生物化學原理/氨基酸和蛋白質

氨基酸是包含胺基（NH₂）、羧基（R-C=O-OH）和側鏈（通常表示為R）的分子，不同氨基酸之間的側鏈不同。氨基酸的關鍵元素是碳、氫、氧和氮。它們在生物化學中尤為重要，該術語通常指的是α-氨基酸。蛋白質是生物化學化合物，由一個或多個多肽組成，通常以生物功能的方式摺疊成球狀或纖維狀形式。多肽是氨基酸的單一線性聚合物鏈，透過相鄰氨基酸殘基的羧基和氨基之間的肽鍵連線在一起。蛋白質中氨基酸的順序由基因的序列決定，基因編碼在遺傳密碼中。通常，遺傳密碼指定 20 種標準氨基酸；然而，在某些生物體中，遺傳密碼可以包括硒代半胱氨酸——在某些古菌中——吡咯賴氨酸。在合成後不久甚至合成過程中，蛋白質中的殘基通常會受到翻譯後修飾的化學修飾，這會改變蛋白質的物理和化學性質、摺疊、穩定性、活性，最終改變蛋白質的功能。有時，蛋白質具有附著在其上的非肽基團，這些基團被稱為輔基或輔因子。蛋白質也可以協同工作以實現特定功能，並且它們經常結合在一起形成穩定的複合物。

多肽最顯著的特徵之一是它們能夠摺疊成球狀狀態或“結構”。蛋白質摺疊成特定結構的程度差異很大。一些蛋白質摺疊成具有小波動的高剛性結構，因此被認為是單一結構。其他蛋白質在從一種構象到另一種構象之間經歷較大重排。這種構象變化通常與訊號事件相關。因此，蛋白質的結構充當調節蛋白質功能或酶活性的媒介。並非所有蛋白質都需要摺疊過程才能發揮功能，因為一些蛋白質在未摺疊狀態下發揮功能.

與其他生物大分子（如多糖和核酸）一樣，蛋白質是生物體的重要組成部分，參與細胞內幾乎所有過程。許多蛋白質是催化生化反應的酶，對代謝至關重要。蛋白質還具有結構或機械功能，例如肌肉中的肌動蛋白和肌球蛋白以及細胞骨架中的蛋白質，它們構成維持細胞形狀的支架系統。其他蛋白質在細胞訊號傳導、免疫反應、細胞粘附和細胞週期中很重要。蛋白質在動物的飲食中也是必需的，因為動物無法合成所有需要的氨基酸，必須從食物中獲取必需氨基酸。透過消化過程，動物將攝入的蛋白質分解成遊離氨基酸，然後用於代謝。

蛋白質最初由荷蘭化學家格哈德·約翰內斯·穆爾德描述，並由瑞典化學家永斯·雅各布·貝採利烏斯在 1838 年命名。早期的營養學家，如德國人卡爾·馮·沃伊特，認為蛋白質是維持身體結構最重要的營養物質，因為普遍認為“肉長肉”。然而，直到 1926 年詹姆斯·B·薩默斯證明脲酶實際上是一種蛋白質，蛋白質作為生物體中酶的關鍵作用才得到充分認識。第一個被測序的蛋白質是胰島素，由弗雷德里克·桑格完成，他因這一成就獲得了 1958 年的諾貝爾獎。第一個被解決的蛋白質結構是血紅蛋白和肌紅蛋白，分別由馬克斯·佩魯茨和約翰·考德里·肯德魯爵士在 1958 年完成。這兩種蛋白質的三維結構最初是透過 X 射線衍射分析確定的；佩魯茨和肯德魯因這些發現共同獲得了 1962 年的諾貝爾化學獎。蛋白質可以使用多種技術從其他細胞成分中純化，例如超速離心、沉澱、電泳和色譜；基因工程的出現使許多方法能夠促進純化。用於研究蛋白質結構和功能的常用方法包括免疫組織化學、定點誘變、核磁共振和質譜分析。分散式計算是研究人員用於檢查控制蛋白質摺疊的複雜相互作用的相對較新的工具；用於從氨基酸序列（一級結構）計算蛋白質可能的三級結構的統計分析技術非常適合分散式計算環境，這使得原本非常昂貴和耗時的計算變得更加容易管理.

氧結合過程的示意視覺模型，顯示所有四個單體和血紅素，以及僅作為示意線圈的蛋白質鏈，以方便視覺化進入分子。氧氣未顯示在這個模型中，但是，對於每個鐵原子，它都與平坦的血紅素中的鐵（紅色球體）結合。例如，在所示的四個血紅素的左上角，氧氣結合在左上角所示鐵原子的左側。這會導致鐵原子向後移動到容納它的血紅素中（鐵在結合氧氣時向上移動，在本插圖中），拉動組氨酸殘基（模型化為鐵右側的紅色五邊形）更近，正如它所做的那樣。反過來，這會拉動持有組氨酸的蛋白質鏈。

氨基酸

CO-R-N 規則

蛋白質是生物功能的必需物質。有 22 種標準氨基酸，但只有 21 種存在於真核生物中。在 22 種中，有 20 種由通用遺傳密碼直接編碼。人類可以從彼此或從中間代謝的其他分子中合成這 20 種中的 11 種。另外 9 種必須從飲食中攝取，因此被稱為必需氨基酸；它們是組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸和纈氨酸。其餘兩種，硒代半胱氨酸和吡咯賴氨酸，透過獨特的合成機制整合到蛋白質中。

每個α-氨基酸都包含一個所有氨基酸型別都具有的主鏈部分，以及一個每個殘基型別獨特的側鏈。脯氨酸是這個規則的例外，其中氫原子被一個與側鏈的鍵取代。由於碳原子與四個不同的基團相連，因此它是手性的，但只有其中一種異構體存在於生物蛋白中。然而，甘氨酸不是手性的，因為它的側鏈是氫原子。一個簡單的記憶方法是“CORN”：當從正面觀察Cα原子時，殘基以順時針方向讀作“CO-R-N”。

異構體

標準的**α-氨基酸**，除了甘氨酸外，都可以以兩種光學異構體之一的形式存在，分別稱為**L或D氨基酸**，它們是彼此的映象。雖然L-氨基酸代表了核糖體中翻譯過程中所有存在於蛋白質中的氨基酸，但D-氨基酸存在於某些由酶翻譯後修飾產生的蛋白質中，這些修飾是在翻譯後和轉運到內質網後發生的，例如在像錐形蝸牛這樣的奇異海洋生物中。它們也是細菌肽聚糖細胞壁的主要成分，**D-絲氨酸可能在腦中充當神經遞質**。氨基酸構型中的L和D約定並不指氨基酸本身的光學活性，而是指可以理論上從該氨基酸合成的甘油醛異構體的光學活性（D-甘油醛是右旋的；L-甘油醛是左旋的）。或者，(S)和(R)符號用於指示絕對立體化學。蛋白質中幾乎所有氨基酸在α碳處都是(S)，半胱氨酸是(R)，甘氨酸是非手性的。半胱氨酸比較特殊，因為它在側鏈的第二個位置有一個硫原子，其原子質量比連線到α碳第一個碳原子的基團更大，因此它是(R)而不是(S)。

兩性離子

氨基酸中存在的胺和羧酸官能團使其具有兩性性質。在稱為**等電點**的特定pH值下，氨基酸沒有總體電荷，因為質子化的氨基（正電荷）和去質子化的羧基（負電荷）的數量相等。所有氨基酸都有不同的**等電點**。在等電點產生的離子同時具有正負電荷，被稱為兩性離子，這個詞來自德語單詞Zwitter，意思是“兩性動物”或“雜交”。**氨基酸在固體和極性溶液（如水）中可以以兩性離子的形式存在**，但**不能以氣體形式存在**。兩性離子的溶解度在其等電點時最低，可以透過調節pH值至其特定等電點，將氨基酸從水中沉澱出來。

20種天然存在的氨基酸具有不同的物理和化學性質，包括它們的靜電荷、pKa、疏水性、大小和特定官能團。這些性質在塑造蛋白質結構中起著重要作用。氨基酸的主要特徵在下面的表格中描述。

