图2.38 混合b-片层结构。
在示意草图中，??链常常被划成带有箭头的条带。表示??链C-端的箭头显示??片层排列模式（是同向平行排列、反向平行排列、还是混合排列）。??片层结构比??螺旋结构的式样多。??片层几乎是平坦的，但多数情况下??片层有点扭曲（图2.39）。在很多蛋白质分子中，??片层是一种重要的结构元件。例如，对脂肪代谢非常重要的脂肪酸结合蛋白几乎全部是??片层结构（图2.40）。
图2.39 扭曲的??片层。（A）球-棒结构模型。（B）??片层结构草图。（C）图B是旋转90度的视觉图，表明??片层有扭曲。
图2.40 富含??片层结构的蛋白质。脂肪酸结合蛋白的结构。[]Drawn from1FTP.pdb]
反向拐弯和环使多肽链改变方向
由于多肽链的方向可以转向，多数蛋白质呈压缩紧密的球状结构。发生方向逆转的肽链常常有反向拐弯（也称??拐弯或发夹拐弯），如图2.41。很多逆向拐弯结构中，第i位氨基酸残基的C=O基团与第i+3位的氨基酸残基的NH基团形成氢键。这种相互作用能稳定多肽链方向急拐的结构。在另一些情况下，肽链转向采用环来完成，有时称这种环为Ω环。与??螺旋和??片层不同，环没有规则的周期性结构。但是环的结构坚固、有明确的结构。拐角和环处于蛋白质表面，常常参与蛋白质与其它分子的相互作用。
图2.41 反向拐弯的结构。第i位氨基酸残基的C=O基团与第i+3位氨基酸残基的NH基团形成氢键稳定肽链拐弯。
图2.42 蛋白表面的环。抗体蛋白表面有环状结构的区域。用红色显示与其它分子相互作用的环状结构。[Drawn from 7FTP.pdb]
纤维蛋白为细胞和组织提供结构支持
在??角蛋白和胶原蛋白分子中存在特殊螺旋。这些蛋白质形成起结构作用的长纤维。??角蛋白是毛发的主要成分，含有两股??螺旋。这两股螺旋相互缠绕，形成左手超螺旋，也叫螺旋的螺旋。??角蛋白是螺旋的螺旋家族蛋白（图2.43）的成员。在这些蛋白中，两股或更多股??螺旋缠绕扭曲形成非常稳定的、长度达1000A或更长的结构。人类的螺旋的螺旋蛋白家族大约有60个成员，包括构成细胞骨架的中度纤丝，肌动蛋白和原肌球蛋白（34.2节）。这个家族蛋白的特征是中央300个氨基酸残基含有不完美的7氨基酸序列重复，称为七残基重复（heptad repeat)。
图2.43 ??螺旋的螺旋。（A）空间填充模型。（B）绸带示意图。两股螺旋相互缠绕形成超螺旋。很多蛋白质有这样的结构，包括头发、羽毛、脚爪、动物角。[Drawn from 1CIG.pdb]
??角蛋白两股螺旋之间有弱作用（如离子键和范德华力）。两股螺旋相互间进行的左手螺
旋缠绕改变了原来每股右手螺旋结构，使右手螺旋每轮从3.6氨基酸残基变成3.5残基。这种改变有利于两股螺旋之间的相互作用。侧链相互作用的模式是每7个氨基酸残基重复一次，形成七氨基酸残基重复。如果重复完美，具有这种重复的两股螺旋就能相互作用（图2.44）。如重复残基有疏水侧链，它们之间就有范德华力；若重复残基有电荷相反的基团，则形成离子键。如果相邻的氨基酸残基是半胱氨酸，则两个螺旋之间能形成二硫键。螺旋之间的相互作用能解释毛发如??角蛋白的理化性质。由于这类蛋白是两股??螺旋依靠链间相互作用缠绕而成，因此破坏链间相互作用能使毛发长度几乎伸展至原有长度的2倍。如果两条肽链之间的二硫键没有遭到破坏，取消拉力毛发长度恢复到从前的水平。??角蛋白链间二硫键的数目决定了纤维蛋白的特性。毛发蛋白链间二硫键数目少，容易变形。但是脚爪蛋白链间二硫键多，相应地蛋白就更加坚固。
图2.44 螺旋的-螺旋蛋白内有七氨基酸重复。每个螺旋链中，每个七氨基酸重复的第7个氨基酸是亮氨酸。两股螺旋相互靠近主要依赖于亮氨酸残基间的van der Waals相互作用。
