Pauling解释这个现象是由于下列两个极端结构(I和Ⅱ)之间的共振引起的。 0 Ⅲ 肽键的实际结构是一个共振杂化体(如结构Ⅲ),这是介于结构Ⅰ和结构Ⅱ的 中间状态,可以看作是结构Ⅰ和结构Ⅱ的“杂交结构”(结构Ⅰ和结构Ⅱ的比例为 3:2)。肽键的CN单键有40%的双键性质,肽键中C=N双键有40%的单键性质 因此,肽键具有部分双键的性质(约40%),不能自由旋转,所以肽键是一个刚性 平面,称为肽平面(酰胶平面)。结构Ⅲ中的6个原子差不多处于同一平面内。在 肽平面内,两个C处于顺式构型或反式构型。在反式构型中,两个C原子及其取 代基团相互远离,而顺式构型中它们彼此接近,引起C。上R之间的空间位阻。所 以反式构型比顺式构型稳定,但也有例外,如脯氨酸的肽键是反式的,也可以是顺 式的,因为四氢吡啶环引起的空间位阻消去了反式构型的优势。 、多肽链的折叠 前面已经讲过,肽健实际上是一个共 振杂化体,形成刚性的肽平面。肽平面是 肽链上的重复单位,称为肽单位或肽基 肽链主链的构象可以用“二面角”来描述 两个肽平面由C的四面体键相连接。C N键和CC2键都有是单键,所以相 邻的两个肽平面可分别绕C。N键和C C2键旋转。绕Ca-N1键旋转的角度称 φ(psi角),绕C。-C2键旋转的角度称 中(phi角)。原则上φ和ψ可以取-180 +180°之间的任 当φ的旋转键N-C两侧的NC1 和C。—C2呈顺式时,规定φ=0°;同样, ψ的旋转键Ca-C2两侧的Ca一N和 C2-N2呈顺式时,规定ψ=0°。从Ca向 N看,沿顺时针方向旋转C一N键形成 的中角度规定为正值,反时针旋转为负 值:从C。向C2看,沿顺时针旋转C。完全伸展的肽链构象(中=180°中=180°)
20 Pauling 解释这个现象是由于下列两个极端结构（Ⅰ和Ⅱ）之间的共振引起的。 Cα H Cα H C′ N C′ N + O Cα O - Cα Ⅰ Ⅱ Cα H C′ N O Cα Ⅲ 肽键的实际结构是一个共振杂化体（如结构Ⅲ），这是介于结构Ⅰ和结构Ⅱ的 中间状态，可以看作是结构Ⅰ和结构Ⅱ的“杂交结构”（ 结构Ⅰ和结构Ⅱ的比例为 3:2）。肽键的 C—N 单键有 40%的双键性质，肽键中 C=N 双键有 40%的单键性质， 因此，肽键具有部分双键的性质（约 40%），不能自由旋转，所以肽键是一个刚性 平面，称为肽平面（酰胺平面）。结构Ⅲ中的 6 个原子差不多处于同一平面内。在 肽平面内，两个 Cα处于顺式构型或反式构型。在反式构型中，两个 Cα原子及其取 代基团相互远离，而顺式构型中它们彼此接近，引起 Cα上 R 之间的空间位阻。所 以反式构型比顺式构型稳定，但也有例外，如脯氨酸的肽键是反式的，也可以是顺 式的，因为四氢吡啶环引起的空间位阻消去了反式构型的优势。 二、多肽链的折叠 前面已经讲过，肽健实际上是一个共 振杂化体，形成刚性的肽平面。肽平面是 肽链上的重复单位，称为肽单位或肽基。 肽链主链的构象可以用“二面角”来描述。 两个肽平面由 Cα的四面体键相连接。Cα —N1 键和 Cα—C2 键都有是单键，所以相 邻的两个肽平面可分别绕Cα—N1 键和Cα —C2 键旋转。绕 Cα—N1 键旋转的角度称 φ（psi 角），绕 Cα—C2 键旋转的角度称 ψ（phi 角）。原则上φ和ψ可以取-180° -- +180°之间的任一值。 当φ的旋转键 N1—Cα两侧的 N1—C1 和 Cα—C2 呈顺式时，规定φ=0°;同样， ψ 的旋转键 Cα—C2 两侧的 Cα—N1 和 C2—N2 呈顺式时,规定ψ=0°。从 Cα向 N1 看，沿顺时针方向旋转 Cα—N1 键形成 的φ角度规定为正值， 反时针旋转为负 值；从 Cα 向 C2 看， 沿顺时针旋转 Cα 完全伸展的肽链构象(φ=180°ψ=180°)
