第三节蛋白质的一级结构
蛋白质是生物大分子，具有明显的结构层次性，由低层到高层可分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一、肽键和肽
一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基缩水形成的共价键，称为肽键。在蛋白质分子中，氨基酸借肽键连接起来，形成肽链。
最简单的肽由两个氨基酸组成，称为二肽。含有三、四、五个氨基酸的肽分别称为三肽、四肽、五肽等。肽链中的氨基酸由于形成肽键时脱水，已不是完整的氨基酸，所以称为残基。肽的命名是根据组成肽的氨基酸残基来确定的。一般从肽的氨基端开始，称为某氨基酰某氨基酰...某氨基酸。肽的书写也是从氨基端开始。
肽键象酰胺键一样，由于键内原子处于共振状态而表现出较高的稳定性。在肽键中C－N单键具有约40％双键性质，而C=O双键具有40％单键性质。这样就产生两个重要结果：（1）肽键的亚氨基在pH
0-14的范围内没有明显的解离和质子化的倾向；（2）肽键中的C－N单键不能自由旋转，使蛋白质能折叠成各种三维构象。
除了蛋白质部分水解可以产生各种简单的多肽以外，自然界中还有长短不等的小肽，它们具有特殊的生理功能。
动植物细胞中含有一种三肽，称为谷胱甘肽，即δ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。因其含有巯基，故常以GSH来表示。它在体内的氧化还原过程中起重要作用。脑啡肽是天然止痛剂。肌肉中的鹅肌肽是一个二肽，即β-丙氨酰组氨酸。肌肽可作为肌肉中的缓冲剂，缓冲肌肉产生的乳酸对pH的影响。一种抗菌素叫做短杆菌酪肽，由12种氨基酸组成，其中有几种是D-氨基酸。这些天然肽中的非蛋白质氨基酸可以使其免遭蛋白酶水解。许多激素也是多肽，如催产素、加压素、舒缓激肽等。
二、肽的理化性质
小肽的理化性质与氨基酸类似。许多小肽已经结晶。晶体的熔点很高，说明是离子晶体，在水溶液中以偶极离子存在。肽键的亚氨基不解离，所以肽的酸碱性取决于肽的末端氨基、羧基和侧链上的基团。在长肽或蛋白质中，可解离的基团主要是侧链上的。肽中末端羧基的pK'比自由氨基酸的稍大，而末端氨基的pK'则稍小。侧链基团变化不大。
肽的滴定曲线和氨基酸的很相似。肽的等电点也可以根据它的pK'值确定。
一般小肽的旋光度等于各个氨基酸旋光度的总和，但较大的肽或蛋白质的旋光度不等于其组成氨基酸的旋光度的简单加和。
肽的化学性质和氨基酸一样，但有一些特殊的反应，如双缩脲反应。一般含有两个或两个以上肽键的化合物都能与CuSO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应可以测定蛋白质的含量。
三、一级结构的测定
（一）一级结构
蛋白质的一级结构是指肽链的氨基酸组成及其排列顺序。氨基酸序列是蛋白质分子结构的基础，它决定蛋白质的高级结构。一级结构可用氨基酸的三字母符号或单字母符号表示，从N-末端向C-末端书写。采用三字母符号时，氨基酸之间用连字符（－）隔开。
（二）测定步骤
测定蛋白质的一级结构，要求样品必须是均一的（纯度大于97％）而且是已知分子量的蛋白质。一般的测定步骤是：
1.通过末端分析确定蛋白质分子由几条肽链构成。
2.将每条肽链分开，并分离提纯。
3肽链的一部分样品进行完全水解，测定其氨基酸组成和比例。
4.肽链的另一部分样品进行N末端和C末端的鉴定。
5.拆开肽链内部的二硫键。
6.肽链用酶促或化学的部分水解方法降解成一套大小不等的肽段，并将各个肽段分离出来。
7.测定每个肽段的氨基酸顺序。
8.从第二步得到的肽链样品再用另一种部分水解方法水解成另一套肽段，其断裂点与第五步不同。分离肽段并测序。比较两套肽段的氨基酸顺序，根据其重叠部分拼凑出整个肽链的氨基酸顺序。
9.测定原来的多肽链中二硫键和酰胺基的位置。
（三）常用方法
1. 末端分析
（1）N末端
蛋白质的末端氨基与2,4-二硝基氟苯(DNFB)在弱碱性溶液中作用生成二硝基苯基蛋白质（DNP-蛋白质）。产物黄色，可经受酸性100℃高温。水解时，肽链断开，但DNP基并不脱落。DNP-氨基酸能溶于有机溶剂（如乙MI）中，这样可与其他氨基酸和ε-DNP赖氨酸分开。再经双向滤纸层析或柱层析，可以鉴定黄色的DNP氨基酸。
