蛋白質(zhì)分子螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

蛋白質(zhì)分子螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

蛋白質(zhì)是復(fù)雜的生物集合，具有多功能性質(zhì)。這是生命系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的最重要的材料。蛋白質(zhì)分子不僅具有一定的組成,而且具有一定的幾何結(jié)構(gòu)。α螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn),首次揭示了蛋白質(zhì)分子的幾何結(jié)構(gòu),證實(shí)了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與它的功能特性具有密切的聯(lián)系,在分子生物學(xué)的發(fā)展中是一個(gè)重要的里程碑。蛋白質(zhì)分子的α螺旋結(jié)構(gòu)是由兩次諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美國(guó)化學(xué)家鮑林(LinusPauling,1901—1994年)發(fā)現(xiàn)的。本文將介紹鮑林是怎樣在蛋白質(zhì)組成知識(shí)和X射線研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,尋求以理論的形式,在對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,認(rèn)識(shí)到在蛋白質(zhì)中氫鍵的性質(zhì)和作用,揭示了肽基的剛性平面性質(zhì),從而創(chuàng)造性地提出了非周期性的α螺旋結(jié)構(gòu)的。從這一發(fā)現(xiàn)中,人們可以吸取豐富的科學(xué)方法論的教益和啟迪。1通過(guò)肽鍵形成的氨基酸鏈從1850年化學(xué)家用酸和堿分解蛋白質(zhì)獲得亮氨酸和酪氨酸以來(lái),經(jīng)過(guò)幾十年的大量嘗試和失敗之后,蛋白質(zhì)的組成特征才被揭示。到1935年的時(shí)候,人們一致認(rèn)為,純化后的蛋白質(zhì)在酸或堿作用下,會(huì)水解產(chǎn)生大約20種氨基酸。氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位。氨基酸由一個(gè)氨基(NH2),一個(gè)羧基(COOH),一個(gè)氫原子(H)和一個(gè)被稱為α碳的碳原子(Cα)相連的獨(dú)特R基所組成(圖1)。R基被稱為側(cè)鏈。各種氨基酸唯一的區(qū)別在于側(cè)鏈不同。在中性pH下的溶液中氨基酸主要是偶極離子(或兩性離子),而不是未電離離子。在氨基酸的偶極形式中,氨基被質(zhì)子化(—NH+3),而羧基已離解(—COO-)。早在1902年德國(guó)的有機(jī)化學(xué)家埃米爾·費(fèi)舍爾(EmilFischer,1852—1919年)提出了肽鍵理論,即蛋白質(zhì)分子是通過(guò)肽鍵(—CO—NH—)把氨基酸聯(lián)接起來(lái)而形成的。肽鍵則由一個(gè)氨基酸的羧基與另一氨基酸的氨基縮去一個(gè)水分子后生成的,如圖2所示。以這種方式結(jié)合的氨基酸鏈叫做多肽。由于肽鍵是共價(jià)的,所以是相對(duì)穩(wěn)定的。通常在活細(xì)胞中肽鍵很少斷裂。正如圖2所示,多肽鏈形成一條曲折的主鏈,從主鏈上伸出側(cè)鏈(指R)?？梢愿鶕?jù)肽鍵的取向確定多肽鏈的方向。鏈末端含有自由氨基的稱為氨基末端或N末端,而另一末端含有自由羧基的稱為羧基末端或C末端。習(xí)慣上,蛋白質(zhì)序列的書寫是從N末端(左邊)到C末端(右邊)。1935年鮑林在確定了研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)后,他廣泛地閱讀科學(xué)文獻(xiàn),尋找合適的切入點(diǎn),以便用自己擅長(zhǎng)的化學(xué)知識(shí)來(lái)提供深刻的見解。他覺得費(fèi)舍爾的理論很合理,他開始用這個(gè)理論去認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì),將其視作由肽鍵聯(lián)結(jié)的氨基酸所構(gòu)成的長(zhǎng)鏈。但是如何用這一長(zhǎng)鏈的構(gòu)造來(lái)解釋蛋白質(zhì)的多樣性,如何解釋蛋白質(zhì)在肌體中令人眼花繚亂的功能呢?所有蛋白質(zhì)都是由多肽鏈的不同排列構(gòu)成的呢,還是存在別的結(jié)構(gòu)?2阿斯特料里假設(shè)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的X射線研究始于19世紀(jì)20年代末的英國(guó)利茲(Leeds)大學(xué)紡織物理實(shí)驗(yàn)室。1928年10月,英國(guó)物理學(xué)家、曾任倫敦皇家研究所主任W.布拉格助手的阿斯特佰里(W.T.Astbury,1898—1961年)被聘任到利茲大學(xué)主持該實(shí)驗(yàn)室的工作。