第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子，蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序及其空间排布构成蛋白质的分子结构。蛋白质的分子结构可分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，一级结构又称基本结构，二级结构、三级结构、四级结构统称空间结构（或称高级结构、空间构象）。并非所有蛋白质都有四级结构，由一条肽链构成的蛋白质只有一级结构、二级结构和三级结构；由两条或两条以上肽链构成的蛋白质才有四级结构。
一、蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸从N-端到C-端的排列顺序。一级结构中的主要化学键是肽键，另外还有少量的二硫键。二硫键是由两个半胱氨酸残基的巯基脱氢而生成的。
牛胰岛素是第一个被测定一级结构的蛋白质（图2-1）。其由51个氨基酸残基组成，分A、B两条多肽链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基。胰岛素分子中有3个二硫键，一个位于A链内部，由A链本身的第6位和第11位两个半胱氨酸形成，称为链内二硫键；A、B两条链通过两个二硫键相连，称为链间二硫键。
图2-1 牛胰岛素的一级结构
蛋白质的一级结构决定空间结构，也是特异生物学功能的基础。不同蛋白质所含氨基酸数目、种类及在多肽链中的排列顺序不同，这就形成了功能各异的蛋白质。因此，对蛋白质一级结构的研究，是在分子水平上阐述蛋白质结构与其功能关系的基础，对揭示某些疾病的发病机制及治疗、预防都有十分重要的意义。
二、蛋白质的空间结构
蛋白质分子的多肽链并不是线性伸展，而是按照一定方式折叠盘绕，形成特定的空间结构。各种蛋白质的分子形状、理化特性和生物学功能主要是由其特定的空间结构所决定。
（一）蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构是指多肽链中主链骨架原子的局部空间排布，不涉及侧链的构象。维持蛋白质二级结构稳定的主要作用力是氢键。
1．肽键平面
肽链中肽键的键长为0.132nm，介于C—N单键（长0.149nm）和CN双键（长0.127nm）之间，故肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。肽键中的C、O、N、H四个原子和与它们相邻的两个α-碳原子都处在同一个平面上，该平面称肽键平面（也称肽单元）（图2-2）。Cα-N和Cα-CO相连的键都是典型的单键，可以自由旋转，旋转角度的大小决定了两个肽键平面之间的关系。
图2-2 肽键平面示意图
2．蛋白质二级结构的基本形式
蛋白质二级结构的基本形式包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲，其中α-螺旋和β-折叠是最常见的两种二级结构形式。
（1）α-螺旋 是指多肽链中肽单元通过α-碳原子的相对旋转，沿长轴方向按规律盘绕形成的一种紧密螺旋结构（图2-3）。其结构特点如下：①多肽链主链以肽单元为单位，围绕中心轴有规律的螺旋上升，以α-碳原子为转折点，形成右手螺旋结构；②螺旋一圈包含3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基向上移动0.15nm，螺旋螺距（螺旋上升一圈的高度）为0.54nm；③第一个肽键平面羰基（—CO）氧与第四个肽键平面亚氨基（—NH）氢形成氢键。氢键的方向与螺旋长轴基本平行，氢键是一种弱的非共价键，但由于主链上所有肽键平面都参与了氢键的形成，因此α-螺旋很稳定；④各氨基酸残基的侧链R均伸向螺旋外侧，R基团的大小、形状、性质及所带电荷状态都能影响α-螺旋的形成及其稳定性。
图2-3 α-螺旋结构示意图
α-螺旋结构是最常见的蛋白质二级结构。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、血凝块中的纤维蛋白，它们的多肽链几乎全长都卷曲成α-螺旋。肌红蛋白和血红蛋白分子中也有许多α-螺旋结构。
（2）β-折叠 是多肽链充分伸展、呈有规律锯齿状的二级结构形式，也称β-片层。两条及以上肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构平行排列，肽链走向可相同，也可相反，彼此之间形成氢键以稳固β-折叠结构（图2-4）。
图2-4 β-折叠结构示意图
蚕丝蛋白几乎都是β-折叠结构，许多蛋白质同时具有β-折叠和α-螺旋结构。
（3）β-转角 常发生于肽链进行180°回折的转角上，回折部分称为β-转角（图2-5）。β-转角通常由4个连续的氨基酸残基组成，第一个氨基酸残基与第四个氨基酸残基之间形成氢键，以维持转角构象的稳定。由于β-转角可使肽链的走向发生改变，所以常出现在球状蛋白质分子的表面。
图2-5 β-转角结构示意图
（4）无规卷曲 多肽链中除上述几种比较规则的构象外，其余没有确定规律性的那部分肽链构象称为无规卷曲。
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模 体
在许多蛋白质分子中，可发现两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为模体（motif），又称超二级结构。简单的模体由两个或三个具有二级结构的肽段，折叠形成具有特定功能的空间构象。一个模体总有其特殊性的氨基酸序列，并发挥特定的功能。常见的模体有螺旋-转角-螺旋模体、锌指结构等。
（二）蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构是指整条多肽链中所有氨基酸残基的相对空间位置，包括主链、侧链。三级结构是在二级结构的基础上，侧链R基团相互作用使肽链进一步折叠而形成的三维空间结构。
