甘氨酸（Gly）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。氨基酸中含有芳香性侧链的有：Phe、Tyr、Trp和His；侧链为醇或酚的氨基酸有：Ser、Thr和Tyr；可以形成氢键的有：Arg、Lys、Asp、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及Trp。

2.2.3 蛋白质的结构层次

为了表示蛋白质的不同组织层次，经常使用一级结构和空间结构（二、三、四级结构）等术语对其分子结构进行阐述。一级结构就是氨基酸顺序以及二硫桥的位置，如果后者存在的话。因此，一级结构是关于蛋白质中共价键连接的全部情况。二级结构涉及按线性顺序来说，相互接近的氨基酸残基之间的空间关系。这些空间关系中有的是很有规则的，产生了周期性的结构，如a螺旋、b折叠就是典型的二级结构实例。三级结构是关于蛋白质中多肽链的空间走向，它涉及那些按线性顺序来说相隔较远的氨基酸残基之间的空间关系。必须注意，二级结构与三级结构之间的分界线是人为规定的。包含一条以上多肽链的蛋白质在结构上表现出一个新的层次，即四级结构。四级结构涉及这些多肽链结合在一起的方式。在这样的蛋白质中每一条多肽链称为亚基。另外一个常用的术语是结构域（domain），它代表蛋白质结构中的功能单位。很多蛋白质折叠成具有质量从10到20kdal的结构域，较大蛋白质的几个结构域通常由多肽链中较易变动的区域所连接。

对于蛋白质各结构层次之间的关系而言，一级结构是最基本的，一级结构决定其它各层次的高级结构。

2.2.3.1 蛋白质的一级结构
    蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质中各个氨基酸的顺序。蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键（peptide　bond）。肽键是由一个氨基酸的a-氨基和另一个氨基酸的a-羧基脱水形成的酰胺键（-CO-NH-）。两个氨基酸缩去一个水分子后生成一个二肽（dipeptide）的情况见下图。

各氨基酸由肽键连接而成的产物称为肽（peptide），两个氨基酸组成的肽称为二肽，三个、四个氨基酸相继连接形成三肽、四肽，以此类推。一条较长的氨基酸链通常称为多肽(polypetide)或者蛋白质。多肽以线性结构存在，称为多肽链（polypeptide chain）。由于最初的氨基酸中一些原子在肽键形成的过程中作为水丢失了，因此氨基酸在多肽中通常被称为氨基酸残基(residue)。多肽链是有方向的，一条多肽链在其中一个末端含有一个游离的氨基，称为氨基端(amino terminus)或N-端；另一末端含有一个游离的羧基，称为羧基端(carboxy terminus)或C-端。肽的命名以氨基端到羧基端的氨基酸连接顺序为根据，书写肽链时，氨基端通常放在左边，羧基端放在右边。蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸的序列。

在蛋白质和多肽中连接氨基酸残基的共价键除肽键外，还有二硫键（disulfide bond）。二硫键是在两个半胱氨酸残基的侧链之间形成的，下图所示。

蛋白质中一般没有其它共价交连。

1953年，桑格为一种蛋白质—牛胰岛素测定了相应的氨基酸顺序，如下图所示。这个工作为生物化学研究领域中树立了一座里程碑，因为它第一次展示了蛋白质具有一个确切的氨基酸序列。

    每一种蛋白质具有唯一而确切的氨基酸序列，而氨基酸的顺序又是由遗传所决定的。在遗传特征分子DNA中，核苷酸的顺序规定RNA中核苷酸的一个互补顺序，而后者又规定蛋白质中的氨基酸顺序。另外，各种蛋白质是通过同一个机制由氨基酸合成出来的。

2.2.3.2 蛋白质的二级结构

每一种蛋白质所特有的空间结构通常称为蛋白质的构象，蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽链中有规则的重复构象。蛋白质的功能来源于构象，而蛋白质构象是其所有原子在一个结构中的三维排布方式。氨基酸顺序的重要性在于它规定了蛋白质的构象。

驱使蛋白质折叠的主要动力来自使疏水基团在溶剂中的暴露程度最小的需要，但同时需要保持处于非折叠状态下的多肽链与周围水分子之间的氢键作用所作的有利的能量贡献。为满足第一个需要，多肽链的折叠将避免多数疏水基团与溶剂水接触。为了仍保持系统的能量平衡，要求在折叠状态的多肽主链的肽单位之间交替形成氢键。这一要求驱使蛋白质折叠产生有规则的重复构象，因为主链肽链上的羰基（C=O）和酰胺基（-NH－）是沿主链规则排列的。因此，在最适状态下将在肽链内部或肽链之间出现，显示周期规律的氢键作用，这样便形成了蛋白质的二级结构。

