蛋白质结构：初级，二级，第三，第四纪

蛋白质是生物分子中规模最大、种类最多的一类，它们的结构也最多样。许多蛋白质具有复杂的三维折叠模式，形成紧凑的结构，但也有一些根本不会折叠(“天然非结构化蛋白质”)，并以随机构象存在。蛋白质的功能取决于其结构，而确定单个蛋白质的结构是现代生物化学和分子生物学的一个重要组成部分。

要了解蛋白质如何折叠，我们将从结构的基础上开始，并进展到增加复杂性的结构。

肽债券

为了制造蛋白质，氨基酸通过一种叫做“肽键”的酰胺键连接在一起。这个键是在缩合反应中一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基之间形成的。当两个氨基酸结合时，其结果称为二肽，三个则称为三肽，以此类推。多种氨基酸形成多肽(通常简称为“肽”)。

因为在产生肽键的过程中丢失水，所以一旦掺入它们，单个氨基酸被称为“氨基酸残基”。肽的另一个性质是极性：两端是不同的。一端具有游离氨基（称为“N-末端”），另一端具有游离羧基（“C末端”）。

在合成蛋白质的自然过程中，多肽通过在生长链的c端添加氨基酸而被拉长。传统上，多肽被写在n端前面;因此gly-ser和serg -gly不一样，GS和SG也不一样。这种连接产生了沿分子长度的“NCC-NCC-NCC…”原子的重复模式。这被称为肽的“主干”。如果伸展开来，个别残基的侧链就会从这个主干向外突出。

肽键被写入单键，但由于C-O和C-N键之间的共振实际上具有双键的一些特性：

这意味着涉及到的六个原子是共面的，并且没有围绕C-N轴的自由旋转。这限制了链的灵活性，并防止了一些折叠模式。

蛋白质的一级结构

用复杂程度越来越高的四个层次(初级到四级)来讨论蛋白质结构是很方便的。一级结构就是构成蛋白质的残基序列。因此一级结构只包括将残基连接在一起的共价键。

蛋白质的最小尺寸定义为约50个残基;较小的链简单地称为肽。因此小蛋白质的主要结构将由50个左右的残留物组成。甚至这种小蛋白质含有数百个原子并具有超过5000道尔顿（DA）的分子量。没有理论最大的大小，但到目前为止发现的最大蛋白质有大约30,000个残留物。由于残留物的平均分子量为约110da，因此单链具有超过300万道尔顿的分子量。

二级结构

这种结构水平描述了多肽骨架的局部折叠模式，并通过N-H和C = O基团之间的氢键稳定。已经发现了各种类型的二级结构，但到目前为止，最常见的是称为A-Helix和B片的有序重复的形式。

a螺旋，顾名思义，是单条多肽链的螺旋排列，就像一根卷曲的弹簧。在这种构象中，羰基和N-H基团是平行于轴的。每个羰基都通过一个氢键连接到一个残基的N-H上，这个残基位于同一条链中序列上更远的4个残基上。所有的C=O和N-H基团都参与到氢键中，形成一个相当坚硬的圆柱体。

阿尔法螺旋具有精确的尺寸:3.6残基每轮，0.54 nm每轮。侧链向外突出，接触任何溶剂，产生一种类似瓶刷或圆形发刷的结构。有许多a螺旋结构的蛋白质的一个例子就是构成人类头发的角蛋白。

b片的结构与a-螺旋的结构非常不同。在b片中，多肽链折叠起来，这样多肽链就像并排的，并被氢键固定在一起，形成了一个非常坚硬的结构。多肽N-H和C=O基团形成氢键以稳定结构，但与a-螺旋不同的是，这些键是在相邻的多肽(b)链之间形成的。

一般来说，初级结构以平行或反平行的方式折叠，产生平行或反平行的b片。在这种安排下，侧链从薄板上交替地向上和向下突出。蚕丝的主要成分(丝素蛋白)主要由层层叠加的b层组成。

其他类型的次级结构。虽然a螺旋和b薄片是目前最常见的结构类型，许多其他的可能。这些结构包括各种环状、螺旋状和不规则构象。单个多肽链可能有不同的区域，具有不同的二级结构。事实上，许多蛋白质都是由螺旋、b片和其他类型的折叠模式混合而成的，从而形成各种各样的整体形状。

是什么决定序列的特定部分是否将折叠成这些结构中的一个或另一个？主要决定簇是多肽中残留物的侧链之间的相互作用。有几个因素发挥作用：附近的大侧链之间的空间障碍，附近的相同带电的侧链之间的充电排斥以及脯氨酸的存在。

脯氨酸含有一个限制键角度的环，使得它不会完全适合A螺旋或B片。此外，当存在脯氨酸时，在一种肽键上没有H H，因此氢键不能形成。另一个主要因素是存在彼此相互作用的其他化学基团的存在。这有助于下列蛋白质结构，三级结构。

三级结构

这个层次的结构描述了区域二次结构折叠在一起，也就是说，多肽链的三维排列，包括螺旋，b片，和任何其他环和折叠。三级结构是由侧链之间的相互作用，或侧链与多肽主链之间的相互作用产生的，这些作用往往顺序较远。每一种蛋白质都有特定的折叠模式，这些折叠模式可能非常复杂。

二级结构是由h键稳定的，所有四种“弱”力都对三级结构有贡献。通常，最重要的作用力是疏水相互作用(或疏水键)。多肽链通常包含疏水和亲水残基。就像清洁剂胶束一样，当疏水部分被埋没时，蛋白质是最稳定的，而亲水部分在表面，暴露在水里。因此，像trp这样的疏水残基通常被蛋白质的其他部分(不包括水)所包围，而像asp这样的带电残基则更多地出现在表面。

