生 物 化 學 【第 5 版】 CH04 蛋白質之三度空間結構

4.1 蛋白質結構總論 4.2 蛋白質之二級結構 4.3 蛋白質之三級與四級結構 4.4 蛋白質變性與摺疊 p.117

每個蛋白質具有的特定化學或結構功能，強烈顯示蛋白質也具有獨特的三度空間結構（圖 4-1）。 我們將依下列五大主題探討蛋白質的胺基酸序列與其三度空間結構間的關聯。 （一）蛋白質的三度空間結構是由其胺基酸序列決定的。 （二）蛋白質的功能取決於其結構。 （三）一個被分離出的蛋白質通常以一種或少數幾種穩定 的結構存在。 （四）非共價交互作用力是用以穩定蛋白質立體結構的最 重要因素。 （五）從為數龐大的獨特蛋白質結構中，我們可以辨識出 一些規律的結構模式，這些模式可以協助我們統整 與分析現有的蛋白質結構資訊。 p.117

圖 4 - 1 FIGURE 1-2 圖4-1　胰凝乳蛋白（酶）（一種球狀蛋白質）之結構。圖中放入甘胺酸分子（藍色）作為大小比較。目前已知的蛋白質三度空間結構均整理歸納於蛋白質資料庫（見 BOX 4-4）中。本圖胰凝乳蛋白的結構圖形是使用 PDB 檔案 6GCH 繪製而成。 p.117

4.1 蛋白質結構總論 蛋白質的構形（conformation）係由其組成原子的 空間排列所決定。 任何具功能性、且構形摺疊正確的蛋白質均稱為 天然（native）蛋白質。 蛋白質之構形主要是藉由弱交互作用力來穩定 從蛋白質結構的角度來說，穩定性（stability）被 定義為「維持原態構形的傾向」。 p.118

由於大多數細胞之胞質係處於高度還原態，因此 許多蛋白之原態構形中並不具有雙硫鍵（－S－S －）。 對大多數生物的細胞內蛋白而言，弱交互作用力 在多肽鏈摺疊成二級和三級結構時特別重要。而 多條胜肽結合形成四級結構也是依賴這些弱交互 作用力。 p.118

由於弱交互作用力數量非常龐大，故其為穩定蛋 白質構形的主要因素。 由於弱交互作用力數量非常龐大，故其為穩定蛋 白質構形的主要因素。 一般而言，具有最多弱交互作用力的構形即為具 有最低自由能之蛋白質構形（亦即其最穩定構形 或天然構形）。 我們必須從其他角度思考何以蛋白質會傾向形成 摺疊的天然構形。 在仔細分析各種非共價力的作用方式後，我們發 現疏水性交互作用力（hydrophobic interactions） 對蛋白結構的穩定性有最顯著的貢獻。 p.118

極性基團一般可與水形成氫鍵，因此可溶於水中。 當疏水性分子存在於水中時，為了儘量確保原本水 中氫鍵網路的完整性，因而此疏水性物質周圍的水 分子會排列成一個高度規則化的殼狀構造（圖2-7） ，又稱為溶合層（solvation layer）。 極性基團一般可與水形成氫鍵，因此可溶於水中。 疏水性作用力對穩定蛋白質的構形非常重要；蛋白 質的內部通常具有一個由非極性胺基酸支鏈緊密堆 積而成的疏水性核心（hydrophobic core）。 p.118

位於蛋白質內部的任何極性或帶電基團則必須有合適的配對對象將其極性以氫鍵或離子性交互作用的形式中和，才不致於降低疏水性核心的穩定性。 帶相反電荷基團間所形成的離子對，或是鹽橋的作用力都能對蛋白質結構造成影響。 p.119

本章中所談到的大部分結構模式均反映出兩個簡單的規則： 疏水性殘基大多位於蛋白質的內部，遠離水分子。 蛋白質中氫鍵的數目趨向最大化。 不可溶的蛋白質與膜內蛋白質（第 11 章）則因其功能及所處環境而依循略有差異的規則。但無論如何，弱交互作用力為極重要的結構要素。 p.119

這表示羰基氧與醯胺基氮之間有共振或兩對電子 有部分共用（圖4-2a）。 肽鍵是固定不動且為平面的 共價鍵對多肽構形也具有重要的限制。 這表示羰基氧與醯胺基氮之間有共振或兩對電子 有部分共用（圖4-2a）。 胜肽基團（peptide group）的六個原子位在同一平 面上，其中羰基氧原子與醯胺基氮的氫原子是呈 反式排列的。 p.120

圖4–2(a) 羰基氧具部分負電荷，醯胺基氮具部分正電荷，可產生一個小電偶極。基本上蛋白質中幾乎所有肽鍵均以此反式組態存在，圖 4-7b 所示則為一個例外。 圖4-2　平面的基團。(a) 由於共振及無法轉動，每個肽鍵都具有部分雙鍵的特性。 p.120

