于有机相的—CH2 一基)。事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的ε—氨 基则突出在蛋白质分子的表面。 5．2．1．4 氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解(酸或酶法)产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性，这种性质(手 性)是因为有不对称。—碳原于存在，不对称碳原子轨道为 sp3 杂化。根据碳原于上四种不 同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体(或对映体)。因此，用费歇尔法表示， 按 D—和 L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振光的旋转方向确定。L—和 D—氨基酸的两种 立体异构体可用下式表示： 天然存在的蛋白质中，只存在 L 型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定蛋白质结 构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等 4 种氨基酸各有第二个 不对称中心(即β—碳原子)，所以它们各有 4 种立体异构体，即 L—苏氨酸 D—苏氨酸 L—别苏氨酸 D—别苏氨酸 某些氨基酸的 D 型异构体存在于一些微生物的细胞壁和具有抗菌作用的多肽内，如放线 菌素 D、短杆菌肽和短杆菌酪肽。 5．2．1．5 氨基酸的光谱 蛋白质分子中只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸是能够吸收紫外光的氨基 酸，分别在波长 278nm、275mn 和 260nm 处出现最大吸收(表 5－5)。胱氨酸在 230nm 处有微 弱吸收。所有参与蛋白质组成的氨基酸在接近 210nm 波长处都产生吸收，但是它们在可见光 区域均没有吸收。氨基酸仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸能产生荧光(表 5—5)，甚至蛋白质 分子中的色氨酸也仍然会产生荧光(激发波长 280nm，在 348 nm 波长处荧光最强)。些氨基 酸所处的环境极性对它们的紫外吸收和荧光性质有影响，因此常通过这些氨基酸的环境变 化，对生色基团产生的微扰作用所引起的光谱变化来考查蛋白质构象的变化。 5.2.2 氨基酸的化学反应 氨基酸和蛋白质分子中的反应基团主要是指它们的氨基、羧基和侧链的反应基团即巯 基、酚羟基、羟基、硫醚基(Met)、咪唑基和胍基，主要反应见表 5—6。其中有的反应可用 来对蛋白质和肽进行化学修饰，改善它们的亲水性和疏水性或功能特性。还有一些反应被用 作蛋白质和氨基酸的定量分析，例如氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺反应是氨基酸定
于有机相的—CH2 一基)。事实上，蛋白质分子中的赖氨酸侧链被埋藏的同时，它的ε—氨 基则突出在蛋白质分子的表面。 5．2．1．4 氨基酸的立体化学 蛋白质温和水解(酸或酶法)产生的所有氨基酸除甘氨酸外，都具有旋光性，这种性质(手 性)是因为有不对称。—碳原于存在，不对称碳原子轨道为 sp3 杂化。根据碳原于上四种不 同取代基的正四面体位置，可以得到两种立体异构体(或对映体)。因此，用费歇尔法表示， 按 D—和 L-甘油醛类推，而不是按对线性偏振光的旋转方向确定。L—和 D—氨基酸的两种 立体异构体可用下式表示： 天然存在的蛋白质中，只存在 L 型异构体。氨基酸的这种结构一致性是决定蛋白质结 构的一个主要因素。异亮氨酸、苏氨酸、羟基赖氨酸和羟基脯氨酸等 4 种氨基酸各有第二个 不对称中心(即β—碳原子)，所以它们各有 4 种立体异构体，即 L—苏氨酸 D—苏氨酸 L—别苏氨酸 D—别苏氨酸 某些氨基酸的 D 型异构体存在于一些微生物的细胞壁和具有抗菌作用的多肽内，如放线 菌素 D、短杆菌肽和短杆菌酪肽。 