第二節(jié)　蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)是具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與功能多樣性的生物大分子，其功能的多樣性取決于其分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)時，通常將其分成不同的結(jié)構(gòu)層次，包括一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)（圖2-4）。其中二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象。切忌把蛋白質(zhì)的構(gòu)象理解為不變的剛性結(jié)構(gòu)，實際上許多蛋白質(zhì)在發(fā)揮作用時必須在幾種不同構(gòu)象之間反復(fù)轉(zhuǎn)換。

一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（primary structure）是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序，包括肽鍵和二硫鍵位置。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，包含了決定蛋白質(zhì)分子所有空間結(jié)構(gòu)的信息。

1.肽鍵與肽　肽鍵（peptide bond）是氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)時形成的主要化學(xué)鍵，由一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基縮合而成。氨基酸通過肽鍵連接構(gòu)成的分子稱為肽（peptide）。

由兩個氨基酸構(gòu)成的肽稱為二肽；由三個氨基酸構(gòu)成的肽稱為三肽，依此類推。通常將由2～10個氨基酸構(gòu)成的肽稱為寡肽，多于10個氨基酸構(gòu)成的肽稱為多肽。谷胱甘肽（glutathion，GSH）是存在于生物體內(nèi)的一種三肽（圖2-5），是重要的抗氧化劑。

多肽呈鏈狀，所以也稱為多肽鏈。多肽鏈結(jié)構(gòu)包括主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。主鏈也稱為骨架，是指除側(cè)鏈R基以外的部分。主鏈兩端不同，其中有游離α-氨基的一端稱為氨基端或N端；有游離α-羧基的一端稱為羧基端或C端。肽鏈有方向性，通常將氨基端視為“頭”，這與其合成方向一致，即肽鏈合成起始于氨基端，終止于羧基端。氨基酸縮合成肽后已經(jīng)不再是一個完整的氨基酸分子，稱為氨基酸殘基。

肽可根據(jù)其氨基酸組成來命名，規(guī)定從N端的氨基酸開始稱為某氨基酰某氨基酰……某氨基酸。此外，一些活性肽常根據(jù)其來源和功能命名，如腦啡肽。書寫肽鏈的氨基酸排列順序時，常把N端寫在左邊，用H2N-或H-表示；C端寫在右邊，用-COOH或-OH表示，如高等動物腦中的亮氨酸腦啡肽可書寫成H-Tyr-Gly-Gly-Gly-Phe-Leu-OH。

2.胰島素的一級結(jié)構(gòu)　1953年，英國人F.Sanger測定并報告了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)（圖2-7），因此獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎。胰島素由A、B兩條多肽鏈組成，A鏈有21個氨基酸，B鏈有30個氨基酸。其中A7（Cys）-B7（Cys）、A20（Cys）-B19（Cys）4個半胱氨酸形成兩個二硫鍵，使A、B兩鏈連在一起；此外A鏈中A6（Cys）與A11（Cys）之間還存在一個鏈內(nèi)二硫鍵。不同來源的胰島素盡管氨基酸組成有差別，但功能相同。豬胰島素與人胰島素只是B鏈的第30位氨基酸有差異，二者的生物學(xué)功能相同，臨床上均可用于治療糖尿病。破壞A、B兩鏈間的二硫鍵，胰島素的生物活性將完全喪失。

二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（secondary structure）是指多肽鏈主鏈的局部構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈的空間排布。氫鍵是穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵。

在蛋白質(zhì)多肽鏈上，以肽鍵為核心的肽單位是一個剛性平面結(jié)構(gòu)，是多肽鏈卷曲折疊的基本單位。通過肽鍵平面的相對旋轉(zhuǎn)，多肽鏈可以形成α螺旋、β折疊、β轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲等二級結(jié)構(gòu)，還可以在此基礎(chǔ)上進一步形成超二級結(jié)構(gòu)。

1.肽單位（peptide unit）　是多肽鏈主鏈兩個相鄰α碳原子之間的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)象具有以下三個顯著特征。

（1）肽單位是一個剛性平面結(jié)構(gòu)。因為肽鍵中的C—N鍵的長度（0.132nm）介于一般的C—N單鍵（0.146nm）和CN雙鍵（0.128nm）之間，因而具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)，因此，肽單位所包含的六個原子處在同一個平面上，這個平面稱為肽平面（圖2-8）。

（2）肽平面中的羰基氧與亞氨基中的氫可形成順式和反式兩種構(gòu)型，以反式為主。反式肽平面是熱力學(xué)上較穩(wěn)定的形式。由脯氨酸的亞氨基形成的肽平面可以是順式的，這種排布通常位于轉(zhuǎn)折位置。

（3）肽單位中Cα—N（0.146nm）和Cα—C（0.153nm）都是單鍵，可以自由旋轉(zhuǎn)。Cα—N鍵旋轉(zhuǎn)的角度與Cα—C鍵旋轉(zhuǎn)的角度共稱Cα原子的二面角（圖2-8），它決定著兩個相鄰肽平面的相對位置。蛋白質(zhì)主鏈各Cα原子二面角的不同使肽平面形成不同的空間排布，即為不同的二級結(jié)構(gòu)。

