蛋白質的一級與二級結構（The Primary and Secondary Structures of Proteins）

Posted on 2009/08/01 in 化學, 化學技術與應用, 化學與社會 with 沒有迴響 29,465 views

蛋白質的一級與二級結構（The Primary and Secondary Structures of Proteins）
台北市立第一女子高級中學三年級許佳蓁/台北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯
胜肽（peptides）和多肽（polypeptides）
兩種最簡單的α-胺基酸甘胺酸（glycine）及丙胺酸（alanine）結構圖可表示如下圖一。

甘胺酸及丙胺酸可脫去一個水分子而結合產生雙肽（dipeptide），此類雙肽（dipeptide）有兩種結合的方式，如下圖二所示。

在上圖，雙肽分子中以藍色標記的部分稱作肽鍵（peptide link），亦稱作醯胺鍵（amide link），然而在生化和生物領域中通常將其稱為肽鍵。若將三個胺基酸結合將可得到三肽（Tripeptide），我們甚至可以將更多的胺基酸結合（在一個蛋白質鏈中）則可以得到多肽（polypeptides）。一個蛋白質鏈中通常含有50到2000個胺基酸，但是嚴格來說，肽鏈並非單純是由胺基酸所組成的，而是由胺基酸脫去一分子水後的胺基酸剩餘物所組成（amino acid residues）。

依照慣例，在畫肽鏈結構圖時，我們通常將不形成肽鍵的-NH₂基畫於左邊，將沒有反應的-COOH基寫於右邊，若肽鏈結尾的一端為-NH₂基，則稱其為N末端（N-terminal），若結尾的一端為-COOH，則稱其為C末端（C-terminal），一個左端擁有N末端的蛋白質鏈結構如下圖。

蛋白質鏈中，肽鏈（peptide chain）被稱為主鏈（backbone），其餘的胺基酸”R”官能基則被稱為支鏈（side chains）。

蛋白質的一級結構（The primary structure of proteins）
蛋白質的一級結構可以代表兩種不同的事件，第一種是常用的胺基酸剩餘物的縮寫，這些縮寫通常是由一個或三個字母所組成。其中一些蛋白質長鏈可以以三個字母的縮寫來表示，如下圖。

另一種較廣泛蛋白質一級結構的定義包含所有由共價鍵所構成的蛋白質，而事實上肽鍵本來便是由共價鍵所構成的。然而有些蛋白質除了擁有共價鍵外還擁有其他的特徵，如半胱胺酸（amino acid cysteine），下圖所示。

若將肽鏈的支鏈對折，使兩個半胱胺酸接近進而反應產生雙硫鍵（sulphur bridge），這也屬於共價鍵的一種，因此人們也將其納入蛋白質的一級結構。然而其中仍擁有爭議，因鍵結的雙硫鍵影響了蛋白質的摺疊，因此也有人認為應將其歸類為蛋白質的三級結構（tertiary structure），如下圖所示。

蛋白質的二級結構（The secondary structure of proteins）
在蛋白質長鏈中的部份會構成規律的α-螺旋（alpha-helices）結構和β摺疊（beta-pleated sheet）結構，這些都屬於蛋白質的二級結構。這些蛋白質的二級結構是由氫鍵所組成，下圖是氧原子以氫鍵連結氮原子的蛋白質結構。

α-螺旋結構
在α-螺旋中，蛋白質長鏈會被捲成似鬆弛彈簧的結構，α是指當我們由上往下看此蛋白質時，此一彈簧似的構造會以順時針的方向繞離我們。下圖是α-螺旋以氫鍵連結而成的構造，圖中所有的”R”官能基都是向主要螺旋（main helix）的側邊突出，有規律性的，N-H基都指向上方，而C=O基都指向下方，每一個鍵結都包含了一個氫鍵。

每一個完整的螺旋包含了大約3.6個胺基酸剩餘物，若我們使每一圈的胺基酸剩餘物擁有相同的官能基，則在這個情況下，其間將不能產生氫鍵。每一圈擁有三個胺基酸剩餘物和兩個相鄰的原子，這也顯示了每一圈將彌補了上圈和下圈的空洞，如此N-H基和C=O基將彼此排列在同一條線上。
β摺疊結構
在β摺疊中，蛋白質長鏈被摺疊使他們彼此相依，下圖是一個反平行的結構（”anti-parallel” sheet），也就是說鄰近的兩鏈都是以反方向相疊而成。