蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)是復(fù)雜的大分子，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有三維空間結(jié)構(gòu)。根據(jù)蛋白質(zhì)肽鏈折疊的方式與復(fù)雜的程度將蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)分為四級，即一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)（包括二，三，四級結(jié)構(gòu)）。

一.蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

（primarystructure）

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)又稱共價結(jié)構(gòu)或者基本結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)是由L-α氨基酸組成的高分子有機(jī)化合物（前面講過蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸），不同的蛋白質(zhì)的氨基酸的種類、數(shù)量和排列順序不相同，導(dǎo)致了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生物學(xué)功能的多樣性。正是因為氨基酸的種類、數(shù)量和排列順序不相同導(dǎo)致了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生物學(xué)功能的多樣性，所以蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)要討論的中心問題是：1)

蛋白質(zhì)分子中氨基酸之間是怎樣連接的?2)

每種蛋白質(zhì)是否有確定的氨基酸排列順序?(一)、肽鏈和肽鍵

peptidechainandpeptidebond

肽鍵（peptidebond）p16：是蛋白質(zhì)分子中基本的化學(xué)鍵，是由一分子氨基酸的α-羧基與另一分子氨基酸的α-氨基縮合脫水而成的亞酰胺鍵。

那么肽及肽鏈的概念又是怎么樣的呢?

肽：指氨基酸通過肽鍵相連而成的化合物。由兩個氨基酸組成的肽稱為二肽，三個氨基酸組成的肽稱為三肽。依此類推，一般地把十個氨基酸以下組成的肽稱為寡肽（oligopeptide），十個氨基酸以上組成的肽稱為多肽或者多肽鏈（polypeptide）其結(jié)構(gòu)為：

規(guī)則（P16底部）1）、書寫格式從N到C。

2）、蛋白質(zhì)和肽的命名從N到C。

3）、體內(nèi)多肽或蛋白質(zhì)合成的過程從N到C。舉例：Ala-Gly-Ser，Ser-Gly-Ala;

Gly-Ser-Ala，Ser-Ala-Gly

同是三種氨基酸組成的三肽，但若排列順序不同，則組成不同的三肽。所以20種氨基酸可以構(gòu)成許多種蛋白質(zhì)。

P171953年測定牛胰島素氨基酸的順序，第一次展示Pr是具有確切的氨基酸順序，每一種Pr具有特異而嚴(yán)格的氨基酸種類、數(shù)量和排列順序。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)概念（P17）：

蛋白質(zhì)是由不同種類，數(shù)量和排列順序的氨基酸，通過肽鍵相連而構(gòu)成的高分子有機(jī)含氮化合物。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是其作用的特異性、空間結(jié)構(gòu)的差異性和生物學(xué)功能多樣性的基礎(chǔ)。多肽鏈的一級結(jié)構(gòu)存在三種形式：分枝開鏈、無分枝開鏈和環(huán)狀多肽。二.蛋白質(zhì)的構(gòu)象(conformation)

蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象又稱空間結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、高級結(jié)構(gòu)或三維構(gòu)象等。它包括二級結(jié)構(gòu)，三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子構(gòu)象是指蛋白質(zhì)分子中原子和基團(tuán)在三維空間上的排列分布及肽鍵的走向。（一）、維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的化學(xué)鍵

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵是肽鍵也有少量二硫鍵。而維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵主要是一些次極鍵。次極鍵雖然鍵能小，穩(wěn)定性差，但由于數(shù)目眾多，因此在維持蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象中起極為重要的作用。主要的次極鍵（副鍵）有：氫鍵，疏水鍵，鹽鍵，配位鍵，二硫鍵、范德華力。1、氫鍵由連接在一個電負(fù)性大的原子上的H與另一個電負(fù)性大的原子相互作用而成，氫鍵是次極鍵中鍵能做弱的，但數(shù)目最多，所以是最重要的次極鍵，也是維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要次極鍵。2、疏水鍵由兩個非極性基團(tuán)，因避開水相而群集在一起的作用力，是維持蛋白質(zhì)三級，四級結(jié)構(gòu)的主要次極鍵。

3、鹽鍵(又叫離子鍵)

它是蛋白質(zhì)分子中帶正電荷基團(tuán)和負(fù)電荷基團(tuán)之間的靜電吸引所形成的化學(xué)鍵。4、配位鍵蛋白質(zhì)與金屬離子結(jié)合中，常含有配位鍵，如細(xì)胞色素，血紅蛋白等均含有鐵與蛋白質(zhì)形成的配位鍵。5、二硫鍵是由兩個硫原子間所形成的化學(xué)鍵(較強(qiáng)的化學(xué)鍵)。