丹磺酰氯法是更灵敏的方法。蛋白质的末端氨基与5-(二甲胺基)萘-1-磺酰氯(DNS-Cl)反应，生成DNS-蛋白质。DNS-氨基酸有强荧光，激发波长在360nm左右，比DNFB法灵敏100倍。
目前应用最广泛的是异硫氰酸苯酯(PITC)法。末端氨基与PITC在弱碱性条件下形成相应的苯氨基硫甲酰衍生物，后者在硝基甲烷中与酸作用发生环化，生成相应的苯乙内酰硫脲衍生物而从肽链上掉下来。产物可用气-液色谱法进行鉴定。这个方法最大的优点是剩下的肽链仍是完整的，可依照此法重复测定新生的N末端氨基酸。现在已经有全自动的氨基酸顺序分析仪，可测定含20个以上氨基酸的肽段的氨基酸顺序。缺点是不如丹磺酰氯灵敏，可与之结合使用。
N末端氨基酸也可用酶学方法即氨肽酶法测定。
（2）C末端
a) C末端氨基酸可用硼氢化锂还原生成相应的α氨基醇。肽链水解后，再用层析法鉴定。有断裂干扰。
b)
另一个方法是肼解法。多肽与肼在无水条件下加热，可以断裂所有的肽键，除C末端氨基酸外，其他氨基酸都转变为相应的酰肼化合物。肼解下来的C末端氨基酸可用纸层析鉴定。精氨酸会变成鸟氨酸，半胱氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺被破坏。
c) 也可用羧肽酶法鉴定。将蛋白质在pH 8.0,
30℃与羧肽酶一起保温，按一定时间间隔取样，用纸层析测定释放出来的氨基酸，根据氨基酸的量与时间的关系，就可以知道C末端氨基酸的排列顺序。羧肽酶A水解除精氨酸、赖氨酸和脯氨酸外所有肽键，羧肽酶B水解精氨酸和赖氨酸。
2.二硫键的拆开和肽链的分离
一般情况下，蛋白质分子中肽链的数目应等于N末端氨基酸残基的数目，可根据末端分析来确定一种蛋白质由几条肽链构成。必须设法把这些肽链分离开来，然后测定每条肽链的氨基酸顺序。如果这些肽链之间不是共价交联的，可用酸、碱、高浓度的盐或其他变性剂处理蛋白质，把肽链分开。如果肽链之间以二硫键交联，或肽链中含有链内二硫键，则必须用氧化或还原的方法将二硫键拆开。最普遍的方法是用过量的巯基乙醇处理，然后用碘乙酸保护生成的半胱氨酸的巯基，防止重新氧化。二硫键拆开后形成的个别肽链，可用纸层析、离子交换柱层析、电泳等方法进行分离。
3.肽链的完全水解和氨基酸组成的测定。
在测定氨基酸顺序之前，需要知道多肽链的氨基酸组成和比例。一般用酸水解，得到氨基酸混合物，再分离测定氨基酸。目前用氨基酸自动分析仪，2－4小时即可完成。
蛋白质的氨基酸组成，一般用每分子蛋白质中所含的氨基酸分子数表示。不同种类的蛋白质，其氨基酸组成相差很大。
4.肽链的部分水解和肽段的分离
当肽链的氨基酸组成及N末端和C末端已知后，随后的步骤是肽链的部分水解。这是测序工作的关键步骤。这一步通常用专一性很强的蛋白酶来完成。
最常用的是胰蛋白酶（trypsin），它专门水解赖氨酸和精氨酸的羧基形成的肽键，所以生成的肽段之一的C末端是赖氨酸或精氨酸。用丫丙啶处理，可增加酶切位点（半胱氨酸）；用马来酸酐（顺丁烯二酸酐）保护赖氨酸的侧链氨基，或用1,2-环己二酮修饰精氨酸的胍基，可减少酶切位点。
经常使用的还有糜蛋白酶，水解苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等疏水残基的羧基形成的肽键。其他疏水残基反应较慢。
用溴化氰处理，可断裂甲硫氨酸的羧基形成的肽键。水解后甲硫氨酸残基转变为C末端高丝氨酸残基。以上三种方法经常使用。
胃蛋白酶和嗜热菌蛋白酶。前者水解疏水残基之间的肽键，后者水解疏水残基的氨基形成的肽键。
金葡菌蛋白酶，又称谷氨酸蛋白酶或V8蛋白酶，水解谷氨酸和天冬氨酸的羧基形成的肽键，但受缓冲液影响。在醋酸缓冲液中只水解谷氨酸，在磷酸缓冲液中还可水解天冬氨酸。
梭状芽孢杆菌蛋白酶，水解精氨酸羧基形成的肽键，又称精氨酸蛋白酶。耐变性剂，可经受6M尿素2小时。可用于水解不易溶解的蛋白。
凝血酶，水解Arg-Gly肽键。
羟胺可水解Asn-Gly，但Asn-Leu和 Asn-Ala也能部分裂解。
以上方法中，酶不能水解脯氨酸参与形成的肽键。
多肽部分水解后，降解成长短不一的小肽段，可用层析或电泳加以分离提纯。经常用双向层析或电泳分离，再用茚三酮显色，所得的图谱称为肽指纹谱。
5.多肽链中氨基酸顺序的测定
