第二節 蛋白質的結構與功能

蛋白質分子是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的生物大分子。每種蛋白質都有其特定的結構和功能。蛋白質分子結構分為一級、二級、三級、四級結構。一級結構為蛋白質的基本結構，二級、三級和四級結構統稱為高級結構或空間構象。

一、蛋白質的基本結構

（一）肽鍵和肽

1．肽鍵 一個氨基酸的α-羧基和另一個氨基酸的α-氨基脫水縮合形成的酰胺鍵稱為肽鍵（-CONH-）。

2．肽 氨基酸通過肽鍵連接而成的化合物稱為肽。由兩個氨基酸形成的肽叫二肽，三個氨基酸形成的肽叫三肽，依此類推。一般十肽以下的稱為寡肽，十肽以上者稱為多肽，多肽的化學結構為鏈狀，也稱為多肽鏈。肽鏈中氨基酸分子因脫水縮合而基團不全，稱為氨基酸殘基。

多肽鏈有兩端，含自由α-氨基的一端稱氨基末端或N—端；有自由α-羧基的一端稱為羧基末端或C—端。在書寫某肽鏈時，規定N-端在左，C-端在右。如某一肽段：

每條多肽鏈中氨基酸殘基的順序編號都從N—端開始。肽的命名也是從N—端開始指向C—端的，如從N—端到C—端依次由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸縮合成的三肽稱為谷氨酰半胱酰甘氨酸，或簡稱谷胱甘肽（GSH, SH表示分子中的自由巰基）。

3．生物活性肽 在體內，存在一些具有重要功能的小分子肽，稱為生物活性肽。如谷胱甘肽、腦啡肽、抗利尿激素和催產素、促腎上腺皮質激素等。

（二）蛋白質的一級結構

蛋白質分子中氨基酸的排列順序稱為蛋白質的一級結構。它是蛋白質分子的基本結構。肽鍵是維持蛋白質一級結構的主要化學鍵，有些尚含有二硫鍵（—S—S—），它是由兩個半胱氨酸巰基（—SH）脫氫氧化而生成的。

牛胰島素是首先被確定一級結構的蛋白質，它由A、B兩條多肽鏈構成，A鏈含21個氨基酸殘基，B鏈含30個氨基酸殘基。兩條多肽鏈通過兩個二硫鍵相連（圖2-1）。

蛋白質分子的一級結構是其生物學活性和特異空間結構的基礎。盡管各種蛋白質的基本結構都是多肽鏈，但所含氨基酸數目以及氨基酸種類在多肽鏈中的排列順序不同，這就形成了結構多樣、功能各異的蛋白質。因此，蛋白質一級結構的研究，是在分子水平上闡述蛋白質結構與其功能關系的基礎，對揭示某些疾病的發病機制、指導疾病的治療有十分重要的意義。

二、蛋白質的空間結構

蛋白質的空間結構指蛋白質肽鏈通過折疊、盤曲，使分子內各原子形成一定的空間排布及相互關系，這種空間結構稱為蛋白質的構象。各種蛋白質的分子形狀、理化性質和生物學活性主要取決于它特定的空間結構。維持蛋白質空間結構穩定的化學鍵主要有疏水鍵、氫鍵、鹽鍵、范德華力等非共價鍵和二硫鍵，統稱為次級鍵。

（一）蛋白質的二級結構

蛋白質的二級結構是指多肽鏈本身沿長軸方向折疊或盤曲所形成的有規律的、重復出現的空間結構。

肽鍵（—CONH—）中的C—N鍵在一定程度上具有雙鍵性質，所以不能自由旋轉。因此，肽鍵中的C、O、N、H四個原子與它們相鄰的兩個α-碳原子都處于同一平面上，該平面稱肽鍵平面（圖2-2）。在多肽鏈中，由于與α-碳原子相連的N和C（Cα—N和Cα—C）所形成的化學鍵都是典型的單鍵，可以自由旋轉，所以兩個相鄰肽鍵平面可以圍繞α-碳原子旋轉，使多肽鏈形成有特殊規律的結構。

蛋白質二級結構的主要形式是α-螺旋和β-片層結構，還有β-轉角和無規卷曲等。穩定二級結構的主要次級鍵是氫鍵。

1.α-螺旋 α-螺旋是指多肽鏈中肽鍵平面通過α-碳原子的相對旋轉，沿長軸方向按規律盤繞形成的一種緊密螺旋盤曲構象。其結構特點是：①多肽鏈以α-碳原子為轉折點，以肽鍵平面為單位，盤曲成一個右手螺旋樣結構。②每螺旋圈包含3.6個氨基酸殘基，每個氨基酸殘基向上平移0.15nm，故螺距為0.15×3.6=0.54nm。③肽鍵平面與螺旋長軸平行，α-螺旋的每個肽鍵中的N—H和第四個肽鍵（即間隔3個肽鍵）中的C═O形成許多氫鍵，使螺旋穩定。氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行。④肽鏈中氨基酸側鏈R伸向螺旋外側，其大小、形狀、性質及所帶電荷均影響α-螺旋的形成（圖2-3）。

