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，其功能的多样性取决于其分子结构的复杂性。在研究蛋白质的结构时，通常将其分成不同的结构层次，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构（图2-4）。其中二级结构、三级结构和四级结构称为蛋白质的空间结构或构象。切忌把蛋白质的构象理解为不变的刚性结构，实际上许多蛋白质在发挥作用时必须在几种不同构象之间反复转换。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，包括肽键和二硫键位置。一级结构是蛋白质分子空间结构的基础，包含了决定蛋白质分子所有空间结构的信息。

1.肽键与肽　肽键（peptide bond）是氨基酸构成蛋白质时形成的主要化学键，由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基缩合而成。氨基酸通过肽键连接构成的分子称为肽（peptide）。

由两个氨基酸构成的肽称为二肽；由三个氨基酸构成的肽称为三肽，依此类推。通常将由2～10个氨基酸构成的肽称为寡肽，多于10个氨基酸构成的肽称为多肽。谷胱甘肽（glutathion，GSH）是存在于生物体内的一种三肽（图2-5），是重要的抗氧化剂。

多肽呈链状，所以也称为多肽链。多肽链结构包括主链结构和侧链结构。主链也称为骨架，是指除侧链R基以外的部分。主链两端不同，其中有游离α-氨基的一端称为氨基端或N端；有游离α-羧基的一端称为羧基端或C端。肽链有方向性，通常将氨基端视为“头”，这与其合成方向一致，即肽链合成起始于氨基端，终止于羧基端。氨基酸缩合成肽后已经不再是一个完整的氨基酸分子，称为氨基酸残基。

肽可根据其氨基酸组成来命名，规定从N端的氨基酸开始称为某氨基酰某氨基酰……某氨基酸。此外，一些活性肽常根据其来源和功能命名，如脑啡肽。书写肽链的氨基酸排列顺序时，常把N端写在左边，用H2N-或H-表示；C端写在右边，用-COOH或-OH表示，如高等动物脑中的亮氨酸脑啡肽可书写成H-Tyr-Gly-Gly-Gly-Phe-Leu-OH。

2.胰岛素的一级结构　1953年，英国人F.Sanger测定并报告了牛胰岛素的一级结构（图2-7），因此获得1958年诺贝尔化学奖。胰岛素由A、B两条多肽链组成，A链有21个氨基酸，B链有30个氨基酸。其中A7（Cys）-B7（Cys）、A20（Cys）-B19（Cys）4个半胱氨酸形成两个二硫键，使A、B两链连在一起；此外A链中A6（Cys）与A11（Cys）之间还存在一个链内二硫键。不同来源的胰岛素尽管氨基酸组成有差别，但功能相同。猪胰岛素与人胰岛素只是B链的第30位氨基酸有差异，二者的生物学功能相同，临床上均可用于治疗糖尿病。破坏A、B两链间的二硫键，胰岛素的生物活性将完全丧失。

二、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽链主链的局部构象，不涉及侧链的空间排布。氢键是稳定二级结构的主要化学键。

在蛋白质多肽链上，以肽键为核心的肽单位是一个刚性平面结构，是多肽链卷曲折叠的基本单位。通过肽键平面的相对旋转，多肽链可以形成α螺旋、β折叠、β转角和无规卷曲等二级结构，还可以在此基础上进一步形成超二级结构。

1.肽单位（peptide unit）　是多肽链主链两个相邻α碳原子之间的结构，其构象具有以下三个显著特征。

（1）肽单位是一个刚性平面结构。因为肽键中的C—N键的长度（0.132nm）介于一般的C—N单键（0.146nm）和CN双键（0.128nm）之间，因而具有部分双键性质，不能自由旋转，因此，肽单位所包含的六个原子处在同一个平面上，这个平面称为肽平面（图2-8）。

（2）肽平面中的羰基氧与亚氨基中的氢可形成顺式和反式两种构型，以反式为主。反式肽平面是热力学上较稳定的形式。由脯氨酸的亚氨基形成的肽平面可以是顺式的，这种排布通常位于转折位置。

