任务二　蛋白质的分子结构

蛋白质是由氨基酸为基本结构单元通过肽键连接形成的具有三维空间结构的生物大分子。蛋白质的氨基酸序列及空间结构构成了蛋白质结构的多样性。每一种天然蛋白质都有其独特的空间结构（或称三维结构）。根据蛋白质肽链的折叠方式与复杂性，蛋白质分子结构可分为一级结构和空间结构。蛋白质一级结构是空间结构的基础，也是蛋白质功能的基础，一级结构决定蛋白质的空间结构与功能。空间结构也称高级结构，包括二级、三级和四级结构。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构（primary structure）是指氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序，也称初级结构或基本结构，一般指N-端至C-端的氨基酸排列顺序。蛋白质一级结构包括构成蛋白质的多肽链数目、每一条多肽链的氨基酸顺序以及多肽链内或链间的二硫键数量和位置等。蛋白质一级结构中的氨基酸排列顺序是由遗传密码决定的，是蛋白质特异性、空间结构差异性和生物学功能多样性的基础。维持蛋白质一级结构的主要作用键是肽键，有些还含有少量的二硫键。二硫键（—S—S—）也是维持蛋白质一级结构的重要键，可存在于链内或链间。牛胰岛素是第一个被测定一级结构的蛋白质分子。1954年，英国生物化学家Sanger报道了胰岛素（insulin）的一级结构，并于1958年获Nobel化学奖。

牛胰岛素由A链和B链两条肽链组成，共51个氨基酸残基构成，其中，A链有21个氨基酸残基、B链有30个氨基酸残基。将氨基酸序列从N-端氨基酸向C-端氨基酸依次编号，牛胰岛素有3个二硫键，1个位于A链的链内，由A链第6位和第11位半胱氨酸的巯基脱氢形成，称链内二硫键。另外2个位于链间，称链间二硫键。牛胰岛素一级结构见图2-9。

二、蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构包括二级结构（secondary structure）、三级结构（tertiary structure）和四级结构（quaternary structure），是在一级结构基础上通过旋转、折叠、转曲等形成的结构。蛋白质空间结构也称立体结构、高级结构和空间构象等，其决定蛋白质的性质和功能。维持蛋白质空间结构的作用力包括氢键、范德华力、疏水作用力以及共价键和配位键等。

（一）二级结构

蛋白质的二级结构是指局部多肽链的主链骨架若干单元盘绕折叠形成的空间结构，是主链的结构，不涉及氨基酸侧链构象，是蛋白质的构象单元。主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等。维持蛋白质二级结构的主要作用力是主链内或主链间所形成的氢键。

1.α-螺旋

α-螺旋（α-helix）是蛋白质分子中最稳定的二级结构，广泛存在于各类蛋白质中，第一个被阐明的蛋白质（肌红蛋白）二级结构几乎都是α-螺旋，其结构见图2-10。

α-螺旋的结构特点如下。

①多肽链以肽单元为基本单位，以α-碳原子为折点旋转盘绕形成右手螺旋（也可以是左手螺旋）。螺旋一圈需3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm，每个氨基酸残基高度为0.15μm，肽键平面与螺旋长轴平行。

②相邻2个螺旋之间形成氢键，氢键由两个氨基酸残基的N—H与前面隔3个氨基酸残基的羰基氧（C＝O）形成氢键，是维持二级结构稳定性的主要作用力。氢键取向与中心轴基本平行。肽链中所有肽键的N—H和C＝O都可形成氢键。

③氨基酸残基R侧链分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成和稳定性。如多肽中连续存在酸性或碱性氨基酸，由于电荷排斥，阻止链内氢键形成，则不利于α-螺旋形成。较大的氨基酸残基R侧链（如异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等）集中的区域，因空间位阻，也不利于α-螺旋形成。脯氨酸或羟脯氨酸残基也阻碍α-螺旋的形成，因其N原子位于吡咯环中，Cα—N单键不能旋转，加之其α-氨基形成肽键后，N原子无氢原子，不能生成维持α-螺旋所需氢键，所以，蛋白质分子中氨基酸组成和排列顺序对α-螺旋形成和稳定性有决定性的影响。

