第二節　蛋白質的分子結構

蛋白質是由氨基酸通過肽鍵連接而成的生物大分子，蛋白質多肽鏈中氨基酸的排列順序及其空間排布構成蛋白質的分子結構。蛋白質的分子結構可分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構，一級結構又稱基本結構，二級結構、三級結構、四級結構統稱空間結構（或稱高級結構、空間構象）。并非所有蛋白質都有四級結構，由一條肽鏈構成的蛋白質只有一級結構、二級結構和三級結構；由兩條或兩條以上肽鏈構成的蛋白質才有四級結構。

一、蛋白質的一級結構

蛋白質的一級結構是指蛋白質多肽鏈中氨基酸從N-端到C-端的排列順序。一級結構中的主要化學鍵是肽鍵，另外還有少量的二硫鍵。二硫鍵是由兩個半胱氨酸殘基的巰基脫氫而生成的。

牛胰島素是第一個被測定一級結構的蛋白質（圖2-1）。其由51個氨基酸殘基組成，分A、B兩條多肽鏈，A鏈有21個氨基酸殘基，B鏈有30個氨基酸殘基。胰島素分子中有3個二硫鍵，一個位于A鏈內部，由A鏈本身的第6位和第11位兩個半胱氨酸形成，稱為鏈內二硫鍵；A、B兩條鏈通過兩個二硫鍵相連，稱為鏈間二硫鍵。

蛋白質的一級結構決定空間結構，也是特異生物學功能的基礎。不同蛋白質所含氨基酸數目、種類及在多肽鏈中的排列順序不同，這就形成了功能各異的蛋白質。因此，對蛋白質一級結構的研究，是在分子水平上闡述蛋白質結構與其功能關系的基礎，對揭示某些疾病的發病機制及治療、預防都有十分重要的意義。

二、蛋白質的空間結構

蛋白質分子的多肽鏈并不是線性伸展，而是按照一定方式折疊盤繞，形成特定的空間結構。各種蛋白質的分子形狀、理化特性和生物學功能主要是由其特定的空間結構所決定。

（一）蛋白質的二級結構

蛋白質的二級結構是指多肽鏈中主鏈骨架原子的局部空間排布，不涉及側鏈的構象。維持蛋白質二級結構穩定的主要作用力是氫鍵。

1．肽鍵平面

肽鏈中肽鍵的鍵長為0.132nm，介于C—N單鍵（長0.149nm）和CN雙鍵（長0.127nm）之間，故肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉。肽鍵中的C、O、N、H四個原子和與它們相鄰的兩個α-碳原子都處在同一個平面上，該平面稱肽鍵平面（也稱肽單元）（圖2-2）。C_α-N和C_α-CO相連的鍵都是典型的單鍵，可以自由旋轉，旋轉角度的大小決定了兩個肽鍵平面之間的關系。

2．蛋白質二級結構的基本形式

蛋白質二級結構的基本形式包括α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規卷曲，其中α-螺旋和β-折疊是最常見的兩種二級結構形式。

（1）α-螺旋　是指多肽鏈中肽單元通過α-碳原子的相對旋轉，沿長軸方向按規律盤繞形成的一種緊密螺旋結構（圖2-3）。其結構特點如下：①多肽鏈主鏈以肽單元為單位，圍繞中心軸有規律的螺旋上升，以α-碳原子為轉折點，形成右手螺旋結構；②螺旋一圈包含3.6個氨基酸殘基，每個氨基酸殘基向上移動0.15nm，螺旋螺距（螺旋上升一圈的高度）為0.54nm；③第一個肽鍵平面羰基（—CO）氧與第四個肽鍵平面亞氨基（—NH）氫形成氫鍵。氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行，氫鍵是一種弱的非共價鍵，但由于主鏈上所有肽鍵平面都參與了氫鍵的形成，因此α-螺旋很穩定；④各氨基酸殘基的側鏈R均伸向螺旋外側，R基團的大小、形狀、性質及所帶電荷狀態都能影響α-螺旋的形成及其穩定性。

α-螺旋結構是最常見的蛋白質二級結構。毛發的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、血凝塊中的纖維蛋白，它們的多肽鏈幾乎全長都卷曲成α-螺旋。肌紅蛋白和血紅蛋白分子中也有許多α-螺旋結構。

（2）β-折疊　是多肽鏈充分伸展、呈有規律鋸齒狀的二級結構形式，也稱β-片層。兩條及以上肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段的鋸齒狀結構平行排列，肽鏈走向可相同，也可相反，彼此之間形成氫鍵以穩固β-折疊結構（圖2-4）。

蠶絲蛋白幾乎都是β-折疊結構，許多蛋白質同時具有β-折疊和α-螺旋結構。

（3）β-轉角　常發生于肽鏈進行180°回折的轉角上，回折部分稱為β-轉角（圖2-5）。β-轉角通常由4個連續的氨基酸殘基組成，第一個氨基酸殘基與第四個氨基酸殘基之間形成氫鍵，以維持轉角構象的穩定。由于β-轉角可使肽鏈的走向發生改變，所以常出現在球狀蛋白質分子的表面。

（4）無規卷曲　多肽鏈中除上述幾種比較規則的構象外，其余沒有確定規律性的那部分肽鏈構象稱為無規卷曲。

（二）蛋白質的三級結構

蛋白質的三級結構是指整條多肽鏈中所有氨基酸殘基的相對空間位置，包括主鏈、側鏈。三級結構是在二級結構的基礎上，側鏈R基團相互作用使肽鏈進一步折疊而形成的三維空間結構。

