图2.65 猴子打字。猴子随机敲击打字机书写莎斯比亚Hamlet的句子。如果保存正确字符，只需敲击几千次就能打出正确的语句。每行左边标出了两台打印机所击打的次数。
图2.66是基于成核-凝聚模型进行的蛋白质折叠模拟。该模型提示蛋白质折叠可能倾向于一些途径。尽管图2.66提示蛋白质折叠有不同途径，但每个中间体是一些具有类似结构的代表。因此蛋白质从非折叠状态向折叠状态转变遵循一条通用但不是很精确的途径。蛋白质折叠过程中能量表现如同蛋白质折叠漏斗。漏斗宽表示变性蛋白质有很多结构样式。由于蛋白质进一步折叠导致自由能降低，蛋白质所采用的结构种类减少而进入漏斗下层。具有正确折叠的蛋白质进入漏斗底部。实际上产生最低能量折叠的途径很多。
图2.66 胰凝乳蛋白酶抑制剂的折叠途径。有足够结构倾向性的局部区域先采用其倾向结构（1）。这些结构集合在一起形成核（4）。这种核的结构像天然蛋白质的折叠但结构仍然可变。随后蛋白质彻底聚集形成天然的，更为刚性的结构（5）。[From A. R. Fersht and Daggett. Cell 108 (2002):573-582; with permission from Elsevier]
用氨基酸序列预测蛋白质三维结构存在巨大挑战
用氨基酸序列预测蛋白质三维结构是非常困难的。局部区域预测二级结构的准确性只有60%~70%；而预测蛋白质全分子二级结构和三级结构的预测首先需要知道大范围内残基间的相互作用。
科研人员探讨了两种不同的预测方式。第一种是从头预测，即不依赖抑制结构直接用氨基酸序列进行计算，求出具有最低自由能的折叠结构。这种预测方式受到蛋白质可能折叠结构样式数量庞大、各种折叠模式蛋白稳定性差异细微、和水相溶液中各种相互作用贡献的能量微弱等因素限制。第二种策略是利用已有知识进行预测。现在有越来越多的蛋白质结构已经测定。将你要进行结构预测的蛋白质与结构已知蛋白进行比较。如果有明显类似性，那么你可以用这个已知结构作为模拟结构的出发点进行预测。这种预测方法在研究那些氨基酸序列已知但三维结构未知的蛋白质方面很有用。
蛋白质修饰和裂解使蛋白质具有新功能
仅仅依靠20种氨基酸的多样性，蛋白质就能执行很多功能。此外，很多蛋白质还会发生共价修饰（与非氨基酸的基团共价连接）增加蛋白质功能（图2.67）。例如，很多蛋白质N-端氨基与乙酰基连接，使蛋白质耐受蛋白酶降解能力增加。早先我们曾经说过，脯氨酸羟基化能增加新生胶原蛋白纤维的稳定性。坏血病的发生显示这种修饰的生物学意义。维生素C缺乏导致胶原蛋白羟基化程度不够，异常胶原纤维不能维持组织的正常强度（27.5节）。另一个特别的氨基酸是??羧基谷氨酸。维生素K缺乏，凝血酶原谷氨酸羧基化程度低，导致出血病。有很多蛋白质，尤其是那些处于细胞表面或分泌到细胞外的蛋白质，特定位点的天冬酰胺糖基化（第11
章）。糖基化修饰使蛋白质分子的亲水性增加，能够与其它蛋白质相互作用。相反，氨基酸残基的??氨基或半胱氨酸的巯基与脂肪酸结合使蛋白质疏水性增强。
图2.67 氨基酸侧链修饰。蛋白质氨基酸残基中一些常见的重要的共价键修饰。
有很多激素，如肾上腺素（epinephrine, adrenaline），能刺激蛋白质丝氨酸残基和苏氨酸残基磷酸化从而改变蛋白质的酶学活性。磷脂酰丝氨酸或磷脂酰苏氨酸是蛋白质分子中最常见的修饰氨基酸。生长激素如胰岛素能启动蛋白质酪氨酸磷酰化，产生磷酰酪氨酸。生物体内也能删除这三种氨基酸的修饰基团（磷酸），因此这些氨基酸的磷酰化和去磷酸反应能够可逆调节细胞体内生物过程。第14章将深入讨论蛋白质磷酸化在信号传导过程中的作用。
前面讨论的蛋白质修饰是用某一化学基团修饰特定氨基酸残基。还有一种化学修饰是化学重排氨基酸侧链，有的时候是化学重排肽链骨架。例如一些水母（jellyfish)产生的绿色荧光蛋白，其肽段Ser-Tyr-Gly氧化后自动重排产生荧光（图2.68）。这个蛋白质作为胞内标记物在科研领域有很大用途。