哺乳动物含量最丰富的胶原蛋白有不同的螺旋类型。胶原蛋白是皮肤、骨，键(tendon)、软骨(cartilage)、和牙齿主要的纤维蛋白成分。该蛋白处于胞外，是长度约为3000A、直径只有15A的棒形分子。胶原蛋白含有三股螺旋多肽链，每条多肽链有1000氨基酸残基。在氨基酸序列中每三个氨基酸就有一个甘氨酸。多肽链序列富含甘氨酸-羟基脯氨酸（图2.45）。羟基脯氨酸是羟基取代吡咯环一个氢原子的脯氨酸衍生物。
图2.45 胶原蛋白链的部分氨基酸序列。每个三氨基酸就有一个甘氨酸。脯氨酸和羟脯氨酸的含量也很高。
胶原蛋白螺旋的性质与??角蛋白螺旋的特性不同。胶原蛋白没有链内氢键。实际上，胶原蛋白多肽链内的螺旋依靠脯氨酸吡咯环之间的立体排斥力（图2.46）。当多肽链形成螺旋时，脯氨酸的吡咯环相互排斥，多肽链每个拐角大约有三个氨基酸残基。三股螺旋链相互缠绕形成的超螺旋则依靠链间氢键。甘氨酸残基的NH基团与另一条链氨基酸残基的C=O基团形成氢键。羟基脯氨酸也参与了链间氢键。没有羟基脯氨酸的羟基，就会患坏血病（scurvey)(27.5节)。
图2.46 胶原蛋白三链螺旋中每条多肽链的构型。
三股螺旋的内部排列非常拥挤。这解释了每三个氨基酸残基序列中第三个氨基酸必须是甘氨酸的原因（图2.47A)。只有甘氨酸才能臵于三链螺旋内部。而甘氨酸两侧的氨基酸残基均处于三链螺旋外侧，那里能够容纳脯氨酸和羟脯氨酸的大侧链（图2.47B）。
图2.47 胶原蛋白的结构。（A）胶原蛋白结构的空间填充模型。用不同的颜色表示不同的多肽链。（B）胶原蛋白模型链间交联的截面图。甘氨酸残基的??碳原子用G表示。每个三氨基酸序列的第三位肯定是甘氨酸，因为螺旋内的空间很小只能容纳甘氨酸。注意吡咯环处于三链螺
旋的外侧。
2.4 蛋白质三级结构：水溶性蛋白折叠成具有非极性核的紧密结构
我们现在考察一个完整的蛋白质分子中氨基酸如何聚集在一起的。X-射线晶体衍射技术和核磁共振光谱分析（3.6节）确定了几千种蛋白质的三维结构。现在我们看看肌红蛋白的三维结构，第一例原子空间结构明了的蛋白质。
肌红蛋白是肌肉组织的氧运输蛋白质，其多肽链由153个氨基酸残基组成（见第7章）。肌红蛋白结合氧的能力依赖于血红素。血红素是由原卜啉IX和中心铁原子构成的非肽链辅助基团。肌红蛋白折叠压缩紧密，其大小是45 x 35 x 25A，比完全伸展的肽链小一个数量级（图2.48）。约70%的多肽链折叠成8个??螺旋，其余的肽链是螺旋间的拐弯和环状结构。
图2.48 肌红蛋白的三维结构。（A）绸带图显示多肽链主要是??螺旋结构。（B）与图A相同方向的空间填充模型显示折叠多肽紧密压缩。注意血红素辅基臵于血红蛋白的裂缝中，只有一个边缘暴露。有一个螺旋用蓝色表示，有利于进行对该结构的两种图谱进行比较。
肌红蛋白主链的折叠与大多数其它蛋白质的折叠一样，复杂且没有对称性。多肽链总的折叠模式就是蛋白的三级结构。在三级结构中，氨基酸残基侧链的分布有共同的方式。蛋白质内部的氨基酸残基侧链几乎都是非极性基团，如亮氨酸、颉氨酸、甲硫氨酸、和苯丙氨酸（图2.49）。肌红蛋白内部没有带电氨基酸残基，如天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸。蛋白质内部唯一的极性氨基酸是两个组氨酸。这两个组氨酸对肌红蛋白结合血红素和铁元素极其重要。另外肌红蛋白表面既有极性氨基酸残基，也有非极性氨基酸残基。空间填充模型显示整个蛋白质内部没有什么空余的地方。
图2.49 血红蛋白的氨基酸分布。（A）空间填充模型，其中疏水性氨基酸用黄色表示、带电氨基酸用蓝色表示、其它氨基酸用白色表示。注意蛋白质分子表面有很多带电氨基酸和很多疏水氨基酸。（B）空间填充模型截面图。注意蛋白质分子内部大多数残基是疏水氨基酸，而带电氨