LC2键所形成的ψ角度规定为正值,反时针旋转为负值。 虽然中和ψ可以在-180°—+180°范围内自由旋转,但并不是任意二面角所 决定的肽键构象都是立体化学所允许的。例如,当φ=0°、ψ=0°时的构象不可能 存在。因为两个相邻平面上的酰胺基H原子和羧基0原子的接触距离比其范德华 半径之和小,因此将发生空间位阻。二面角所决定的构象能否存在,主要取决于 相邻肽单位中非键合原子之间接近时有无阻碍(或者说能量是否达到最低) Ramachandran(拉姆陈德莱)等到人在1963年研究多肽链的立体化学时,对 这一复杂问题作了近似的处理 Ramachandran等人将原子看作简单的硬球,根据范德华半径可以确定非键合 原子之间的最小接触距离。 非键合原子范德华半径距离与最小接触距高(A (3.00 (2.80) (2.20) 2.70 2.70 2.40 N (2.60)(2.60)(2.20) 2.70 2.40 (2.60) (2.20) H (上行为 Van der waals半径距离,下行带括号的数据为 Ramachandran测得的非键合原子的最小接触距离) Ramachandran根据非键合原子之间的最小接触距离,确定哪些二面角(φ、 ψ)决定的相邻的二肽单位的构象是立体化学允许的,哪些是不允许的。用φ对 ψ作图,得到φψ图(中ψmap),或者称为 Ramachandran图 Ramachandran等人将13种球蛋白的2500个残基的主链的二面角作出分布图。 在分布图中有两个最密集的区域。一个的最大密度接近(-60°,-60°),它反映 球蛋白的右手α一螺旋的位置,另一个的最大密度位于(-60°,+120°),相当 于β一折叠的区域 在 Ramachandran图上表现出了“允许区”、“最大允许区(临界限制区)”和 不允许区”。实线封闭区为允许区,在此区域内任何二面角所决定的肽链构象都 是立体化学允许的。因为在此肽链构象中,非键合原子之间的距离不小于标准接 触距离,二者之间没有斥力,构象的能量最低,所以这种构象是最稳定的。位于 允许区的有α—螺旋、平行β一折叠、反平行β一折叠及胶原螺旋。虚线以内的 区域为部分允许区,在此区域内中中所决定的肽链构象也是立体化学允许的,但 是不够稳定。如3螺旋、π一螺旋及α一螺旋等。虚线以外的区域为不允许区 因为在这些肽链的构象中,非键合原子之间的距离小于极限值(比标准接触距离
21 —C2 键所形成的ψ角度规定为正值，反时针旋转为负值。 虽然φ和ψ可以在-180°-- +180°范围内自由旋转，但并不是任意二面角所 决定的肽键构象都是立体化学所允许的。例如，当φ=0°、ψ=0°时的构象不可能 存在。因为两个相邻平面上的酰胺基 H 原子和羧基 O 原子的接触距离比其范德华 半径之和小，因此将发生空间位阻。二面角所决定的构象能否存在，主要取决于 相邻肽单位中非键合原子之间接近时有无阻碍（或者说能量是否达到最低）。 