蛋白质分子中氨基酸的排列顺序

第四节　蛋白质的分子结构

蛋白质与多肽均为氨基酸的多聚物，它们都由各种氨基酸残基通过肽键相连。因此，在小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的界线，通常将相对分子质量在10000以上的称为蛋白质，10000以下的称为多肽。胰岛素的相对分子质量为6000，应是多肽，但在溶液中受金属离子（如Zn^＋）的作用后，能迅速形成二聚体，因此而被认为是最小的一种蛋白质。

蛋白质的功能和活性不仅取决于多肽链的氨基酸组成、数目及排列顺序，而且还与其空间结构密切相关。根据长期研究蛋白质结构的结果，已确认蛋白质结构有不同层次，人们为了认识方便通常将其分为一级、二级、三级和四级。

一、蛋白质分子的一级结构

分子的多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序。肽键是一级结构中连接氨基酸残基的主要化学键，有的蛋白质还含有二硫键。多肽链中氨基酸的排列顺序是由DNA分子中的遗传信息，即DNA分子中核苷酸的排列顺序所决定的。不同蛋白质分子的多肽链数量及长度差别很大，有些蛋白质分子有一条多肽链，有的蛋白质分子则由两条或多条多肽链构成。不同种属相同功能的蛋白质分子在氨基酸的组成和顺序上稍有差异。现已有近千种蛋白质的一级结构被测知。

胰岛素是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。胰岛素是由51个氨基酸构成的，包括A、B两个链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基，两条多肽链之间以两个二硫键连接，A链内有一个二硫键，其一级结构如下：

体内种类繁多的蛋白质，其一级结构各不相同，一级结构是决定蛋白质空间结构和生物学功能的基础。蛋白质一级结构的研究，对认识遗传性疾病的发病机制和疾病的治疗具有重要的意义。

二、蛋白质分子的空间结构

蛋白质分子的多肽链并不是线型伸展的，而是按照一定方式折叠、盘绕形成特有的三维空间结构。蛋白质的空间结构又称分子构象、立体结构。蛋白质的空间结构是以它的一级结构为基础的。蛋白质的空间结构决定蛋白质的形状、理化性质和生物学活性。

蛋白质的空间结构依其复杂程度不同，分为二级、三级和四级结构。

1.蛋白质分子中的共价键和次级键

蛋白质分子的一级结构是由共价键形成的，如肽键和二硫键都属于共价键。而维持蛋白质的空间构象的稳定性的是次级键。次级键是非共价键。属于次级键的有氢键、盐键、疏水键或称疏水力、范德华力等（图2—3）。

图2—3　蛋白质分子中的化学建①盐键；

②氢键；③疏水键；④范德华力；⑤二硫键

（1）氢键　在蛋白质分子中形成的氢键一般有两种，一种是在主链之间形成；另一种可在侧链R基团之间形成，如酪氨酸侧链中的酚羟基和丝氨酸中的醇羟基都可与天冬氨酸和谷氨酸侧链中的羧基以及组氨酸中的咪唑基形成氢键。

（2）盐键　又称离子键。许多氨基酸侧链为极性基团，在生理pH值条件下能离解成阳离子或阴离子，阴、阳离子之间借静电引力形成盐键。盐键具有极性，而且绝大部分分布在蛋白质分子表面，其亲水性强，可增加蛋白质的水溶性。

（3）疏水作用力　是由氨基酸残基上的非极性基团为避开水相而聚积在一起的集合力。绝大多数的蛋白质含有30%～50%的带非极性基团侧链的氨基酸残基，这些非极性或极性较弱的基团都具有疏水性，趋向分子内部而远离分子表面的水环境互相聚集在一起而将水分子从接触面排挤出去。这是一种能量效应，而不是非极性基团问固有的吸引力。因此，疏水作用力是维持蛋白质空间结构最主要的作用力。

（4）范德华力　在蛋白质分子表面上的极性基团之间、非极性基团之间或极性基团与非极性基团之间的电子云相互作用而发生极化。它们相互吸引，但又保持一定距离而达到平衡，此时的结合力称为范德华力。

（5）二硫键　又称硫硫键或二硫桥，是由两个半胱氨酸残基的两个巯基之间脱氢形成的。二硫键可将不同肽链或同一条肽链的不同部位连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有重要作用。二硫键是共价键，键能大，比较牢固。绝大多数蛋白质分子中都含有二硫键，二硫键越多，蛋白质分子的稳定性也越高。例如，生物体内具有保护功能的毛发、鳞甲、角、爪中的主要蛋白质是角蛋白，其所含二硫键数量最多，因而抵抗外界理化因素的能力也较大。同时，二硫键也是一种保持蛋白质生物活性的重要价键，如胰岛素分子中的链间二硫键断裂，则其生物活性也丧失。

