P2-1
(3) R
基團的
大小、電荷
限制 → 只做
規律摺疊
→ α Helix, β Sheet
Ramachandron plot
二級構造的成因
(1) Peptide bond
不能轉動 →
Peptide bond
平面
(2) 一個胺基酸
R 基團
與前後 R 基團的限制 →
Peptide bond 平面
不能任意轉動 →
(4) 穩定二級構造的力量：
氫 鍵
α Helix,
β Sheet
Juang RH (2007) BCbaiscs
蛋白質
的胺基酸長鏈，並不是一條隨意飄動的長線，因為胜肽鍵的平面不能任意轉動，使得
此一長鏈只能有固定的幾種摺疊法。因此一級構造的胺基酸鏈，會捲曲成 α helix, β sheet 及
turn
等幾種規律的二級構造，原因如上。除了上述許多限制因素之外，二級構造中也含有大量
氫鍵，正面地鞏固其形成。
問題：
二級構造的成因，乃源自構造上的限制，以及結構能量的優勢，請分別說明之。
P2-2
以
胜肽平面
轉角可預測二級構造
Ramachandron
Plot
N
e
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&
C
o
x
(2
004
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P
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y
(
4
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) p
.1
2
5
二級
構造的摺疊相當具規律性，由兩兩胺基酸之間的胜肽平面轉動角度，可以預測將會形成
何種二級構造 (Ramachandron plot)；只要輸入一串胺基酸序列，電腦軟體就可準確地推測 α
helix
或 β sheet 的形成。
P2-3
Math
ew
s et a
l (20
0
0
) Bi
oc
he
mi
str
y
(3e) p.16
4
α helix
β sheet
兩者都由
氫鍵組成
蛋白質二級構造
請仔細
觀察這兩種二級構造的形狀與構成，尤其注意氫鍵的形成與位置，規律地組成兩種二
級構造。因為這些二級構造的存在，使蛋白質成為一個相當堅固的巨分子，同時也賦予其功
能與活性。
P2-4
●
●
生物功能分子最重要的構成鍵結力量：
(1)
蛋白質二級構造、三級構造
(2) DNA 鹼基間的配對：
A:T
;
G:C
(3)
水分子之間 →
冰
(4)
抗原-抗体結合
(5)
蛋白質間親和力
二級構造 (Secondary structure)
Hydrogen bond 氫鍵
-
-
N
N
--
--
H
H
...
...
O
O
-
-
+
δ
-
-
δ
δ
-
δ
●
●
氫鍵有方向性：
立体排列
電子流向
Juang RH (2007) BCbaiscs
二級構造
上最主要的構成力量，就是氫鍵，且數目極多。
由於 α helix 螺旋摺疊的關係，一個胺基酸的 C=O (carbonyl) 會與下游第三個胺基酸上的 N-H
產生氫鍵 (C=O…H-N)。而其間的相對位置與方向，是非常完美的配合，因此可以得到最大力
量的氫鍵鍵結。同時因為 α helix 上的每個 C=O 與 N-H 都會結成氫鍵，整個 α helix 就以相當
多數的氫鍵為架橋，形成堅固的圓筒狀結構。
氫鍵的形成是因為氫原子的超低陰電性，容易被同一分子上的強陰電性原子 (如氮) 奪去電
子，露出正電荷，再被另一個帶強負電性的原子 (如氧) 吸引，產生類似離子鍵的吸引力，不
過其力量很弱。若此三個原子 (O...H-N) 在空間上排成一直線，則所產生的氫鍵最強；但若不
排成一直線，則氫鍵會減弱。因此各原子的相對位置，就變得極為重要。
除了 α helix 之外，β sheet 的長條之間，也會產生很多氫鍵，把 β sheet 的許多長條鏈連結在一
起，成為一片堅固的盾牌狀構造。
P2-5
Math
ew
s et a
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0
0
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he