維持三級結構的作用力主要是非共價鍵（圖2-6），包括疏水鍵、鹽鍵、氫鍵、范德華力和二硫鍵等，統稱次級鍵，維系蛋白質一級結構的肽鍵又稱為主鍵。疏水鍵是許多疏水基團避開水相、相互聚合而藏于蛋白質分子內部的力量，它是維持蛋白質三級結構最主要的穩定因素。酸性和堿性氨基酸的R基團可以帶電荷，正負電荷可以相互吸引而形成鹽鍵；氫和氧原子在空間上相互靠近、相互吸引形成氫鍵；分子中原子之間的作用力稱為范德華力。有些蛋白質分子中還有鄰近的兩個半胱氨酸的巰基共價結合形成二硫鍵參與三級結構的穩定。三級結構形成后，氨基酸殘基的疏水性側鏈常分布于分子的內部，而親水基團則大多位于分子的表面。

由一條多肽鏈構成的蛋白質，只有具有三級結構才能發揮生物活性。如果蛋白質只由一條多肽鏈構成，則三級結構為其最高級結構。例如，肌紅蛋白是由153個氨基酸殘基組成的單個肽鏈蛋白質，含有1個血紅素輔基。肌紅蛋白分子包括8個α-螺旋區，螺旋區之間各有一段無規卷曲。由于側鏈基團的相互作用，多肽鏈盤曲折疊形成球狀結構，球狀結構的表面主要為親水基團，內部主要為疏水基團。肌紅蛋白主要分布于心肌細胞和骨骼肌細胞，可結合O₂并轉運到線粒體。

（三）蛋白質的四級結構

許多蛋白質分子由兩條或兩條以上多肽鏈組成，這種蛋白質的每條多肽鏈都具有獨立的三級結構，稱為一個亞基，各亞基之間通過非共價鍵相連而形成特定的空間排布。四級結構就是指蛋白質分子中亞基間的空間排布及相互作用。在蛋白質四級結構中，各亞基間的非共價鍵主要有氫鍵、鹽鍵、疏水作用等。只有完整四級結構的蛋白質才具有生物學功能，亞基單獨存在一般不具有生物學功能。

一種蛋白質分子中，亞基可以相同，也可不同。如血紅蛋白就是由兩個α亞基和兩個β亞基構成的四聚體（圖2-7）。

有些蛋白質雖然由兩條或兩條以上的多肽鏈組成，但肽鏈間通過共價鍵（如二硫鍵）連接，這種結構不屬于四級結構，如胰島素。

★ 考點提示：蛋白質各級結構的概念、作用力

三、蛋白質結構與功能的關系

蛋白質的一級結構是其空間結構的基礎，二者均與蛋白質功能密切相關。無論一級結構還是空間結構發生改變，都可能影響到蛋白質的生物學功能。

（一）蛋白質一級結構與功能的關系

1．蛋白質一級結構是空間結構的基礎

核糖核酸酶是由一條多肽鏈構成的蛋白質，有4對二硫鍵。當用尿素和β-巰基乙醇處理時，該酶中的氫鍵、二硫鍵斷裂，空間結構被破壞，生物活性喪失。但肽鍵不受影響，一級結構完整。當去除尿素和β-巰基乙醇后，無規則的多肽鏈又卷曲折疊成天然酶的空間構象，同時該酶恢復其催化活性（圖2-8）。這一現象說明一級結構是空間結構的基礎，空間結構遭破壞時，只要一級結構不被破壞，就有可能恢復原有的空間結構。

2．一級結構相似的蛋白質，其空間結構和功能也相似

例如，不同哺乳類動物的胰島素分子，都是由51個氨基酸分A和B兩條鏈組成，并且二硫鍵的配對位置和空間結構也極相似，在一級結構上只有個別氨基酸差異，因而它們在糖代謝中都起著相同的調節作用。

3．一級結構中重要部位的氨基酸改變可引起疾病

鐮刀形紅細胞貧血患者的血紅蛋白β鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代，僅此一個氨基酸之差，本是水溶性的血紅蛋白，就聚集成絲，相互黏著而沉淀，導致紅細胞變成鐮刀狀而極易破碎，產生貧血。這種蛋白質分子一級結構發生改變所導致的疾病，稱為“分子病”，其病因為基因突變。

（二）蛋白質空間結構與功能的關系

蛋白質的空間結構直接決定蛋白質的功能，當空間結構發生改變時其生物學功能也隨之改變。

1．蛋白質的功能依賴于特定的空間結構

以血紅蛋白（Hb）為例：Hb由4個亞基（α₂β₂）聚合而成，每個亞基含有1個血紅素輔基，可與1分子O₂結合，共可結合4個O₂分子。Hb運輸氧的功能是通過其對氧的結合與釋放來實現的。Hb未結合O₂時，其結構較為緊密，稱為緊張態（tense state，T態），T態Hb與O₂的親和力小。隨著與氧的結合，4個亞基羧基末端之間的鹽鍵斷裂，其空間結構發生變化，結構變得相對松弛，稱為松弛態（relaxed state，R態）。在氧豐富的肺中，Hb呈R態，此時與O₂的親和力高，有利于Hb迅速充分與O₂結合；在組織中Hb呈T態，此時與O₂的親和力低，有利于Hb迅速釋放O₂，供組織利用。

2．蛋白質空間結構改變可引起疾病

蛋白質空間結構形成過程中，若多肽鏈的折疊發生錯誤，盡管一級結構不變，但蛋白質的構象發生改變，仍會影響其功能，嚴重時可導致疾病的發生，這類疾病稱為蛋白質構象病，如老年癡呆癥、亨丁頓舞蹈病、瘋牛病等。

★ 考點提示：蛋白質結構與功能的關系