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　　图2.49 血红蛋白的氨基酸分布。（A）空间填充模型，其中疏水性氨基酸用黄色表示、带电氨基酸用蓝色表示、其它氨基酸用白色表示。注意蛋白质分子表面有很多带电氨基酸和很多疏水氨基酸。（B）空间填充模型截面图。注意蛋白质分子内部大多数残基是疏水氨基酸，而带电氨基酸只在分子表面。 图2.50 外膜蛋白porin将氨基酸位置“内外翻转”。与生物膜疏水脂肪链接触的外膜蛋白外部氨基酸残基主要是疏水氨基酸，而与中心充满水分子接触的蛋白质内部则有很多极性氨基酸和带电氨基酸残基。 很多蛋白质具有相同的二级结构组合，这些二级结构组合常常有相似的生物功能。我们称这种二级结构组合为模体(motif)，或超二级结构。 用拐弯连接两个a-螺旋构成的模体，即螺旋-拐弯-螺旋，存在于很多DNA结合蛋白质（图2.51）。 motif 有些多肽链能折叠成两个或多个紧密区域，而这些紧密区域之间用一个柔软的肽段连接，看上去像一根绳子串起的珠子。每个紧密地区域叫结构域（domain）。结构域的大小范围不同，从30氨基酸残基到400氨基酸残基不等。例如一些免疫细胞表面蛋白CD4的胞外部分（能与HIV结合）有4个长度约为100氨基酸残基的相似的结构域(domain)（图2.52）。有些蛋白质即使三维结构互不相同，但可能有相同的结构域。 四级结构 图2.53 l-噬菌体的cro蛋白是DNA结合蛋白，有两个相同的二聚体。 图2.54 人血红蛋白a2b2四聚体。a2b2四聚体中两个a亚基（红色）是完全相同的，两个b亚基（黄色）也完全相同。a亚基的结构与b亚基的结构相似但有差异。一个血红蛋白分子有四个血红素（灰色），每个血红素辅基有一个铁原子（紫色）。（A）绸带结构显示四个亚基结构类似，主要是a-螺旋结构。（B）空间填充模型显示血红素辅基占据蛋白质的裂缝。 病毒是遗传信息最有限的生物。它们重复使用同一亚基，对称性排列构建病毒外壳。引起普通感冒的鼻病毒（rhinovirus) 外壳蛋白有4种亚基，每种亚基有60拷贝（图2.55）。这些亚基聚集在一起形成病毒的球形外壳，将病毒基因组包裹在外壳内。 图2.55 复杂的四级结构。人鼻病毒（导致普通流感的病毒）的外壳有四种亚基（用不同颜色表示），每种亚基有60拷贝。 蛋白质的氨基酸序列决定其三维结构 1950年代Christian Anfinsen对核糖核酸酶进行的经典研究揭示了蛋白质氨基酸序列与蛋白质构型（即空间结构）之间的关系。 蛋白变性试剂和还原试剂 RNase A 用肽键将一系列氨基酸连接的产物叫多肽。多肽链中的每个氨基酸单位叫氨基酸残基。如此连接的多肽链有极性，一端是a-氨基，另一端是a-羧基。通常将氨基端作为多肽链的起始，羧基端作为多肽链终止。因此多肽链的书写是从氨基端开始的。五肽链Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (YGGFL)中酪氨酸残基在N-端，亮氨酸残基在C-端（图2.19）。Leu-Phe-Gly-Gly-Tyr（LFGGY）就是另一个五肽，其化学性质与前一个五肽根本不同。 图2.19 氨基酸序列有方向。五肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu(YGGFL)从氨基端向羧基端的方向。该五肽是Leu-脑啡肽，一种阿片类肽，能够调节疼痛意识。 多肽链的骨架或主链是有规则的重复，可变部分是侧链（图2.20）。多肽链骨架富有氢键形成的潜力。每个氨基酸残基含有一个羰基，它是氢键的氢原子受体；除了脯氨酸外，每个氨基酸残基还有一个NH基团，它是氢键的氢原子供体。这些基团之间相互作用，或者这些基团与侧链其它功能基团相互作用，稳定蛋白质特定结构。 