5．2．1．5 氨基酸的光谱 蛋白质分子中只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等芳香族氨基酸是能够吸收紫外光的氨基 酸，分别在波长 278nm、275mn 和 260nm 处出现最大吸收(表 5－5)。胱氨酸在 230nm 处有微 弱吸收。所有参与蛋白质组成的氨基酸在接近 210nm 波长处都产生吸收，但是它们在可见光 区域均没有吸收。氨基酸仅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸能产生荧光(表 5—5)，甚至蛋白质 分子中的色氨酸也仍然会产生荧光(激发波长 280nm，在 348 nm 波长处荧光最强)。些氨基 酸所处的环境极性对它们的紫外吸收和荧光性质有影响，因此常通过这些氨基酸的环境变 化，对生色基团产生的微扰作用所引起的光谱变化来考查蛋白质构象的变化。 5.2.2 氨基酸的化学反应 氨基酸和蛋白质分子中的反应基团主要是指它们的氨基、羧基和侧链的反应基团即巯 基、酚羟基、羟基、硫醚基(Met)、咪唑基和胍基，主要反应见表 5—6。其中有的反应可用 来对蛋白质和肽进行化学修饰，改善它们的亲水性和疏水性或功能特性。还有一些反应被用 作蛋白质和氨基酸的定量分析，例如氨基酸与茚三酮、邻苯二甲醛或荧光胺反应是氨基酸定
量分析中常用的反应。 (1)与茚三酮反应 在氨基酸的分析化学中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮(ninhγdrin)的反应。茚三 酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，生成复合物，大多数是蓝色或紫色，在 570nm 波长处有最 大吸收值。仅脯氨酸和羟基脯氨酸生成黄色产物，最大吸收波长为λmax440nm，上述反应常 用于氨基酸的比色(包括荧光法)测定。其反应原理如下 <2)与荧光胺(Fluorescamine)反应 氨基酸和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸、肽和蛋 白质。此法灵敏度高，激发波长 390nm，发射波长 475nm。反应如下 (3)与 1，2—苯二甲醛反应 当有巯基乙醇存在时，1，2—苯二甲醛与氨基酸反应能生成强荧光异吲哚衍生物(激发 波长 380nm，发射波长 450nm)。反应如下 (4)与异硫氰酸苯酯反应 (5)与丹磺酰氯(1—二甲氨基茶—5—磺酰氯)反应 除上述的氨基反应可用来确定肽或蛋白质的 N 末端氨基酸，氨基酸丹磺酰衍生物可用非 极性液相色谱柱进行分离。 5．3 蛋白质的结构 5，3．1 蛋白质的结构层次 蛋白质与核酸、糖类一样，都属于生物大分子，它们和一般的合成大分子的最大差别可 以归结为两点：特定结构和时空特性。本章只介绍蛋白质的结构层次。蛋白质的时空特性超 出了本书的范围，这里不予阐述。与另外三类生物分子核酸、糖类和脂类相比，对蛋白质的 层次结构，了解得最为清楚。前面已经提到蛋白质的肢链是由 20 种氨基酸单体随机组成的， 因此蛋白质肽链结构的复杂程度就可想而知。另外，蛋白质的肚链如同其他合成高分子一样， 分子链都很长。任何一种长链分子在伸展状态时，基本上都是处于较高的能态，只有使分子 的内能降低，分子才能成为更稳定的状态。因而，蛋白质的肽链就会自发地通过许多和α— 碳原子或肽平面键间的单键旋转，同时伴随着分子内大量的原子和基团间的相互作用，降低 内能，折叠成为一些空间内较为稳定的立体结构。所以，蛋白质的结构并不只是描述蛋白质 肽链中氨基酸的线性排列顺序。 蛋白质的立体结构是分阶段形成的，在现已查明的蛋白质立体结构中存在不同类型规则 的有序结构。在此基础上，提出了蛋白质的多层次立体结构学说。蛋白质的结构层次可分为