Ramachandran（拉姆陈德莱）等到人在 1963 年研究多肽链的立体化学时，对 这一复杂问题作了近似的处理。 Ramachandran 等人将原子看作简单的硬球，根据范德华半径可以确定非键合 原子之间的最小接触距离。 非键合原子范德华半径距离与最小接触距离（A o ） C N O H C 3．20 2．90 2．80 2．40 （3．00） （2．80） （2．70） （2．20） N 2．70 2．70 2．40 （2．60） （2．60） （2．20） O 2．70 2．40 （2．60） （2．20） H 2．20 （1．90） （上行为 Van der Waals 半径距离，下行带括号的数据为 Ramachandran 测得的非键合原子的最小接触距离） Ramachandran 根据非键合原子之间的最小接触距离，确定哪些二面角（φ、 ψ）决定的相邻的二肽单位的构象是立体化学允许的，哪些是不允许的。用φ对 ψ作图，得到φψ图（φψmap），或者称为 Ramachandran 图。 Ramachandran 等人将 13 种球蛋白的 2500 个残基的主链的二面角作出分布图。 在分布图中有两个最密集的区域。一个的最大密度接近（-60°， -60°），它反映 球蛋白的右手α—螺旋的位置，另一个的最大密度位于（-60°， +120°），相当 于β—折叠的区域。 在 Ramachandran 图上表现出了“允许区”、“最大允许区（临界限制区）”和 “不允许区”。实线封闭区为允许区，在此区域内任何二面角所决定的肽链构象都 是立体化学允许的。因为在此肽链构象中，非键合原子之间的距离不小于标准接 触距离，二者之间没有斥力，构象的能量最低，所以这种构象是最稳定的。位于 允许区的有α—螺旋、平行β—折叠、反平行β—折叠及胶原螺旋。虚线以内的 区域为部分允许区，在此区域内φψ所决定的肽链构象也是立体化学允许的，但 是不够稳定。如 310 螺旋、π—螺旋及αL—螺旋等。虚线以外的区域为不允许区， 因为在这些肽链的构象中，非键合原子之间的距离小于极限值（比标准接触距离
小0.1-0.2A),二者产生很大的斥力,构象的的能量很高。例如:当φ=0°,中 180°时两个肽链平面上的羧基氧原子之间的距离太近,是不允许的。当中 180°,ψ=0°时,两个肽链平面上的氢原子之间的距离太近,也是立体化学所不 允许的 Ramachandran构象图 C=胶原螺旋;β=反平行β一折叠;P=平行β一折叠;=右手α-螺旋; αL=左手α-螺旋;310=310螺旋;π=4.416螺旋。 由于上述原因,使肽链的折叠具有相当大的局限性,肽链的折叠只能以不发 生空间障碍为标准,形成若干允许构象。但值得一提的是甘氨酸和天冬酰胺偏离 允许构象很远。甘氨酸缺乏侧链的制约,常以此满足肽链急剧转折的需要,这是 允许的,也是可以理解的;但天冬酰胺为何有此表现,至今未得到圆满的解释 如果肽链规则折叠,在一段连续的肽单位中具有同一相对取向,也就是具有 相同的(φψ)角,这时肽链就构成一种线性组合,形成二级结构。目前已肯定 下来的二级结构主要有以下几种:α—螺旋、β—折叠、三股胶原螺旋、回折结 构、3。螺旋、π一螺旋等 三、α一螺旋 α—螺旋是人们首先肯定的一种蛋白质空间结构形式,也是蛋白质中最常见、 含量最丰富的二级结构。20-30年代,X-射线衍射技术创始人布拉格(W.L.Brag)