氨基酸	縮寫		備註
丙氨酸	A	Ala	非常豐富，用途廣泛。比甘氨酸更硬，但足夠小，對蛋白質構象只有輕微的立體限制。它表現得相當中性，可以位於蛋白質外部的親水區域和內部的疏水區域。
天冬醯胺或天冬氨酸	B	Asx	當任一氨基酸可能佔據一個位置時的佔位符。
半胱氨酸	C	Cys	硫原子很容易與重金屬離子結合。在氧化條件下，兩個半胱氨酸可以在二硫鍵中連線在一起形成胱氨酸。當胱氨酸是蛋白質的一部分時，例如胰島素，三級結構被穩定，這使得蛋白質更耐受變性；因此，二硫鍵在必須在惡劣環境中發揮作用的蛋白質中很常見，包括消化酶（例如胃蛋白酶和胰凝乳蛋白酶）和結構蛋白（例如角蛋白）。二硫鍵也存在於自身無法保持穩定形狀的太小的肽中（例如胰島素）。
天冬氨酸	D	Asp	與穀氨酸行為相似。帶有強負電荷的親水性酸性基團。通常位於蛋白質的外部表面，使其可溶於水。與帶正電荷的分子和離子結合，通常用於酶中固定金屬離子。當位於蛋白質內部時，天冬氨酸和穀氨酸通常與精氨酸和賴氨酸配對。
穀氨酸	E	Glu	行為類似於天冬氨酸。具有更長、更靈活的側鏈。
苯丙氨酸	F	Phe	對人類來說是**必需的**。苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸在側鏈上包含大的剛性**芳香族**基團。這些是最大的氨基酸。與異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸一樣，這些是疏水性的，傾向於朝向摺疊的蛋白質分子的內部定向。苯丙氨酸可以轉化為酪氨酸。
甘氨酸	G	Gly	由於α碳上的兩個氫原子，甘氨酸不是**光學活性的**。它是最小的氨基酸，易於旋轉，為蛋白質鏈增加靈活性。它能夠適合最緊密的空間，例如**膠原蛋白**的三螺旋。由於過多的靈活性通常是不希望的，因此作為結構成分，它不如丙氨酸常見。
組氨酸	H	His	即使在弱酸性條件下，也會發生氮的**質子化**，改變組氨酸和整個多肽的性質。它被許多蛋白質用作調節機制，在酸性區域（如晚期的**內體**或**溶酶體**）中改變多肽的構象和行為，強制執行酶的構象變化。然而，只需要幾個組氨酸來完成這個任務，因此它相對稀少。
異亮氨酸	I	Ile	對人類來說是**必需的**。異亮氨酸、亮氨酸和纈氨酸具有大的脂肪族疏水側鏈。它們的分子是剛性的，它們之間的疏水相互作用對於蛋白質的正確摺疊很重要，因為這些鏈傾向於位於蛋白質分子的內部。
**亮氨酸**或**異亮氨酸**	J	Xle	當任一氨基酸可能佔據一個位置時的佔位符
賴氨酸	K	Lys	對人類來說是**必需的**。行為類似於精氨酸。包含一個末端帶正電荷的長而靈活的側鏈。鏈的靈活性使賴氨酸和精氨酸適合與表面上具有許多負電荷的分子結合。例如，**DNA**結合蛋白的活性區域富含精氨酸和賴氨酸。強電荷使這兩種氨基酸易於位於蛋白質外部的親水錶面；當它們位於內部時，它們通常與相應的帶負電荷的氨基酸配對，例如天冬氨酸或穀氨酸。
亮氨酸	L	Leu	對人類來說是**必需的**。行為類似於異亮氨酸和纈氨酸。參見異亮氨酸。
蛋氨酸	M	Met	對人類來說是**必需的**。總是第一個被摻入蛋白質的氨基酸；有時在翻譯後被移除。與半胱氨酸一樣，含有硫，但帶有**甲基**而不是氫。這個甲基可以被啟用，用於許多反應，在這些反應中，一個新的碳原子被新增到另一個分子中。
天冬醯胺	N	Asn	類似於天冬氨酸。Asn含有**醯胺**基團，而Asp含有**羧基**。
吡咯賴氨酸	O	Pyl	類似於**賴氨酸**，但附著了一個**吡咯啉**環。
脯氨酸	P	Pro	N 端胺基含有不尋常的環狀結構，迫使 CO-NH 醯胺序列處於固定構象。可以破壞蛋白質摺疊結構，例如 α螺旋 或 β摺疊，從而在蛋白質鏈中形成所需的扭結。在 膠原蛋白 中很常見，通常會發生 翻譯後修飾 成 羥脯氨酸。
谷氨醯胺	Q	Gln	類似於穀氨酸。Gln 含有 醯胺 基團，而 Glu 含有 羧基。用於蛋白質和作為 氨 的儲存。人體中最豐富的氨基酸。
精氨酸	R	Arg	在功能上類似於賴氨酸。
絲氨酸	S	Ser	絲氨酸和蘇氨酸有一個以羥基結尾的短鏈。它的氫很容易去除，因此絲氨酸和蘇氨酸經常在酶中充當氫供體。兩者都是非常親水的，因此可溶性蛋白質的外區往往富含它們。
蘇氨酸	T	Thr	對人體來說是 必需 的。行為類似於絲氨酸。
硒代半胱氨酸	U	Sec	半胱氨酸的 硒化 形式，它取代了 硫。
纈氨酸	V	Val	對人體來說是 必需 的。行為類似於異亮氨酸和亮氨酸。參見異亮氨酸。
色氨酸	W	Trp	對人體來說是 必需 的。行為類似於苯丙氨酸和酪氨酸（參見苯丙氨酸）。血清素 的前體。天然 熒光。
未知	X	Xaa	當氨基酸未知或不重要時佔位符。
酪氨酸	Y	Tyr	行為類似於苯丙氨酸（酪氨酸的前體）和色氨酸（參見苯丙氨酸）。黑色素、腎上腺素 和 甲狀腺激素 的前體。天然 熒光，雖然熒光通常會被能量轉移到色氨酸而淬滅。
穀氨酸 或 谷氨醯胺	Z	Glx	當任一氨基酸可能佔據一個位置時的佔位符。

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  L-丙氨酸
  (Ala / A)
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  L-精氨酸
  (Arg / R)
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  L-天冬醯胺
  (Asn / N)
• 
  L-天冬氨酸
  (Asp / D)
• 
  L-半胱氨酸
  (Cys / C)
• 
  L-穀氨酸
  (Glu / E)
• 
  L-谷氨醯胺
  (Gln / Q)
• 
  甘氨酸
  (Gly / G)
• 
  L-組氨酸
  (His / H)
• 
  L-異亮氨酸
  (Ile / I)
• 
  L-亮氨酸
  (Leu / L)
• 
  L-賴氨酸
  (Lys / K)
• 
  L-蛋氨酸
  (Met / M)
• 
  L-苯丙氨酸
  (Phe / F)
• 
  L-脯氨酸
  (Pro / P)
• 
  L-絲氨酸
  (Ser / S)
• 
  L-蘇氨酸
  (Thr / T)
• 
  L-色氨酸
  (Trp / W)
• 
  L-酪氨酸
  (Tyr / Y)
• 
  L-纈氨酸
  (Val / V)
• 
  L-硒代半胱氨酸
  (Sec / U)
• 
  L-吡咯賴氨酸
  (Pyl / O)

在 真核生物 中發現的 21 種氨基酸，根據其側鏈的 pKa 和 生理 pH 7.4 下的電荷進行分組。

氨基酸分類

20 種由遺傳密碼直接編碼的氨基酸可以根據其性質分為幾個組。重要的因素包括電荷、親水性或疏水性、大小和官能團。氨基酸通常根據其側鏈的性質分為四組。側鏈可以使氨基酸成為弱酸或弱鹼，如果側鏈是極性的，則為親水性，如果是非極性的，則為疏水性。

α-氨基酸。圖中省略了 C_αH 原子。

蛋白質氨基酸透過 縮合反應 組合成單一的 多肽鏈。這種反應是由 催化 的 核糖體 在稱為 翻譯 的過程中進行。

必需	非必需
異亮氨酸	丙氨酸
亮氨酸	天冬醯胺
賴氨酸	天冬氨酸
蛋氨酸	半胱氨酸*
苯丙氨酸	穀氨酸
蘇氨酸	谷氨醯胺*
色氨酸	甘氨酸*
纈氨酸	脯氨酸*
	硒代半胱氨酸*
	絲氨酸*
	酪氨酸*
	精氨酸*
	組氨酸*
	鳥氨酸*
	牛磺酸*

極性和非極性氨基酸及其單字母和三字母程式碼

氨基酸	三字母程式碼	單字母程式碼	側鏈極性	側鏈電荷 (pH 7.4)	疏水性指數	吸光度 λmax(nm)	ε 在 λmax (x10−3 M−1 cm−1)
丙氨酸	Ala	A	非極性	中性	1.8
精氨酸	Arg	R	極性	正電荷	−4.5
天冬醯胺	Asn	N	極性	中性	−3.5
天冬氨酸	Asp	D	極性	負電荷	−3.5
半胱氨酸	Cys	C	非極性	中性	2.5	250	0.3
穀氨酸	Glu	E	極性	負電荷	−3.5
谷氨醯胺	Gln	Q	極性	中性	−3.5
甘氨酸	Gly	G	非極性	中性	−0.4
組氨酸	His	H	極性	正電荷(10%) 中性(90%)	−3.2	211	5.9
異亮氨酸	Ile	I	非極性	中性	4.5
亮氨酸	Leu	L	非極性	中性	3.8
賴氨酸	Lys	K	極性	正電荷	−3.9
蛋氨酸	Met	M	非極性	中性	1.9
苯丙氨酸	Phe	F	非極性	中性	2.8	257, 206, 188	0.2, 9.3, 60.0
脯氨酸	Pro	P	非極性	中性	−1.6
絲氨酸	Ser	S	極性	中性	−0.8
蘇氨酸	Thr	T	極性	中性	−0.7
色氨酸	Trp	W	非極性	中性	−0.9	280, 219	5.6, 47.0
酪氨酸	Tyr	Y	極性	中性	−1.3	274, 222, 193	1.4, 8.0, 48.0
纈氨酸	Val	V	非極性	中性	4.2