2.β-折疊 β-折疊又稱β-片層，是蛋白質多肽主鏈的另一種有規律的構象，是一種比較伸展、呈鋸齒狀的肽鏈結構。其結構特點是：①多肽鏈在一空間平面內伸展，各肽鍵平面之間折疊成鋸齒狀（或扇形）結構。②β-折疊由一條多肽鏈折返而成，或由兩條以上多肽鏈順向或逆向平行、排列而成。③當兩條多肽鏈接近時，肽鏈之間相互形成氫鍵以使結構穩定，氫鍵的方向與折疊的長軸垂直。④肽鏈中氨基酸側鏈R伸出在片層“鋸齒”上下（圖2-4）。

3.β-轉角 球狀蛋白質分子中，多肽鏈主鏈常常會出現180°回折，這部分回折稱為β-轉角。β-轉角通常由4個氨基酸殘基構成，其第一個殘基的羰基氧（O）與第四個殘基的氨基氫（H）形成氫鍵。β-轉角可使肽鏈的走向發生改變。

4．無規卷曲 是多肽鏈中除以上幾種比較規則的構象外，沒有確定規律性的那部分肽鏈構象。

（二）蛋白質的三級結構

蛋白質的三級結構是指多肽鏈在二級結構的基礎上進一步盤曲、折疊，主鏈、側鏈都包括在內所形成的空間結構。穩定三級結構的因素主要是多肽鏈側鏈基團相互作用形成的次級鍵，如疏水鍵、氫鍵、離子鍵、范德華引力及二硫鍵等（圖2-5）。由一條多肽鏈構成的蛋白質，必須具有三級結構才有生物學活性。如肌紅蛋白是由153個氨基酸殘基構成的單個肽鏈的蛋白質，含有1個血紅素輔基。多肽鏈相互纏繞形成球狀，球表面有親水側鏈，疏水側鏈則分布在分子內部（圖2-6）。

（三）蛋白質的四級結構

在體內有許多蛋白質分子是由兩條或兩條以上的多肽鏈構成，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為亞基。蛋白質分子中各個亞基以非共價鍵相連形成的特定的空間結構，稱為蛋白質的四級結構。單獨的亞基一般無生物學活性，只有完整四級結構的蛋白質分子才有生物學活性。在四級結構中，亞基之間的結合力主要為疏水鍵、氫鍵和離子鍵。亞基可以相同，也可不同。如過氧化氫酶由4個相同亞基構成；而血紅蛋白是由兩個α-亞基與兩個β-亞基形成的四聚體，它們分別由含有141個氨基酸的α-鏈和含有146個氨基酸的β鏈各結合一個血紅素輔基構成。兩個α-亞基、兩個β-亞基兩兩交叉，借次級鍵結合成球狀分子，具有運輸氧和二氧化碳的功能（圖2-7）。

三、蛋白質分子結構與功能的關系

蛋白質的功能與其特異的構象有密切關系，而一級結構對空間結構有決定作用。因此，蛋白質的一級結構和空間結構都與蛋白質的功能有關。

（一）蛋白質的一級結構與功能的關系

蛋白質的一級結構與功能的關系非常密切。以血紅蛋白為例，血紅蛋白是由α2β2四個亞基組成的蛋白質，鐮刀型紅細胞性貧血患者的血紅蛋白中α鏈與正常的完全相同，而β鏈第六位谷氨基酸殘基被纈氨酸殘基所替代，這一微小的改變，血紅蛋白運氧功能減弱，紅細胞由圓盤型變為鐮刀狀并極易破裂溶血，導致貧血。這種由于遺傳物質（DNA）的突變，導致其編碼蛋白質分子的氨基酸序列異常，而引起其生物學功能改變的遺傳性疾病稱為分子病。

（二）蛋白質空間結構與功能的關系

蛋白質的功能與其特定的構象密切相關。蛋白質構象是其生物活性的基礎，構象發生改變，其功能活性也隨之改變。

核糖核酸酶是由124個氨基酸殘基組成的單鏈蛋白質，分子中有4個二硫鍵及許多氫鍵維系其空間構象。當用尿素和β-巰基乙醇處理核糖核酸酶，尿素破壞維系其空間結構的氫鍵，β-巰基乙醇將其分子中的二硫鍵還原為巰基，該酶的正常構象被破壞，酶活性逐漸消失。如果將此酶放入透析袋中，去掉尿素及β-巰基乙醇，則可使多肽鏈上的巰基溫和、緩慢地氧化，重新形成二硫鍵，酶的活性又逐漸地恢復，證明核糖核酸酶的空間構象與功能之間的密切關系，也是一級結構決定空間結構的典型例子（圖2-8）。