图2.68 GFP的化学重排。（A）绿色荧光蛋白的结构。Ser-Tyr-Gly序列的氧化和化学重排是GFP产生荧光的原因。（B）线虫胚胎四细胞期的荧光纤维图谱，其PIE-1蛋白质用GFP标记。细胞用线标出。只有胚胎顶部那个表细胞达GFP。这个细胞将来会发育成生殖细胞。
还有一些蛋白质必须经过断裂或截断才执行其生物功能。胰脏合成的消化酶是没有酶活性的前体，储存于胰脏。当这些前体释放到小肠，肽链发生断裂转化成有活性的蛋白酶。血液凝固也与此相同。肽链断裂将可溶性的纤维蛋白原转化成不溶性的纤维蛋白。有些多肽激素，如促肾上腺皮质激素就是一条激素前体多肽链断裂后的产物。类似地，很多病毒蛋白质也是大的多蛋白前体发生断裂生成的。我们还会遇到更多蛋白修饰和蛋白裂解才能执行其生物功能的实例。事实上，这些发现有助于解释蛋白质功能多样性、精确性、以及蛋白质功能调节。
总结
蛋白质结构可以用四个水平来描述。一级结构就是蛋白质的氨基酸序列。二级结构是多肽链局部区域氨基酸残基的构型。三级结构是多肽链的整体折叠情况。四级结构是多个多肽链之间相互作用，这种相互作用形成多亚基复合物。 2.1 构建蛋白质的单体是20种氨基酸
蛋白质是氨基酸的线性聚合物。每个氨基酸有一个中心碳原子。这个碳原子与一个氨基、一个羧基、一个侧链和一个氢原子结合。除了甘氨酸外，所有氨基酸的中心碳原子是不对称的，有手性。天然蛋白质的氨基酸都是L-型。20种氨基酸的侧链基团差异很大，这些侧链在大小、形状、和功能基团有无方面有很大差异。可以将氨基酸分为下列几类。（1）侧链为脂肪链的氨基酸，有甘氨酸、丙氨酸、颉氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、和脯氨酸。（2）侧链有芳香环的氨基酸，包括苯丙氨酸、酪氨酸、和色氨酸。（3）侧链带有羟基的氨基酸，有丝氨酸和苏氨酸。（5）侧链含有酰胺的氨基酸，包括天冬酰胺和谷氨酰胺。（6）侧链含有碱性的氨基酸，包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸。（7）侧链带有酸性的氨基酸，包括天冬氨酸和谷氨酸。这种分类有一定的主观性，还有其他的分类方案。 2.2 一级结构：用肽键连接的氨基酸顺序
多肽链氨基酸之间的连接是肽键。肽键就是一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基宿合形成的酰胺键。肽键有几个重要特征。（1）肽键能耐受水解，所以蛋白质在动力学上很稳定。（2）肽键是平面结构，因为C-N键具有双键特性。（3）各个肽键既能提供氢键供体（NH），又能提供氢键受体（C=O）。肽链骨架基团之间形成氢键是蛋白质结构的独特性质。（4）肽键不带电荷，因此多肽链能紧密压缩成球状并将蛋白质大量骨架包埋于球状蛋白内部。由于蛋白质是氨基酸的线性聚合物，因此蛋白质可以用氨基酸序列表示。在书写这种序列时，从N-端向C-端书写。
?????二级结构：多肽链能折叠成规则结构如??螺旋、??片层、拐弯和环状结构。
两个主要的二级结构元件是??螺旋和??片层。在??螺旋中，多肽链扭曲成高度压紧的棒状结构。一个氨基酸的C=O基与下游第4位氨基酸残基的NH基形成氢键。??片层的多肽链几乎完全伸展。两个或更多肽段间NH和C=O形成氢键结合在一起形成??片层。??片层可以示同向平行、反向平行、或混合型。
2.4 三级结构：水溶性蛋白质折叠成具有疏水核的致密结构。