氢键、盐键、疏水作用力和范德华力等分子间作用力比共价键弱得多，称为次级键。虽然次级键键能小，稳定性差，但次级键数量众多，在维持蛋白质空间构象中起着重要作用。此外，在一些蛋白质分子中，二硫键和配位键也参与维持和稳定蛋白质的空间结构。

2.蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子多肽链的主链骨架在空间盘曲折叠形成的方式。天然蛋白质一般均含有α-螺旋、β-折叠层、β-转角的结构，这些都是二级结构的内容。

（1）α-螺旋　α-螺旋是蛋白质分子中多个肽平面通过氨基酸的α-碳原子旋转，沿长轴方向，按一定规律盘绕形成的稳定的n螺旋构象（图2-4）。α螺旋有右手螺旋和左手螺旋两种，天然蛋白质的n螺旋绝大多数为右手螺旋。近年来偶尔也发现极少数蛋白质中存在左手螺旋。α-螺旋结构的特点如下：

图2-4　螺旋结构示意

球代表主链上的碳原子；白球代表氮原子

①这种α-螺旋体每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，此时每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升一圈的高度（螺距）为0.54nm。螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100°。

②α-螺旋体中氨基酸残基侧链伸向外侧，相邻的螺旋之问形成氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。氢键是由氨基酸残基的NH与前面相隔三个氨基酸残基的C＝O形成的。

α-螺旋体的结构允许所有肽键都能参与链内氢键的形成，因此α-螺旋的构象是相当稳定的。氢键是维系α-螺旋的主要次级键。

蛋白质多肽链能否形成-α-螺旋结构以及形成的螺旋体是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有直接关系。多肽链中若有脯氨酸出现，由于脯氨酸是亚氨基酸，N原子上没有H原子，不能形成链内氢键，而阻断了-α-螺旋，使多肽链发生转折。侧链R基团的大小、形状以及荷电状态对-α-螺旋的形成及稳定均有影响。如在酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同性相斥，不利于-α-螺旋的形成。在有较大的R基团（比如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸）集中的区域，由于空间位阻也会妨碍-α-螺旋的形成。

（2）β-折叠层　β-折叠层又称β-片层结构，是多肽主链的另一种有规律的结构单元，是主链骨架充分伸展的结构（图2-5）。这种结构一般由两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链的两个肽段之问以氢键维系而成。为了在相邻的主链骨架之间能形成最多的氢键，避免相邻侧链R基团之问的空间阻碍，各条主链骨架须同时作一定程度的折叠，从而产生一个折叠片层，称为β-折叠层。

图2-5　β-层结构示意

（3）β-转角和不规则卷曲　大多数蛋白质都呈紧密的球状分子，这是由于它们的多肽链的主链常出现180。回折的发夹状结构，这种回折的结构称为口转角。β转角一般由4个连续的氨基酸残基构成，第一个氨基酸残基的羰基氧和第四个氨基酸残基的氨基氢之间形成氢键，以维持β-转角的稳定。

在有些多肽链的某些片段中，由于氨基酸残基的相互影响，而使肽键平面不规则的排列以致形成无一定规律的构象，称为不规则卷曲。这部分结构虽然没有规律性，但同样表现出重要生物学功能。

在蛋白质分子中，可以同时存在上述几种二级结构或以某种二级结构为主的结构形式，这取决于各种残基在形成二级结构时具有的不同倾向或能力。例如，谷氨酸、甲硫氨酸、丙氨酸残基最易形成-α-螺旋；缬氨酸、异亮氨酸残基最有可能形成β折叠层；而脯氨酸、甘氨酸、天冬酰胺和丝氨酸残基在β-转角的构象中最常见。

3.蛋白质的三级结构

图2—6　蛋白质三级结构

三级结构是蛋白质分子在二级结构的基础上进一步盘曲折叠形成的三维结构，是多肽链在空间的整体排布（图2—6）。在蛋白质三级结构中，多肽链上相互邻近的二级结构紧密联系形成一个或数个发挥生物学功能的特定区域，称之为结构域，这种结构域是酶的活性部位或是受体与配体结合的部位，大多呈裂缝状、口袋状或洞穴状。

三级结构主要靠多肽链侧链上各种功能基团之间相互作用所形成的次级键来维系的，其中有氢键、离子键、疏水键和范德华力等，其中起主要作用的是疏水作用力。

4.蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构是指由两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互作用形成的三维空间结构，其中每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基。蛋白质的四级结构涉及亚基的种类和数目以及亚基在整个分子中的立体排布、亚基问相互作用和接触部位的布局，但不包括亚基内部的空间结构。亚基单独存在时一般没有生物活性，只有形成四级结构才具有完整的生物活性。

