图5-4a螺旋三维结构 (2)β-折叠(β- sheet)结构 β-折叠或β折叠片(β- pleated sheet)也称β-结构或β-构象,是蛋白 质中又一种普遍存在的规则构象单元,它是一种具有特殊几何形状(锯齿型)的 伸展结构(图5-5),在这一伸展结构中,C=0和NH基是在链垂直的方向取向。 因此,氢键只能通过较远距离的两个片段之间形成,而同一肽段的邻近肽键间很 难或不能形成氢键,因此单股β-折叠是不稳定的,比α-螺旋更加伸展。β-链 通常是5~15个氨基酸长,分子中各股β-折叠之间通过氢键相互作用,组合成 组β-折叠,形成片层结构,一般称为β-折叠片。在片层结构中残基侧链垂直 于片状结构平面,位于折叠平面的上方或下方。按多肽主链中N→C的指向,B 折叠片存在两种类型结构,即平行β-折叠和反平行β-折叠。所谓平行式 ( Paralle1)是所有肽链的N末端均在同一侧,即肽链的排列极性(N→C)是 顺的,例如B-角蛋白,在平行式的β-折叠片结构中链的取向影响氢键的几何构 型。而反平行式(Anti- Paralle1)肽链的N末端为一顺一反地排列,呈间隔同 向,肽链的极性一顺一倒。N-H……0三个原子在同一条直线上(氢键角为0°), 从而增加了氢键的稳定性。而在平行式β-折叠片结构中,这些原子不在一条直 线上,而是形成一定的角度,使氢键稳定性降低。因此,反平行式的β-折叠片 比平行式的更为稳定。二者的结构示意图见图5-5。电荷和位阻通常对β-折叠 片结构的存在没有很大的影响
图 5-4 α螺旋三维结构 （2）β-折叠（β-sheet）结构 β-折叠或β折叠片（β-pleated sheet）也称β-结构或β-构象，是蛋白 质中又一种普遍存在的规则构象单元，它是一种具有特殊几何形状（锯齿型）的 伸展结构（图 5-5），在这一伸展结构中，C=0 和 N-H 基是在链垂直的方向取向。 因此，氢键只能通过较远距离的两个片段之间形成，而同一肽段的邻近肽键间很 难或不能形成氢键，因此单股β-折叠是不稳定的，比α-螺旋更加伸展。β-链 通常是 5～15 个氨基酸长，分子中各股β-折叠之间通过氢键相互作用，组合成 一组β-折叠，形成片层结构，一般称为β-折叠片。在片层结构中残基侧链垂直 于片状结构平面，位于折叠平面的上方或下方。按多肽主链中 N→C 的指向，β- 折叠片存在两种类型结构，即平行β-折叠和反平行β-折叠。所谓平行式 （Parallel）是所有肽链的 N 末端均在同一侧，即肽链的排列极性（N→C）是一 顺的，例如β-角蛋白，在平行式的β-折叠片结构中链的取向影响氢键的几何构 型。而反平行式（Anti－Parallel）肽链的 N 末端为一顺一反地排列，呈间隔同 向，肽链的极性一顺一倒。N-H……0 三个原子在同一条直线上（氢键角为 0°）， 从而增加了氢键的稳定性。而在平行式β-折叠片结构中，这些原子不在一条直 线上，而是形成一定的角度，使氢键稳定性降低。因此，反平行式的β-折叠片 比平行式的更为稳定。二者的结构示意图见图 5-5。电荷和位阻通常对β-折叠 片结构的存在没有很大的影响
155 图5-5B折叠片结构 β-折叠结构一般比α-螺旋稳定。蛋白质中如若含有较高比例的β-折叠结 构,往往需要高的温度才能使蛋白质变性。例如β-乳球蛋白(51%β-折叠)和 大豆11S球蛋白(64%B-折叠)的热变性温度分别为75.6°和84.5°。然而, 牛血清清蛋白中含有大约64%a-螺旋结构,变性温度仅为64℃。加热和冷却蛋 白质溶液,通常可以使α-螺旋转变为β-折叠结构。但是,β-折叠向α-螺旋转 变的现象迄今在蛋白质中尚未发现。β-转角(β-turn)也称回折或β-弯曲 (B-bend)是蛋白质中常见的又一种二级结构(图5-6,5-7),它是形成 折叠时多肽链反转180°的结果。发夹弯曲结构是反平行β-折叠形成的,交叉 弯曲则是由平行β-折叠形成的结构。B-转角由4个氨基酸残基构成,通过氢键 稳定。在β-转角中常见的氨基酸有天冬氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、 脯氨酸和酪氨酸。 些与食品相关的蛋白质的二级结构组成见表5-7。 (A) 图5-6β-转角的I型(A)和Ⅱ型(B)构象
