蛋白质的四级结构

许多蛋白质如胰岛素、胰凝乳蛋白酶、血纤蛋白原、免疫球蛋白等包含了两条以上的长肽链，它们的肽链之间以硫-硫键相互联结成一个完整的分子。但是也有一些蛋白质，如血红蛋白、促甲状腺素、天冬氨酸转羧酶等，在一个功能完整的分子中包含了几条肽链，这些肽链之间没有共价键联结，相互之间以次级键相联系，可以通过改变蛋白质的环境而使它们分开。这一类结构在蛋白质中相当普遍，有重要的生理意义。这种肽链单位称为亚基。亚基也可以是几条肽链用硫-硫键联成的一个单位。蛋白质是大分子，亚基与亚基组成一个分子时相互之间有特定的空间结构关系。蛋白质的亚基结构是很特别的一个结构层次，因此规定：四级结构包括亚基的立体排布，亚基间相互作用与接触部位的布局，但不包括亚基内部的空间结构。
亚基结构 研究得最透彻的具有亚基结构的分子是血红蛋白 (Hb)。哺乳动物主要的血红蛋白分子由两种亚基(α及β)各两个组成，可以表达成下列方式：

四个亚基分别位于一个四面体的四个角上，它们的四级结构已有详细的研究。
血红蛋白的功能是在肺部与空气中的氧分子结合，然后到组织内将结合的氧分子释放出来。肌红蛋白的分子只有一条肽链，功能是在机体内贮存氧。血红蛋白的两种亚基与肌红蛋白分子高度相似。它们的总残基数都在150个左右，一级结构也高度相似。二、三级结构更为相近，有8段α螺旋，各段螺旋间的空间配置也相似。它们都含有血红素，血红素在分子内的环境也很相似，氧是与血红素相结合的。肌红蛋白与氧结合的过程与血红蛋白的不同，前者的氧合曲线呈双曲线形，后者的氧合曲线呈S形(图1)。肌红蛋白的氧合曲线使它在氧分压从与大气相当变到与组织相当时，结合氧的能力变化不大，因此在组织中它能贮存较多的氧。血红蛋白在肺部 （即大气中）有较高的结合量，但到组织中，氧分压降低，氧结合能力降低，即将多余结合的氧释放到组织中，这样就能担负起输送氧的任务。

图1 血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线横坐标可以是任何一种表达氧张力的单位。

血红蛋白的这种氧合曲线是建立在它的四级结构的基础上的。四个亚基游离时的氧合曲线与肌红蛋白相似。但结合在一起时性质起了变化。在都没有结合氧的时候，四个亚基相互结合，绷成紧张态，使得不容易结合氧。四个亚基中第一个与氧分子结合时，要有比较高的氧分压。但结合了一分子的氧以后，这个亚基的二、三级结构有一些变化，于是整分子的四级结构受到影响，分子变得松弛一些，比较容易地结合了第二个氧分子。如此继续，直至四个亚基都结合了氧，血红蛋白分子转变成松弛状态。这种现象称为协作效应，是分子的一种调节手段。在不少蛋白质中都有这种调节功能。
有一些蛋白质分子，如胰岛素、胰凝乳蛋白酶等，它们能缔合成寡聚体，但这类过程的生理意义不明。
线性缔合 当每个亚基有两个结合点1与2，第一个亚基的1与第二个亚基的2结合。这时结合点1与2在亚基上的位置决定亚基缔合后所成分子的形状(图2)。假如缔合结果不能形成封闭的结构，就可能形成长链状分子。蛋白质分子缔合成长链状分子的过程即属线性缔合或称线性聚合。胰岛素、胰高血糖素在酸性条件下，可能形成线性缔合物。

图2 亚基缔合形成不同缔合物的示意图
a表示形成二体的情形，上图是1,2两种位置相互闭合。b是形成寡聚体的情形，c因按1,2两种位点缔合不能闭合，形成线性缔合物。

棒状病毒的外壳蛋白质由亚基缔合而成。亚基经常是分子量只有几千或几万的蛋白质。例如烟草花叶病毒(TMV)，它的一个病毒分子包含了2200个相同的蛋白质亚基(分子量17,500)。这些亚基螺旋状排列如图3。每16又1/3个亚基盘成一圈，盘成长棒状病毒。这也是一种线性缔合。病毒的中心有一个分子量是2×106的脱氧核糖核酸沿着中心部分盘绕。

