内氨酸甲酯:天然甜味剂(2aa) “多肽”(~10-100氨基酸)激素,生长因子 例如:胰岛素:两条多肽链(30&21aa.) 表皮生长因f(45aa) “蛋白质”(100°s-10003s氨基酸) 例如:血清白蛋白(550aa) 阿朴脂蛋白B:胆固醇转运蛋白(4536aa) 蛋白质的作用: 结构支架:细胞外基质组分,作为细胞物理支持 例如:胶原—纤维状,提供强度 弹性蛋白—为韧带提供弹性 支持蛋白:纤维连接蛋白、层粘蛋白、体外连接蛋白—调节细胞吸附糖蛋白 ●酶:通过释放键能,降低通过稳定态的能量,催化化学反应。 例如:脲——催化水解尿素
2 3.051/BE.340 “肽”（若干个氨基酸）：激素，药物试剂 例如： 脑下垂体后叶荷尔蒙（催产素）：刺激子宫收缩（9 a.a.） 天(门)冬氨酰苯丙氨酸甲酯：天然甜味剂 (2 a.a.) “多肽”（~ 10-100 氨基酸）激素，生长因子 例如： 胰岛素：两条多肽链（30&21a.a.） 表皮生长因子(45a.a) “蛋白质”（100’s-1000’s 氨基酸） 例如： 血清白蛋白（550 a.a.） 阿朴脂蛋白 B ：胆固醇转运蛋白(4536 a.a.) 蛋白质的作用： z 结构/支架：细胞外基质组分，作为细胞物理支持 例如：胶原——纤维状，提供强度 弹性蛋白——为韧带提供弹性 支持蛋白：纤维连接蛋白、层粘蛋白、体外连接蛋白——调节细胞吸附糖蛋白 z 酶：通过释放键能，降低通过稳定态的能量，催化化学反应。 例如：脲酶——催化水解尿素
3.051/BE.340 ●转运:结合并运输特殊分子到达器官或者穿越细胞膜 例如:血色素运输氧气到组织 血清白蛋白转运脂肪酸 运动:提供细胞运动机制。例如聚合(解聚)和收缩 例如:肌肉中的肌动蛋白,肌浆球蛋白 防御:蛋白质构成免疫反应和凝固机制 例如:免疫球蛋白(抗体)一种Y形的蛋白质,它结合抗原(异种蛋白)诱导聚集形 纤维蛋白原和凝血酶一通过结合血小板受体诱导产生凝血 ●调控:细胞因子一调节细胞行为。 例如:激素:胰岛素(调节糖代谢):生长因子
3 3.051/BE.340 z 转运：结合并运输特殊分子到达器官或者穿越细胞膜。 例如：血色素-运输氧气到组织 血清白蛋白-转运脂肪酸 z 运动：提供细胞运动机制。例如聚合（解聚）和收缩 例如：肌肉中的肌动蛋白，肌浆球蛋白 z 防御：蛋白质构成免疫反应和凝固机制 例如：免疫球蛋白（抗体）一种 Y 形的蛋白质，它结合抗原（异种蛋白）诱导聚集形 成。 纤维蛋白原和凝血酶—通过结合血小板受体诱导产生凝血。 z 调控：细胞因子—调节细胞行为。 例如：激素：胰岛素（调节糖代谢）；生长因子
3.051/BE.340 蛋白质结构 蛋白质有多重结构 氨基酸 a螺旋 多肽链 组合亚组 LGp Gly 级结构二级结构 三级结构 四级结构 摘自 A.L. Lehninger, DL Nelson和 M. M. Cox, 生物化学原理》第171页 1.一级结构 由氨基酸残基组成::- N-CHR-C 肽键CONH刚性平面(部分双键特征) 肽键有方向性:氨基酸是L立体异构 L丙氨酸D—丙氨酸 coo H、N CH, H, C NH H [摘自 A L Lehninger, D.L. Nelson和 M. M.COX,《生物化学原理》第115页
4 3.051/BE.340 蛋白质结构 蛋白质有多重结构 氨基酸 α 螺旋 多肽链 组合亚组 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 [摘自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox, 《生物化学原理》 第 171 页] 1．一级结构 ¾ 由氨基酸残基组成： ¾ 肽键 CONH 刚性平面（部分双键特征） ¾ 肽键有方向性：氨基酸是 L 立体异构 [ 摘 自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox,《生物化学原理》 第 115 页] L—丙氨酸 D—丙氨酸
