3.4　肽和蛋白質

在分子、細胞和機體水平上的大部分生物過程，肽和蛋白質都發揮主要作用。肽和蛋白質作為酰胺序列結構，其主鏈內酰胺基團形成的氫鍵是穩定各種高級結構的最重要的驅動力。側鏈上極性基團形成的氫鍵、偶極作用和離子對作用等也可以對主鏈內的氫鍵產生重要作用，而疏水性的側鏈在水中的堆積則是另一個重要的影響因素。因此，盡管能形成高級結構的主鏈內和主鏈間的氫鍵模式已得到系統研究，但具體一個肽鏈形成的高級結構及相應的鍵長、鍵角參數等并不是固定不變的。

3.4.1　氨基酸

肽和蛋白質由大約二十種氨基酸組成，其主鏈N端的氨基和C端的羧基在中性pH時通常是帶電的，即以和的形式存在，它們分別是強的氫鍵供體和受體。中性的氨基和羧基可同時作為供體和受體形成氫鍵。因此，主鏈的兩個末端始終是親水的。除了甘氨酸，其它氨基酸α-位都帶有取代基。烷基取代基不能形成氫鍵，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的苯環可以形成N—H…π相互作用，可以看作是一類弱的氫鍵。酪氨酸的OH既可以作為供體，也可以作為受體形成氫鍵，而色氨酸的NH可作為供體形成氫鍵。半胱氨酸的SH是弱的氫鍵受體和供體，其S^-形成氫鍵的能力更強，而甲硫氨酸的S原子則是弱的氫鍵受體。其它帶羥基（絲氨酸和蘇氨酸）、羧基（天冬氨酸和谷氨酸）、氨基（賴氨酸）、胍基（精氨酸）、酰胺（天冬酰胺和谷氨酰胺）及咪唑（組氨酸）的氨基酸，它們側鏈上的官能團都能形成氫鍵，其強度取決于這些官能團本身。這些氫鍵及靜電作用（離子型官能團）和配位作用（咪唑等）等一起構成了側鏈與主鏈、側鏈與側鏈、不同主鏈間分子識別和相互作用的主要動力。對322個蛋白的研究表明，蘇氨酸、絲氨酸、天冬氨酸和天冬酰胺的短的極性側鏈具有較強的傾向性，與鄰近的主鏈酰胺形成分子內氫鍵，概率分別為32％、29％、26％和19％^［3］。當這類氫鍵發生在N端時，覆蓋了相應的羰基，降低了水的競爭，能夠穩定主鏈的氫鍵及相應的螺旋構象。當處于中間時，因與主鏈內酰胺形成的氫鍵競爭而不利于螺旋構象。氨基酸的脂肪鏈及芳環等非極性基團受疏水作用驅動，可以發生簇集和堆積，對于穩定高級結構和形成疏水區域等起到重要的作用。

3.4.2　二級結構

3.4.2.1　螺旋

多肽鏈形成的螺旋（helix）結構最常見的是α-螺旋或3.6₁₃螺旋（圖3-4），每圈螺旋由3.6個氨基酸殘基形成，每圈螺旋的NH和基團形成的分子內氫鍵環有13個原子。每個殘基有1.5?的上升，每圈高度約為5.4?。除α-螺旋外，多肽鏈還可以形成3₁₀螺旋和π-螺旋。3₁₀螺旋中3個殘基形成一個循環，氫鍵環包含10個原子，因此結構比α-螺旋窄。π-螺旋由5個殘基形成一個循環，因此要比α-螺旋寬。這兩類螺旋的穩定性都相對較低，因此出現的概率也較α-螺旋低，一般都較短，大都在需要產生特定功能的區域產生。各種螺旋都表現出不規則性，主鏈的氫鍵模式可能會在端基發生變化。α-螺旋的氫鍵雖然最為穩定，在其兩端也有可能變得更寬或更窄，氫鍵模式轉變為π-螺旋或3₁₀螺旋模式。