2.β-折叠

β-折叠（β-pleated sheet）又称β-片层，其结构如图2-11所示。

β-折叠的结构特点如下。

①多肽链主链走向呈折叠纸状，以Cα为旋转点，相邻肽键平面依次折叠成锯齿状，平面之间夹角为110°，R侧链交错伸向锯齿样结构左下方。

②两条以上肽链（或同一条多肽链的不同部分）平行排列，相邻肽链之间靠肽键的羰基氧（C＝O）和亚氨基氢（N—H）形成氢键相连，氢键方向与肽链长轴垂直。

③β-折叠有顺式和反式两种结构。肽链N端在同侧为顺式，两残基间距为0.65nm；在不同侧为反式，两残基间距为0.70nm。反式结构比顺式结构要稳定。链间有氢键相连，氢键也是维持β-折叠结构的主要作用力。形成β-折叠的氨基酸残基较小且不带同种电荷。如甘氨酸和丙氨酸在β-折叠中出现频率较高。蚕丝蛋白几乎都是β-折叠结构。

3.β-转角

β-转角是球蛋白广泛存在的结构形式，其结构如图2-12所示。

球状蛋白是由β-转角通过肽链不时扭转走向形成。β-转角通常由4个连续的氨基酸残基构成，由多肽链残基的第n氨基酸的羰基氧（C＝O）和第n+3氨基酸的氨基氢（N—H）形成氢键，是维持该构象的主要作用力。β-转角的第二个氨基酸残基常为脯氨酸，其他残基有甘氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸和色氨酸等。

4.无规则卷曲

无规则卷曲也称自由回转，是指没有一定规律的松散肽链结构。多肽链中除上述几种比较规则的构象外，其余没有确定规律性的肽链构象统称为无规则卷曲（randomcoil），是蛋白质分子中许多无规律空间构象的总称。无规则转曲大体分为紧密环和连接带两种。酶的功能部位常处于这种构象区域。

（二）蛋白质的超二级结构

超二级结构（super-secondary structure）由美国物理学家和微生物学家Rossmann M.G.在1973年提出，其结构见图2-13。

超二级结构是由两个或两个以上的二级结构在空间折叠中彼此靠近，相互作用形成有规则的二级结构聚集体。常见超二级结构有α-螺旋组合（αα）、β-折叠组合（βββ）和α-螺旋β-折叠组合（βαβ）等，可直接作为三级结构或结构域的组成单位，是介于二级结构和结构域间的一个构象层次，但没有聚集形成功能的结构域。

（三）蛋白质的结构域

结构域（domain）由Edelman在1970年提出，介于超二级结构和三级结构的一个结构层次。多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开并以松散肽链相连，此球状结构称为结构域。纤连蛋白是由两条多肽链通过C端的两个二硫键相连而成，含有6个结构域，每个结构域执行一种功能，可分别与细胞、胶原、DNA或肝素等配体结合。纤连蛋白分子结构域见图2-14。

结构域通常是几个超二级结构的组合，对于分子量较小的蛋白质，结构域与其三级结构等同；较大的蛋白质为多结构域，它们可能是相似的，也可能是完全不同的。结构域一般由100～200个氨基酸残基组成，氨基酸可以是连续的，也可以是中断的，结构域之间常形成裂隙，较为松散，是蛋白酶的优化酶解部位。酶的活性中心常位于两个结构域的界面，结构域使蛋白质分子具有一定柔性。根据组成结构域二级结构与超二级结构不同，结构域可以分为4个大类：①全α结构域，即全部由α-螺旋组成，如蚯蚓血红蛋白；②全β结构域，即全部由β-折叠组成，如清蛋白；③α/β结构域，即由α-螺旋和β-折叠相间排列，如丙酮酸激酶；④α+β结构域，即由α-螺旋和β-折叠混合排列，如己糖激酶。

