蛋白質的空間結構
蛋白質分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構成特有的比較穩定的空間結構。蛋白質的生物學活性和理化性質主要決定于空間結構的完整，因此僅僅測定蛋白質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分子的生物學活性和理化性質。例如球狀蛋白質(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(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，此種性質不能僅用蛋白質的一級結構的氨基酸排列順序來解釋。
蛋白質的空間結構就是指蛋白質的二級、三級和四級結構。
(一)蛋白質的二級結構
蛋白質的二級結構(secondary structure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構象，不涉及側鏈部分的構象。
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行了X線衍射分析，得出圖1-2所示結構，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-鍵的性質介于單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，因而不能旋轉，這就將固定在一個平面之內。
(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。肽鏈中能夠旋轉的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉決定兩個肽鍵平面的位置關系，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，就會有順反不同的立體異構，已證實 處于反位(見圖1－3)。
2.蛋白質主鏈構象的結構單元
1)α－螺旋Pauling等人對α－角蛋白(α－keratin)進行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復單位，故推測蛋白質分子中有重復性結構，并認為這種重復性結構為α－螺旋(α－helix)見圖1-4。
α－螺旋的結構特點如下：
(1)多個肽鍵平面通過α－碳原子旋轉，相互之間緊密盤曲成穩固的右手螺旋。
(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，這是穩定α－螺旋的主要鍵。
(4)肽鏈中氨基酸側鏈R，分布在螺旋外側，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)集中的區域，也妨礙α－螺旋形成；脯氨酸因其α－碳原子位于五元環上，不易扭轉，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定。
2)β－片層結構Astbury等人曾對β－角蛋白進行X線衍射分析，發現具有0.7nm的重復單位。如將毛發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線衍射圖可改變為與β－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結構和α－螺旋拉長伸展后結構相同。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構稱為β－片層(β－pleated sheet)結構或稱β－折迭(圖1－5)。
β－片層結構特點是：
①是肽鏈相當伸展的結構，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的兩段肽鏈間的C＝O與H 形成氫鍵，使構象穩定。
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－片層結構的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。
④平行的β－片層結構中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結構，則間距為0.7nm。
3)β－轉角
蛋白質分子中，肽鏈經常會出現180°的回折，在這種回折角處的構象就是β－轉角(β－turn或β－bend)。β－轉角中，第一個氨基酸殘基的C＝O與第四個殘基的N 形成氫鍵，從而使結構穩定(圖1－6)。
4)無規卷曲
沒有確定規律性的部分肽鏈構象，肽鏈中肽鍵平面不規則排列，屬于松散的無規卷曲(random coil)。
(二)超二級結構和結構域
超二級結構(supersecondary structure)是指在多肽鏈內順序上相互鄰近的二級結構常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規則的二級結構聚集體。目前發現的超二級結構有三種基本形式：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構的“建筑塊”或結構域的組成單位，是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次，故稱超二級結構。
結構域(domain)也是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次。在較大的蛋白質分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結構緊密聯系，形成二個或多個在空間上可以明顯區別它與蛋白質亞基結構的區別。一般每個結構域約由100-200個氨基酸殘基組成，各有獨特的空間構象，并承擔不同的生物學功能。如免疫球蛋白(IgG)由12個結構域組成，其中兩個輕鏈上各有2個，兩個重鏈上各有4個；補體結合部位與抗原結合部位處于不同的結構域。一個蛋白質分子中的幾個結構域有的相同，有的不同；而不同蛋白質分子之間肽鏈中的各結構域也可以相同。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個不同的結構域組成，但它們與NAD+結合的結構域構象則基本相同。
(三)蛋白質的三級結構
蛋白質的多肽鏈在各種二級結構的基礎上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規律的三維空間結構，稱為蛋白質的三級結構(tertiary structure)。蛋白質三級結構的穩定主要靠次級鍵，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構序號相隔很遠的氨基酸殘基的R基團之間，因此蛋白質的三級結構主要指氨基酸殘基的側鏈間的結合。次級鍵都是非共價鍵，易受環境中pH、溫度、離子強度等的影響，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隔的二個肽段聯系在一起，這對于蛋白質三級結構的穩定上起著重要作用。
現也有認為蛋白質的三級結構是指蛋白質分子主鏈折疊盤曲形成構象的基礎上，分子中的各個側鏈所形成一定的構象。側鏈構象主要是形成微區(或稱結構域domain)。對球狀蛋白質來說，形成疏水區和親水區。親水區多在蛋白質分子表面，由很多親水側鏈組成。疏水區多在分子內部，由疏水側鏈集中構成，疏水區常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些輔基就鑲嵌其中，成為活性部位。
具備三級結構的蛋白質從其外形上看，有的細長(長軸比短軸大10倍以上)，屬于纖維狀蛋白質(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(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部，而親水基則多分布在分子表面，因而球狀蛋白質是親水的，更重要的是，多肽鏈經過如此盤曲后，可形成某些發揮生物學功能的特定區域，例如酶的活性中心等。
(四)蛋白質的四級結構
具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構(quarternary structure)。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。四級結構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，亞基間次級鍵的結合比二、三級結構疏松，因此在一定的條件下，四級結構的蛋白質可分離為其組成的亞基，而亞基本身構象仍可不變。
一種蛋白質中，亞基結構可以相同，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移酶由六個調節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節亞基結合成天冬氨酸氨甲酰基轉移酶的原聚體。
某些蛋白質分子可進一步聚合成聚合體(polymer)。聚合體中的重復單位稱為單體(monomer)，聚合體可按其中所含單體的數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)在體內可形成二聚體及六聚體。
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