（3）肽单位中Cα—N（0.146nm）和Cα—C（0.153nm）都是单键，可以自由旋转。Cα—N键旋转的角度与Cα—C键旋转的角度共称Cα原子的二面角（图2-8），它决定着两个相邻肽平面的相对位置。蛋白质主链各Cα原子二面角的不同使肽平面形成不同的空间排布，即为不同的二级结构。

2.α螺旋（α-helix）　是蛋白质多肽链局部肽段的主链形成的一种右手螺旋结构（图2-9），其主要特点如下：

（1）α螺旋内部由紧密卷曲的主链构成，侧链R基分布在外表。完成一个螺旋需要3.6个氨基酸残基。螺旋每上升一圈相当于轴向平移0.54nm，即螺距为0.54nm。相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.15nm。

（2）α螺旋的稳定性由链内氢键维持。氢键形成于每一个肽键的羰基氧与其后数的第四个肽键的氨基氢之间。

蛋白质中存在的α螺旋大多数为右手螺旋。如肌红蛋白、血红蛋白、毛发及指甲中的α角蛋白主要是由α螺旋结构组成；而γ球蛋白、肌动蛋白中几乎不含α螺旋结构。此外，α螺旋的形成与其组成的氨基酸有关。带有相同电荷的氨基酸相邻，或带有较大R基的氨基酸相邻，或连续的几个丝氨酸或苏氨酸，以及较多的甘氨酸和脯氨酸均不利于形成α螺旋。

3.β折叠（β-sheet）　是蛋白质多肽链局部肽段的主链形成的一种锯齿状伸展结构。β折叠的形成一般需要几段肽链共同参与，即它们依靠在肽键之间形成有规则的链间氢键而侧向聚集在一起，维持β折叠的稳定。β折叠有如下特点（图2-10）。

（1）多肽链局部肽段主链是比较伸展的，呈锯齿状折叠构象；侧链R基交替地分布在β折叠的两侧，以避免相邻侧链R基之间的空间障碍。

（2）β折叠有同向平行和反向平行两种，在同向平行的β折叠结构中，相邻肽链的走向相同，相邻两个氨基酸之间的轴向距离为0.32nm。在反向平行的β折叠中，相邻肽链的走向相反，相邻两个氨基酸之间的轴向距离为0.35nm。

4.β转角（β turn）　是指伸展的多肽链中发生180°回折时形成的结构。β转角常由四个氨基酸构成，第一个氨基酸的羰基氧与第四个氨基酸的氨基氢形成氢键，第二个氨基酸常为脯氨酸（图2-11）。此外，在β转角结构中常见的氨基酸还有甘氨酸、天冬氨酸、色氨酸及天冬酰胺。

5.无规卷曲（random coil）　在蛋白质多肽链局部肽段的主链中存在一些无规律可循的结构，称为无规卷曲。无规卷曲是蛋白质发挥功能时构象变化的区域。

6.超二级结构（supersecondary structure）　是指蛋白质中由几个二级结构单元进一步聚集形成的一种二级结构组合体，又称为模体（motif）或基序，如αα、βαβ、ββ、锌指、螺旋-环-螺旋结构（图2-12）等，超二级结构的形成进一步降低了蛋白质分子的内能，使蛋白质更加稳定；同时，其特征性的空间结构又是其特殊功能的结构基础（参见第十五章）。

三、蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指整条蛋白质多肽链中全部氨基酸的相对空间位置，也就是整条蛋白质多肽链中所有原子的空间排布。

蛋白质的三级结构是在二级结构基础上，进一步折叠盘曲而成的空间结构，包括了主链构象和侧链构象。主链构象是指多肽主链在二级结构基础上进一步盘曲折叠；侧链构象是指多肽侧链形成的各种微区，包括亲水区和疏水区。亲水区多位于分子表面；疏水区多位于分子内部，往往是与辅助因子、配体或底物结合的位点。稳定的三级结构是蛋白质分子具有生物活性的基本特征之一。