此外，還有兩種額外的氨基酸，它們透過覆蓋終止密碼子而被摻入。

第 21 和第 22 個氨基酸	3 個字母	1 個字母
硒代半胱氨酸	Sec	U
吡咯賴氨酸	Pyl	O

除了特定的氨基酸程式碼外，在 化學 或 晶體學 分析肽或蛋白質不能確定殘基的最終身份的情況下，會使用佔位符。

含糊的氨基酸	3 個字母	1 個字母
天冬醯胺或天冬氨酸	Asx	B
谷氨醯胺或穀氨酸	Glx	Z
亮氨酸或異亮氨酸	Xle	J
未指定或未知氨基酸	Xaa	X

Unk 有時用作 Xaa 的替代，但標準性較低。

此外，許多非標準氨基酸都有特定的程式碼。例如，一些肽類藥物，例如 硼替佐米 或 MG132 是 人工合成 的，並保留了它們的 保護基，這些保護基有特定的程式碼。硼替佐米是 Pyz-Phe-boroLeu，而 MG132 是 Z-Leu-Leu-Leu-al。此外，為了幫助分析蛋白質結構，提供了 光交聯氨基酸類似物。這些包括光亮氨酸 (pLeu) 和光蛋氨酸 (pMet)。

蛋白質結構

從蛋白質 PCNA 生成的拉曼圖，PCNA 是一種人類 DNA 夾 蛋白，由 β摺疊 和 α螺旋 組成 (PDB ID 1AXC)。位於軸上的點表示每個亞基的 N- 和 C 末端 殘基。綠色區域顯示可能包含 甘氨酸 的角形成，而藍色區域是用於不包含甘氨酸的形成。

蛋白質的一級結構

拉曼圖 (φ,ψ 圖)，其中 α 螺旋殘基的資料點形成一個密集的對角簇，位於中心下方和左側，圍繞著主鏈構象的全域性能量最小值。

蛋白質是由α-氨基酸線性鏈組成的提議，幾乎是在1902年同一會議上由兩位科學家同時提出的，即在卡爾斯巴德舉行的第74屆德國科學家和醫師協會會議。弗朗茨·霍夫邁斯特在上午提出了這一提議，基於他對蛋白質雙縮脲反應的觀察。幾個小時後，埃米爾·費歇爾緊隨其後，他積累了大量支援肽鍵模型的化學細節。為了完整起見，早在1882年，法國化學家E. 格里莫就提出了蛋白質含有醯胺鍵的提議。

儘管有這些資料以及後來的證據表明蛋白水解消化的蛋白質只產生寡肽，但蛋白質是氨基酸線性、非分支聚合物的想法並沒有立即被接受。一些德高望重的科學家，如威廉·阿斯特伯裡，懷疑共價鍵是否足夠強以將如此長的分子連線在一起；他們擔心熱擾動會將如此長的分子震散。赫爾曼·施陶丁格在 1920 年代也遇到了類似的偏見，當時他認為橡膠是由大分子組成的。因此，出現了幾種替代假設。膠體蛋白質假說指出蛋白質是較小分子形成的膠體集合體。該假設在 1920 年代被西奧多·斯維德伯格的超速離心測量結果所證偽，這些測量結果表明蛋白質具有明確的、可重複的分子量，並且被阿恩·蒂塞利烏斯的電泳測量結果所證偽，這些測量結果表明蛋白質是單個分子。

第二種假設是環醇假說，由多蘿西·林奇提出，該假說認為線性多肽經歷了化學環醇重排 C=O + HN C(OH)-N，該重排交聯其主鏈醯胺基團，形成二維織物。各種研究人員提出了蛋白質的其他一級結構，例如埃米爾·阿貝德哈爾登的二酮哌嗪模型和 1942 年特隆斯加德的吡咯/哌啶模型。雖然從未被重視，但這些替代模型最終被弗雷德里克·桑格成功地測序胰島素以及馬克斯·佩魯茨和約翰·肯德魯透過晶體學測定肌紅蛋白和血紅蛋白而證偽。

肽和蛋白質的一級結構是指其氨基酸結構單元的線性序列。“一級結構”一詞最早由林德斯特羅姆-朗在 1951 年提出。按照慣例，蛋白質的一級結構是從氨基末端 (N) 末端到羧基末端 (C) 末端報告的。蛋白質的翻譯後修飾，如二硫鍵形成、磷酸化和糖基化，通常也被認為是一級結構的一部分，並且無法從基因中讀取。

拉馬錢德蘭圖（也稱為拉馬錢德蘭圖或拉馬錢德蘭圖或 [φ,ψ] 圖），由戈帕拉薩穆德拉姆·納拉亞納·拉馬錢德蘭和維斯瓦納坦·薩西謝卡蘭開發，是一種視覺化蛋白質結構中氨基酸殘基的二面角 ψ 相對於 φ 的方法。. 它顯示了多肽的 ψ 和 φ 角的可能構象。

在數學上，拉馬錢德蘭圖是函式 $f:\left[-\pi ,\pi \right)\times \left[-\pi ,\pi \right)\rightarrow \mathbb {R_{{}+{}}}$ 的視覺化。該函式的域是環面。因此，傳統的拉馬錢德蘭圖是環面在平面上的投影，導致扭曲的檢視和不連續性的存在。人們會期望較大的側鏈會導致更多限制，因此在拉馬錢德蘭圖中允許的區域更小。實際上情況並非如此；只有 α 位置的亞甲基基團有影響。甘氨酸在 α 位置有一個氫原子，其範德華半徑小於甲基基團。因此它受到的限制最小，這一點在甘氨酸的拉馬錢德蘭圖中很明顯，甘氨酸的允許區域要大得多。相反，脯氨酸的拉馬錢德蘭圖僅顯示了 ψ 和 φ 的有限的可能組合。拉馬錢德蘭圖是在第一個原子解析度的蛋白質結構確定之前計算出來的。40 年後，透過 X 射線晶體學確定了數萬種高解析度蛋白質結構，並存儲在蛋白質資料庫 (PDB) 中。從一千種不同的蛋白質鏈中，繪製了超過 200 000 個氨基酸的拉馬錢德蘭圖，顯示出一些顯著差異，尤其是甘氨酸（Hovmöller 等人，2002 年）。發現左上角區域被分成兩個；一個在左邊包含 β 摺疊中的氨基酸，一個在右邊包含這種構象的無規捲曲中的氨基酸。也可以用這種方式繪製多糖和其他聚合物中的二面角。對於前兩個蛋白質側鏈二面角，類似的圖是 Janin 圖。

蛋白質的二級結構

血紅蛋白分子有四個血紅素結合亞基，每個亞基主要由 α 螺旋組成。

二級結構是指高度規則的區域性亞結構。兩種主要的二級結構型別，α 螺旋和β 摺疊，由萊納斯·鮑林及其同事在 1951 年提出。. 這些二級結構由主鏈肽基團之間氫鍵的模式定義。它們具有規則的幾何形狀，被限制在拉馬錢德蘭圖上二面角 ψ 和 φ 的特定值。α 螺旋和 β 摺疊都代表了一種使肽主鏈中所有氫鍵供體和受體飽和的方式。蛋白質中的一些部分是有序的，但沒有形成任何規則結構。它們不應與無規捲曲混淆，無規捲曲是缺乏任何固定三維結構的未摺疊多肽鏈。幾個順序的二級結構可以形成“超二級結構單元”。

β 摺疊-曲折基序
與鼠單克隆抗體結合的伯氏疏螺旋體外表面蛋白 A 的一部分。

氨基酸在形成各種二級結構元素的能力上有所不同。脯氨酸和甘氨酸有時被稱為“螺旋破壞者”，因為它們破壞了 α 螺旋主鏈構象的規律性；然而，兩者都具有不尋常的構象能力，並且通常存在於轉角中。更喜歡在蛋白質中採用螺旋構象的氨基酸包括甲硫氨酸、丙氨酸、亮氨酸、穀氨酸和賴氨酸（在氨基酸單字母程式碼中為“MALEK”）；相反，大的芳香族殘基（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）和 Cβ-支鏈氨基酸（異亮氨酸、纈氨酸和蘇氨酸）更喜歡採用 β 摺疊構象。然而，這些偏好不足以產生一種可靠的方法，僅從序列中預測二級結構。蛋白質中的二級結構由氫鍵介導的區域性殘基間相互作用組成，或者沒有。最常見的二級結構是 α 螺旋和 β 摺疊。其他螺旋，如 310 螺旋和 π 螺旋，計算出具有能量上有利的氫鍵模式，但在天然蛋白質中很少觀察到，除了 α 螺旋的末端，因為螺旋中心的骨架堆積不利。