在他來(lái)到利茲大學(xué)時(shí),該校教授Speakman向他介紹了關(guān)于羊毛纖維(即角蛋白)的研究情況,給他展示了未伸長(zhǎng)纖維的X射線衍射圖,在子午線上顯示出有5.15?的間距,表示有5.15?的縱向周期存在,而在拉伸纖維的照片中子午線上5.15?的間距卻消失了。經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)驗(yàn)研究,阿斯特佰里拍攝了極好的角蛋白X射線照片。有了角蛋白的兩種性質(zhì)不同的X射線照片的明確的證據(jù)(圖3),1932年他與A.Street在倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表題為“毛發(fā)、羊毛和有關(guān)纖維結(jié)構(gòu)的X射線研究”的論文。他們把角蛋白區(qū)分為未伸長(zhǎng)的α形式和伸長(zhǎng)的β形式。未伸長(zhǎng)的形式是在通常的實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度條件下獲得的,而伸長(zhǎng)的形式是在把羊毛纖維加濕升溫后經(jīng)拉伸獲得的。所有這些照片都是在X射線束垂直于平行的纖維束的裝置中拍攝的。圖3(a)是角蛋白的α形式。實(shí)際上,在子午線上顯著的反射是間距為5.15?的很強(qiáng)的弧,他們把這個(gè)弧上的中心點(diǎn)命名為(020)。如果我們?cè)O(shè)赤道線為X軸,子午線為Y軸,則衍射圖中的(020)點(diǎn)表示在衍射空間中坐標(biāo)為X=0,Y=2,Z=0的一個(gè)干涉加強(qiáng)點(diǎn),它來(lái)源于晶體中間距為5.15?的一組平面點(diǎn)陣族(020)的衍射。它是密切地與這個(gè)很強(qiáng)的反射(120)的一個(gè)邊相連接,這兩個(gè)反射都位于衍射圖的第2層線上。在赤道上有靠近中心點(diǎn)的強(qiáng)烈反射(100),這個(gè)反射的平均間距大約是27?。在赤道上另一個(gè)突出的強(qiáng)烈反射是(001),相應(yīng)的間距為9.8?。上面敘述的這個(gè)反射可能涉及到正交的三維晶胞,其平移向量的長(zhǎng)度分別為a=2?,b=10.3?,c=9.8?。圖3(b)是角蛋白的β形式,選用的是阿斯特佰里在1935年采用垂直于這個(gè)方向的X射線束拍的一張更加清晰的照片,是大致都朝著同一方向(纖維軸)的微晶的“纖維照片”。在赤道上兩個(gè)強(qiáng)反射(001)和(200),分別對(duì)應(yīng)于在垂直于纖維軸的平面內(nèi)兩個(gè)彼此垂直的間距為9.8?和4.65?。子午線上的反射(020)給出了在主鏈方向上氨基酸殘基的平均長(zhǎng)度3.32?。表1左邊列出了α角蛋白觀察到的高強(qiáng)度條紋間距的數(shù)據(jù),右邊是β角蛋白間距的數(shù)據(jù)。阿斯特佰里通過(guò)對(duì)毛發(fā)彈性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),觀察到在沒(méi)有出現(xiàn)斷裂時(shí)具有彈性鏈性質(zhì)的整條纖維的長(zhǎng)度幾乎恰好是原來(lái)的兩倍。這個(gè)觀察給予他強(qiáng)烈的啟示,這個(gè)毛發(fā)充分的α-β變換伴隨有近似100%的角蛋白合成物的伸長(zhǎng),這說(shuō)明在α和β射線照片的各個(gè)尺寸和特征之間必定存在著一些聯(lián)系。他假設(shè)這兩個(gè)強(qiáng)的子午線反射,5.15?和3.32?表示了這個(gè)可逆變換的特征是由下面關(guān)系聯(lián)系的:阿斯特佰里假設(shè)動(dòng)物纖維具有類似于植物纖維的特征,角蛋白纖維像植物纖維一樣,具有沿著纖維軸以相當(dāng)簡(jiǎn)單的單位重復(fù)的性質(zhì)。他注意到角蛋白纖維軸重復(fù)的長(zhǎng)度是5.15?,這一長(zhǎng)度恰好與與帶有“橋原子”的葡萄糖殘基的長(zhǎng)度相當(dāng),如圖4所示。葡萄糖是由5個(gè)碳原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的六邊形環(huán)。這個(gè)作為連接下一個(gè)六邊形環(huán)的“橋”的原子是一個(gè)氧原子。按照這個(gè)類比,阿斯特佰里提出未伸長(zhǎng)纖維角蛋白的基礎(chǔ)是沿著這條纖維軸由“橋原子”連接的一系列六邊形環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)認(rèn)為在未伸長(zhǎng)纖維角蛋白中的六邊形環(huán)是二酮六氫吡井環(huán)(圖5)。但是這個(gè)環(huán)相對(duì)于纖維軸5.15?的重復(fù)長(zhǎng)度太短,為了滿足這個(gè)縱向周期的要求,在環(huán)與環(huán)之間要有作為橋的原子團(tuán),NH,CHR和CO的存在,如圖6(a)所示。為了滿足伸長(zhǎng)的纖維角蛋白具有3.32?間距的強(qiáng)烈的X射線反射特征,要求拉伸的分子是處在二折疊的形態(tài)如圖6(b)所示。他的測(cè)量還表明,折疊發(fā)生在兩個(gè)方向上,而不是三個(gè)方向上——就像在桌面上將α型多肽環(huán)折疊成鋸齒形狀。