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1、第十四章： 纤维蛋白,fibrous proteins,蛋白质通常可分为两种截然不同的功能类型，即由排列为长的蛋白纤维所构成的被动的结构材料和排列为小的致密结构域的多肽链所组成的细胞机理的活性成分。不管它们在结构和功能上的差异如何，这些类型的蛋白都含有由环区域所隔开的a螺旋和折叠片。在大多数情况下，纤维蛋白含有特殊的重复氨基酸顺序，这对于它们的特殊三维结构来说是必需的。作为结构的材料纤维蛋白象其它的多聚物材料一样在生物体内它们都是长链分子，通过蛋白质分子内的各个分立的长链分子的交联、内部插入和缠绕的合适组合，形成具有许多不同功能性质的蛋白质纤维蛋白。根据组成纤维蛋白每个分子的二级结构，可分为三
2、种不同的结构类型：角蛋白keratin 和肌浆球蛋白myosin 中的超卷曲a螺旋coiled-coil-helix ，胶原蛋白collagen 中的三螺旋，和淀粉样纤维amyloid fibers和丝silk 中的b折叠片。,The fundamental structural unit is a simple repeating element of secondary structure. All fibrous proteins are insoluble in water. A hydrophobic amino acid residues both in the interior
3、of the protein and on the surface.,Four most representative fibrous proteins:1, Keratins (角蛋白) :-Keratin in hair, fingernails and animal skin -Keratin in feathers and scales2, Collagen (胶原蛋白): in the matrix of bone, tendons, skin(up to 1/3)3, Elastin (弹性蛋白): in ligaments and arterial blood vessels(韧
4、带) (动脉血管) 4, Fibroin (丝心蛋白): in silk made by silkworms or spiders,Fibrous Proteins: Structural Materials of Cells and Tissues,主动脉,腱,Three most abundant residues in fibrous proteins,存在于丝毛中的a螺旋纤维是有柔性的，它们可以伸展为近两倍的长度，并且具有弹性以使得当张力被释放时可以恢复到原始的长度。胶原蛋白纤维与之相比则更具有强度抗拉伸，因而相对具有刚性折叠片纤维。既具有强度也有柔性最好的例子是蜘蛛网纤维，某些蜘蛛的
5、网比相同粗细的钢丝还要强，并且同时还具有柔性，以使得在蛛网上捕捉到昆虫时不被弄破。纤维折叠片在细胞内也可由一些可溶性球蛋白的错误折叠产生因而会引起，像阿尔茨海默Alzheimers 病和疯牛病prion等疾病。纤维蛋白常常形成原丝protofilaments 或初纤维protofibrils，它们可以组装为结构专一高度有序的丝蛋白或纤维蛋白。例如胶原蛋白、淀粉样蛋白、中间体丝蛋白、管状蛋白tubulin、 肌浆球蛋白和纤维蛋白原fibrinogen 等。一般说来这些丝蛋白或纤维蛋白不能被结晶，因为它们仅在两维方向上有序。但是有序的纤维能够给出二维的衍射图形，并可根据此二维图形获得它们大概的结构
6、信息。但某些纤维蛋白或片段，例如纤维蛋白原原肌球蛋白tropomyosin、 胶原蛋白、spectrin 和肌浆球蛋白等已被结晶，并且获得了它们的三维结构，这些详细的三维结构信息对于解释有序的丝蛋白和纤维蛋白的衍射图形和电子显微镜照片是很有帮助的。,在某些情况下纤维状的蛋白组装为一个高度有序的结构是一个动力学的过程，例如微管。它是由长的中空的球状蛋白-管状蛋白组成的多聚物，它可以连续地发生解聚和重聚化作用，并由此来控制细胞器organelles 和细胞其它成分的定位。在成纤维细胞fibroblast 中，单个微管的半衰期大约是10 分钟，而一个管状蛋白分子的平均寿命要超过20 小时，这样每个管
7、状蛋白在它的寿命中将通过许多微管周期。,collagen 这个字来源于西腊字，意思是浆糊。建立在不同家族成员的氨基酸顺序测定的基础上，现在的定义是collagen 是一类蛋白质。它们在细胞间的空间中组装为纤维状多分子的聚集，并且由具有大量的含有重复顺序Gly-X-Y 的三条肽链组成。X 通常为脯氨酸，Y 通常为羟基脯氨酸，羟基脯氨酸是由一种特殊的脯氨酰羟化酶prolyl hydroxylase 脯氨酸的后转录修饰所形成的。每一个胶原蛋白的多肽链含有大约1000 个氨基酸残基，一个完整的分子大约3000 长。胶原蛋白链首先被合成为一个大的前体称作原胶原蛋白procollagens。 此原胶原蛋白
8、在其头尾两端含有两个约为200 氨基酸残基的原肽propeptides ，这些原胶原蛋白的肽链在它们被组装成三链分子之前被转运到不光滑的内质网腔中，并在内质网腔中被羟基化和被进行其它的化学修饰，其末端的原肽对于合适的三链分子的形成是相当重要的。在它们形成三链结构之前首先形成链内二硫键，这些二硫键可指导三条链的对齐，然后原肽被细胞间的酶所切开，并经细胞排粒作用排出。两端的原肽的刺激使得三链分子聚集为几微米长50-200 纳米直径的纤维蛋白，然后这些纤维蛋白边边平行相靠堆砌为平行束即胶原蛋白纤维，这样的胶原蛋白纤维的强度要比相同尺度的钢丝还要强。当成熟的胶原蛋白被变性的时候，由于没有原肽的存在多肽