（四）蛋白质的三级结构

蛋白质三级结构是指具有二级结构的多肽链进一步折叠盘曲形成的空间结构，一般为球状或椭圆状，有一定的生物学活性，是整条肽链全部氨基酸的相对空间位置。蛋白质三级结构稳定的主要作用力为疏水键、离子键（盐键）、氢键、范德华力及少量的二硫键等。其中以疏水键最为重要，氢键是次级键中键能最弱的，但数量最多。次级键都是非共价键，容易受到环境pH、温度、离子强度的影响。二硫键、配位键为共价键，对于三级结构的稳定性有重要影响。见图2-15。

疏水键是由两个非极性基团因避开水相而群聚在一起形成的次级键，是蛋白质三级结构维持的最主要次级键。非极性疏水侧链因疏水作用趋向分子内部形成疏水核，而极性基团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常有一些疏水微区，或者在分子表面形成一个内陷的“洞穴”或“裂缝”，某些辅基就镶嵌其中，常常是蛋白质分子的活性部位。离子键也称盐键，是蛋白质分子中正、负电荷基团之间静电吸引形成的次级键。范德华力是原子、基团或分子间一种弱的相互作用力，对蛋白质维持稳定性也有重要作用。

（五）四级结构

蛋白质四级结构是指由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽亚基通过非共价键结合而成的高级结构。在四级结构中，每一条多肽链都具有独立的三级结构，称其为该蛋白质的亚基。有些蛋白质由相同的几个亚基聚合形成，称为同聚体，否则称为异聚体。由2个亚基组成的称为二聚体，由3个亚基组成的称为三聚体，由4个亚基组成的称为四聚体。一般将由多个亚基组成的蛋白质称为寡聚蛋白质。亚基单独存在时没有活性，需聚合后才能表现蛋白质的生物学功能。维持蛋白质四级结构的作用力主要是各亚基之间所形成的次级键，包括氢键、离子键、疏水键、范德华力等，并非所有蛋白质均有四级结构。

血红蛋白是最早被阐明的四级结构蛋白质。正常健康人体血红蛋白HbA含有两个α-亚基和两个β-亚基，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。4个亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白四聚体（α2β2）结构，发挥携带氧和CO2的生理功能。在一定条件下，血红蛋白四聚体可解聚，亚基聚合和解聚对血红蛋白运输氧的功能有调节作用。血红蛋白的四级结构见图2-16。

三、蛋白质的分类

1.按化学组成分类

根据蛋白质分子组成不同，可分为单纯蛋白和结合蛋白。单纯蛋白是指蛋白质分子组成中仅含氨基酸，如清蛋白、球蛋白、精蛋白、组蛋白等。结合蛋白是指蛋白质分子组成中，除含有氨基酸外，还含有非氨基酸组分，其中，非蛋白质部分称为辅基，一般通过共价键与蛋白质部分相连。

2.按分子形状和溶解度分类

蛋白质根据形状和溶解度可分为纤维状蛋白、球状蛋白和膜蛋白等。纤维状蛋白在生物体内主要起结构作用，典型的纤维状蛋白有胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白和丝蛋白等，不溶于水和稀盐溶液。有些纤维状蛋白如肌球蛋白和血纤蛋白原可溶于水。球状蛋白形状接近球形或椭球形，其疏水性氨基酸侧链位于分子内部，亲水侧链在外部，在水溶液中溶解性好。细胞中的大多数可溶性蛋白质，如胞质酶类，都属于球状蛋白。膜蛋白常与细胞的各种膜系统结合存在，膜蛋白的疏水氨基酸侧链伸向外部，因此，不溶于水但能溶于去污剂溶液，膜蛋白所含的亲水氨基酸残基比胞质蛋白质少。