在這個(gè)意義上,β型多肽鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)端與端相接的兩個(gè)相同的部分組成。在這個(gè)連接中可以認(rèn)為通常的多肽鏈?zhǔn)怯砷L(zhǎng)度大約等于3.5?的相同的部分組成。這是一項(xiàng)重大的進(jìn)步,對(duì)蛋白質(zhì)的特性作出了分子上的解釋。阿斯特佰里從角蛋白的X射線分析研究中得出結(jié)論:一條充分伸長(zhǎng)的多肽鏈的特點(diǎn)在于兩個(gè)主要的邊間距近似彼此垂直,一個(gè)大約4.5?是由于這條鏈的脊骨的有效厚度而引起,另一個(gè)大約10?來(lái)自于氨基酸殘基突出的邊鏈的平均的橫向伸長(zhǎng)。于是這兩個(gè)間距好像表示相鄰的蛋白質(zhì)鏈連接的兩個(gè)主要的樣式。伸長(zhǎng)的β角蛋白基本上是以平行纖維束的形式聚集在一起的。首先通過(guò)它們的邊鏈之間的組合(邊鏈連接),由在相鄰鏈之間胱氨酸的二硫橋保持在一起。其次在垂直于邊鏈的方向上,通過(guò)在相鄰主鏈的CO和NH之間的吸引(脊骨連接)保持在一起。這個(gè)三維結(jié)構(gòu)是個(gè)像梯子結(jié)構(gòu)的“角蛋白格柵”,如圖7(a)所示。現(xiàn)在給出了這個(gè)β形式的結(jié)構(gòu),問(wèn)題是如何使得這個(gè)梯子折疊成能夠適用于α形式的結(jié)構(gòu)。通過(guò)折疊,多肽鏈被折疊成垂直于梯子橫檔的連接一系列六角形環(huán)的平面,兩條相鄰的多肽鏈被折疊成相互平行的平面,兩個(gè)平面由胱氨酸的二硫橋保持在一起,像一條折疊緞帶一樣,如圖7(b)所示。這是一項(xiàng)重大的進(jìn)步,對(duì)蛋白質(zhì)的特性作出了分子上的解釋。鮑林對(duì)阿斯特佰里的工作進(jìn)行了仔細(xì)的研究。他認(rèn)為,阿斯特佰里和他的合作者對(duì)β角蛋白的研究已經(jīng)提供了有力的證據(jù)。然而直接用X射線晶體衍射難以解決蛋白質(zhì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1937年5月阿斯特佰里在訪問(wèn)加州理工學(xué)院時(shí),同鮑林進(jìn)行了探討,并給他看了角蛋白一些最新的X射線照片。兩人在蛋白質(zhì)是一條長(zhǎng)鏈這點(diǎn)上意見一致,然而對(duì)深層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了分歧。鮑林說(shuō):“我當(dāng)然了解利茲的阿斯特佰里有關(guān)角蛋白的文章,毛發(fā)、獸角、指甲等等。但是我知道阿斯特佰里的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的……因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單分子的研究獲得的鍵長(zhǎng)、鍵角和氫鍵結(jié)構(gòu)的知識(shí)足以讓我們推翻他的觀點(diǎn)。但是當(dāng)時(shí)我還沒(méi)有正確的答案?！眱扇嗽谘芯糠椒ㄉ弦膊幌嗤?。阿斯特佰里試圖直接通過(guò)復(fù)雜的X射線衍射分析來(lái)解決蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。鮑林則尋求以理論的形式,在對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上尋找一條捷徑。3從莫斯基到全要素的結(jié)構(gòu)氫鍵(X—H…Y)是處于兩個(gè)電負(fù)性較強(qiáng)的原子X和Y(如F,O,N等)之間的氫原子與Y原子的結(jié)合力(用虛線…表示)。這里原子X和H之間是共價(jià)鍵(用實(shí)線—表示)。分子X—H具有較強(qiáng)的電偶極性,它與電負(fù)性較強(qiáng)的Y原子之間的靜電吸引力構(gòu)成了氫鍵,氫鍵弱于使原子結(jié)合在一起形成分子的共價(jià)鍵,但它大于范德瓦耳斯力。鮑林首先指出,氫鍵在生物化學(xué)和生理過(guò)程中起著重要的作用。在他看來(lái),生物大分子與無(wú)機(jī)分子的化學(xué)反應(yīng)不同。在無(wú)機(jī)分子中原子的個(gè)性影響著化學(xué)鍵的性質(zhì),而生物化學(xué)反應(yīng)中只涉及氫鍵,通常是氮和氧原子之間的氫鍵(N—H…O)。原子的個(gè)性不突出了,重要的是分子的空間構(gòu)型。鮑林在《現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)》的文章中說(shuō):“我相信物質(zhì)的特殊的生理性質(zhì)不是由這些強(qiáng)的分子力決定的,而是由弱力——范德瓦耳斯力、氫鍵——在分子間起作用?！睔滏I的概念在他建立蛋白質(zhì)的α螺旋模型的過(guò)程中起著重要的作用。1936年鮑林在一篇關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的文章中寫道:”這一多肽鏈被折疊為由氫鍵鍵合的唯一的結(jié)構(gòu)。