第二节 蛋白质的结构与功能

蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。每种蛋白质都有其特定的结构和功能。蛋白质分子结构分为一级、二级、三级、四级结构。一级结构为蛋白质的基本结构，二级、三级和四级结构统称为高级结构或空间构象。

一、蛋白质的基本结构

（一）肽键和肽

1．肽键 一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键（-CONH-）。

2．肽 氨基酸通过肽键连接而成的化合物称为肽。由两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽，依此类推。一般十肽以下的称为寡肽，十肽以上者称为多肽，多肽的化学结构为链状，也称为多肽链。肽链中氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，称为氨基酸残基。

多肽链有两端，含自由α-氨基的一端称氨基末端或N—端；有自由α-羧基的一端称为羧基末端或C—端。在书写某肽链时，规定N-端在左，C-端在右。如某一肽段：

每条多肽链中氨基酸残基的顺序编号都从N—端开始。肽的命名也是从N—端开始指向C—端的，如从N—端到C—端依次由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸缩合成的三肽称为谷氨酰半胱酰甘氨酸，或简称谷胱甘肽（GSH, SH表示分子中的自由巯基）。

3．生物活性肽 在体内，存在一些具有重要功能的小分子肽，称为生物活性肽。如谷胱甘肽、脑啡肽、抗利尿激素和催产素、促肾上腺皮质激素等。

（二）蛋白质的一级结构

蛋白质分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。它是蛋白质分子的基本结构。肽键是维持蛋白质一级结构的主要化学键，有些尚含有二硫键（—S—S—），它是由两个半胱氨酸巯基（—SH）脱氢氧化而生成的。

牛胰岛素是首先被确定一级结构的蛋白质，它由A、B两条多肽链构成，A链含21个氨基酸残基，B链含30个氨基酸残基。两条多肽链通过两个二硫键相连（图2-1）。

蛋白质分子的一级结构是其生物学活性和特异空间结构的基础。尽管各种蛋白质的基本结构都是多肽链，但所含氨基酸数目以及氨基酸种类在多肽链中的排列顺序不同，这就形成了结构多样、功能各异的蛋白质。因此，蛋白质一级结构的研究，是在分子水平上阐述蛋白质结构与其功能关系的基础，对揭示某些疾病的发病机制、指导疾病的治疗有十分重要的意义。

二、蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构指蛋白质肽链通过折叠、盘曲，使分子内各原子形成一定的空间排布及相互关系，这种空间结构称为蛋白质的构象。各种蛋白质的分子形状、理化性质和生物学活性主要取决于它特定的空间结构。维持蛋白质空间结构稳定的化学键主要有疏水键、氢键、盐键、范德华力等非共价键和二硫键，统称为次级键。

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指多肽链本身沿长轴方向折叠或盘曲所形成的有规律的、重复出现的空间结构。

肽键（—CONH—）中的C—N键在一定程度上具有双键性质，所以不能自由旋转。因此，肽键中的C、O、N、H四个原子与它们相邻的两个α-碳原子都处于同一平面上，该平面称肽键平面（图2-2）。在多肽链中，由于与α-碳原子相连的N和C（Cα—N和Cα—C）所形成的化学键都是典型的单键，可以自由旋转，所以两个相邻肽键平面可以围绕α-碳原子旋转，使多肽链形成有特殊规律的结构。

蛋白质二级结构的主要形式是α-螺旋和β-片层结构，还有β-转角和无规卷曲等。稳定二级结构的主要次级键是氢键。

1.α-螺旋 α-螺旋是指多肽链中肽键平面通过α-碳原子的相对旋转，沿长轴方向按规律盘绕形成的一种紧密螺旋盘曲构象。其结构特点是：①多肽链以α-碳原子为转折点，以肽键平面为单位，盘曲成一个右手螺旋样结构。②每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基向上平移0.15nm，故螺距为0.15×3.6=0.54nm。③肽键平面与螺旋长轴平行，α-螺旋的每个肽键中的N—H和第四个肽键（即间隔3个肽键）中的C═O形成许多氢键，使螺旋稳定。氢键的方向与螺旋长轴基本平行。④肽链中氨基酸侧链R伸向螺旋外侧，其大小、形状、性质及所带电荷均影响α-螺旋的形成（图2-3）。