22 小 0.1—0.2A o ），二者产生很大的斥力,构象的的能量很高。例如：当φ=0°，ψ =180°时两个肽链平面上的羧基氧原子之间的距离太近， 是不允许的。 当φ =180°，ψ=0°时，两个肽链平面上的氢原子之间的距离太近，也是立体化学所不 允许的。 Ramachandran 构象图 C=胶原螺旋；β =反平行β —折叠；βP=平行β —折叠；αR=右手α —螺旋； αL=左手α --螺旋；310=310 螺旋；π =4.416 螺旋。 由于上述原因，使肽链的折叠具有相当大的局限性，肽链的折叠只能以不发 生空间障碍为标准，形成若干允许构象。但值得一提的是甘氨酸和天冬酰胺偏离 允许构象很远。甘氨酸缺乏侧链的制约，常以此满足肽链急剧转折的需要，这是 允许的，也是可以理解的；但天冬酰胺为何有此表现，至今未得到圆满的解释。 如果肽链规则折叠，在一段连续的肽单位中具有同一相对取向，也就是具有 相同的（φψ）角，这时肽链就构成一种线性组合，形成二级结构。目前已肯定 下来的二级结构主要有以下几种：α—螺旋、β—折叠、三股胶原螺旋、回折结 构、310 螺旋、π—螺旋等。 三、α—螺旋 α—螺旋是人们首先肯定的一种蛋白质空间结构形式，也是蛋白质中最常见、 含量最丰富的二级结构。20—30 年代，X--射线衍射技术创始人布拉格(W.L.Bragg)
创立了一个强有力的学派,他们一方面利用这一技术去测定无机分子的结构,同 时对生命物质也表现出了极强的兴趣。这个学派的代表人物如阿斯特伯瑞 ( Astbury)、贝尔纳( Bernal)、克鲁福特( Crowfoot)等,从30年代开始对蛋白 质和核酸的X一射线衍射进行了大量的研究。 Astbury首先获得了毛发纤维的衍射 照片,并且发现拉伸的毛发和不拉伸的毛发衍射图样不同。这两种衍射图样代表 了两种不同的空间结构,他提出不拉伸的称a结构,拉伸的称为β结构,并肯定 前者比后者的结构更致密。到1951年,波林( Pauling)和科里( Correy)提出 了α一螺旋和β一折叠。α一螺旋和β一折叠就是 Astbury的α结构和β结构。 衍射实验和以后大量的事实证明,a一螺旋的确是广泛存在于蛋白质中的一种基 本的二级结构 α—螺旋的特征是:①肽链中的肽键平面绕C相继旋转一定的角度形成α 螺旋,并沿中心轴盘曲前进。②螺旋上升时,每个氨基酸残基围绕中心轴盘旋00° 360/36二面角分别为:三5°,申三4]③螺旋每绕一圈(360°)经过 6个氨基酸残(肽单位),每个重复单位沿中心轴上升,0.15m(58螺距为 0.54nm(O.15*3,6=0,54)(⑤5.4A。五圈螺旋形成一个周期,含18个氨基酸残基 周期长为2665m(26.65。④肽链中的全部>C=0和》H几乎都平行于螺旋 轴,每个氨基酸残基的 与前面第四个残基上的>C=0靠近而形成氢键。即 借氢键闭合为环,此环的原子数目为13 个原子。⑤所有的氨基酸测链 均伸向螺旋的外侧。⑥酰胺基 的3个原子N、C、0与螺旋轴 的距离分别等于0.157、0.161 0.176nm(1.57、1.61、1.76A,此 距离仅比范德华半径小0.01nm r=0.23nm (0.01A),因此可以认为a一螺 旋是具有原子密堆积的结构, 中心腔附近没有空腔。这是它 稳定的一个重要因素 任何一个螺旋结构都可以用3个符号S,m,R(或1来表示。S代表螺旋每旋转 一圈的氨基酸残基数,m代表由氢键连接形成的闭合环中的原子数目,R或L代珍 右手或左手。因此,一个螺旋可表示为S或Sm如右手a—螺旋可表示为36sR 左手a一螺旋则为3.613L 以a一螺旋作为基本结构的最典型实例是毛发的α一角蛋白。毛发是一种坚韧 的纤维,a一螺旋作为它的基本结构单位,就好象棉纱和绳子之间的关系一样。这 里有复杂的结构组织,一些细节还不能十分肯定。其基本景象如下:首先,三股右