α 螺旋

α 螺旋中的氨基酸以右手螺旋結構排列，其中每個氨基酸殘基對應於螺旋的 100° 轉動（即螺旋每轉 3.6 個殘基），以及沿螺旋軸的 1.5 Å（0.15 nm）平移。（有時會出現短段左手螺旋，具有大量的非手性甘氨酸氨基酸，但對其他正常的生物 L-氨基酸不利。）α 螺旋的螺距（螺旋連續轉動之間的垂直距離）為 5.4 Å（0.54 nm），這是 1.5 和 3.6 的乘積。最重要的是，一個氨基酸的 N-H 基團與前面四個殘基的 C=O 基團形成氫鍵；這種重複的氫鍵是 α 螺旋最突出的特徵。官方國際命名法指定了兩種定義 α 螺旋的方式，規則 6.2 涉及重複的 φ,ψ 扭轉角，規則 6.3 涉及螺距和氫鍵的組合模式。不同的氨基酸序列具有不同的形成 α 螺旋結構的傾向。甲硫氨酸、丙氨酸、亮氨酸、未帶電荷的穀氨酸和賴氨酸（在氨基酸單字母程式碼中為“MALEK”）都具有特別高的螺旋形成傾向，而脯氨酸和甘氨酸則具有較差的螺旋形成傾向。脯氨酸要麼破壞螺旋，要麼使螺旋彎曲，這兩種原因都是因為它的醯胺氫不能提供氫鍵（因為沒有醯胺氫），而且它的側鏈會對前面轉角的骨架造成空間位阻 - 在螺旋內部，這會迫使螺旋軸彎曲約 30°。然而，脯氨酸通常被視為螺旋的第一個殘基，這可能是因為它具有結構剛性。另一方面，甘氨酸也傾向於破壞螺旋，因為它具有高度的構象靈活性，使其以熵為代價採用相對受限的 α 螺旋結構。

β 髮夾的表示

蛋白質結構中的希臘鍵基序。

β 摺疊 第一個 β 摺疊結構由威廉·阿斯特伯裡在 1930 年代提出。他提出了平行或反平行延伸的 β 摺疊之間的氫鍵的想法。然而，阿斯特伯裡沒有關於氨基酸鍵幾何形狀的必要資料來構建準確的模型，特別是因為他當時還不知道肽鍵是平面的。萊納斯·鮑林和羅伯特·科裡在 1951 年提出了改進版本。

β 摺疊層（也稱為 β 摺疊片）是蛋白質中第二種常見的規則二級結構形式，僅次於 α 螺旋。β 摺疊層由 β 鏈組成，β 鏈透過至少兩個或三個主鏈氫鍵橫向連線，形成一個通常扭曲的、褶皺的片層。β 鏈（也稱為 β 鏈）是多肽鏈的一部分，通常長 3 到 10 個氨基酸，主鏈幾乎完全伸展。

一個非常簡單的涉及 β 摺疊層的結構基序是 β 髮夾，其中兩個反平行鏈透過 2 到 5 個殘基的短環連線，其中一個通常是甘氨酸或脯氨酸，它們都可以採用緊湊轉角所需的非尋常二面角構象。然而，單個鏈也可以透過包含 α 螺旋甚至整個蛋白質結構域的長環以更復雜的方式連線。

希臘鍵基序 希臘鍵基序由四個相鄰的反平行鏈及其連線環組成。它由三個透過髮夾連線的反平行鏈組成，而第四個鏈與第一個鏈相鄰，並透過一個更長的環連線到第三個鏈。這種型別的結構在蛋白質摺疊過程中很容易形成。它以希臘裝飾藝術中常見的圖案命名（參見蜿蜒（藝術））。

β-α-β 基序 由於其組成氨基酸的手性，所有鏈都表現出“右手”扭曲，這在大多數高階 β 摺疊層結構中很明顯。特別是，兩個平行鏈之間的連線環幾乎總是具有右手交叉手性，這種手性受到片層的固有扭曲的強烈青睞。這個連線環經常包含一個螺旋區域，在這種情況下它被稱為 β-α-β 基序。一個密切相關的基序稱為 β-α-β-α 基序，它是最常見觀察到的蛋白質三級結構（TIM 桶）的基本組成部分。

β-彎曲基序 一個簡單的超二級蛋白質拓撲結構，由 2 個或多個連續的反平行 β 鏈組成，這些 β 鏈透過髮夾環連線在一起。這種基序在 β 摺疊層中很常見，可以在幾種結構體系中找到，包括 β 桶和 β 螺旋槳。

Psi 環基序
羧肽酶 A 的一部分。

Psi 環基序 Psi 環（Ψ 環）基序由兩個反平行鏈組成，其中一個鏈位於兩者之間，透過氫鍵連線到兩者。Hutchinson 等人（1990 年）引用了單 Ψ 環的四種可能的鏈拓撲結構。這種基序很少見，因為導致其形成的過程在蛋白質摺疊過程中似乎不太可能發生。Ψ 環首先在天冬氨酸蛋白酶家族中被發現。

捲曲螺旋

1952 年，弗朗西斯·克里克提出了 α 角蛋白的捲曲螺旋的可能性，以及確定其結構的數學方法。值得注意的是，這是在 1951 年萊納斯·鮑林及其同事提出 α 螺旋結構之後不久提出的。

捲曲螺旋通常包含一個重複的模式，hxxhcxc，疏水性 (h) 和帶電荷 (c) 氨基酸殘基，稱為七肽重複序列。七肽重複序列中的位置通常標記為 abcdefg，其中 a 和 d 是疏水性位置，通常被異亮氨酸、亮氨酸或纈氨酸佔據。將具有這種重複模式的序列摺疊成 α 螺旋二級結構會導致疏水性殘基以“條紋”的形式呈現，這種條紋以左手方式繞螺旋輕輕盤旋，形成兩親結構。兩種這樣的螺旋在胞質溶膠的充滿水的環境中排列的最佳方式是將疏水性鏈包裹在一起，夾在親水性氨基酸之間。因此，疏水性表面的埋藏提供了寡聚化的熱力學驅動力。捲曲螺旋介面處的堆積異常緊密，在 a 和 d 殘基側鏈之間幾乎完全存在範德華接觸。這種緊密堆積最初是由弗朗西斯·克里克在 1952 年預測的，被稱為“凸起嵌入孔洞”堆積。α 螺旋可以是平行或反平行的，並且通常採用左手超螺旋。雖然不常見，但也觀察到一些右手卷曲螺旋存在於自然界和設計蛋白質中。

三種主要形式的蛋白質螺旋的結構特徵

幾何屬性	α 螺旋	310 螺旋	π 螺旋
每圈殘基數	3.6	3.0	4.4
每殘基平移	1.5Å	2.0Å	1.1Å
螺旋半徑	2.3Å	1.9Å	2.8Å
螺距	5.4Å	6.0Å	4.8Å

蛋白質的四個結構層次，從上到下：一級結構、二級結構（β 摺疊層左，α 螺旋右）、三級結構和四級結構。

蛋白質的三級結構

三級結構被認為在很大程度上由蛋白質的一級結構決定——它是由其組成的氨基酸序列。從一級結構預測三級結構的努力通常被稱為蛋白質結構預測。然而，蛋白質合成和允許摺疊的環境是其最終形狀的重要決定因素，通常沒有被當前的預測方法直接考慮。在球狀蛋白中，三級相互作用通常透過疏水性氨基酸殘基在蛋白質核心中的隔離而穩定，水從蛋白質核心被排除，導致蛋白質水暴露表面上的帶電荷或親水性殘基富集。在不花時間在胞質溶膠中的分泌蛋白中，半胱氨酸殘基之間的二硫鍵有助於維持蛋白質的三級結構。許多蛋白質在功能和進化上無關，但出現各種常見且穩定的三級結構——例如，許多蛋白質的形狀像 TIM 桶，以酶磷酸甘油醛異構酶命名。另一種常見的結構是高度穩定的二聚體捲曲螺旋結構，由 2-7 個 α 螺旋組成。迄今為止已知的蛋白質結構大多是透過 X 射線晶體學實驗技術獲得的，該技術通常提供高解析度資料，但沒有提供蛋白質構象靈活性的時間依賴性資訊。解決蛋白質結構的另一種常見方法是使用核磁共振，它通常提供較低解析度的資料，並且僅限於相對較小的蛋白質，但可以提供關於蛋白質在溶液中運動的時間依賴性資訊。雙極化干涉測量法是一種時間分辨分析方法，用於確定表面捕獲蛋白質的整體構象和構象變化，為這些高解析度方法提供補充資訊。關於可溶性球狀蛋白的三級結構特徵比關於膜蛋白的特徵瞭解得更多，因為後者在使用這些方法進行研究方面極其困難。

蛋白質的四級結構

一些蛋白質實際上是多個多肽鏈的組裝體，在更大的組裝體的背景下，這些多肽鏈被稱為蛋白質亞基。除了亞基的三級結構之外，多亞基蛋白質還具有四級結構，即亞基組裝成的排列。由具有不同功能的亞基組成的酶有時被稱為全酶，其中一些部分可能被稱為調節亞基，而功能核心被稱為催化亞基。具有四級結構的蛋白質的例子包括血紅蛋白、DNA 聚合酶和離子通道。其他被稱為多蛋白複合物的組裝體也具有四級結構。例如，核小體和微管。

四級結構的變化可以透過單個亞基內的構象變化或亞基相對於彼此的重新定向發生。正是透過這些變化，即“多聚體”酶中的協同性和變構性的基礎，許多蛋白質發生了調節並執行了它們的生理功能。以上定義遵循了生物化學的經典方法，這種方法是在區分蛋白質和功能性蛋白質單元難以闡明的時候建立的。最近，人們在討論蛋白質的四級結構時會提到蛋白質-蛋白質相互作用，並將所有蛋白質的組裝體視為蛋白質複合物。

