3.4　肽和蛋白质

在分子、细胞和机体水平上的大部分生物过程，肽和蛋白质都发挥主要作用。肽和蛋白质作为酰胺序列结构，其主链内酰胺基团形成的氢键是稳定各种高级结构的最重要的驱动力。侧链上极性基团形成的氢键、偶极作用和离子对作用等也可以对主链内的氢键产生重要作用，而疏水性的侧链在水中的堆积则是另一个重要的影响因素。因此，尽管能形成高级结构的主链内和主链间的氢键模式已得到系统研究，但具体一个肽链形成的高级结构及相应的键长、键角参数等并不是固定不变的。

3.4.1　氨基酸

肽和蛋白质由大约二十种氨基酸组成，其主链N端的氨基和C端的羧基在中性pH时通常是带电的，即以和的形式存在，它们分别是强的氢键供体和受体。中性的氨基和羧基可同时作为供体和受体形成氢键。因此，主链的两个末端始终是亲水的。除了甘氨酸，其它氨基酸α-位都带有取代基。烷基取代基不能形成氢键，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的苯环可以形成N—H…π相互作用，可以看作是一类弱的氢键。酪氨酸的OH既可以作为供体，也可以作为受体形成氢键，而色氨酸的NH可作为供体形成氢键。半胱氨酸的SH是弱的氢键受体和供体，其S^-形成氢键的能力更强，而甲硫氨酸的S原子则是弱的氢键受体。其它带羟基（丝氨酸和苏氨酸）、羧基（天冬氨酸和谷氨酸）、氨基（赖氨酸）、胍基（精氨酸）、酰胺（天冬酰胺和谷氨酰胺）及咪唑（组氨酸）的氨基酸，它们侧链上的官能团都能形成氢键，其强度取决于这些官能团本身。这些氢键及静电作用（离子型官能团）和配位作用（咪唑等）等一起构成了侧链与主链、侧链与侧链、不同主链间分子识别和相互作用的主要动力。对322个蛋白的研究表明，苏氨酸、丝氨酸、天冬氨酸和天冬酰胺的短的极性侧链具有较强的倾向性，与邻近的主链酰胺形成分子内氢键，概率分别为32％、29％、26％和19％^［3］。当这类氢键发生在N端时，覆盖了相应的羰基，降低了水的竞争，能够稳定主链的氢键及相应的螺旋构象。当处于中间时，因与主链内酰胺形成的氢键竞争而不利于螺旋构象。氨基酸的脂肪链及芳环等非极性基团受疏水作用驱动，可以发生簇集和堆积，对于稳定高级结构和形成疏水区域等起到重要的作用。

3.4.2　二级结构

3.4.2.1　螺旋

多肽链形成的螺旋（helix）结构最常见的是α-螺旋或3.6₁₃螺旋（图3-4），每圈螺旋由3.6个氨基酸残基形成，每圈螺旋的NH和基团形成的分子内氢键环有13个原子。每个残基有1.5?的上升，每圈高度约为5.4?。除α-螺旋外，多肽链还可以形成3₁₀螺旋和π-螺旋。3₁₀螺旋中3个残基形成一个循环，氢键环包含10个原子，因此结构比α-螺旋窄。π-螺旋由5个残基形成一个循环，因此要比α-螺旋宽。这两类螺旋的稳定性都相对较低，因此出现的概率也较α-螺旋低，一般都较短，大都在需要产生特定功能的区域产生。各种螺旋都表现出不规则性，主链的氢键模式可能会在端基发生变化。α-螺旋的氢键虽然最为稳定，在其两端也有可能变得更宽或更窄，氢键模式转变为π-螺旋或3₁₀螺旋模式。

图3-4　α-螺旋结构，每个周期的高度为5.4?，每个氢键环有13个原子

3.4.2.2　β-片层

β-片层（sheet）是肽链（β束）通过分子间氢键诱导形成的另一类重要的二级结构，肽链一般有3～10个残基。根据肽链的方向不同，可以分为反平行和正平行两类。理想片层中，内部所有的和NH都形成氢键，而两端的和NH基团可能是自由的。反平行排列形成的氢键稳定性更高，因为两个肽链的形成氢键的和NH基团处于相互匹配的位置。而正平行排列的两个肽链形成氢键的和NH基团相互错位，距离较远，形成氢键还将增加肽链的扭曲。因此，正平行β-片层的氢键相对较弱，一般需要有5个以上残基的肽链才能形成这类二级结构。两个片层每个氨基酸残基上升0.347nm和0.325nm。两种片层的骨架都会有一些扭曲，扭曲幅度由于侧链的不同而变化。α-位的取代基交替的指向片层的相反方向。在反平行排列的片层中，分属两个肽链的朝向内侧的取代基可能会产生空间位阻作用，降低片层结构的稳定性。但当取代基间产生附加的相互作用时，可以稳定片层结构。无论哪一种排列方式，肽链的外侧仍有一半的NH是自由的。如果没有被侧链或其它基团阻碍，它们可以进一步形成氢键，形成多股的片层结构，也可以与其它分子或肽链作用。β-片层间的这种通过氢键驱动的延伸会产生不溶性的淀粉样蛋白纤维，导致一些退行性疾病如阿尔茨海默症的发生。

在反平行的β-片层结构中，可以观察到某一肽链中多出若干氨基酸残基，产生所谓的β-突起（bulge）。β-突起造成了氨基酸残基排列的错位偏移，更增加了β-片层的扭转。但β-突起也是一类标准的氢键模式，代表一种规则的二级结构。少量的正平行β-片层结构中，也发现有这种突起结构。

3.4.2.3　转角

转角（turn）是肽链另一类重要的规则二级结构。典型的β-转角由肽链中n残基的与n+3残基的NH形成氢键，主要有两类（Ⅰ，Ⅱ），它们的差别在于n+1残基的和与之相连的n+2残基的NH的取向。而γ-转角的氢键由n残基的与n+2残基的NH形成。β-转角结构限制了n+1和n+2残基的构象，因此大的侧链不利于转角的形成。脯氨酸和甘氨酸残基形成的转角最为常见。脯氨酸的N原子并入到五元环中，其刚性构象有利于回转构象。

3.4.3　三级结构和四级结构

蛋白质的三级结构是长的多肽链在三维空间的有序构象，它包含有不同的螺旋、片层及转角等二级结构域，相互间通过柔性的肽链连接。不同结构域间通过氢键及氨基酸侧链间的相互作用，诱导整个肽链形成球形的三级结构。侧链间的相互作用包括疏水作用、氢键、离子对作用（盐桥）及配位作用等。半胱氨酸形成S—S键，也可以稳定三级结构。三级结构可以产生疏水的内核，这一区域的肽链氨基酸残基主要带有疏水的侧链，它们受疏水作用驱动聚集在一起可以形成笼形，减少了与水的接触面积。疏水作用是三级结构形成的最重要的驱动力，但它需要其它方向性的相互作用力协助，才能形成规则的堆积结构。与水接触的外围的肽链的氨基酸残基则大都带有亲水的极性基团，它们可以和水形成静电偶极作用和氢键，提高了蛋白的水溶性。亲水的肽链也可以结合在一起，形成空穴或孔道，里面可以被水分子占据。这种区域可以形成水通道或离子通道。

几个蛋白质三级结构或亚基可以通过疏水作用、氢键、离子键等驱动进一步形成更复杂的四级结构，是典型的生物大分子组装体。同三级结构的形成一样，疏水作用也是形成四级结构最重要的驱动力，但非极性区域疏水作用的产生主要是由于极性的水分子之间形成的强氢键驱动的。