量分析中常用的反应。 (1)与茚三酮反应 在氨基酸的分析化学中，具有特殊意义的是氨基酸与茚三酮(ninhγdrin)的反应。茚三 酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，生成复合物，大多数是蓝色或紫色，在 570nm 波长处有最 大吸收值。仅脯氨酸和羟基脯氨酸生成黄色产物，最大吸收波长为λmax440nm，上述反应常 用于氨基酸的比色(包括荧光法)测定。其反应原理如下 <2)与荧光胺(Fluorescamine)反应 氨基酸和一级胺反应生成强荧光衍生物，因而，可用来快速定量测定氨基酸、肽和蛋 白质。此法灵敏度高，激发波长 390nm，发射波长 475nm。反应如下 (3)与 1，2—苯二甲醛反应 当有巯基乙醇存在时，1，2—苯二甲醛与氨基酸反应能生成强荧光异吲哚衍生物(激发 波长 380nm，发射波长 450nm)。反应如下 (4)与异硫氰酸苯酯反应 (5)与丹磺酰氯(1—二甲氨基茶—5—磺酰氯)反应 除上述的氨基反应可用来确定肽或蛋白质的 N 末端氨基酸，氨基酸丹磺酰衍生物可用非 极性液相色谱柱进行分离。 5．3 蛋白质的结构 5，3．1 蛋白质的结构层次 蛋白质与核酸、糖类一样，都属于生物大分子，它们和一般的合成大分子的最大差别可 以归结为两点：特定结构和时空特性。本章只介绍蛋白质的结构层次。蛋白质的时空特性超 出了本书的范围，这里不予阐述。与另外三类生物分子核酸、糖类和脂类相比，对蛋白质的 层次结构，了解得最为清楚。前面已经提到蛋白质的肢链是由 20 种氨基酸单体随机组成的， 因此蛋白质肽链结构的复杂程度就可想而知。另外，蛋白质的肚链如同其他合成高分子一样， 分子链都很长。任何一种长链分子在伸展状态时，基本上都是处于较高的能态，只有使分子 的内能降低，分子才能成为更稳定的状态。因而，蛋白质的肽链就会自发地通过许多和α— 碳原子或肽平面键间的单键旋转，同时伴随着分子内大量的原子和基团间的相互作用，降低 内能，折叠成为一些空间内较为稳定的立体结构。所以，蛋白质的结构并不只是描述蛋白质 肽链中氨基酸的线性排列顺序。 蛋白质的立体结构是分阶段形成的，在现已查明的蛋白质立体结构中存在不同类型规则 的有序结构。在此基础上，提出了蛋白质的多层次立体结构学说。蛋白质的结构层次可分为
一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三、四级结构一般又统称为蛋白质的高级结构。关于 蛋白质三维结构的研究，目前已经有 9000 多种蛋白质的资料，蛋白质四级结构水平的概念 已经不能满足科学发展的需要。因此，蛋白质化学家又在四级结构水平的基础上增加了两种 新的结 构层 次， 即超 二级 结构(supersecondarγ structure)和 结构 城(structure domain)。超二级结构是指几种二级结构的组合物存在于各种结构中。结构域的概念是指蛋 白质分子中那些明显分开的球状部分。对于这两种新结构层次在本书中不作阐述。 5．3．1．1 一级结构 蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的共价结构，一般而言，蛋白质的一级结构是指构成 蛋白质肽链的氨基酸残基的线性排列顺序，有时也称为残基的序列。这一定义对只含氨基酸 的简单蛋白质适用。但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除包含氨基酸外，还有其他的 组成。对复合蛋白，完整的一级结构概念应该包括支链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖 链、脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽链部分的连接方式和位点。蛋白质的一级结构是 一个无空间概念的一维结构。 目前，生物世界的蛋白质只有 L 型α—氨基酸才能构成，氨基酸残基之间通过肽键连 接(即一个氨基酸的α—氨基与另一个羧基的。—羧基结合失去一分子水，形成肽键)，由 n 个氨基酸构成的蛋白质含有(n—1)个肽键。