蛋白质的二级结构和三级结构

50年代初期研究蛋白质的构象集中于纤维状蛋白质，发现了α螺旋和β结构。在纤维状蛋白质分子中，α螺旋的圈数很多，许多α螺旋连成的很长的螺旋串不是直的，或者说，这些螺旋的螺旋轴不是直线，而是沿着螺距很长的螺旋盘旋前进的，因此形成所谓的螺旋的螺旋。在这些结果的基础上，Linderstrom-Lang建议将蛋白质的α螺旋称为二级结构，将螺旋的螺旋称为三级结构。这样将结构分成不同的层次，对于了解纤维状蛋白质的结构是有益的，概念相当清晰。但是自从球状蛋白质的晶体结构和溶液中的构象研究发展以后，二级结构的含义尚可引伸而照旧使用，三级结构一词就难于理解其准确的含义了。可这些词汇在有关论文中还依旧在使用。因此，1969年，国际理论与应用化学联合会(IUPAC)试着将这些词汇作出规定如下：
二级结构： 主链原子的局部空间排列，不包括与其他链段的相互关系及侧链构象的内容。
三级结构： 蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但不包括亚基间或分子间的空间排列关系。
在使用二级结构和三级结构两个词的同时，还有构型和构象两个词。
这两个词的含义是不同的。对分子的立体结构而言，构型只是指光学不对称这样一种特定的立体结构。蛋白质在溶液中的构象问题是从研究构型问题开始的。在50年代初期，Doty与杨人济考虑到蛋白质的立体结构单元α螺旋是立体不对称的，因此尝试用研究光学活性的方法——旋光测定法来研究蛋白质的结构，结果发现，肽链的状态与肽链的光学活性有很大关系，变性导致旋光负值的增大。大约同时，国内曹天钦与谭佩幸也发现了相同的现象。这一现象经过详细研究，得出了许多关于蛋白质空间结构的结果。由于旋光性质在以前是研究有机化合物的构型的重要工具，因此当时将蛋白质的立体结构称为构型。60年代初，Edsall等感到构型一词不能确切地反映希望表达的内容，蛋白质的立体结构问题与小分子光学活性的结构原则是不同的，因此建议改用构象一词。经过几年的讨论，到1969年，IUPAC开会决定，改用构象一词，并作出了一系列有关的规定。关于该两词的定义如下。
构型要有共价键的变化，才能出现立体结构变化的一种立体结构。如氨基酸从D变到L，就是如此。
构象不需要共价键变化，就能使立体结构改变的一类立体结构问题。
从二级结构和三级结构的含义看，它们实际上都是蛋白质分子构象的内容。因此可以将它们统称为构象。

图1 全伸展的肽链中主链上的各种键长及键角的数值

在肽链中，残基间以肽键相联结。主链有关的键长与键角见图1。肽键从化学上看，是酰胺键。图1中的HN—CO间肽键的键长是1.32。但一般有机胺的C—N键长是1.49，异氰根(C=N)的键长是1.27。肽键键长在两者之间，因此肽键带有双键的性质，近似于π键，C—N间不能自由旋转，

这一结构因而成平面结构，称酰胺平面。从晶体结构分析说明，只有少数情况中酰胺平面受到扭折，绝大多数都是平面结构。蛋白质中的酰胺平面都是反式的，如图2。在个别蛋白质中有顺式结构存在。

图2 肽键的顺式（上）和反式结构（下）黑色键为主键上的键

图3 两个相邻的酰胺平面围绕着Cα的旋转情况
ψ和Φ是两个酰胺平面与C-Cα-N标准平面相交之夹角。ψ和Φ各绕Cα-C及Cα-N单链旋转。
一个完全伸展的肽链其ψ=Φ=180°

酰胺平面两侧的Cα—N与C—Cα键是σ键，都是可以自由旋转的。这样，抓住两个相邻的酰胺平面，以共用的Cα为定点旋转，如图3所示。如不考虑侧链的影响，两个酰胺平面相互间可以有无数个位置。假如一条肽链上所有的酰胺平面都作这种旋转，肽链就会像一条柔软的链条，构成各种不同的立体结构。在这各种结构中，侧链之间可以是直接接触，也可以是相距甚远。因此酰胺平面间的相对旋转，造成了主链可以以非常多样的构象出现。酰胺平面相互旋转，使主链出现各种构象。主链构象不同，侧链R就出现在不同的空间位置上。侧链有大有小，相互间或者吸引，或者排斥，是有相互作用的。一个蛋白质因侧链的这种作用力，使得主链与侧链相互影响，相互制约，达到一最稳定的状态。为了适应侧链构象的要求，有时要破坏主链构象的安排，但侧链构象的形成又巩固了主链的构象。两者矛盾地统一，形成整个蛋白质分子的特定构象。