生物化學(xué)與分子生物學(xué)/蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)
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蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。
1.肽鍵平面(或稱酰胺平面，amide plane)。
Pauling等人對(duì)一些簡單的肽及氨基酸的酰胺等進(jìn)行了X線衍射分析，得出圖1-2所示結(jié)構(gòu)，從一個(gè)肽鍵的周圍來看，得知：
圖1-2 肽鍵平面示意圖
(1)
中的C-N鍵長0.132nm，比相鄰的N-C單鍵(0.147nm)短，而較一般C=N雙鍵(0.128nm)長，可見，肽鍵中-C-N-鍵的性質(zhì)介于單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，因而不能旋轉(zhuǎn)，這就將固定在一個(gè)面之內(nèi)。
(2)
肽鍵的C及N周圍三個(gè)鍵角之和均為360°，說明都處于一個(gè)面上，也就是說
六個(gè)原子基本上同處于一個(gè)平面，這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠旋轉(zhuǎn)的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個(gè)肽鍵平面的位置關(guān)系，于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。
(3) 肽鍵中的C-N既具有雙鍵性質(zhì)，就會(huì)有順反不同的立體異構(gòu)，已證實(shí)
處于反位(見圖1－3)。
圖1-3 反式肽單元和順式肽單元
2.蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)單元
1)α-螺旋Pauling等人對(duì)α-角蛋白(α-keratin)進(jìn)行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復(fù)單位，故推測(cè)蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α-螺旋(α-helix)見圖1-4。
圖1-4 蛋白質(zhì)分子的α-螺旋
α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
(1)多個(gè)肽鍵平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn)，相互之間緊密盤曲成穩(wěn)固的右手螺旋。
(2)主鏈呈螺旋上升，每3.6個(gè)氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm，這與X線衍射圖符合。
(3)相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和H桸形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個(gè)氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個(gè)殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵。
(4)肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響α-螺旋的形成。酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于α-螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙α-螺旋形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉(zhuǎn)，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會(huì)影響該處螺旋的穩(wěn)定。
2)β－片層結(jié)構(gòu)Astbury等人曾對(duì)β－角蛋白進(jìn)行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)α-角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α-螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結(jié)構(gòu)和α-螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相同。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為β－片層(β－pleatedsheet)結(jié)構(gòu)或稱β－折迭(圖1－5)。
圖1-5 蛋白質(zhì)分子中的β－片層結(jié)構(gòu)
左：順向平行 右：逆向平行
β－片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：
①是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110°角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。
②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的C＝O與H梄形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。
③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。β－片層結(jié)構(gòu)的形式十分樣，正、反平行能相互交替。
④平行的β－片層結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。
3)β－轉(zhuǎn)角
蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β－轉(zhuǎn)角(β－turn或β－bend)。β－轉(zhuǎn)角中，第一個(gè)氨基酸殘基的C＝O與第四個(gè)殘基的N桯形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(圖1－6)。
圖1-6 蛋白質(zhì)分子中的β－轉(zhuǎn)角
4)無規(guī)卷曲
沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲(random coil)。
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