其他促成三级结构的力有侧链间的离子键、氢键和范德华力。这些键比共价键要弱得多，需要多次相互作用才能稳定结构。

还有一个共价键也参与了三级结构，那就是半胱氨酸残基之间的二硫键。这个键只在非细胞质蛋白中很重要，因为细胞质中有酶系统去除二硫键。

蛋白质结构可视化因为蛋白质的3D结构涉及成千上万的复杂布置中的原子，所以已经开发了各种方式，以便在视觉上明白它们，每个方式都已经明确地理解它们，每个方式都会强调蛋白质的不同性质。已经用许多不同的方式写入软件工具以描绘蛋白质，并且对理解蛋白质结构和功能至关重要。

蛋白质结构域

蛋白质结构也可以用不同于我们刚才讨论的组织层次来描述。这个组织单位就是蛋白质的“域”，域的概念对于理解三级结构是极其重要的。结构域是蛋白质的一个独特区域(氨基酸序列)，而结构域是蛋白质折叠成一个稳定结构的独立折叠部分。一个蛋白质可以有许多结构域，也可以只有一个结构域。较大的蛋白质通常由连接的结构域组成。域通常由一个松散折叠的区域分开，并可能在它们之间产生裂隙。

第四纪结构

有些蛋白质由多条多肽链组成。在这类蛋白质中，四元结构是指单个多肽链的数量和排列。每一种多肽都称为蛋白质的一个亚基。创造三级结构的力量和键也将亚基固定在一个稳定的复合物中，形成完整的蛋白质。

各个链可能是相同的，有些类似或完全不同的。作为实例，帽蛋白是具有两个相同亚基的二聚体，而血红蛋白是含有两对非相同（但类似）亚基的四聚体。它有2个亚基和2个B子单元。分泌的蛋白质通常具有二硫键在一起的亚基。实例包括通过二硫键和非共价力连接的三聚抗体分子，通常具有两个较大的亚基和两个较小的亚基（“重链”和“轻链”）。

在一些蛋白质中，相互缠绕的a螺旋将亚基连接在一起;这些被称为线圈。这种结构是由一个七聚体重复模式的亲水/疏水残基形成的a-螺旋上的疏水表面稳定的。蛋白质的序列可以表示为ABCDEFG.ABCDEFG.ABCDEFG.在a和d位置填充疏水残基，如a、V、L等。每个a-螺旋都有一个疏水表面，因此与另一个相匹配。当两个螺旋相互缠绕时，这些表面就会聚集在一起，掩埋疏水侧链，形成一个稳定的结构。肌凝蛋白就是这样一种蛋白质的一个例子，它是在肌肉中发现的一种允许收缩的运动蛋白。

蛋白质折叠

蛋白质如何以及为什么自然形成二级、三级和四级结构?这个问题是一个非常活跃的研究领域，当然还没有被完全理解。一个折叠的、具有生物活性的蛋白质被认为是处于“天然”状态，这通常被认为是自由能最少的构象。

通过破坏弱键的溶剂处理，蛋白质可以展开或“变性”。因此，破坏疏水相互作用的有机溶剂、干扰氢键的高浓度尿素或胍、极端的pH值甚至高温都将导致蛋白质展开。变性蛋白具有随机、灵活的构象，通常缺乏生物活性。由于暴露的疏水基团，它们经常聚集和沉淀。这就是煎鸡蛋的结果。

如果去除变性条件，一些蛋白质将重新折叠并恢复活性。这个过程被称为“再生”。因此，折叠所需的所有信息都存在于蛋白质的一级结构(序列)中。在复性过程中，多肽链被认为通过疏水作用折叠成一个松散的小球，然后二级结构的小区域形成特别有利的序列。然后这些序列相互作用以稳定中间结构，直到最终构象得到。

许多蛋白质的肾脏难度较小，并且有助于其他蛋白质折叠的蛋白质称为“分子伴侣”。他们被认为是通过可逆掩蔽暴露的疏水区域来采取行动，以防止在多步折叠过程中的聚集。必须跨越膜（例如线粒体蛋白）的蛋白质必须保持展开，直到它们到达目的地，分子伴侣可以在此过程中保护和协助。

蛋白质家族/蛋白质类型

根据结构、功能、位置和/或性质，蛋白质有多种分类方法。例如，许多蛋白质与其他物质如碳水化合物(“糖蛋白”)、脂类(“脂蛋白”)或金属离子(“金属蛋白”)紧密结合。由这20种氨基酸组成的蛋白质的多样性通过这样的结合大大增加了。与膜紧密结合的蛋白质称为“膜蛋白”。对具有相似活性的蛋白质进行功能分类。例如，分解其他蛋白质的蛋白质被称为蛋白酶。

因为几乎所有的蛋白质都是通过进化过程产生的。新家族是由旧家族衍生而来的，根据亲缘关系可分为家族。来自同一祖先的蛋白质称为“同源蛋白质”。

研究同源蛋白的序列可以为蛋白质的结构和功能提供线索。对功能至关重要的残基在进化的时间尺度上不会改变;它们被称为“保守残基”。通过比较氨基酸序列来确定这些残基通常有助于弄清蛋白质在做什么或者它是如何折叠的。

例如，胰蛋白酶和糜蛋白酶属于“丝氨酸蛋白酶”家族;之所以这样命名，是因为一个保守的丝氨酸残基对催化反应至关重要。胰蛋白酶和凝乳蛋白酶具有非常相似的折叠模式和反应机制。识别蛋白质序列中保守残基的模式常常使科学家推断出蛋白质的功能。