蛋白质结构层级：从氨基酸序列到α螺旋、β折叠与多亚基组装

看蛋白质结构图时，经常会遇到弹簧状的螺旋、并排的箭头，以及几种颜色交织的链。这些图形分别表示什么？它们与"一级、二级、三级、四级结构"是什么关系？

理解这些概念，可以从四个问题入手：

结构层级	回答的问题
一级结构	氨基酸按什么顺序连接？
二级结构	主链的某些片段形成了什么样的规则构象？
三级结构	一整条多肽链在空间中怎样组织？
四级结构	多条多肽链怎样组合成一个功能性整体？

α螺旋和β折叠属于二级结构。它们是描述主链形状的名称，不是两种不同的氨基酸，也不是两类互不相容的蛋白质。RCSB结构层级入门

图1｜在同一个蛋白质中看四个层级。 顶部是氨基酸序列；弹簧状片段和宽箭头分别表示α螺旋、β链；一个完整的彩色亚基体现三级结构；三个亚基组合成环，体现四级结构。环中心另有DNA，它不属于这三个蛋白质亚基。英文Primary、Secondary、Tertiary、Quaternary分别对应一级、二级、三级、四级。图片来源：RCSB PDB-101原文，Figure 1；结构为PDB 6GIS。

1. 从一条氨基酸链开始：什么是一级结构？

氨基酸由肽键连接

蛋白质的基本组成单位是氨基酸。相邻氨基酸通过肽键连接，形成多肽链；连接进链中的氨基酸单元称为"残基"。

一条普通多肽链有方向：一端叫N端，即氨基端；另一端叫C端，即羧基端。写氨基酸序列时，通常按照N端到C端的方向排列。

例如，下面是一段假设的序列：

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N端 → Ala---Gly---Ser---Leu---Lys → C端
       丙   甘   丝   亮   赖

换成一字母缩写，就是AGSLK。这个顺序就是该片段的一级结构。它告诉我们哪些残基彼此相连，但尚未说明这段链在空间中是伸展、弯曲，还是形成螺旋。EMBL-EBI术语表

主链相似，侧链不同

常见氨基酸残基的主链包含重复的N---Cα---C单元，其中Cα是α碳，在PDB文件中通常写成CA。每个残基的侧链连接在Cα上，不同氨基酸的侧链不同。

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...... --- N --- Cα --- C --- N --- Cα --- C --- ......
          |     ║         |     ║
         侧链   O        侧链   O

主链上反复出现的羰基C=O和多数酰胺N---H，能参与氢键。这是理解α螺旋和β折叠的关键：它们的规则氢键主要发生在主链基团之间，不要求每个位置都使用同一种侧链。

肽键与氢键的作用不同：肽键是把残基连成链的共价键；氢键则参与稳定这条链在空间中的构象。形成二级结构时，链上的残基并没有重新排序。EMBL-EBI蛋白质组成基础

2. 二级结构：主链形成的规则构象

一条多肽链并不会始终保持伸直。它的主链可以采用不同的空间构象，其中一些构象具有重复的几何特征和氢键模式，形成常见的二级结构。

最常见的是：

α螺旋（alpha helix）：一段主链盘绕成螺旋。
β折叠（beta sheet，也称β片层）：多段较伸展的主链并排排列，通过氢键形成片层。

它们之间通常由环区、转角等片段连接。环区没有长段螺旋或片层那样的重复形式，但可以具有明确的三维构象，也可能参与结合或催化。"不是α螺旋或β折叠"不等于"没有结构或功能"。RCSB二级结构说明

图2｜从原子模型看懂螺旋与片层。 上半部分是α螺旋，下半部分是β片层；左侧展示主链原子及氢键虚线，右侧叠加简化的cartoon形状。上方氢键沿同一段螺旋形成，下方氢键连接相邻β链。图中省略了大部分侧链，以便观察主链。图片来源：RCSB PDB-101原文，Figure 2；示例结构来自PDB 1IC2与4GCR。

3. α螺旋：同一段主链盘绕成螺旋

外形像弹簧，侧链朝外

α螺旋由同一条多肽链中的一段连续序列形成。主链围绕一条轴盘绕，侧链大致伸向螺旋外侧。常见蛋白质中的α螺旋通常是右手螺旋。

典型α螺旋每圈约有3.6个残基 ，沿轴向每圈前进约5.4 Å。因此，螺旋绕一圈并不刚好对应整数个残基。EMBL-EBI的α螺旋教程

氢键连接第i位与第i+4位

α螺旋中典型的氢键模式是：

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第i个残基的主链 C=O ··· H---N 第i+4个残基
                       氢键

例如，一段序列形成α螺旋时，可以出现"第10位的羰基氧与第14位的主链N---H形成氢键"，接着是11与15、12与16，以此类推。这些重复的氢键帮助稳定螺旋；螺旋末端则不一定具有完整的内部氢键配对。