二级结构主要有以下几种形式。

（1） a螺旋（a-helix）

a螺旋是蛋白质中最常见的二级结构，球状蛋白质中常出现典型的a螺旋，有的蛋白质中a螺旋的含量占全部二级结构的80%。a-螺旋是一个棒状结构，紧密卷曲的多肽主链形成棒的内部，而侧链以螺旋式的排布向外伸展。a-螺旋因主链内-NH和-CO基之间形成链内氢键而趋于稳定。每个氨基酸的-CO基以氢键与另一个氨基酸的-NH基相结合，而后一个氨基酸的位置，如在主链上顺序从前一个氨基酸数起，是第5个氨基酸。因此，所有主链上的-CO和-NH都形成氢键。每个残基相对于另一个邻接的残基正好按螺旋轴平移1.5Å和旋转100⁰，这相当于螺旋的每一周含3.6个残基。这样，在a-螺旋中按主链顺序相隔三个和四个氨基酸的两个残基在空间位置上是比较接近的。相反，相隔两个氨基酸的残基正好在螺旋中遥遥相对，从而很难接触。a螺旋的螺距为5.4Å，即为平移量（1.5Å）与每周残基数（3.6）的乘积。一个螺旋的方向可以分为右手型或左手型两种。在蛋白质中找到的a-螺旋都是属于右手型的。

归纳这种二级结构，得到如下特点：多肽链绕中心轴形成右手a-螺旋，每个肽链中-NH的氢与它后面第四个肽键-CO的氧之间形成氢键，氢键取向基本与中心轴平行，见下图。

各种氨基酸（除甘氨酸及脯氨酸外）通过肽键构成主链时都有形成a螺旋的倾向，这是由于a螺旋的稳定性最好。但是各残基的侧链结构各有其构象、疏水性、极性、电荷情况等特点，同时，由于周围肽链及环境不同，常影响a螺旋的延伸。

（2） b折叠（b-plated sheet）

b折叠是除a-螺旋之外最常见的蛋白质二级结构。b-折叠与a-螺旋的明显差别在于它是一个片状物，而非棒状物。在b-折叠片中，多肽链几乎是完全伸展的，下图。这种情况不像在a-螺旋中那样卷曲得很紧密。相邻两个氨基酸的轴向距离为3.5Å，而在a-螺旋中为1.5Å。另外一个差别在于，b-折叠片是被不同多肽片段中-NH和-CO基形成的链间氢键所稳定的，而在a-螺旋中氢键形成于同一个多肽片段中的-NH和-CO基之间。在b-折叠片中，相邻的两条多肽片段既可以是走向相同的（平行b-折叠片, 见下图(a)），也可以是相反的（反平行b-折叠片, 见下图(b)）。

在蛋白质分子中，平行的b-折叠片常出现在分子的内部，而典型的反平行b-折叠片则是一侧埋藏在内，另一侧暴露于溶剂，故其氨基酸序列常为亲水性与疏水性交替。富含b-折叠的蛋白质其稳定性较差。

（3） b-转角（b-turn）

球状蛋白质呈紧密球形，原因在于肽链走向的多次逆转，这主要是通过b-转角这种二级结构来实现的。b转角多分布于球状蛋白质分子表面，使肽链走向改变。在b-转角处经常发现甘氨酸和脯氨酸，因为甘氨酸侧链基团仅有一个氢原子，在构象上比其它氨基酸更易弯曲；而脯氨酸中环状侧链直接连到主链的氢原子上，所形成的固定取向对形成转角有利。b-转角这个发夹式转折，其要领在于多肽链中第n个残基的-CO基与第n+3个残基的-NH基形成氢键。因此，一个多肽链可以急剧地扭转它的走向。

b-转角是球状蛋白质的重要二级结构，它在其他二级结构之间起到连接作用。 

（4） 无规卷曲

无规卷曲是指没有确定规律性的肽链构象，但仍然是紧密有序的稳定结构，可通过主链间氢键，甚至在主链与侧链之间形成氢键而维持其构象。无规卷曲大体上分为两种，即紧密环和连接条带。