mi
str
y
(3e) p.10
0
Alb
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02) M
o
lec
u
la
r Bio
log
y
of
the C
e
ll (
4e)
p.5
8
氫鍵的組成
除了
蛋白質的二級構造外，氫鍵亦無所不在。水分子中更有許多氫鍵，喝水時的確喝了很多
氫鍵。DNA 的兩股間，也是以氫鍵作為鍵結，更是生命複製的根本機制。
問題：
你能否再舉出若干其他例子，說明氫鍵的重要細胞角色？
P2-6
各種 α helix 的表達形式
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.165
α Helix
構造的各種變貌，是由一位有名的藝術家 Irving Geis 所繪，你可能早就看過許多他
所繪製的分子模型圖片。有關蛋白質構造的作品，最早是集合在一本叫做 The structure and
action of proteins
的書中 (Dickerson and Geis, 1969)，裡面的經典作品兼具科學與藝術價值，數
十年來都為各種教科書所使用。 Geis 已在幾年前過世。
若有可能，請嘗試使用實際的分子模型建立一個 α helix，一定會有很不一樣的感受；絕對與
只看看書上的圖，或者在電腦上面玩玩立體模型，完全不同。你會發現 α helix 好像不是螺
旋，而是一條四面柱，沿著縱軸心有點扭曲。
問題：
為何 α helix 的實際外觀比較接近四面柱，而非圓柱？
P2-7
Campbell (1990) Biology (2e) p.65
Linus Pauline
& α helix
Judson (1996) The Eighth Day of Creation
α Helix
是由 Linus Pauling 所發現與建立的，也因為如此以及對化學鍵的重要貢獻，得到了
諾貝爾化學獎 (1954)。Pauling 可說是生物化學的開山始祖，曾經發現血紅素蛋白質上的胺基
酸缺陷，開創了 molecular disease 這個字。
Pauling
回憶他如何發現 α helix：當正傷腦筋在解構造時得到感冒，就到海邊的別墅去休息，養病無聊的期間，
隨手在一張長紙條寫下一段胜肽，然後在手中把玩，把紙條捲成一條長筒，突然發現螺旋構造間可以產生很多氫
鍵，是一個相當完美的構造，回到實驗室檢查由 X-ray 所得到的資料，也都吻合螺旋構造。因為是他所發現的第
一個螺旋構造，因此命名為 α helix。
P2-8
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
7
9
9
8
8
8
10
10
11
11
12
12
13
13
13
氫鍵
氫鍵
N
C
C
N
C
C
N
C
C
α
α
C
C
α
α
N
C
C
C
α
α
C
C
胜
鍵
胜
鍵
胜
鍵
胜
鍵
N
N
H
H
O
O
C
C
1
1
2
2
3
3
3.6
3.6
5.4 A
o
α
α
α
α
α
α
α
α
α
α
氫鍵
氫鍵
A
lpha
He
lice
s
by
G
e
is
α Helix
的捲繞方式不只一種，其中最常見的一種，是每 3.6 個胺基酸捲繞成一圈的 α
13
helix
，每圈高度有 5.4 Å (中圖)，其分子上的任何一個氫鍵，都是由 13 個原子所夾 (請數一數
右圖上半的數字)。
問題：
二級構造中的氫鍵結構都很完美，請在圖中指出來。 最好能夠不看書本，自己畫出一
條 α helix 構造。
P2-9
二級構造的特徵
Linus Pauling (Caltech)
●
●
α Helix:
螺旋
(1) Right handed (
右手旋
)
(2)
每
3.6
胺基酸繞一圈，每圈
5.4 Å
高
(3) Carbonyl (C=O)
與下游 H-N- 生成
氫鍵
(4)
每個氫鍵以
13
個原子夾著 (α
13
)
(5)
整個 α helix 呈
圓筒狀
，且有
偶極性
●
●
肌紅蛋白
(Myoglobin)
:
含有八個 α helix 圓筒 其間以 turn 轉折連結
Juang RH (2007) BCbaiscs
α Helix
主要的構造與性質摘要如上表，請按圖索驥在一張 α helix 的圖上，找出以上所有的