维系蛋白质四级结构的化学键主要是疏水作用力，此外，氢键、离子键及范德华力也参与四级结构的形成。

蛋白质中亚基可以相同，也可以不同。如血红蛋白是由4个亚基组成，其中两条α链、两条β链，α链含有141个氨基酸残基，β链含有146个氨基酸残基。每条肽链都卷曲成球状，都有一个空穴容纳1个血红素，4个亚基通过侧链间次级键两两交叉紧密相嵌形成一个具有四级结构的球状血红蛋白分子（图2—7）。

图2—7　血红蛋白四级结构示意

三、蛋白质结构和功能的关系

不同蛋白质分子中氨基酸的种类和数量不同，以及排列的顺序、空间结构不同，这就使得蛋白质的种类非常繁多并具有多种多样的功能及许多特殊的性质。研究蛋白质的空间构象和生物功能的关系，已成为当前分子生物学的一个重要方面。但是蛋白质的空间构象归根到底还是决定于其一级结构和周围环境的影响，因此研究一级结构和功能的关系是十分重要的。

1.蛋白质分子一级结构和功能的关系

蛋白质一级结构是空间结构的基础，各种蛋白质因其氨基酸的种类、数量和排列顺序的不同，形成的空间结构则不同。空问结构是蛋白质生物学功能表现所必需的，因此蛋白质的一级结构也与其功能密切相关。如神经垂体释放的催产素和抗利尿激素都是九肽，其中只有两个氨基酸不同，而其余七个氨基酸残基是相同的，但二者生理功能却有根本的区别。催产素能刺激平滑肌引起子宫收缩，表现为催产功能；抗利尿素能促进血管收缩，升高血压及促进肾小管对水分的吸收，表现为抗利尿作用。

不同结构的蛋白质具有不同的功能。任何不同功能的蛋白质，彼此之间的结构是完全不日或不完全相同的，即各种蛋白质的特定功能是由其特殊的结构所决定的。在生理功能方目，胃蛋白酶之所以不同于胰蛋白酶，血红蛋白不同于肌红蛋白，胰岛素不同于生长激素等，都是以其特定结构为基础的。

蛋白质一级结构的改变，导致功能的改变。如血红蛋白的口链上含有146个氨基酸，由于遗传物质（DNA）的突变，使其β链第6位谷氨酸被缬氨酸所代替，血红蛋白的一级结构因这一细微的变异，引起一种遗传性疾病——镰刀形红细胞贫血症。在美国黑人中这种发病率高达10%，这种由于蛋白质一级结构中个别氨基酸的改变，而导致的机体疾病，称为分子病。

研究蛋白质一级结构和功能的关系，主要研究多肽链中不同部位的残基与生物功能的关系。许多研究结果表明，一级结构中，有的部位即不能缺失，也不能更换，否则就会丧失活性；有的部位则可以改变，切除或更换别的残基均不能影响生物的活性；还有的部位必须切除之后，蛋白质分子才显活性。不同部位的残基对功能的影响，实质是影响了蛋白质分子特定的空间构象的形成。

2.蛋白质分子构象与功能的关系

蛋白质空间结构与生物学功能是统一的、对应的关系，只有蛋白质具备了特定的空间结构，它才具有相应的生物学功能，空间结构的变化必然会导致功能的改变。

蛋白质的生物学功能与它的空间结构密切相关的更典型例子是蛋白质或酶分子的变构效应或变构调节。如血红蛋白是两个α亚基和两个β亚基组合而成的四聚体，具有稳定的高级结构，每个亚基含有一个亚铁血红素辅基，辅基中的铁Fe^2＋能与O₂结合，但和氧的亲和力很弱，血红蛋白质分子各个亚基功能相同，都是运输O₂和CO₂。血红蛋白分子的四个亚基通过盐键彼此缔合，当一个α亚基与O₂结合时发生构象的变化，盐键断裂，使整个血红蛋白分子的空间结构发生改变，由原来的紧密型变成松弛型，从而加速了其他3个亚基与O₂的结合，对氧的亲和力增强。这一特性对红细胞内血红蛋白的运氧功能有重要调节作用。

蛋白质分子因与某种小分子物质相互作用发生空闯结构变化，从而改变了该种蛋白质与其他分子进行反应的能力，这种现象称变构作用或变构效应。这种在生物体内广泛存在的变构调节机制充分说明了蛋白质的四级结构与功能之间的密切关系。