蛋白质通过什么形成双螺旋结构

蛋白质分子的多肽链并不是呈线形伸展，而是按一定的方式折叠盘绕成特有的空间结构。蛋白质的空间结构通常称为蛋白质的构象。蛋白质一级结构是决定空间结构的基础，空间结构决定蛋白质的分子形状、理化性质和生理功能。

蛋白质的空间结构具有明显的层次性，由低层次到高层次至少可分为二级结构、三级结构和四级结构。

（一）蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中各段多肽链主链原子的空间分布状态，亦即主链的空间构象，不涉及氨基酸残基的侧链构象。维系蛋白质二级结构的化学键是氢键。

1．肽单元　经研究表明，肽链中的肽键键长为0．132nm，短于C—N单键的0．147nm，又比普通的C＝N双键的0．127nm长，因此肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。在肽链中，与C—N相连的H和O为反式结构，而且C和N周围的三个键角之和为360°，说明肽键中的4个原子和它相邻的两个α碳原子都处于一个平面上，称为肽单元，亦称酰胺平面或肽键平面（图1－2）。与肽键相连的α－碳原子两侧的单键都可以自由旋转，这样多肽链的所有肽单元都可以α碳原子为顶点做旋转运动，形成各种不同的结构，使蛋白质主链出现各种构象。因此肽单元是形成主链构象的结构基础。

图1－2　肽单元结构

2．蛋白质二级结构的基本形式　Pauling和Corey于1951年根据X－线衍射图谱提出了蛋白质主链构象的两种主要形式，分别称作α－螺旋和β－折叠，后来人们又发现了β－转角和无规卷曲两种常见的形式。

图1－3　α－螺旋结构

（1）α－螺旋：α－螺旋是指蛋白质分子中多个肽单元通过α－碳原子的旋转，使多肽链的主链骨架沿中心轴有规律地盘绕成的右手螺旋构象（图1－3）。典型的α－螺旋结构有如下特点：①螺旋的方向为右手螺旋，沿顺时针方向旋转，每隔3．6个氨基酸残基，螺旋上升一圈。螺距为0．54nm，螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，上升0．15nm。②肽单元与中心轴平行，相邻的螺旋之间，借肽键上的酰基氧（C＝O）与亚氨基的氢（—NH）形成链内氢键，即由每个氨基酸残基的N—H和相隔三个氨基酸残基的C＝O形成氢键，氢键的取向几乎与长轴平行。α－螺旋的结构允许所有肽键都能参与氢键的形成，因此α－螺旋的结构十分稳定。③肽链中氨基酸残基的侧链均伸向螺旋的外侧。侧链基团的大小、形状、性质和所带电荷状态均影响α－螺旋的形成和稳定性。如在酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同性电荷的排斥不能形成α－螺旋；侧链基团较大的氨基酸集中时（如色氨酸、异亮氨酸等），由于空间位阻，也不利于α－螺旋的形成，而多形成无规卷曲。脯氨酸和甘氨酸存在时也不能形成α－螺旋。

（2）β－折叠：是一种比较伸展的、肽单元呈锯齿状折叠结构，又称β－片层（图1－4）。其结构特点是：①多肽链呈伸展状态，相邻的肽单元之间折叠成锯齿结构，两平面夹角为110°，侧链基团交错伸向锯齿状结构的上下两侧。②两条以上多肽链或一条多肽链反向折叠，形成的若干肽段互相靠拢，平行排列，肽段之间靠肽键上的—C＝O与—N—H形成氢键以维持其结构的稳定性。③若两条肽链方向一致，即N端→C端方向相同，呈顺向平行，反之为反向平行，从能量角度看反向平行结构更稳定。反向平行的链间氢键与肽链方向相垂直，顺向平行则不垂直。能形成β－折叠的氨基酸残基一般不大，如甘氨酸、丙氨酸在此结构中出现几率最高。

图1－4　β－折叠结构
A．顺向平行；B．反向平行

（3）β－转角：球状蛋白质分子多肽链走向经常出现180°反转，转角处的U型结构就是β－转角。β－转角由四个氨基酸残基组成，一般含有脯氨酸，由第一个氨基酸残基的C＝O和第四个残基的N—H形成氢键，以稳定其结构（图1－5）。

（4）无规卷曲：指没有确定规律的多肽主链的结构。

蛋白质的二级结构是由一级结构决定的，各种蛋白质依其一级结构的特点，在其肽链的不同区段可形成不同的二级结构，有的甚至差别很大。例如肌红蛋白和血红蛋白分子的肽链中约有75%是α－螺旋结构，毛发中的α－角蛋白几乎全是α－螺旋，而蚕丝丝心蛋白几乎全是β－折叠结构。

图1－5　β－转角结构

（二）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构是指每一条多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的排布，它是在二级结构基础上，由侧链基团相互作用，进一步折叠盘绕形成的（图1－7）。

较大的蛋白质分子在形成三级结构时，多肽链中的某些二级结构还可以形成αα、βββ、βαβ等超二级结构，也称为模体（motif）；相邻的超二级结构紧密相连，进一步折叠盘绕成多个相对独立的致密的三维实体，称结构域（domain），是蛋白质的功能活性部位，承担着不同的生物学功能。稳定三级结构的化学键有疏水键、盐键、氢键、范德华力等次级键，有些蛋白质分子中还有二硫键，其中疏水键是维持三级结构的主要化学键（图1－6）。在形成三级结构时侧链疏水基团聚集在分子内部，形成疏水核心，亲水基团多分布在表面，因此具有三级结构的蛋白质多是亲水的。

图1－6　稳定蛋白质分子构象的化学键
①离子键　②氢键　③疏水键　④范德华力　⑤二硫键

由一条多肽链组成的蛋白质，只要形成三级结构就有生物学活性，一旦三级结构被破坏，生物活性也随之丧失。

（三）蛋白质的四级结构

许多具有生物学活性的蛋白质由两条或两条以上的多肽链组成，且每条多肽链都有自己独立的三级结构，称为亚基（subunit），亚基之间靠疏水键、盐键、氢键等缔合在一起。蛋白质四级结构就是指各亚基之间的空间排布和相互联系。在蛋白质分子中亚基的结构可以相同，也可以不同，亚基的数目多少也不等。例如，促甲状腺素由一个α亚基和一个β亚基组成；而血红蛋白由2个α亚基和2个β亚基，即四个两两相同的亚基组成（图1－8）。亚基均以α、β、γ等命名。

图1－7　肌红蛋白的三级结构

图1－8　蛋白质的四级结构

一般情况下亚基单独存在时不具有生物活性，只有形成四级结构时才有生物活性。在一定条件下这种蛋白质可以解离成单个亚基，亚基间的聚合和解离对蛋白质生物活性有调节作用。

应该指出的是，亚基是肽链，但肽链不一定是亚基。由于肽链亚基间的连接键都是非共价键，因而由二硫键相连的，如由四条肽链组成的免疫球蛋白，由A、B两条肽链组成的胰岛素分子不属于具有四级结构的蛋白质。