總結 4.1 每個蛋白質都具有一個三度空間結構可以反映出其 功能。 每個蛋白質都具有一個三度空間結構可以反映出其 功能。 蛋白質結構可被多種弱交互作用力加以穩定。疏水 性作用力為大多數可溶的球狀蛋白最主要的穩定力 量；氫鍵與離子交互作用力則在許多熱力學上最穩 定的特定結構中作最有效的運用。 多肽骨架中，共價鍵的本質也成為蛋白質結構限制 的主因。肽鍵的部分雙鍵特性使得六個參與肽鍵的 原子均位於同一固定不動的平面上，僅N—Ca與 Ca—鍵可分別以鍵角 與 ψ 轉動。 p.121

4.2 蛋白質之二級結構 α 螺旋是一種常見的蛋白質二級結構 4.2　蛋白質之二級結構 二級結構（secondary structure）一詞是起源於描述一段多肽鏈，其主鏈上原子的區域空間排列，而非其支鏈的構形或是與其他多肽片段的關係。 α 螺旋是一種常見的蛋白質二級結構 伴隨著固定不動的肽鍵（但其他單鍵是可以自由轉動的），多肽鏈所能形成之最簡單排列就是螺旋狀構造，Pauling 與 Corey 將之稱為 α 螺旋（α helix）（圖 4-4）。 p.122

圖4-4 p.122

圖4-4(續) 圖4-4　四種 α 螺旋之模型，可呈現出其不同角度之結構特性。(a) 右手旋 α 螺旋之球-棒模型，結構中的氫鍵以虛線顯示，螺旋的單圈（即其重複單元）包含 3.6 個胺基酸殘基。(b) 由 α 螺旋之一端沿著長軸觀察（衍生自 PDB ID 4TNC）。請注意 R 基團（以紫色球體表示）所在的位置。此球-棒模型主要是為了強調螺旋內外的配置情形，球體並不代表個別原子之實際凡得瓦爾半徑大小，因此可能會給讀者帶來錯誤的印象，誤以為螺旋內部是中空的。(c) 此空間填充模型所呈現的才是實際情形，由此圖可知 α 螺旋中心的原子彼此之間接觸十分緊密。(d) 螺旋的俯視投影圖。這種表現方式可以搭配不同的顏色來標示出特定蛋白質表面的性質。例如：黃色的殘基若是疏水性的胺基酸，則此面可作為螺旋與其他多肽片段接觸的界面。紅色（負電）與藍色（正電）殘基分別代表可與其他帶正負電側鏈的多肽片段有交互作用的區域，在這螺旋中此二胺基酸是間隔了兩個殘基。 p.122

在所有蛋白質中發現的α螺旋纏繞方式都是右手旋的。 為什麼相較於其他許多可能存在的構形來說，α 螺旋較 易形成呢？部分答案是因 α 螺旋最善用分子內氫鍵。 α 螺旋結構可被胜肽連結的高電負度氮原子上所連接的 氫原子與位於胜肽鍵胺基端第 4 個胺基酸之高電負度 羰基氧原子之間所形成之分子內氫鍵所穩定（圖4-4a） 。 p.122

範例4-1 二級結構與蛋白質大小 請問一 80 個胺基酸殘基的多肽形成一連續的 α 螺旋的長度為多少？ 解：一個完美的 α 螺旋每圈有 3.6 個殘基，並且沿著螺旋軸上升 5.4 Å。因此，每個胺基酸殘基可以讓螺旋沿著軸上升 1.5 Å。所以，這多肽的長度為 80 個殘基 × 1.5 Å / 殘基 / 120 Å。 p.123

進一步的模型建構實驗顯示α螺旋在含有 L-或 D-胺基 酸之多肽中均能形成。然而，前提是整條多肽中之殘 基必須屬於同一種立體異構物（即全都是 L-型或全都 是 D-型）。 胺基酸序列影響 α 螺旋之穩定性 並非所有多肽都能形成穩定的 α 螺旋。在多肽中每個 胺基酸殘基都有形成 α 螺旋的本能傾向（表 4-1）。 p.123

表 4-1 TABLE 1-1 p.123

影響多肽中α 螺旋穩定性的最後一個因子是靠近螺旋末端的胺基酸殘基種類。 這些電偶極隨著螺旋中的氫鍵互相連接，最終形成一個大的淨電偶極，並沿著螺旋的長度而延伸（圖4-5）。 p.123

五種影響 α 螺旋穩定性的限制因子整理如下： (1) 某胺基酸傾向於形成 α 螺旋的趨勢； (2) 序列中相隔三（或四）個胺基酸之側鏈間的交互作用； (3) 相鄰胺基酸的側鏈大小； (4) Pro 與 Gly 殘基的存在； (5) 在螺旋片段末端之胺基酸殘基與 α 螺旋內生性電偶極間之交互作用。也就是說，一段多鏈是否能摺疊成α 螺旋構形，取決於片段內胺基酸殘基之種類與序列。 p.124

