一、蛋白質(zhì)的分子組成
二、蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)
(一)氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的連接方式
1．肽鍵
蛋白質(zhì)分子中的氨基酸之間是通過肽鍵相連的,—個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基脫水縮合,即形成肽鍵(酰胺鍵,圖2-1-2).
2．肽與多肽鏈
圖2-1-2肽與肽鍵
氨基酸通過肽鍵(-CO-NH-)相連而形成的化合物稱為肽(peptide).由兩個氨基酸縮合成的肽稱為二肽,三個氨基酸縮合成三肽,以此類推.一般由十個以下的氨基酸縮合成的肽統(tǒng)稱為寡肽,由十個以上氨基酸形成的肽被稱為多肽(polypeptide)或多肽鏈.
氨基酸在形成肽鏈后,氨基酸的部分基團已參加肽鍵的形成,已經(jīng)不是完整的氨基酸,稱為氨基酸殘基.肽鍵連接各氨基酸殘基形成肽鏈的長鏈骨架,即…Cα-CO-NH-Cα…結(jié)構(gòu)稱為多肽主鏈.各氨基酸側(cè)鏈基團稱為多肽側(cè)鏈.每個肽分子都有一個游離的α-NH2末端(稱氨基末端或N端)和一個游離α-COOH末端(稱羧基末端或C端).每條多肽鏈中氨基酸順序編號從N端開始.書寫某多肽的簡式時,—般將N端書寫在左側(cè)端.
(二)蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)
1．蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)
多肽鏈中氨基酸的排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu).氨基酸排列順序是由遺傳信息決定的,氨基酸的排列順序是決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),而蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)則是實現(xiàn)其生物學(xué)功能的基礎(chǔ).1953年,英國生物化學(xué)家Fred Sanger報道了胰島素(insulin)的一級結(jié)構(gòu),這是世界上第一個被確定一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)(圖2-1-3).同年,Watson與Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu).生物化學(xué)由此邁向了一個更高層次——分子生物學(xué)時代.
圖2-1-3 人胰島索的一級結(jié)構(gòu)
(三)蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)分子井非如一級結(jié)構(gòu)那樣是完全展開的“線狀”,而是處于更高級的水平.天然蛋白質(zhì)可折疊、盤曲成—定的空間結(jié)構(gòu)(三維結(jié)構(gòu)).蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子圍繞某些共價鍵的旋轉(zhuǎn)而形成的各種空間排布及相互關(guān)系,這種空間結(jié)構(gòu)稱為構(gòu)象.按不同層次,蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)可分為二,三和四級結(jié)構(gòu).
1．蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)
多肽鏈主鏈中各原子在各局部的空間排布,即多肽鏈主鏈構(gòu)象稱為蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu).
(1)形成二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)——肽鍵平面：20世紀(jì)30年代末,Pauling L和Corey R開始對肽進行x線結(jié)晶衍射圖研究,以探索蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu).他們測定了分子中各原子間的標(biāo)準(zhǔn)鍵長和鍵角,發(fā)現(xiàn)肽單元(主鏈的-CαCN-)呈剛性平面(rigid plane),即肽鍵平面(圖2-1-4).
圖2-1-4 肽鍵平面和Cα“關(guān)節(jié)”示意圖
由于C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì),因此C＝O和C—N均不能自由旋轉(zhuǎn).所以整個肽鏈的主鏈原子(-CαCN-CαCN-)中只有N-Cα和Cα-N之間的單鍵可以旋轉(zhuǎn),N -Cα之間的旋轉(zhuǎn)角為φ (phi),Cα-C之間的旋轉(zhuǎn)角為ψ(psi).φ和ψ的大小就決定了Cα相鄰兩個肽鍵平面之間的相對位置關(guān)系,于是肽鍵平面就成為主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).如每個氨基酸的ψ和φ已知,整個多肽鏈的主鏈構(gòu)象就確定了.
(2)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的基本形式：蛋白質(zhì)的肽鏈局部盤曲、折疊的主要有α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和不規(guī)則卷曲等幾種形式.
1) α-螺旋：肽鏈的某段局部盤曲成螺旋形結(jié)構(gòu),稱為α-螺旋(圖2-1-5). α-螺旋的特征是：①—般為右手螺旋；②每螺旋圈包含3.6個氨基酸殘基,每個殘基跨距為0.15nm,螺旋上升1圈的距離(螺距)為3.6×0.15=0.54nm； = 3 \* GB3 ③螺旋圈之間通過肽鍵上的>C＝O和-NH-間形成氫鍵以保持螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；④影響α-螺旋形成的主要因素是氨基酸側(cè)鏈的大小、形狀及所帶電荷等性質(zhì).
圖2-1-5α-螺旋示意圖
2)β-折疊：為—種比較伸展、呈鋸齒狀的肽鏈結(jié)構(gòu).兩段以上的β-折疊結(jié)構(gòu)平行排布并以氫鍵相連所形成的結(jié)構(gòu)稱為β-片層或β-折疊層.β-片層可分順向平行(肽鏈的走向相同,即N、C端的方向一致)和逆向平行(兩肽段走向相反)結(jié)構(gòu)(圖2-1-6).
