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形成的生物大分子。每一种蛋白质都有特定的氨基酸组成、排列顺序、肽链原子空间排布以及一定的生理功能。蛋白质的分子结构可分成一级、二级、三级和四级结构（图2-8），后三者统称为高级结构或空间构象（conformation）。蛋白质的空间构象是指蛋白质分子中每一原子在三维空间的相对位置，这是蛋白质特有性质和功能的结构基础。但并非所有的蛋白质都有四级结构，由一条肽链形成的蛋白质只有一级、二级和三级结构。由两条或两条以上多肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质分子中各种氨基酸从N端到C端的排列顺序，即氨基酸序列（amino acid sequence），是由基因的遗传密码所决定的。一级结构中的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包含由两个半胱氨酸巯基脱氢氧化而生成的二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，是区别不同氨基酸最基本、最重要的标志之一。但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

牛胰岛素是历史上第一个被确定为一级结构的蛋白质分子，由A和B二条链构成，A链有21个氨基酸残基，B链有30个。其分子中有3个二硫键，1个位于A链内，由A链的第6位和第11位半胱氨酸的巯基脱氢而形成；另外2个二硫键位于A、B两链间（图2-9）。

二、蛋白质的空间结构

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构（secondary structure）是指蛋白质分子中某一段肽链主链骨架的盘绕、折叠而形成的局部空间构象，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，与氨基酸残基R侧链构象无关。在已知空间结构的蛋白质中均已发现存在二级结构，其主要形式有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲，其中前两者最为常见。组成这些二级结构的基本单位称为肽单元或肽平面。

1.肽单元

20世纪30年代末，Linus Pauling和Robert Corey在应用X线衍射技术研究氨基酸和寡肽的晶体结构时，发现构成肽键的四个原子（—CO—NH—）和与之相邻的两个α碳原子（Cα）位于同一平面上，这个刚性结构称为肽单元（peptide unit），又称肽平面。X衍射法证实肽键平面其肽键（C—N）键长为0.132nm，介于C—N的单键长（0.149nm）和双键长（0.127nm）之间（图2-10），因此具有一定程度双键性能，不能自由旋转。而Cα分别与N原子和羰基碳相连的键都是典型的单键，可以自由旋转（图2-11）。也正是由于肽单元上Cα原子所连的两个单键具有较大的自由旋转度，决定了两个相邻的肽单元平面的相对空间位置。肽键平面随Cα两侧单键的旋转，从而使得肽链可以卷曲、折叠，形成二级结构的不同表现形式。

2.二级结构的四种基本形式

（1）α-螺旋（α-helix）：

α-螺旋是人们对蛋白质结构所提出的第一种折叠形式，也是蛋白质二级结构中最常见的一种存在形式。α-螺旋的结构特点是：①多肽链以肽键平面为单位，以Cα为转折点，使多肽链的主链围绕中心轴呈有规律的螺旋式延伸，螺旋的走向为顺时针方向，即右手螺旋；②螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，螺距为0.54nm；③相邻螺旋之间，由第1个氨基酸肽键上C=O，与第四个肽键上N-H形成氢键，方向与α-螺旋长轴基本平行；④氨基酸侧链的R基团分布于螺旋外侧，其形状、大小及电荷性质均影响α-螺旋形成（图2-12）。α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重要的作用。

（2）β-折叠（β-pleated sheet）：

β-折叠又称β-片层，是蛋白质二级结构的另一种主要形式（图 2-13）。其结构特点是：①多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构。②氨基酸残基侧链R基团交替地伸向锯齿状结构的上下方。形成的锯齿状结构较短，只含5～8个氨基酸残基。③两条以上的多肽链或一条多肽链中的若干肽段可互相靠拢，平行排列，通过肽链间的氢键相连接。氢键方向与折叠的长轴垂直，是维持β-折叠结构的主要化学键。④构成β-折叠的两条肽链若走向相同，即为顺向平行，反之则为反向平行。反向平行较顺向平行稳定性高。