蛋白质的末端氨基酸与在肽链中的氨基酸不同， 以游离的α—氨基存在的一端，称之为蛋白质的 N 端，习惯上列在左侧；另一端是以游离的 α—羧基存在，则称为 c 端，习惯上在右侧，即蛋白质的链长 n(这里 n 是指蛋白质序列中 的残基数)和序列，以及肽键的顺反异构，它们决定蛋白质的物理化学性质、结构、生物活 性与功能。氨基酸的序列的作用如同形成二级和三级结构的密码(code)，最终决定蛋白质的 生物功能。许多蛋白质的一级结构现已确定，已知的最短蛋白质链肠促胰链肽(secretin) 和胰高血糖素(glacagon)含 20～100 个氨基酸残基，大多数蛋白质都含有 100—500 个氨基 酸残基，某些不常见的蛋白质链多达几千个氨基酸残基。蛋白质的相对分子质量范围从几千 到 1 000 000 以上，如存在肌肉中的肌联蛋白(titin)的相对分子质量超过 100 万，而肠促 胰链肽的相对分子质量仅约为 2300。大多数蛋白质的相对分子质量在 20 000 一 100 000 之 间。其结构如下 在讨论蛋白质的一级结构时，多肚链的主链可用一 N-C-C—或-C-CN—重复单元 描 述 ， 这 里 一 NH － CHR—CO － ( 一 N-C-C-) 相 对 于 一 个 氨 基 酸 残 基 ， 而 一 CHR-CO-NH-(—C—C—N 一)是表示一个肽单位。反应如下 两个氨基酸连接在一起的肽键是酰胺键(图 5—2)，虽然是将它作为一个共价键来描述
一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三、四级结构一般又统称为蛋白质的高级结构。关于 蛋白质三维结构的研究，目前已经有 9000 多种蛋白质的资料，蛋白质四级结构水平的概念 已经不能满足科学发展的需要。因此，蛋白质化学家又在四级结构水平的基础上增加了两种 新的结 构层 次， 即超 二级 结构(supersecondarγ structure)和 结构 城(structure domain)。超二级结构是指几种二级结构的组合物存在于各种结构中。结构域的概念是指蛋 白质分子中那些明显分开的球状部分。对于这两种新结构层次在本书中不作阐述。 5．3．1．1 一级结构 蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的共价结构，一般而言，蛋白质的一级结构是指构成 蛋白质肽链的氨基酸残基的线性排列顺序，有时也称为残基的序列。这一定义对只含氨基酸 的简单蛋白质适用。但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除包含氨基酸外，还有其他的 组成。对复合蛋白，完整的一级结构概念应该包括支链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖 链、脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽链部分的连接方式和位点。蛋白质的一级结构是 一个无空间概念的一维结构。 目前，生物世界的蛋白质只有 L 型α—氨基酸才能构成，氨基酸残基之间通过肽键连 接(即一个氨基酸的α—氨基与另一个羧基的。—羧基结合失去一分子水，形成肽键)，由 n 个氨基酸构成的蛋白质含有(n—1)个肽键。蛋白质的末端氨基酸与在肽链中的氨基酸不同， 以游离的α—氨基存在的一端，称之为蛋白质的 N 端，习惯上列在左侧；另一端是以游离的 α—羧基存在，则称为 c 端，习惯上在右侧，即蛋白质的链长 n(这里 n 是指蛋白质序列中 的残基数)和序列，以及肽键的顺反异构，它们决定蛋白质的物理化学性质、结构、生物活 性与功能。氨基酸的序列的作用如同形成二级和三级结构的密码(code)，最终决定蛋白质的 生物功能。许多蛋白质的一级结构现已确定，已知的最短蛋白质链肠促胰链肽(secretin) 和胰高血糖素(glacagon)含 20～100 个氨基酸残基，大多数蛋白质都含有 100—500 个氨基 酸残基，某些不常见的蛋白质链多达几千个氨基酸残基。