蛋白質型別

結合蛋白

結合蛋白是一種透過共價鍵或弱相互作用與其他化學基團相互作用發揮功能的蛋白質。許多蛋白質僅包含氨基酸而不包含其他化學基團，這些蛋白質被稱為簡單蛋白質。然而，其他型別的蛋白質在水解時，除了氨基酸外還會產生其他化學成分，這些蛋白質被稱為結合蛋白。結合蛋白的非氨基酸部分通常被稱為輔基。大多數輔基由維生素組成。結合蛋白根據其輔基的化學性質進行分類。結合蛋白的一些例子是

脂蛋白

脂蛋白是包含蛋白質和脂類的生化複合體，脂類與蛋白質結合在一起。許多酶、轉運蛋白、結構蛋白、抗原、粘附素和毒素都是脂蛋白。例如，高密度 (HDL) 和低密度 (LDL) 脂蛋白可以使脂肪在血液中運輸，線粒體和葉綠體的跨膜蛋白以及細菌脂蛋白。

糖蛋白

糖蛋白是包含寡糖鏈（聚糖）與多肽側鏈共價連線的蛋白質。碳水化合物在共翻譯或翻譯後修飾過程中連線到蛋白質上。這個過程被稱為糖基化。在具有胞外延伸段的蛋白質中，胞外延伸段通常被糖基化。糖蛋白通常是重要的跨膜蛋白，在細胞-細胞相互作用中發揮作用。糖蛋白也存在於細胞質中，但它們的功能以及在該隔室中產生這些修飾的途徑知之甚少。糖蛋白通常是結合蛋白中最大和最豐富的群體。它們範圍從構成糖萼的細胞表面膜中的糖蛋白，到白細胞產生的重要抗體。

磷蛋白

磷蛋白是與含有磷酸的物質化學結合的蛋白質（有關更多資訊，請參見磷酸化）。包含 Fc 受體、Ulks、鈣調神經磷酸酶、K 晶片和尿皮質素的生物大分子類別。

金屬蛋白

包含金屬離子輔因子的蛋白質被稱為金屬蛋白。金屬蛋白在細胞中具有許多不同的功能，例如酶、轉運和儲存蛋白以及訊號轉導蛋白。實際上，大約四分之一到三分之一的蛋白質需要金屬才能發揮其功能。金屬離子通常由多肽鏈中氨基酸或結合到蛋白質中的大環配體上的氮、氧或硫原子配位。金屬離子的存在使金屬酶能夠執行諸如氧化還原反應之類的功能，這些功能不能輕易地由氨基酸中發現的功能基團有限集執行。

計算機生成的蛋白質鋅指基序的三維表示，包括一個α螺旋和一個反平行β摺疊。鋅離子（綠色）由兩個組氨酸殘基和兩個半胱氨酸殘基配位。

金屬離子	包含此離子的酶示例
鎂	葡萄糖-6-磷酸酶 己糖激酶 DNA 聚合酶
釩	釩蛋白
錳	精氨酸酶
鐵	過氧化氫酶 氫化酶 IRE-BP 順烏頭酸酶
鎳	脲酶 氫化酶
銅	細胞色素氧化酶 漆酶
鋅	醇脫氫酶 羧肽酶 氨基肽酶 β 澱粉樣蛋白
鉬	硝酸還原酶
硒	谷胱甘肽過氧化物酶
各種	金屬硫蛋白 磷酸酶

血紅蛋白

血紅蛋白（或血紅素蛋白或血紅素蛋白）或血紅素蛋白，是一種含有血紅素輔基的金屬蛋白，其共價或非共價結合到蛋白質本身。血紅素中的鐵能夠進行氧化和還原（通常為 +2 和 +3，儘管在過氧化物酶中穩定的 Fe+4 甚至 Fe+5 物種是眾所周知的）。血紅蛋白可能起源於一種原始策略，該策略允許將血紅素原卟啉 IX 環中包含的鐵 (Fe) 原子整合到蛋白質中。這種策略在整個進化過程中得以保留，因為它使血紅蛋白能夠對能結合二價鐵 (Fe) 的分子做出反應。這些分子包括但不限於氣體分子，如氧氣 (O2)、一氧化氮 (NO)、一氧化碳 (CO) 和硫化氫 (H2S)。一旦結合到血紅蛋白的輔基血紅素基團，這些氣體分子就可以以一種被稱為訊號轉導的方式調節這些血紅蛋白的活性/功能。因此，當這些氣體分子在生物系統（細胞）中產生時，它們被稱為氣體遞質。血紅蛋白包含含有鐵的輔基，即血紅素。血紅素基團中的鐵離子 (Fe2+) 透過與氧分子結合，將氧分子運輸到血液中。

血紅蛋白 血紅蛋白（也拼寫為血紅蛋白，縮寫為 Hb 或 Hgb）是所有脊椎動物（除了魚類家族棘魚科）紅血球中以及一些無脊椎動物組織中含鐵的氧氣轉運金屬蛋白。血液中的血紅蛋白將氧氣從肺或鰓運輸到身體的其他部位（即組織），在那裡它釋放氧氣供細胞使用，並收集二氧化碳將其帶回肺部。在哺乳動物中，這種蛋白質約佔紅血球乾重的 97%，約佔總含量的 35%（包括水）。血紅蛋白的氧氣結合能力為每克血紅蛋白 1.34 ml O2，這使血液的總氧氣容量提高了 70 倍。血紅蛋白參與其他氣體的轉運：它以氨基甲醯血紅蛋白的形式攜帶部分身體的呼吸二氧化碳（總量的約 10%），其中 CO2 與珠蛋白結合。該分子還攜帶重要的調節分子一氧化氮，其結合在珠蛋白蛋白硫醇基團上，與氧氣同時釋放。血紅蛋白也存在於紅血球和它們的祖系以外。其他含有血紅蛋白的細胞包括黑質中的 A9 多巴胺能神經元、巨噬細胞、肺泡細胞以及腎臟的系膜細胞。在這些組織中，血紅蛋白具有非氧氣攜帶功能，作為抗氧化劑和鐵代謝調節劑。血紅蛋白和血紅蛋白樣分子也存在於許多無脊椎動物、真菌和植物中。在這些生物體中，血紅蛋白可以攜帶氧氣，或者它們可以充當二氧化碳、一氧化氮、硫化氫和硫化物的轉運和調節劑。這種分子的變體，稱為豆血紅蛋白，用於清除氧氣，以防止它毒害無氧系統，例如豆科植物的固氮根瘤。光敏色素，

細胞色素

帶有血紅素 c 的細胞色素 c。

細胞色素通常是指結合膜的血紅蛋白，它們含有血紅素基團並執行電子轉運。它們存在於真核生物的線粒體內膜和內質網中，植物的葉綠體中，光合微生物中，以及細菌中。它們要麼以單體蛋白形式存在（例如，細胞色素 c），要麼以催化氧化還原反應的更大酶複合體的亞基形式存在。它們存在於真核生物的線粒體內膜和內質網中、植物的葉綠體中、光合微生物中以及細菌中。

細胞色素	組合
a 和 a3	細胞色素 c 氧化酶（“複合物 IV”），電子由可溶性細胞色素 c傳遞到複合體（因此得名）
b 和 c1	輔酶 Q - 細胞色素 c 還原酶（“複合物 III”）
b6 和 f	質體醌 - 質體藍蛋白還原酶

牛視紫紅質的三維結構。七個跨膜結構域以不同的顏色顯示。髮色團以紅色顯示。

型別	輔基
細胞色素 a	血紅素 a
細胞色素 b	血紅素 b
細胞色素 d	四吡咯 螯合物 of 鐵

視蛋白

視蛋白是一組對光敏感的 35-55 kDa 結合膜的 G 蛋白偶聯受體，屬於視黃醛蛋白家族，存在於視網膜的光感受器細胞中。五種經典的視蛋白參與視覺，介導光子到電化學訊號的轉換，這是視覺轉導級聯反應的第一步。另一種存在於哺乳動物視網膜中的視蛋白，黑視蛋白，參與晝夜節律和瞳孔反射，但不參與成像。

黃素蛋白

黃素蛋白是含有核黃素的核酸衍生物的蛋白質：黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 或黃素單核苷酸 (FMN)。黃素蛋白參與廣泛的生物過程，包括但不限於生物發光、去除導致氧化應激的自由基、光合作用、DNA 修復和細胞凋亡。黃素輔因子的光譜特性使其成為活性位點內發生變化的天然報告器；這使得黃素蛋白成為研究最多的酶家族之一。

簡單蛋白質

水解後只產生氨基酸的蛋白質被稱為簡單蛋白質。

白蛋白

白蛋白（拉丁語：albus，白色）通常是指任何水溶性蛋白質，在濃鹽溶液中中等溶解，並經歷熱變性。它們通常存在於血漿中，與其他血漿蛋白的不同之處在於它們沒有糖基化。含有白蛋白的物質，如蛋清，被稱為白蛋白類。

球蛋白

球蛋白是三種血清蛋白中的一種，另外兩種是白蛋白和纖維蛋白原。一些球蛋白是在肝臟中產生的，而另一些是由免疫系統產生的。球蛋白一詞包含一組異質蛋白質，這些蛋白質通常具有高分子量，溶解度和電泳遷移率都低於白蛋白。

