生物化學與分子生物學:第三節(jié)　蛋白質的結構及其功能

蛋白質為生物高分子物質之一，具有三維空間結構，因而執(zhí)行復雜的生物學功能。蛋白質結構與功能之間的關系非常密切。在研究中，一般將蛋白質分子的結構分為一級結構與空間結構兩類。

一、蛋白質的一級結構

蛋白質的一級結構(primarystructure)就是蛋白質多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序(sequence)，也是蛋白質最基本的結構。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈，故肽鍵是蛋白質結構中的主鍵。

迄今已有約一千種左右蛋白質的一級結構被研究確定，如胰島素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。

蛋白質的一級結構決定了蛋白質的二級、三級等高級結構，成百億的天然蛋白質各有其特殊的生物學活性，決定每一種蛋白質的生物學活性的結構特點，首先在于其肽鏈的氨基酸序列，由于組成蛋白質的20種氨基酸各具特殊的側鏈，側鏈基團的理化性質和空間排布各不相同，當它們按照不同的序列關系組合時，就可形成多種多樣的空間結構和不同生物學活性的蛋白質分子。

圖1-1 胰島素的一級結構

二、蛋白質的空間結構

蛋白質分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構成特有的比較穩(wěn)定的空間結構。蛋白質的生物學活性和理化性質主要決定于空間結構的完整，因此僅僅測定蛋白質分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質分子的生物學活性和理化性質。例如球狀蛋白質(多見于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等)和纖維狀蛋白質(角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，顯而易見，此種性質不能僅用蛋白質的一級結構的氨基酸排列順序來解釋。

蛋白質的空間結構就是指蛋白質的二級、三級和四級結構。

(一)蛋白質的二級結構

蛋白質的二級結構(secondarystructure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構象，不涉及側鏈部分的構象。

1.肽鍵平面(或稱酰胺平面，amide plane)。

Pauling等人對一些簡單的肽及氨基酸的酰胺等進行了X線衍射分析，得出圖1-2所示結構，從一個肽鍵的周圍來看，得知：

圖1-2 肽鍵平面示意圖

(1)

中的C-N鍵長0.132nm，比相鄰的N-C單鍵(0.147nm)短，而較一般C=N雙鍵(0.128nm)長，可見，肽鍵中-C-N-鍵的性質介于單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，因而不能旋轉，這就將固定在一個平面之內。

(2)

　肽鍵的C及N周圍三個鍵角之和均為360°，說明都處于一個平面上，也就是說

六個原子基本上同處于一個平面，這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠旋轉的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉決定兩個肽鍵平面的位置關系，于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。

(3)　肽鍵中的C-N既具有雙鍵性質，就會有順反不同的立體異構，已證實

處于反位(見圖1－3)。

圖1-3 反式肽單元和順式肽單元

2.蛋白質主鏈構象的結構單元

1)α－螺旋Pauling等人對α－角蛋白(α－keratin)進行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復單位，故推測蛋白質分子中有重復性結構，并認為這種重復性結構為α－螺旋(α－h(huán)elix)見圖1-4。

圖1-4 蛋白質分子的α－螺旋

α－螺旋的結構特點如下：

(1)多個肽鍵平面通過α－碳原子旋轉，相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。

(2)主鏈呈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm，這與X線衍射圖符合。

(3)相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和H桸形成許多鏈內氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α－螺旋的主要鍵。

(4)肽鏈中氨基酸側鏈R，分布在螺旋外側，其形狀、大小及電荷影響α－螺旋的形成。酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于α－螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙α－螺旋形成；脯氨酸因其α－碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α－螺旋；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會影響該處螺旋的穩(wěn)定。

2)β－片層結構Astbury等人曾對β－角蛋白進行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復單位。如將毛發(fā)α－角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α－螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結構和α－螺旋拉長伸展后結構相同。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結構稱為β－片層(β－pleatedsheet)結構或稱β－折迭(圖1－5)。

圖1-5 蛋白質分子中的β－片層結構

左：順向平行　右：逆向平行

β－片層結構特點是：

①是肽鏈相當伸展的結構，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110°角。氨基酸殘基的R側鏈伸出在鋸齒的上方或下方。