维持三级结构的作用力主要是非共价键（图2-6），包括疏水键、盐键、氢键、范德华力和二硫键等，统称次级键，维系蛋白质一级结构的肽键又称为主键。疏水键是许多疏水基团避开水相、相互聚合而藏于蛋白质分子内部的力量，它是维持蛋白质三级结构最主要的稳定因素。酸性和碱性氨基酸的R基团可以带电荷，正负电荷可以相互吸引而形成盐键；氢和氧原子在空间上相互靠近、相互吸引形成氢键；分子中原子之间的作用力称为范德华力。有些蛋白质分子中还有邻近的两个半胱氨酸的巯基共价结合形成二硫键参与三级结构的稳定。三级结构形成后，氨基酸残基的疏水性侧链常分布于分子的内部，而亲水基团则大多位于分子的表面。
图2-6 维持蛋白质三级结构稳定的化学键
A—盐键（离子键）；B—氢键；C—疏水键；D—范德华力；E—二硫键
由一条多肽链构成的蛋白质，只有具有三级结构才能发挥生物活性。如果蛋白质只由一条多肽链构成，则三级结构为其最高级结构。例如，肌红蛋白是由153个氨基酸残基组成的单个肽链蛋白质，含有1个血红素辅基。肌红蛋白分子包括8个α-螺旋区，螺旋区之间各有一段无规卷曲。由于侧链基团的相互作用，多肽链盘曲折叠形成球状结构，球状结构的表面主要为亲水基团，内部主要为疏水基团。肌红蛋白主要分布于心肌细胞和骨骼肌细胞，可结合O2并转运到线粒体。
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结构域
分子量较大的蛋白质在形成三级结构时，肽链中某些局部的二级结构汇集在一起，常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行使其功能，称为结构域（domain）。每个结构域一般由100～400个氨基酸残基组成。若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分成数个结构域，但各结构域的构象基本不变。因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维结构。例如免疫球蛋白（IgG）由12个结构域组成，2个轻链上各有2个，2个重链上各有4个，抗原、补体分别结合于不同的结构域。有些蛋白质各结构域之间接触多而紧密，从结构上很难划分，因此并非所有蛋白质的结构域明显可分。
（三）蛋白质的四级结构
许多蛋白质分子由两条或两条以上多肽链组成，这种蛋白质的每条多肽链都具有独立的三级结构，称为一个亚基，各亚基之间通过非共价键相连而形成特定的空间排布。四级结构就是指蛋白质分子中亚基间的空间排布及相互作用。在蛋白质四级结构中，各亚基间的非共价键主要有氢键、盐键、疏水作用等。只有完整四级结构的蛋白质才具有生物学功能，亚基单独存在一般不具有生物学功能。
一种蛋白质分子中，亚基可以相同，也可不同。如血红蛋白就是由两个α亚基和两个β亚基构成的四聚体（图2-7）。
图2-7 血红蛋白的四级结构
有些蛋白质虽然由两条或两条以上的多肽链组成，但肽链间通过共价键（如二硫键）连接，这种结构不属于四级结构，如胰岛素。
★ 考点提示：蛋白质各级结构的概念、作用力
三、蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的一级结构是其空间结构的基础，二者均与蛋白质功能密切相关。无论一级结构还是空间结构发生改变，都可能影响到蛋白质的生物学功能。
（一）蛋白质一级结构与功能的关系
1．蛋白质一级结构是空间结构的基础
核糖核酸酶是由一条多肽链构成的蛋白质，有4对二硫键。当用尿素和β-巯基乙醇处理时，该酶中的氢键、二硫键断裂，空间结构被破坏，生物活性丧失。但肽键不受影响，一级结构完整。当去除尿素和β-巯基乙醇后，无规则的多肽链又卷曲折叠成天然酶的空间构象，同时该酶恢复其催化活性（图2-8）。这一现象说明一级结构是空间结构的基础，空间结构遭破坏时，只要一级结构不被破坏，就有可能恢复原有的空间结构。
图2-8 核糖核酸酶的变性与复性
2．一级结构相似的蛋白质，其空间结构和功能也相似
例如，不同哺乳类动物的胰岛素分子，都是由51个氨基酸分A和B两条链组成，并且二硫键的配对位置和空间结构也极相似，在一级结构上只有个别氨基酸差异，因而它们在糖代谢中都起着相同的调节作用。
3．一级结构中重要部位的氨基酸改变可引起疾病
镰刀形红细胞贫血患者的血红蛋白β链第6位谷氨酸被缬氨酸取代，仅此一个氨基酸之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着而沉淀，导致红细胞变成镰刀状而极易破碎，产生贫血。这种蛋白质分子一级结构发生改变所导致的疾病，称为“分子病”，其病因为基因突变。
（二）蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质的空间结构直接决定蛋白质的功能，当空间结构发生改变时其生物学功能也随之改变。
1．蛋白质的功能依赖于特定的空间结构
以血红蛋白（Hb）为例：Hb由4个亚基（α2β2）聚合而成，每个亚基含有1个血红素辅基，可与1分子O2结合，共可结合4个O2分子。Hb运输氧的功能是通过其对氧的结合与释放来实现的。Hb未结合O2时，其结构较为紧密，称为紧张态（tense state，T态），T态Hb与O2的亲和力小。随着与氧的结合，4个亚基羧基末端之间的盐键断裂，其空间结构发生变化，结构变得相对松弛，称为松弛态（relaxed state，R态）。在氧丰富的肺中，Hb呈R态，此时与O2的亲和力高，有利于Hb迅速充分与O2结合；在组织中Hb呈T态，此时与O2的亲和力低，有利于Hb迅速释放O2，供组织利用。
2．蛋白质空间结构改变可引起疾病
蛋白质空间结构形成过程中，若多肽链的折叠发生错误，尽管一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍会影响其功能，严重时可导致疾病的发生，这类疾病称为蛋白质构象病，如老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。
★ 考点提示：蛋白质结构与功能的关系
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疯牛病
疯牛病是由朊（病毒）蛋白引起的一组人和动物神经退行性病变。正常人和动物朊蛋白二级结构为α-螺旋。某种未知蛋白质可将朊蛋白二级结构中的α-螺旋转变为β-折叠，富含β-折叠的朊蛋白为致病的朊病毒蛋白，能够传染并引发人和动物的疾病。