从多肽链中部分水解得到的肽段可用化学法或酶法测序，然后比较用不同方法获得的两套肽段的氨基酸顺序，根据它们彼此重叠的部分，确定每个肽段的适当位置，拼凑出整个多肽链的氨基酸顺序。
6.二硫键位置的确定
一般用蛋白酶水解带有二硫键的蛋白质，从部分水解产物中分离出含二硫键的肽段，再拆开二硫键，将两个肽段分别测序，再与整个多肽链比较，即可确定二硫键的位置。常用胃蛋白酶，因其专一性低，生成的肽段小，容易分离和鉴定，而且可在酸性条件下作用（pH2），此时二硫键稳定。肽段的分离可用对角线电泳，将混合物点到滤纸的中央，在pH6.5进行第一次电泳，然后用过甲酸蒸汽断裂二硫键，使含二硫键的肽段变成一对含半胱氨磺酸的肽段。将滤纸旋转90度后在相同条件下进行第二次电泳，多数肽段迁移率不变，处于对角线上，而含半胱氨磺酸的肽段因负电荷增加而偏离对角线。用茚三酮显色，分离，测序，与多肽链比较，即可确定二硫键位置。
四、多肽合成
多肽的人工合成有两种类型，一种是由不同氨基酸按照一定顺序排列的控制合成，另一种是由一种或两种氨基酸聚合或共聚合。控制合成的一个困难是进行接肽反应所需的试剂，能同时和其他官能团反应。因此在接肽以前必须首先将这些基团加以封闭或保护，肽键形成后再除去保护基。这样每连接一个氨基酸残基都要经过几个步骤，要得到较长的肽链就必须每步都有较高的产率。如果每一步反应产率都是90%，那么30次反应后总产率只有4.24%。
保护基必须在接肽时起保护作用，在接肽后容易除去，又不引起肽键断裂。最常用的氨基保护基Y是苄氧甲酰基，可用催化加氢或用金属钠在液氨中处理除去。其他还有三苯甲基、叔丁氧甲酰基等，可用稀盐酸或乙酸在室温下除去。
羧基保护基Z通常用烷基，如乙基，可在室温下皂化除去。如用苄基，可用催化加氢除去。
肽键不能自发形成，常用缩合剂促进肽键形成。接肽用的缩合剂最有效的是N,N'-二环己基碳二亚胺(DC
CI)。DCCI从两个氨基酸分子中夺取一分子水，自身变为不溶的N,N'-二环己基脲，从反应液中沉淀出来，可过滤除去。接肽反应除用缩合剂以外，还可用分别活化参加形成肽键的羧基和氨基的方法。羧基活化可用叠氮化物法和活化酯法（对硝基苯酯）等；氨基活化一般不需特殊手段，通常在接肽时加入有机碱，如三乙胺，保证氨基在自由状态即可。
近年来固相多肽合成迅速发展。在固相合成中，肽链的逐步延长是在不溶的聚苯乙烯树脂小圆珠上进行的。合成多肽的羧基端先和氯甲基聚苯乙烯树脂反应，形成苄酯。第二个氨基酸的氨基用叔丁氧甲酰基保护后，以DCCI为缩合剂，接在第一个氨基酸的氨基上。重复这个方法，可使肽链按一定顺序延长。最后把树脂悬浮在无水三氟乙酸中，通入干燥HBr，使多肽与树脂分离，同时除去保护基。整个合成过程现在已经可以在自动化固相多肽合成仪上进行。平均合成每个肽键只需三小时。此法可用于医药工业。人工合成的催产素没有混杂的加压素，比提取的天然药品好。已经成功合成含124个残基的蛋白。
第四节 蛋白质的高级结构
蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的，包括二级、三级和四级结构。Primary
structure, secondary, tertiary, quaternary structure
一、有关概念
1. 构型configration与构象conformation
构型指立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，构型的改变必须通过共价键的断裂。构象是指这些取代基团当单键旋转时可能形成的不同的立体结构，构象的改变不涉及共价键的改变。
2. 二面角
因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一个平面，称肽平面。肽平面内的C=O与N－H呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象就是由肽平面之间的角度决定的。主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。绕Cα－N1旋转的角称Φ，而绕Cα－C2旋转的角称Ψ。这两个角称为二面角。规定当旋转键两侧的肽链成顺式时为0度。取值范围是正负180度，当二面角都是180度时肽链完全伸展。由于空间位阻，实际的取值范围是很有限的。
二、二级结构
（一）二级结构是肽链的空间走向