蛋白质的相对分子质量范围从几千 到 1 000 000 以上，如存在肌肉中的肌联蛋白(titin)的相对分子质量超过 100 万，而肠促 胰链肽的相对分子质量仅约为 2300。大多数蛋白质的相对分子质量在 20 000 一 100 000 之 间。其结构如下 在讨论蛋白质的一级结构时，多肚链的主链可用一 N-C-C—或-C-CN—重复单元 描 述 ， 这 里 一 NH － CHR—CO － ( 一 N-C-C-) 相 对 于 一 个 氨 基 酸 残 基 ， 而 一 CHR-CO-NH-(—C—C—N 一)是表示一个肽单位。反应如下 两个氨基酸连接在一起的肽键是酰胺键(图 5—2)，虽然是将它作为一个共价键来描述
但实际上肽键的 C-N 键具有 40％的双键特性，而 C＝O 键有 40％左右的单键性质，这是由 于电子的非定域作用结果导致产生的共振稳定结构，使之肽健的 C-N 键具有部分双键性质。 肽键的这个特性对蛋白质的结构具有重要的影响：其一，共振结构使—NH 在 pH 为 0-14 之间不能被质子化；其二，肽键由于部分双键性质，一 C-N 键不能像普通的 C-N 单键那样 可以自由旋转，CO-NH 键的旋转角(即ω角)最大为 6°。 由于这种限制的结果，肽键的每一个一 C。-NH-Ca 一片段(包含 6 个原子)处在同一个 平面上，称之为肽平面，于是，多肽主链可描述为通过 Ca 原子连接的一系列—Ca 一 CO-NH-Ca 一平面(图 5—2)。多肽主链的 C＝O 和 N-H 基之间在适宜的条件下是町以形成 氢键的。因为肚键在多肽主链中约占共价键总数的 1／3，它们限制了多肽主链的转动自由 度，从而显著减少了主链的柔顺性。从已知结构的蛋白质分析表明，尽管多数肽平面是不可 扭曲的平面，但也有一些肽平面是可扭曲的。也就是说，肽链的 C-N 链虽然带有双键的性质， 不易旋转，但也不是绝对刚性的，可在—定范围内旋转，N Ca。和 Ca-C 键具有旋转自由度， 它们的两面角分别为Φ和Ψ (图 5—3)；其三，电子的非定域作用使羰基的氧原于带有部分 负电荷，N-H 基的氢原子带有部分的正电荷。由于上述原因，所以多肽主链上的 C 二 O 和 N-H 基之间可以在主链内或主链与主链之间形成氢键。既然肽键具有部分双键特征，因此肽 键上的取代基也就可能出现类似于烯烃那样的顺反异构体。 然而，蛋白质中的肽键和多数顺反异构体一样，顺式因大基团间的相互作用，面处于 高能态，是不稳定的；反式则因处于较低能态，在热力学上是较稳定的。因此，蛋白质中几 乎所有的肽键都是以反式构型存在，顺式和反式的比例为 1：1000，反式向顺式转变时肽键 的吉布斯自由能增加 34．8kJ／mol，实际上在蛋白质中肽键的异构化作用是不存在的。但 是在含有脯氨酸残基的肽键是例外，存在顺式构型。因为脯氨酸残基参与的肽键，反式向顺 式转变的吉布斯自由能仅约为 7．8kJ／mol，在高温下这些健有时能发生反式向顾式转变的 异构化作用，顺式和反式出理的概率之比为 2：8。虽然 N—Ca 和 Ca 一 C 键确实是单键，理 论上Φ和Ψ应具有 360°转动自由度，实际上它们的转动自由度由于 Ca 上侧链原子的空间 位阻效应而受到限制，这些限制使多肽链的柔顺性进一步降低。 5.3.1.2 二级结构 蛋白质的二级结构是指多肚链骨架部分氨基酸残基有规则的周期性空间排列，即肽链 中局部肽段骨架形成的构象。它们是完整肽链构象(三级结构)的结构单元，是蛋白质复杂的 空间构象的基础，故它们也可称为构象单元。它不包括侧链的构象和整个肽链的空间排列。 在多肽链某一片段中，当依次相继的氨基酸残基具有相同的Φ和Ψ转扭角时，就会出现周期