图 5-5 β折叠片结构 β-折叠结构一般比 α-螺旋稳定。蛋白质中如若含有较高比例的β-折叠结 构，往往需要高的温度才能使蛋白质变性。例如β-乳球蛋白（51%β-折叠）和 大豆 11S 球蛋白（64%β-折叠）的热变性温度分别为 75.6°和 84.5°。然而， 牛血清清蛋白中含有大约 64%α-螺旋结构，变性温度仅为 64℃。加热和冷却蛋 白质溶液,通常可以使 α-螺旋转变为β-折叠结构。但是，β-折叠向 α-螺旋转 变的现象迄今在蛋白质中尚未发现。β-转角（β-turn）也称回折或β-弯曲 （β-bend）是蛋白质中常见的又一种二级结构（图 5-6，5-7），它是形成 β- 折叠时多肽链反转 180°的结果。发夹弯曲结构是反平行β-折叠形成的，交叉 弯曲则是由平行β-折叠形成的结构。β-转角由 4 个氨基酸残基构成，通过氢键 稳定。在β-转角中常见的氨基酸有天冬氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、甘氨酸、 脯氨酸和酪氨酸。 一些与食品相关的蛋白质的二级结构组成见表 5-7。 图 5-6 β-转角的Ⅰ型（A）和Ⅱ型（B）构象
图5-7β弯曲结构 表5-7一些与食品相关的蛋白质的二级结构组成 蛋白质 一螺旋(%)β-折叠(%) B-转角(%)非周期结构(%) 脱氧血红蛋白 牛血清清蛋白 33.0 胰凝乳蛋白酶系 49.4 18.4 免疫球蛋白G 67.2 17.8 胰岛素C 60.8 14.7 10.8 牛胰蛋白酶抑制剂 44.8 核糖核酸酶A 22.6 18.5 溶菌酶 45.7 19.4 木瓜蛋白酶 27.8 29.2 24.5 a-乳清蛋白 14.0 β-乳球蛋白 51.2 10.5 大豆11S 8.5 27.0 大豆7S 29.5 云扁豆蛋白 10.5 50.5 11.5 27.5 注:数值代表总的氨基酸残基的百分数 3.超二级结构( Super-Secondary Structrue) 蛋白质结构分析已经证明,在蛋白质结构中,常常发现两个或几个二级结构 单元被连接多肽连接起来,进一步组合成有特殊的几何排列的局域空间结构,这 些局域空间结构称为超二级结构或简称 Motif。图5-8所表示的是由两个α螺 旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构
图 5-7 β 弯曲结构 表 5-7 一些与食品相关的蛋白质的二级结构组成 蛋白质 α—螺旋（%） β-折叠（%） β-转角(%) 非周期结构(%) 脱氧血红蛋白 85.7 0 8.8 5.5 牛血清清蛋白 67.0 0 0 33.0 胰凝乳蛋白酶系 11.0 49.4 21.2 18.4 免疫球蛋白 G 2.5 67.2 17.8 12.5 胰岛素 C 60.8 14.7 10.8 15.7 牛胰蛋白酶抑制剂 25.9 44.8 8.8 20.5 核糖核酸酶 A 22.6 46.0 18.5 12.9 溶菌酶 45.7 19.4 22.5 12.4 木瓜蛋白酶 27.8 29.2 24.5 18.5 α-乳清蛋白 26.0 14.0 - 60.0 β-乳球蛋白 6.8 51.2 10.5 31.5 大豆 11S 8.5 64.5 0 27.0 大豆 7S 6.0 62.5 2.0 29.5 云扁豆蛋白 10.5 50.5 11.5 27.5 注：数值代表总的氨基酸残基的百分数 3.超二级结构（Super-Secondary Structrue） 蛋白质结构分析已经证明，在蛋白质结构中，常常发现两个或几个二级结构 单元被连接多肽连接起来，进一步组合成有特殊的几何排列的局域空间结构，这 些局域空间结构称为超二级结构或简称 Motif。图 5－8 所表示的是由两个α螺 旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构