蛋白质的二级结构是指肽链主链的空间走向（折叠和盘绕方式），是有规则重复的构象。肽链主链具有重复结构，其中氨基是氢键供体，羰基是氢键受体。通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构单元。复杂的蛋白质分子结构，就由这些比较简单的二级结构单元进一步组合而成。
（二）肽链卷曲折叠形成四种二级结构单元
1.α螺旋(α-helix)
α螺旋模型是Pauling和Corey等研究α-角蛋白时于1951年提出的。角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。它包括皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。α角蛋白，如头发，暴露于湿热环境中几乎可以伸长一倍，冷却干燥后又收缩到原来长度。β角蛋白则无此变化。
α角蛋白的X射线衍射图案极其相似，沿长轴方向都有一个大周期结构或重复单位，其长度为5－5.5埃。Pauling等考虑到肽平面对多肽链构象的限制作用，设计了多肽链折叠的各种可能模型，发现其中一种α螺旋模型能很好地说明α角蛋白的X射线衍射图案中的5－5.5埃重复单位。在这个模型中，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，相当于向上平移5.4埃。螺旋的直径是11埃。螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，向上平移1.5埃，比完全伸展的构象压缩2.4倍。这与衍射图案中的小周期完全一致。其二面角Φ=-57度，Ψ=-48度。在α螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。氢键是由肽键中氮原子上的氢与其N端第四个羰基上的氧之间形成的。α螺旋的结构允许所有的肽键都参与链内氢键的形成，因此相当稳定。α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共13个原子，称为3.613（n=3）螺旋。
由L型氨基酸构成的多肽链可以卷曲成右手螺旋，也可卷曲成左手螺旋，但右手螺旋比较稳定。因为在左手螺旋中β碳与羰基过于接近，不稳定。在天然蛋白质中，几乎所有α螺旋都是右手螺旋。只在嗜热菌蛋白酶中发现一圈左手螺旋。在α角蛋白中，3或7个α螺旋可以互相拧在一起，形成三股或七股的螺旋索，彼此以二硫键交联在一起。α螺旋不仅是α角蛋白的主要构象，在其他纤维蛋白和球状蛋白中也广泛存在，是一种常见的二级结构。
α螺旋是一种不对称的分子结构，具有旋光能力。α螺旋的比旋不等于其中氨基酸比旋的简单加和，因为它的旋光性是各个氨基酸的不对称因素和构象本身不对称因素的总反映。天然α螺旋的不对称因素引起偏振面向右旋转。利用α螺旋的旋光性，可以测定它的相对含量。
一条肽链能否形成α螺旋，以及螺旋的稳定性怎样，与其一级结构有极大关系。脯氨酸由于其亚氨基少一个氢原子，无法形成氢键，而且Cα－N键不能旋转，所以是α螺旋的破坏者，肽链中出现脯氨酸就中断α螺旋，形成一个"结节"。此外，侧链带电荷及侧链基团过大的氨基酸不易形成α螺旋，甘氨酸由于侧链太小，构象不稳定，也是α螺旋的破坏者。
根据各种残基的特性，可以预测蛋白质的二级结构。目前常见的预测方法有Chou-Fasman法、GOR法、Lim法等，都是根据统计信息进行预测的。如果二级结构的预测成功率大于80％，就可以用来预测高级结构，但目前只能达到70％左右。Chou-Fasman法比较直观，与二级结构形成的实际过程接近，但成功率不高。
Chou-Fasman法根据各个氨基酸在一些已知结构的蛋白质中的表现，按构象参数Pα(表示形成α螺旋的能力) 由大到小将他们分为六组，依次为：
最强的形成者(Hα)：Glu、Met、Ala、Leu
中等的形成者(hα)：Lys、Phe、Gln、Trp、Ile、Val
很弱的形成者(Iα)：Asp、His
中立者(iα)：Cys、Ser、Thr、Arg
较弱的破坏者(bα)：Asn、Tyr
最强的破坏者(Bα)：Gly、Pro
如肽链中6个连续的残基中有4个hα即可形成核心，然后向两侧延伸，遇到四肽破坏者时中止。形成α螺旋时有协同性，即一旦形成核心，其它残基就容易加入。