組蛋白

在生物學中，組蛋白是所有真核細胞核和一些古細菌中發現的高度鹼性蛋白質，它們將 DNA 包裝和排列成稱為核小體的結構單元。它們是染色質的主要蛋白質成分，充當 DNA 纏繞的線軸，並在基因調控中發揮作用。

衍生蛋白質

腖

腖是從動物牛奶或肉類經蛋白水解消化而得的。除了含有小肽外，所得的噴霧乾燥物質還包括脂肪、金屬、鹽類、維生素和許多其他生物化合物。腖用於培養細菌和真菌的營養培養基中。

蛋白酶

蛋白酶自然存在於所有生物體中。這些酶參與從簡單的食物蛋白質消化到高度調控的級聯反應（例如，血液凝固級聯、補體系統、細胞凋亡途徑和無脊椎動物原酚氧化酶啟用級聯反應）等多種生理反應。蛋白酶可以根據蛋白質的氨基酸序列，要麼斷裂特定的肽鍵（有限蛋白水解），要麼將完整的肽分解成氨基酸（無限蛋白水解）。這種活性可能是破壞性的變化，消除蛋白質的功能或將其消化成主要成分；它可能是啟用功能，或者它可能是訊號通路中的一個訊號。

蛋白質的功能

蛋白質作為酶

蛋白質在細胞中最知名的作用是作為酶，催化化學反應。酶通常具有高度特異性，只加速一個或幾個化學反應。酶執行大多數代謝反應，以及在 DNA 複製、DNA 修復和轉錄等過程中操縱 DNA。一些酶作用於其他蛋白質，在稱為翻譯後修飾的過程中新增或去除化學基團。已知約 4,000 種反應由酶催化。酶催化所帶來的速率加速通常是巨大的——以乳清酸脫羧酶為例，與未催化的反應相比，速率提高了 1017 倍（沒有酶的情況下需要 7800 萬年，有酶的情況下需要 18 毫秒）。酶結合和作用的分子稱為底物。儘管酶可以包含數百個氨基酸，但通常只有一小部分殘基與底物接觸，更少一部分殘基（平均三個到四個）直接參與催化。結合底物幷包含催化殘基的酶區域稱為活性位點。

蛋白質作為細胞訊號分子

許多蛋白質參與細胞訊號傳導和訊號轉導過程。一些蛋白質，如胰島素，是細胞外蛋白質，它們將訊號從合成它們的細胞傳遞到遠處組織中的其他細胞。另一些是膜蛋白，充當受體，其主要功能是結合訊號分子並在細胞中誘導生化反應。許多受體在細胞表面暴露了結合位點，並在細胞內有一個效應域，該效應域可能具有酶活性或可能發生被細胞內其他蛋白質檢測到的構象變化。抗體是適應性免疫系統中的蛋白質成分，其主要功能是結合抗原或體內的外來物質，並將它們靶向破壞。抗體可以分泌到細胞外環境中或錨定在被稱為漿細胞的專門 B 細胞的膜中。雖然酶受其反應進行的必要性限制了對其底物的結合親和力，但抗體沒有這種限制。抗體與其靶標的結合親和力極高。許多配體轉運蛋白結合特定的生物小分子並將它們轉運到多細胞生物體中的其他位置。這些蛋白質在它們的配體濃度高時必須具有很高的結合親和力，但在靶組織中濃度低時也必須釋放配體。配體結合蛋白的典型例子是血紅蛋白，它將氧氣從肺部轉運到所有脊椎動物的其他器官和組織，並且在每個生物界中都有密切的同源物。凝集素是糖結合蛋白，對它們的糖基團具有高度特異性。凝集素通常在涉及細胞和蛋白質的生物識別現象中發揮作用。受體和激素是高度特異性的結合蛋白。跨膜蛋白也可以充當配體轉運蛋白，改變細胞膜對小分子和離子的通透性。膜本身具有疏水核心，極性或帶電分子無法透過該核心擴散。膜蛋白包含允許此類分子進入和離開細胞的內部通道。許多離子通道蛋白專門選擇特定的離子；例如，鉀和鈉通道通常只識別兩種離子中的一種。

其他功能

結構蛋白賦予原本流動的生物成分剛度和硬度。大多數結構蛋白是纖維蛋白；例如，肌動蛋白和微管蛋白作為單體是球狀和可溶的，但聚合形成長而堅硬的纖維，構成細胞骨架，使細胞能夠保持其形狀和大小。膠原蛋白和彈性蛋白是結締組織（如軟骨）的關鍵成分，角蛋白存在於頭髮、指甲、羽毛、蹄子和一些動物外殼等堅硬或絲狀結構中。其他發揮結構功能的蛋白質是運動蛋白，如肌球蛋白、驅動蛋白和動力蛋白，它們能夠產生機械力。這些蛋白質對於單細胞生物的細胞運動和許多以有性方式繁殖的多細胞生物的精子至關重要。它們還產生收縮肌肉所施加的力。

蛋白質結構測定

帶狀圖顯示了肌紅蛋白結構，顯示了有色的α螺旋。這些蛋白質是長而線性的分子，具有數千個原子；然而，每個原子的相對位置已經透過 X 射線晶體學以亞原子解析度確定。由於很難同時視覺化所有原子，因此帶狀圖顯示了從蛋白質聚合物的 N 末端（藍色）到其 C 末端（紅色）的粗略路徑。

蛋白質資料庫中約 90% 的可用蛋白質結構是透過 X 射線晶體學確定的。該方法使人們能夠測量蛋白質中電子（在結晶狀態下）的 3D 密度分佈，從而推斷出所有原子的 3D 座標，以達到一定的解析度。大約 9% 的已知蛋白質結構是透過核磁共振技術獲得的。可以透過圓二色性或雙偏振干涉測量來確定二級結構組成。冷凍電子顯微鏡最近已成為一種以高解析度（小於 5 埃或 0.5 奈米）確定蛋白質結構的方法，預計在未來十年，它作為高解析度工作工具的能力將增強。這項技術對於研究大型蛋白質複合物（如病毒衣殼蛋白和澱粉樣蛋白纖維）的研究人員來說仍然是一項寶貴的資源。

X 射線晶體學

生物分子的 X 射線晶體學始於多蘿西·克勞福特·霍奇金，她解決了膽固醇（1937 年）、維生素 B12（1945 年）和青黴素（1954 年）的結構，為此她獲得了 1964 年的諾貝爾化學獎。1969 年，她成功地解決了胰島素的結構，她為此工作了三十多年。

X 射線晶體學是一種確定晶體中原子排列的方法，其中一束 X 射線照射到晶體上，並衍射成許多特定方向。蛋白質的晶體結構（不規則且比膽固醇大數百倍）開始在 1950 年代後期得到解決，從抹香鯨肌紅蛋白的結構開始，該結構由馬克斯·佩魯茨和約翰·肯德魯爵士確定，為此他們獲得了 1962 年的諾貝爾化學獎。自從那次成功以來，已經確定了 61840 多種蛋白質、核酸和其他生物分子的 X 射線晶體結構。相比之下，在分析結構方面最接近的競爭方法是核磁共振 (NMR) 光譜，它已經解析了 8759 種化學結構。此外，晶體學可以解決任意大小的分子結構，而溶液狀態 NMR 則侷限於相對較小的分子（小於 70 kDa）。X 射線晶體學現在被科學家們普遍用於確定藥物如何與其蛋白質靶標相互作用以及哪些變化可能改善它。然而，內在膜蛋白仍然難以結晶，因為它們需要去垢劑或其他方法才能在分離時使其溶解，而這些去垢劑通常會干擾結晶。這些膜蛋白是基因組中很大的一部分，包括許多具有重要生理意義的蛋白質，例如離子通道和受體。

核磁共振光譜或 NMR

蛋白質核磁共振光譜（通常縮寫為蛋白質 NMR）是結構生物學的一個領域，其中使用 NMR 光譜來獲取有關蛋白質結構和動力學的的資訊。該領域由理查德·R·恩斯特和庫爾特·武特里希[1]等開創。蛋白質 NMR 技術在學術界和生物技術行業中不斷被使用和改進。透過 NMR 光譜測定結構通常包含以下幾個階段，每個階段都使用一組獨立的、高度專業化的技術。製備樣品、分配共振、生成約束並計算和驗證結構

血紅蛋白及其結構

血紅蛋白是一種攜氧蛋白，由 Hünefeld 於 1840 年發現。1851 年，奧托·芬克發表了一系列文章，描述了透過將紅細胞依次用純水、酒精或乙醚等溶劑稀釋，然後從所得蛋白質溶液中緩慢蒸發溶劑來生長血紅蛋白晶體。血紅蛋白的可逆氧合是在幾年後由菲利克斯·霍佩-塞勒描述的。1959 年，馬克斯·佩魯茨透過 X 射線晶體學確定了血紅蛋白的分子結構。這項工作使他與約翰·肯德魯共同獲得了 1962 年諾貝爾化學獎。生理學家克勞德·貝爾納闡明瞭血紅蛋白在血液中的作用。血紅蛋白這個名字源自血紅素和珠蛋白這兩個詞，反映了血紅蛋白的每個亞基都是一個嵌入血紅素（或血紅素）基團的球狀蛋白。每個血紅素基團含有一個鐵原子，可以與一個氧分子透過離子誘導偶極力結合。哺乳動物中最常見的血紅蛋白型別含有四個這樣的亞基。血紅蛋白（也拼寫為血紅蛋白，縮寫為 Hb 或 Hgb）是所有脊椎動物[1]（除了魚類家族 Channichthyidae）紅細胞中含鐵的氧氣轉運金屬蛋白，以及一些無脊椎動物的組織中。血液中的血紅蛋白負責將氧氣從肺部或鰓運輸到身體其他部位（即組織），在那裡釋放氧氣供細胞使用，並收集二氧化碳將其帶回肺部。在哺乳動物中，這種蛋白質約佔紅細胞幹物質的 97%，約佔總含量的 35%（包括水）。血紅蛋白的氧氣結合能力為每克血紅蛋白 1.34 毫升 O2，與溶解在血液中的氧氣相比，這使血液的總氧氣容量增加了 70 倍。哺乳動物的血紅蛋白分子最多可以結合（攜帶）四個氧分子。