23 创立了一个强有力的学派，他们一方面利用这一技术去测定无机分子的结构，同 时对生命物质也表现出了极强的兴趣。这个学派的代表人物如阿斯特伯瑞 (Astbury)、贝尔纳（Bernal）、克鲁福特（Croufoot）等，从 30 年代开始对蛋白 质和核酸的 X—射线衍射进行了大量的研究。Astbury 首先获得了毛发纤维的衍射 照片，并且发现拉伸的毛发和不拉伸的毛发衍射图样不同。这两种衍射图样代表 了两种不同的空间结构，他提出不拉伸的称α结构，拉伸的称为β结构，并肯定 前者比后者的结构更致密。到 1951 年，波林（Pauling）和科里（Correy）提出 了α—螺旋和β—折叠。α—螺旋和β—折叠就是 Astbury 的α结构和β结构。 衍射实验和以后大量的事实证明，α—螺旋的确是广泛存在于蛋白质中的一种基 本的二级结构。 α—螺旋的特征是：①肽链中的肽键平面绕 Cα相继旋转一定的角度形成α— 螺旋，并沿中心轴盘曲前进。②螺旋上升时，每个氨基酸残基围绕中心轴盘旋 100° (360/3.6)，二面角分别为：φ=-65°，ψ=-41°。③螺旋每绕一圈（360°）经过 3.6 个氨基酸残基(肽单位)，每个重复单位沿中心轴上升，0.15nm(1.5A o ),螺距为 0.54nm(0.15*3.6=0.54)(5.4A o )。五圈螺旋形成一个周期，含 18 个氨基酸残基， 周期长为 2.665nm(26.65A o )。④肽链中的全部 >C＝O 和 >N—H 几乎都平行于螺旋 轴，每个氨基酸残基的>N—H 与前面第四个残基上的 >C＝O 靠近而形成氢键。即 借氢键闭合为环，此环的原子数目为 13 个原子。⑤所有的氨基酸测链 均伸向螺旋的外侧。⑥酰胺基 的 3 个原子 N、C、O 与螺旋轴 的距离分别等于 0.157、0.161、 r 0.176nm(1.57、1.61、1.76 A o ),此 0.54nm 0.15nm 距离仅比范德华半径小 0.01nm r=0.23nm (0.01A o ),因此可以认为α—螺 旋是具有原子密堆积的结构， 中心腔附近没有空腔。这是它 稳定的一个重要因素。 任何一个螺旋结构都可以用 3 个符号 S.m.R(或 l)来表示。S 代表螺旋每旋转 一圈的氨基酸残基数，m 代表由氢键连接形成的闭合环中的原子数目，R 或 L 代珍 右手或左手。因此，一个螺旋可表示为 SmR 或 SmL。如右手α—螺旋可表示为 3.613R， 左手α—螺旋则为 3.613L。 以α—螺旋作为基本结构的最典型实例是毛发的α—角蛋白。毛发是一种坚韧 的纤维，α—螺旋作为它的基本结构单位，就好象棉纱和绳子之间的关系一样。这 里有复杂的结构组织，一些细节还不能十分肯定。其基本景象如下：首先，三股右
