蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序

第二节　蛋白质的分子结构

蛋白质是由许多氨基酸连接成的生物大分子，其结构复杂，功能繁多。为了便于研究，一般将蛋白质的结构分为四级，即一级、二级、三级和四级，后三者统称为蛋白质的高级结构或空间结构。

一、蛋白质分子中氨基酸的连接方式

氨基酸是蛋白质的基本结构单元，氨基酸经肽键连接而成蛋白质。一个氨基酸的α－羧基和另一个氨基酸的α－氨基之间缩合脱水形成的酰胺键称为肽键。

通常将氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。由两个氨基酸缩合而成的称为2肽；由三个氨基酸缩合而成的称为3肽，以此类推。含有十个以下氨基酸的肽，称为寡肽；含有十个以上氨基酸的肽，称为多肽，多肽是链状化合物，故也称为多肽链。

多肽链有两个端点，一个是游离的氨基末端或N端，一个是游离的羧基末端或C端。书写多肽链的时候，从左往右写，常把N端放在左边，C端放在右边，中间依次写出各氨基酸的中文或英文简写，如H2N－谷－精－亮……缬－组－COOH。肽链中氨基酸因脱水而形成的不完整结构称为氨基酸残基，与α－碳原子连接的R称为侧链。

生物体体内常存在很多具有生物活性的肽。已知很多激素属于肽类物质，如催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等。在神经传导过程中起信号传导作用的为神经肽，如脑啡肽（5肽）、内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。某些蕈产生的剧毒毒素也是肽类化合物，如α－鹅膏蕈碱，是一个环状8肽。动物和植物细胞中都含有一种称为谷胱甘肽的3肽化合物，该分子中半胱氨酸残基的R侧链具有活性的巯基（—SH）；还原型谷胱甘肽对维持细胞膜结构的完整性和使细胞内的酶蛋白免受氧化都有重要的作用。

二、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的氨基酸残基的排列顺序。它是蛋白质分子结构的基础，包含了决定蛋白质分子所有结构层次的全部信息。该结构中的主要化学键是肽键，有些蛋白质还包含二硫键，是由两个半胱氨酸残基的巯基氧化而成。

早在20世纪40年代，蛋白质一级结构的研究被认为是无从下手的难题，然而，英国著名科学家F．Sanger用了十年的时间首次测定了胰岛素的氨基酸顺序，从此拉开了蛋白质一级结构研究的序幕。胰岛素有A、B两条链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个；两条链通过两个二硫键相连，A链本身第6位及第11位半胱氨酸残基形成一个链内的二硫键（图2－1）。

体内蛋白质种类繁多，其一级结构各不相同。由于蛋白质一级结构归根到底是基因表达的结果，因此通过测定DNA的序列，就能间接地分析出蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。随着DNA序列测定技术的发展，许多蛋白质一级结构的测定工作已完成。

图2－1　胰岛素的一级结构

三、蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构包含蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构，它涵盖了蛋白质所有原子的空间相对位置和构象，是蛋白质特有性质和功能的结构基础。并非所有蛋白质都有四级结构，只有一条多肽链形成的蛋白质是没有四级结构的，有两条或两条以上多肽链形成的蛋白质才具有四级结构。

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指多肽链的局部主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构有α－螺旋、β－折叠、β－回折和无规则卷曲四种主要形式。肽单元平面结构，对二级结构的形成至关重要，它是指参与肽键的六个原子处于同一个平面，即有一个肽键就有一个肽单元平面，相邻的肽单元平面可以绕C_α自由旋转，由此在多肽链的局部便可形成有规律的重复结构，比如α－螺旋、β－折叠。

图2－2　α－螺旋

α－螺旋是蛋白质中最常见、最典型的二级结构，是肽单元平面绕C_α旋转，沿长轴方向盘绕形成的螺纹状结构。α－螺旋通常为右手螺旋，每个螺旋需3．6个氨基酸残基，并沿长轴方向上升0．54nm，所有的R侧链伸向螺旋外侧。基本平行于长轴的氢键是稳定α－螺旋主要的力，此外R侧链的大小、形状、电荷对稳定α－螺旋（图2－2）也有影响。

β－折叠是蛋白质另一种重复性的、有规律的二级结构，一般需要两条或两条以上的肽段共同参与形成，β－折叠为一种比较伸展、呈锯齿折叠状结构。相邻多肽链主键上的氨基和羰基之间能形成有规则的氢键，氢键与β－折叠长轴几乎垂直，以维持这种片层结构的稳定性，相邻氨基酸之间的轴心距为0．35nm，R侧链交替分布在片层平面的上方和下方。在该结构中，相邻的两条多肽链有两种走向，一种多肽链顺向平行，一种多肽链逆向平行（图2－3）。

生物体内，蛋白质大多呈球形，由此可以想象，多肽链必须具有弯曲、回折的能力，以便多肽链可折叠成球形结构。事实上，在很多蛋白质中可以观察到多肽链出现了180°回折，这种非重复的二级结构称为β－回折（图2－4）。该结构由四个连续的氨基酸组成，第一个氨基酸残基的羧基和第四个氨基酸残基的氨基之间形成氢键，这便成了稳定β－回折的主要的力。研究发现，β－回折多发生在含甘氨酸或脯氨酸残基处。