胰岛素分子中约有14%的氨基酸残基组成β-折叠结构，而胰糜蛋白酶分子中约有45%氨基酸残基组成β-折叠二级结构。

（3）β-转角（β-turn）：

β-转角是指多肽链 180°左右回折所形成的一种二级结构（图2-14），其结构特点是：①主链骨架本身以大约180°回折；②回折部分通常由4个连续的氨基酸残基构成，第二个残基常为脯氨酸，其他常见的残基有甘氨酸、色氨酸、天冬氨酸和天冬酰胺等；③构象依靠第一个残基的羰基氧和第四个残基的氨基氢之间形成的氢键来维系，氢键方向垂直于肽链骨架的走向。

（4）无规卷曲（random coil）：

无规卷曲是指多肽链除了上述几种比较规则的构象之外，主链部分形成的无规律的卷曲构象。该结构普遍存在于各种天然蛋白质分子中，同时也是蛋白质分子结构和功能的重要组成部分。

3.影响二级结构形成的因素

蛋白质的一级结构（氨基酸排列顺序）是二级结构的基础。氨基酸残基的侧链是决定二级结构形成的重要因素。例如，①一段肽链中多个酸性氨基酸或者多个碱性氨基酸相邻、集中，同种电荷相排斥，不易形成α-螺旋；②天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响α-螺旋的形成；③脯氨酸的N原子在环中，无氢原子而不能形成氢键，结果肽链走向转折，也不形成α-螺旋；④甘氨酸旋转自由，会影响螺旋的稳定性；⑤残基侧链过大，不能保证2条肽段彼此靠近，就会影响β-折叠形成。

（二）超二级结构——模体

模体（motif）是指在蛋白质分子中，若干具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成具有特殊功能的空间构象，也称超二级结构（super secondary structure）。目前发现的超二级结构主要有三种基本形式，即α α、β α β和β β，其中β α β最为常见。

模体具有特殊的氨基酸序列，并且与特定功能相联系。钙结合蛋白分子的钙离子结合模体是由α-螺旋-环-α-螺旋三个肽段组成（图2-15a），环中有几个恒定的亲水侧链，侧链末端的氧原子可通过氢键与钙离子结合。具有结合Zn2+功能的锌指结构（zinc finger）也是一个常见的模体例子，它是由1个α-螺旋和一对反平行的β-折叠组成，形似手指，具有结合Zn2+的功能（图2-15b）。其N端有1对半胱氨酸残基，C端有1对组氨酸残基，这4个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2+。由于Zn2+可稳固模序中的α-螺旋结构，致使此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质能与DNA或RNA结合。模体的特征性构象是其特殊功能的结构基础。有些蛋白质的模体仅有几个氨基酸残基组成，例如纤连蛋白中能与其受体结合的肽段，只有RGD三肽。

（三）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，包含主链和侧链在内的所有原子的三维空间排布。由一条多肽链构成的蛋白质，必须具有三级结构才能具有生物学活性。三级结构一旦破坏，蛋白质的生物学活性随之丧失。例如，肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单链蛋白质，含有1个血红素辅基，能够可逆的与氧结合或分离。图2-16显示肌红蛋白的三级结构。多肽链中α-螺旋占75%，形成A至H 8个螺旋区，两个螺旋区之间有一段卷曲结构，脯氨酸位于转角处。由于侧链R基团的相互作用，多肽链进一步折叠、缠绕，形成紧密的球状结构。亲水基团多分布于分子表面，而疏水侧链则位于分子内部。因此，具有三级结构的蛋白质多具有亲水性。

三级结构的形成和稳定主要依靠多肽链侧链基团之间相互作用所形成的次级键来维持。常见的次级键有疏水键、离子键（盐键）、氢键和范德华力（Van der Waals force）等（图2-17），其中疏水键是维持蛋白质三级结构最主要的化学键。

分子量大的蛋白质分子由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成多个相对独特并承担不同生物学功能的区域，这些区域称为结构域（domain）。一般每个结构域由100～300个氨基酸残基组成。结构域之间的肽键松散、弯曲，形成分子内裂隙结构。结构域常常是酶的活性中心或是受体分子的配体结合部位。如纤连蛋白（fibronectin，Fn）含有与细胞、胶原、DNA和肝素等结合的6个结构域（图2-18）。

