生物材料学：第2章 生物组织及其与植入材料的相互作用

脂肪族的芬芳的硫磺

氨基乙酸脯氨酸缩氨酸AA-NH2与另一AA-COOH间失水形成的酰胺键称肽键，所形成的化合物称肽。组成多肽的单元称为氨基酸残基共价主链

四、蛋白质蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物高分子

蛋白质是细胞中最丰富的生物分子，是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。整个生物界中已知存在着的蛋白质总数逾百万。

蛋白质具有多种不同的生物功能，其中最重要的一种就是结构功能。如动物的角、腱、韧带、骨、蚕丝、细胞骨架等，其主要成分都是结构蛋白。

结构蛋白还可与多糖和生物矿物结合在一起获得各式各样的结构功能，如使骨骼或皮肤、叶脉等具有特定的柔性和刚度。蛋白质的结构层次一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构高级结构空间构象4.1

蛋白质的结构组织层次指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。只涉及主链构象及链内/间形成的氢键主要有

-螺旋、

-折叠、

-转角、无规卷曲、

-螺旋、

环等。二级结构（1）

-螺旋（

-helix）

-螺旋的结构螺距0.54nm每圈含3.6个AA残基

每个AA残基占0.15nm

绕轴旋转100°链内形成氢键与轴平行多为右手螺旋由两/多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。肽链主链呈锯齿状折叠构象。（2）

-折叠（

-pleatedsheet）C

总是处于折叠的角上AA的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直两个AA之间的轴心距为0.35nm

-折叠结构特点（3）

-转角和

凸起β转角（βturn/bend/hairpinstructure）肽链主链骨架180°的回折结构特点：由4个连续的AA残基组成第一个残基C=O第四个残基NH形成氢键

O……（氢键）………H

—C—（NH—CH—CO）2—N—R比较稳定的环状结构主要存在于球状蛋白分子中多数处在蛋白质分子的表面反平行β折叠片中的一种不规则排列实质上是多出来的一个AA残基β凸起（βbugle）泛指不能归入明确的二级结构,如折叠片和螺旋的多肽片断。（4）无规卷曲（randomcoil）(1)超二级结构超二级结构与结构域

若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用，形成在空间构象上可彼此区别的二级结构组合单位。（2）结构域二级/超二级结构基础上形成的特定区域结构域存在的原因：局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理结构域之间由肽链连接，有利于结构的调整由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。

维系力有氢键/疏水键/离子键/范德华力三级结构

指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式。

包括各亚基：种类、数目、空间排列方式亚基间的相互作用关系蛋白质四级结构稳定四级结构的作用力

结构互补（极性）和非共价键离子键和氢键—缔合的专一性疏水相互作用—驱动缔合

脊椎动物体中50%以上是纤维状结构蛋白质支架、防护作用规则的线性结构

纤维结构蛋白

不溶性纤维蛋白（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）可溶性纤维蛋白（肌球蛋白血纤蛋白原）硬蛋白4.2

结构蛋白质4.2.1

胶原胶原（Collagen）细胞外基质中的一种张力强度很高的水不溶性纤维状蛋白质，富含甘氨酸和脯氨酸，是构成细胞外基质的骨架。简介胶原在细胞外基质中形成半晶体的纤维，给细胞提供抗张力和弹性,在成熟的组织中起结构作用外，并在细胞的迁移和发育中起作用。所有多细胞生物都含有胶原，哺乳动物身上所有蛋白质中约30%是胶原蛋白，不同程度地存在于一切器官中。分布胶原是皮肤、骨、腱、软骨、血管和牙齿的主要纤维成分，细胞骨架的重要成分也是胶原。皮肤胶原蛋白是人体肌肤肤的主要成分，影响皮肤弹性的重要因素。皮肤中胶原蛋白占72％，真皮中80％是胶原蛋白，它在皮肤中构成了一张细致的保护网，能锁住水分，如支架般支撑着皮肤。骨腱血管眼睛角膜肠迄今已鉴别出15种胶原，并已分析出其主链组成和在组织中的分布，其中Ⅰ型胶原在动物体内含量最多，研究得最清楚并已被提纯而广泛用于生物医用材料及生化试剂。胶原蛋白种类皮肤中胶原蛋白肽链的96%是按三联体(G1y—x—y)n顺序重复排列，Gly数目占残基总数1/3X常为Pro，y常为Hy-Pro/Hy-Lys

胶原蛋白分子结构成纤维胶原中基本结构单元是三股螺旋的原胶原。原胶原的质量约为285kDa（Da全称道尔顿（Dalton），是分子量最常用的单位，就是将分子中所有原子按个数求原子量的代数和。由于蛋白质是大分子，所以常用KDa（千道尔顿）来表示。