②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩段肽鏈間的C＝O與H梄形成氫鍵，使構象穩(wěn)定。

③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。β－片層結構的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。

④平行的β－片層結構中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結構，則間距為0.7nm。

3)β－轉角

蛋白質分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構象就是β－轉角(β－turn或β－bend)。β－轉角中，第一個氨基酸殘基的C＝O與第四個殘基的N桯形成氫鍵，從而使結構穩(wěn)定(圖1－6)。

圖1-6　蛋白質分子中的β－轉角

4)無規(guī)卷曲

沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲(random coil)。

圖1-7 蛋白質的超二級結構示意

a.αα組合　b.βββ組合　c.βαβ組合

(二)超二級結構和結構域

超二級結構(supersecondarystructure)是指在多肽鏈內順序上相互鄰近的二級結構常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結構聚集體。目前發(fā)現(xiàn)的超二級結構有三種基本形式：α螺旋組合(αα)；β折疊組合(βββ)和α螺旋β折疊組合(βαβ)(圖1－7)，其中以βαβ組合最為常見。它們可直接作為三級結構的“建筑塊”或結構域的組成單位，是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次，故稱超二級結構。

結構域(domain)也是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次。在較大的蛋白質分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結構緊密聯(lián)系，形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別它與蛋白質亞基結構的區(qū)別。一般每個結構域約由100-200個氨基酸殘基組成，各有獨特的空間構象，并承擔不同的生物學功能。如免疫球蛋白(IgG)由12個結構域組成，其中兩個輕鏈上各有2個，兩個重鏈上各有4個；補體結合部位與抗原結合部位處于不同的結構域。一個蛋白質分子中的幾個結構域有的相同，有的不同；而不同蛋白質分子之間肽鏈中的各結構域也可以相同。如乳酸脫氫酶、3－磷酸甘油醛脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等均屬以NAD+為輔酶的脫氫酶類，它們各自由2個不同的結構域組成，但它們與NAD+結合的結構域構象則基本相同。

圖1-8　蛋白質三級結構中某些次級鍵

(三)蛋白質的三級結構

蛋白質的多肽鏈在各種二級結構的基礎上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規(guī)律的三維空間結構，稱為蛋白質的三級結構(tertiary structure)。蛋白質三級結構的穩(wěn)定主要靠次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力(Van der Wasls力)等(圖1-8)。這些次級鍵可存在于一級結構序號相隔很遠的氨基酸殘基的R基團之間，因此蛋白質的三級結構主要指氨基酸殘基的側鏈間的結合。次級鍵都是非共價鍵，易受環(huán)境中pH、溫度、離子強度等的影響，有變動的可能性。二硫鍵不屬于次級鍵，但在某些肽鏈中能使遠隔的二個肽段聯(lián)系在一起，這對于蛋白質三級結構的穩(wěn)定上起著重要作用。

現(xiàn)也有認為蛋白質的三級結構是指蛋白質分子主鏈折疊盤曲形成構象的基礎上，分子中的各個側鏈所形成一定的構象。側鏈構象主要是形成微區(qū)(或稱結構域domain)。對球狀蛋白質來說，形成疏水區(qū)和親水區(qū)。親水區(qū)多在蛋白質分子表面，由很多親水側鏈組成。疏水區(qū)多在分子內部，由疏水側鏈集中構成，疏水區(qū)常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些輔基就鑲嵌其中，成為活性部位。

具備三級結構的蛋白質從其外形上看，有的細長(長軸比短軸大10倍以上)，屬于纖維狀蛋白質(fibrous protein)，如絲心蛋白；有的長短軸相差不多基本上呈球形，屬于球狀蛋白質(globular protein)，如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白，球狀蛋白的疏水基多聚集在分子的內部，而親水基則多分布在分子表面，因而球狀蛋白質是親水的，更重要的是，多肽鏈經(jīng)過如此盤曲后，可形成某些發(fā)揮生物學功能的特定區(qū)域，例如酶的活性中心等。

