病毒的结构 科学网—传染性蛋白的负面和正面（一） 打破分子生(6)

蛋白质是由20种氨基酸线性相连组成的分子。每个氨基酸分子内有一个“中心碳原子”，叫a-碳原子。这个碳原子发出四根化学键，平均伸向空间，与其它原子相连。要直观地了解这四根化学键的方向，可以想象一个四面体，即金字塔那样的形状，与碳原子相连的四个原子分别位于四面体的四个顶角上，碳原子则位于四面体的中心，它与四个原子连线的方向就是碳原子四根化学键的方向。这样，每两根键之间的夹角都是109.5度，所以任意两根化学键都不在一条直线上。

这四根化学键中，一根连上一个氨基（-NH2），一根连上一个羧基（-COOH，其中的两个氧原子都和碳原子相连，其中一个氧原子还和一个氢原子相连），第三根连上一个功能基团，第四根连上一个氢原子。一个氨基酸分子上的氨基和另一个氨基酸分子上的羧基可以彼此反应，脱掉一个水分子而连到一起，形成“肽键”（peptide bond，-CO-NH-，其中的氧原子只与碳原子相连，氢原子只与氮原子相连）。多个氨基酸分子这样线性相连，就形成“肽链”（peptide）。第三条化学键所连的功能基团不参与肽链的形成，朝一侧伸出，像长绳子上横向伸出的短绳子，成为“侧链”。肽链卷曲成为最后功能状态的形状，就是我们通常所说的“蛋白质”（protein）。

在分子中，以单键相连的两个原子是可以彼此转动的，就像被一根牙签穿在两头的两个塑料球；而以双键相连的两个原子就不能相对转动，就像两个塑料球被两根牙签穿在一起。肽键中的碳-氮键，看似单键，其实由于氮原子上的一对“未共用电子”和碳-氧双键中的π电子部分重叠，所以这个碳-氮键具有部分双键性质，是不能够转动的，肽键中的四个原子也都位于同一个平面上，相对位置无法改变，像一个刚性的“片”。而a-碳原子与羧基中的碳原子之间的化学键，以及a-碳原子与氨基中的氮原子之间的化学键，是“真正”的单键，所以与a-碳原子相连的羧基碳原子和氨基氮原子是可以转动的，并且带着与它们相连的分子部分一起转动。再加上这两条化学键不在一条直线上，这样就使得肽链的形状得以改变。这是肽链能够改变形状的原因，也使得线性的蛋白质分子“卷”成特定的三维结构成为可能。在生物化学中，“卷”的名词是“折叠”（fold）。

肽链改变形状的机制清楚了，现在的问题是，肽链是怎么折叠成具有一定三维结构的分子的？这就是一个非常复杂的过程了，因为牵涉的力作用点数量太多，就连目前世界上功能最强大的计算机都无法加以模拟，但是我们可以形象地加以描述。肽链折叠的过程，总的来说就是分子内的电荷彼此相互作用，包括肽键上的电荷和侧链上的电荷，以及这些电荷与环境中分子相互作用的结果。

肽键上的氧原子和氮原子都是“电负性”（获取电子的能力）比较强的原子，能够从与它们相连（即共享电子）的原子上多得一些电子，所以带部分负电，所以在肽键（-CO-NH-）中，氧原子和氮原子都带部分负电，而与氮原子相连的氢原子则带部分正电。这样，一个肽键上的氧原子就可以和同一条肽链中的另一个肽键上的氢原子彼此通过电荷相互吸引，形成“氢键”（hydrogen bond）。氢键不是共价键，但却是分子之间或分子内不同部分相互作用的重要力量。

一条肽链含有许多肽键，但不是任何两个肽链之间都可以形成氢键。a-碳原子上的化学键也不是可以任意角度旋转，带有侧链的氨基酸会在一些角度构成空间障碍，这样相邻或者相距太近的肽键之间就无法形成氢键。在肽键之间“舒服地”形成比较稳定的氢键主要有两种方式。一种是肽链卷成右旋的螺旋状，每个肽键上的氧原子和相隔3个（即第4位）的肽键上的氢原子形成氢键。这样每3.6个氨基酸单位绕一圈，形成所谓的“a-螺旋”（a-helix）。这个螺旋总体看就像一根“圆棍”，侧链从圆棍上伸出，好像树干每3.6圈长出一片树叶。a-螺旋是蛋白质分子中最重要的基本结构之一，它上面伸出的侧链的性质决了这段螺旋的亲水性和亲脂性，例如蛋白分子穿越细胞膜就是通过亲脂的a-螺旋实现的。

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