3.4.2.2　β-片層

β-片層（sheet）是肽鏈（β束）通過分子間氫鍵誘導形成的另一類重要的二級結構，肽鏈一般有3～10個殘基。根據肽鏈的方向不同，可以分為反平行和正平行兩類。理想片層中，內部所有的和NH都形成氫鍵，而兩端的和NH基團可能是自由的。反平行排列形成的氫鍵穩定性更高，因為兩個肽鏈的形成氫鍵的和NH基團處于相互匹配的位置。而正平行排列的兩個肽鏈形成氫鍵的和NH基團相互錯位，距離較遠，形成氫鍵還將增加肽鏈的扭曲。因此，正平行β-片層的氫鍵相對較弱，一般需要有5個以上殘基的肽鏈才能形成這類二級結構。兩個片層每個氨基酸殘基上升0.347nm和0.325nm。兩種片層的骨架都會有一些扭曲，扭曲幅度由于側鏈的不同而變化。α-位的取代基交替的指向片層的相反方向。在反平行排列的片層中，分屬兩個肽鏈的朝向內側的取代基可能會產生空間位阻作用，降低片層結構的穩定性。但當取代基間產生附加的相互作用時，可以穩定片層結構。無論哪一種排列方式，肽鏈的外側仍有一半的NH是自由的。如果沒有被側鏈或其它基團阻礙，它們可以進一步形成氫鍵，形成多股的片層結構，也可以與其它分子或肽鏈作用。β-片層間的這種通過氫鍵驅動的延伸會產生不溶性的淀粉樣蛋白纖維，導致一些退行性疾病如阿爾茨海默癥的發生。

在反平行的β-片層結構中，可以觀察到某一肽鏈中多出若干氨基酸殘基，產生所謂的β-突起（bulge）。β-突起造成了氨基酸殘基排列的錯位偏移，更增加了β-片層的扭轉。但β-突起也是一類標準的氫鍵模式，代表一種規則的二級結構。少量的正平行β-片層結構中，也發現有這種突起結構。

3.4.2.3　轉角

轉角（turn）是肽鏈另一類重要的規則二級結構。典型的β-轉角由肽鏈中n殘基的與n+3殘基的NH形成氫鍵，主要有兩類（Ⅰ，Ⅱ），它們的差別在于n+1殘基的和與之相連的n+2殘基的NH的取向。而γ-轉角的氫鍵由n殘基的與n+2殘基的NH形成。β-轉角結構限制了n+1和n+2殘基的構象，因此大的側鏈不利于轉角的形成。脯氨酸和甘氨酸殘基形成的轉角最為常見。脯氨酸的N原子并入到五元環中，其剛性構象有利于回轉構象。

3.4.3　三級結構和四級結構

蛋白質的三級結構是長的多肽鏈在三維空間的有序構象，它包含有不同的螺旋、片層及轉角等二級結構域，相互間通過柔性的肽鏈連接。不同結構域間通過氫鍵及氨基酸側鏈間的相互作用，誘導整個肽鏈形成球形的三級結構。側鏈間的相互作用包括疏水作用、氫鍵、離子對作用（鹽橋）及配位作用等。半胱氨酸形成S—S鍵，也可以穩定三級結構。三級結構可以產生疏水的內核，這一區域的肽鏈氨基酸殘基主要帶有疏水的側鏈，它們受疏水作用驅動聚集在一起可以形成籠形，減少了與水的接觸面積。疏水作用是三級結構形成的最重要的驅動力，但它需要其它方向性的相互作用力協助，才能形成規則的堆積結構。與水接觸的外圍的肽鏈的氨基酸殘基則大都帶有親水的極性基團，它們可以和水形成靜電偶極作用和氫鍵，提高了蛋白的水溶性。親水的肽鏈也可以結合在一起，形成空穴或孔道，里面可以被水分子占據。這種區域可以形成水通道或離子通道。

幾個蛋白質三級結構或亞基可以通過疏水作用、氫鍵、離子鍵等驅動進一步形成更復雜的四級結構，是典型的生物大分子組裝體。同三級結構的形成一樣，疏水作用也是形成四級結構最重要的驅動力，但非極性區域疏水作用的產生主要是由于極性的水分子之間形成的強氫鍵驅動的。