蛋白质空间构象的正确形成，还需要一类称为分子伴侣（chaperone）的蛋白质参与。分子伴侣参与蛋白质空间构象形成的作用机制详见蛋白质的生物合成（第十三章）。

（四）蛋白质的四级结构

在体内有许多蛋白质分子是由两条或两条以上多肽链构成，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基（subunit）。蛋白质的四级结构（quaternary structure）是指蛋白质分子中各个亚基的空间排布及其相互作用。各亚基间的结合力主要是疏水键，其次是氢键和离子键。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。如血红蛋白（Hb）是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体（图2-19），两种亚基的三级结构颇为相似，且每个亚基都可以结合有1个血红素（heme）辅基，具有运输氧和CO2的功能。但每1个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中却难以释放氧，丧失血液氧运输功能。

三、蛋白质结构与功能的关系

生物体内所有蛋白质都有独特的生物学功能，而这些功能是以其特异的结构为基础的，因此蛋白质的一级结构和空间构象与蛋白质的功能都有着密切关系。

（一）蛋白质一级结构与功能的关系

1.一级结构是蛋白质空间构象的基础

Anfinsen在牛胰核糖核酸酶变性和复性实验中发现，蛋白质功能与其三级结构密切相关，而特定三级结构是以蛋白质的一级结构即氨基酸顺序为基础的。

牛胰核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的单链蛋白质，依靠分子中的氢键和4对二硫键维系一定的空间构象。在尿素和β-巯基乙醇作用下氢键和二硫键断裂，该酶正常空间构象遭到破坏，活性随之丧失。由于肽键未受影响，故仍保持原有的一级结构。当用透析方法去除尿素和β-巯基乙醇后，自动形成氢键和二硫键，盘曲折叠成天然酶的空间构象，酶活性又逐渐恢复至原来水平（图2-20）。这种酶活性的变化不仅说明一级结构决定蛋白质空间构象，也说明只有具备正确空间构象的蛋白质才具有特定的生物学活性。

2.一级结构是蛋白质功能的基础

实验结果证明，如果多肽或蛋白质一级结构相似，其折叠后的空间构象及功能也相似。氨基酸序列明显相似的蛋白质，可认为来源于同一祖先，因此彼此称为同源蛋白质。同源蛋白质的基因编码序列及氨基酸组成有较大的保守性，构成一个蛋白质家族。不同种属来源的同种蛋白质，一级结构存在种属差异。以细胞色素c为例，脊椎动物的细胞色素c由104个氨基酸残基组成，昆虫由108个氨基酸残基组成，植物则由112个氨基酸残基组成。与功能相关的结构具有高度的保守性，细胞色素c大约有28个氨基酸残基是各种生物共有的，是细胞色素c的生物功能所必需的。来自两个物种的同种蛋白质，在进化位置上相差越远，其氨基酸序列差别越大（图2-21），这种差异可能是分子进化的结果。

（二）蛋白质空间结构与功能的关系

体内各种蛋白质都有特殊的生理功能，这与其空间构象有着密切的关系。空间构象改变，功能活性也随之改变。肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）是阐述蛋白质空间结构和功能关系的典型例子。

Mb与Hb都是含有血红素辅基的蛋白质，携带氧的部分是血红素中的Fe2+。Fe2+有6个配位键，其中四个与吡咯环N配位结合，一个与肌红蛋白的93位组氨酸残基结合，一个与氧结合。血红素与蛋白质的稳定结合主要靠以下两种作用：一是血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连；另一作用是肽链中的组氨酸残基与血红素中Fe2+配位结合。