2.α螺旋（α-helix）　是蛋白質(zhì)多肽鏈局部肽段的主鏈形成的一種右手螺旋結(jié)構(gòu)（圖2-9），其主要特點如下：

（1）α螺旋內(nèi)部由緊密卷曲的主鏈構(gòu)成，側(cè)鏈R基分布在外表。完成一個螺旋需要3.6個氨基酸殘基。螺旋每上升一圈相當(dāng)于軸向平移0.54nm，即螺距為0.54nm。相鄰兩個氨基酸殘基的軸向距離為0.15nm。

（2）α螺旋的穩(wěn)定性由鏈內(nèi)氫鍵維持。氫鍵形成于每一個肽鍵的羰基氧與其后數(shù)的第四個肽鍵的氨基氫之間。

蛋白質(zhì)中存在的α螺旋大多數(shù)為右手螺旋。如肌紅蛋白、血紅蛋白、毛發(fā)及指甲中的α角蛋白主要是由α螺旋結(jié)構(gòu)組成；而γ球蛋白、肌動蛋白中幾乎不含α螺旋結(jié)構(gòu)。此外，α螺旋的形成與其組成的氨基酸有關(guān)。帶有相同電荷的氨基酸相鄰，或帶有較大R基的氨基酸相鄰，或連續(xù)的幾個絲氨酸或蘇氨酸，以及較多的甘氨酸和脯氨酸均不利于形成α螺旋。

3.β折疊（β-sheet）　是蛋白質(zhì)多肽鏈局部肽段的主鏈形成的一種鋸齒狀伸展結(jié)構(gòu)。β折疊的形成一般需要幾段肽鏈共同參與，即它們依靠在肽鍵之間形成有規(guī)則的鏈間氫鍵而側(cè)向聚集在一起，維持β折疊的穩(wěn)定。β折疊有如下特點（圖2-10）。

（1）多肽鏈局部肽段主鏈?zhǔn)潜容^伸展的，呈鋸齒狀折疊構(gòu)象；側(cè)鏈R基交替地分布在β折疊的兩側(cè)，以避免相鄰側(cè)鏈R基之間的空間障礙。

（2）β折疊有同向平行和反向平行兩種，在同向平行的β折疊結(jié)構(gòu)中，相鄰肽鏈的走向相同，相鄰兩個氨基酸之間的軸向距離為0.32nm。在反向平行的β折疊中，相鄰肽鏈的走向相反，相鄰兩個氨基酸之間的軸向距離為0.35nm。

4.β轉(zhuǎn)角（β turn）　是指伸展的多肽鏈中發(fā)生180°回折時形成的結(jié)構(gòu)。β轉(zhuǎn)角常由四個氨基酸構(gòu)成，第一個氨基酸的羰基氧與第四個氨基酸的氨基氫形成氫鍵，第二個氨基酸常為脯氨酸（圖2-11）。此外，在β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中常見的氨基酸還有甘氨酸、天冬氨酸、色氨酸及天冬酰胺。

5.無規(guī)卷曲（random coil）　在蛋白質(zhì)多肽鏈局部肽段的主鏈中存在一些無規(guī)律可循的結(jié)構(gòu)，稱為無規(guī)卷曲。無規(guī)卷曲是蛋白質(zhì)發(fā)揮功能時構(gòu)象變化的區(qū)域。

6.超二級結(jié)構(gòu)（supersecondary structure）　是指蛋白質(zhì)中由幾個二級結(jié)構(gòu)單元進一步聚集形成的一種二級結(jié)構(gòu)組合體，又稱為模體（motif）或基序，如αα、βαβ、ββ、鋅指、螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)（圖2-12）等，超二級結(jié)構(gòu)的形成進一步降低了蛋白質(zhì)分子的內(nèi)能，使蛋白質(zhì)更加穩(wěn)定；同時，其特征性的空間結(jié)構(gòu)又是其特殊功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（參見第十五章）。

三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（tertiary structure）是指整條蛋白質(zhì)多肽鏈中全部氨基酸的相對空間位置，也就是整條蛋白質(zhì)多肽鏈中所有原子的空間排布。

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進一步折疊盤曲而成的空間結(jié)構(gòu)，包括了主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象。主鏈構(gòu)象是指多肽主鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步盤曲折疊；側(cè)鏈構(gòu)象是指多肽側(cè)鏈形成的各種微區(qū)，包括親水區(qū)和疏水區(qū)。親水區(qū)多位于分子表面；疏水區(qū)多位于分子內(nèi)部，往往是與輔助因子、配體或底物結(jié)合的位點。穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子具有生物活性的基本特征之一。