血紅蛋白主要由蛋白質（“珠蛋白”鏈）組成，而這些蛋白質反過來又由氨基酸序列組成。這些序列是線性的，就像書面句子中的字母或串珠一樣。在所有蛋白質中，蛋白質中氨基酸序列中氨基酸型別的變化決定了蛋白質的化學性質和功能。血紅蛋白也是如此，其中氨基酸序列可能會影響關鍵功能，例如蛋白質對氧氣的親和力。

存在不止一個血紅蛋白基因。血紅蛋白中珠蛋白的氨基酸序列通常在物種之間存在差異，儘管差異隨著物種之間的進化距離而增大。例如，人類和黑猩猩中最常見的血紅蛋白序列幾乎相同，在α和β珠蛋白鏈中僅相差一個氨基酸。這些差異在親緣關係較遠的物種之間會更大。即使在同一個物種中，血紅蛋白的不同變體也總是存在，儘管一個序列通常是每個物種中“最常見”的序列。物種中血紅蛋白蛋白基因的突變會導致血紅蛋白變體。許多這些突變形式的血紅蛋白不會引起疾病。然而，其中一些突變形式的血紅蛋白會導致一組遺傳性疾病，稱為血紅蛋白病。最著名的血紅蛋白病是鐮狀細胞病，這是第一種在分子水平上了解其機制的人類疾病。一組（大部分）獨立的疾病稱為地中海貧血，涉及正常和有時異常血紅蛋白的生產不足，這是由於珠蛋白基因調控問題和突變引起的。所有這些疾病都會導致貧血。

血紅蛋白變異是正常胚胎和胎兒發育的一部分，但也可能是人群中由遺傳變異引起的病理學血紅蛋白突變形式。一些眾所周知的血紅蛋白變異，如鐮狀細胞性貧血，會導致疾病，被認為是血紅蛋白病。其他變異不會引起可檢測到的病理，因此被認為是非病理性變異。

在胚胎中：Gower 1 (ζ2ε2) Gower 2 (α2ε2) (PDB 1A9W) 血紅蛋白波特蘭 (ζ2γ2) 在胎兒中：胎兒血紅蛋白 (α2γ2) (PDB 1FDH)

在成年人中：血紅蛋白 A (α2β2) (PDB 1BZ0) - 最常見，正常含量超過 95% 血紅蛋白 A2 (α2δ2) - δ 鏈合成始於第三孕期的後期，在成年人中，其正常範圍為 1.5-3.5% 胎兒血紅蛋白 (α2γ2) - 在成年人中，胎兒血紅蛋白僅限於被稱為 F 細胞的有限紅細胞群體。然而，Hb F 的水平在鐮狀細胞病和 β 地中海貧血患者中可能會升高。

引起疾病的變異形式：血紅蛋白 H (β4) - 血紅蛋白的一種變異形式，由 β 鏈的四聚體形成，可能存在於 α 地中海貧血的變體中。血紅蛋白巴特 (γ4) - 血紅蛋白的一種變異形式，由 γ 鏈的四聚體形成，可能存在於 α 地中海貧血的變體中。血紅蛋白 S (α2βS2) - 在患有鐮狀細胞病的人中發現的血紅蛋白的一種變異形式。β 鏈基因存在變異，導致血紅蛋白性質發生改變，從而導致紅細胞發生鐮狀化。血紅蛋白 C (α2βC2) - 另一種由於 β 鏈基因變異引起的變異。這種變異會導致輕度慢性溶血性貧血。血紅蛋白 E (α2βE2) - 另一種由於 β 鏈基因變異引起的變異。這種變異會導致輕度慢性溶血性貧血。血紅蛋白 AS - 一種雜合形式，導致鐮狀細胞性狀，具有一個成人基因和一個鐮狀細胞病基因 血紅蛋白 SC 病 - 另一種雜合形式，具有一個鐮狀基因和另一個編碼血紅蛋白 C 的基因。

血紅蛋白氨基酸序列的變異，與其他蛋白質一樣，可能是適應性的。例如，最近的研究表明鹿鼠中遺傳變異有助於解釋山區鹿鼠如何在稀薄的空氣中生存。內布拉斯加林肯大學的一位研究人員發現，四個不同基因的突變可以解釋生活在低地草原和山區之間的鹿鼠之間的差異。在檢查從高地和低地捕獲的野生老鼠後，發現：這兩個品種的基因“幾乎相同——除了那些控制其血紅蛋白攜氧能力的基因”。“這種基因差異使高地老鼠能夠更有效地利用氧氣”，因為在海拔較高的地方（如山區）氧氣較少。猛獁血紅蛋白具有突變，使其能夠在較低溫度下輸送氧氣，從而使猛獁象能夠在更新世時期遷移到較高的緯度。

鐮狀細胞病以常染色體隱性遺傳方式遺傳。

鐮狀細胞性狀的分佈，用粉紅色和紫色表示

瘧疾的歷史分佈（歐洲不再流行）用綠色表示

瘧疾的現代分佈

鐮狀細胞病（SCD）或鐮狀細胞性貧血（或貧血；SCA）或鐮狀細胞病是一種常染色體隱性遺傳性血液疾病，具有超顯性，其特徵是紅細胞呈現異常的、堅硬的鐮狀形狀。鐮狀化降低了細胞的柔韌性，導致各種併發症的風險。鐮狀化是由於血紅蛋白基因發生突變造成的。預期壽命縮短，研究報告稱男性平均預期壽命為 42 歲，女性為 48 歲。鐮狀細胞性貧血是由血紅蛋白 β 珠蛋白鏈中的點突變引起的，導致親水性氨基酸穀氨酸在第六位被疏水性氨基酸纈氨酸取代。β 珠蛋白基因位於 11 號染色體短臂上。兩個野生型 α 珠蛋白亞基與兩個突變 β 珠蛋白亞基的結合形成了血紅蛋白 S (HbS)。在低氧條件下（例如，在高海拔地區），β 珠蛋白鏈第 6 位缺乏極性氨基酸會導致血紅蛋白非共價聚合（聚集），這會使紅細胞扭曲成鐮刀狀，並降低其彈性。

紅細胞彈性的喪失是鐮狀細胞病病理生理的關鍵。正常的紅細胞具有很強的彈性，這使得細胞能夠變形以透過毛細血管。在鐮狀細胞病中，低氧張力會導致紅細胞發生鐮狀化，反覆發生的鐮狀化會損傷細胞膜並降低細胞的彈性。當恢復正常氧張力時，這些細胞無法恢復正常形狀。因此，這些堅硬的血液細胞在透過狹窄的毛細血管時無法變形，導致血管閉塞和缺血。疾病的實際貧血是由溶血引起的，即脾臟內紅細胞的破壞，因為其形狀不規則。雖然骨髓試圖透過生成新的紅細胞來彌補，但它無法與破壞的速度相匹配。健康的紅細胞通常存活 90-120 天，而鐮狀細胞僅存活 10-20 天。通常，人類有血紅蛋白 A，由兩個α鏈和兩個β鏈組成，血紅蛋白 A2，由兩個α鏈和兩個δ鏈組成，以及血紅蛋白 F，由兩個α鏈和兩個γ鏈組成。其中，血紅蛋白 A 約佔人體正常血紅蛋白的 96-97%。

鐮狀細胞基因突變可能是在不同的地理區域自發產生的，正如限制性內切酶分析所表明的那樣。這些變異被稱為喀麥隆、塞內加爾、貝南、班圖和沙烏地阿拉伯-亞洲。它們的臨床意義在於，其中一些與較高的 HbF 水平相關，例如塞內加爾和沙烏地阿拉伯-亞洲變異，並且往往表現出較輕的疾病。

對於 HgbS 雜合子（鐮狀血紅蛋白攜帶者），聚合問題較小，因為正常等位基因能夠產生超過 50% 的血紅蛋白。對於 HgbS 純合子，HbS 長鏈聚合物的存在會使紅細胞的形狀從光滑的甜甜圈狀變為參差不齊並充滿尖刺，使其變得脆弱，容易在毛細血管內破裂。攜帶者只有在缺氧（例如，登山時）或嚴重脫水時才會出現症狀。在正常情況下，這些疼痛性發作每年每位患者約發生 0.8 次。鐮狀細胞病發生在當第 7 個氨基酸（如果從最初的甲硫氨酸開始計算）穀氨酸被纈氨酸取代時，從而改變其結構和功能。