特徵；然後試著不要參考書本，自己在紙上畫出一條 α helix，並註明所有特質。大部分蛋白
質上都有 α helix，尤其是肌紅蛋白或血紅蛋白，幾乎全由 α helix 所構成。
P2-10
α helix 有構造上的方向性
N
e
ls
on
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C
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x
(2
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3
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.1
6
5
-1
6
6
右
手
旋
有
極
性
左
手
旋
α Helix
是右手旋構造，如上圖右手般，往右上的方向旋轉。右手旋構造的立體鏡像，就成
為左手旋，但在自然界中都是右手旋的 α helix。
一段 α helix 也有電荷上的極性，在 N-端會帶較強的正電性，在 C-端則帶顯著負電性； 當然
兩端的胺基及酸基有相當貢獻，但是內部的每一個氫鍵，也都有相當的極性，且方向都一
致。
P2-11
用
α helix 組成堅固的立體構造
Zub
a
y
(1988) B
ioc
hem
istr
y
(2e) p.64
肌紅蛋白 myoglobin
肌紅蛋白
(myoglobin, Mb)
分子幾乎全部由 α helix 所組成。 簡單看來，肌紅蛋白是由八段筒
狀的 α helix 螺旋所構成；上右圖把 α helix 畫成長筒狀，非常適切，也請把 α helix 看成長筒
狀。 因為 α helix 除了捲成螺旋狀之外，在螺紋之間還用許多氫鍵連結著，這些氫鍵把螺旋連
結的更為堅固，這就是二級構造的重要作用。
蛋白質分子若只是由長條狀的單薄胺基酸長鏈來回纏繞組成，則這個立體構造將會相當脆弱，一壓就扁。反之，
若能先捲成筒狀的螺旋二級構造，再由這些筒子組成整個蛋白質，將會堅固許多。因此，二級構造是組成蛋白質
三級構造的小單元，角色極為重要。
問題：
說明 Mb 如何以兩個 α helix 夾住 heme，後者又如何與 Mb 上面的兩個 His 連結。
P2-12
數個 α helices 可聚成更高層結構
αααα
形成更複雜的構造
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.436
許多
二級構造可再聚合成更大的組合，以兩個或數個 α helix 聚集在一起，致使蛋白質的構
造更為堅固；或可圍成一個中空的管狀通道，以供物質通過。像上圖 αααα 構造是由四個 α
helices
組合，中間相鄰接的部份 (土黃色)，可能由非極性胺基酸組成，就會造成此種構造更趨
穩定。或者相反地，外圍的部份都由非極性胺基酸組成，則此種構造可以鑲在細胞膜中，成
為膜蛋白；而中央的部份，則有可能成為貫穿細胞膜的孔道，由極性胺基酸所組成。
問題：
這種群聚構造稱為 supersecondary 或者 motif，常常在不同蛋白質的構造中出現，想一
想這種構造在蛋白質整體構形的生成上，有何有利之處？
P2-13
α helix 可捲繞出新的相鄰關係
Alb
e
rts
e
t a
l
(2
0
02) M
o
lec
u
la
r Bio
log
y
of
the C
e
ll (
4e)
p.6
7
9
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.1054
由於
α helix 上面胺基酸的螺旋排列方式，使得原本在直線序列上相差三或四個胺基酸者，在
立體位置上的排列卻變成最為接近，好像住在樓上及樓下。 因此位於 1, 5, 9…的三個胺基
酸，捲成 α helix 時，剛好落在螺旋圓筒的同一側而形成一條線。
P2-14
其他重要二級構造
●
●
β Sheet:
長帶
(1) 數條胺基酸鏈
平行排列
，並以
氫鍵
側向連接
(2) 胺基酸鏈可為
同向
(parallel) 或
反向
排列
(3) 整片 β sheet 呈
板狀
或
盾形
，更可捲成
筒狀
●
●
Reverse
Reverse
Turns
Turns:
β turn, γ turn
連結各種二級構造的轉折角，也是以
氫鍵
固定
●
●
Irregular:
不規則形狀
(但有
固定
形狀)
●
●
Random:
任意形
(時時在改變形狀)
β
helix
Juang RH (2007) BCbaiscs
β Sheet
也是二級構造的一種，但與 α helix 形狀完全不同，是許多彩帶狀長條的集合，這些
長條橫向以許多氫鍵連在一起，成為一大塊堅固的平板構造。這兩種基本二級構造，可以同
時在蛋白質中發現，共同組成了堅固的巨大分子。
有些分子構造中，許多相鄰 β sheets 會一個接一個圈成螺旋狀，稱為 β helix 構造，但本質上
還是 β sheet 的構造，與 α helix 沒有任何關係 (下右圖 Wikipedia)。
P2-15
典型的 β sheet 二級構造
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.174
平板
平板
蠶絲蛋白質
的 β sheet 構造，由 Ala, Gly, Ser 等側基較小的胺基酸所組成，β sheet 的長條狀
彩帶之間，以許多氫鍵結合在一起，成為一平板；兩平板之間 Ala 的側基 –CH
3
剛好垂直相
向，互相錯開並互補地卡在一起；Gly 也是一樣，但兩個平板間的空隙較小。
問題：
蠶絲的特質令人喜愛，絲質製品可以用雙手拉開，而當放開後卻很容易回復。如何用
上述的構造來說明？
P2-16
β sheet 的同向與反向平行
parallel
anti-parallel
轉折
turn
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140
β sheet
中各條彩帶的方向，可以都一致，稱為平行 parallel；方向也可以相反，成為反平行
anti-parallel
。通常以箭頭來表示 β sheet 彩帶，都由 N-端指向 C-端方向。
P2-17
all
α helices
all
β sheets
helices + sheets
Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.26
各種二級構造組合
組成
蛋白質分子的二級構造是什麼？不一定。有時全部是 α helix，有時全是 β sheet，大部分
蛋白質分子是兩種皆有之。
P2-18
其他的二級構造
●
●
β Sheet:
長帶
(1) 數條胺基酸鏈 平行排列，並以 氫鍵 側向連接
(2) 胺基酸鏈可為 同向 (parallel) 或 反向 排列
(3) 整片 β sheet 呈 板狀 或 盾形，更可捲成 筒狀
●
●
Reverse
Reverse
Turns
Turns:
β turn, γ turn
連結各種二級構造的轉折角，也是以
氫鍵
固定
●
●
Irregular:
不規則形狀
(但有
固定
形狀)
●
●
Random:
任意形
(時時在改變形狀)
Juang RH (2007) BCbaiscs
β helix
另有
兩種不規則形狀者，都沒有特別構形。其中 irregular 雖屬不規則，但有固定形狀；而
random
不僅形狀不規則，且時時在改變。通常在蛋白質兩端部份，較易有 random 片段出現。
P2-19
造成轉角的幾種二級構造
β turn
γ turn
Pro
劇烈轉折
R 在同一側
R 在相對側
三個胺基酸平面夾一氫鍵
兩個胺基酸平面夾一氫鍵
Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.181
在
連接二級構造的 α helix 或 β sheet 時，蛋白質以特定的轉角方式來連接，稱為 β turn 或 γ
turn
，也是以氫鍵組成。 造成 γ turn 的胺基酸以 Pro 最為常見，因為 Pro 的環狀結構，使得其
附近蛋白質的脊骨產生極大轉彎。
P2-20
二級構造直接組合成三級構造
注意轉折及不規則、任意形
Math
ew
s et a
l (20
0
0
) Bi
oc
he
mi
str
y
(3e) p.17
9
展出
幾種蛋白質的三級構造組成，請在上面指出各種二級構造，以及 β sheet 組成的各種平板
形狀，並特別注意 turns 及不規則構造。有些不只有兩個端點，可能經過修飾。