(四)蛋白質的四級結構

具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構(quarternary structure)。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。四級結構實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結合比二、三級結構疏松，因此在一定的條件下，四級結構的蛋白質可分離為其組成的亞基，而亞基本身構象仍可不變。

一種蛋白質中，亞基結構可以相同，也可不同。如煙草斑紋病毒的外殼蛋白是由2200個相同的亞基形成的多聚體；正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體；天冬氨酸氨甲�；�轉移酶由六個調節(jié)亞基與六個催化亞基組成。有人將具有全套不同亞基的最小單位稱為原聚體(protomer)，如一個催化亞基與一個調節(jié)亞基結合成天冬氨酸氨甲�；�轉移酶的原聚體。

某些蛋白質分子可進一步聚合成聚合體(polymer)。聚合體中的重復單位稱為單體(monomer)，聚合體可按其中所含單體的數(shù)量不同而分為二聚體、三聚體……寡聚體(oligomer)和多聚體(polymer)而存在，如胰島素(insulin)在體內可形成二聚體及六聚體。

圖1－9　肌紅蛋白的三級結構和丙糖磷酸異構酶的三級結構圖

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圖1-10　面紅蛋白亞基結合模式圖

三、蛋白質的結構與功能的關系

(一)蛋白質的一級結構與其構象及功能的關系

蛋白質一級結構是空間結構的基礎，特定的空間構象主要是由蛋白質分子中肽鏈和側鏈R基團形成的次級鍵來維持，在生物體內，蛋白質的多肽鏈一旦被合成后，即可根據(jù)一級結構的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構象。

Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質核糖核酸酶為對象，研究二硫鍵的還原和氧化問題，發(fā)現(xiàn)該酶的124個氨基酸殘基構成的多肽鏈中存在四對二硫鍵，在大量β－巰基乙醇和適量尿素作用下，四對二硫鍵全部被還原為桽H，酶活力也全部喪失，但是如將尿素和β－巰基乙醇除去，并在有氧條件下使巰基緩慢氧化成二硫鍵，此時酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基礎上認為蛋白質的一級結構決定了它的二級、三級結構，即由一級結構可以自動地發(fā)展到二、三級結構(圖1-10)。

一級結構相似的蛋白質，其基本構象及功能也相似，例如，不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質，其一級結構只有極少的差別，而且在系統(tǒng)發(fā)生上進化位置相距愈近的差異愈小(表1-2，表1－3)。

表1-2　胰島素分子中氨基酸殘基的差異部分

表1-3　細胞色素C分子中氨基酸殘基的差異數(shù)目及分歧時間

圖1-11　核糖核酸酶的變性和復性示意圖

(A)天然核糖核酸酶(B)變性失活(C)“錯亂”核糖核酸酶

促腎上腺皮質激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均為垂體分泌的多肽激素。α－MSH和ACTh 4～10位的氨基酸結構與β－MSH的11～17位一樣，故ACTH有較弱的MSH的生理作用(圖1-12)。

在蛋白質的一級結構中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構象關鍵部位的殘基，即使在整個分子中發(fā)生一個殘基的異常，那么該蛋白質的功能也會受到明顯的影響。被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細胞性貧血僅僅是574個氨基酸殘基中，一個氨基酸殘基即β亞基N端的第6號氨基酸殘基發(fā)生了變異所造成的，這種變異來源于基因上遺傳信息的突變(如圖1-13)。

圖1-12　ACTH、α-MSH和β-MSH一級結構比較

圖1-13　鐮刀狀紅細胞性貧血血紅蛋白遺傳信息的異常

(二)蛋白質空間橡象與功能活性的關系

蛋白質多種多樣的功能與各種蛋白質特定的空間構象密切相關，蛋白質的空間構象是其功能活性的基礎，構象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質變性時，由于其空間構象被破壞，故引起功能活性喪失，變性蛋白質在復性后，構象復原，活性即能恢復。

在生物體內，當某種物質特異地與蛋白質分子的某個部位結合，觸發(fā)該蛋白質的構象發(fā)生一定變化，從而導致其功能活性的變化，這種現(xiàn)象稱為蛋白質的別構效應(allostery)。

