第二节  蛋白质的分子结构

蛋白质是由许多氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子。通常将蛋白质分子结构分为一级、二级、三级和四级结构。一级结构是蛋白质的基本结构，二级、三级和四级结构统称为蛋白质的空间结构或高级结构。蛋白质的分子结构决定蛋白质的理化性质和生物学功能。

一、蛋白质的一级结构

多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的，氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础，而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础。1953年，英国生物化学家Frederick Sanger报道了牛胰岛素的一级结构，这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质（图1－1），它有A、B两条多肽链，A链含21个氨基酸残基，B链含30个氨基酸残基，分子中3个二硫键，A链内1个，AB链间2个。

说一说：

何为蛋白质分子的一级结构。

图1－1　牛胰岛素的一级结构

不同的蛋白质具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。

二、蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构是指蛋白质在一级结构的基础上，进行盘曲、折叠所形成特定的空间结构。

议一议：

维持蛋白质空间构象的主要化学键有哪些？

蛋白质的空间结构主要靠氢键、盐键、疏水键、配位键和范德华力等非共价键维持固定。次级键的作用力较共价键弱，但蛋白质分子内次级键数量较多，在维持蛋白质空间结构方面仍起决定性的作用。此外，许多蛋白质分子中含有二硫键，它是由两个半胱氨酸残基侧链的巯基之间脱氢形成的共价键，对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。二硫键一旦破坏，蛋白质的生物活性就可能丧失。二硫键数目越多，则蛋白质抗拒外界因素的能力也越强，即蛋白质的稳定性越强。常见的次级键如图1－2所示。

图1－2　蛋白质空间结构中的次级键

A.离子键　B.氢键　C.疏水键　D.范德华力　E.二硫键

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构（secondary structure）是指蛋白质多肽链主链骨架折叠卷曲形成的局部空间结构。多肽链中肽键上4个原子与相邻的2个α－碳原子位于同一平面上，此平面称为肽键平面（peptide bond plane）。肽键平面是蛋白质二级结构的基本单位。由于α－碳原子所连的两个单键可以自由旋转，相邻的肽键平面可以围绕α－碳原子旋转形成不同的排布位置，这就是产生多种二级结构的基础。肽键平面的结构如图1－3所示。

二级结构有α－螺旋、β－折叠、β－转角和无规卷曲等形式。一种蛋白质分子可出现一种或数种二级结构。

                            图1－3　多肽链中的肽键平面

1.α－螺旋　多肽链的主链围绕一个中心轴盘曲形成的螺旋状构象即α－螺旋（α－helix）（图1－4）。

                                             图1－4　α－螺旋结构

α－螺旋的走向为顺时针方向，称右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，氨基酸的侧链伸向螺旋外侧。氢键是稳定α－螺旋的主要次级键。上下螺旋之间形成链内氢键，即第1个肽键的NH与第4个肽键的CO之间形成氢键；第2个肽键的NH与第5个肽键的CO形成氢键，第3个肽键的NH与第6个肽键的CO形成氢键，以此类推，肽键中全部NH都和CO生成氢键，使α－螺旋结构十分牢固。

2.β－折叠　β－折叠（β－pleated sheet）与α－螺旋截然不同，它的多肽链主链走向呈折纸状，氨基酸侧链则交替地位于折纸状结构的上下方。一条多肽链或两条多肽链的若干个β－折叠结构可顺向平行排列，也可逆向平行排列，链间有氢键相连，以维持β－折叠结构的稳定（图1－5）。

                        图1－5　蛋白质分子的β－折叠结构

A.顺向平行　B.逆向平行

3.β－转角　多肽链主链形成的180°的回折结构即β－转角（β－turn）。此结构通常由4个氨基酸残基组成，其第二个残基常为脯氨酸。

4.无规卷曲　在蛋白质分子结构中还存在没有确定规律的局部肽链结构，称之为无规卷曲（random coil）。

研究表明，在蛋白质分子中，特别在球状蛋白分子中，经常可以看到若干个二级结构单元（即α－螺旋、β－折叠等）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合体，称为超二级结构（super－secondary structure）。超二级结构可以直接作为三级结构的构件，是介于二级结构和三级结构之间的一个结构层次。

目前发现的超二级结构主要有三种基本形式：α－螺旋组合（αα）、β－折叠组合（βββ）及α－螺旋β－折叠组合（βαβ）（图1－6）。

图1－6　蛋白质分子的几种超二级结构示意图

（二）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指在二级结构的基础上多肽链在三维空间中进一步盘曲或折叠所形成的立体结构，包括由主链和侧链原子在空间排布所形成的全部分子结构。有些在一级结构上相距甚远的氨基酸残基，经肽链折叠卷曲在空间上可以非常接近。三级结构的形成与稳定主要依靠侧链基团之间的相互作用所形成的非共价键来维持，如氢键、盐键、疏水键和范德华力等（图1－2）。其中的疏水键最重要。此外，由两个半胱氨酸残基的侧链脱氢缩合形成的二硫键，对稳定三级结构也具有重要意义。

具有稳定的三级结构是蛋白质分子具有生物学活性的基本特征之一。例如肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的多肽链，肽链有A～H 8个长短不一的螺旋区，α－螺旋间经β－转角与无规卷曲折叠形成近似球状的三级结构（图1－7）。其绝大部分亲水基团位于分子表面，疏水基团则位于分子内形成一个疏水的洞穴，含Fe²⁺的血红素就位于洞穴中起储存O₂的功能。

图1－7　肌红蛋白的三级结构

（三）蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构（quaternary structure）是指两个或两个以上独立三级结构的多肽链相互作用，彼此以非共价键结合形成的复杂结构。四级结构中每一个具有独立三级结构的多肽链称为一个亚基（subunit）。亚基单独存在时不具有生物活性，只有按特定的方式结合形成四级结构时，蛋白质分子才具有生物活性。四级结构的稳定靠各亚基间相互作用形成的疏水键、氢键、盐键等非共价键来维持，其中疏水键起主要作用。

图1－8　血红蛋白的四级结构示意

血红蛋白（hemoglobin，Hb）是由两个α－亚基和两个β－亚基构成的四聚体（图1－8）。α－亚基含有141个氨基酸残基，β－亚基含有146个氨基酸残基。有意义的是这两种亚基的三级结构与肌红蛋白的三级结构非常相似，分析这三条多肽链的一级结构，实际上只有20多个位置的氨基酸排列顺序是一致的，这表明多肽链氨基酸排列顺序中的不同氨基酸残基在三级结构的形成中作用是不均衡的。

大多数蛋白质分子只有一条多肽链构成，其具有三级结构就具有生物学活性；一部分相对分子质量更大或具有调节功能的蛋白质往往有两条或两条以上多肽链构成，其具有特定四级结构时才具有生物学活性。

蛋白质分子的四级结构比较见表1－2。

表1－2　蛋白质分子的一、二、三、四级结构比较