蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（secondary structure）
蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中相鄰氨基酸殘基形成的局部肽鏈空間結(jié)構(gòu)，是其主鏈原子的局部空間排布。蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)有一些共同的規(guī)律可遵循，其中二級結(jié)構(gòu)主要是周期性出現(xiàn)的有規(guī)則的α-螺旋、β-片層、β-轉(zhuǎn)角、π-螺旋和無規(guī)則線圈等幾種二級結(jié)構(gòu)單元，且這些有序的二級結(jié)構(gòu)單元，主要是靠氫鍵等非共價鍵來維持其空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白質(zhì)分子中穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)，其基本特征是：
肽鏈骨架由肽鍵上的C、N原子與氨基酸殘基中的α碳原子組成，交替形成了肽鏈主鏈，它從N端到C端為順時針方向的右手螺旋結(jié)構(gòu)（圖2-6、2-7）。
螺旋每圈由3.6個氨基酸殘基組成，每圈上下螺距為0.54nm（5.4 ）。相鄰螺旋之間，由第1個氨基酸肽鍵上C═O，隔三個氨基酸殘基，與第5個氨基酸肽鍵上N—H形成氫鍵，其間包括13個原子（圖2-8），故又稱3.613螺旋，且氫鍵方向與α－螺旋長軸基本平行，每相鄰螺旋間有三個氫鍵維持其空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定。
α-螺旋類似實心棒狀，氨基酸殘基側(cè)鏈R在螺旋外側(cè)。各種蛋白質(zhì)分子中α-螺旋中氨基酸占總氨基酸組成的比例各不相同，如角蛋白中幾乎全是由α-螺旋組成，而小分子蛋白質(zhì)尤其是在多肽中幾乎無α-螺旋的存在。α-螺旋對維持蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定起著十分重要的作用。
β-片層結(jié)構(gòu)（β-pleated sheet structure）又稱β-折疊，是肽鏈中比較伸展的空間結(jié)構(gòu)，其中肽鍵平面接近平行、但略呈鋸齒狀或扇形。β-片層可由2～5個肽段片層之間經(jīng)C═O與N—H間形成的氫鍵來維系，但氫鍵方向與肽鏈長軸方向相垂直（圖2－9），且反平行方式排列在熱力學上為穩(wěn)定。
大多數(shù)球狀蛋白質(zhì)分子中，α-螺旋與β-片層結(jié)構(gòu)都同時存在，且是各種蛋白質(zhì)分子中的主要二級結(jié)構(gòu)，但各占氨基酸組成的比例不同，如表2－6所示。胰島素分子中約有14%的氨基酸殘基組成β-片層結(jié)構(gòu)，而胰糜蛋白酶分子中約有45%氨基酸殘基組成β-片層二級結(jié)構(gòu)，β-片層二級結(jié)構(gòu)的可塑性比較大。
β－轉(zhuǎn)角（β－turn，T），指肽鏈出現(xiàn)180o左右轉(zhuǎn)向回折時的“U”形有規(guī)律的二級結(jié)構(gòu)單元，空間結(jié)構(gòu)靠第1個氨基酸殘基上的C═O隔兩個氨基酸殘基與第4個氨基酸殘基上的N—H形成的氫鍵來維持其穩(wěn)定，氫鍵中包括10～12個原子，因此較α-螺旋卷曲得更緊密。β-轉(zhuǎn)角還有幾種亞型，在球狀蛋白質(zhì)中含量豐富，且大多存在于球狀蛋白質(zhì)分子的表面，因此為蛋白質(zhì)生物活性的重要空間結(jié)構(gòu)部位。
π-螺旋（π-helix）：主要存在于膠原蛋白分子中，肽鏈以4.4個氨基酸殘基盤旋一圈，靠與螺旋長軸基本平行的氫鍵維持螺旋的穩(wěn)定，氫鍵跨18個原子，故又稱4.418螺旋。它是比α-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在膠原蛋白分子中，三股左手螺旋再盤曲形成穩(wěn)定的右手超螺旋，進一步縮合形成膠原微纖維。
隨意卷曲（randon coil）：又稱無規(guī)律卷曲，是指各種蛋白質(zhì)分子中彼此各不相同、沒有共同規(guī)律可遵循的那些肽段空間結(jié)構(gòu)，它是蛋白質(zhì)分子中一系列無序構(gòu)象的總稱，也可以說是各種蛋白質(zhì)分子中的特征性二級結(jié)構(gòu)。因為在蛋白質(zhì)分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片層、β-轉(zhuǎn)角等二級結(jié)構(gòu)的，而是有相當部分的肽段，其二級結(jié)構(gòu)在各蛋白質(zhì)分子間彼此并不相似，無共同規(guī)律可遵循，它也普遍存在于各種天然蛋白質(zhì)分子中，同時也是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分。
蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)、乃至更高層次空間結(jié)構(gòu)的形成，決定于其一級結(jié)構(gòu)。由于一級結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基側(cè)鏈R大小與性質(zhì)的不同，使肽鍵可形成不同的α-螺旋、β-片層等二級結(jié)構(gòu)。如一段肽段由相鄰較多酸性氨基酸組成，由于側(cè)鏈R解離帶了相同的負電荷，因此就同性相斥而不易形成穩(wěn)定的α-螺旋；又如一個肽段中集中了較多具有大側(cè)鏈R的氨基酸，因空間位阻也不易形成有序的α-螺旋，而多形成隨意卷曲。而膠原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羥脯氨酸，空間位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羥脯氨酸為亞氨基酸，在形成肽鍵后其氮原子上已無氫原子可形成氫鍵，因此π-螺旋不穩(wěn)定，也就進一步形成了三股超螺旋。