这里的氢键不是10号残基与14号残基之间新增了一条肽键。它们仍然通过10---11---12---13---14这一原有顺序连接。（非共价键）

螺旋的外表面也很重要

侧链朝外，使螺旋表面可以具有不同的化学性质。例如，一面较疏水、另一面较亲水的螺旋，可以与周围不同环境相适应；一些跨膜螺旋则以较多疏水侧链接触脂质环境。EMBL-EBI的α螺旋教程

4. β折叠：多段β链并排形成片层

先区分β链与β片层

理解β折叠时，最容易混淆的是"链"这个字。

β链（β-strand）：一小段采用较伸展构象的多肽主链。
β片层（β-sheet）：多段β链并排排列，并通过主链氢键联系起来的结构。

这里的"β链"通常只是蛋白质链中的一个片段，不一定是一条独立的完整多肽链。一条多肽链可以折回来，贡献多段β链；不同多肽链也可以共同贡献β链。

β片层中的相邻β链在三维空间中靠近，但在氨基酸序列中未必相邻。它们可以隔着一段很长的序列，再通过折叠靠到一起。

与α螺旋中同一段序列沿螺旋内部形成氢键不同，β片层的规则氢键主要连接相邻β链的主链C=O与N---H 。EMBL-EBI的β片层教程

平行与反平行，看的是N端到C端的方向

每段β链都沿着多肽链的N端到C端方向排列。比较相邻β链的方向，可以区分两种常见形式：

图3｜平行与反平行的区别是序列方向。 每根箭头表示一段β链，箭头从N指向C；虚线仅表示氢键联系，不描绘具体原子的角度和配对位置。原创教学示意图，依据EMBL-EBI的β片层教程绘制。

图3中的N、C标明的是每段β链的序列方向；如果这些片段来自同一条多肽链，它们并不是各自拥有独立的化学末端。

同一个β片层还可以同时包含平行和反平行排列。相邻β链的方向会影响氢键几何，但不能只凭"平行或反平行"就判断整个蛋白质哪个更稳定。

片层并不是一张完全平整的纸

β链的主链呈折曲的锯齿形，因此称为"折叠片层"。沿一段β链前进时，相邻残基的侧链通常交替伸向片层两面，使两面的化学性质可以不同。真实β片层还经常发生扭曲，而非完全平坦。

结构图中，一根宽箭头通常代表一段β链，多根相邻箭头共同表示β片层。箭头方向表示N端到C端的序列方向，不是原子运动方向。

α螺旋与β折叠的区别

比较内容	α螺旋	β折叠／β片层
基本外形	一段主链盘绕成螺旋	多段较伸展主链并排形成片层
典型氢键	第i位主链C=O与第i+4位主链N---H	相邻β链的主链C=O与N---H
序列关系	通常是一段连续序列	组成片层的片段在序列上可以相距很远
侧链朝向	大致朝螺旋外侧	沿β链交替朝向片层两面
常见简化画法	螺旋带、弹簧或圆柱	每段β链画成一根宽箭头

同一条蛋白质链可以同时包含两者。识别出二级结构之后，下一步才是观察它们如何在整条链中排列。

5. 三级结构：一整条链怎样折成三维形状？

知道一条链有几段螺旋、几段β链，还不足以确定它的整体形状。螺旋之间可以怎样靠拢？β片层位于哪里？环区如何连接它们？相距很远的残基最后是否会彼此接近？

三级结构描述的是同一条多肽链中各部分的整体空间关系，包括主链和侧链的排列。

它并不是在二级结构形成后，再给蛋白质"套上一层结构"。描述一段螺旋的内部构象时，我们在看二级结构；描述这段螺旋与整条链其余部分的关系时，我们在看三级结构。

哪些作用帮助稳定三级结构？

作用	可以怎样理解
疏水效应	对许多水溶性球状蛋白质，疏水侧链倾向于埋入内部，减少与水接触
氢键	主链或侧链上的合适基团之间形成有方向性的相互作用
静电相互作用	带电基团之间可以产生吸引或排斥，具体效果受环境影响
范德华相互作用	原子在合适距离上紧密堆积，许多较弱作用共同贡献稳定性
二硫键	两个半胱氨酸的硫之间形成共价连接，可稳定某些蛋白质

不是每个蛋白质都必须使用表中的全部作用。膜蛋白接触脂质的表面也常较疏水，因此"疏水基团都在里面"只适用于特定环境下的概括。EMBL-EBI三级结构说明

三级结构还能让序列中相距很远的残基，在空间中聚到一起。例如，酶的结合口袋或催化位点可以由不同序列片段共同组成。这也是为什么只看一段直线序列，很难直接判断口袋的完整形状。