除上述结构单元外，还有无规则卷曲，以用来描述没有明确规律的那部分多肽链。

图2－3　β－折叠

图2－4　β－回折

（二）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构是指一条多肽链上的所有原子相对空间位置的总和。蛋白质多肽链在二级结构的基础上，进一步折叠盘曲，形成了空间上比较单一的纤维状蛋白和球状蛋白。球状蛋白的疏水基团往往被包裹在里面，而亲水基团则暴露在分子表面，因而球状蛋白是水溶性的。在维持这种结构的作用力中，疏水基团之间的疏水作用力是最主要的稳定因素，当然氢键、离子键甚至二硫键等也参与了稳定蛋白质的三级结构（图2－5）。球状蛋白的表面往往会有些特殊的区域，比如凹陷、口袋或者缝隙，这些区域常常可以和某些小分子或大分子的一部分契合，使之在此发生某个反应或特定作用。由此可见，蛋白质要具有生物学活性，至少要有三级结构。然而，蛋白质的这种三级结构是由一级结构决定的，每种蛋白质的一级结构都不尽相同，必然形成的三级结构也各不相同，随之其功能也各异。

（三）蛋白质的四级结构

有些蛋白质含有多条肽链，每条多肽链都有独立的三级结构。这种由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键连接而成的结构称为蛋白质的四级结构。在具有四级结构的蛋白质中，每一条具有独立三级结构的多肽链称为该蛋白质的亚基，亚基单独存在没有活性，亚基只有缔合成四级结构才具有活性。亚基之间以疏水作用力、氢键、离子键等非共价键缔合，其中氢键、离子键起着主要的作用。如血红蛋白是由两个α－亚基、两个β－亚基组成的四聚体（图2－6）。

图2－5　稳定蛋白质的三级结构的作用力

图2－6　血红蛋白的四级结构

四、蛋白质分子结构与功能的关系

（一）蛋白质的一级结构与功能的关系

1．一级结构是蛋白质空间结构的基础

蛋白质空间结构复杂、功能繁多，源于其一级结构比较复杂。蛋白质复杂的三维结构所需要的一切信息都包含在蛋白质的氨基酸排列顺序上，而三维结构的不同其功能也不同，因此一级结构不同，其空间结构就不同，生物学活性也就不同。蛋白质实现其生物学功能从根本上取决于一级结构。如蛋白质的进化、蛋白质分子异常而导致的分子病等，都反映出一级结构与功能的关系。

2．一级结构改变可导致分子病

大量的研究发现，蛋白质的一级结构差异越小，其空间结构及功能的相似性就越高。例如，不同的哺乳类动物的胰岛素分子都是由A、B两条链组成的，一级结构仅有个别氨基酸差异，因此空间结构及功能相似。此外，促肾上腺皮质激素和促黑激素，两者N－端的13个氨基酸残基完全相同，因此，促肾上腺皮质激素也可以促进皮下黑色素生成，但作用较弱。催产素和升压素均为9肽，第3位和第9位氨基酸不同，它们都有收缩肌肉和升高血压的作用，只是强度不同。

蛋白质一级结构发生改变，必然影响空间结构，其功能也随之发生改变，这种影响的大小，与氨基酸残基所处多肽链的位置有关。如广泛存在于生物界的细胞色素C，即使某些位点的氨基酸残基被替换10个，其功能也没发生明显的改变。但若蛋白质关键位置的氨基酸残基被替换了，哪怕只改变1个，对功能的影响却很大，如胰岛素分子B链第24位的苯丙氨酸被亮氨酸取代，使胰岛素成为活性很低的分子，而不能降血糖；又如镰刀形红细胞贫血症就是血红蛋白分子中β链第6位谷氨酸被缬氨酸取代造成的。像这种由于基因突变导致蛋白质分子结构发生改变或某种蛋白质缺乏而引起的疾病称为分子病。

（二）蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质分子空间结构与生理功能的关系也十分密切。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α－螺旋二级结构，因此性质稳定、坚韧且富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的。丝心蛋白正因为分子中富含β^－片层结构，因此分子伸展，而蚕丝柔软却没有多大的延伸性。

不同的酶催化不同的底物能起不同的反应，即酶的特异性，这也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切相关。

生物体的各种蛋白质都有其特定的空间结构，而这种构象与功能是相适应的。不同来源的胰岛素尽管氨基酸组成有差别，但若空间结构相似，其功能也相似。即使一级结构有较大差异，它们的空间结构相似，功能也可能相似。例如，人的血红蛋白、昆虫的血红蛋白和豆的血红蛋白，一级结构有较大的差异，结构相似性小于20%，但它们的空间结构相似，执行的功能也相似。

（三）蛋白质构象病

若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，仅蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，这便是蛋白质构象病。机制是有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，因产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈症、疯牛病等。这些病都是由朊病毒蛋白引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的朊蛋白富含α－螺旋，在某种因素的作用下可转变成为β^－折叠的朊病毒蛋白，从而致病。

知识链接

朊　病　毒

早在300年前，人们已经注意到在绵羊和山羊身上患有“羊瘙痒症”。其症状表现为丧失协调性、站立不稳、烦躁不安、奇痒难熬，直至瘫痪死亡。最为震惊的当首推1996年春天“疯牛病”在英国以至于全世界引起的一场空前的恐慌。1982年，美国加利福尼亚大学的斯坦利·B·布鲁辛纳（Stanley B．Prusiner）发现引起该病的原因是朊病毒，并因此而获得了1997年的诺贝尔奖。朊病毒与常规病毒一样，有可滤过性、传染性、致病性，以及对宿主范围的特异性，但它比已知的最小的常规病毒还小得多（30～50nm）。电子显微镜下观察不到病毒粒子的结构，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。因此，世界卫生组织将朊病毒病和艾滋病并列为世纪之交危害人体健康的顽疾。

该病毒对大多数常用杀灭病毒的物理、化学因素均有抵抗力，只有在136℃高温和两个小时的高压下才能将其灭活。感染该病毒患者的体内不产生免疫反应和抗体，监测困难，一旦出现症状半年到一年100%死亡。