 （5） 无序结构

从X射线衍射分析发现，蛋白质分子中确实存在着没有确定结构的区域，这种无序结构是由于在不断运动，或是该区域具有不同的构象，以致于X射线衍射得不到该结构的图像。蛋白质分子中，暴露在介质中带电荷长链的残基如Lys、Arg、Ile等常常是无序的，肽链末端的几个残基如果没有较大的疏水性氨基酸，也常表现为无序结构。

无序结构的生物学意义也不确定，有时切掉肽链末端的无序残基并不影响蛋白质的活性，但是在有些蛋白质的配体结合部位，无配体时呈无序结构，一旦结合上配体之后则成为有序结构。

2.2.3.3 蛋白质的超二级结构

若干二级结构可能以特殊的几何组合出现在蛋白质结构中，这些组合起来的结构单元称为超二级结构(super-secondary structure) 或花样。在球状蛋白质中，几乎所有的三级结构都可以用超二级结构来描述。超二级结构可与某些特殊的生物功能相联系，也可仅作为结构的组装模块。超二级结构主要有以下几种类型。

（1） a-环-a花样

a-环-a花样是含有两个a-螺旋并以一个环区域相连接的、具有特殊功能的超二级结构。 

（2） 发夹b花样（b—环—b花样）

发夹b花样是两条反平行的b-链通过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质的空间结构中频繁出现。b-折叠中相邻近的两条b-链容易形成这种发夹b花样。两条b-链之间环的长度不等，一般为2~5个残基。与a-环-a花样不同的是，发夹b花样无特殊的功能。 

（3） 希腊图案花样

四个邻近的反平行b链通常排列成类似于古希腊装饰图案，因此被称为希腊图案花样。常见于蛋白质结构中，但与特殊功能无直接关系。

（4） b-a-b花样

发夹花样通常用来连接两条反平行的b链。如果两条相邻的平行b链的残基顺序是连续的，其连接部分必须处于b折叠的两端。多肽链必须依靠环区域转两次才能够使这两条链平行，依次为：b链-环1-a螺旋-环2-b链，这样的花样称为b-a-b花样。此种超二级结构在具有平行b-折叠的每一种蛋白质结构中均存在。在这样的结构中，与b-链的羧基端和a-螺旋的氨基端相连的环1常含有功能性结合部位或者活性部位，而另一个与b-链的氨基端和a-螺旋的羧基端相连的环2则尚未发现与活性部位有关。

2.2.3.4 蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指多肽链借助各种相互作用力盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构象。维持蛋白质三级结构的作用力主要是氢键、疏水相互作用、离子键（即盐键）、范德华力以及共价二硫键。某些分子量较大的球状蛋白质在空间上可明显分出两个或多个相对独立的区域，这些区域称为结构域（structure domain），结构域的缔合形成具有一定空间结构的蛋白质。结构域也是功能单位，通常多结构域蛋白质中不同的结构域是与不同的功能相关联的。常见的结构域约含100~200个氨基酸残基，具有三维构象，可独立行使生物学功能。同一蛋白质的结构域之间，或以一段柔性肽链连接，或相互紧密接触。

结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合形成的。在蛋白质中，这种组合的数目是有限的，一些结合方式似乎是蛋白质结构所偏爱的，并且相似的结构域在具有不同功能、不同残基序列的蛋白质中经常重复出现。对已知的蛋白质所进行的拓扑分析表明了两个基本规律，其一是连续的残基区域通常在空间上彼此靠近，这就是所谓的残基空间区域相对分离现象；其二是如果抓住肽链的N端和C端，将肽链拉成一条直线，将不会出现直线打结的现象。

可以根据结构特征将蛋白质分类。对于蛋白质三级结构的分类有不同的方法，然而，基本的方法认为二级结构的组合构成了大多数结构域的核心，并据此将蛋白质结构分为a型、b型、a/b型、a+b型以及不规则结构类型。a型结构主要是由a-螺旋所构成，在蛋白质的表面由环区将各个a-螺旋连接起来，例如肌红蛋白的结构；b型结构主要由反平行的b-折叠所构成，b-折叠片之间以b-转角连接，或者以跳过相临b链的条带而进行连接；a/b型结构则是由a-螺旋所介导的、以平行b-链为主的b-a-b花样所构成的；a+b型结构主要由分离的a-螺旋和反平行的b-折叠组成。此外，还有一类蛋白质属于（a and b）类，这一类蛋白质具有多个上述4种分类的域。另一类特殊的蛋白质是膜蛋白和细胞表面蛋白。许多小蛋白质的结构不规则，其中正规的二级结构单元很少，没有上述几种结构类型。

