蛋白质的四级结构可定义为一些特定三级结构的肽链通过非共价键形成大 分子体系时的组合方式,是指含有多于一条多肽链的蛋白质的空间排列。它是蛋 白质三级结构的亚单位通过非共价键缔合的结果,这些亚单位可能是相同的或不 同的,它们的排列方式可以是对称的,也可以是不对称的。稳定四级结构的力或 键(除二硫交联键外)与稳定三级结构的那些键相同。 某些生理上重要的蛋白质是以二聚体、三聚体、四聚体等多聚体形式存在。 任何四级结构的蛋白质(又称四级复合物,或寡聚体)都是由蛋白质亚基(或称 亚单位)即单体构成。根据亚基的组成可分为由相同亚基和不同亚基构成的两大 类型。在各个体系中亚基的数目或不同亚基的比例可能有很大的差别。相同亚基 构成的多聚体称为同源( homogeneous)多聚体,例如胰岛素通常是同源二聚体 (homo- dimer);由不同亚基形成的多聚体则成为异源( heterogeneous)多聚体 一些糖蛋白激素(如绒毛膜促性腺激素、促甲状腺素)是异源二聚体,含有α和 亚基各一个。血红蛋白是异源四聚体,含有a和β亚基各两个。有些蛋白质的 亚基类型可在3种或3种以上。有的蛋白质在不同p介质中可形成不同聚合度 的蛋白质,如乳清中的β一乳球蛋白亚基是相同的,在p5~8是以二聚体存在, pH3~5呈现八聚体形式,当pH≥8时则以单体形式存在 蛋白质寡聚体结构的形成是由于多肽链一多肽链之间特定相互作用的结果。 在亚基间不存在共价键,亚基间的相互作用都是非共价键。例如氢健、疏水相互 作用和静电相互作用。疏水氨基酸残基所占的比例较显著地影响寡聚蛋白形成的 倾向。蛋白质中的疏水氨基酸残基含量超过30%时,比疏水氨基酸含量较低的 蛋白质更容易形成寡聚体 从热力学观点看,使亚基中暴露的疏水表面埋藏,是蛋白质四级结构形成的 首要驱动力。当蛋白质中疏水氨基酸残基含量高于30%时,在物理的角度上 已不可能形成将所有非极性基团埋藏的结构。通常只是有可能使疏水小区存在, 这些毗连单体间小区的相互作用将导致二聚体、三聚体等的形成(图5-10)。 从动力学看,一般的寡聚体的装配过程是几个亚基随机地碰撞,因此装配过程是 一个二级反应,速率和装配程度均是亚基浓度的函数 ○ 二聚体 疏水表面
蛋白质的四级结构可定义为一些特定三级结构的肽链通过非共价键形成大 分子体系时的组合方式，是指含有多于一条多肽链的蛋白质的空间排列。它是蛋 白质三级结构的亚单位通过非共价键缔合的结果，这些亚单位可能是相同的或不 同的，它们的排列方式可以是对称的，也可以是不对称的。稳定四级结构的力或 键（除二硫交联键外）与稳定三级结构的那些键相同。 某些生理上重要的蛋白质是以二聚体、三聚体、四聚体等多聚体形式存在。 任何四级结构的蛋白质（又称四级复合物，或寡聚体）都是由蛋白质亚基（或称 亚单位）即单体构成。根据亚基的组成可分为由相同亚基和不同亚基构成的两大 类型。在各个体系中亚基的数目或不同亚基的比例可能有很大的差别。相同亚基 构成的多聚体称为同源（homogeneous）多聚体，例如胰岛素通常是同源二聚体 （homo-dimer）；由不同亚基形成的多聚体则成为异源（heterogeneous）多聚体， 一些糖蛋白激素（如绒毛膜促性腺激素、促甲状腺素）是异源二聚体，含有α和 β亚基各一个。血红蛋白是异源四聚体，含有α和β亚基各两个。有些蛋白质的 亚基类型可在 3 种或 3 种以上。有的蛋白质在不同 pH 介质中可形成不同聚合度 的蛋白质，如乳清中的β－乳球蛋白亚基是相同的，在 pH5～8 是以二聚体存在， pH3～5 呈现八聚体形式，当 pH≥8 时则以单体形式存在。 蛋白质寡聚体结构的形成是由于多肽链-多肽链之间特定相互作用的结果。 在亚基间不存在共价键，亚基间的相互作用都是非共价键。例如氢健、疏水相互 作用和静电相互作用。