蛋白質(或酶)的別構效應，在生物體內普遍存在，這對物質代謝的調節(jié)和某些生理功能的變化都是十分重要的。

現(xiàn)以血紅蛋白(hemoglobin,簡寫Hb)為例來說明構象與功能的關系。

血紅蛋白是紅細胞中所含有的一種結合蛋白質，它的蛋白質部分稱為珠蛋白(globin)，非蛋白質部分(輔基)稱為血紅素(見圖1-14)。Hb分子由四個亞基構成，每一亞基結合一分子血紅素。正常成人Hb分子的四個亞基為兩條α鏈，兩條β鏈。α鏈由141個氨基酸殘基組成，β鏈由146個氨基酸殘基組成，它們的一級結構均已確定。每一亞基都具有獨立的三級結構，各肽鏈折疊盤曲成一定構象，β亞基中有8個α－螺旋區(qū)(分別稱A、B……H螺旋區(qū))，α亞基中有7個α－螺旋區(qū)。在此基礎上肽鏈進一步折疊形成球狀，依賴側鏈間形成的各種次級鍵維持穩(wěn)定，使之球形表面為親水區(qū)，球形向內，在E和F螺旋段間的20多個巰水氨基酸側鏈構成口袋形的疏水區(qū)，輔基血紅素www.med126.com就嵌接在其中，α亞基和β亞基構象相似，最后，四個亞基α2β2聚合成具有四級結構的Hb分子(見圖1-15)。在此分子中，四個亞基沿中央軸排布四方，兩α亞基沿不同方向嵌入兩個β亞基間，各亞基間依多種次級健聯(lián)系，使整個分子呈球形，這些次級鍵對于維系Hb分子空間構象有重要作用，例如在四亞基間的8對鹽鍵(圖1-16)，它們的形成和斷裂將使整個分子的空間構象發(fā)生變化。

圖1-14 血紅素的結構式

圖1-15　血紅蛋白β亞基的構象

ABCDEFGH分別代表不同的α－螺旋區(qū)。共有八個螺旋區(qū)；阿拉伯數(shù)字代表在該區(qū)氨基酸殘基的序號；a-螺旋區(qū)之間的移行部位為無規(guī)卷曲，用AB，CD，EF，F(xiàn)G…等表示。C1，E7，C5，CF，C3，E3，的中間為血紅素，其中較大的黑點代表Fe2+。

圖1-16 血紅蛋白亞基間鹽鍵示意圖

圖1-7　鐵原子在氧合時落入血紅素平面

圖1-18

圖1-19　Hb的氧飽和曲線

Hb在體內的主要功能為運輸氧氣，而Hb的別位效應，極有利于它在肺部與O2結合及在周圍組織釋放O2。

Hb是通過其輔基血紅素的Fe++與氧發(fā)生可逆結合的，血紅素的鐵原子共有6個配位鍵，其中4個與血紅素的吡咯環(huán)的N結合，一個與珠蛋白亞基F螺旋區(qū)的第8位組氨酸(F8)殘基的咪唑基的N相連接，空著的一個配位鍵可與O2可逆地結合，結合物稱氧合血紅蛋白。

在血紅素中，四個吡咯環(huán)形成一個平面，在未與氧結合時Fe++的位置高于平面0.7Å，一旦O2進入某一個α亞基的疏水“口袋”時，與Fe++的結合會使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向該平面內移動約0.75Å(圖1-17)，鐵的位置的這一微小移動，牽動F8組氨酸殘基連同F(xiàn)螺旋段的位移，再波及附近肽段構象，造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂，使亞基間結合變松，并促進第二亞基的變構并氧合，后者又促進第三亞基的氧合(圖1-18)使Hb分子中第四亞基的氧合速度為第一亞基開始氧合時速度的數(shù)百倍。此種一個亞基的別構作用，促進另一亞基變構的現(xiàn)象，稱為亞基間的協(xié)同效應(cooperativity)，所以在不同氧分壓下，Hb氧飽和曲線呈“S”型(圖1-19)。