随着对蛋白质三级结构研究的深入，发现不少蛋白质分子的空间结构中存在着某些立体形状或拓扑结构非常相似的局部区域，它们与一定的序列模式（motif）相对应。通过对蛋白质氨基酸序列的对比分析，可以发现这些序列模式。这些相似的结构区域有特殊的功能，可在不同的蛋白质中出现，甚至重复出现。例如，有些蛋白质的DNA结合区域为螺旋-环-螺旋的卷曲螺旋，其中第二条螺旋常在DNA双螺旋的大沟中与碱基特异结合，成为识别螺旋。在真核转录因子中，常出现螺旋-环-螺旋的序列模式，由5~24个残基组成的环连接在两个a-螺旋之间，螺旋中疏水性残基位置也十分保守，容易使蛋白质肽链之间结合形成二聚体疏水核心，再参与DNA结合。

2.2.3.5 蛋白质的四级结构

    具有三级结构的球状蛋白质通过非共价键作用而形成的聚集体，称为蛋白质的四级结构（quaternary structure），右图。其中，组成三级结构的蛋白质称为亚基或亚单位。由两个亚基组成的称为二（聚）体蛋白质，由四个亚基组成的称为四（聚）体蛋白质。无四级结构的蛋白质如肌红蛋白质称为单体蛋白质，有四级结构的蛋白质如血红蛋白又称寡聚蛋白质。寡聚蛋白质各亚基之间靠非共价键（氢键、盐键、疏水作用）维系。

    生物体内发现的寡聚蛋白质多数是酶，它行使某一完整的生物学功能，而每个亚基则各负担完整功能的中一部分。

蛋白质的各级结构

2.2.3 蛋白质结构与功能关系

一般来说，蛋白质的生物学功能取决于它的高级结构，而高级结构又取决于一级结构，即蛋白质的氨基酸顺序。通过分析比较蛋白质的一级结构，可以判断哪些氨基酸残基对保持蛋白质的空间构象和生物学功能是必需的，哪些是可以取代的；而通过分析比较蛋白质的空间结构，可以判断哪些结构域是与蛋白质的功能紧密联系的，对蛋白质发挥正常的功能是必不可少的，哪些空间结构部分是可以变化的。当然，对于同一个蛋白质，在不同的条件下可能处于不同的构象，因而具有不同的功能。

例如，细胞色素C是细胞线粒体膜内的一种含铁蛋白质，与生物氧化的过程有关，它由大约100个氨基酸残基组成。不同生物来源的细胞色素C具有不完全相同的氨基酸序列，然而，它们所表现出的生物学功能都基本一致。比较各种生物细胞色素C的一级结构，可以发现高度保守的序列片段，其长度约为28个氨基酸，这些保守的氨基酸与细胞色素C的生物活性密切相关，是影响细胞色素C功能的关键部位。

又如，血红蛋白具有运输O₂和CO₂的功能，存在于红细胞中。X-射线衍射晶体结构分析揭示，血红蛋白分子近似于一个球体，其中，含亲水基团的侧链氨基酸几乎全部分布在分子表面，而疏水侧链的氨基酸残基几乎全埋在分子内部，并形成一个疏水性洞穴，血红素恰好居于其中。血红蛋白的四个亚基通过盐键按一定空间关系结合成一个完整的四聚体，从而发挥其生物学活性。根据四个亚基的聚合程度，血红蛋白可分为紧张态（tense state，T态）和松弛态（relaxed state，R态）。T态由于各亚基之间存在较多的盐键，结构紧密；R态的各亚基之间盐键发生了断裂，结构松弛。血红蛋白在结合氧气前处于T态，对氧的亲和力低。与氧结合，触发了血红蛋白四级结构的剧烈改变。这时，联接各亚基的盐键发生断裂，亚基间相对位置改变，即分子构象发生了变化，于是，脱氧血红蛋白转变为氧合血红蛋白，即血红蛋白由T态转变为R态（R态对氧的亲和力高）。这一构象转换在体内有重要的生理学意义：当在组织内氧分偏低时，氧分子从血红蛋白分子中解离出来，其空间构象从R态转变为T态。这种构象转换的机制有利于氧和二氧化碳的运输。