蛋白质的分子结构

二、蛋白质的分子结构

蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。人体内具有生理功能的蛋白质都是有序结构，每种蛋白质都有其一定的氨基酸百分组成及氨基酸排列顺序，以及肽链空间的特定排布位置。因此由氨基酸排列顺序及肽链的空间排布等所构成的蛋白质分子结构，才真正体现蛋白质的特性，是每种蛋白质具有独特生理功能的结构基础。由于组成人体蛋白质的氨基酸有20种，且蛋白质的分子量均较大，因此蛋白质的氨基酸排列顺序和空间位置几乎是无穷尽的，足以为人体成千上万种蛋白质提供各异的序列和特定的空间排布，完成生命所赋予的数以千万计的生理功能。蛋白质分子结构分成一级、二级、三级、四级结构4个层次，后三者统称为高级结构或空间构象（confonnation）。蛋白质的空间构象涵盖了蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置，它们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

所谓蛋白质的一级结构（primary structure）就是指不同种类及不同数量的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接而成的多肽链。这种排列顺序是由基因上遗传信息所决定的。一级结构是蛋白质分子的基本结构。一级结构的基本结构键为肽键，在某些蛋白质分子的一级结构中尚含有二硫键，是由两个半胱氨酸残基的巯基（—SH）脱氢氧化生成的。

图5-2为牛胰岛素的一级结构。胰岛素有A和B二条链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个。牛胰岛素分子中有3个二硫键，1个位于A链内，由A链的第6及11位半胱氨酸的巯基脱氢而形成，另两个二硫键位于A、B两条链间。

蛋白质的一级结构是决定其空间结构的基础，而空间结构则是其实现生物学功能的基础。尽管各种蛋白质的基本结构都是多肽链，但所含氨基酸总数、各种氨基酸所占比例、氨基酸在肽链中的排列顺序不同，这就形成了结构多种多样、功能各异的蛋白质。因此，蛋白质一级结构的研究，是在分子水平上阐述蛋白质结构与其功能关系的基础。

蛋白质一级结构的改变有可能影响它的功能，有些改变甚至引起其功能的完全丧失。而一级结构的改变能否影响其生物功能，关键是看这种改变是否引起了构象的改变。如把胰岛素的B链中28～30位的脯—赖—丙去掉，对胰岛素的活性影响不大，说明这3个氨基酸残基与胰岛素的功能关系不大。而在A链上去掉1位上的甘氨酸残基，则其生物活性降低90%以上。

（二）蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构主要指二级结构、三级结构和四级结构。蛋白质是生物大分子，其功能结构不可能都是一条链状，这就需要在一级结构的基础上经过多次的盘绕折叠，成为一个最终具有功能的结构。一级结构的基本结构键为肽键，也称为蛋白质结构的主键，另有少量的二硫键。维持空间结构的作用力，主要有氢键、疏水相互作用、盐键、配位键和范德华力等，这些键被称为次级键（或者副键）。

1.蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中的若干个肽单位盘绕、折叠，并以氢键为主要次级键形成有规则的构象，如α-螺旋、β-片层（图5-3、图5-4）。某些蛋白质中还存在U形转折结构，称为β-折角。还有的存在无规则卷曲结构。蛋白质的二级结构是以α-螺旋、β-片层为主要构象，一条多肽链可以含有几种不同的二级结构。

2.蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构就是指在二级结构的基础上多肽链进一步折叠盘旋成更加复杂而有规律的紧密构象。如图5-5所示。(https://www.daowen.com)

A～H代表α-螺旋区

维持三级结构的主要作用力是多肽链中各氨基酸残基侧链上的功能基团相互作用生成的各种次级键，如盐键、氢键等，其中疏水的侧链基团居于分子内部形成的疏水键是主要作用力。

对于只有一条多肽链组成的蛋白质而言，三级结构是其最终结构，也就是具备生物学功能的结构。若蛋白质的三级结构遭到严重破坏，就会导致其生物学功能的丧失。由两条及两条以上多肽链组成的蛋白质，还具有四级结构。

3.蛋白质的四级结构

当蛋白质是由多条多肽链组成时，每一条多肽链都分别形成一个三级结构，这些三级结构之间再通过次级键的连接形成四级结构，如图5-6所示。其中的每一个三级结构称为亚基或亚单位。在四级结构中的每一个亚基都具有相应的作用，共同承担该蛋白质的功能，若次级键被破坏导致亚基之间分离，则该蛋白质的生物学功能丧失。

蛋白质一级结构、二级结构、三级结构、四级结构之间的关系如图5-7所示。

4.蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的空间结构与其功能具有极其密切的关系。当蛋白质的空间结构发生改变时，蛋白质的生物功能也会发生改变。

（1）蛋白质的变性一些物理因素（如加热、加压、射线等）和化学因素（如强酸、强碱、有机溶剂等）会破坏蛋白质的空间结构，导致蛋白质的生物活性丧失，同时引起某些物理性质和化学性质的变化，如溶解度降低、发生沉淀等，这类现象叫蛋白质的变性。变性蛋白质和天然蛋白质在一级结构上相同，只是空间结构发生改变，生物活性随之丧失。蛋白质的热变性是指在较高的温度下，蛋白质空间结构的次级键断裂，改变蛋白质构象，原来在分子内部的一些非极性疏水侧链暴露到分子表面，从而降低蛋白质分子的溶解度，促进蛋白质分子间相互结合而凝聚，继而形成不可逆的凝胶而凝固沉淀。在有些情况下，变性作用是可逆的，只要除去变性因素，蛋白质的空间结构还可逐渐恢复，重新恢复其生物活性。变性蛋白质分子恢复其天然构象，称为复性。如胰蛋白酶在酸性溶液中经70～100℃短时间热变性后，如果适当冷却，仍可恢复其活性。

（2）蛋白质的变构效应多亚基蛋白质（四级结构）中的一个亚基空间结构的改变会引起其他亚基空间结构的改变，从而使蛋白质功能和性质发生一定的改变，这种现象叫蛋白质的变构效应（allosteric effect）。变构效应除了对血红蛋白运氧功能具有重要的调节作用外，也是体内普遍存在的对于已合成蛋白质生物活性进行细微调控的重要方式之一。