疏水氨基酸残基所占的比例较显著地影响寡聚蛋白形成的 倾向。蛋白质中的疏水氨基酸残基含量超过 30％时，比疏水氨基酸含量较低的 蛋白质更容易形成寡聚体。 从热力学观点看，使亚基中暴露的疏水表面埋藏，是蛋白质四级结构形成的 首要驱动力。当蛋白质中疏水氨基酸残基含量高于 30％时，在物理的角度上， 已不可能形成将所有非极性基团埋藏的结构。通常只是有可能使疏水小区存在， 这些毗连单体间小区的相互作用将导致二聚体、三聚体等的形成（图 5－10）。 从动力学看,一般的寡聚体的装配过程是几个亚基随机地碰撞,因此装配过程是 一个二级反应,速率和装配程度均是亚基浓度的函数
图5-10蛋白质中二聚体和寡聚体的形成示意图 许多食品蛋白质,尤其是谷蛋白,是由不同多肽构成的寡聚体。可以预见, 这些蛋白质中疏水氨基酸残基(Ile、Leu、Trp、Tyr、Val、Phe和Pro)含量应 高于35%,此外,它们还含有6%~12%的脯氨酸。由此可见,谷物蛋白以复杂 的寡聚体结构存在。大豆中主要的储存蛋白是β一大豆伴球蛋白和大豆球蛋白, 它们分别含有大约41%和39%的疏水氨基酸残基。β一大豆伴球蛋白是由3种 不同的亚基组成的三聚蛋白,离子强度和p的变化使它呈现复杂的缔合-解离现 象。大豆球蛋白是由12种亚基构成,其中6种亚基是酸性的,另外6种亚基是 碱性的,每一个碱性亚基通过二硫键与一个酸性亚基交联。6对酸性-碱性亚基 通过非共价键相互作用压缩在一起成为寡聚状态。大豆球蛋白随离子强度的变化 同样也会产生复杂的缔合-解离现象。表5-8列出了某些食品蛋白质的结构特征。 表5-8某些主要食品蛋白质的结构特征
图５－10 蛋白质中二聚体和寡聚体的形成示意图 许多食品蛋白质，尤其是谷蛋白，是由不同多肽构成的寡聚体。可以预见， 这些蛋白质中疏水氨基酸残基（Ile、Leu、Trp、Tyr、Val、Phe 和 Pro）含量应 高于 35％，此外，它们还含有 6％～12％的脯氨酸。由此可见，谷物蛋白以复杂 的寡聚体结构存在。大豆中主要的储存蛋白是β－大豆伴球蛋白和大豆球蛋白， 它们分别含有大约 41％和 39％的疏水氨基酸残基。β－大豆伴球蛋白是由 3 种 不同的亚基组成的三聚蛋白，离子强度和 pH 的变化使它呈现复杂的缔合-解离现 象。大豆球蛋白是由 12 种亚基构成，其中 6 种亚基是酸性的，另外 6 种亚基是 碱性的，每一个碱性亚基通过二硫键与一个酸性亚基交联。6 对酸性-碱性亚基 通过非共价键相互作用压缩在一起成为寡聚状态。大豆球蛋白随离子强度的变化 同样也会产生复杂的缔合-解离现象。表 5-8 列出了某些食品蛋白质的结构特征。 表 5－8 某些主要食品蛋白质的结构特征
级结构 已知(K) 辅基 分子量 硫 亚单和未知 平均疏水 蛋白质 (F) 基数 (%W/ 螺旋β折叠 键数 位数 性(kJ/mol) 无规卷 (RC) 肌球蛋白 475000 高 4500 0404~56 部分已知 4.25(T兔) 肌动蛋白 42000 G→F 05~64~5|1-300 4.4(兔) 00000 部分已知 4.5(鸡) (原胶原蛋白) 白螺旋 as:酪蛋白B 23500 已知 5.0 B酪蛋白 24000 K-酪蛋白B 24.1 已知碳水化合 磷0.22 -乳球蛋白A·18400 5.2 已知 a-乳球蛋白B|14200 卵清蛋白 45000 1或 2 物3.3磷 血清蛋白 4.8 已知 麦醇溶蛋白 2~4 部分已知 麦谷蛋白 ≥1000000 15 50 大豆球蛋白 35 4.6 伴大豆球蛋白200 35 物4 b.牛;c.鸡蛋:d.小麦;e.大豆 6.维持和稳定蛋白质结构的作用力 蛋白质是一大类具有特定结构的生物大分子,它同任何分子一样,只有在分 子内存在着某些特定的相互作用时,分子中一些原子或基团间的相对位置才能得 到固定,呈现某种稳定的立体结构。另外,从热力学观点看,任何一种伸展的长 链分子基本上都是处于不稳定的高能态。为了使蛋白质处于热力学稳定的天然构 象,必须是使适合于该构象的各种相互作用达到最大,而其他不适宜的相互作用 减低至最小,这样蛋白质的整个自由能将是一个最低值 蛋白质形成二级、三级和四级结构,并使之保持稳定的相互作用力包括两类:
