蛋白质的高级结构

蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间构造。蛋白质的三维构象，也称空间构造或高级构造，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。高级构造是蛋白质体现其生物功效或活性所必须的，涉及二级、三级和四级构造。一、有关概念1.构型与构象构型是指立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，构型的变化必须通过共价键的断裂。构象是指这些取代基团当单键旋转时可能形成的不同的立体构造，构象的变化不涉及共价键的变化。2.二面角由于肽键不能自由旋转，因此肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一种平面，称肽平面。肽平面内的C=O与N－H呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象就是由肽平面之间的角度决定的。主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。绕Cα－N1旋转的角称Φ，而绕Cα－C2旋转的角称Ψ。这两个角称为二面角。规定当旋转键两侧的肽链成顺式时为0度。取值范畴是正负180度，当二面角都是180度时肽链完全伸展。由于空间位阻，实际的取值范畴是很有限的。二、二级构造（一）二级构造是肽链的空间走向蛋白质的二级构造是指肽链主链的空间走向（折叠和盘绕方式），是有规则重复的构象。肽链主链含有重复构造，其中氨基是氢键供体，羰基是氢键受体。通过形成链内或链间氢键能够使肽链卷波折叠形成多个二级构造单元。复杂的蛋白质分子构造，就由这些比较简朴的二级构造单元进一步组合而成。（二）肽链卷波折叠形成四种二级构造单元1.α螺旋(α-helix)α螺旋模型是Pauling和Corey等研究α-角蛋白时于1951年提出的。角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。它涉及皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。α角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎能够伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来长度。β角蛋白则无此变化。α角蛋白的X射线衍射图案极其相似，沿长轴方向都有一种大周期构造或重复单位，其长度为5－5.5埃。Pauling等考虑到肽平面对多肽链构象的限制作用，设计了多肽链折叠的多个可能模型，发现其中一种α螺旋模型能较好地阐明α角蛋白的X射线衍射图案中的5－5.5埃重复单位。在这个模型中，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，相称于向上平移5.4埃。螺旋的直径是11埃。螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，向上平移1.5埃，比完全伸展的构象压缩2.4倍。这与衍射图案中的小周期完全一致。其二面角Φ=-57度，Ψ=-48度。在α螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。氢键是由肽键中氮原子上的氢与其N端第四个羰基上的氧之间形成的。α螺旋的构造允许全部的肽键都参加链内氢键的形成，因此相称稳定。α-螺旋由氢键构成一种封闭环，其中涉及三个残基，共13个原子，称为3.613（n=3）螺旋。由L型氨基酸构成的多肽链能够卷曲成右手螺旋，也可卷曲成左手螺旋，但右手螺旋比较稳定。由于在左手螺旋中β碳与羰基过于靠近，不稳定。在天然蛋白质中，几乎全部α螺旋都是右手螺旋。只在嗜热菌蛋白酶中发现一圈左手螺旋。在α角蛋白中，3或7个α螺旋能够互相拧在一起，形成三股或七股的螺旋索，彼此以二硫键交联在一起。α螺旋不仅是α角蛋白的重要构象，在其它纤维蛋白和球状蛋白中也广泛存在，是一种常见的二级构造。α螺旋是一种不对称的分子构造，含有旋光能力。α螺旋的比旋不等于其中氨基酸比旋的简朴加和，由于它的旋光性是各个氨基酸的不对称因素和构象本身不对称因素的总反映。天然α螺旋的不对称因素引发偏振面对右旋转。运用α螺旋的旋光性，能够测定它的相对含量。一条肽链能否形成α螺旋，以及螺旋的稳定性如何，与其一级构造有极大关系。脯氨酸由于其亚氨基少一种氢原子，无法形成氢键，并且Cα－N键不能旋转，因此是α螺旋的破坏者，肽链中出现脯氨酸就中断α螺旋，形成一种“结节”。