蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序

(一)蛋白质的基本结构

1.肽键与肽 蛋白质分子中氨基酸之间通过肽键连接。一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而生成的化学键称为肽键,肽键是肽链及蛋白质结构的主要化学键,写作-CO-NH-(图2-1-1)。

图2-1-1　肽键

氨基酸通过肽键连接而成的化合物称为肽。由两个氨基酸缩合而成的肽称为二肽,三个氨基酸缩合成三肽,多个氨基酸脱水缩合成的肽称为多肽。肽链中的氨基酸分子因脱水已不是完整的氨基酸,故称为氨基酸残基。在多肽链中,肽链的一端保留一个α-氨基,称氨基末端或N-端,另一端保留一个α-羧基,称羧基末端或C-端。肽链具有方向性,即多肽链的方向从N-端开始,终于C-端,所以书写多肽链时N-端写在左侧,C-端写在于右侧。

2.生物活性肽　生物体内存在某些具有重要生理功能的低分子多肽,称为生物活性肽,如抗氧化剂(谷胱甘肽)、激素(抗利尿激素、催产素、加压素、脑啡肽)、细胞因子等。

3.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的排列顺序。它是蛋白质的基本结构。肽键是维持蛋白质一级结构的主要化学键,也是蛋白质结构中的主键。

人胰岛素的一级结构(图2-1-2):

图2-1-2　牛胰岛素的一级结构

(二)蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构是由多肽链通过折叠、盘曲,使分子内各原子按一定方式组合成的特定空间构象。维持蛋白质空间结构稳定的化学键主要有氢键、离子键、疏水键、范德华力等非共价键和二硫键,统称为次级键或副键。根据其结构水平不同可分为二级、三级和四级结构。

图2-1-3　α-螺旋

1.二级结构　蛋白质的二级结构是指多肽链主链通过折叠、盘曲所形成的空间结构,不涉及各R侧链的空间位置。其主要形式有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等。α-螺旋和β-折叠为常见的两种形式。

α-螺旋是指多肽链的主链围绕中心轴做有规律的盘曲,呈螺旋状上升的结构。螺旋的走向为顺时针方向,也称右手螺旋。上下螺旋之间形成氢键,螺旋结构保持稳定(图2-1-3)。

β-折叠是指多肽链主链呈折纸状走向,以α-碳原子为旋转点,折叠成锯齿状的结构。若干个β-折叠顺向平行或逆向平行排列成β-片层(图2-1-4),依靠氢键维持结构稳定。

β-转角是指在蛋白质二级结构中,多肽链主链呈现180°转折的结构。无规则卷曲是指多肽链中规则性不强的松散区段的构象。它们都以氢键维持结构的稳定。

2.三级结构　蛋白质的三级结构是在二级结构基础上,多肽链进一步折叠或盘曲所形成的空间结构。三级结构是整条肽链所有原子在三维空间的排布,它的稳定性主要是依靠侧链基团相互作用生成的各种次级键,包括氢键、盐键、疏水键、范德华力等非共价键和二硫键,其中疏水键是主要作用力。每种有功能的蛋白质至少都具有各自特征性的三级结构。三级结构破坏,生理功能也随之丧失(图2-1-5)。

图2-1-4　β-折叠

图2-1-5　蛋白质的三级结构

3.四级结构 有些蛋白质是由两条或两条以上多肽链构成,每条多肽链都具有独立的三级结构,称为亚基。由两个或两个以上亚基通过非共价键缔合而成的空间结构称为蛋白质的四级结构(图2-1-6)。单独的亚基无生物学活性,只有聚合在一起形成完整的四级结构才具有蛋白质的生物学活性。

图2-1-6　蛋白质的四级结构

(三)蛋白质结构和功能的关系

1.一级结构与功能的关系　多肽链上氨基酸的排列顺序决定了蛋白质的空间结构,进而决定其生理功能。一级结构如果遭到破坏,其空间结构和生理功能也随之改变。如将胰岛素A链N-端的第一个氨基酸残基去掉,其活性只剩2%～10%,如再将紧邻的第2—4位氨基酸残基切去,其活性会完全丧失。

大量实验结果证明,一级结构相似的蛋白质,其空间结构和生理功能也相似,如不同哺乳动物的胰岛素一级结构和空间结构十分相似,仅有个别氨基酸的差异,并都具有调节血糖的生理功能。

2.空间结构和功能的关系　蛋白质的特殊生理功能与其空间结构密切相关,空间结构发生变化,其功能活性也随之改变或丧失。如用一定方法将酶蛋白的空间结构破坏,虽然不破坏其一级结构,但酶的活性也会立即丧失;又如血红蛋白,其运氧功能与它的四级结构密切相关。血红蛋白由4个亚基组成,当某一个亚基与氧结合后,其空间结构发生改变,使亚基之间的盐键逐步断裂,促进了相邻亚基与氧结合的速度。由此可见空间结构的改变与蛋白质的生理功能密切相关。

(四)蛋白质的分类

蛋白质按其分子组成可分为两大类:单纯蛋白质和结合蛋白质。单纯蛋白质的水解产物仅为氨基酸,如清蛋白、球蛋白、组蛋白等。而结合蛋白质由蛋白质和非蛋白质部分组成,其非蛋白质部分通常称为辅基。根据辅基不同又可把结合蛋白质分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白、磷蛋白和金属蛋白等。

重点提示

1.多肽链上氨基酸的排列顺序是蛋白质的一级结构,维持蛋白质一级结构的主键是肽键。

2.多肽链在一级结构的基础上折叠、盘曲形成蛋白质的空间结构,维持蛋白质空间结构的化学键为次级键。