二级结构 蛋白质 分子量 类型： 球状（G） 纤维状 （Ｆ） 无规卷 曲 （ＲＣ） α螺旋 (%) β折叠 （％） 残基数 二硫 键数 巯 基 数 pI 亚单 位数 已知（Ｋ） 和未知 （Ｕ） 顺序 辅基 （％Ｗ／ ｗ） 平均疏水 性（kJ/mol） 肌球蛋白b 肌动蛋白b 475000 42000 F G→F 高 4500 0 0 40 5～6 4～5 4～5 6 1-300 部分已知 磷 4.25(T 兔) 4.4(兔) 胶原蛋白 （原胶原蛋白）b αs:酪蛋白Ｂb β-酪蛋白Ａb Κ-酪蛋白Ｂb 300000 23500 24000 19000 F RC RC RC 胶原蛋 白螺旋 199 209 169 0 0 0 0 0 2 ～9 5.1 5.3 4.1～ 4.5 3 1 1 1 部分已知 已知 已知 已知 磷 1.1 磷 0.56 碳水化合 物 5 磷 0.22 4.5（鸡） 5.0 β-乳球蛋白Ａb α-乳球蛋白Ｂb 卵清蛋白ε 18400 14200 45000 G G G 10 26 30 14 162 123 2 4 1 或 2 1 0 4 5.2 5.1 4.6 已知 已知 碳水化合 物 3.3 磷 5.15 4.8 4.65 血清蛋白b 麦醇溶蛋白d (α,β,γ) 69000 30000 G G→F 30 17 2～4 1 4.8 1 1 已知 部分已知 4.7 4.5 麦谷蛋白d 大豆球蛋白c 伴大豆球蛋白c 45000 ≥1000000 350000 200000 F G G 15 5 5 35 35 50 23 2 2 4.6 4.6 15 12 9 未知 未知 碳水化合 物 4 ｂ.牛；ｃ.鸡蛋；ｄ.小麦；ｅ.大豆 6. 维持和稳定蛋白质结构的作用力 蛋白质是一大类具有特定结构的生物大分子，它同任何分子一样，只有在分 子内存在着某些特定的相互作用时，分子中一些原子或基团间的相对位置才能得 到固定，呈现某种稳定的立体结构。另外，从热力学观点看，任何一种伸展的长 链分子基本上都是处于不稳定的高能态。为了使蛋白质处于热力学稳定的天然构 象，必须是使适合于该构象的各种相互作用达到最大，而其他不适宜的相互作用 减低至最小，这样蛋白质的整个自由能将是一个最低值。 蛋白质形成二级、三级和四级结构，并使之保持稳定的相互作用力包括两类：
①蛋白质分子内固有的作用力,所产生的分子内相互作用(即范德华相互作用 和空间相互作用) 周围溶剂影响所产生的分子内相互作用(包括氢健、静 电和疏水相互作用)。 (1)空间张力 从理论上说,在没有空间位阻的情况下,中和ψ可在360°内自由旋转。但 氨基酸残基具有大小不同的侧链,由于侧链的空间位阻使φ和ψ的转动受到很大 限制,它们只能取一定的旋转自由度。正因为如此,多肽链的序列仅能有几个有 限的构象。肽单位平面几何形状的变形或键的伸长与弯曲改变,都会引起分子自 由能的增加。因此,多肽链的折叠必须避免键长和键角的畸变。 (2)范德华力 蛋白质中所有原子都在不断的运动,原子中的电子也在绕着原子核不停地运 动。因此,一些原子的正负电荷在某一瞬间也可能有相对的偏移,形成瞬间偶极。 这些诱导的瞬间偶极之间可能发生吸引和排斥相互作用,这种作用被称为色散 力,作用力的大小与原子间的距离(r)有关,吸引力与r成反比,而相互间的 排斥力与r成反比。