蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序，是蛋白质的基本结构。一级结构不包括肽链的空间结构，也不包括蛋白质分子中的二硫键。所以蛋白质的一级结构不等于其分子的共价键结构。一级结构的表述方法一般是从左到右，即从N末端到C末端，顺序用氨基酸的符号表示。蛋白质分子的氨基酸顺序是由细胞中遗传基因所决定。1955年Sanger首先测定了牛胰岛素的一级结构(图1)。此后由于分析技术有显著进展，许多蛋白质或多肽的一级结构已被阐明，如细胞色素C、免疫球蛋白、血红蛋白、肌红蛋白及牛胰核糖核酸酶等。

图1 牛胰岛素的一级结构

从一级结构的定义可以知道，它的测定就是氨基酸排列顺序的测定。但是，二硫键的定位经常也是蛋白质一级结构测定工作的重要内容。蛋白质氨基酸顺序的测定要求有均一的、已知分子量的蛋白质样品，虽然每种蛋白质一级结构的测定各有其特殊的问题，但是一般测定方法的要点包括如下：
❶测定N末端基的数目，由此确定蛋白质分子是由几条肽链构成的；
❷将蛋白质分子中的几条肽链拆开，并分离出每条肽链；
❸肽链的一部分样品进行完全水解，测定其氨基酸组成； 由此确定各种氨基酸成分的百分比；
❹肽链的另一部分样品进行N末端和C末端的鉴定；
❺肽链用酶或化学方法水解，使其专一性降解成一套大小不等的肽段，并将各个肽段分离出来；
❻测定每个肽段的氨基酸顺序；
❼从步骤
❷中所得的肽链样品再用另一种酶或化学试剂进行部分水解，使多肽链降解成另一套肽段，亦即这次水解的断裂点与步骤
❺中的不同，将得到的肽段分离，测定每个肽段的氨基酸顺序；
❽比较两套肽段的氨基酸的重叠部分，推测出整个肽链的氨基酸顺序；
❾测定原来的多肽链中二硫键和酰胺基的位置。综上可见，一级结构的测定技术十分复杂。氨基酸顺序分析仪的使用大大加快了蛋白质一级结构分析工作的进程。近年来正在探索应用质谱法，核磁共振法及X射线衍射分析法等技术来测定蛋白质的一级结构。
蛋白质的一级结构与蛋白质的功能密切相关。例如，不同种属的同源蛋白质多肽链中的某些部分往往具有相同的氨基酸顺序。以胰岛素为例，尽管各种不同动物胰岛素中的氨基酸组成有所不同，但不论何种动物的胰岛素，其中有20个氨基酸残基是基本不变的。这些不变的氨基酸残基可能是保持胰岛素活力——组成“活性中心”或维持其活性结构所必需的。另一方面，不同种属生物来源的同源蛋白质的一级结构的差异程度与这些种属在系统发生上的位置有密切关系。例如，在不同种属来源的细胞色素C中，可以替换的氨基酸残基数目反映了其在长期种属进化过程中的变异程度。一般，在进化位置上相距愈远，则蛋白质分子中氨基酸顺序之间的差异愈大。这种一级结构的比较研究，称为分子进化。此外，某些蛋白质，一级结构的异常可导致生物个体的疾病，镰刀状红细胞贫血就是典型的一例。这是一种先天遗传性的分子病，病因仅是正常血红蛋白分子中的一个氨基酸残基被置换。

图2 镰刀状红细胞血红蛋白β链一级结构异常

蛋白质除了一级结构外，还有空间结构。每种天然蛋白质的多肽链在空间所取的特定构象总是它在生物体的条件下热力学上最稳定的结构。一般认为，蛋白质的这种空间结构主要是由其一级结构所决定的，即有什么样的一级结构，就有与其相应的空间结构。由此，控制蛋白质合成的基因只须贮存于氨基酸排列顺序的信息就够了，在它生物合成过程中，不需要空间结构的控制因子。当然，空间结构的形成使蛋白质分子在性质上产生一种飞跃： 由于特定空间结构的产生，出现了蛋白质特有的生物学活性。

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蛋白质的一级结构

蛋白质肽链的化学结构主要是氨基酸沿着肽链的排列次序，这一排列次序就是蛋白质的一级结构。
一级结构的表达方法一般都是从左到右，表示从N端到C端，顺序用氨基酸的符号表达。早年用三字符号，近年来有不少人用单字符号，但是后者太精炼，读起来不如前者省力。每个符号间有时用一点或一短横隔开，有时不用这些符号。对于肽或蛋白质的合成工作讲，N端用H,C端用OH标明，以示没有其他保护基保护相应的氨基或羧基。下面就是胰岛素A链（猪）的一级结构的两种表达方法：

F.Sanger测出了胰岛素的一级结构后，Moore与Stein又加以改进。他们建立的测定一级结构的策略一直沿用至今。现在已有测定一级结构的自动化仪器。
1965年我国科学家用化学合成方法，将Sanger测出的结构合成了与天然胰岛素性质相同的胰岛素。这一结果证实，人们对蛋白质化学结构的认识是正确的。