Mb是一个只有三级结构的单链蛋白质，故只能结合一个血红素，携带1分子氧，其氧解离曲线为矩形双曲线。而Hb是由4个亚基组成的四级结构，4个亚基通过盐键紧密结合而形成亲水的球状蛋白，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。故Hb可以与4分子氧结合，氧解离曲线呈“S”形曲线（图2-22）。从曲线的形状特征可以看出，Hb中第一个亚基与O2结合可以促进第二及第三个亚基与O2的结合。当前三个亚基与O2结合后，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应称为正协同效应（positive cooperativity）。所谓协同效应是指一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应；反之则为负协同效应。

能够产生正协同效应的原因是，Hb未结合O2时，结构紧密（紧密型，T型），与O2亲和力小；当第1个亚基与O2结合后，附近肽段的构象受到影响，导致两个α亚基间盐键断裂，空间结构变得相对松弛（松弛型，R型），可促进第二个亚基与O2结合，依此方式可影响第三、四个亚基与O2结合，最后使Hb与O2的亲和力增加（图2-23）。一个Hb亚基与O2结合后引起亚基构象变化的效应称为别构效应（allosteric effect）。小分子O2称为别构剂或效应剂，Hb则被称为别构蛋白。别构效应不仅发生在Hb与O2之间，一些酶与别构剂的结合、配体与受体结合也存在着别构效应。肌红蛋白只有一条肽链，不存在协同效应。可见Hb与Mb有不同的空间结构，决定了它们的氧解离曲线呈现不同的表现。

（三）蛋白质结构改变与疾病

1.一级结构改变与分子病

蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病（molecular disease）。分子病是指由于蛋白质一级结构的改变，从而导致其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。例如正常人血红蛋白β亚基第6位氨基酸是谷氨酸，而镰状细胞贫血患者的血红蛋白，谷氨酸变成缬氨酸（图2-24），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，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血。

2.空间构象改变与疾病

特定的空间构象是蛋白质发挥其功能的结构基础。如果蛋白质的构象发生改变，可影响其功能，严重时可导致疾病发生。由于蛋白质的空间构象异常而产生的疾病称为蛋白质构象病。常见的蛋白质构象病有人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病（老年痴呆症）、亨廷顿舞蹈症、疯牛病等。

疯牛病是由朊病毒蛋白（prion protein，PrP）引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。这种α-螺旋在某种未知蛋白质的作用下重新折叠成β-折叠，空间结构也由单个球状分子变成了纤维状的聚集态，最终导致抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，从而造成大脑广泛的神经细胞凋亡、脱失，形成海绵状脑病。

四、蛋白质的分类

生物体内的蛋白质种类繁多、结构复杂、分类方式也是多种多样，迄今为止没有一个理想的分类方法。一般可以根据蛋白质不同性质特点，如形状、组成、功能和溶解度差异等进行分类。

（一）根据蛋白质形状分类

根据分子形状，可将蛋白质分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。

1.纤维状蛋白质

外形呈棒状或纤维状，其分子的长轴长度/短轴长度≥10。多数较难溶于水，是生物体重要的结构成分，作为细胞支架，或者连接各细胞、组织和器官。结缔组织中的胶原蛋白、毛发中的角蛋白等都是典型的纤维状蛋白。

2.球状蛋白质

形状近似于球形或椭球形，分子长轴长度/短轴长度＜10。多数溶于水。许多具有各种生理活性的蛋白质，如酶、免疫球蛋白等均属于球状蛋白质。

（二）根据蛋白质组成分类

根据分子组成可将蛋白质分为单纯蛋白质和结合蛋白质两大类。

1.单纯蛋白质（simple proteins）

只由氨基酸组成，其完全水解产物仅为氨基酸，如清蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、谷蛋白和植物精蛋白等。

2.结合蛋白质（conjugated proteins）

由蛋白质部分和非蛋白质的辅基构成。按其辅基不同，可将结合蛋白质分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等几大类（表2-2）。核蛋白是细胞染色体的主要化学组成，脂蛋白是人血浆中脂类的主要结合、运输形式。

此外，也可以根据溶解度不同将蛋白质分为可溶性蛋白质、醇溶性蛋白质和不溶性蛋白质等。还可以根据蛋白质功能分为酶蛋白、调节蛋白和运输蛋白等。