生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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回蛋白質 1.2

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蛋白質 的胺基酸長鏈，並不是一條隨意飄動的長線，因為胜肽鍵的平面不能任意轉動，使得此一長鏈只能有固定的幾種摺疊法。因此一級構造的胺基酸鏈，會捲曲成 a helix, b sheet 及 turn 等幾種規律的二級構造，原因如上。除了上述許多限制因素之外，二級構造中也含有大量氫鍵，正面地鞏固其形成。

問題：二級構造的成因，乃源自構造上的限制，以及結構能量的優勢，請分別說明之。

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二級 構造的摺疊相當具規律性，由兩兩胺基酸之間的胜肽平面轉動角度，可以預測將會形成何種二級構造 (Ramachandron plot)；只要輸入一串胺基酸序列，電腦軟體就可準確地推測 a helix 或 b sheet 的形成。

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請仔細 觀察這兩種二級構造的形狀與構成，尤其注意氫鍵的形成與位置，規律地組成兩種二級構造。因為這些二級構造的存在，使蛋白質成為一個相當堅固的巨分子，同時也賦予其功能與活性。

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二級構造 上最主要的構成力量，就是氫鍵，且數目極多。 由於 a helix 螺旋摺疊的關係，一個胺基酸的 C=O (carbonyl) 會與下游第三個胺基酸上的 N-H 產生氫鍵 (C=O…H-N)。而其間的相對位置與方向，是非常完美的配合，因此可以得到最大力量的氫鍵鍵結。同時因為 a helix 上的每個 C=O 與 N-H 都會結成氫鍵，整個 a helix 就以相當多數的氫鍵為架橋，形成堅固的圓筒狀結構。

氫鍵的形成是因為氫原子的超低陰電性，容易被同一分子上的強陰電性原子 (如氮) 奪去電子，露出正電荷，再被另一個帶強負電性的原子 (如氧) 吸引，產生類似離子鍵的吸引力，不過其力量很弱。若此三個原子 (O...H-N) 在空間上排成一直線，則所產生的氫鍵最強；但若不排成一直線，則氫鍵會減弱。因此各原子的相對位置，就變得極為重要。

除了 a helix 之外，b sheet 的長條之間，也會產生很多氫鍵，把 b sheet 的許多長條鏈連結在一起，成為一片堅固的盾牌狀構造。

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除了 蛋白質的二級構造外，氫鍵亦無所不在。水分子中更有許多氫鍵，喝水時的確喝了很多氫鍵。DNA 的兩股間，也是以氫鍵作為鍵結，更是生命複製的根本機制。

問題：你能否再舉出若干其他例子，說明氫鍵的重要細胞角色？

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a Helix 構造的各種變貌，是由一位有名的藝術家 Irving Geis 所繪，你可能早就看過許多他所繪製的分子模型圖片。有關蛋白質構造的作品，最早是集合在一本叫做 The structure and action of proteins 的書中 (Dickerson and Geis, 1969)，裡面的經典作品兼具科學與藝術價值，數十年來都為各種教科書所使用。 Geis 已在幾年前過世。

若有可能，請嘗試使用實際的分子模型建立一個 a helix，一定會有很不一樣的感受；絕對與只看看書上的圖，或者在電腦上面玩玩立體模型，完全不同。你會發現 a helix 好像不是螺旋，而是一條四面柱，沿著縱軸心有點扭曲。

問題：為何 a helix 的實際外觀比較接近四面柱，而非圓柱？

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a Helix 是由 Linus Pauling 所發現與建立的，也因為如此以及對化學鍵的重要貢獻，得到了諾貝爾化學獎 (1954)。Pauling 可說是生物化學的開山始祖，曾經發現血紅素蛋白質上的胺基酸缺陷，開創了 molecular disease 這個字。

Pauling 回憶他如何發現 a helix：當正傷腦筋在解構造時得到感冒，就到海邊的別墅去休息，養病無聊的期間，隨手在一張長紙條寫下一段胜肽，然後在手中把玩，把紙條捲成一條長筒，突然發現螺旋構造間可以產生很多氫鍵，是一個相當完美的構造，回到實驗室檢查由 X-ray 所得到的資料，也都吻合螺旋構造。因為是他所發現的第一個螺旋構造，因此命名為 a helix。

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a Helix 的捲繞方式不只一種，其中最常見的一種，是每 3.6 個胺基酸捲繞成一圈的 a₁₃ helix，每圈高度有 5.4 Å (中圖)，其分子上的任何一個氫鍵，都是由 13 個原子所夾 (請數一數右圖上半的數字)。

問題：二級構造中的氫鍵結構都很完美，請在圖中指出來。 最好能夠不看書本，自己畫出一條 a helix 構造。

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a Helix 主要的構造與性質摘要如上表，請按圖索驥在一張 a helix 的圖上，找出以上所有的特徵；然後試著不要參考書本，自己在紙上畫出一條 a helix，並註明所有特質。大部分蛋白質上都有 a helix，尤其是肌紅蛋白或血紅蛋白，幾乎全由 a helix 所構成。