螺旋 螺旋 连接肽 连接肽 图5一8由两个α螺旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构示意图 (a)DNA结合 Mot if(b)钙原子结合 Motif 4.三级结构( Tertiary Structure) 蛋白质的三级结构是指含α螺旋、β弯曲和β折叠或无规卷曲等二级结构的 蛋白质,其线性多肽链进一步折叠成为紧密结构时的三维空间排列。尽管许多蛋 白质的三级结构已经充分了解,但很难用简单的方式来表示这种结构。大多数蛋 白质含有100个以上的氨基酸残基,虽然在平面上表示的三维空间结构可以给人 以深刻的印象,但这些描述仅仅是示意图(图5-9) 蛋白质从线性构型转变成折叠的三级结构是一个复杂的过程。当蛋白质肽链 局部的肽段形成二级结构以及它们之间进一步相互作用成为超二级结构后,仍有 一些肽段中的单键在不断的运动旋转,肽链中的各个部分,包括已知相对稳定的 超二级结构以及还未键合的部分,继续相互作用,使整个肽链的内能进一步降低, 分子变得更为稳定。因此,在分子水平上,蛋白质结构形成的细节存在于氨基酸 序列中。也就是说,三维构象是多肽链的各个单键的旋转自由度受到各种限制的 结果。从能量观点上看,三级结构的形成包括:蛋白质中不同基团之间的各种相 互作用(疏水,静电和范德华力的相互作用)的优化;最佳状态氢健的形成,使 蛋白质分子的自由能尽可能的降低到最低值。 在已知三级结构的水溶性蛋白质中,发现在三级结构形成的过程中,大多数 疏水性氨基酸残基重新取向后定位在蛋白质结构的内部,而大多数亲水性氨基酸 残基,特别是带电荷的氨基酸则较均匀的分布在蛋白质-水界面,同时伴随着自 由能的降低。但也发现一些例外,例如,电荷的各向异性分布可能出现,使得蛋 白质有确定的生物功能(如蛋白酶)。就某些蛋白质而言,不溶于水而溶于有机 溶剂(例如作为脂类载体的脂蛋白),其分子表面分布较多的疏水性氨基酸残基。 从上述氨基酸残基在蛋白质中的分布,不难进一步推测一些富含疏水氨基酸 残基的肽段多数是处于球状蛋白质的内部,富含亲水残基的肽段应该更多的出现
图５－8 由两个α螺旋与连接多肽组成的最简单的具备特殊功能的超二级结构示意图 （ａ）ＤＮＡ结合 Motif （ｂ）钙原子结合 Motif 4. 三级结构（Tertiary Structure） 蛋白质的三级结构是指含α螺旋、β弯曲和β折叠或无规卷曲等二级结构的 蛋白质，其线性多肽链进一步折叠成为紧密结构时的三维空间排列。尽管许多蛋 白质的三级结构已经充分了解，但很难用简单的方式来表示这种结构。大多数蛋 白质含有 100 个以上的氨基酸残基，虽然在平面上表示的三维空间结构可以给人 以深刻的印象，但这些描述仅仅是示意图（图 5－9）。 蛋白质从线性构型转变成折叠的三级结构是一个复杂的过程。当蛋白质肽链 局部的肽段形成二级结构以及它们之间进一步相互作用成为超二级结构后，仍有 一些肽段中的单键在不断的运动旋转，肽链中的各个部分，包括已知相对稳定的 超二级结构以及还未键合的部分，继续相互作用，使整个肽链的内能进一步降低， 分子变得更为稳定。因此，在分子水平上，蛋白质结构形成的细节存在于氨基酸 序列中。也就是说，三维构象是多肽链的各个单键的旋转自由度受到各种限制的 结果。