肌红蛋白（myoglobin，Mb）位于肌细胞内，功能是储存O2。肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单一肽链蛋白质，含有一个血红素辅基。肌红蛋白分子由于侧链R基的相互作用，使多肽链缠绕，形成一个球形分子，球表面有亲水侧链，疏水侧链位于分子内部（图2-13）。海洋哺乳动物肌细胞含大量的肌红细胞，可以储存O2，因此能长时间潜水。

蛋白质的三级结构的形成和稳定主要依靠疏水键、氢键、离子键和范德华力（Van der Waals force）等非共价键。

结构域（domain）指分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密而稳定，具有独立行使其功能的区域性结构。从结构来看，结构域为介于二级和三级结构之间的一种结构层次，是多肽链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、相对独立紧密折叠的功能单位。若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常可分解出独立的结构域，且各结构域的构象可以基本不变，并保持其功能。超二级结构则不具备这种特点。

例如：Src是人体内的一种蛋白酪氨酸激酶，其一级结构含535个氨基酸，其中有三段序列在三级结构中形成三个结构域：SH3结构域和SH2结构域的作用是与其他分子结合，蛋白激酶域的作用是催化特定蛋白质酪氨酸磷酸化（图2-14）。

四、蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构（quaternary structure）是指由两条或两条以上具有独立三级结构多肽链组成的蛋白质中，多肽链通过非共价键相互结合而成的聚合体结构。

在具有四级结构的蛋白质中，每一条肽链都具有各自特定的三级结构，称为该蛋白质的一个亚基。由同一种亚基构成的蛋白质称为同聚体，不同亚基构成的蛋白质称为异聚体。由2个亚基组成的蛋白质称为二聚体，由4个亚基组成的蛋白质称为四聚体，由多个亚基组成的蛋白质称为寡聚蛋白质或多体蛋白。

血红蛋白（hemoglobin，Hb）是最早阐明四级结构的蛋白质。健康成人血红蛋白HbA是由α亚基和β亚基构成的α2β2异四聚体，α亚基含有141个氨基酸，β亚基含有146个氨基酸。胎儿期的Hb主要为α2γ2，胚胎期为α2ε2。此外，在成人Hb中还存在很少的α2δ2。而镰状红细胞贫血患者红细胞中的Hb为α2S2。Hb各亚基的三级结构均类似肌红蛋白（图2-15）。

四级结构的稳定性主要依靠不同亚基上一些氨基酸的相互作用，包括疏水键、氢键、离子键和范德华力等非共价键。

值得注意的是，并非所有的蛋白质都有四级结构。

五、维持蛋白质空间结构的作用力

氨基酸通过肽键形成肽链，肽链进一步卷曲折叠形成各种构象，维持蛋白质构象的作用力主要是疏水键、氢键、范德华力、离子键等非共价键，此外还有二硫键（图2-16）。

1.疏水键　蛋白质分子中的疏水基团（如异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等R基）为避免与水的接触而彼此靠近所产生的具有疏水、聚集而埋于分子内部趋势的作用力，称为疏水键（hydrophobic bond），它是维持蛋白质三级结构的主要作用力。

2.氢键　蛋白质分子中含有大量由氢和电负性大的原子如氧或氮原子形成的基团，该类基团中成键电子偏向电负性强的原子核，使得氢原子核周围的电子分布减少，在氢核附近出现正电荷，这种由电负性较强的原子（O、N）与带正电荷的氢原子接近时，产生的静电引力，称为氢键（hydrogen bond）。尽管氢键的键能较低，但在蛋白质分子中数量大，故能明显改变蛋白质分子的许多物理性质。氢键是维持蛋白质二级结构的主要作用力，也是维持蛋白质三级结构、四级结构的重要作用力。

3.范德华力　一般将原子、分子间或基团间保持半径距离时产生的作用力称为范德华力。

4.离子键　是指存在于带异性电荷基团之间的静电引力。在生理条件下，蛋白质分子中的氨基带正电荷，羧基带负电荷，当它们靠近时可通过静电引力形成离子键（ionic bond），也称为盐键。

5.二硫键　肽链中两个半胱氨酸的巯基在多肽链盘曲、折叠或聚合而相互接近时，可氧化形成二硫键（disulfide bond）。二硫键为共价键，是维持蛋白质三级结构的重要作用力。