），由两条α1和一条α2链共三条多肽链组成，每股多肽链中都有约1000个氨基酸。胶原蛋白分子结构胶原蛋白分子结构胶原蛋白分子结构胶原蛋白分子结构腱腱腱肠肠肠胶原的抗原性胶原和其他蛋白质相比确实不易引起抗体产生，其理由是：前面所述I型胶原种属间的差异很小，与球形蛋白质不同，三股螺旋结构一般不发生变化，例如，所有从哺乳动物分离提取的I型胶原非常相似，因而不易被人体免疫系统作为外体识别。但是其短的原肽端因种属间的判别较大而表现出较大的抗原性，因此在使用时常将其原肽端切除，以降低胶原的抗原性。胶原的生物合成蚕丝的成分几乎是纯蛋白质，但蛋白质种类因蚕品种不同而有异。有家蚕、柞蚕、天蚕、塔色蚕、姆珈蚕、蓖麻蚕。蜘蛛类虽然不属于昆虫，它也吐丝，马达加斯加有一种蜘蛛的丝与天蚕科蛾的丝心蚕白纤维相似。简介4.2.2

丝心蛋白蚕丝的断裂吸收能量（断裂功）比钢都大。家蚕丝的拉伸强度实验值是10GPa，可与高强度合成纤维媲美。性能茧丝还有一个不寻常的性质，即当负载率增大时，随着强度和弹性模量增大，延伸率也增大，可达35％。而绝大多数化学纤维的延伸率随负荷率的增大而下降。蜘蛛网表现出的材料和能量的高效利用令人叹服。180μｇ的丝心蛋白能张开100ｃｍ2的网络以捕捉飞虫。蜘蛛网通过其刚度、强度和延伸能力的巧妙平衡，把飞虫的冲击能分散到大片的面积上。作用于蜘蛛网上的约70%的冲击能通过黏弹性拉伸过程发热耗散掉，从而避免了网破或将捕获物反弹回去。依赖于蚕丝的种类不同，断面有很多种几何形状，直径从0.01-50μｍ不等。丝心蛋白一般约占蚕丝成分的70-75%。包围丝心蛋白的丝胶蛋白占20-25%。其他成分主要分布在丝胶中，如蜡质（0.4%-0.8%）、色素（约0.2%）、碳水化合物（1.2-1.6%）、无机物（0.7%）。蚕丝形状和组成丝心蛋白的结构丝心蛋白的结构丝蛋白的结构丝心蛋白的结构家蚕丝心蛋白多肽链中包含结晶区域和非晶区。结晶区域的氨基酸顺序特点是Gly和Ala的大量重复。非晶区域规律较差，有４种多肽组分，含酩氨酸、缬氨酸比例比结晶区高。主链中结晶区域和非结晶区域交互排布，每两个结晶区域（单个结晶区含６０个残基）和两个非晶区域（每个非结晶区域残基数为４９）组成一个重复单元。总是由２２个这样的重复结构单元组成的。丝心蛋白的结构丝心蛋白构象家蚕蛾幼虫的绢丝腺中逐渐合成的可溶性silkI型液态蛋白经绢丝腺末端吐丝管压出而成为不可溶的silkII型蛋白。丝心蛋白基因结构丝心蛋白形成成分与性能角蛋白是一大类蛋白质，常见于脊椎动物的皮肤、毛、发、角、忌毛、蹄中，角蛋白含有大份额的硫，或交联的酩氨酸残基。按物种可将角蛋白分为哺乳动物角蛋白、鸟角蛋白和爬虫类角蛋白三大类。人们对人发和羊毛中的角蛋白研究最为详细。4.2.3

角蛋白大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微原纤维初原纤维

α螺旋卷发(烫发)的生物化学基础

角蛋白在湿热条件下伸展转变为

—构象，冷却干燥时可自发地恢复原状。侧链R基一般较大，不适于处在

—构象螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联——交联键使外力解除后肽链恢复原状烫发时还原剂氧化剂卷发时弹性蛋白常与胶原和多糖一起存在于脊椎动物的结缔组织中。弹性蛋白是弹性纤维的主要成分，能拉长到原长度的几倍，而努力松弛后就会很快恢复到原来的大小和形状。简介延伸率高而弹性模量低，很像橡胶，故名橡胶蛋白。4.2.4