超二級結(jié)構(gòu)（super secondary structure）和結(jié)構(gòu)域：近年來隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)不少蛋白質(zhì)分子中的一些二級結(jié)構(gòu)單元，往往有規(guī)則地聚集在一起形成全由α-螺旋、全由β-片層或α-螺旋與β-片層混合、均有的超二級結(jié)構(gòu)基本形式，具體說，形成相對穩(wěn)定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二級結(jié)構(gòu)（圖2－12）又稱模體(motif)或模序。具有調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)中，就有β2α和αTα超二級結(jié)構(gòu)存在。且單個或多個超二級結(jié)構(gòu)，尚可進一步集結(jié)起來，形成在蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)中明顯可區(qū)分的區(qū)域，稱結(jié)構(gòu)域（圖2－13），它們分別又是蛋白質(zhì)分子中的一個個功能單位，故不嚴格地又稱之為功能域。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域一般由40～400個氨基酸殘基組成。
蛋白質(zhì)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的重要性，還在于它們往往分別是由該蛋白質(zhì)相應基因的DNA鏈上不同的外顯子編碼的。體內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成時，甚至可將分布在不同染色體上的外顯子，通過重組合成出含有不同結(jié)構(gòu)域組成的蛋白質(zhì)。但因含有一些相同的結(jié)構(gòu)域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白質(zhì)，形成蛋白質(zhì)家族（protein family），和合成特異性不同的各種免疫球蛋白分子等。又由于結(jié)構(gòu)域僅是大分子蛋白質(zhì)中的一個部分，相對較小，比較容易研究其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)域已成為目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能研究中的一個關(guān)注焦點與熱門課題。
蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中相鄰氨基酸殘基形成的局部肽鏈空間結(jié)構(gòu)，是其主鏈原子的局部空間排布。蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)有一些共同的規(guī)律可遵循，其中二級結(jié)構(gòu)主要是周期性出現(xiàn)的有規(guī)則的α-螺旋、β-片層、β-轉(zhuǎn)角、π-螺旋和無規(guī)則線圈等幾種二級結(jié)構(gòu)單元，且這些有序的二級結(jié)構(gòu)單元，主要是靠氫鍵等非共價鍵來維持其空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白質(zhì)分子中穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)，其基本特征是：
肽鏈骨架由肽鍵上的C、N原子與氨基酸殘基中的α碳原子組成，交替形成了肽鏈主鏈，它從N端到C端為順時針方向的右手螺旋結(jié)構(gòu)（圖2-6、2-7）。
螺旋每圈由3.6個氨基酸殘基組成，每圈上下螺距為0.54nm（5.4 ）。相鄰螺旋之間，由第1個氨基酸肽鍵上C═O，隔三個氨基酸殘基，與第5個氨基酸肽鍵上N—H形成氫鍵，其間包括13個原子（圖2-8），故又稱3.613螺旋，且氫鍵方向與α－螺旋長軸基本平行，每相鄰螺旋間有三個氫鍵維持其空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定。
α-螺旋類似實心棒狀，氨基酸殘基側(cè)鏈R在螺旋外側(cè)。各種蛋白質(zhì)分子中α-螺旋中氨基酸占總氨基酸組成的比例各不相同，如角蛋白中幾乎全是由α-螺旋組成，而小分子蛋白質(zhì)尤其是在多肽中幾乎無α-螺旋的存在。α-螺旋對維持蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定起著十分重要的作用。
β-片層結(jié)構(gòu)（β-pleated sheet structure）又稱β-折疊，是肽鏈中比較伸展的空間結(jié)構(gòu)，其中肽鍵平面接近平行、但略呈鋸齒狀或扇形。β-片層可由2～5個肽段片層之間經(jīng)C═O與N—H間形成的氫鍵來維系，但氫鍵方向與肽鏈長軸方向相垂直（圖2－9），且反平行方式排列在熱力學上為穩(wěn)定。
大多數(shù)球狀蛋白質(zhì)分子中，α-螺旋與β-片層結(jié)構(gòu)都同時存在，且是各種蛋白質(zhì)分子中的主要二級結(jié)構(gòu)，但各占氨基酸組成的比例不同，如表2－6所示。胰島素分子中約有14%的氨基酸殘基組成β-片層結(jié)構(gòu)，而胰糜蛋白酶分子中約有45%氨基酸殘基組成β-片層二級結(jié)構(gòu)，β-片層二級結(jié)構(gòu)的可塑性比較大。
