2 蛋白质的组成和结构（共43页） - 图文

将一系列氨基酸用肽键连接的产物叫多肽。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??氨基，另一端是??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，这些将在2.3节讨论。

多数天然多肽链有50-2000氨基酸残基，称之为蛋白质。已知的最长蛋白质是肌肉蛋白titin，有27000个氨基酸残基。含有较少氨基酸残基的多肽叫寡肽，或简称为肽。氨基酸残基的平均分子量是110gm mol-1，所以大多数蛋白的分子式量是5500至220,000gm mol-1。我们也叫这种分子式量为蛋白质量。一个蛋白质的分子重量是50,000gm mol-1，其质量是50kD。

有些蛋白质线性多肽链发生交联。最常见的交联形式是二硫键。二硫键是一对半胱氨酸残基之间氧化脱氢的结果（图2.21）。用二硫键交联的两个半胱氨酸叫胱氨酸（cystine)。细胞外蛋白质常常有几个二硫键，而胞内蛋白质常常缺乏这些二硫键。其它氨基酸残基侧链之间形成非二硫键连接的事例也有，但很少。例如连接组织的胶原纤维就是用非二硫键的链间连接强化，血液凝固的纤维原也采用这种方式。

蛋白质的氨基酸序列是基因决定的

1953年Frederick Sanger确定了胰岛素的氨基酸序列（图2.2），首次证明蛋白质(1)有特定的氨基酸序列；（2）氨基酸组分是L-型；（3）氨基酸之间的连接是肽键。这项工作是生物化学的里程碑。该工作的完成促进了其他科学家测定更多蛋白的氨基酸序列。现在序列已知的蛋白质达200多万。明显的事实是每种蛋白质都有独特的氨基酸序列。蛋白质的氨基酸序列叫蛋白质的一级结构。

图2.22 牛胰岛素的氨基酸序列。

1950年代后期和1960年代早期的一系列研究证实，蛋白质的氨基酸序列由基因的核苷酸序列决定。DNA的核苷酸序列确定了RNA分子的核苷酸序列，RNA分子的核苷酸序列又决定了蛋白质的氨基酸序列。每个氨基酸由一个或多个特定的三核苷酸序列编码（5.5节）。

知道氨基酸序列很重要。（1）蛋白质氨基酸序列信息是阐明该蛋白质作用（如酶的催化作用）机理所必需的。事实上，已知蛋白质氨基酸序列的变化能产生新的蛋白质特性。（2）蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构。氨基酸序列是DNA遗传信息与执行特定生物学功能的蛋白质三维结构之间的联系。分析蛋白质氨基酸序列与蛋白质三维结构之间的关系能揭示控制多肽链折叠的规则。（3）序列测定是分子病理学的一个组成部分，而分子病理学是一个发展迅速的医学领域。氨基酸序列改变产生蛋白质异常功能和疾病。蛋白质内单一氨基酸变异会引起严重的、有时甚至致命的疾病如镰刀细胞贫血病（195）和囊性纤维病变。（4）蛋白质氨基酸序列能揭示蛋白质的进化史（第六章）。如果蛋白质来自同一祖先，蛋白质之间就很相似。因此进化史上的分子事件可以根据氨基酸序列追踪；分子古生物学（paleontology）是一个研究热点。

虽然多肽链有构象限制但仍然可以改变构象

肽骨架的几何形状有几个特征。（1）肽键基本上是平面结构（图2.23）。因此用肽键连接的一对氨基酸中有六个原子处于同一平面。N-端氨基酸的??碳原子和CO基团，C-端氨基酸的NH原子和??碳原子。肽键的本质解释了肽键的平面特性。肽键有双键性质，阻止了原子围绕双键的转动从而限制了肽骨架的构型。

肽键共振结构

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(C?,C,O,N,H,C?)处于同一平面。氨基酸侧链用绿球标出。

肽键的双键性质也从键的长度反映出来。肽键的C-N长度是1.32A，处于C-N单键长度1.49A和C=N双键长度1.27A之间（图2.24）。最后，肽键不带电荷，使肽链能够紧密压缩成球状结构。

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。

平面肽键可以采用两种构型。在反式构型中，两个??碳原子处于肽键两边。在顺式结构中，两个??碳原子处于肽键的同一边。蛋白质分子中几乎所有肽键是反式结构。原因在于顺式结构的??碳原子所连接的侧链基团有空间障碍，而反式结构就不存在这种空间障碍（图2.25）。至今最常见的顺式肽键是X-Pro之间的肽键。由于脯氨酸的N原子与两个四面体碳原子结合，使反式结构和顺式结构的肽键之间差异不明显（图2.26）。

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。

与肽键不同，氨基与??碳原子之间的化学键以及??碳原子和羰基之间的化学键就是纯粹的单键。两个相邻的肽单位可以围绕这些化学键旋转，产生不同的方向。围绕着两个化学键旋转的自由度使蛋白质有不同的折叠方式。围绕这些化学键旋转的结果可以用扭转角衡量（图2.2.7）。围绕N-?C原子之间化学键旋转的角度叫phi（?）。围绕?C原子和羰基碳原子之间的化学键旋转的角度叫psi (?)。从N原子向?C原子观察、或者从羰基碳原子向?C原子观察，顺时针旋转的角度是正值。?和?的角度决定了肽链走向。

图2.27 多肽链中围绕化学键的旋转。多肽链每个氨基酸结构都是围绕这两个化学键旋转产生的。(A) ?是围绕???C键旋转的角度，?是围绕?C-羰基旋转的角度。（B）从N原子向?C原子观测，确定 ?值。（C）从?C原子向羰基观测，确定 ?值。

?和?角度的各种可能组合都存在吗？Gopalasamudram Ramachandran发现，由于原子之间存在立体障碍，很多?和?角度组合是不容许的。允许的?和?角度数值用二维Ramachandran作图表示（图2.28）。因局部立体碰撞，3/4的?和?角度组合不存在。立体排斥指两个原子在同一时间不能同时出现于同一位臵，这是一个有效的排布原则。

生物大分子的折叠受热力学控制。没有折叠的聚合物是随机盘绕的：各个分子盘绕样式都不相同，产生了很多可能构型。折叠成一致结构就会降低原有的多构型混合物的熵。从热力学角度看，可能构型数量巨大、高度可变的聚合物没有折叠成单一结构的趋势。倒是肽单位的刚性和有限的?和?允许角度导致蛋白质折叠。