【预备知识】
- 蛋白质 #55
在生物体的 DNA 中直接编码的蛋白质中，有 20 种不同类型的氨基酸，每种都具有不同的化学性质。每个蛋白质分子都由一条长长的不分支的氨基酸链组成，每个氨基酸通过共价肽键与其相邻氨基酸连接。
肽键 (peptide bond) 的形成。 这种共价键是在一个氨基酸的羧基（例如甘氨酸）的碳原子与第二个氨基酸（例如丙氨酸）的氨基的氮原子共享电子时形成的。如图所示，在这个脱水缩合反应中会消除一分子水（参见图 2–9）。在这个模型中，碳原子是黑色，氮原子是蓝色，氧原子是红色，氢原子是白色。
每种蛋白质都拥有独一无二的氨基酸序列，一个细胞中有成千上万种不同的蛋白质。
沿着多肽链核心的重复原子序列被称为多肽主链 (polypeptide backbone)。附着在主链上的是那些不参与形成肽键的 20 种不同的氨基酸侧链（side chains），赋予每种氨基酸其独特的性质。这些侧链中，有些是非极性且疏水（“惧水”）的，有些带有负电荷或正电荷，有些可以很容易地形成共价键。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 3–1B 一小段多肽主链及其附着的侧链**。**
多肽链的两个末端在化学上是不同的：
为简便起见，使用 NH2 和 COOH 来表示这些末端，而不是它们的实际离子化形式。蛋白质的氨基酸序列总是以 N 到 C 的方向（从左向右阅读）呈现。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 3–3 多肽链中键角的空间限制。
(A) 每个氨基酸为链的主链贡献三个键（红色）。由于肽键具有部分双键特性，它是平面的（灰色阴影），不允许自由旋转。相比之下，Cα−C 键可以旋转，其旋转角度称为 psi (Ψ)；N−Cα 键也可以旋转，其旋转角度称为 phi (Φ)。按照惯例，R 基团（紫色圆圈）常用于表示氨基酸的侧链。
(B) 蛋白质中主链原子的构象由每个氨基酸的一对 Φ 和 Ψ 角度决定；由于空间限制，大多数可能的 Φ 和 Ψ 角度对并不会出现。在这个所谓的拉马钱德兰图 (Ramachandran plot) 中，每个点代表蛋白质中观察到的一对角度。三个不同阴影的点簇反映了蛋白质中反复出现的三种不同的二级结构。其中最突出的是**α 螺旋和β 折叠**，正如正文将要描述的那样。（J. Richardson, Adv. Prot. Chem. 34:174–175, 1981）
这些空间位阻限制（其中包括肽键中电子的离域，使该键连接具有平面性）将多肽中键角的能量最小值限制在一个狭窄的范围内。但是，像蛋白质这样长的柔性链仍然可以以无数种不同的方式折叠。
蛋白质链的折叠是由链的不同部分之间形成的许多不同类型的弱非共价键决定的。这些键涉及多肽主链中的原子，以及氨基酸侧链中的原子。这些弱键有三种类型：氢键 (hydrogen bonds)、静电引力 (electrostatic attractions) 和范德华引力 (van der Waals attractions)。
单个非共价键比形成生物分子的典型共价键弱 30 到 300 倍。但是，许多弱键并行作用可以紧密地将多肽链的两个区域固定在一起。正是大量这些非共价键的组合强度稳定了每种蛋白质的折叠形状。
第四种弱力——疏水聚集力 (hydrophobic clustering force)——在决定蛋白质形状方面也起着核心作用。正如第 2 章所述，疏水分子，包括特定氨基酸的非极性侧链，倾向于在水环境中被迫聚集在一起，以最小化它们对水分子氢键网络的破坏性影响。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 3–4 三种非共价键帮助蛋白质折叠。R用作氨基酸侧链的一般代号。
尽管单个这种键相当弱，但它们通常会共同作用，形成一种强大的结合排列。
因此，控制任何蛋白质折叠的一个重要因素是其极性和非极性氨基酸的分布。蛋白质中的非极性（疏水）侧链——属于苯丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸和色氨酸等氨基酸——倾向于聚集在分子的内部（就像疏水油滴在水中聚结形成一个大液滴一样）。这使得这些侧链能够避免与细胞内部周围的水接触。相比之下，极性基团——例如属于精氨酸、谷氨酰胺和组氨酸的那些基团——倾向于将自己排列在分子的外部附近，在那里它们可以与水和其他极性分子形成氢键。任何埋藏在蛋白质内部的极性氨基酸通常都会与其他极性氨基酸或多肽主链形成氢键。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 3–5 蛋白质如何折叠成紧凑的构象。极性氨基酸侧链倾向于位于蛋白质的外部，在那里它们可以与水相互作用；非极性氨基酸侧链则埋藏在内部，形成一个紧密堆积、疏水的原子核心，避开水。
【进阶】