图2.21 二硫键是一对半胱氨酸残基之间氧化脱氢的结果。 图2.22 牛胰岛素的氨基酸序列。 图2.23 肽键是平面结构。一对用肽键连接的氨基酸中，六个原子(Ca,C,O,N,H,Ca)处于同一平面。氨基酸侧链用绿球标出。 图2.24 肽键单位的各种化学键的长度。此处肽键构型是反式结构。 图2.25 反式和顺式肽键。由于顺式结构存在立体碰撞，反式结构是一种优势结构。 图2.26 X-Pro肽键的反式和顺式结构。因为立体碰撞的情况相似，所以两种结构的能量水平相似。 图2.27 围绕化学键的旋转。多肽链每个氨基酸结构都是围绕两个化学键旋转产生的。(A) f是围绕N-aC键旋转的角度，y是围绕aC-羰基旋转的角度。（B）从N原子向aC原子观测，确定 f值。（C）从aC原子向羰基观测，确定 y值。 图2.28 Ramachand图谱表示f和y角度。不是所有的f和y角度都会出现（不会造成原子碰撞）。最有利的角度用深绿色表示，边界区域用浅绿色标出。右边标出了一个导致立体碰撞的不利构型。 图2.29 a-螺旋结构。（A）标出了a-碳原子和侧链（绿色）的绸带结构式。（B）NH和C=O之间氢键用虚线标出a-螺旋的球-棒结构侧视图。（C）从末端向螺旋骨架内部观测的结构图，其中侧链（绿色）向螺旋外凸出。（D）图C的空间填充模型，表明螺旋内部核堆积紧密。 图2.30 a-螺旋结构的氢键形成方案。在a-螺旋结构中氨基酸残基i的C=O基团与该多肽链的第i+4位氨基酸残基的NH基团形成氢键。 图2.31 螺旋的Ramachandran图谱。右手和左手a-螺旋结构在Ramachandram图谱中都是允许的，但是在蛋白质分子中实际上只有右手a-螺旋结构。 图2.32 a-螺旋结构草图。（A）球-棒结构模型。（B）绸带结构式。（C）圆柱结构式。 图2.33 主要是a-螺旋结构的蛋白质。铁储存蛋白ferritin有一捆a-螺旋结构。 图2.34 b-链的Ramachandran作图。红域是立体化学允许b-伸展链结构。 图2.35 b-链结构。侧链在b-链平面上下交替出现。 图2.36 反平行排列的b-片层。相邻的b-链排列方向相反。一条链某一氨基酸残基的C=O和NH基团与配对链单个相邻氨基酸的NH和C=O基团分别形成氢键，稳定b-片层结构。 图2.37 平行排列的b-片层。相邻b-链方向相同。一条链某一氨基酸残基的C=O和NH基团分别与配对链一个氨基酸的NH和该氨基酸下游第二位氨基酸残基的C=O基团形成氢键，稳定b-片层结构。 图2.38 混合b-片层结构。 图2.39 扭曲的b-片层。（A）球-棒结构模型。（B）b-片层结构草图。（C）图B是旋转90度的视觉图，表明b-片层有扭曲。 图2.40 富含b-片层结构的蛋白质。脂肪酸结合蛋白的结构。 图2.41 反向拐弯的结构。第i位氨基酸残基的C=O基团与第i+3位氨基酸残基的NH基团形成氢键稳定肽链拐弯。 图2.42 蛋白表面的环。抗体蛋白表面有环状结构的区域。用红色显示与其它分子相互作用的环状结构。 图2.43 a-螺旋的螺旋。（A）空间填充模型。（B）绸带示意图。两股螺旋相互缠绕形成超螺旋。很多蛋白质有这样的结构，包括头发、羽毛、脚爪、动物角。 图2.44 螺旋的-螺旋蛋白内有七氨基酸重复。每个螺旋链中，每个七氨基酸重复的第7个氨基酸是亮氨酸。两股螺旋相互靠近主要依赖于亮氨酸残基间的van der Waals相互作用 图2.45 胶原蛋白链的部分氨基酸序列。每个三氨基酸就有一个甘氨酸。脯氨酸和羟脯氨酸的含量也很高。 图2.46 胶原蛋白三链螺旋中每条多肽链的构型。 图2.47 胶原蛋白的结构。（A）胶原蛋白结构的空间填充模型。用不同的颜色表示不同的多肽链。（B）胶原蛋白模型链间交联的截面图。甘氨酸残基的a-碳原子用G表示。每个三氨基酸序列的第三位肯定是甘氨酸，因为螺旋内的空间很小只能容纳甘氨酸。