手α—螺旋向左缠绕,拧成原纤维(在这个过程中,α一螺旋沿轴线有相应的倾斜 重复距离从0.54nm缩短到0.51nm),直径为2.0nm。原纤维纵向穿过毛发。然后, 9股原纤维排列成一个圆圈,围绕着另2股原纤维,构成“9+2”的电缆式结构 称为微纤维,直径为8nm。这种“9+2”的结构在其它蛋白质中也曾发现过。微纤 维被包埋在含硫量很高的无定形基 质中。成百根这样的微纤维又结合成不 规则的纤维束,称为粗纤维,直径为 200nm 根典型的羊发纤维横截面直 径为20圃,由直径大约为2的细胞 堆积而成。在这些细胞中粗纤维沿轴纵 向排列。所以一根看似简单的毛发,具 有高度有序的结构(α一螺旋→原纤维 →微纤维→粗纤维→细胞→毛发纤维) 毛发的性能就决定于a一螺旋以及这样 的组织方式。a一角蛋白有非常好的伸 缩性,一根毛发可以拉长到原来长度的 2倍,这时α—螺旋被撑开,各圈间的氢 键被破坏,过渡为β结构。当张力去除 后,氢键本身并不足以使纤维返回到原 来的状态。但螺旋是被包埋在基质中的 螺旋中的半胱氨酸与基质中的半胱氨酸 之间是以众多的二硫键交联起来的 般认为每四圈就有一个交联。这种交联 既可抵抗张力,又形成了外力去除后使 纤维复原的恢复力。结构的稳定性主要 是由这些二硫键保证的。从任何意义上 讲,毛发都不是一个活泼的或活性很高 的蛋白质,但它仍具有这样复杂的结构, 而且分子的性能直接决定于分子的结构 及其特殊的组织方式 根据含硫量的大小 角蛋白可 以分成“硬型”角蛋白和“软型”角蛋 白两种类型。蹄、爪、角、甲中的角蛋 白是高硫硬型角蛋白,质地硬,难拉伸 皮肤和肼胝组织中的角蛋白属于软型角 蛋白,它的伸缩性比前者好。同时,a -角蛋白也具有很好的抗挠性,这也与
24 手α—螺旋向左缠绕，拧成原纤维（在这个过程中，α—螺旋沿轴线有相应的倾斜， 重复距离从 0.54nm 缩短到 0.51nm），直径为 2.0nm。原纤维纵向穿过毛发。然后， 9 股原纤维排列成一个圆圈，围绕着另 2 股原纤维，构成“9+2”的电缆式结构， 称为微纤维，直径为 8nm。这种“9+2”的结构在其它蛋白质中也曾发现过。微纤 维被包埋在含硫量很高的无定形基 质中。成百根这样的微纤维又结合成不 规则的纤维束， 称为粗纤维， 直径为 200nm。 一根典型的羊发纤维横截面直 径为 20μm，由直径大约为 2μm 的细胞 堆积而成。在这些细胞中粗纤维沿轴纵 向排列。所以一根看似简单的毛发，具 有高度有序的结构（α—螺旋→原纤维 →微纤维→粗纤维→细胞→毛发纤维）。 毛发的性能就决定于α—螺旋以及这样 的组织方式。α—角蛋白有非常好的伸 缩性，一根毛发可以拉长到原来长度的 2 倍,这时α—螺旋被撑开,各圈间的氢 键被破坏，过渡为β结构。当张力去除 后，氢键本身并不足以使纤维返回到原 来的状态。但螺旋是被包埋在基质中的， 螺旋中的半胱氨酸与基质中的半胱氨酸 之间是以众多的二硫键交联起来的。一 般认为每四圈就有一个交联。这种交联 既可抵抗张力，又形成了外力去除后使 纤维复原的恢复力。结构的稳定性主要 是由这些二硫键保证的。从任何意义上 讲，毛发都不是一个活泼的或活性很高 的蛋白质，但它仍具有这样复杂的结构， 而且分子的性能直接决定于分子的结构 及其特殊的组织方式。 根据含硫量的大小，α—角蛋白可 以分成“硬型”角蛋白和“软型”角蛋 白两种类型。蹄、爪、角、甲中的角蛋 白是高硫硬型角蛋白，质地硬，难拉伸。 皮肤和胼胝组织中的角蛋白属于软型角 蛋白，它的伸缩性比前者好。同时，α —角蛋白也具有很好的抗挠性，这也与