就是說(shuō)強(qiáng)肽鍵使整個(gè)鏈成為一個(gè)整體,但是各部分之間較弱的氫鍵折疊之后使整個(gè)鏈成為其最終的形狀,這最終的形狀對(duì)蛋白質(zhì)的功能是至關(guān)重要的?！?935年春天,鮑林和洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所的蛋白質(zhì)化學(xué)家莫斯基(A.E.Mirsky)開始了對(duì)由熱或化學(xué)物質(zhì)引起的蛋白質(zhì)變性現(xiàn)象的研究。莫斯基獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,變性過(guò)程可以分為兩個(gè)層次。第一個(gè)層次由相對(duì)較弱的熱量和酸引起,往往是可逆的。第二個(gè)層次,由較高的溫度,較強(qiáng)烈的化學(xué)環(huán)境或是與破壞蛋白質(zhì)的酶發(fā)生的反應(yīng)所引起,通常是不可逆的。根據(jù)這些數(shù)據(jù),鮑林很快地用化學(xué)鍵理論作出了自己的解釋。兩個(gè)層次的變性意味著有兩種類型的化學(xué)鍵,第一類涉及到相對(duì)較弱的化學(xué)鍵,很容易打破或重建;第二類涉及到較強(qiáng)的化學(xué)鍵,難以打破,也難以重建。鮑林對(duì)打破第二類較強(qiáng)的化學(xué)鍵進(jìn)行了測(cè)定,數(shù)據(jù)表明這一類化學(xué)鍵為共價(jià)鍵。鮑林對(duì)較弱的化學(xué)鍵的研究更富有成果。他很快意識(shí)到,打破第一類化學(xué)鍵所需要的能量符合氫鍵類型。1936年7月鮑林和莫斯基在《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表了題為“論自然、變性和凝結(jié)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”一文。后來(lái)鮑林在一篇論文“α螺旋的發(fā)現(xiàn)”中評(píng)述道:“在多次討論之后,我和莫斯基闡述了蛋白質(zhì)變性作用的普遍理論。這個(gè)理論敘述了以一種有規(guī)則的方式折疊成的多肽鏈組成的蛋白質(zhì),具有由弱相互作用,特別是氫鍵構(gòu)成所確定的并使其穩(wěn)定的類型?！痹跀⑹隽诉@個(gè)理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)后,在文章第2部分一開始,他們就寫道;“我們對(duì)一個(gè)自然蛋白質(zhì)分子(表現(xiàn)出一定的特性)的認(rèn)識(shí)如下。這個(gè)分子由一條連續(xù)的多肽鏈組成(或者在某些情況下,包含兩條或更多的多肽鏈);這一多肽鏈被折疊為氫鍵鍵合的唯一的結(jié)構(gòu)。氫鍵是連接在主鏈上氨基NH的氮原子與羰基CO的氧原子之間?！苯又?鮑林用氫鍵概念解釋了阿斯特佰里的角蛋白模型。他說(shuō):“從阿斯特佰里和他的合作者的X射線研究中,在多數(shù)的自然蛋白質(zhì)中,阿斯特佰里討論的伸長(zhǎng)或縮短的多肽鏈,通過(guò)氫鍵使相鄰鏈之間的肽氮和氧原子保持在一起,形成一個(gè)層;然后幾個(gè)層重疊形成完整的分子,在兩個(gè)層(除了從一層到另一層多肽鏈的延續(xù)以外)之間的鍵是邊鏈的氨基(NH2)和羧基(COOH)之間的氫鍵。一般來(lái)說(shuō)不是所有邊鏈基都用于形成分子內(nèi)的鍵,一些基在分子表面上是自由的?！痹趶?qiáng)調(diào)了氫鍵在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的重要性后,他們敘述了氫鍵最顯著的性質(zhì)。他們寫道:“氫鍵是由氫原子和它鍵接到的兩個(gè)電負(fù)性原子一起組成,這個(gè)氫原子處在兩個(gè)鍵合原子之間。這個(gè)鍵基本上是靜電性的。這些鍵合原子比非鍵合更緊密地靠在一起。這個(gè)氫鍵(N—H…O)的長(zhǎng)度大約是2.8?。強(qiáng)氫鍵的能量為5000～8000cal/mol。較低值對(duì)于蛋白質(zhì)中N—H…O鍵是近似正確的。我們認(rèn)為在蛋白質(zhì)中的邊鏈鍵通常包含了一個(gè)氨基和一個(gè)羧基,氮原子與兩個(gè)氧原子中的每一個(gè)形成了氫鍵,還保留了一個(gè)非共用的氫原子。在酸性溶液中氫鍵可能在兩個(gè)羧基之間形成,像在甲酸的雙分子中一樣?！?碳氧鍵是雙鍵?1937年夏初,鮑林試圖確定α角蛋白的結(jié)構(gòu)。他的計(jì)劃是利用他的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)多肽鏈的尺寸和其它性質(zhì),然后檢驗(yàn)這個(gè)鏈的可能的構(gòu)型。找到一個(gè)與X射線衍射數(shù)據(jù)一致的構(gòu)型。由于在理論上和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)取得很大的進(jìn)展,鮑林感到他能夠可靠地預(yù)測(cè)肽基的尺寸。肽基是構(gòu)成肽鏈的一個(gè)肽單位,如圖8所示。肽單位中羰基CO的碳原子與氨基NH的氮原子所成的鍵,這個(gè)鍵的長(zhǎng)度為1.32?,介于單鍵C—N(1.49?)和雙鍵C=N(1.27?)