蛋白質的二級結構（secondary structure）
蛋白質的二級結構是指多肽鏈中相鄰氨基酸殘基形成的局部肽鏈空間結構，是其主鏈原子的局部空間排布。蛋白質分子的空間結構有一些共同的規(guī)律可遵循，其中二級結構主要是周期性出現的有規(guī)則的α-螺旋、β-片層、β-轉角、π-螺旋和無規(guī)則線圈等幾種二級結構單元，且這些有序的二級結構單元，主要是靠氫鍵等非共價鍵來維持其空間結構的相對穩(wěn)定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白質分子中穩(wěn)定的二級結構，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構（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構的相對穩(wěn)定。
α-螺旋類似實心棒狀，氨基酸殘基側鏈R在螺旋外側。各種蛋白質分子中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-螺旋對維持蛋白質分子空間結構的相對穩(wěn)定起著十分重要的作用。
β-片層結構（β-pleated sheet structure）又稱β-折疊，是肽鏈中比較伸展的空間結構，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。
大多數球狀蛋白質分子中，α-螺旋與β-片層結構都同時存在，且是各種蛋白質分子中的主要二級結構，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-片層結構，而胰糜蛋白酶分子中約有45%氨基酸殘基組成β-片層二級結構，β-片層二級結構的可塑性比較大。
β－轉角（β－turn，T），指肽鏈出現180o左右轉向回折時的“U”形有規(guī)律的二級結構單元，空間結構靠第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-轉角還有幾種亞型，在球狀蛋白質中含量豐富，且大多存在于球狀蛋白質分子的表面，因此為蛋白質生物活性的重要空間結構部位。
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構，它是蛋白質分子中一系列無序構象的總稱，也可以說是各種蛋白質分子中的特征性二級結構。因為在蛋白質分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片層、β-轉角等二級結構的，而是有相當部分的肽段，其二級結構在各蛋白質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分子中，同時也是蛋白質分子結構和功能的重要組成部分。
蛋白質二級結構、乃至更高層次空間結構的形成，決定于其一級結構。由于一級結構中氨基酸殘基側鏈R大小與性質的不同，使肽鍵可形成不同的α-螺旋、β-片層等二級結構。如一段肽段由相鄰較多酸性氨基酸組成，由于側鏈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。
超二級結構（super secondary structure）和結構域：近年來隨著蛋白質結構與功能研究的深入，發(fā)現不少蛋白質分子中的一些二級結構單元，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、均有的超二級結構基本形式，具體說，形成相對穩(wěn)定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二級結構（圖2－12）又稱模體(motif)或模序。具有調控作用的轉錄因子蛋白質中，就有β2α和αTα超二級結構存在。且單個或多個超二級結構，尚可進一步集結起來，形成在蛋白質分子空間結構中明顯可區(qū)分的區(qū)域，稱結構域（圖2－13），它們分別又是蛋白質分子中的一個個功能單位，故不嚴格地又稱之為功能域。蛋白質的結構域一般由40～400個氨基酸殘基組成。
蛋白質超二級結構和結構域的重要性，還在于它們往往分別是由該蛋白質相應基因的DNA鏈上不同的外顯子編碼的。體內蛋白質生物合成時，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構域組成的蛋白質。但因含有一些相同的結構域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白質，形成蛋白質家族（protein family），和合成特異性不同的各種免疫球蛋白分子等。又由于結構域僅是大分子蛋白質中的一個部分，相對較小，比較容易研究其結構和功能的關系，因此結構域已成為目前蛋白質結構、功能研究中的一個關注焦點與熱門課題。
蛋白質的二級結構是指多肽鏈中相鄰氨基酸殘基形成的局部肽鏈空間結構，是其主鏈原子的局部空間排布。蛋白質分子的空間結構有一些共同的規(guī)律可遵循，其中二級結構主要是周期性出現的有規(guī)則的α-螺旋、β-片層、β-轉角、π-螺旋和無規(guī)則線圈等幾種二級結構單元，且這些有序的二級結構單元，主要是靠氫鍵等非共價鍵來維持其空間結構的相對穩(wěn)定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白質分子中穩(wěn)定的二級結構，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構（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構的相對穩(wěn)定。
α-螺旋類似實心棒狀，氨基酸殘基側鏈R在螺旋外側。各種蛋白質分子中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-螺旋對維持蛋白質分子空間結構的相對穩(wěn)定起著十分重要的作用。
β-片層結構（β-pleated sheet structure）又稱β-折疊，是肽鏈中比較伸展的空間結構，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。
大多數球狀蛋白質分子中，α-螺旋與β-片層結構都同時存在，且是各種蛋白質分子中的主要二級結構，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-片層結構，而胰糜蛋白酶分子中約有45%氨基酸殘基組成β-片層二級結構，β-片層二級結構的可塑性比較大。
β－轉角（β－turn，T），指肽鏈出現180o左右轉向回折時的“U”形有規(guī)律的二級結構單元，空間結構靠第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-轉角還有幾種亞型，在球狀蛋白質中含量豐富，且大多存在于球狀蛋白質分子的表面，因此為蛋白質生物活性的重要空間結構部位。
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構，它是蛋白質分子中一系列無序構象的總稱，也可以說是各種蛋白質分子中的特征性二級結構。因為在蛋白質分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片層、β-轉角等二級結構的，而是有相當部分的肽段，其二級結構在各蛋白質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分子中，同時也是蛋白質分子結構和功能的重要組成部分。
蛋白質二級結構、乃至更高層次空間結構的形成，決定于其一級結構。由于一級結構中氨基酸殘基側鏈R大小與性質的不同，使肽鍵可形成不同的α-螺旋、β-片層等二級結構。如一段肽段由相鄰較多酸性氨基酸組成，由于側鏈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。
超二級結構（super secondary structure）和結構域：近年來隨著蛋白質結構與功能研究的深入，發(fā)現不少蛋白質分子中的一些二級結構單元，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、均有的超二級結構基本形式，具體說，形成相對穩(wěn)定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二級結構（圖2－12）又稱模體(motif)或模序。具有調控作用的轉錄因子蛋白質中，就有β2α和αTα超二級結構存在。且單個或多個超二級結構，尚可進一步集結起來，形成在蛋白質分子空間結構中明顯可區(qū)分的區(qū)域，稱結構域（圖2－13），它們分別又是蛋白質分子中的一個個功能單位，故不嚴格地又稱之為功能域。蛋白質的結構域一般由40～400個氨基酸殘基組成。
蛋白質超二級結構和結構域的重要性，還在于它們往往分別是由該蛋白質相應基因的DNA鏈上不同的外顯子編碼的。體內蛋白質生物合成時，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構域組成的蛋白質。但因含有一些相同的結構域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白質，形成蛋白質家族（protein family），和合成特異性不同的各種免疫球蛋白分子等。又由于結構域僅是大分子蛋白質中的一個部分，相對較小，比較容易研究其結構和功能的關系，因此結構域已成為目前蛋白質結構、功能研究中的一個關注焦點與熱門課題。