β－轉(zhuǎn)角（β－turn，T），指肽鏈出現(xiàn)180o左右轉(zhuǎn)向回折時的“U”形有規(guī)律的二級結(jié)構(gòu)單元，空間結(jié)構(gòu)靠第1個氨基酸殘基上的C═O隔兩個氨基酸殘基與第4個氨基酸殘基上的N—H形成的氫鍵來維持其穩(wěn)定，氫鍵中包括10～12個原子，因此較α-螺旋卷曲得更緊密。β-轉(zhuǎn)角還有幾種亞型，在球狀蛋白質(zhì)中含量豐富，且大多存在于球狀蛋白質(zhì)分子的表面，因此為蛋白質(zhì)生物活性的重要空間結(jié)構(gòu)部位。
π-螺旋（π-helix）：主要存在于膠原蛋白分子中，肽鏈以4.4個氨基酸殘基盤旋一圈，靠與螺旋長軸基本平行的氫鍵維持螺旋的穩(wěn)定，氫鍵跨18個原子，故又稱4.418螺旋。它是比α-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在膠原蛋白分子中，三股左手螺旋再盤曲形成穩(wěn)定的右手超螺旋，進一步縮合形成膠原微纖維。
隨意卷曲（randon coil）：又稱無規(guī)律卷曲，是指各種蛋白質(zhì)分子中彼此各不相同、沒有共同規(guī)律可遵循的那些肽段空間結(jié)構(gòu)，它是蛋白質(zhì)分子中一系列無序構(gòu)象的總稱，也可以說是各種蛋白質(zhì)分子中的特征性二級結(jié)構(gòu)。因為在蛋白質(zhì)分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片層、β-轉(zhuǎn)角等二級結(jié)構(gòu)的，而是有相當部分的肽段，其二級結(jié)構(gòu)在各蛋白質(zhì)分子間彼此并不相似，無共同規(guī)律可遵循，它也普遍存在于各種天然蛋白質(zhì)分子中，同時也是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分。
蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)、乃至更高層次空間結(jié)構(gòu)的形成，決定于其一級結(jié)構(gòu)。由于一級結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基側(cè)鏈R大小與性質(zhì)的不同，使肽鍵可形成不同的α-螺旋、β-片層等二級結(jié)構(gòu)。如一段肽段由相鄰較多酸性氨基酸組成，由于側(cè)鏈R解離帶了相同的負電荷，因此就同性相斥而不易形成穩(wěn)定的α-螺旋；又如一個肽段中集中了較多具有大側(cè)鏈R的氨基酸，因空間位阻也不易形成有序的α-螺旋，而多形成隨意卷曲。而膠原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羥脯氨酸，空間位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羥脯氨酸為亞氨基酸，在形成肽鍵后其氮原子上已無氫原子可形成氫鍵，因此π-螺旋不穩(wěn)定，也就進一步形成了三股超螺旋。
超二級結(jié)構(gòu)（super secondary structure）和結(jié)構(gòu)域：近年來隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)不少蛋白質(zhì)分子中的一些二級結(jié)構(gòu)單元，往往有規(guī)則地聚集在一起形成全由α-螺旋、全由β-片層或α-螺旋與β-片層混合、均有的超二級結(jié)構(gòu)基本形式，具體說，形成相對穩(wěn)定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二級結(jié)構(gòu)（圖2－12）又稱模體(motif)或模序。具有調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)中，就有β2α和αTα超二級結(jié)構(gòu)存在。且單個或多個超二級結(jié)構(gòu)，尚可進一步集結(jié)起來，形成在蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)中明顯可區(qū)分的區(qū)域，稱結(jié)構(gòu)域（圖2－13），它們分別又是蛋白質(zhì)分子中的一個個功能單位，故不嚴格地又稱之為功能域。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域一般由40～400個氨基酸殘基組成。
蛋白質(zhì)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的重要性，還在于它們往往分別是由該蛋白質(zhì)相應基因的DNA鏈上不同的外顯子編碼的。體內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成時，甚至可將分布在不同染色體上的外顯子，通過重組合成出含有不同結(jié)構(gòu)域組成的蛋白質(zhì)。但因含有一些相同的結(jié)構(gòu)域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白質(zhì)，形成蛋白質(zhì)家族（protein family），和合成特異性不同的各種免疫球蛋白分子等。又由于結(jié)構(gòu)域僅是大分子蛋白質(zhì)中的一個部分，相對較小，比較容易研究其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)域已成為目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能研究中的一個關(guān)注焦點與熱門課題。