之間。鮑林認(rèn)為這與分子共振有關(guān)。共振原理認(rèn)為,如果一個(gè)分子可以用兩種同樣可接受(即具有相同能量)的方式描述的話,那么,這個(gè)分子就必須視為同時(shí)存在于這兩種狀態(tài)之中。鮑林在“α螺旋的發(fā)現(xiàn)”一文中,按照這個(gè)原理,指出可以用兩個(gè)構(gòu)型描述肽基。在一個(gè)構(gòu)型中碳氮主鍵是單鍵,碳氧鍵是雙鍵;而在另一個(gè)構(gòu)型中,碳氮主鍵是雙鍵,碳氧鍵是單鍵。這個(gè)事實(shí)被解釋為碳氮主鍵是具有一定量雙鍵特征的的共價(jià)單鍵。由于這個(gè)共價(jià)C—N鍵具有雙鍵特征,C,N這兩個(gè)原子和4個(gè)鄰近的原子Cα,O,H,Cα都應(yīng)該處在同一個(gè)平面上。這個(gè)平面的性質(zhì)具有雙鍵分子化合物的特征。在這個(gè)構(gòu)型中,鮑林獲得這個(gè)結(jié)論,在這個(gè)分子中的肽基必定具有完全確定的剛性結(jié)構(gòu),其中主鏈上的Cα—C鍵和N—Cα鍵的長(zhǎng)度分別為1.54?和1.47?,都是單鍵。因此,在剛性的肽平面兩側(cè)的這些鍵倒是具有充分轉(zhuǎn)動(dòng)的自由,表明主鏈具有圍繞這兩個(gè)單鍵轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。因此,在共振理論的基礎(chǔ)上,這個(gè)結(jié)論是肽基應(yīng)該是一個(gè)平面,從而極大地限制了多肽鏈可能存在的結(jié)構(gòu)。肽基具有共面性這一認(rèn)識(shí),加上對(duì)氨基酸大小的基本概念和對(duì)氫鍵重要性的認(rèn)識(shí),就構(gòu)成了鮑林研究的起點(diǎn)。1937年夏天,鮑林嘗試了一種又一種多肽鏈的折疊方式,以符合阿斯特佰里的X射線數(shù)據(jù),并包含盡可能多的氫鍵。但是不管他怎樣排列,都無(wú)法滿足X射線數(shù)據(jù),仍然找不到沿著纖維軸給出5.1?間距的多肽鏈的一種折疊方式。在對(duì)這個(gè)問(wèn)題研究了幾星期后,他停下來(lái)并得出結(jié)論,或許有一些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)化學(xué)的特征尚待發(fā)現(xiàn)。這個(gè)想法導(dǎo)致了大量的實(shí)驗(yàn)研究。在洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所工作的X射線晶體學(xué)家科里(R.B.Corey),從事蛋白質(zhì)研究多年,他對(duì)于確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)很感興趣,正當(dāng)鮑林急需這方面的人才時(shí),科里作為特別研究員來(lái)到鮑林所在的加州理工學(xué)院工作。鮑林告訴科里他在找出α角質(zhì)多肽鏈的折疊方式時(shí)的失敗和結(jié)論以及他可能忽略的一些結(jié)構(gòu)特征。他已經(jīng)假設(shè)這個(gè)多肽鏈應(yīng)該以這樣一種方式折疊,以便允許NH與鄰近的肽基內(nèi)碳基的氧原子形成氫鍵,N—H…O距離為2.90?,像在化合物而不是氨基酸的結(jié)構(gòu)測(cè)量中所表示的那樣。那時(shí)沒(méi)有任何有助于氨基酸或肽的正確的結(jié)構(gòu)測(cè)定。X射線晶體學(xué)的狀態(tài)是,為了做出這種結(jié)構(gòu)測(cè)定即使對(duì)于像甘氨酸這樣簡(jiǎn)單的化合物也至少需要做一年的工作,而且在其他研究所的做這項(xiàng)工作的幾位研究員的努力已經(jīng)失敗。因而鮑林向科里建議,他與研究生一起主攻測(cè)定一些簡(jiǎn)單氨基酸晶體和簡(jiǎn)單肽的問(wèn)題?？评锿?而且在不到一年的時(shí)間內(nèi),他和兩位研究生已經(jīng)成功地、完全令人滿意地測(cè)定了甘氨酸、丙氨酸和二肽的結(jié)構(gòu)。在以后幾年中,這項(xiàng)工作有效地進(jìn)行著,涉及到加州理工學(xué)院化學(xué)系的許多研究生和博士后研究人員。然而,由于二次世界大戰(zhàn),他們終止了大量的實(shí)驗(yàn)工作。5個(gè)最關(guān)鍵的氨基酸的“螺旋的發(fā)現(xiàn)”1948年初,鮑林應(yīng)邀赴英國(guó)牛津大學(xué)擔(dān)任為期6個(gè)月的伊斯曼(G.Eastman)講座的教授。當(dāng)鮑林來(lái)到英國(guó)的時(shí)候,布拉格領(lǐng)導(dǎo)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室已成為世界上最先進(jìn)的X射線晶體學(xué)研究中心。佩魯茲和肯德魯對(duì)血紅蛋白結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析,已取得了一批重要的成果,揭示了血紅蛋白分子的大致結(jié)構(gòu)。鮑林曾經(jīng)以為蛋白質(zhì)分子太大,它們的X射線衍射圖過(guò)于復(fù)雜,因此在可預(yù)見的將來(lái),分析完整蛋白質(zhì)分子的X射線圖的方法不可能奏效。