注意吡咯环处于三链螺旋的外侧。 图2.48 肌红蛋白的三维结构。（A）绸带图显示多肽链主要是a-螺旋结构。（B）与图A相同方向的空间填充模型显示折叠多肽紧密压缩。注意血红素辅基置于血红蛋白的裂缝中，只有一个边缘暴露。有一个螺旋用蓝色表示，有利于进行对该结构的两种图谱进行比较。 人胰岛素晶体。胰岛素是蛋白质激素，是人体维持适当血糖浓度的关键。多肽链的氨基酸序列（一级结构）决定了蛋白质的性质。胰岛素两条多肽链折叠形成单一胰岛素分子的三级结构。六个胰岛素分子之间相互作用形成复合物。这种复合物结构，即胰岛素分子之间的相互作用叫蛋白质四级结构。在适当条件诱导下，胰岛素复合物能形成晶体。蛋白质晶体可以用来进行蛋白质结构测定。 生物体内蛋白质的功能多样，它们在所有的生物过程中起关键作用。 蛋白质能充当生物催化剂（酶）， 能储存、运输其他分子如氧气 能给生物体提供机械支持力和免疫力 能产生运动 发射神经冲动 控制生物体的生长与发育。 图2.1 结构决定功能。DNA复制机器的一个蛋白质组分围绕DNA双螺旋的一个区域（圆柱形）。含有两个完全相同亚基的蛋白质（分别用红色和黄色表示）像一把夹子夹住复制DNA，使复制DNA不会与复制机器解离。 蛋白质的几个关键性质： （1）蛋白质是肽键连接氨基酸的线性聚合物。蛋白质能自动折叠成三维结构，而且蛋白质的三维结构取决于蛋白质的氨基酸序列。蛋白质的功能直接依赖于蛋白质的三维结构。因此，蛋白质是一维的分子序列向三维的分子功能转化的具体体现。 （2）蛋白质有很多功能基团。这些功能基团包括醇羟基、巯基、巯醚基、羧酸基、酰胺基、和碱性基团。大多数基团有化学反应性。不同的氨基酸序列其功能基团的组合也不同，这解释了不同蛋白质执行不同功能的原因。功能基团的化学反应性是酶催化活性必需的。 （3）蛋白质分子之间或者蛋白质与其它分子之间能相互作用形成复合物。复合物的蛋白质组分协同作用能够执行单一组分无法完成的功能（图2.2）。例如大分子复合物执行DNA复制、细胞内信号传递、以及其它必需的生物过程。 图2.2 蛋白质复合物。昆虫飞行组织切片的电子显微镜图谱，其中两种蛋白质纤维呈六边形排列 （4）有些蛋白质很坚硬，但有些蛋白质很柔软。坚硬的蛋白质可以作为细胞骨架或粘联组织的结构元件。而有一定柔软度的蛋白质可以充当绞合部（hinges)，弹簧（springs)，或杠杆（levers)。这些绞合部（hinges)、弹簧（springs)、或杠杆（levers)对有些蛋白质的功能、蛋白质之间的相互作用或蛋白质与其它成分相互作用形成复合物、或在细胞内或细胞间传递信息是必需的。 图2.3 柔软性与功能。乳转铁蛋白与铁离子结合后发生构象变化，使其它分子能够区分铁离子结合型和游离型乳转铁蛋白。 氨基酸是蛋白质的组分。a-氨基酸有一个中心碳原子，即a-碳原子，它与一个氨基、一个羧酸基、一个氢原子、和一个独特的R基团连接。通常将R基团称为侧链。如果碳原子所连接的四个基团各不相同，这个碳原子就是手性碳原子。手性碳原子有两种构型，即L-型和D-型 蛋白质的氨基酸组分都是L-型，没有D-型。几乎所有的氨基酸的L-型异构体，其绝对构型是S-型而不是R-型（图2.5）。人们花了很大的精力研究蛋白质氨基酸采用L-型的原因，但至今没有令人满意的解释。尽管选择L-性看上去有些主观性，但是在进化早期一旦选定就固定下来，导致今天的蛋白质氨基酸组分仍然是L-型。 逆时针：S型。 中性pH溶液中氨基酸主要是双极性离子解离型（也称为两性离子）。此时，氨基质子化成铵离子（-NH4+)，羧基脱质子成羧酸根离子(-COO-)。氨基酸的解离状态受溶液pH值影响（图2.6）。在酸性溶液中（如pH 1），氨基酸的氨基质子化（-NH4+)，但羧基不解离(-COOH)。随着pH值增加，羧酸基团丢失质子变成-COO-（因为羧基的pKa值接近2）。