基因缺陷是一種已知的 突變，它導致 β-珠蛋白基因中單個核苷酸 (單核苷酸多型性 - SNP) (A 到 T) 發生改變，導致穀氨酸在第 6 位被 纈氨酸取代。帶有這種突變的血紅蛋白 S 被稱為 HbS，以區別於正常的成人 HbA。這種遺傳疾病是由 突變引起的，它導致單個核苷酸從 GAG 突變為 GTG 密碼子 突變，透過轉錄成為 GUG 密碼子。這通常是一個良性突變，對血紅蛋白的 二級、三級 或 四級結構 沒有明顯影響，前提是在正常的 氧氣 濃度下。它允許在低 氧氣 濃度下，HbS 本身發生聚合。血紅蛋白的脫氧形式在 E 和 F 螺旋之間暴露了蛋白質上的疏水性斑塊。血紅蛋白 β 鏈第 6 位纈氨酸的疏水性殘基能夠與疏水性斑塊結合，導致血紅蛋白 S 分子聚集並形成纖維狀沉澱物。

導致鐮狀細胞性貧血的 等位基因是 常染色體 隱性 的，位於 11 號染色體短臂上。從父母雙方都遺傳了缺陷基因的人會患病；從父母雙方各遺傳一個缺陷基因和一個正常基因的人會保持健康，但會將疾病遺傳給後代，被稱為 攜帶者。如果兩個攜帶者父母生育孩子，他們的孩子患病的機率為 1/4，成為攜帶者的機率為 1/2。由於該基因是不完全隱性的，攜帶者可能會產生一些鐮狀紅細胞，不足以引起症狀，但足以對瘧疾產生抵抗力。因此，雜合子比任何一個純合子具有更高的

– 適應性。這被稱為 雜合子優勢。由於雜合子的適應性優勢，這種疾病仍然很普遍，特別是在最近祖先來自瘧疾流行地區的群體中，例如 非洲、地中海、印度 和 中東。 瘧疾在歷史上是地中海南部的地方病，但在 20 世紀中葉被宣佈根除，除了偶爾發生的罕見病例。 瘧原蟲具有複雜的生命週期，其中的一部分是在紅細胞中度過的。在攜帶者中，瘧原蟲的存在會導致帶有缺陷血紅蛋白的紅細胞過早破裂，使 瘧原蟲 無法繁殖。此外，Hb 的聚合影響了瘧原蟲消化 Hb 的能力。因此，在瘧疾流行的地區，如果人們攜帶鐮狀細胞性狀（對雜合子的選擇），他們的生存機會實際上會增加。在美國，由於沒有瘧疾流行，黑人中的鐮狀細胞性貧血患病率（約 0.25%）低於 西非（約 4.0%），並且正在下降。如果沒有來自非洲的瘧疾流行，鐮狀細胞突變純粹是弊大於利，並且會傾向於從受影響的群體中被淘汰。限制鐮狀細胞基因在北美傳播的另一個因素是缺乏對一夫多妻制的文化傾向。 遺傳 鐮狀細胞疾病的遺傳方式與血型、頭髮顏色和質地、眼睛顏色和其他身體特徵的遺傳方式大致相同。一個人在紅細胞中產生的血紅蛋白型別取決於他從父母那裡遺傳的血紅蛋白基因。如果一方父母患有鐮狀細胞性貧血（SS），而另一方父母是鐮狀細胞性狀攜帶者（AS），那麼孩子患有鐮狀細胞病（SS）的機率為 50%，患有鐮狀細胞性狀（AS）的機率為 50%。當父母雙方都是鐮狀細胞性狀攜帶者（AS）時，孩子患有鐮狀細胞病（SS）的機率為 25%（1/4），如上圖所示。

血紅素 b 組

血紅蛋白具有許多多亞基球狀蛋白的四級結構特徵。血紅蛋白中大多數氨基酸形成α螺旋，由短的非螺旋段連線。氫鍵穩定了這種蛋白質內部的螺旋部分，在分子內引起吸引力，將每個多肽鏈摺疊成特定的形狀。血紅蛋白的四級結構來自其四個亞基，大致呈四面體排列。在大多數脊椎動物中，血紅蛋白分子是由四個球狀蛋白質亞基組成的集合。每個亞基都由一個與非蛋白質血紅素基團緊密結合的蛋白質鏈組成。每個蛋白質鏈排列成一組α螺旋結構片段，這些片段以球蛋白摺疊方式連線在一起，之所以被稱為球蛋白摺疊，是因為這種排列是其他血紅素/球蛋白蛋白（如肌紅蛋白）中使用的相同摺疊基序。這種摺疊模式包含一個強力結合血紅素基團的口袋。血紅素基團由一個位於雜環環中的鐵 (Fe) 離子（帶電原子）組成，被稱為卟啉。這種卟啉環由四個吡咯分子以環狀方式連線在一起（透過甲烯橋），鐵離子位於中心。鐵離子是氧結合位點，與環中心的四個氮配位，所有四個氮都位於同一個平面上。鐵透過 F8 組氨酸殘基（也稱為近端組氨酸）的咪唑環與球狀蛋白牢固（共價）結合，該殘基位於卟啉環下方。第六個位置可以透過配位共價鍵可逆地結合氧氣[24]，完成六個配體的八面體基團。氧氣以“端向彎曲”幾何形狀結合，其中一個氧原子結合 Fe，另一個氧原子以一定角度突出。當沒有氧氣結合時，一個結合非常弱的水分子會填充該位點，形成一個扭曲的八面體。儘管二氧化碳是由血紅蛋白攜帶的，但它並不與氧氣競爭鐵結合位點，而是實際結合到結構的蛋白質鏈上。鐵離子可以處於 Fe2+ 狀態或 Fe3+ 狀態，但高鐵血紅蛋白（高鐵血紅蛋白）（Fe3+）不能結合氧氣。在結合過程中，氧氣暫時且可逆地將 (Fe2+) 氧化為 (Fe3+)，而氧氣暫時轉化為超氧化物，因此鐵必須處於 +2 氧化態才能結合氧氣。如果與 Fe3+ 結合的超氧化物離子被質子化，血紅蛋白鐵將保持氧化狀態，無法結合氧氣。在這種情況下，高鐵血紅蛋白還原酶最終可以透過還原鐵中心來重新啟用高鐵血紅蛋白。在成年人中，最常見的血紅蛋白型別是四聚體（包含 4 個亞基蛋白），稱為血紅蛋白 A，由兩個 α 亞基和兩個 β 亞基非共價結合組成，每個亞基分別由 141 個和 146 個氨基酸殘基組成。這表示為 α2β2。亞基在結構上相似，大小也差不多。每個亞基的分子量約為 17,000 道爾頓，四聚體的總分子量約為 68,000 道爾頓（64,458 g/mol）[26]。因此，1 g/dL = 0.01551 mmol/L。血紅蛋白 A 是研究最深入的血紅蛋白分子。在人類嬰兒中，血紅蛋白分子由 2 條 α 鏈和 2 條 γ 鏈組成。隨著嬰兒的成長，γ 鏈逐漸被 β 鏈取代。四個多肽鏈透過鹽橋、氫鍵和疏水效應相互結合。α 鏈和 β 鏈之間有兩種型別的接觸：α1β1 和 α1β2。

氧飽和度 一般來說，血紅蛋白可以與氧分子飽和（氧合血紅蛋白），也可以與氧分子脫飽和（脫氧血紅蛋白）。

氧合血紅蛋白 氧合血紅蛋白是在生理呼吸過程中形成的，此時氧氣與紅細胞中蛋白質血紅蛋白的血紅素成分結合。這個過程發生在肺泡附近的肺毛細血管中。然後，氧氣透過血液迴圈被運送到細胞中，並在有氧糖酵解以及透過氧化磷酸化過程產生 ATP 中被利用。但是，它不能幫助抵消血液 pH 值的下降。通氣或呼吸可以透過去除二氧化碳來逆轉這種情況，從而導致 pH 值上升。血紅蛋白存在兩種形式，緊張形式 (T) 和鬆弛形式 (R)。各種因素，如低 pH 值、高 CO2 和高 2,3-BPG 在組織水平上有利於緊張形式，這種形式的氧親和力低，並在組織中釋放氧氣。在肺毛細血管水平上，上述因素的反面有利於鬆弛形式，它可以更好地結合氧氣。

脫氧血紅蛋白 脫氧血紅蛋白是未結合氧氣的血紅蛋白形式。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收光譜不同。氧合血紅蛋白在 660 nm 波長下的吸收量明顯低於脫氧血紅蛋白，而在 940 nm 波長下的吸收量略高。這種差異用於透過名為脈搏血氧儀的儀器測量患者血液中的氧氣含量。這種差異也解釋了發紺的出現，即組織在缺氧期間會呈現的藍紫色。氧合血紅蛋白是在生理呼吸過程中形成的，此時氧氣與紅細胞中蛋白質血紅蛋白的血紅素成分結合。這個過程發生在肺泡附近的肺毛細血管中。然後，氧氣透過血液迴圈被運送到細胞中，並在有氧糖酵解以及透過氧化磷酸化過程產生 ATP 中被利用。但是，它不能幫助抵消血液 pH 值的下降。通氣或呼吸可以。

參考文獻

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