但是在與英國(guó)科學(xué)家交談之后,鮑林意識(shí)到,英國(guó)人正接近于攻克某些蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,這使他感到很大的壓力。在這樣的情況下,鮑林又一次考慮解決角蛋白鏈的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這時(shí)科里和其他工作者回到加州理工學(xué)院,以高可靠性和精確性的X射線衍射已經(jīng)確定了12個(gè)氨基酸和簡(jiǎn)單肽的結(jié)構(gòu)。每個(gè)結(jié)構(gòu)都符合他在1937年已經(jīng)計(jì)算出的鍵長(zhǎng)和鍵角的大小以及肽基的平面性。在許多晶體中存在的這個(gè)N—H…O氫鍵都是接近于2.90?長(zhǎng)度。1948年2月鮑林應(yīng)邀到皇家科學(xué)院作一次講座。報(bào)告后一個(gè)多星期,他患了感冒,只得臥床休息,在住院期間他思考了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。后來(lái)在鮑林1982年的口述錄音帶上(后由他的助理抄錄后,在鮑林逝世后,于1996年2月發(fā)表在《化學(xué)報(bào)導(dǎo)》的論文“α螺旋的發(fā)現(xiàn)”中),敘述了這一發(fā)現(xiàn)的過(guò)程:“當(dāng)我臥床休息時(shí),我有了一個(gè)著手解決這個(gè)問(wèn)題的新想法?；厮莸?937年,這一事實(shí)給我留下深刻的印象,在多肽鏈上任何位置處20個(gè)不同種類的氨基酸中的任何一個(gè)都有可能出現(xiàn),我沒(méi)有關(guān)于折疊它們幾乎可能是等效的想法。因此我心里想,假設(shè)所有氨基酸殘基對(duì)于多肽鏈的折疊在結(jié)構(gòu)上是等價(jià)的,將會(huì)有甚么結(jié)果?我想起一個(gè)理論,這是25年前在加州理工學(xué)院,我聽H.Bateman教授的數(shù)學(xué)課時(shí),講到的一個(gè)理論。這個(gè)理論敘述如下,把一個(gè)不對(duì)稱的物體轉(zhuǎn)變成一個(gè)不對(duì)稱的物體(例如一個(gè)L-氨基酸轉(zhuǎn)變成相同L-氨基酸的另一個(gè)分子)是個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平移,也就是繞著一條軸轉(zhuǎn)動(dòng)并結(jié)合著沿著這軸的平移,重復(fù)這個(gè)操作產(chǎn)生了一個(gè)螺旋。于是這個(gè)問(wèn)題成為了獲得這種多肽鏈的問(wèn)題,繞著鍵接到α碳原子的兩條單鍵轉(zhuǎn)動(dòng),從一個(gè)肽基到下一個(gè)肽基具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)量等等,保持了肽基平面且具有正常的尺寸,找到了一種結(jié)構(gòu),在此結(jié)構(gòu)中每個(gè)氨基與碳基形成了2.90?的氫鍵。我要我的夫人給我?guī)б恢сU筆、一張紙和一把尺子來(lái)。通過(guò)在一張紙上畫多肽鏈的草圖并沿著平行線折疊它,我成功地找到滿足這個(gè)假設(shè)的兩種螺旋結(jié)構(gòu),其中之一是每轉(zhuǎn)具有3.6個(gè)殘基的α螺旋結(jié)構(gòu)。另一個(gè)是γ螺旋……”“我讓我的夫人把我的計(jì)算尺帶來(lái),以便于我能計(jì)算出沿著纖維軸的重復(fù)間距。這個(gè)結(jié)構(gòu)直到在5轉(zhuǎn)內(nèi)18個(gè)殘基后才重復(fù),計(jì)算的重復(fù)間距是27.0?,對(duì)應(yīng)于每轉(zhuǎn)5.4?。這個(gè)值是與實(shí)驗(yàn)值不一致的,由X射線衍射圖上子午線弧給出的值是5.1?。我試圖找到調(diào)整鍵長(zhǎng)或鍵角的一些方式,以便把計(jì)算間距從5.4?減少到5.1?,但是我沒(méi)有可能做到?！薄拔沂沁@樣的喜歡α螺旋,我確實(shí)感到它是折疊多肽鏈的一種可接受的方式,當(dāng)它最后變成在實(shí)驗(yàn)上可以確定它的時(shí)候,在一些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中它必定會(huì)出現(xiàn)。然而,與實(shí)驗(yàn)值5.10?的不一致使我很不安,我決定在我理解這個(gè)不一致的理由之后,我才發(fā)表α螺旋的說(shuō)明。我應(yīng)邀在劍橋大學(xué)作了三次關(guān)于分子結(jié)構(gòu)和生物特異性的講座,我在那里時(shí),我與佩魯茲談到關(guān)于他正在研究的血紅蛋白晶體實(shí)驗(yàn)電子密度分布函數(shù)。我想在他的圖形中我能夠看到α螺旋存在的證據(jù),但是5.1?的值給我那么多的煩惱,我沒(méi)有對(duì)他說(shuō)有關(guān)α螺旋的任何東西?！?兩種氫鍵螺旋質(zhì)構(gòu)模型的提出和討論1948年秋天,鮑林回到加州理工學(xué)院,他與科里和作為訪問(wèn)教授的布蘭森(H.R.Branson)博士談到α螺旋。