另外，侧链带电荷及侧链基团过大的氨基酸不易形成α螺旋，甘氨酸由于侧链太小，构象不稳定，也是α螺旋的破坏者。根据多个残基的特性，能够预测蛋白质的二级构造。现在常见的预测办法有Chou-Fasman法、GOR法、Lim法等，都是根据统计信息进行预测的。如果二级构造的预测成功率不不大于80％，就能够用来预测高级构造，但现在只能达成70％左右。Chou-Fasman法比较直观，与二级构造形成的实际过程靠近，但成功率不高。Chou-Fasman法根据各个氨基酸在某些已知构造的蛋白质中的体现，按构象参数Pα(表达形成α螺旋的能力)由大到小将他们分为六组，依次为：最强的形成者(Hα)：Glu、Met、Ala、Leu中档的形成者(hα)：Lys、Phe、Gln、Trp、Ile、Val很弱的形成者(Iα)：Asp、His中立者(iα)：Cys、Ser、Thr、Arg较弱的破坏者(bα)：Asn、Tyr最强的破坏者(Bα)：Gly、Pro如肽链中6个持续的残基中有4个hα即可形成核心，然后向两侧延伸，碰到四肽破坏者时中断。形成α螺旋时有协同性，即一旦形成核心，其它残基就容易加入。2.β-折叠β-折叠也叫β-片层，在β-角蛋白如蚕丝丝心蛋白中含量丰富。其X射线衍射图案与α-角蛋白拉伸后的图案很相似。在此构造中，肽链较为伸展，若干条肽链或一条肽链的若干肽段平行排列，相邻主链骨架之间靠氢键维系。氢键与链的长轴靠近垂直。为形成最多的氢键，避免相邻侧链间的空间障碍，锯齿状的主链骨架必须作一定的折叠(φ=－139°,ψ=＋135°)，以形成一种折叠的片层。侧链交替位于片层的上方和下方，与片层垂直。β折叠有两种类型，一种是平行式，即全部肽链的氨基端在同一端；另一种是反平行式，即全部肽链的氨基端按正反方向交替排列。从能量上看，反平行式更为稳定。丝心蛋白和多聚甘氨酸是反平行，拉伸α角蛋白形成的β角蛋白是平行式。反平行式的重复距离是7.0埃（两个残基），平行式是6.5埃。在丝心蛋白中，每隔一种氨基酸就是甘氨酸，全部在片层的一面都是氢原子；在另一面，侧链重要是甲基，由于除甘氨酸外，丙氨酸是重要成分。如果肽链中侧链过大，并带有同种电荷，则不能形成β折叠。拉伸后的α角蛋白之因此不稳定，容易复原，就是由于侧链体积大，电荷高。3.β转角β转角使肽链形成约180°的回转，第一种氨基酸的羰基与第四个氨基酸的氨基形成氢键。这种构造在球状蛋白中广泛存在，可占全部残基的1/4。多位于球状蛋白的表面，空间位阻较小处。又分为Ⅰ型、Ⅱ型与III型。4.无规卷曲指没有一定规律的松散肽链构造。此构造看来杂乱无章，但对一种特定蛋白又是拟定的，而不是随意的。在球状蛋白中含有大量无规卷曲，倾向于产生球状构象。这种构造有高度的特异性，与生物活性亲密有关，对外界的理化因子极为敏感。酶的活性中心往往位于无规卷曲中。除以上常见二级构造单元外，尚有其它新发现的构造，如Ω环，由10个残基构成，象希腊字母Ω。5.超二级构造相邻的二级构造单元可组合在一起，互相作用，形成有规则，在空间上能识别的二级构造组合体，充当三级构造的构件，称为超二级构造。常见的有三种：αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕形成的左手超螺旋，重复距离约为140埃。由于超螺旋，与独立的α螺旋略有偏差。βαβ：β折叠之间由α螺旋或无规卷曲连接。βββ：由一级构造上持续的反平行β折叠通过紧凑的β转角连接而成。涉及β波折和回形拓扑。三、蛋白质的三级构造三级构造是指多肽链中全部原子和基团的构象。它是在二级构造的基础上进一步盘波折叠形成的，涉及全部主链和侧链的构造。哺乳动物肌肉中的肌红蛋白整个分子由一条肽链盘绕成一种中空的球状构造，全链共有8段α螺旋，各段之间以无规卷曲相连。在α螺旋肽段间的空穴中有一种血红素基团。全部含有高度生物学活性的蛋白质几乎都是球状蛋白。三级构造是蛋白质发挥生物活性所必须的。在三级构造中，多肽链的盘波折叠是由分子中各氨基酸残基的侧链互相作用来维持的。二硫键是维持三级构造唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起，而疏水性较强的氨基酸则借疏水力和范德华力聚集成紧密的疏水核，有极性的残基以氢键和盐键相结合。在水溶性蛋白中，极性基团分布在外侧，与水形成氢键，使蛋白溶于水。这些非共价键即使较微弱，但数目庞大，因此仍然是维持三级构造的重要力量。较大蛋白的三级构造往往由几个相对独立的三维实体构成，这些三维实体称为构造域。构造域是在三级构造与超二级构造之间的一种组织层次。一条长的多肽链，可先折叠成几个相对独立的构造域，再缔合成三级构造。这在动力学上比直接折叠更为合理。构造域在功效上也有其意义。