但实际上肽键的 C-N 键具有 40％的双键特性，而 C＝O 键有 40％左右的单键性质，这是由 于电子的非定域作用结果导致产生的共振稳定结构，使之肽健的 C-N 键具有部分双键性质。 肽键的这个特性对蛋白质的结构具有重要的影响：其一，共振结构使—NH 在 pH 为 0-14 之间不能被质子化；其二，肽键由于部分双键性质，一 C-N 键不能像普通的 C-N 单键那样 可以自由旋转，CO-NH 键的旋转角(即ω角)最大为 6°。 由于这种限制的结果，肽键的每一个一 C。-NH-Ca 一片段(包含 6 个原子)处在同一个 平面上，称之为肽平面，于是，多肽主链可描述为通过 Ca 原子连接的一系列—Ca 一 CO-NH-Ca 一平面(图 5—2)。多肽主链的 C＝O 和 N-H 基之间在适宜的条件下是町以形成 氢键的。因为肚键在多肽主链中约占共价键总数的 1／3，它们限制了多肽主链的转动自由 度，从而显著减少了主链的柔顺性。从已知结构的蛋白质分析表明，尽管多数肽平面是不可 扭曲的平面，但也有一些肽平面是可扭曲的。也就是说，肽链的 C-N 链虽然带有双键的性质， 不易旋转，但也不是绝对刚性的，可在—定范围内旋转，N Ca。和 Ca-C 键具有旋转自由度， 它们的两面角分别为Φ和Ψ (图 5—3)；其三，电子的非定域作用使羰基的氧原于带有部分 负电荷，N-H 基的氢原子带有部分的正电荷。由于上述原因，所以多肽主链上的 C 二 O 和 N-H 基之间可以在主链内或主链与主链之间形成氢键。既然肽键具有部分双键特征，因此肽 键上的取代基也就可能出现类似于烯烃那样的顺反异构体。 然而，蛋白质中的肽键和多数顺反异构体一样，顺式因大基团间的相互作用，面处于 高能态，是不稳定的；反式则因处于较低能态，在热力学上是较稳定的。因此，蛋白质中几 乎所有的肽键都是以反式构型存在，顺式和反式的比例为 1：1000，反式向顺式转变时肽键 的吉布斯自由能增加 34．8kJ／mol，实际上在蛋白质中肽键的异构化作用是不存在的。但 是在含有脯氨酸残基的肽键是例外，存在顺式构型。因为脯氨酸残基参与的肽键，反式向顺 式转变的吉布斯自由能仅约为 7．8kJ／mol，在高温下这些健有时能发生反式向顾式转变的 异构化作用，顺式和反式出理的概率之比为 2：8。虽然 N—Ca 和 Ca 一 C 键确实是单键，理 论上Φ和Ψ应具有 360°转动自由度，实际上它们的转动自由度由于 Ca 上侧链原子的空间 位阻效应而受到限制，这些限制使多肽链的柔顺性进一步降低。 5.3.1.2 二级结构 蛋白质的二级结构是指多肚链骨架部分氨基酸残基有规则的周期性空间排列，即肽链 中局部肽段骨架形成的构象。它们是完整肽链构象(三级结构)的结构单元，是蛋白质复杂的 空间构象的基础，故它们也可称为构象单元。它不包括侧链的构象和整个肽链的空间排列。 在多肽链某一片段中，当依次相继的氨基酸残基具有相同的Φ和Ψ转扭角时，就会出现周期
性结构。氨基酸残基之间近邻或短程的非共价相互作用，将决定两面角Φ和Ψ的扭转，同时 导致局部吉布斯自由能的降低。在多肽链的某些片段区域，当依次连接的氨基酸残基的成对 Φ和Ψ双面角取不同值时，这些区域则为非周期或无规结构。 一般说来，在蛋白质分子中主要存在两种周期性(有规则)的二级结构，它们是螺旋 结构和伸展的折叠结构。 各类二级结构的形成几乎全是由于肽链骨架中的羰基上的氧原子和亚胺基上的氢原 子之间的氢键所维系。其他的作用力，如范德华力等，也有一定的贡献。某一肽段，或某些 肽段间的氢键越多，它(们)形成的二级结构就越稳定，即二级结构的形成是一种协同的趋势。 (1)螺旋结构 在蛋白质二级结构中通常将螺旋看成是蛋白质复杂构象的基础，蛋白质的螺旋结构是 由于依次相继的氨基酸残基的成对双面角Φ和Ψ角，分别按同一组值扭转而形成的周期性规 则构象。理论上Φ和Ψ角可以选择不同的组合值，那么，蛋白质就可能产生几种不同几何形 状的螺旋结构。然而，蛋白质实际上仅有 o—螺旋，310—螺旋和π—螺旋 3 种形式的螺旋 结构(图 5—4)，其中 o—螺旋(o-helix)是蛋白质中最常见的规则二级结构，也是最稳定的 构象。 a—螺旋每圈螺旋包含 3.6 个氨基酸残基，螺距(每圈所占的轴长)为 0.54nm，每一个 氨基酸残基的垂直距离，即每圈螺旋沿螺旋轴上升 0.15 nm。每个残基绕轴旋转 100°(即 360°／3.6)，螺旋中氨基酸侧链在垂直于螺旋轴的方向取向(图 5—4)。