尽管这种色散力很弱(一般在0.17~-0.8KJ/mo1范围),只 在很短的距离内有作用,但是由于蛋白质分子内的原子数目是大量的,这种色散 力也不容忽视(见表5-9)。就蛋白质而论,这种相互作用力同样与α碳原子周 围扭转角(φ和ψ)有关(图5-2)。距离大时不存在相互作用力,当距离小时 可产生吸引力,距离更小时则产生排斥力 原子间存在的范德华吸引力包括偶极-偶极作用力(例如,肽键和丝氨酸是 偶极相互作用力)、偶极-诱导偶极相互作用力和色散力,后者是最重要的一种力。 5-9蛋白质-蛋白质键合和相互作用 能量相互作用距离 类型 功能团 破坏溶剂 增强条件 (kJ/mol) (A) 还原剂 巯基 半胱氨酸 共价键合 330~380 1~2 胱氨酸二硫键 二硫代苏糖醇 亚硫酸盐 亚酰胺 脲素溶液 盐酸胍 氢键键合 8~40 2~3 羟基,酚, 去污剂 加热
① 蛋白质分子内固有的作用力, 所产生的分子内相互作用(即范德华相互作用 和空间相互作用)；② 周围溶剂影响所产生的分子内相互作用（包括氢健、静 电和疏水相互作用）。 （１）空间张力 从理论上说，在没有空间位阻的情况下，φ和ψ可在 360°内自由旋转。但 氨基酸残基具有大小不同的侧链，由于侧链的空间位阻使φ和ψ的转动受到很大 限制，它们只能取一定的旋转自由度。正因为如此，多肽链的序列仅能有几个有 限的构象。肽单位平面几何形状的变形或键的伸长与弯曲改变，都会引起分子自 由能的增加。因此，多肽链的折叠必须避免键长和键角的畸变。 （２）范德华力 蛋白质中所有原子都在不断的运动，原子中的电子也在绕着原子核不停地运 动。因此，一些原子的正负电荷在某一瞬间也可能有相对的偏移，形成瞬间偶极。 这些诱导的瞬间偶极之间可能发生吸引和排斥相互作用，这种作用被称为色散 力，作用力的大小与原子间的距离（ｒ）有关，吸引力与r6 成反比，而相互间的 排斥力与r12成反比。尽管这种色散力很弱(一般在-0.17～ -0.8KJ/mol范围)，只 在很短的距离内有作用，但是由于蛋白质分子内的原子数目是大量的，这种色散 力也不容忽视（见表 5－9）。就蛋白质而论，这种相互作用力同样与α碳原子周 围扭转角（φ和ψ）有关（图 5-2）。距离大时不存在相互作用力，当距离小时 可产生吸引力，距离更小时则产生排斥力。 原子间存在的范德华吸引力包括偶极-偶极作用力（例如，肽键和丝氨酸是 偶极相互作用力）、偶极-诱导偶极相互作用力和色散力，后者是最重要的一种力。 5-9 蛋白质-蛋白质键合和相互作用 类型 能量 (kJ/mol) 相互作用距离 （Å） 功能团 破坏溶剂 增强条件 共价键合 330～380 1～2 胱氨酸二硫键 还原剂 巯基 半胱氨酸 二硫代苏糖醇 亚硫酸盐 氢键键合 8～40 2～3 亚酰胺 羟基，酚， 脲素溶液 盐酸胍 去污剂 加热 冷却 N H O C O H O C
长链脂肪酸族或芳香 去污剂 疏水相互作用 4~1 族侧链 加热 有机溶剂 氨基酸残基 羰基(C00) 盐溶液 静电相互作用 氨基(NH3) 高或低pH 永久偶极 范德华力 1~9 诱导和瞬时偶极 (3)静电相互作用 蛋白质可看成是多聚电解质,因为氨基酸的侧链(例如天冬氨酸、谷氨酸、 酪氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸)以及碳和氮末端氨基酸的可解离 基团均参与酸碱平衡,肽键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的 部分。 由于蛋白质氨基酸中可解离侧链基团很多(占残基总数的30%~50%)。在 中性皿,天冬氨酸和甘氨酸残基带负电荷,而赖氨酸、精氨酸和组氨酸带正电 荷;在碱性p,半胱氨酸和酪氨酸残基带负电荷。