2.β-折叠 β-折叠又称β-片层，是蛋白质多肽主链的另一种有规律的构象，是一种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构。其结构特点是：①多肽链在一空间平面内伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状（或扇形）结构。②β-折叠由一条多肽链折返而成，或由两条以上多肽链顺向或逆向平行、排列而成。③当两条多肽链接近时，肽链之间相互形成氢键以使结构稳定，氢键的方向与折叠的长轴垂直。④肽链中氨基酸侧链R伸出在片层“锯齿”上下（图2-4）。

3.β-转角 球状蛋白质分子中，多肽链主链常常会出现180°回折，这部分回折称为β-转角。β-转角通常由4个氨基酸残基构成，其第一个残基的羰基氧（O）与第四个残基的氨基氢（H）形成氢键。β-转角可使肽链的走向发生改变。

4．无规卷曲 是多肽链中除以上几种比较规则的构象外，没有确定规律性的那部分肽链构象。

（二）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上进一步盘曲、折叠，主链、侧链都包括在内所形成的空间结构。稳定三级结构的因素主要是多肽链侧链基团相互作用形成的次级键，如疏水键、氢键、离子键、范德华引力及二硫键等（图2-5）。由一条多肽链构成的蛋白质，必须具有三级结构才有生物学活性。如肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单个肽链的蛋白质，含有1个血红素辅基。多肽链相互缠绕形成球状，球表面有亲水侧链，疏水侧链则分布在分子内部（图2-6）。

（三）蛋白质的四级结构

在体内有许多蛋白质分子是由两条或两条以上的多肽链构成，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为亚基。蛋白质分子中各个亚基以非共价键相连形成的特定的空间结构，称为蛋白质的四级结构。单独的亚基一般无生物学活性，只有完整四级结构的蛋白质分子才有生物学活性。在四级结构中，亚基之间的结合力主要为疏水键、氢键和离子键。亚基可以相同，也可不同。如过氧化氢酶由4个相同亚基构成；而血红蛋白是由两个α-亚基与两个β-亚基形成的四聚体，它们分别由含有141个氨基酸的α-链和含有146个氨基酸的β链各结合一个血红素辅基构成。两个α-亚基、两个β-亚基两两交叉，借次级键结合成球状分子，具有运输氧和二氧化碳的功能（图2-7）。

三、蛋白质分子结构与功能的关系

蛋白质的功能与其特异的构象有密切关系，而一级结构对空间结构有决定作用。因此，蛋白质的一级结构和空间结构都与蛋白质的功能有关。

（一）蛋白质的一级结构与功能的关系

蛋白质的一级结构与功能的关系非常密切。以血红蛋白为例，血红蛋白是由α2β2四个亚基组成的蛋白质，镰刀型红细胞性贫血患者的血红蛋白中α链与正常的完全相同，而β链第六位谷氨基酸残基被缬氨酸残基所替代，这一微小的改变，血红蛋白运氧功能减弱，红细胞由圆盘型变为镰刀状并极易破裂溶血，导致贫血。这种由于遗传物质（DNA）的突变，导致其编码蛋白质分子的氨基酸序列异常，而引起其生物学功能改变的遗传性疾病称为分子病。

（二）蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的功能与其特定的构象密切相关。蛋白质构象是其生物活性的基础，构象发生改变，其功能活性也随之改变。

核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的单链蛋白质，分子中有4个二硫键及许多氢键维系其空间构象。当用尿素和β-巯基乙醇处理核糖核酸酶，尿素破坏维系其空间结构的氢键，β-巯基乙醇将其分子中的二硫键还原为巯基，该酶的正常构象被破坏，酶活性逐渐消失。如果将此酶放入透析袋中，去掉尿素及β-巯基乙醇，则可使多肽链上的巯基温和、缓慢地氧化，重新形成二硫键，酶的活性又逐渐地恢复，证明核糖核酸酶的空间构象与功能之间的密切关系，也是一级结构决定空间结构的典型例子（图2-8）。