蛋白质的二级结构

（一）概念

蛋白质二级结构（secondary structure）是指蛋白质分子中局部主链骨架原子的相对空间位置，但不涉及氨基酸残基侧链的构象。所谓肽链主链骨架原子即N—H（氨基氮）、Cα（α－碳原子）和C=O（羰基碳）依次重复排列。蛋白质的二级结构主要包括α－螺旋、β－折叠、β－转角和无规卷曲。一个蛋白质分子可含有多种二级结构或多个同种二级结构，而且在蛋白质分子内空间上相邻的2个以上二级结构可协同完成特定的功能。

图1－9 α－螺旋

（二）α－螺旋

α－螺旋（α－helix）为蛋白质二级结构的形式之一。在α－螺旋结构（图1－9）中，多肽链的主链围绕中心轴做有规律的螺旋式上升，螺旋的走向为顺时针方向。所谓右手螺旋，其ψ为－47°，φ为－57°。氨基酸侧链伸向螺旋外侧。每3．6个氨基酸残基螺旋上升一圈（即旋转360°），螺距为0．54nm。α－螺旋的每个肽键的N—H的氢和第4个肽键C=O的氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中全部肽键中的羰基氧和氨基氢都可参与形成氢键，以稳固α－螺旋结构。

一般而言，20种氨基酸均可参与组成α－螺旋结构，但是Ala、Glu、Leu和Met比Gly、Pro、Ser及Tyr更常见。在蛋白质表面存在的α－螺旋，常具有两性特点，即由3～4个疏水氨基酸残基组成的肽段与由3～4个亲水氨基酸残基组成的肽段交替出现，致使α－螺旋的一侧为疏水性氨基酸，另一侧为亲水性氨基酸，能在极性或非极性环境中存在。这种两性α－螺旋可见于血浆脂蛋白、多肽激素和钙调蛋白调节蛋白激酶等。肌红蛋白和血红蛋白分子中有许多肽段呈α－螺旋结构。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及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。数条α－螺旋状的多肽链可缠绕起来，形成缆索，从而增强机械强度，并具有可伸缩性。

（三）β－折叠

β－折叠（β－pleated sheet）形似折纸状。在β－折叠结构（图1－10）中，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，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。所形成的锯齿状结构一般比较短，只含5～8个氨基酸残基。一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，分子内相距较远的两个肽段可通过折叠而形成相同走向，也可通过回折而形成相反走向。走向相反时，两个反平行肽段的间距为0．70nm（图1－10a），并通过肽链间的肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键而稳固β－折叠结构。蚕丝蛋白几乎都是β－折叠结构，许多蛋白质既有α－螺旋又有β－折叠结构。

图1－10 β－折叠

（四）β－转角和无规卷曲

除α－螺旋和β－折叠外，蛋白质二级结构还包括β－转角（β－turn）和无规卷曲（random coil）。β－转角（图1－11）常发生于肽链进行180°回折时的转角上。β－转角通常由4个氨基酸残基组成，其第1个残基的羰基氧与第4个残基的氨基氢可形成氢键。β－转角的结构较特殊，第2个残基常为脯氨酸，其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。β－转角中间的肽单元又有顺式与反式之分。无规卷曲是没有确定规律性的肽链结构。

图1－11 β－转角

（五）超二级结构

在许多蛋白质分子中，可由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成有规则的二级结构组合，称为超二级结构（super－secondary structure）。此概念由M．G． Rossman于1973年提出。常见的二级结构组合形式主要有3种：αα、βαβ、ββ（图1－12a、b、c）。研究α－螺旋之间、β－折叠之间以及α－螺旋与β－折叠之间相互作用的规律，发现主要由非极性氨基酸残基参与此类相互作用。

模体（motif）是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分，其中一类就是具有特殊功能的超二级结构。一个模体总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。常见的模体可有以下几种形式：α－螺旋－β－转角（或环）－α－螺旋模体（见于多种DNA结合蛋白质）；链－β－转角－链模体（见于反平行β－折叠的蛋白质）；链－β－转角－α－螺旋－β－转角－链模体（见于多种α－螺旋/β－折叠蛋白质）。在这些模体中，β－转角常为含3～4个氨基酸残基的片段；而环（loop）为较大的片段，常连接非规则的二级结构。

在许多钙结合蛋白分子中通常有一个结合钙离子的模体，它由α－螺旋－环－α－螺旋3个肽段组成（图1－12d），在环中有几个恒定的亲水侧链，侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子。锌指（zinc finger）结构也是一种常见的模体，由1个α－螺旋和2个反平行的β－折叠3个肽段组成（图1－12e），形似手指，具有结合锌离子功能。此模体的N－端有1对半胱氨酸残基，C－端有1对组氨酸残基，此4个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2＋。由于Zn2＋可稳固模体中α－螺旋结构，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都能与DNA或RNA结合。可见模体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础。

图1－12 蛋白质超二级结构与模体

（a）、（b）、（c）分别是αα、βαβ、ββ超二级结构；（d）为钙结合蛋白中结合钙离子的模体；（e）为锌指结构

（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成

蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链的氨基酸残基的侧链适合形成α－螺旋或β－折叠，就会出现相应的二级结构。例如一段肽链有多个谷氨酸或天冬氨酸残基相邻，则在pH 7．0时这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥，妨碍α－螺旋的形成。同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍α－螺旋的形成。此外天冬酰胺、亮氨酸的侧链较大，也会影响α－螺旋形成。脯氨酸的N原子在刚性的五元环中，其形成的肽键N原子上没有H，所以不能形成氢键，结果肽链走向转折，不形成α－螺旋。形成β－折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，才能容许两条肽段彼此靠近。