圖2-1-6β—折疊結(jié)構(gòu)示意圖
3) β-轉(zhuǎn)角：此種結(jié)構(gòu)指多肽鏈中出現(xiàn)的一種180°的轉(zhuǎn)折.β-轉(zhuǎn)角通常由4個氨基酸殘基構(gòu)成,由第1個殘基的>C＝O與第4個殘基的-NH-形成氫鍵,以維持轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.
4)不規(guī)則卷曲：此種結(jié)構(gòu)為多肽鏈中除以上幾種比較規(guī)則的構(gòu)象外,多肽鏈中其余規(guī)則性不強的—些區(qū)段的構(gòu)象.
各種蛋白質(zhì)依其一級結(jié)構(gòu)特點在其多肽鏈的不同區(qū)段可形成不同的二級結(jié)構(gòu).如蜘蛛網(wǎng)絲蛋白中有很多α-螺旋及β-折疊層,也有β-轉(zhuǎn)角和不規(guī)則卷曲(圖2-1-7).
圖2-1-7 蜘蛛網(wǎng)絲蛋白
2．蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)
多肽鏈中,各個二級結(jié)構(gòu)的空間排布方式及有關(guān)側(cè)鏈基團之間的相互作用關(guān)系,稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu).換言之,蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)系指每一條多肽鏈內(nèi)所有原子的空間排布,即多肽鏈的三級結(jié)構(gòu)=主鏈構(gòu)象+側(cè)鏈構(gòu)象,三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上由側(cè)鏈相互作用形成的.
多肽鏈的側(cè)鏈（也就是氨基酸的側(cè)鏈）分為親水性的極性側(cè)鏈和疏水性的非極性側(cè)鏈（詳見氨基酸分類）.水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把多肽鏈的疏水性側(cè)鏈或疏水性基團埋藏在分子的內(nèi)部.這一現(xiàn)象被稱之為疏水作用或疏水效應(yīng)（圖2-1-8）.疏水作用的本質(zhì)是疏水基團或疏水側(cè)鏈出自避開水的需要而被迫相互靠近,并不是疏水基團之間有什么吸引力的緣故,因此,將疏水作用稱之為“疏水鍵”是不正確的.疏水作用是維系蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)最主要的動力.除疏水作用外,維系蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)的動力還有氫鍵、鹽鍵（離子鍵）、范德華力和二硫鍵等.
圖2-1-8 肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)中的肽鍵稱為主鍵,氫鍵、鹽鍵、疏水作用、離子鍵、二硫鍵等是副鍵（次級鍵,圖2-1-9）,副鍵因外力作用（如熱）容易斷裂,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性失活.
圖2-1-9 穩(wěn)定和維系蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的鍵
三級結(jié)構(gòu)對于蛋白質(zhì)的分子形狀及其功能活性部位的形成起重要作用,通過三級結(jié)構(gòu)的形成,可將肽鏈中某些局部的幾個二級結(jié)構(gòu)匯成“口袋”或“洞穴”狀,這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)域（domain）,它們的核心部分多為疏水氨基酸構(gòu)成,結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基常鑲嵌在其中,這種結(jié)構(gòu)域多半是蛋白質(zhì)的活性部位.有的蛋白質(zhì)分子中只有一個特異的結(jié)構(gòu)域,有的則有多個結(jié)構(gòu)域.最近,在很多蛋白質(zhì)分子中發(fā)現(xiàn)有兩段β-折疊之間通過一段α-螺旋相連而形成的球狀結(jié)構(gòu),以及多個α-螺旋形成的螺旋束,或三個二硫鍵將肽鏈連接成的三環(huán)狀結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)域與功能活性有密切關(guān)系.
3．蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)
有的蛋白質(zhì)分子由兩條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的肽鏈通過非共價鍵相連聚合而成,其中每一條肽鏈稱為一個亞基或亞單位(subunit).各亞基在蛋白質(zhì)分子內(nèi)的空間排布及相互接觸稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu).具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),其幾個亞基的結(jié)構(gòu)可以相同,也可以不同.如紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白(hemoglobin,Hb,圖2-1-10)是由4個亞基聚合而成的,4個亞基兩兩相同,即含兩個α亞基和兩個β亞基.在一定條件下,這種蛋白質(zhì)分子可以解聚成單個亞基,亞基在聚合或解聚時對某些蛋白質(zhì)具有調(diào)節(jié)活性的作用.有的蛋白質(zhì)雖由兩條以上肽鏈構(gòu)成,但幾條肽鏈之間是通過共價鍵(如二硫鍵)連接的,這種結(jié)構(gòu)不屬于四級結(jié)構(gòu),如前面提到過的胰島素就是1例.
圖2-1-10 血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)