肌紅蛋白（myoglobin，Mb）位于肌細(xì)胞內(nèi)，功能是儲存O2。肌紅蛋白是由153個氨基酸殘基構(gòu)成的單一肽鏈蛋白質(zhì)，含有一個血紅素輔基。肌紅蛋白分子由于側(cè)鏈R基的相互作用，使多肽鏈纏繞，形成一個球形分子，球表面有親水側(cè)鏈，疏水側(cè)鏈位于分子內(nèi)部（圖2-13）。海洋哺乳動物肌細(xì)胞含大量的肌紅細(xì)胞，可以儲存O2，因此能長時間潛水。

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定主要依靠疏水鍵、氫鍵、離子鍵和范德華力（Van der Waals force）等非共價鍵。

結(jié)構(gòu)域（domain）指分子量較大的蛋白質(zhì)常可折疊成多個結(jié)構(gòu)較為緊密而穩(wěn)定，具有獨立行使其功能的區(qū)域性結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)來看，結(jié)構(gòu)域為介于二級和三級結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)層次，是多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)和超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的、在空間上可明顯區(qū)分的、相對獨立緊密折疊的功能單位。若用限制性蛋白酶水解，含多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)常可分解出獨立的結(jié)構(gòu)域，且各結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象可以基本不變，并保持其功能。超二級結(jié)構(gòu)則不具備這種特點。

例如：Src是人體內(nèi)的一種蛋白酪氨酸激酶，其一級結(jié)構(gòu)含535個氨基酸，其中有三段序列在三級結(jié)構(gòu)中形成三個結(jié)構(gòu)域：SH3結(jié)構(gòu)域和SH2結(jié)構(gòu)域的作用是與其他分子結(jié)合，蛋白激酶域的作用是催化特定蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸化（圖2-14）。

四、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternary structure）是指由兩條或兩條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)多肽鏈組成的蛋白質(zhì)中，多肽鏈通過非共價鍵相互結(jié)合而成的聚合體結(jié)構(gòu)。

在具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，每一條肽鏈都具有各自特定的三級結(jié)構(gòu)，稱為該蛋白質(zhì)的一個亞基。由同一種亞基構(gòu)成的蛋白質(zhì)稱為同聚體，不同亞基構(gòu)成的蛋白質(zhì)稱為異聚體。由2個亞基組成的蛋白質(zhì)稱為二聚體，由4個亞基組成的蛋白質(zhì)稱為四聚體，由多個亞基組成的蛋白質(zhì)稱為寡聚蛋白質(zhì)或多體蛋白。

血紅蛋白（hemoglobin，Hb）是最早闡明四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。健康成人血紅蛋白HbA是由α亞基和β亞基構(gòu)成的α2β2異四聚體，α亞基含有141個氨基酸，β亞基含有146個氨基酸。胎兒期的Hb主要為α2γ2，胚胎期為α2ε2。此外，在成人Hb中還存在很少的α2δ2。而鐮狀紅細(xì)胞貧血患者紅細(xì)胞中的Hb為α2S2。Hb各亞基的三級結(jié)構(gòu)均類似肌紅蛋白（圖2-15）。

四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要依靠不同亞基上一些氨基酸的相互作用，包括疏水鍵、氫鍵、離子鍵和范德華力等非共價鍵。

值得注意的是，并非所有的蛋白質(zhì)都有四級結(jié)構(gòu)。

五、維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的作用力

氨基酸通過肽鍵形成肽鏈，肽鏈進一步卷曲折疊形成各種構(gòu)象，維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力主要是疏水鍵、氫鍵、范德華力、離子鍵等非共價鍵，此外還有二硫鍵（圖2-16）。

1.疏水鍵　蛋白質(zhì)分子中的疏水基團（如異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等R基）為避免與水的接觸而彼此靠近所產(chǎn)生的具有疏水、聚集而埋于分子內(nèi)部趨勢的作用力，稱為疏水鍵（hydrophobic bond），它是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力。

2.氫鍵　蛋白質(zhì)分子中含有大量由氫和電負(fù)性大的原子如氧或氮原子形成的基團，該類基團中成鍵電子偏向電負(fù)性強的原子核，使得氫原子核周圍的電子分布減少，在氫核附近出現(xiàn)正電荷，這種由電負(fù)性較強的原子（O、N）與帶正電荷的氫原子接近時，產(chǎn)生的靜電引力，稱為氫鍵（hydrogen bond）。盡管氫鍵的鍵能較低，但在蛋白質(zhì)分子中數(shù)量大，故能明顯改變蛋白質(zhì)分子的許多物理性質(zhì)。氫鍵是維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力，也是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)、四級結(jié)構(gòu)的重要作用力。

3.范德華力　一般將原子、分子間或基團間保持半徑距離時產(chǎn)生的作用力稱為范德華力。

4.離子鍵　是指存在于帶異性電荷基團之間的靜電引力。在生理條件下，蛋白質(zhì)分子中的氨基帶正電荷，羧基帶負(fù)電荷，當(dāng)它們靠近時可通過靜電引力形成離子鍵（ionic bond），也稱為鹽鍵。

5.二硫鍵　肽鏈中兩個半胱氨酸的巰基在多肽鏈盤曲、折疊或聚合而相互接近時，可氧化形成二硫鍵（disulfide bond）。二硫鍵為共價鍵，是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的重要作用力。