3.051/BE.340 侧基R有各种特性 非极性,R脂肪族基团 R芳香族基团 氨基乙酸G丙氨酸A 缬氨酸v 苯基丙氨酸F酪氨酸Y色氨酸W coo coo coo C-H H3N- 亮氨酸L异亮氨酸I脯氨酸P Coo Coo HN一C-H HN一C-H H--C-CH R正电荷基团 赖氨酸K 精氨酸R 组氨酸H HN-C一H HNC一H 极性,R不带电荷基团 cH 丝氨酸S 氨酸T 胱氨酸C coo CH H. N-C-H H H,N-C-H 甲硫氨酸M天冬酰胺酸N谷氨酸盐O R负电荷基团 coo coo coo 天冬氨酸盐D谷氨酸盐E 一H coo 摘自 A.L. Lehninger, D.L. Nelson和 M. M. Cox 生物化学原理》]
5 3.051/BE.340 ¾ 侧基 R 有各种特性 [摘自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox, 《生物化学原理》] R 芳香族基团 苯基丙氨酸 F 酪氨酸 Y 色氨酸 W 非极性，R 脂肪族基团 氨基乙酸 G 丙氨酸 A 缬氨酸 V 亮氨酸 L 异亮氨酸 I 脯氨酸 P R 正电荷基团 赖氨酸 K 精氨酸 R 组氨酸 H 极性，R 不带电荷基团 丝氨酸 S 苏氨酸 T 胱氨酸 C 甲硫氨酸 M 天冬酰胺酸 N 谷氨酸盐 O 天冬氨酸盐 D 谷氨酸盐 E R 负电荷基团
3.051/BE.340 2.二级结构 a碳的单键的v&1旋转角决定了空间构型 Hi+ 摘自 P J Flory.《分子链统计力学51页] (qi,v)独立于(q+1,v+1) Ramachandran作图: 表明残留氨基酸的w&φ允许的范围 [摘自 A.L. Lehninger, D.L. Nelson和 M.M.COX,生物化学原理》第171页
6 3.051/BE.340 2．二级结构 α 碳的单键的ψi& ϕi 旋转角决定了空间构型 [摘自P.J.Flory. 《分子链统计力学》251页] （ϕi ,ψI）独立于（ϕi+1,ψi+1） Ramachandran 作图： 表明残留氨基酸的ψ& ϕ允许的范围 [ 摘 自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox,《生物化学原理》第 171 页]
3.051/BE.340 β折叠 骨架呈之字行结构 通过相邻链间的一NH和C=O形成的氢键保持稳定。 非平行排列 平行排列 意蜜 摘自 A L Lehninger, D.L. Nelson和 M.M.CoX,《生物化学原理》第169页 螺旋 通过第i个氨基酸残基上的C=O和第计3个氨基酸残基上的-NH形成的氢键保持 稳定。(要求氨基酸都是L或都是D型立体异构) H 0 i+l H O 1+3 H O 八人只只A人只 摘自 P.J. Flory.《分子链统计力学》第287页]
7 3.051/BE.340 β 折叠 ¾ 骨架呈之字行结构 ¾ 通过相邻链间的—NH 和 C=O 形成的氢键保持稳定。 [ 摘 自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox,《生物化学原理》第 169 页] α—螺旋 ¾ 通过第 i 个氨基酸残基上的 C=O 和第 i+3 个氨基酸残基上的-NH 形成的氢键保持 稳定。（要求氨基酸都是 L 或都是 D 型立体异构） [摘自 P.J.Flory.《分子链统计力学》第 287 页] 非平行排列 平行排列
