第二节
蛋白质的分子结构

蛋白质是具有结构复杂性与功能多样性的生物大分子。蛋白质的分子结构包括一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。蛋白质的构象不是不变的刚性结构，实际上许多蛋白质在发挥作用时通常在几种不同构象之间反复转换。

一、肽

（一）肽键与肽

1个氨基酸的氨基与另1个氨基酸的羧基通过脱水缩合形成的化学键称为肽键（peptide bond）（图2-4）。

氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽（peptide）。由两个氨基酸残基构成的肽是二肽，依此类推，是三肽、四肽等。一般说来，由10个以内氨基酸残基相连而成的肽称为寡肽（oligopeptide），10个以上氨基酸残基相连而成的肽称为多肽（polypeptide）。

氨基酸通过肽键连接而形成的链状结构称为多肽链（polypeptide chain），多肽链中形成肽键的原子和α-碳原子交替重复排列构成主链骨架（backbone），而伸展在主链两侧的R基被称为侧链（side chain）。多肽链有两端，有自由α-氨基的一端称为氨基末端或N-端，有自由α-羧基的一端称为羧基末端或C-端。肽链中的氨基酸因形成肽键而分子不完整被称为氨基酸残基（residue）（图2-5）。

从广义上讲，多肽包括蛋白质。即使狭义的多肽，实际上与蛋白质也没有严格界限。

（二）体内一些重要的肽

体内存在着许多具有生物活性的低分子质量寡肽和多肽，如谷胱甘肽、抗利尿激素、血管紧张素Ⅱ、β-内啡肽、催产素、表皮生长因子等。生物活性肽在代谢调节、神经传导等方面起着重要作用（表2-2）。

还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）是由谷氨酸的γ羧基与半胱氨酸、甘氨酸通过肽键相连形成的三肽化合物。分子中的巯基（—SH）是主要功能基团，具有还原性，使GSH成为体内重要的抗氧化剂，保护体内蛋白质或酶分子免遭氧化。巯基还具有嗜核特性，能与一些致癌剂、药物、重金属离子结合促使其排出体外（图2-6）。

二、蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质多肽链中氨基酸残基的组成和排列顺序。维持一级结构的主要化学键是肽键，其次是二硫键。一级结构是蛋白质的基本结构，是其空间结构和生物学功能的基础。

人的胰岛素（insulin）由A、B两条多肽链构成，其中A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基。其中A链第7位和B链第7位、A链第20位和B链第19位的半胱氨酸之间形成两个链间二硫键，在A链第6位和A链第11位的半胱氨酸之间形成1个链内二硫键（图2-7）。

研究蛋白质的一级结构具有重要的意义：①氨基酸序列是蛋白质生物学活性的分子基础。②一级结构是空间结构的基础，包含形成特定空间结构所需的全部信息。③遗传疾病的物质基础是相关蛋白质的氨基酸序列产生变异。④研究氨基酸序列可以阐明生物进化史，氨基酸序列的相似性越大，物种之间的进化关系越近。

三、蛋白质的二级结构

二级结构（secondary structure）指某一段肽链中主链骨架盘绕折叠形成的空间排布，不涉及氨基酸残基侧链的构象。在蛋白质分子中，由于肽键平面之间相对旋转的角度不同，构成了不同类型的二级结构，主要包括α-螺旋（α-helix）、β-折叠（β-pleated sheet）、β-转角（β-turn）和无规卷曲（random coil）。α-螺旋与β-折叠是目前研究最详细的两种二级结构。

（一）肽键是刚性平面

肽键具有特殊性质。从键长看，肽键键长（0.132nm）介于单键（0.146nm）和双键（0.124nm）之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转；从键角看，肽键中键与键的夹角均为120°。因此，形成肽键的6个原子（C _α 、C、O、N、H、C _α ）始终处在同一平面上，构成刚性的“肽键平面”（peptide bond plane），或称肽单元（peptide unit）（图2-8）。其中两个α-碳原子处于反式位置。N-C _α 键与C _α -C键可以旋转，所以肽链主链实际上是由刚性肽单元平面通过α-碳原子串接形成的，主链构象的形成与改变是通过刚性平面围绕α-碳原子的旋转实现的。

（二）α-螺旋

α-螺旋（α-helix）是多肽链主链形成的螺旋结构（图2-9）多为右手螺旋，其主要特点如下：多肽链以肽键平面为基本单位，以α-碳原子为折点绕其分子长轴顺时针旋转，盘绕形成右手螺旋，螺旋一圈需3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm，螺旋的直径为0.50nm；氨基酸残基的R侧链伸向螺旋外侧；稳定性由链内氢键维持，由一个肽键的羰基氧和第四个肽键的氨基氢形成，方向与α-螺旋长轴基本平行。