一条链可以包含多个结构域

一条较长的蛋白质链，有时可以分成几个相对紧凑、具有一定独立性的折叠单元，称为结构域（domain）。不同结构域之间还可以有特定的空间排列和相对运动。

结构域与亚基不是同一概念：一条链可以有多个结构域；亚基则通常指多链复合物中的一个多肽链单元。RCSB结构域定义

6. 四级结构：多条链怎样共同工作？

有些蛋白质由一条多肽链构成，有些需要多条链共同形成一个功能性整体。组成后者的链通常称为亚基，亚基之间的数目、排列方式和接触关系构成四级结构。

亚基可以相同，也可以不同：两个相同亚基组成同源二聚体，两个不同亚基可以组成异源二聚体；更多亚基还可以形成三聚体、四聚体等。

"四级"是结构描述的第四个层次，不表示一定有四条链。 二聚体和三聚体同样具有四级结构。通常不把单独一条蛋白质链描述为具有多亚基四级结构。

用肌红蛋白和血红蛋白作比较

肌红蛋白由一条多肽链构成，它的多段α螺旋组织成整体三级结构。成人血红蛋白HbA则由两条α链和两条β链组成，常写作α₂β₂；每条链各有自己的三级结构，四条链之间的排列构成四级结构。PDBe的血红蛋白介绍

图4｜一条链的内部组织，与多条链之间的组合。 左侧突出肌红蛋白的单链三级结构；右侧用两种颜色区分血红蛋白的α、β两类亚基。α₁、α₂表示两个α亚基拷贝，β₁、β₂表示两个β亚基拷贝。轮廓仅表示组装关系，不代表真实分子外形或排列几何；血红素未画出。原创教学示意图，依据PDBe的血红蛋白介绍绘制。

这里又有一个命名陷阱：血红蛋白的"α链、β链"是两种亚基的名称，与"α螺旋、β折叠"不是一回事。 不能把血红蛋白的β链理解成"由β折叠构成的链"。

在RCSB查看结构时，还要留意"Biological Assembly（生物学组装体）"。晶体坐标文件直接列出的链，不一定刚好就是蛋白质发挥功能时的组合；判断四级结构应结合组装注释，而非只数当前画面里的链。RCSB结构层级与组装说明

7. 怎样从一张结构图读出这些层级？

打开RCSB、Mol*或PyMOL中的结构，可以依次查看：

查看顺序	重点看什么
先看序列	这条链包含哪些残基，顺序如何？这是一级结构信息
再看cartoon图	哪些片段是螺旋，哪些箭头组成β片层？这是二级结构
单独显示一条链	螺旋、片层和环区如何组织成整条链？这是三级结构
查看生物学组装体	有多少亚基，各自怎样接触和排列？这是四级结构

cartoon图是对原子结构的概括。螺旋带与箭头并不是蛋白质内部真实存在的带子，而是帮助辨认主链形状的画法。图中未显示的侧链和原子依然属于蛋白质。

颜色则取决于着色设置：它可以表示链、二级结构、残基性质或其他信息。看到两种颜色，不能立即认定存在两条链。

对于已有坐标，二级结构也可以根据主链几何和氢键模式进行赋值。传统PDB里的HELIX、SHEET记录提供相关注释，结构查看器还可能根据坐标计算显示；阅读时应了解所用工具的表示方式，而不是只凭颜色判断。wwPDB二级结构注释规范

图5｜把序列上的一个片段对应到三维结构。 左侧序列注释中选中的区域，在右侧三维视图里高亮为一段α螺旋。注意：右图中绿色链也含有螺旋与β链，绿色在这里表示链的着色，不代表某一种二级结构。界面布局可能随版本变化。图片来源：RCSB PDB-101原文，Figure 3；结构为PDB 6GIS。

8. 这四个层级不是四个必须依次完成的步骤

一级到四级提供了一套由序列、片段到整链和多链组合的描述方式，但真实折叠并不一定严格遵循"所有二级结构先完成，再开始三级结构，最后才组装"的流程。局部构象、远距离接触和链间相互作用可以相互影响，折叠也可能通过不同路径发生。RCSB关于折叠路径的介绍

蛋白质也不是静止不动的雕塑。有些区域会在多种构象之间变化，有些区域在游离状态下没有稳定的单一折叠，在结合伙伴后才形成较明确的结构。这类区域称为内在无序区；如果一条蛋白质主要具有这种性质，则称为内在无序蛋白。它们仍然可以具有重要功能。RCSB无序蛋白介绍

因此，看到某段链没有画成螺旋或箭头，应先判断它是有明确构象的环区、柔性区域，还是根本没有建立坐标。仅凭一种简化画法，不能确定它是否无序。

参考资料

本文以RCSB的结构层级教程为基础，结合EMBL-EBI、PDBe等机构的教程整理；RCSB配图在图注中注明来源，图片保持原样；两张中文示意图为本次绘制。示意序列与概念图用于解释结构关系，不代表某个实际蛋白质的完整坐标。

RCSB：Protein Hierarchical Structure：结构层级、二级结构表示与生物学组装。
EMBL-EBI：Foundations of protein structure：蛋白质组成、折叠、结构与相互作用的系统课程。
EMBL-EBI：α-helix：α螺旋的几何、氢键及侧链朝向。
EMBL-EBI：β-sheet：β链、片层、平行与反平行排列。
PDBe：The blood protein：肌红蛋白与血红蛋白的结构比较。
RCSB：Disordered Proteins：无序区域如何参与蛋白质功能。