BOX 4-1 分辨右手旋與左手旋 BOX 1-2 FIGURE 1 將你的雙手握拳並將大拇指伸出指向正上方。觀察你的右手，試著想像一個螺旋正沿著其他四指彎區的方向（即逆時針方向）纏繞著你的右手大拇指，如此形成的即稱為右手螺旋。同樣地以此類推，你的左手也能用來表示一沿著順時針方向旋繞的左手螺旋。 p.123

β 構形將多肽鏈組織成摺板狀 Pauling 與 Corey 預測 β 構形（β conformation）為第二 種重複性結構。這是多肽鏈較具延展性的一種構形，並 已經由 X-光繞射分析確定其結構。 彎曲的多肽鏈可肩併肩排列成一系列類似摺板狀的構造 。在這個稱為 β 摺板（β sheet）的構造中，氫鍵在相鄰 的多肽鏈間形成。 p.124

圖 4-6(a) p.18

圖 4-6(b) p.18

圖 4-6(續) 圖4-6 多肽鏈的 β 構形。這些俯視與側視圖顯示出 R 基團 伸出 β 摺板的情形，並強調由肽鍵平面形成的摺板狀構造； 另外也可觀察到相鄰鏈間所形成之氫鍵。(a) 反平行 β 摺板其 相鄰鏈之胺基端至羧基端位向是相反的。(b) 平行 β 摺板。 p.124

β 摺板中相鄰的多肽鏈可以是平行或反平行的。 有些蛋白質的結構限制了β 摺板中可能出現之胺基酸殘基種類。 p.124

β 構形將多肽鏈組織成摺板狀 Pauling 與 Corey 預測 β 構形（β conformation）為第二 種重複性結構。這是多肽鏈較具延展性的一種構形，並 已經由 X-光繞射分析確定其結構。 彎曲的多肽鏈可肩併肩排列成一系列類似摺板狀的構造 。在這個稱為 β 摺板（β sheet）的構造中，氫鍵在相鄰 的多肽鏈間形成。 p.124

β 回轉在蛋白質中很常見 在球狀蛋白質緊密摺疊的結構中，有將近三分之一的胺 基酸殘基會形成供多肽鏈轉折（改變方向）用的回轉構 造（圖 4-7）。 這些正是連結接續性 α 螺旋或 β 構形的重要結構元素。 其中尤以連接兩相鄰反平行 β 摺板端點之 β 回轉（β turns）為最常見。 p.124

圖4-7(a) 圖4-7　β 回轉之結構。(a) 本圖所示為最常見的兩型 β 回轉，其中第一型回轉出現頻率約為第二型的兩倍。第二型 β 回轉通常以苷胺酸為第三個殘基，而第一與第四殘基之間則會形成鏈間氫鍵（個別的胺基酸殘基以藍色圓圈框起）。 p.125

圖4-7(b) 圖4-7　β 回轉之結構。(b) 脯胺酸肽鍵的順反異構物。除了脯胺酸之外，胺基酸之間所形成的肽鍵超過 99.95% 是以反式組態存在的。而含有脯胺酸之肽鍵則有 6% 呈順式組態，且多半存在於 β 回轉中。 p.125

每種二級結構可以被每個胺基酸殘基之 與 ψ 兩個 鍵角作完整的描述。 常見的二級結構具有特定鍵角及胺基酸組成 每種二級結構可以被每個胺基酸殘基之 與 ψ 兩個 鍵角作完整的描述。 α 螺旋與 β 構形會座落在立體空間上允許的結構所 出現的侷限範圍內（圖 4-8a）。 p.126

一般的二級結構可以用圓二色光譜儀鑑定 一個分子結構的對稱性會引起左手旋與右手旋偏極光吸收上的差異，測量這差異值的方法稱為圓二色光譜〔circular dichroism（CD）sepectroscopy〕。（圖 4-9） p.126

圖4-9 FIGURE 1-23(b) p.126

圖 4-9 圖4-9　圓二色光譜。此光譜顯示了多聚離胺酸的結構完全是 α 螺旋、β 構形或變性的隨機線圈。而 y 軸的單位是一般CD 實驗所使用的單位。由於 α 螺旋、β 構形與隨機線圈的曲線是不一樣的，所以 CD 光譜可以粗略估計蛋白質中形成α 螺旋與 β 構形的比例。天然蛋白質的 CD 光譜可以作為蛋白質形成摺疊狀態的基準，這對於監視改變溶液條件時造成的蛋白變性或構形改變是很有用的。 p.126

總結 4.2 二級結構是一段多肽鏈中胺基酸殘基的規則排列方 式，其中每個殘基與其空間上相鄰的其他殘基均採 取相同的排列方式。 二級結構是一段多肽鏈中胺基酸殘基的規則排列方 式，其中每個殘基與其空間上相鄰的其他殘基均採 取相同的排列方式。 最常見的二級結構是 α 螺旋、β 構形，以及 β 回轉。 一段多肽鏈中若所有胺基酸殘基之 與 ψ 角均為已 知，則其整段多肽鏈的二級結構就可以被確認出來 。 圓二色光譜是一個鑑定一般二級結構與監視蛋白質 摺疊的方法。 p.127