（三）β-折叠

在β-折叠（β-pleated sheet）结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以C _α 为转折点，相邻肽键平面折叠呈锯齿状或折纸样结构，两平面之间的夹角为110°，R侧链交错伸向锯齿或折纸样结构的上下方；两段以上的β-折叠结构平行排布，靠形成氢键维持稳定性，氢键方向与肽链长轴垂直（图2-10）。数股β-折叠平行排列可形成裙褶样结构，若两条肽链走向相同，即N-端、C-端方向一致称为正向（顺式）平行，反之称为反向（反式）平行。

有些蛋白质为了在多层折叠上进一步形成重叠，要求侧链尽可能小，使R侧链之间可以紧密结合。如蚕丝或蜘蛛丝的α-角蛋白主要含甘氨酸与丙氨酸，这是两个最小的氨基酸，在肽链中交替排列，在β-折叠的一侧没有取代基，另一侧只有甲基。层与层之间形成了最大程度的紧密结合。

（四）β-转角

多肽链紧密折叠通过转折180°改变走向，把转折点的结构称为β-转角（β-turn）（图2-11）。β-转角由4个氨基酸残基构成，第1个氨基酸残基羰基氧与第4个氨基酸残基氨基氢形成氢键，中间2个氨基酸残基的肽键部分不形成氢键。甘氨酸最小，α-碳原子转动自由度很大，常出现在第3氨基酸位；脯氨酸因为其亚氨基构成的肽键为顺式结构，特别利于转角的形成，常出现在第2氨基酸位。

（五）无规则卷曲

除了上述二级结构之外，蛋白质多肽链的空间结构中还存在一些没有确定规律性构象的肽段，这类构象称为无规则卷曲（random coil）。

（六）超二级结构

超二级结构（super secondary structure）是蛋白质分子中两个或两个以上二级结构在空间上靠近相互聚集形成的特殊空间构象，具有特殊的功能，又称为模体（motif）。如螺旋-转角-螺旋（图2-12a）和锌指结构（zinc finger）（图2-12b）。

（七）结构域

结构域（structural domain）是介于二级和三级结构之间的一种结构层次，在二级结构和超二级结构的基础上形成的，在空间上可明显区分的、相对独立的、球状紧密的区域性结构。从动力学的角度来看，一条较长的多肽链先折叠成几个相对独立的单位，在此基础上进一步折叠盘绕成为完整的立体构象。

四、蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是在二级结构基础上，由于侧链R基的相互作用，进一步盘曲折叠构成的特定空间结构，包括整条肽链中全部氨基酸残基的所有原子在三维空间的排布位置。蛋白质三级结构的形成与稳定主要依靠次级键包括疏水作用、离子键，又称盐键、氢键，范德华力及少量的二硫键等维系（图2-13）。

疏水作用是维持三级结构最主要的化学键，非极性的疏水R侧链因疏水作用趋向分子内部，形成疏水核，而大多数极性基团则分布在分子表面，形成亲水区。有些球状蛋白质分子的亲水表面上常有一些疏水微区，或者在分子表面上形成一个内陷的“洞穴”或“裂缝”，某些辅基就镶嵌其中，这常常是蛋白质分子的活性部位。

只由一条多肽链组成的蛋白质形成的最高空间结构就是三级结构，如肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单链球状蛋白质（图2-14）。蛋白质的三级结构由一级结构决定，多肽链中氨基酸残基数目、性质和排列顺序的不同，可以构成独特的三级结构，决定蛋白质特有的生物学功能。胰岛素尽管由A、B两条链构成，但两条链之间通过二硫键相连而不是通过非共价键相连，使分子只能形成三级结构的空间构象，而不能形成四级结构。因此，胰岛素和肌红蛋白都是以三级结构来发挥生物学功能的。

由一条肽链构成的蛋白质具有三级结构时，才具有生物学活性。

五、蛋白质的四级结构

由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链相互作用，经非共价键连接成特定空间构象，即为蛋白质的四级结构（quaternary structure）。在四级结构中，每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基（subunit）。各亚基之间主要以疏水作用、氢键、盐键等非共价键缔合成多聚体。具有四级结构的蛋白质，亚基单独存在时不具有生物学活性，只有完整的四级结构多聚体才有生物学功能。

多亚基构成的蛋白质中，亚基可以相同也可以不同。如血红蛋白是含有两个α亚基和两个β亚基按特定方式接触排布形成的具有四级结构的四聚体蛋白质。α、β两种亚基的三级结构极为相似，每个亚基都结合一个血红素辅基（图2-15）。