6、范德華力是原子、基團(tuán)或分子間的一種弱的相互作用力。

(二)、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

secondarystructureofprotein

蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽單位，各自沿一定的軸盤旋或折疊，并以氫鍵為主要次級鍵而形成的有規(guī)則的構(gòu)象，如α-螺旋（α-helixstructure）、β-折疊（β-pleatedsheet）、β-轉(zhuǎn)角（β-bend）和無規(guī)則卷曲（randomcoil）等。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)一般不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。二級結(jié)構(gòu)概念的要點：1）肽單位（肽平面）2）氫鍵為主要次級鍵（氫鍵是穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)的主要鍵）3）二級結(jié)構(gòu)種類（α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲）4）不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈肽單位（肽平面）P19肽鍵與相鄰的兩個α碳原子所組成的基團(tuán)，成為肽單位（peptideunit）。

O

Cα—C—N—Cα

H

肽單位（peptideunit）

肽鍵與相鄰的兩個α-C原子所組成的殘基，稱為肽單位、肽平面或酰胺平面(amideplane)。

-螺旋（

-helix）P20

Pauling等人對α-角蛋白(α-keratin)進(jìn)行了X射線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復(fù)單位，故推測蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α-螺旋。概念：指蛋白質(zhì)分子中多個肽鍵平面通過氨基酸α-C原子的旋轉(zhuǎn)使多肽鏈的主骨架沿中心軸盤曲形成的穩(wěn)定的構(gòu)象。

α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點如下：

①多個肽平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn)，相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。

③相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和H形成許多鏈內(nèi)氫鍵，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵。

④肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響α－螺旋的形成。

-折疊(-pleatedsheet)

Astbury等人曾對β-角蛋白進(jìn)行X-射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)α-角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α-螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ-角蛋白類似的衍射圖。說明β-角蛋白中的結(jié)構(gòu)和α-螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相同。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為β-折疊或稱β-片層結(jié)構(gòu)。

β-折疊結(jié)構(gòu)特點是：

①是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽平面間呈110°角。

②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的C＝O與H形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。

③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。

β-折疊結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。平行的β-折疊結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。

④氨基酸殘基的R側(cè)鏈分布在片層的上方或下方。

-轉(zhuǎn)角

(β－turn)

蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β-轉(zhuǎn)角或稱β-折角(β-blend)。β-轉(zhuǎn)角中，第一個氨基酸殘基的C＝O與第四個殘基的N-H形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

無規(guī)線團(tuán)(randomcoil)

又稱無規(guī)卷曲或卷曲，它泛指那些不能被歸入明確的二級結(jié)構(gòu)如折疊或螺旋的多肽區(qū)段。必須指出卷曲這個術(shù)語容易引起誤解。實際上這些區(qū)段大多數(shù)既不是卷曲，也不是完全無規(guī)的。這些“無規(guī)線團(tuán)”也像其它二級結(jié)構(gòu)那樣是明確而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，否則蛋白質(zhì)就不可能形成三維空間上的每維都具周期性結(jié)構(gòu)的晶體。但是它們受側(cè)鏈相互作用的影響很大。這類有序的非重復(fù)性結(jié)構(gòu)經(jīng)常構(gòu)成酶活性部位和其它蛋白質(zhì)特異的功能部位。

事實上，許多蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)并非單純的α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，而是這些不同類型構(gòu)象的組合，只是不同的蛋白質(zhì)所含多少不同而已。見P22,表2-6超二級結(jié)構(gòu)

（super-secondarystructure）

是指在多肽鏈內(nèi)順序上相鄰的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體超二級結(jié)構(gòu)種類：αα：由兩股或三股右手α螺旋彼此纏繞而成，立足α角蛋白，肌球蛋白，纖維蛋白原中的一種超二級結(jié)構(gòu)。βββ：由β折角和回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成的超二級結(jié)構(gòu)。βαβ：最常見的βαβ組合是由三段平行式的β鏈和二段α螺旋鏈構(gòu)成。a.αα組合b.βββ組合c.βαβ組合結(jié)構(gòu)域（domain）P23結(jié)構(gòu)域是位于超二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)間的一個層次。在較大的蛋白質(zhì)分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，進(jìn)一步折疊形成一個或多個相對獨(dú)立、致密的三維實體，即結(jié)構(gòu)域。(三)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

1.概念

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)是指多肽鏈中所有原子或基團(tuán)的空間排列，也就是多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，由氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)的相互作用使多肽鏈進(jìn)一步盤旋或折疊，導(dǎo)致整個分子形成不規(guī)則的特定構(gòu)象。(四)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

概念

(1)亞基

(subunit)

亞基也叫做亞單位，也有人稱之為原聚體或單體。由一條多肽鏈折疊而成，具有一二三級結(jié)構(gòu)。 一般亞基沒有活性，當(dāng)它們構(gòu)成具有完整結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)時，才表現(xiàn)出生物活性。

(2)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是由兩個或兩個以上的亞基之間相互作用，彼此以非共價鍵相連而形成的更復(fù)雜的構(gòu)象。四級結(jié)構(gòu)實際上就是亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。維持蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵是疏水鍵，它是由亞基間氨基酸殘基的疏水基相互作用而形成的。 亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松，因此在一定的條件下，四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基，而亞基本身構(gòu)象仍可不變。