从能量观点上看，三级结构的形成包括：蛋白质中不同基团之间的各种相 互作用（疏水，静电和范德华力的相互作用）的优化；最佳状态氢健的形成，使 蛋白质分子的自由能尽可能的降低到最低值。 在已知三级结构的水溶性蛋白质中，发现在三级结构形成的过程中，大多数 疏水性氨基酸残基重新取向后定位在蛋白质结构的内部，而大多数亲水性氨基酸 残基，特别是带电荷的氨基酸则较均匀的分布在蛋白质-水界面，同时伴随着自 由能的降低。但也发现一些例外，例如，电荷的各向异性分布可能出现，使得蛋 白质有确定的生物功能（如蛋白酶）。就某些蛋白质而言，不溶于水而溶于有机 溶剂（例如作为脂类载体的脂蛋白），其分子表面分布较多的疏水性氨基酸残基。 从上述氨基酸残基在蛋白质中的分布，不难进一步推测一些富含疏水氨基酸 残基的肽段多数是处于球状蛋白质的内部，富含亲水残基的肽段应该更多的出现
在球状蛋白质的表面。然而这只是简单的推测,事实上,并非完全如此。在大多 数球状蛋白质中,水可达到的界面有40%-50%被非极性基团占据,同时部分 极性基团不可避免的埋藏在蛋白质的内部,而且总是能与其他极性基团发生氢键 键合,以至于使蛋白质内部非极性环境中的自由能降低到最小。另外,球状蛋白 质的三级结构的特征离不开各种不同类型的二级结构在蛋白质中的分布。原则 上,一些相对规则的α螺旋和β折叠分布在球状蛋白质的内部,而且压积得很紧 密,致使球状蛋白成为致密的结构;那些连接α螺旋和β折叠的规则性相对差 些的二级结构,转角和环状以及特定的“无规”卷曲,则更多的分布在球状蛋白 质的外围。 蛋白质一级结构中亲水性和疏水性氨基酸残基的比例和分布,影响蛋白质的 某些物理化学性质。例如,蛋白质分子的形状可通过氨基酸的序列预测,如果 个蛋白质分子含有大量的亲水性氨基酸残基,并且均匀的分布在多肽链中,那么 蛋白质分子将为伸长或呈棒状形。这是因为在相对分子质量一定时,相对于体积 而言,棒状形具有较大的表面积,于是更多的疏水性氨基酸残基分布在表面。反 之,当蛋白质含有大量的疏水性氨基酸残基,蛋白质则为球形,它的表面积和体 积之比最小,使更多的疏水性基团埋藏在蛋白质内部。 (A) 魔Q 图5-9云扁豆蛋白(A)和β一乳球蛋白(B)的三级结构 图中箭头表示β折叠结构,圆柱体表示α螺旋 5.四级结构( Quaternary Structure)
在球状蛋白质的表面。然而这只是简单的推测，事实上，并非完全如此。在大多 数球状蛋白质中，水可达到的界面有 40％－50％被非极性基团占据，同时部分 极性基团不可避免的埋藏在蛋白质的内部，而且总是能与其他极性基团发生氢键 键合，以至于使蛋白质内部非极性环境中的自由能降低到最小。另外，球状蛋白 质的三级结构的特征离不开各种不同类型的二级结构在蛋白质中的分布。原则 上，一些相对规则的α螺旋和β折叠分布在球状蛋白质的内部，而且压积得很紧 密，致使球状蛋白成为致密的结构；那些连接α螺旋和β折叠的规则性相对差一 些的二级结构，转角和环状以及特定的“无规”卷曲，则更多的分布在球状蛋白 质的外围。 蛋白质一级结构中亲水性和疏水性氨基酸残基的比例和分布，影响蛋白质的 某些物理化学性质。例如，蛋白质分子的形状可通过氨基酸的序列预测，如果一 个蛋白质分子含有大量的亲水性氨基酸残基，并且均匀的分布在多肽链中，那么 蛋白质分子将为伸长或呈棒状形。这是因为在相对分子质量一定时，相对于体积 而言，棒状形具有较大的表面积，于是更多的疏水性氨基酸残基分布在表面。反 之，当蛋白质含有大量的疏水性氨基酸残基，蛋白质则为球形，它的表面积和体 积之比最小，使更多的疏水性基团埋藏在蛋白质内部。 图５－9 云扁豆蛋白（Ａ）和β－乳球蛋白（B）的三级结构 图中箭头表示β折叠结构，圆柱体表示α螺旋 5. 四级结构（Quaternary Structure）