在 a—螺旋中，所 有的肽单位都是刚性平面结构，其构象符合立体化学的稳定原则，氢键使 a—螺旋稳定，N －H 基的氢和位于螺旋下一圈的肽键的氧(即前面第 4 个残基的 C-O)之间形成许多氢键。由 于氢键的形成和所形成的电偶极指向相同的方向，所以螺旋结构有很高的稳定性。在 o—螺 旋的氢键封闭环内即每对氢键包含 13 个主链原子，因此 a—螺旋有时又称 3.613 螺旋。氢 键的方向与轴平行，从而 N、H 和 O 几乎都在一条直线上，氢键的长度，即 N-H.O 的距 离约为 0．29nm，键的强度约为 18．8kJ／mol。o—螺旋能以右手和左手螺旋两种形式存在， 然而右手螺旋更稳定，对于 L—氨基酸构成的左手螺旋，由于侧链和肽链骨架过于靠近，其 能量较高，构象不稳定，故而很罕见。天然蛋白质中的 a—螺旋几乎都是右手 a—螺旋。 310 螺旋是一种二级结构，为非典型的 a—螺旋构象，形成氢键的 N、H、O 的 3 个原 子不在一直线上，有时存在于球蛋白的某些部位，它是每圈包含 3 个氨基酸残基的 a—螺旋， 每对氢键包含 10 个原子。最近的研究结果认为，310 螺旋可能是一种热力学的中间产物， 比典型的 a—螺旋更紧密。此外，还有某些不常见的螺旋，像π－和γ—螺旋每圈分别有 4．4
性结构。氨基酸残基之间近邻或短程的非共价相互作用，将决定两面角Φ和Ψ的扭转，同时 导致局部吉布斯自由能的降低。在多肽链的某些片段区域，当依次连接的氨基酸残基的成对 Φ和Ψ双面角取不同值时，这些区域则为非周期或无规结构。 一般说来，在蛋白质分子中主要存在两种周期性(有规则)的二级结构，它们是螺旋 结构和伸展的折叠结构。 各类二级结构的形成几乎全是由于肽链骨架中的羰基上的氧原子和亚胺基上的氢原 子之间的氢键所维系。其他的作用力，如范德华力等，也有一定的贡献。某一肽段，或某些 肽段间的氢键越多，它(们)形成的二级结构就越稳定，即二级结构的形成是一种协同的趋势。 (1)螺旋结构 在蛋白质二级结构中通常将螺旋看成是蛋白质复杂构象的基础，蛋白质的螺旋结构是 由于依次相继的氨基酸残基的成对双面角Φ和Ψ角，分别按同一组值扭转而形成的周期性规 则构象。理论上Φ和Ψ角可以选择不同的组合值，那么，蛋白质就可能产生几种不同几何形 状的螺旋结构。然而，蛋白质实际上仅有 o—螺旋，310—螺旋和π—螺旋 3 种形式的螺旋 结构(图 5—4)，其中 o—螺旋(o-helix)是蛋白质中最常见的规则二级结构，也是最稳定的 构象。 a—螺旋每圈螺旋包含 3.6 个氨基酸残基，螺距(每圈所占的轴长)为 0.54nm，每一个 氨基酸残基的垂直距离，即每圈螺旋沿螺旋轴上升 0.15 nm。每个残基绕轴旋转 100°(即 360°／3.6)，螺旋中氨基酸侧链在垂直于螺旋轴的方向取向(图 5—4)。在 a—螺旋中，所 有的肽单位都是刚性平面结构，其构象符合立体化学的稳定原则，氢键使 a—螺旋稳定，N －H 基的氢和位于螺旋下一圈的肽键的氧(即前面第 4 个残基的 C-O)之间形成许多氢键。由 于氢键的形成和所形成的电偶极指向相同的方向，所以螺旋结构有很高的稳定性。在 o—螺 旋的氢键封闭环内即每对氢键包含 13 个主链原子，因此 a—螺旋有时又称 3.613 螺旋。氢 键的方向与轴平行，从而 N、H 和 O 几乎都在一条直线上，氢键的长度，即 N-H.O 的距 离约为 0．29nm，键的强度约为 18．8kJ／mol。o—螺旋能以右手和左手螺旋两种形式存在， 然而右手螺旋更稳定，对于 L—氨基酸构成的左手螺旋，由于侧链和肽链骨架过于靠近，其 能量较高，构象不稳定，故而很罕见。天然蛋白质中的 a—螺旋几乎都是右手 a—螺旋。 310 螺旋是一种二级结构，为非典型的 a—螺旋构象，形成氢键的 N、H、O 的 3 个原 子不在一直线上，有时存在于球蛋白的某些部位，它是每圈包含 3 个氨基酸残基的 a—螺旋， 每对氢键包含 10 个原子。最近的研究结果认为，310 螺旋可能是一种热力学的中间产物， 比典型的 a—螺旋更紧密。此外，还有某些不常见的螺旋，像π－和γ—螺旋每圈分别有 4．4