蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整，因此僅僅測定蛋白質(zhì)分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)。例如球狀蛋白質(zhì)(多見于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等)和纖維狀蛋白質(zhì)(角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，顯而易見，此種性質(zhì)不能僅用蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序來解釋。
蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)就是指蛋白質(zhì)的二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。
(一)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。
1.肽鍵平面(或稱酰胺平面，amide plane)。
Pauling等人對一些簡單的肽及氨基酸的酰胺等進(jìn)行了X線衍射分析，得出圖1-2所示結(jié)構(gòu)，從一個肽鍵的周圍來看，得知：
(1) 中的C-N鍵長0.132nm，比相鄰的N-C單鍵(0.147nm)短，而較一般C=N雙鍵(0.128nm)長，可見，肽鍵中-C-N-鍵的性質(zhì)介于單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，因而不能旋轉(zhuǎn)，這就將固定在一個平面之內(nèi)。
(2) 肽鍵的C及N周圍三個鍵角之和均為360°，說明都處于一個平面上，也就是說 六個原子基本上同處于一個平面，這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠旋轉(zhuǎn)的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個肽鍵平面的位置關(guān)系，于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。
(3) 肽鍵中的C-N既具有雙鍵性質(zhì)，就會有順反不同的立體異構(gòu)，已證實 處于反位(見圖1－3)。
2.蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)單元
1)α－螺旋Pauling等人對α－角蛋白(α－keratin)進(jìn)行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復(fù)單位，故推測蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α－螺旋(α－h(huán)elix)見圖1-4。
α－螺旋的結(jié)構(gòu)特點如下：
(1)多個肽鍵平面通過α－碳原子旋轉(zhuǎn)，相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。
(2)主鏈呈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm，這與X線衍射圖符合。
(3)相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和H 形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α－螺旋的主要鍵。
(4)肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響α－螺旋的形成。酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于α－螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙α－螺旋形成；脯氨酸因其α－碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉(zhuǎn)，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α－螺旋；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會影響該處螺旋的穩(wěn)定。
2)β－片層結(jié)構(gòu)Astbury等人曾對β－角蛋白進(jìn)行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)α－角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α－螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結(jié)構(gòu)和α－螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相同。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為β－片層(β－pleated sheet)結(jié)構(gòu)或稱β－折迭(圖1－5)。
β－片層結(jié)構(gòu)特點是：
①是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110°角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。
②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的C＝O與H 形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。
③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。β－片層結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。
④平行的β－片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。
3)β－轉(zhuǎn)角
蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β－轉(zhuǎn)角(β－turn或β－bend)。β－轉(zhuǎn)角中，第一個氨基酸殘基的C＝O與第四個殘基的N 形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(圖1－6)。
4)無規(guī)卷曲
沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲(random coil)。
(二)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域
超二級結(jié)構(gòu)(supersecondary structure)是指在多肽鏈內(nèi)順序上相互鄰近的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體。目前發(fā)現(xiàn)的超二級結(jié)構(gòu)有三種基本形式：α螺旋組合(αα)；β折疊組合(βββ)和α螺旋β折疊組合(βαβ)(圖1－7)，其中以βαβ組合最為常見。它們可直接作為三級結(jié)構(gòu)的“建筑塊”或結(jié)構(gòu)域的組成單位，是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次，故稱超二級結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)域(domain)也是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次。在較大的蛋白質(zhì)分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別它與蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)的區(qū)別。一般每個結(jié)構(gòu)域約由100-200個氨基酸殘基組成，各有獨特的空間構(gòu)象，并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能。如免疫球蛋白(IgG)由12個結(jié)構(gòu)域組成，其中兩個輕鏈上各有2個，兩個重鏈上各有4個；補(bǔ)體結(jié)合部位與抗原結(jié)合部位處于不同的結(jié)構(gòu)域。一個蛋白質(zhì)分子中的幾個結(jié)構(gòu)域有的相同，有的不同；而不同蛋白質(zhì)分子之間肽鏈中的各結(jié)構(gòu)域也可以相同。如乳酸脫氫酶、3－磷酸甘油醛脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等均屬以NAD+為輔酶的脫氫酶類，它們各自由2個不同的結(jié)構(gòu)域組成，但它們與NAD+結(jié)合的結(jié)構(gòu)域構(gòu)象則基本相同。
(三)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的多肽鏈在各種二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步盤曲或折迭形成具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)。蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力(Van der Wasls力)等(圖1-8)。這些次級鍵可存在于一級結(jié)構(gòu)序號相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基的R基團(tuán)之間，因此蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)主要指氨基酸殘基的側(cè)鏈間的結(jié)合。次級鍵都是非共價鍵，易受環(huán)境中pH、溫度、離子強(qiáng)度等的影響，有變動的可能性。二硫鍵不屬于次級鍵，但在某些肽鏈中能使遠(yuǎn)隔的二個肽段聯(lián)系在一起，這對于蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定上起著重要作用。
現(xiàn)也有認(rèn)為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子主鏈折疊盤曲形成構(gòu)象的基礎(chǔ)上，分子中的各個側(cè)鏈所形成一定的構(gòu)象。側(cè)鏈構(gòu)象主要是形成微區(qū)(或稱結(jié)構(gòu)域domain)。對球狀蛋白質(zhì)來說，形成疏水區(qū)和親水區(qū)。親水區(qū)多在蛋白質(zhì)分子表面，由很多親水側(cè)鏈組成。疏水區(qū)多在分子內(nèi)部，由疏水側(cè)鏈集中構(gòu)成，疏水區(qū)常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些輔基就鑲嵌其中，成為活性部位。
具備三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)從其外形上看，有的細(xì)長(長軸比短軸大10倍以上)，屬于纖維狀蛋白質(zhì)(fibrous protein)，如絲心蛋白；有的長短軸相差不多基本上呈球形，屬于球狀蛋白質(zhì)(globular protein)，如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白，球狀蛋白的疏水基多聚集在分子的內(nèi)部，而親水基則多分布在分子表面，因而球狀蛋白質(zhì)是親水的，更重要的是，多肽鏈經(jīng)過如此盤曲后，可形成某些發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域，例如酶的活性中心等。
(四)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)
具有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quarternary structure)。其中，每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。四級結(jié)構(gòu)實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松，因此在一定的條件下，四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基，而亞基本身構(gòu)象仍可不變。
一種蛋白質(zhì)中，亞基結(jié)構(gòu)可以相同，也可不同。如煙草斑紋病毒的外殼蛋白是由2200個相同的亞基形成的多聚體；正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體；天冬氨酸氨甲酰基轉(zhuǎn)移酶由六個調(diào)節(jié)亞基與六個催化亞基組成。有人將具有全套不同亞基的最小單位稱為原聚體(protomer)，如一個催化亞基與一個調(diào)節(jié)亞基結(jié)合成天冬氨酸氨甲酰基轉(zhuǎn)移酶的原聚體。
某些蛋白質(zhì)分子可進(jìn)一步聚合成聚合體(polymer)。聚合體中的重復(fù)單位稱為單體(monomer)，聚合體可按其中所含單體的數(shù)量不同而分為二聚體、三聚體……寡聚體(oligomer)和多聚體(polymer)而存在，如胰島素(insulin)在體內(nèi)可形成二聚體及六聚體。
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