看看最近的文章

摘要

α -螺旋是多肽的主要第二结构之一。α -螺旋是由N位氨基酸羰基残基之间的氢键稳定的^thN+4位氨基酸胺残基^th．每个酰胺键都可以取酮型和烯醇型的任意一种，但前者的吉布自由能低于后者。两种类型之间的共振使氨基键平面，以稳定α -螺旋。虽然x射线晶体学已经很好地研究了α -螺旋的静态结构，但它的动态性质尚未完全了解。在这里，我们提出了一个α -螺旋在解中的动态行为模型。在没有同步共振反应的情况下，α -螺旋中所有的酰胺键都倾向于酮型而不是烯醇型，失去了平面结构。与α -螺旋末端的酰胺键结合，氢的给体和受体基团如羧基和磷酸基，可引起酮型和烯醇型酰胺键的高频同步共振。特别是当多肽与两端结合的两个配体形成反平行的α螺旋时，多肽会在最大频率下发生同步共振的闭链反应。因此，一个配体在末端的结合导致另一个配体在反平行螺旋的另一端的高亲和性结合。该模型揭示了蛋白质复合物变构效应的基本分子机制，即α -螺旋通过同步共振反应将化学结合信号从一个位点转移到另一个位点。

关键字

别构效应，α -螺旋，动力学，氢键，酰胺共振

α -螺旋的基本结构

正如Pauling博士提出的，α -螺旋是由多肽的右旋螺旋组成，由酰胺残基之间的氢键稳定[1,2]。在一个α -螺旋结构中，酰胺键上的所有羰基氧都沿螺旋轴向前延伸，而酰胺键上的所有胺氢都沿螺旋轴向后延伸。N位氨基酸残基的每个羰基氧^th在(N+4)位置与胺氢形成氢键^th以稳定α -螺旋结构(图1)。氨基酸残基的所有侧链都向螺旋外侧延伸。这是alpha-helix的一个独特性质，当与相邻的边链残基位于另一边的表相比。

图1所示。一对反平行的α螺旋中羧基结合的闭环共振反应的变构效应的原理模型。A， α -螺旋的酮型结构。B，烯醇型α -螺旋结构。在这幅示意图中，一个羧基化合物结合到反平行的螺旋的一端，通过共振稳定刺激另一个羧基化合物结合到另一端的螺旋上。为了简单起见，每个α -螺旋只给出了三个残基。黑色实线表示共价键。红色虚线表示氢键。弯曲的箭头表示在共振反应中电子转移或负电流流动。一对反平行黑色允许指示酮型和烯醇型之间的化学平衡。绿色的R-COOH，一种羧基化合物。

在脂质双分子层中，跨膜α -螺旋应将侧链的疏水基团延伸到外侧，与脂肪酸的疏水烷基链相互作用以达到稳定作用[1,2]。由于脂质双分子层的疏水层中没有极性基团，跨膜多肽酰胺很容易在它们之间形成氢键[1,2]。因此，α -螺旋是脂质双分子层中稳定的跨膜多肽结构之一。

在水溶液中，α -螺旋应将侧链的亲水基团向外延伸，与溶剂中的亲水分子和盐离子相互作用，起到增溶作用[1,2]。水分子是极性的，因此α -螺旋内部酰胺键之间的氢键很容易被水分子攻击而断裂，而非极性的α -碳往往位于α -螺旋的中心，具有疏水相互作用。一般来说，α -螺旋在水溶液中的稳定性不如在脂质双分子层中的稳定性。然而，在蛋白质复合物内部，α -螺旋在疏水环境中可能非常稳定，就像脂质双分子层一样。在这种情况下，α -螺旋可以通过被疏水侧链包围的酰胺键之间的稳定氢键来稳定。

肽中酰胺键的平面结构

在短肽中，酰胺键在电解溶液中通过酮型和烯醇型的共振形成平面结构。胺基和羰基残基在溶液中分别作为氢的给体和受体。一旦胺氢被释放到某个溶剂分子中并被其接受，溶液中就会发生氢转移链反应，直到羰基氧从溶剂分子中接受氢原子，使酰胺残基由酮型转变为烯醇型。由于酮型的吉布自由能比烯醇型的低，所有烯醇型酰胺应迅速可逆地返回酮型。这个共振反应形成氨基键的平面结构，并在氧、碳和氮之间共振形成双键[3]。共振频率取决于施主和受主之间的电阻，因此应该与溶液的离子电导率呈正相关。

然而，在α -螺旋中，所有的酰胺键相互之间形成氢键链，而不与溶剂直接相互作用。为了使α -螺旋的酰胺键的所有共振反应同步，螺旋的羧基端和胺端应该分别从溶剂接受氢和向溶剂提供氢。由于α -螺旋具有较长的螺旋结构，因此螺旋两端的电阻比短肽在溶液中给予和接受氢时的电阻要高得多。因此，α -螺旋中酰胺键的同步共振频率远低于溶液中短肽的同步共振频率。因此，酰胺键的平面结构在α -螺旋中比在短肽中更不稳定，特别是在离子强度低的溶液中。

阿尔法螺旋动力学

热力学上，酰胺键的酮型比其同型或烯醇型更稳定[1,2]。因此，如上所述，几乎所有的酰胺键都倾向于酮型而不是烯醇型。此外，羰基和仲胺残基在溶液中都是很弱的电解质，以致于α -螺旋中的酰胺键在低频时发生同步共振。然而，一旦一个强电解基团如羧基和磷酸基与α -螺旋末端的酰胺键结合，螺旋中的所有酰胺键就会在高频率下在酮-和烯醇型之间同步共振。换句话说，强电解质增加了α -螺旋在溶液中的电导率。在高频共振稳定了每个酰胺键的平面结构，导致了α螺旋结构的稳定。由于共振反应在整个螺旋结构中相互同步，α -螺旋结构的动态稳定不仅发生在局部末端，而且也发生在整个螺旋结构中。

α螺旋的变构机理

如图1所示，反平行的α -螺旋作为一种电缆通信系统，可以将配体结合的分子信息在蛋白质内部从一个位点传递到另一个位点。换句话说，在α螺旋的一端结合配体，通过同步共振反应稳定另一端的配体/底物结合，这就是众所周知的变构效应[4,5]。在这个模型中，配体可以有氢键残基，特别是羧基和磷酸基来耦合共振反应。此外，如前所述，变构效应伴随着酰胺键平面结构的稳定通过螺旋。

变构机制也可能在脂质双分子层内外跨膜受体或通道通过其α -螺旋跨膜多肽的信号转导中起重要作用。例如，配体结合在跨膜受体的外部结构域可以改变跨膜螺旋的结构和动力学，从而诱导底物到其胞内结构域[1]。

需要指出的是，本文提出的所有模型都只是从多肽酰胺键间氢键的性质出发的理论假设，因此在今后的实验中需要仔细检验。这也应该得到确认在网上本文提出的模型应适用于已发表的具有变构效应的蛋白质原子结构，其精确度应可接受。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

参考文献

1. Cox MM, Nelson DL(2012)《生物化学原理》，W.H. Freeman;6^th版。
2. 鲍林(1988)《普通化学》，多佛出版社;3.^{理查德·道金斯}版。
3. Aizawa H(2018)关于beta-sheet的结构。J Mol细胞生物学预测1: 1003。
4. molagh HN, Wrabl JO, Li J, and Hilser VJ(2014)变构的整体性质。自然508: 331 - 339。
5. Liu J, Nussinov R (2016) Allostery的历史、概念、方法和应用综述。公共科学图书馆第一版。医学杂志12: e1004966。