他請(qǐng)布蘭森博士仔細(xì)檢查他的計(jì)算,特別是看一看他是否能夠找到任何第三種螺旋結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)計(jì)算后,布蘭森告訴他這個(gè)計(jì)算是完全正確的,他不能找到第三種結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)兩年的理論分析和實(shí)驗(yàn)工作,終于在1950年10月16日,鮑林和科里給《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊》寫了一篇研究快訊,題目為“多肽鏈的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型”,發(fā)表于1950年11月。這篇短文一開始,首先敘述了他們預(yù)測(cè)多肽鏈構(gòu)型的方式。在過(guò)去的15年期間,他們已經(jīng)著手解決蛋白質(zhì)問(wèn)題,首先是完全的、精確的確定氨基酸,肽和與蛋白質(zhì)相關(guān)的其他簡(jiǎn)單物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu),以便獲得原子間的距離、鍵角和其他構(gòu)型參數(shù),從而允許對(duì)多肽鏈的合理構(gòu)型作出精確的預(yù)測(cè)。他們現(xiàn)在已把這些信息用于構(gòu)造多肽鏈的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型。接著他們提出了兩個(gè)基本假設(shè)作為多肽鏈螺旋構(gòu)型的前提。其一是在多肽鏈中除了邊鏈R有差別外,這些殘基都是等效的。殘基的等效指的是在立體化學(xué)上對(duì)于多肽鏈的折疊,這些殘基是相同的。其二是鍵長(zhǎng)和鍵角的普適性,這個(gè)構(gòu)型的殘基具有在簡(jiǎn)單物質(zhì)中找到的原子間的距離和鍵角而且是等效的。對(duì)于氫鍵螺旋構(gòu)型,他們還提出了氫鍵鍵合的基本概念。他們指出在每個(gè)氫鍵的構(gòu)型中也包含著碳基和氨基。伸長(zhǎng)的多肽鏈的平面層是這種類型的結(jié)構(gòu),在相鄰鏈之間形成氫鍵。還指出肽基C—CO—NH—C平面近似平行于螺旋軸,而氫鍵是在每個(gè)碳基和氨基之間形成的。”最后他們宣布了發(fā)現(xiàn)的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型,但是沒(méi)有給出細(xì)節(jié)性的說(shuō)明。他們寫道:“在第一種氫鍵螺旋中每一轉(zhuǎn)大約有3.7個(gè)殘基,每個(gè)殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第三個(gè)殘基上。每個(gè)殘基沿著螺旋軸的的單位平移是1.47?。有證據(jù)強(qiáng)烈表明這種構(gòu)型在α角蛋白,收縮的肌凝蛋白和一些其他的纖維蛋白質(zhì)中,也在血紅蛋白和其他球蛋白中是存在的?！边@個(gè)α螺旋結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。第二種氫鍵螺旋即他所說(shuō)的γ螺旋結(jié)構(gòu)。在此他作了具體說(shuō)明:“在第二個(gè)氫鍵螺旋中每一轉(zhuǎn)大約有5.1個(gè)殘基,每個(gè)殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第五個(gè)殘基上。每個(gè)殘基的的單位平移是0.99?。我們相信在收縮較大的角蛋白中這個(gè)螺旋是存在的。這個(gè)角蛋白是從在纖維軸方向上大約收縮35%的α角蛋白形成的?！?951年2月,鮑林、科里和布蘭森在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表題為“蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu):多肽鏈的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型”的論文。對(duì)他們發(fā)現(xiàn)的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型作了詳細(xì)的說(shuō)明。首先他們敘述了把一條多肽鏈折疊成螺旋結(jié)構(gòu)的操作方式。他們寫道:“一條單鏈的殘基改變到第二個(gè)殘基的一般操作等效于,頭一個(gè)殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著沿著這條軸的平移。因此與我們的殘基等效性假設(shè)相協(xié)調(diào)的鏈的唯一的構(gòu)型是螺旋構(gòu)型?！苯又麄冇懻摿藲滏I螺旋構(gòu)型的個(gè)數(shù)。為了滿足氮原子與其距離等于2.72?的另一個(gè)殘基的氧原子形成氫鍵的要求,他們發(fā)現(xiàn)只有兩種可能的結(jié)構(gòu)。一個(gè)是3.7個(gè)殘基的螺旋,每個(gè)殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第三個(gè)殘基上。