各个多肽链呈现致密非对称结构。水溶性蛋白三级结构通常具有下列特征：（1）蛋白质内部氨基酸侧链是疏水的；（2）蛋白质表面氨基酸多数是能够与水环境相互作用的亲水氨基酸。水溶性蛋白质三级结构形成的驱动力是内部残基之间的疏水作用。有些蛋白质处于疏水环境，如膜蛋白。这类蛋白质疏水性氨基酸残基和亲水性氨基酸残基分布与水溶性蛋白质刚好相反。其疏水氨基酸处于蛋白分子表面，与疏水环境相互作用。而亲水氨基酸臵于蛋白质内部。 2.5四级结构：数个多肽链组装成多亚基复合物结构
蛋白质有一个以上多肽链有四级结构。每个多肽链是一个亚基。四级结构简单的是两个一致亚基聚合，而复杂的四级结构可以是几十种不同亚基聚合所形成的复合物。多数情况下亚基之间缺乏共价键。
2.6 蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质的三维结构
蛋白质的氨基酸序列能够确定蛋白质的三维结构。因此氨基酸序列实际上决定了蛋白质的其它性质。有些蛋白质在变性条件下彻底变性，在折叠蛋白质稳定的条件下变性蛋白质也能有效地复性。DNA序列决定了蛋白质的氨基酸序列。由于特定氨基酸序列的蛋白质能够自动折叠成特定的三维结构，一维的序列信息通过蛋白质转化成三维的空间信息。蛋白质折叠是一个高度协调的过程。完全不折叠的变性结构和完全折叠的天然结构之间的折叠中间体不积累。
共价修饰进一步丰富了蛋白质的多样性。这种修饰能够添加20种氨基酸不具备的功能基团。有些修饰在调节蛋白质的活性方面非常重要。蛋白质分子就是通过调节蛋白结构稳定性、多样性、和化学反应性来执行生物体大多数关键功能。
附录IX: 蛋白分子结构可视化。
科学家们已经建立了确定蛋白质结构的有效技术（第3章）。多数情况下，这些技术能够确定一个蛋白质分子内成千上万个原子的位臵。在蛋白质分子中，每个原子都有自己的x, y,和z值。将各个原子的x, y,和z值编辑成蛋白质结构的数据文件，收入蛋白质数据库(http://www.rcsb.org/pdb/) 。你可以从这个网站下载这些数据。一个蛋白质分子含有成千上万的原子。将各个原子的结构都描绘出来也是一个重大挑战。现在有几个方案描绘蛋白质分子的结构。各种描绘方案都有各自的优缺点。本书你会经常碰到的结构表示方法有空间填充模型、球-棒模型、骨架模型、和绸带模型。如果合适，我们会在注释部分介绍蛋白质分子中那些具有重要意义的结构特征。
空间填充模型
空间填充模型是最接近实际的结构模型。每个原子用一个球表示。球的大小与该原子的范德华半径正相关。化学键没有明确标出。但是如果原子间的距离小于两个原子范德华半径之和时用球体间界面表示化学键。要绘出所有原子的位臵，包括多肽骨架原子和侧链原子。图2.69就是溶菌酶的空间填充模型。
空间填充模型给我们的印象是蛋白质结构内几乎没有空余的地方，有很多原子处于范德华相互作用状态。在显示蛋白质从一种构型转化成另一种构型时，空间填充模型非常有用。但是，从空间填充模型很难看出蛋白质分子的二级结构和三级结构。由于很多蛋白质的空间填充模型外形相似，仅仅依靠空间填充模型很难将一种蛋白与另一种蛋白区分开来。
图2.69 溶菌酶的空间填充模型。看看原子真拥挤啊，没有剩余的空间。除了氢原子外外，所有原子都被显示出来（通常删除氢原子，因为x-晶体衍射没有测定氢原子位臵，而且删除氢原子有助于图谱清晰）。
球-棒模型
球-棒模型没有空间填充模型真实。实际的原子所占空间由原子的范德华半径决定，比球棒模型的原子大得多。但是，球棒模型中化学键用棒特意标示出来（图2.70），因此你很容易看到化学键的排布。球棒模型在显示蛋白质原子的复杂结构方面比空间填充模型清晰。但是描绘球-棒模型很复杂以致不易看出??螺旋和潜在的结合位点。
由于空间填充模型和球棒模型在原子水平上描述蛋白质结构，因此很难看出蛋白质相应的结构特征。更为简略的方式，如骨架模型和绸带图谱，用来描述蛋白质结构。用这种方式描绘蛋白质结构时，大多数原子甚至所有原子没有绘制出来。