在中性pH,蛋白质带净负电 荷或净正电荷,取决于蛋白质分子中所带负电荷和正电荷残基的相对数目。蛋白 质分子净电荷为零时的pH值定义为蛋白质的等电点pI。等电点pH不同于等离 子点( isoionic point),等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的pH值 蛋白质分子中大部分可解离基团,也就是说,除少数例外,几乎所有带电荷 的基团都是位于蛋白质分子表面。在中性pH,蛋白质分子带有净正电荷或净负 电荷,因此可以预料,蛋白质分子中带有同种电荷的基团,会因静电排斥作用而 导致蛋白质结构的不稳定性。同样也有理由认为,蛋白质分子中在某一特定关键 部位上,带异种电荷的基团之间,由于相互的静电吸引作用,将对蛋白质结构的 稳定性有着重要的贡献。事实上,在水溶液中,由于水有很高的介电常数,蛋白 质的排斥力和吸引力强度已降低到了最小值,其静电相互作用能仅为±5.8~± 3.5KJ/mol。因此,处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有 显著的影响 蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的pH值有很大的关系,也和局 部环境的介电性质有关。部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团,由于处在比水的 介电常数低的环境中,通常能形成具有强相互作用能的盐桥。一般蛋白质的静电
疏水相互作用 4～12 3～5 长链脂肪酸族或芳香 族侧链 氨基酸残基 去污剂 有机溶剂 加热 静电相互作用 42～48 2～3 羰基（COO- ） 氨基（NH3 + ） 盐溶液 高或低 pH 范德华力 1～9 永久偶极 诱导和瞬时偶极 （３）静电相互作用 蛋白质可看成是多聚电解质，因为氨基酸的侧链（例如天冬氨酸、谷氨酸、 酪氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、半胱氨酸）以及碳和氮末端氨基酸的可解离 基团均参与酸碱平衡，肽键中的α氨基和α羧基在蛋白质的离子性中只占很小的 一部分。 由于蛋白质氨基酸中可解离侧链基团很多（占残基总数的 30％～50％）。在 中性 pH，天冬氨酸和甘氨酸残基带负电荷，而赖氨酸、精氨酸和组氨酸带正电 荷；在碱性 pH，半胱氨酸和酪氨酸残基带负电荷。在中性 pH，蛋白质带净负电 荷或净正电荷，取决于蛋白质分子中所带负电荷和正电荷残基的相对数目。蛋白 质分子净电荷为零时的 pH 值定义为蛋白质的等电点 pI。等电点 pH 不同于等离 子点（isoionic point），等离子点是指不存在电解质时蛋白质溶液的 pH 值。 蛋白质分子中大部分可解离基团，也就是说，除少数例外，几乎所有带电荷 的基团都是位于蛋白质分子表面。在中性 pH，蛋白质分子带有净正电荷或净负 电荷，因此可以预料，蛋白质分子中带有同种电荷的基团,会因静电排斥作用而 导致蛋白质结构的不稳定性。同样也有理由认为，蛋白质分子中在某一特定关键 部位上，带异种电荷的基团之间，由于相互的静电吸引作用，将对蛋白质结构的 稳定性有着重要的贡献。事实上，在水溶液中，由于水有很高的介电常数，蛋白 质的排斥力和吸引力强度已降低到了最小值，其静电相互作用能仅为±5.8～± 3.5KJ/mol。因此，处在蛋白质分子表面的带电基团对蛋白质结构的稳定性没有 显著的影响。 蛋白质的可解离基团的电离情况和局部环境的 pH 值有很大的关系，也和局 部环境的介电性质有关。部分埋藏在蛋白质内部的带电荷基团，由于处在比水的 介电常数低的环境中，通常能形成具有强相互作用能的盐桥。一般蛋白质的静电