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a Helix 是右手旋構造，如上圖右手般，往右上的方向旋轉。右手旋構造的立體鏡像，就成為左手旋，但在自然界中都是右手旋的 a helix。

一段 a helix 也有電荷上的極性，在 N-端會帶較強的正電性，在 C-端則帶顯著負電性； 當然兩端的胺基及酸基有相當貢獻，但是內部的每一個氫鍵，也都有相當的極性，且方向都一致。

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肌紅蛋白 (myoglobin, Mb) 分子幾乎全部由 a helix 所組成。 簡單看來，肌紅蛋白是由八段筒狀的 a helix 螺旋所構成；上右圖把 a helix 畫成長筒狀，非常適切，也請把 a helix 看成長筒狀。 因為 a helix 除了捲成螺旋狀之外，在螺紋之間還用許多氫鍵連結著，這些氫鍵把螺旋連結的更為堅固，這就是二級構造的重要作用。

蛋白質分子若只是由長條狀的單薄胺基酸長鏈來回纏繞組成，則這個立體構造將會相當脆弱，一壓就扁。反之，若能先捲成筒狀的螺旋二級構造，再由這些筒子組成整個蛋白質，將會堅固許多。因此，二級構造是組成蛋白質三級構造的小單元，角色極為重要。

問題：說明 Mb 如何以兩個 a helix 夾住 heme，後者又如何與 Mb 上面的兩個 His 連結。

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許多 二級構造可再聚合成更大的組合，以兩個或數個 a helix 聚集在一起，致使蛋白質的構造更為堅固；或可圍成一個中空的管狀通道，以供物質通過。像上圖 aaaa 構造是由四個 a helices 組合，中間相鄰接的部份 (土黃色)，可能由非極性胺基酸組成，就會造成此種構造更趨穩定。或者相反地，外圍的部份都由非極性胺基酸組成，則此種構造可以鑲在細胞膜中，成為膜蛋白；而中央的部份，則有可能成為貫穿細胞膜的孔道，由極性胺基酸所組成。

問題：這種群聚構造稱為 supersecondary 或者 motif，常常在不同蛋白質的構造中出現，想一想這種構造在蛋白質整體構形的生成上，有何有利之處？

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由於 a helix 上面胺基酸的螺旋排列方式，使得原本在直線序列上相差三或四個胺基酸者，在立體位置上的排列卻變成最為接近，好像住在樓上及樓下。 因此位於 1, 5, 9…的三個胺基酸，捲成 a helix 時，剛好落在螺旋圓筒的同一側而形成一條線。

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b Sheet 也是二級構造的一種，但與 a helix 形狀完全不同，是許多彩帶狀長條的集合，這些長條橫向以許多氫鍵連在一起，成為一大塊堅固的平板構造。這兩種基本二級構造，可以同時在蛋白質中發現，共同組成了堅固的巨大分子。 有些分子構造中，許多相鄰 b sheets 會一個接一個圈成螺旋狀，稱為 b helix 構造，但本質上還是 b sheet 的構造，與 a helix 沒有任何關係 (參考 Wikipedia)。

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蠶絲蛋白質 的 b sheet 構造，由 Ala, Gly, Ser 等側基較小的胺基酸所組成，b sheet 的長條狀彩帶之間，以許多氫鍵結合在一起，成為一平板；兩平板之間 Ala 的側基 –CH₃ 剛好垂直相向，互相錯開並互補地卡在一起；Gly 也是一樣，但兩個平板間的空隙較小。

問題：蠶絲的特質令人喜愛，絲質製品可以用雙手拉開，而當放開後卻很容易回復。如何用上述的構造來說明？

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b sheet 中各條彩帶的方向，可以都一致，稱為平行 parallel；方向也可以相反，成為反平行 anti-parallel。通常以箭頭來表示 b sheet 彩帶，都由 N-端指向 C-端方向。

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組成 蛋白質分子的二級構造是什麼？不一定。有時全部是 a helix，有時全是 b sheet，大部分蛋白質分子是兩種皆有之。

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另有 兩種不規則形狀者，都沒有特別構形。其中 irregular 雖屬不規則，但有固定形狀；而 random 不僅形狀不規則，且時時在改變。通常在蛋白質兩端部份，較易有 random 片段出現。

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在 連接二級構造的 a helix 或 b sheet 時，蛋白質以特定的轉角方式來連接，稱為 b turn 或 g turn，也是以氫鍵組成。 造成 g turn 的胺基酸以 Pro 最為常見，因為 Pro 的環狀結構，使得其附近蛋白質的脊骨產生極大轉彎。

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展出 幾種蛋白質的三級構造組成，請在上面指出各種二級構造，以及 b sheet 組成的各種平板形狀，並特別注意 turns 及不規則構造。有些不只有兩個端點，可能經過修飾。

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