构造域常有相对独立的生理功效，如某些要分泌到细胞外的蛋白，其信号肽（负责使蛋白通过细胞膜）就构成一种构造域。另外，尚有与残基修饰有关的构造域、与酶原激活有关的构造域等。各构造域之间经常只有一段肽链相连，称为铰链区。铰链区柔性较强，使构造域之间容易发生相对运动，因此酶的活性中心常位于构造域之间。小蛋白多由一种构造域构成，由多个构造域构成的蛋白普通分子量大，构造复杂。四、蛋白质的四级构造由两条或两条以上肽链通过非共价键构成的蛋白质称为寡聚蛋白。其中每一条多肽链称为亚基，每个亚基都有自己的一、二、三级构造。亚基单独存在时无生物活性，只有互相聚合成特定构象时才含有完整的生物活性。四级构造就是各个亚基在寡聚蛋白的天然构象中空间上的排列方式。胰岛素可形成二、六聚体，但不是其功效单位，因此不是寡聚蛋白。判断原则是将发挥生物功效的最小单位作为一种分子。最简朴的寡聚蛋白是血红蛋白。它是由两条α链和两条β链构成的四聚体，分子量65000。分子外形近似球状，每个亚基都和肌红蛋白类似。血红蛋白与氧结合时，α和β链都发生了转动，引发四个亚基间的接触点上的变化。两个α亚基互相靠近，两个β亚基则离开。当酸、热或高浓度的尿素、胍等变性因子作用于寡聚蛋白时，后者会发生构象变化。这种变化可分为两步：首先是亚基彼此解离，然后分开的亚基伸展而成无规线团。如小心解决，可将寡聚蛋白的亚基拆开，而不破坏其三级构造。如血红蛋白可用盐解离成两个半分子，即两个α、β亚基。当透析除去过量的盐后，分开的亚基又可重新结合而恢复活性。如果解决条件强烈，则亚基的多肽链完全展开。这样要恢复天然构象虽很困难，但有些寡聚蛋白仍可恢复。如醛缩酶经酸解决后，其4个亚基完全伸展成无规卷曲，当pH恢复到7左右时，又可恢复如初。这阐明一级构造规定了亚基间的结合方式，四级构造的形成也遵从“自我装配”的原则。五、构造举例（一）纤维状蛋白角蛋白角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。它涉及皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。α角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎能够伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来长度。β角蛋白则无此变化。头发重要是由α角蛋白构成的。三股右手螺旋形成左手超螺旋，称为原纤维，直径2纳米。原纤维再排列成“9＋2”的电缆式构造，称为微纤维，直径8纳米。成百根微纤维结合成不规则的纤维束，称大纤维，直径200纳米。头发周边是鳞状细胞，中间是皮层细胞。皮层细胞的直径是20微米，是由许多大纤维沿轴向平行排列而成的。胶原胶原是动物体内含量最丰富的构造蛋白，构成皮肤、骨胳、软骨、肌腱、牙齿的重要纤维成分。胶原共有4种，构造相似，都由原胶原构成。其一级构造中甘氨酸占1/3，脯氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸含量也较高。赖氨酸可用来结合糖基。原胶原是一种三股的螺旋杆，是由三股特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。这种螺旋的形成是由于大量的脯氨酸和甘氨酸造成的。羟脯氨酸和羟赖氨酸的羟基也参加形成氢键，起着稳定这种构造的作用。羟脯氨酸和羟赖氨酸都是蛋白合成后经羟化酶催化而羟化的。在胶原中每隔2个残基有一种甘氨酸，只有处在甘氨酸氨基端的脯氨酸才干被羟化。羟化是在脯氨酰羟化酶的催化下进行的，这个酶需要维生素C使其活性中心的铁原子保持亚铁状态。缺少维生素C会使羟化不完全，胶原熔点低，不能正常形成纤维，造成皮肤损伤和血管脆裂，引发出血、溃烂，即坏血病。因此维生素C又叫抗坏血酸。成纤维细胞合成原胶原的前体，并分泌到结缔组织的细胞外空间，形成超螺旋构造，再经酶切，即成原胶原。原胶原之间平行排列，互相错开1/4，构成胶原的基本构造。一种原胶原的头和另一种原胶原的尾之间有40纳米的空隙，其中填充磷酸钙，即骨的无机成分。胶原的特殊的构造和构成使它不受普通蛋白酶的水解，但可被胶原酶水解。在变态的蝌蚪的尾鳍中就含有这种酶。3.弹性蛋白能伸长到原来长度的几倍，并可很快恢复原来长度。在韧带、血管壁等处含量较大。含1/3的甘氨酸，脯氨酸和赖氨酸也较多。羟脯氨酸和羟赖氨酸含量极少。弹性蛋白形成的螺旋由两种区段构成，一种是富含甘氨酸、脯氨酸和缬氨酸的左手螺旋，一种是富含丙氨酸和赖氨酸的右手α螺旋。赖氨酸之间形成锁链素或赖氨酰正亮氨酸，使链间发生交联，含有很大的弹性。由于锁链素可连接二、三或四条肽链，形成