你对蛋白质超二级结构了解多少？

在蛋白质的多层次结构中，超二级结构是介于单个氨基酸和整个蛋白质之间的关键组织层次。这些局部结构单元不仅对蛋白质的稳定性至关重要，也直接影响其生物学功能。

本文将详细介绍超二级结构的基本概念、分类，并探讨它们在蛋白质科学中的重要性。

01 超二级结构含义

蛋白质是由氨基酸序列组成的复杂大分子，这些序列在空间中折叠形成特定的三维结构，以执行其生物学功能。

在蛋白质折叠过程中，氨基酸残基通过氢键形成局部的次级结构元素，如α-螺旋和β-折叠。这些次级结构元素进一步组合，形成精确的三维架构，即蛋白质的整体空间形态。

值得注意的是，即使蛋白质的氨基酸序列完全不同，许多不同的蛋白质中也存在重复的二级结构组织模式，这些模式被称为超二级结构（Supersecondary structure）或结构模序（Structural motifs）。

02 超二级结构分类

超二级结构是蛋白质折叠过程中形成的局部结构单元，它们由次级结构元件如α-螺旋和β-折叠组成，并根据这些元件的组合方式被分为三类：全α结构（由α-螺旋组成）、全β结构（由β-折叠组成）和混合α/β结构（同时包含α-螺旋和β-折叠）。

这些超二级结构通常由2到3个这样的次级结构元件组成，它们通过氢键、疏水作用等相互作用紧密连接，形成稳定的局部结构。这些简单的超二级结构单元还可以进一步组装成更大的结构，有时这些更大的结构单元被称为“折叠”。

03 全α结构

3.1 αα-发夹（αα-Hairpin）

螺旋发夹，也称为αα-发夹，是由一个环状结构连接两个相邻且大致呈反平行排列的α螺旋。

这种结构的特点是两个α螺旋之间的紧密堆积，这种紧密堆积主要是通过氨基酸侧链之间的疏水相互作用来实现的。疏水相互作用促使疏水性侧链聚集在一起，从而增强了蛋白质结构的稳定性。

3.2 αα 角（αα-corners）

αα 角指的是两个大致垂直的α螺旋之间的短环连接。这种短环结构不仅在物理上将两个α螺旋紧密地联系在一起，而且对于形成蛋白质的三维形态至关重要。

αα 角的存在使得蛋白质链可以在空间中以特定的方向和角度延伸，从而允许蛋白质形成复杂的结构。

3.3 EF手（EF Hand）

EF手在蛋白质中起到结合钙离子的作用。EF手由两个大致垂直的α螺旋和一个连接这两个螺旋的环组成，形成一种螺旋-环-螺旋的视图。

这个环部分由大约12个氨基酸残基构成，这些残基在序列上具有高度的保守性，意味着它们在不同蛋白质中保持相似性。这种结构的保守性和特定的形态特征使其能够有效地结合钙离子，参与细胞信号传导、肌肉收缩等关键生物过程。

3.4 螺旋-转角-螺旋（Helix-Turn-Helix）

螺旋-转角-螺旋（HTH）在蛋白质与DNA的结合中扮演着关键角色。尽管名称中包含“转角”，HTH结构实际上并不包含反向转角的几何结构。这种结构通常由两个α螺旋组成，它们通过一个短环连接，这个环通常由4个保守残基组成，这些残基在不同蛋白质中保持相似性，对维持结构的稳定性和功能性至关重要。

两个α螺旋之间的角度大约是120°，这有助于它们以特定的方式与DNA相互作用。在HTH结构中，一个螺旋（在某些视图中可能被标记为黄色）深入DNA的大沟，直接参与DNA识别和结合。这种结构的设计使得HTH基序在调控基因表达和DNA结合蛋白的功能中发挥着至关重要的作用。

3.5 四螺旋束（Four-Helix Bundle）

四螺旋束由四个α螺旋紧密堆积形成。这种结构的特点是具有多种拓扑形态，每种形态都可以通过观察具体的蛋白质结构来识别。

四螺旋束中的α螺旋之所以能够紧密堆积，是因为螺旋具有两亲性特性，这种特性使得疏水性残基位于螺旋内部，而亲水性侧链则朝向外部。

这种排列方式有助于稳定蛋白质结构，因为疏水残基倾向于聚集在一起，避免与水分子接触，而亲水残基则能够与水分子相互作用。因此，四螺旋束不仅在形态上具有多样性，而且对于蛋白质的稳定性和生物学功能至关重要。

04 全β结构

4.1 β发夹（β-Hairpin）

β发夹由两个连续的反平行β链通过一个环连接在一起形成。这个连接两个β链的环本身也被称作β发夹。

β发夹的结构形态（构象）会根据其长度和氨基酸序列的特定顺序而有所不同，通常这种结构的长度较短，小于7个氨基酸残基，而且很多情况下仅由两个残基组成。

当β发夹由两个残基构成时，它会采用β转角中的一种经典构象，这有助于蛋白质链在三维空间中进行必要的转向，从而对蛋白质的整体结构和功能起到关键作用。

4.2 β曲折（β-Meander）

β发夹可以通过组合形成连续的反平行β链，进而构成所谓的β曲折。这种结构特征是β链在空间中曲折排列，形成一种蜿蜒的形态。

在探索蛋白质的三维结构时，除了β发夹和β曲折之外，我们还可以发现其他类型的β曲折图案。这些图案丰富了蛋白质的结构多样性，通过细致观察和分析，我们可以在蛋白质的三维结构中识别出这些不同的β曲折模式，从而更深入地理解蛋白质的复杂性和它们在生物体内的作用。

4.3 希腊钥匙（Greek-key）

"Greek-key"是蛋白质β链组合的一种独特形式，它由四条β链构成，形成一个复杂的β片基序。这种结构的特点是其独特的拓扑形态，它在三维空间中可以展现出不同的结构布局。

在某些情况下，这四条β链可以全部位于同一张β片上，形成一个连续的β片结构。而在其他情况下，这些链可能会分布在两张不同的β片上，从而增加了蛋白质结构的复杂性和多样性。

05 混合α&β结构

5.1 β-α-β模体（β-α-β Motif）

"β-α-β Motif"由一个β链、一个α螺旋和一个β链按顺序组成，形成β-α-β的序列。这种基序通过连接两条平行链来维持蛋白质的稳定性。

在β-α-β Motif中，这三个二级结构元件紧密堆积，共同形成一个疏水核心，这对于蛋白质的整体结构稳定性至关重要。

连接β链和α螺旋的环区域（loop）在长度上有很大的变化，从一个残基到100多个残基不等，这为蛋白质的结构多样性和功能适应性提供了可能。此外，β-α-β Motif图案几乎总是呈现右手折叠的形态，这反映了蛋白质在折叠过程中的一种普遍倾向性。

5.2 Rossmann 折叠（Rossmann Fold）

β-α-β超二级结构的延伸形式，被称为“Rossmann 折叠”，在核苷酸结合蛋白中极为常见。这种结构是由β-α-β基序的重复单元构成的，形成了β-α-β-α-β的序列。

在Rossmann 折叠中，β链紧密排列形成平行的β片，而α螺旋则位于这些β片的一侧，并以反平行的方式与β链相互作用。

这种特定的排列方式不仅为核苷酸的结合提供了必要的结构基础，而且也增强了蛋白质的稳定性和功能。因此，Rossmann 折叠不仅是蛋白质结构多样性的一个例证，也是核苷酸结合和代谢功能中不可或缺的组成部分。