双极性离子状态持续到pH值至9。pH值超过9将导致铵离子丢失质子。 最简单的氨基酸是甘氨酸，其侧链就是氢原子。有两个氢原子与a-碳原子结合，因此甘氨酸是唯一的一个非手性氨基酸（即对称氨基酸）。第二个简单氨基酸是丙氨酸，其侧链是甲基（-CH3） 图2.7 甘氨酸和丙氨酸的结构。上面的球棒模型表示原子间化学键的空间排列。中间的立体化学结构式表示与a-碳原子连接的化学键和基团的几何排布。底部是Fischer投影式。 更大脂肪侧链的氨基酸有颉、亮、异亮和甲硫氨酸（图2.8）。甲硫氨酸侧链含有硫醚。异亮氨酸还有一个不对称碳原子。图2.8仅画出了天然氨基酸的构型。脂肪侧链较大的氨基酸是疏水的氨基酸，它们在水中将簇合而不与水接触。水溶性蛋白质三维结构的稳定性来自于蛋白质疏水氨基酸侧链簇合，即疏水效应。不同大小和不同形状的脂肪侧链簇合很紧，相互间的空隙很小。 脯氨酸侧链也是一个脂肪侧链，但脯氨酸侧链既与a-碳原子结合又与a-氨基的N-原子结合（图2.9）。由于侧链环状结构的限制，脯氨酸能够显著影响蛋白质空间结构。 三个芳香氨基酸的侧链有芳香环（图2.10）。苯丙氨酸是苯环替代丙氨酸的一个氢原子。酪氨酸的芳香环有一个羟基。与其他氨基酸侧链呈化学惰性相比，酪氨酸的羟基有化学反应性。色氨酸的吲哚基团替代丙氨酸侧链的氢原子。吲哚基团有两个融合在一起的环，一个环有NH基团。苯丙氨酸是疏水氨基酸，但是酪氨酸和色氨酸疏水性弱，因为这两个氨基酸的侧链有羟基或NH基。 有5种氨基酸的侧链有极性但不带电荷。侧链有羟基与脂肪链相连的氨基酸分别是丝氨酸和苏氨酸（图2.11）丝氨酸是结合一个羟基的丙氨酸衍生物，而苏氨酸在结构上类似颉氨酸（是一个羟基替代一个甲基的颉氨酸类似物）。羟基的存在使苏氨酸和丝氨酸亲水，其反应活性比丙氨酸和颉氨酸大得多。与异亮氨酸一样，苏氨酸也有第二个不对称碳原子，但蛋白质的苏氨酸只有一种构型。 谷氨酰胺和天冬酰胺的侧链也是极性但不带电荷的基团。这两种氨基酸侧链的末端是酰胺而不是羧酸（图2.12）。谷氨酰胺的侧链比天冬酰胺的侧链多一个亚甲基。 半胱氨酸在结构上类似苏氨酸，但是用巯基替代了羟基（图2.13）。巯基比羟基活泼。一对巯基靠近可以形成二硫键，稳定蛋白质的结构。记住：胱氨酸(cystine)和半胱氨酸(cysteine)的英文书写差别。 三种氨基酸侧链带正电荷，即精、赖和组氨酸。它们高度亲水。组氨酸有芳香环的咪唑基，能被质子化后带正电荷。咪唑的pKa值接近于6，在中性pH附近咪唑基既可以接受质子也可以释放质子，实际情况取决于咪唑基团所在的局部环境。 赖氨酸和精氨酸的侧链长，在中性pH时侧链末端带正电荷。赖氨酸侧链的末端是氨基，精氨酸侧链的末端是胍基。 两个氨基酸侧链带负电荷，即天冬氨酸和谷氨酸（图2.16）。这些氨基酸常常被称为天冬氨酸盐和谷氨酸盐，主要是强调这两种氨基酸在生理pH溶液中侧链基团解离，因此带负电荷。在有些蛋白质中这两种氨基酸的作用是接受质子（相当于碱），对蛋白质功能起重要作用。 有七种氨基酸（精、赖、组、半胱、酪、天冬、谷）的侧链能解离，或接受质子，或释放质子。该性质能促进反应进行、或有利于形成离子键。表2.1列出了酪氨酸、半胱氨酸、精氨酸、赖氨酸、组氨酸、天冬氨酸和谷氨酸侧链基团的解离方程式及pKa值。 记住该表格。 氨基酸充当蛋白质原料的理由： 1. 自身性质。氨基酸在结构和化学反应性差异大，使蛋白质式样多、能够执行各种各样的生物功能。 2. 很早就出现。这些氨基酸在前生命时期就已经产生。 3. 新手不合格。后来可能出现的氨基酸可能太活泼，难以被生物接受。 高丝氨酸和高半胱氨酸易形成五元环，限制了这些氨基酸在蛋白质的应用。 一级结构：肽键连接的氨基酸序列 在大多数条件下这个反应的平衡偏向肽键水解。肽键形成需要输入自由能。但是肽键水解的速度很慢，没有催化剂时在水中水解肽键需要1000年。