弹性蛋白在血管壁，特别是在心脏附近主动脉的弓形结构以及韧带中，都有大量的弹性蛋白。在皮、腱和松结缔组织中弹性蛋白则较少。分布分布食草动物颈部凸出的弹性韧带含有丰富的弹性蛋白，可达80％。应力-应变曲线性蛋白受热后仍很稳定,可用110℃下的自动分解处理法，从结缔组织中去掉胶原和其他成分，从而提取出弹性蛋白。食草动物颈部韧带切变模量可达约0.6ＭＰａ，在0.6MPa以下是标准的弹性区弹性蛋白的氨基酸组成很独特。与胶原一样，残基中的1/3是甘氨酸。弹性蛋白中也富含脯氨酸，也富含非极性脂肪残基，如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸。氨基组成与胶原不同，弹性蛋白中羟基脯氨酸极少，且不含羟基赖氨酸和极性氨基酸。交联成熟的弹性蛋白包含许多交联，使其拉伸后能恢复到它们原来的大小和形状，同时也使它极为难溶和分析。（1）胶原中发现的醛醇交联也存在于弹性蛋白中。（2）锁链赖氨酸素存在于弹性蛋白中，是由４个赖氨酸侧链组成的。（3）赖氨酸亮氨酸缩合物交联交联弹性蛋白交联之间的区段富含甘氨酸、脯氨酸和缬氨酸。已经知道有些区段的氨基酸顺序显示规则性。交联前述序列性质使得β转折容易发生并导致一种螺旋二级结构，该螺旋结构亦称为元弹性蛋白螺旋，有足够敞开的空隙使水分子容易进入螺旋心部。三级结构是三股弹性蛋白螺旋拧成的弹性蛋白纤维。分子结构β转折中的化学键旋转自由度使得螺旋具有弹性。这可能是由于蛋白质的疏水性和大量的水分子进入心区作用的结果。脊椎动物的肌肉有三种类型：平滑肌、心肌和横纹肌。在电镜下可见沿肌肉收缩方向有周期约为0.2μｍ的明暗带，明暗带中央有一条细线，称Ｚ线。相邻Ｚ线之间的片段叫肌结，它是肌肉收缩的单位。这三种肌肉都具有特定的分级结构。4.2.5

肌肉收缩蛋白典型的横纹肌细胞为圆柱形，体积非常大，长1ｍｍ-50ｍｍ；每个细胞（又称肌纤维）含有多达100个细胞核和许多成束的纤维，后者称为肌原纤维。每个肌原纤维又由重复排列的肌节组成。在松弛的肌肉中，每个肌节长约21μｍ。在电镜下可见，每个肌节又包括两种类型的纤维：粗丝就是肌球蛋白，细丝含有肌动蛋白。细丝的一端连接在Ｚ线上，另一端连接肌节的中央。肌肉中司运动功能的蛋白质包括收缩蛋白质（即肌球蛋白和肌动蛋白）及调节蛋白质（如原肌球蛋白和肌钙蛋白等）。肌肉肌纤维束肌纤维肌原纤维粗丝和细丝肌球蛋白和肌动蛋白参与需能的收缩活动肌原纤维由纵向排列的肌丝组成：粗丝（thickfilament）

——只分布于暗/A带细丝（thickfilament）

——I带只有细丝H区只有粗丝肌球蛋白肌动蛋白肌原纤维：明带和暗带肌节轻酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白头片肌动蛋白的两种形式：

球状∽(G—

actin)

纤维状∽(F—

actin)

单体形式聚合形式K+、

Mg2+、

ATP存在时原肌球蛋白肌钙蛋白复合体肌动蛋白变构引起肌肉收缩受Ca2+、ATP调节目前对具体结构与功能的对应规律研究尚刚刚起步整联蛋白又名整合素，因其主要介导细胞与细胞外基质的黏附，使细胞附着以形成整体而得名。整联蛋白参与细胞爬行、活化、增殖、分化、介导吞噬与炎症形成等多种功能。4.2.6

整联蛋白整联蛋白分子结构是由α、β两条多肽链由非共价键连接组成的异源二聚体。电镜下可见整联蛋白分子有一个球状头部，向下伸展有两条杆状结构穿过细胞膜的磷脂双层。整联蛋白是一大类蛋白分子，已知其家族成员有20余种。有14种α链和８种β链，一种α链可与不同β链组合，而大多数β链只能与一种α链结合。按β亚单元可将整合素家族分为β1-β8共8个组。在同一个组不同成员中，α链均相同，β链不同。整联蛋白家族的组成整联蛋白家族的分布一种整合素可分布于不同的组织细胞表面，同一种细胞也可表达多种不同的整联蛋白整合素。少数整联蛋白分子的分布有明显的细胞类型特异性，如β2组主要分布于白细胞表面，gpⅡb/Ⅲa则表达于巨核细胞和血小板。整联蛋白分子的表达水平可随细胞分化和生长状况不同而改变。整合素家族的配体主要是ECM蛋白，如纤连蛋白、血纤蛋白原、玻连蛋白等，是介导细胞与ECM相互黏附的物质；某些整联蛋白配体是细胞表面分子，可介导细胞间的相互作用。当整联蛋白分子与配体结合时，所识别的只是配体分子中由数个氨基酸组成的短肽序列，同一种短肽序列可存在于不同配体中，不同整联蛋白分子也可识别相同的短肽序列。整联蛋白分子的配体组装三定律生物体用基本相同的结构蛋白大分子（纤维蛋白、胶原及多糖）构造出形貌和功能完全不同的系统时，它们共同遵循下面三条定律。（1）大分子结合成含有