蛋白质的二级结构及其作用力

蛋白质的二级结构是指蛋白质中某一段肽链骨架（backbone）的空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。肽链主链骨架原子是指由α-氨基氮、Cα和α-羧基碳3个原子的重复排列。蛋白质的二级结构包括α-螺旋（α-helix）、β-折叠（β-pleated sheet）、β-转角（β-turn）和无规卷曲（random coil）。一个分子量很大的蛋白质可以含有多种类型二级结构或者多个同种类型的二级结构。维持蛋白质二级结构的作用力是肽链主链原子之间的氢键。蛋白质的二级结构不涉及氨基酸残基侧链的构象。

1.肽单元 20世纪30年代，L.Pauling和R.B.Corey在研究氨基酸和寡肽的晶体结构时提出了肽单元（peptide unit）的概念。他们发现参与肽键形成的6个原子，Cα1，C═O，N—H和Cα2，位于一个酰胺平面，即肽单元（图1-6a）。由于结构互变的结果，测得的肽单元中的肽键键长为0.132 nm。介于C—N单键键长（0.149 nm）和C═N双键键长（0.127 nm）之间，具有了部分双键特性（图1-6b）。位于肽键两侧的两个Cα原子处在反式构象（trans-conformation），并且不能绕着肽键自由转动。这使肽单元呈现出刚性平面的特性。

图1-6　肽单元的示意图

（a）肽键的结构参数　（b）肽键结构的互变

与肽键相邻的Cα—N和Cα—C都具有单键的特性，这样肽单元可以绕其自由转动。两个相邻的肽单元构成了两个平面转角φ和ψ（图1-7）。一个肽链可视为以Cα原子为节点连接在一起的多个刚性肽单元（图1-8）。由于肽单元可以绕节点两侧的单键旋转成不同的角度，从而使得肽链可以折叠和盘曲，肽单元的概念奠定了蛋白质肽链空间构象的基础。

图1-7　由两个肽单元构成的平面转角φ和ψ

图1-8　肽单元在肽链主链上以Cα原子为节点的排列

2.α-螺旋 α-螺旋是肽链主链围绕着一个螺旋中心轴呈右手螺旋的构象。α-螺旋每旋进一圈有3.6个氨基酸残基，α-螺旋的螺距是0.54 nm。在这段肽链上，第n个肽键的羧基氧与第n+3个肽键的氨基氢形成氢键；该氢键与α-螺旋的中心轴近似平行（图1-9）。氨基酸残基的侧链向螺旋外侧伸展。肽链中的全部肽键都可以形成氢键以稳定α-螺旋结构。

有些蛋白质的全长都能够卷曲成α-螺旋，如毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及血凝块中的纤维蛋白。多条具有α-螺旋结构的多肽链还可以缠绕在一起，形成缆索样的蛋白聚合体。这样的聚合体不但具有较大的弹性，而且还有较高的机械强度。肌红蛋白和血红蛋白肽链的75%是α-螺旋结构。此外，有些肽链的α-螺旋结构会表现出两性特点，即α-螺旋的一侧多为疏水性氨基酸，而另一侧则为亲水性氨基酸。这种两性α-螺旋的肽段常见在极性和非极性的界面，如血浆脂蛋白、多肽激素和钙调蛋白调节蛋白激酶等。

图1-9　蛋白质的α-螺旋结构

（a）用丝带表示的肽链骨架的α-螺旋结构　（b）用肽平面表示肽链骨架的α-螺旋结构(www.xing528.com)

3.β-折叠 β-折叠是多肽链较为伸展的锯齿状片层结构。当两段肽段在空间上平行排列并且靠得足够近时，一段肽段上的C═O和N—H可以与相邻肽段上的N—H和C═O分别形成氢键。氢键的方向近似垂直于肽链的走向。每个肽单元平面以Cα原子为节点发生转动使伸展开的肽链呈现出规律性的锯齿性结构。在同一肽段上相邻的氨基酸残基侧链交替地出现在锯齿平面的上下方（图1-10）。形成β-折叠结构的多个肽段之间可以是平行走向，也可以是反平行走向。蚕丝蛋白的结构几乎都是β-折叠结构。

图1-10　蛋白质的β-折叠结构

（a）两条相邻的肽段处于反平行走向　（b）两条相邻的肽段处于平行走向

4.β-转角和无规卷曲 4个氨基酸参与了β-转角的形成。第一个氨基酸残基的C═O和N—H分别与第四个氨基酸残基的N—H和C═O形成氢键。氢键的方向垂直于肽链骨架的走向。β-转角使肽链骨架的走向发生了回折，改变180°（图1-11）。β-转角的结构比较特殊，第二个氨基酸残基常是脯氨酸。

无规卷曲是没有确定规律性的肽链结构。

图1-11　蛋白质的β-转角结构

图1-12　蛋白质模体的示意图

（a）钙结合蛋白的钙离子结合模体　（b）锌指结构模体

5.模体 当两个和两个以上的具有二级结构的肽段在空间上彼此足够接近时，它们可以形成一个相对稳定的、有规律性的二级结构组合，被称为模体（motif）或超二级结构（supersecondary structure）。一般而言，一个模体具有特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。

钙结合蛋白分子中的钙离子结合模体是由α-螺旋-环-α-螺旋三段肽链组成的。环中的氨基酸具有一定的序列保守性，多是亲水性氨基酸，它们侧链的末端可通过氢键与钙离子结合（图1-12a）。另一种常见的模体是锌指结构，它是由C-端的两个反平行的β-折叠和一个N-端的α-螺旋三段肽链组成的。在N-端有一对半胱氨酸，在C-端有一对组氨酸，这四个残基在空间上形成了一个洞穴，恰好能够容纳一个Zn2+，稳定了模体中的α-螺旋结构（1-12b）。

6.氨基酸残基的侧链 虽然氨基酸残基的侧链没有参与蛋白质二级结构的形成，但是它们的特性可以影响蛋白质二级结构的形成。例如，脯氨酸的α-N原子是位于五元环中的亚氨基，形成肽键后不能再参与氢键的形成。再者，Cα原子也在五元环上，难以绕着肽键两侧的单键旋转，故不利于α-螺旋结构的形成。如果某段肽链上相邻的几个氨基酸的侧链带有相同电荷，并且它们在空间上分布的较集中，电荷之间的相互排斥作用则不利于α-螺旋的形成。形成β-折叠的肽段要求氨基酸残基的侧链较小，这可以保证两条肽段彼此靠近，有利于形成氢键。