图3 烟草花叶病毒的外壳蛋白由蛋白质亚基螺旋状线性缔合而成。中间是核酸。

烟草花叶病毒的结构可以在合适的条件下(如30%醋酸)解离，分散成游离的亚基。在合适的条件下又可以重新按螺旋状聚合成棒。在有TMV-核酸时，棒的长度与天然病毒完全相同。在没有核酸时，棒的长度失去控制，长短不整齐。重新缔合过程分成几步进行。先是个别的亚基形成A蛋白，A蛋白含有亚基的个数不等，但缔合度都很小。继而A蛋白形成双层饼。在条件不利于进一步聚合时，双层饼是封闭的稳定形式，在有利于进一步缔合时，烟草花叶病毒的′5-末端即与双层饼结合，双层饼也稍有扭动，然后沿着核酸分子发展，形成螺旋状病毒。
通过线性缔合形成螺旋状结构的体系是很多的。许多棒状病毒有TMV样的结构。此外，噬菌体(如PyocinR)，大噬菌体的柄，细菌鞭毛及纤毛，各种体系的微管束，去氧镰刀状血红蛋白缔合物等都是螺旋状的。
多蛋白质体系 与四级结构相似，生物体内有几种蛋白质共同形成一个有机的体系，只有在它们之间的结构完整时，这一体系才能发挥完整的功能。

图4 肌球蛋白分子的示意图
柄上是两股α螺旋绞合成的超螺旋。豆瓣状部分还有肌球蛋白轻链各两个。

横纹肌是最典型的例子。由粗丝和细丝组成。粗丝由肌球蛋白组成。肌球蛋白分子的外形如图4所示。在粗丝中，肌球蛋白线性排列组成粗丝的骨架，豆瓣状部分(HMM)从骨架上侧向伸出。细丝主要由肌动蛋白组成骨架，其间嵌入原肌球蛋白线性缔合物及三种肌钙蛋白(I.C.T)。肌动蛋白和原肌球蛋白是球蛋白，在细丝中它们都线性缔合成长链分子。后者嵌在前者的螺旋槽中 (图5)。肌肉在松弛态时，粗丝和细丝相互接触很少，但在收缩时，粗、细丝相互滑动，细丝插入粗丝之间。从分子水平看，首先肌钙蛋白C与钙离子结合，使肌钙蛋白I与肌动蛋白脱离，牵动了肌钙蛋白T，使原肌球蛋白与肌动蛋白相互有位移，使肌动蛋白更接近粗丝。与此同时，粗丝中肌球蛋白的HMM头有一个划动动作，将细丝拨入粗丝之间的空隙，在肌动蛋白与肌球蛋白之间形成缔合。肌肉的收缩过程能量来自三磷酸腺苷。

图5 肌肉细丝的结构示意
黑球是肌动蛋白，线性缔合并绞合成双股螺旋。螺旋的凹槽中嵌入线性缔合后的原肌球蛋白，白球是肌钙蛋白的三个亚基。

生物膜的基本结构是脂质双层，脂质有相当的流动性，司各种功能的蛋白质镶嵌在双层中。其中有些蛋白质因流动而比较均匀地分布，但也有不少蛋白质在膜上形成复合物，相互间有比较稳定的类四级结构关系。如线粒体内膜上的一些酶系或传递系统，包括氧化磷酸化过程及电子传递链。它们都由一系列蛋白质所组成。电子传递链所包含的蛋白质及它们传递电子的相互关系如下：

这些蛋白质之间不仅需要有相适应的氧化-还原电位，还形成特定的结构关系，形成一完整的多蛋白质体系，当某一点的关系被切断，功能即受阻。
叶绿体是植物营光合作用的细胞器，它的结构与线粒体十分相似。也含有类似的电子传递链及氧化磷酸化酶系。只是它的能量来自光量子。
核糖体是生物合成蛋白质的细胞器，它由蛋白质和核酸组成，也可算是一种多蛋白质体系。它可分成两个亚单位，一是50S亚单位，分子量约为1.8×10⁶，另一是30S亚单位，分子量约为9×10⁵。
许多代谢过程是由于一系列的酶之间环套环地相互调节控制。这种酶属于可溶性质的，因此以前认为它们是在溶液状态下进行反应的，不同酶分子之间没有类似四级结构的结合。但近年来有不少人提出，一种代谢途径所涉及的酶相互之间是有特定的结构关系的。这种观点是合理的，但需更多的实验来证实。