當(dāng)一個(gè)殘基改變到下一個(gè)殘基時(shí),相當(dāng)于這個(gè)殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)97.2°,沿著螺旋軸的平移1.47?,對(duì)于一個(gè)完整轉(zhuǎn)動(dòng)的平移是5.44?;另一個(gè)是5.1個(gè)殘基的螺旋,每個(gè)殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第五個(gè)殘基上,當(dāng)一個(gè)殘基改變到下一個(gè)殘基時(shí),相當(dāng)于這個(gè)殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)70.1°,沿著螺旋軸的平移0.99?,對(duì)于一個(gè)完整轉(zhuǎn)動(dòng)的平移是5.05?(圖10)。1951年4月至5月間鮑林和科里又在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了7篇論文,詳細(xì)描述他們發(fā)現(xiàn)的各種蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)。佩魯茲在看了這些論文后就對(duì)他們提出的α螺旋構(gòu)型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。α螺旋的每一轉(zhuǎn)有3.7個(gè)殘基,每個(gè)殘基沿著螺旋軸的間距是1.5?。佩魯茲用馬鬃和豪豬刺進(jìn)行了X射線衍射實(shí)驗(yàn),拍攝了馬鬃和豪豬刺的X射線纖維照片。在照片子午線上的遠(yuǎn)端,看到一個(gè)模糊的斑點(diǎn),這一反射現(xiàn)象表明存在1.5?的縱向間距。他后來(lái)又對(duì)人造多肽和血紅蛋白作了同樣的測(cè)定。他甚至還在若干年前拍攝的蛋白質(zhì)X光照片的遠(yuǎn)端邊緣發(fā)現(xiàn)了這種斑點(diǎn),然而他們以前并沒(méi)有對(duì)此加以注意。在證實(shí)了這些研究成果后,他在給鮑林的信中寫道:“這一預(yù)測(cè)得到證實(shí),并在血紅蛋白的試驗(yàn)中最早找到了有關(guān)的反射跡象,這是我畢生最令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)?！彪S后,他發(fā)表了證實(shí)這些結(jié)果的具體資料,其結(jié)論是:“發(fā)生反射的間距是對(duì)其他各種模型的否定,但鮑林、科里和布蘭森關(guān)于3.7個(gè)殘基螺旋的理論是完全吻合的?！迸弭斊澾€引用了他們得到的其他數(shù)據(jù),他寫道:“再也沒(méi)有必要懷疑他們的結(jié)構(gòu)是否正確了?！辈祭穹Q鮑林關(guān)于α螺旋的論文“開辟了廣闊的前景”,認(rèn)為“這是在認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的過(guò)程中非常真實(shí)而又至關(guān)重要的進(jìn)展?！?材料的探索:x-射線衍射從20世紀(jì)30年代開始,全球建立了三個(gè)蛋白質(zhì)研究的中心。第一個(gè)中心是由布拉格領(lǐng)導(dǎo)的歷史悠久的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室,擁有一大批杰出的晶體學(xué)家和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,是世界上最先進(jìn)的X射線晶體學(xué)研究中心。在對(duì)胰島素、血紅蛋白結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析上,取得了一批重要的成果。第二個(gè)中心是阿斯特佰里領(lǐng)導(dǎo)的利茲大學(xué)紡織物理實(shí)驗(yàn)室。始建于20年代末,最早拍攝了角蛋白的X射線照片,并建立了角蛋白的模型。第三個(gè)中心是鮑林領(lǐng)導(dǎo)的加州理工學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。起動(dòng)最晚,始建于30年代中葉。相比之下,鮑林在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的X射線衍射研究上是個(gè)新手,但是揭開蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密為什么首先由他實(shí)現(xiàn)了呢?前兩個(gè)中心的領(lǐng)導(dǎo)者都認(rèn)為只有通過(guò)直接的X射線衍射分析才能揭開整個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎,而鮑林尋求以理論的形式,在對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上尋找一條捷徑。鮑林認(rèn)為僅靠X射線衍射不足以用來(lái)解決蛋白質(zhì)中多肽鏈的結(jié)構(gòu),因?yàn)槊恳桓溨邪先f(wàn)個(gè)原子,無(wú)一例外地異