3.051/BE.340 自然界广泛存在 在蛋白质中大多数的二级结构 在纤维蛋白中:α角蛋白(毛发,皮肤.) 在球状蛋白中:平均25%是a折叠组成 3.三级和四级结构 三级:由二级结构单元折叠排列而成 四级:由三级结构单元折排列而成 例子:血红蛋白 摘自 A.L. Lehninger, DL Nelson和 M. M. Cox, 生物化学原理》第187页
8 3.051/BE.340 ¾ 自然界广泛存在 在蛋白质中大多数的二级结构 在纤维蛋白中：α 角蛋白（毛发，皮肤….） 在球状蛋白中：平均 25%是 α 折叠组成。 3．三级和四级结构 ¾ 三级：由二级结构单元折叠排列而成 ¾ 四级：由三级结构单元折排列而成 例子：血红蛋白 [摘自 A.L.Lehninger, D.L.Nelson 和 M.M.Cox, 《生物化学原理》第 187 页]
3.051/BE.340 合成聚合物VS蛋白质 性能指标 合成聚合物 多肽 分子量Wt 1000105g/mol 100010g/mo(典型1(MwMn)通 序列 i.1-3种重复单元 多种侧链 i多种化学性质 i通常为氨基化合物 无规线团或自免无规球状一“浓缩”链 线团 溶液结构 RN0(溶剂) (疏水R基团抑制水分子的渗入) R2N(良溶剂) 可能的构象 Ran -Z(Z=# n.n.) 2-1(若键合或被吸收可↑) QsA-Z N"<<Oran 范德华力,H-键,静电如同合成,具有“锁一匙”拓扑 级相互作用 力,“疏水”效应 多肽可通过如下方式转变成无规卷曲构造 转变温度 改变溶液pH或组成(如,加入盐,脲) 表面吸附 →改变生理机能
9 3.051/BE.340 合成聚合物 VS 蛋白质 性能指标 合成聚合物 多肽 分子量 Wt. 1000-106 g/mol 1000-106 g/mol(典型<2000a.a) 分子量分布 通常＞1（Mw/Mn） 通常≡1 序列 ⅰ.1-3 种重复单元 ⅱ.多种化学性质 ⅰ.多种侧链 ⅱ.通常为氨基化合物 溶液结构 无规线团或自免无规 线团 Rg~N0.5(θ 溶剂) Rg~N0.6(良溶剂) 球状—“浓缩”链 （疏水 R 基团抑制水分子的渗入） 可能的构象 Ωran~ZN(Z=# n.n.) ΩSA~Z’NN1/6<<Ωran Ω~1(若键合或被吸收可↑) 二级相互作用 范德华力，H-键，静电 力，“疏水”效应 如同合成，具有“锁—匙”拓扑 多肽可通过如下方式转变 成无规卷曲构造： ¾ 转变温度 ¾ 改变溶液 pH 或组成（如，加入盐，脲） ¾ 表面吸附 ⇒ 改变生理机能！
3.051/BE.340 蛋白质在生物材料表面吸附 背景 a)蛋白质活性在吸附状态和溶液状态不同 原因? 较高的局部浓度一功能与浓度相关 例如:细胞粘附随多肽粘附量的增加而增加 Dsc 2.改变反应活性进入氨基酸序列的活性中心 提高或降低反应活性 例如:纤维蛋白原:血小板在非溶液状态下吸附 3.蛋白质变性蛋白质在溶液中构造发生改变 产生不同的氨基酸序列 *增强或失去原有功能 *产生额外的功能 例如:天然聚合物作为生物材料比合成聚合物更易产 生免疫原性
10 3.051/BE.340 蛋白质在生物材料表面吸附 背景 a) 蛋白质活性在吸附状态和溶液状态不同 原因？ 1． 较高的局部浓度—功能与浓度相关 例如：细胞粘附随多肽粘附量的增加而增加 2． 改变反应活性-进入氨基酸序列的活性中心 ⇒ 提高或降低反应活性 例如：纤维蛋白原：血小板在非溶液状态下吸附 3． 蛋白质变性-蛋白质在溶液中构造发生改变 ⇒ 产生不同的氨基酸序列 *增强或失去原有功能 *产生额外的功能 例如：天然聚合物作为生物材料比合成聚合物更易产 生免疫原性
