《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 (一)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhì)介于單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，因而不能旋轉(zhuǎn)，這就將固定在一個平面之內(nèi)。

(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(zhuǎn)的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個肽鍵平面的位置關(guān)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(zhì)，就會有順反不同的立體異構(gòu)，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(zhì)主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)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(fù)單位，故推測蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu)，并認為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α－螺旋(α－h(huán)elix)見圖1-4。

圖1-4 蛋白質(zhì)分子的α－螺旋

α－螺旋的結(jié)構(gòu)特點如下：

(1)多個肽鍵平面通過α－碳原子旋轉(zhuǎn)，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(nèi)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(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，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(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)和α－螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)稱為β－片層(β－pleatedsheet)結(jié)構(gòu)或稱β－折迭(圖1－5)。

圖1-5 蛋白質(zhì)分子中的β－片層結(jié)構(gòu)

左：順向平行　右：逆向平行

β－片層結(jié)構(gòu)特點是：

①是肽鏈相當伸展的結(jié)構(gòu)，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(cè)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(nèi)的兩段肽鏈間的C＝O與H梄形成氫鍵，使構(gòu)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(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。

④平行的β－片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。

3)β－轉(zhuǎn)角

蛋白質(zhì)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(gòu)象就是β－轉(zhuǎn)角(β－turn或β－bend)。β－轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定(圖1－6)。

圖1-6　蛋白質(zhì)分子中的β－轉(zhuǎn)角

4)無規(guī)卷曲

沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)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(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)示意

a.αα組合　b.βββ組合　c.βαβ組合