蛋白质的空间结构

蛋白质的空间结构通常是指一级结构以上的三维结构。空间结构常被分为二级、三级及四级结构。二级结构是指肽链本身沿着其分子长轴的规则性的螺旋或折叠，如α螺旋及β折叠；这种结构是由其分子内部氢链所维系而成的。蛋白质的二级结构不包括多肽链分子中其它侧链的构象问题，也不包括这一多肽链与另一多肽链的相互关系。三级结构是指肽链本身不规则的三维折叠，若为一球状蛋白质分子，则这种折叠由其侧链基团之间的相互作用所构成，如二硫键、盐键、疏水键等； 三级结构不包括亚单位分子之间的结构关系。亚单位之间的空间结构关系称为蛋白质的四级结构。通常用蛋白质的构象来统称蛋白质的空间结构。所谓构象，它不同于构型，是指不需要共价键变化，即能使立体结构改变的一类立体结构问题。
α螺旋 是指蛋白质分子中肽链本身的一种螺旋状结构。这种结构多在球状蛋白分子中出现，而且比较稳定。在这种蛋白质的二级结构中，多肽链的空间结构由于肽链内部>CO基与>NH基之间的氢键的作用而稳定。在α螺旋中，由3.6个氨基酸残基构成螺旋的一圈，上升0.15nm; 此螺旋的半径为0.23nm。由于该螺旋是3.6个氨基酸残基构成一圈，所以其肽链上的任何一个>CO基是与相隔3个氨基酸残基以后的肽键上的>NH基形成氢键，即如>CO为第一位的话，则将与第11位的>NH形成氢键 (图1)。在α螺旋中，氨基酸残基的侧链伸向外侧； 相邻螺旋之间形成的氢键取向几乎与中心轴平行 (图2)。螺旋的方向可为左手螺旋或右手螺旋，在天然蛋白质中主要为右手螺旋。
在某些蛋白质中，α螺旋可以是主要的二级结构，如肌红蛋白； 而在另一些蛋白质，则α螺旋结构仅占小部分，如核糖核酸酶及木瓜蛋白酶。由于α螺旋是一种稳定性较高的结构，它的出现主要在于稳定蛋白质的特定结构，而不在于直接参与蛋白质的活性。由此，在蛋白质中，α螺旋经常不是蛋白质的活性部位所在。
一条多肽链能否形成α螺旋，以及形成螺旋的稳定程度，与肽链的氨基酸组成及顺序密切有关。并非所有的肽链均能形成稳定的α螺旋，这主要取决于其中氨基酸残基的带电状态与侧链大小。例如甘氨酸的侧链只有H，谷氨酸、天冬氨酸残基的侧链有可游离的羧基，而带负电荷，因电荷的排斥力，使这个区域的α螺旋不稳定，只有在酸性溶液中羧基的游离度减少时，才能形成α螺旋。赖氨酸和精氨酸残基带有正电荷，同样也使α螺旋不稳定。脯氨酸和羟脯氨酸是亚氨基酸，在形成肽键之后，不再有多余的氢以供氢键形成，因此在肽链顺序上遇到此类残基时，正是肽链折叠处而不形成α螺旋。
α螺旋是典型的螺旋结构。此外，尚有一些非典型的螺旋结构。螺旋结构可用ηs表示： η为螺旋每上升一圈的残基数，s为形成氢键的O与N之间参与共价键的原子数。由此，典型的α螺旋可表示为3.613螺旋。不典型的螺旋有3₁₀螺旋，π螺旋(4.4个氨基酸残基构成一圈)。这种结构不常见于蛋白质分子当中，而常出现在蛋白质螺旋的末端1～2圈中，如肌红蛋白与溶菌酶中就有这种情况。另一种不典型的螺旋称γ螺旋，由5.13个氨基酸残基形成一圈。这些不典型螺旋不如α螺旋稳定。

图1 α螺旋中的氢键

图2 蛋白质α螺旋结构示意图

破折线为氢键(引自Lehninger:Principles of Biocnemistry)

β折叠 又称β构象，属于蛋白质或多肽二级结构的一种构象，即多肽链相当伸展并反复折叠的一种结构，在其长轴方向具有重复单位。如图3所示。在β角蛋白质中，这样的多肽链的长轴互相平行，相邻肽链之间借助氢键彼此连成片层结构，所以又称为β折叠片。在β折叠片中所有的肽键都参与链间氢键的交联。这些链间氢键的方向与链的长轴接近垂直。β折叠结构主要存在于纤维蛋白质之中，但在球状蛋白质中亦有存在。
折叠片有两种类型： 一是平行式，即相邻肽链段的方向(从N端到C端)相同； 另一是反平行式，即相邻肽链段的方向相反。平行式与反平行式也可相互交替。从能量上看，反平行式更为稳定。
在蛋白质的二级结构中除α螺旋，β折叠外，β转角与无规线团也是常见的结构形式。蛋白质分子中肽键有时出现180°的回转，在这种肽链的回转角上，就是β转角的结构，又称U形转折、链回转或发夹式结构等。β转角的形成可以是一个氨基酸残基的C=O与第四个残基的NH形式氢键维系， 也可以是单纯依靠相邻氨基酸残基侧链间的相互作用力而稳定。所谓无规线团是指没有确定规律的那部分肽链的构象。有人认为，蛋白质的功能部位常常在无规线团部分，因此必须重视。
在二级结构基础上的肽链再折叠，称为蛋白质的三级结构。例如，球状蛋白质的多肽链在三维空间沿多个方向进行卷曲、折叠、盘绕而成紧密的近似球状的结构。许多球状蛋白质可由二条或多条肽链构成。这些肽链彼此可以相同，也可不同，它们之间并无共价键结合，每条肽链都有各自的一、二、三级结构。这些肽链称为蛋白质的亚基。由几个亚基构成的蛋白质称为寡聚蛋白质。由此，蛋白质的四级结构也可看成是蛋白质的缔合。这些亚基之间也可通过氢键、盐键、疏水键等维系。有些各不相同的寡聚蛋白质分子中的亚基可以互换，形成新的杂交分子。许多酶分子具有四级结构，这些亚基的解离与缔合往往与酶的代谢调节作用有密切关系。

图3 β折叠（平行式与反平行式折叠片）

血红蛋白是一种比较简单的寡聚蛋白质，它是由两条α链和两条β链构成的四聚体(α₂β₂)，形状近似圆球，直径约0.55nm; 其中的每一条肽链又以非共价键与一个血红素相连接(图4)。X射线结构分析表明，去氧血红蛋白与氧合血红蛋白的四条肽链在三级结构上并无明显不同，但在四级结构上，即亚基的相互关系上有明显改变。氧分子与血红蛋白结合引起后者构象的变化。称为血红蛋白的变构现象。变构的血红蛋白更易与氧结合，导致血红蛋白与氧结合的协作效应。表现为S形曲线。当酸、热、高浓度的尿素或胍等变性因子作用于寡聚蛋白质时，则可使其发生构象变化，这种变化可分为两个步骤：首先是亚基彼此分离，然后分开的亚基伸展而成无规线团。若处理得恰当，可使亚基分离而不破坏其正常的三级结构；但若处理条件剧烈，则可使亚基的多肽链完全展开。有事实表明，寡聚蛋白质中多肽链的氨基酸顺序不仅规定了它的二、三级结构，而且也规定了它们之间接触的几何位置，使亚基互相精确地嵌合，密切缔合成天然的四级结构。