9、链可以互相交联在不同的部位上，而不能仅交联在它们的末端上，因而形成随机的三链，这些聚集作用只能形成胶明胶gelatin。,一、胶原蛋白,Collagen,Collagen collagen has evolved to provide strength. It is found in connective tissue such as tendons, cartilage软骨, the organic matrix of bone, and the cornea角膜 of the eye. The collagen helix is a unique secondary structure q
10、uite distinct from the helix. It is left-handed and has three amino acid residues per turn Collagen is also a coiled coil, but one with distinct tertiary and quaternary structures: three separate polypeptides, called chains (not to be confused with helices), are supertwisted about each other. The su
11、perhelical twisting is right-handedin collagen, opposite in sense to the left-handed helix of the chains. There are many types of vertebrate collagen. Typically, they contain about 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and 4-Hyp (4-hydroxyproline, an uncommon amino acid.,The unusual amino acid content of co
12、llagen is related to structural constraints unique to the collagen helix. The amino acid sequence in collagen is generally a repeating tripeptide unit, GlyXY, where X is often Pro, and Y is often 4-Hyp. Only Gly residues can be accommodated at the very tight junctions between the individual chains.
13、The Pro and 4-Hyp residues permit the sharp twisting of the collagen helix. The amino acid sequence and the supertwisted quaternary structure of collagen allow a very close packing of its three polypeptides. 4-Hydroxyproline has a special role in the structure of collagenand in human history.The tig
14、ht wrapping of the chains in the collagen triple helix provides tensile strength greater than that of a steel wire of equal cross section. Collagen fibrils are supramolecular assemblies consisting of triple-helical collagen molecules (sometimes referred to as tropocollagen molecules) associated in a
15、 variety of ways to provide different degrees of tensile strength. The chains of collagen molecules and the collagen molecules of fibrils are cross-linked by unusual types of covalent bonds involving Lys, HyLys (5-hydroxylysine); His residues that are present at a few of the X and Y positions in col
16、lagens. These links create uncommon amino acid residues such as dehydrohydroxylysinonorleucine. The increasingly rigid and brittle character of aging connective tissue results from accumulated covalent cross-links in collagen fibrils.,早期由P.Puuling, F. Crick 和A. Rich 等人对胶原蛋白纤维衍射研究的解释指出，三条多肽链的每一条都被折叠为一个伸展的左手螺旋，在此螺旋中每螺旋圈有3.3 个残基，每个残基沿螺旋轴上升的高度为2.9 。与之相比更致密的右手a螺旋每圈为3.6 个残基，每残基的上升高度为1.5 ，因此胶原蛋白螺旋中每圈的高度为9.6， 而右手a螺旋的每圈的高度为5.4。 胶原蛋白的这种伸展的肽链必须聚集形成稳定的结构。 图14-1： 每一条胶原蛋白分子的多肽链折叠为一种伸展的聚脯氨酸II 型螺旋，其每圈沿螺旋轴上升9.6， 每圈3.3 个残基在胶原蛋白分子中三条这样的多肽链绕着。一个公共的轴形成一个3000 长的杆状超卷曲分子，其多肽链的氨基酸顺序含有Gly-X-Y 的重复序列,
