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)是由兩次諾貝爾獎獲得者美國化學(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)組成知識和X射線研究的實驗基礎(chǔ)上,尋求以理論的形式,在對結(jié)構(gòu)化學(xué)深刻認識的基礎(chǔ)上,認識到在蛋白質(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,經(jīng)過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年的時候,人們一致認為,純化后的蛋白質(zhì)在酸或堿作用下,會水解產(chǎn)生大約20種氨基酸。氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位。氨基酸由一個氨基(NH2),一個羧基(COOH),一個氫原子(H)和一個被稱為α碳的碳原子(Cα)相連的獨特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年德國的有機化學(xué)家埃米爾·費舍爾(EmilFischer,1852—1919年)提出了肽鍵理論,即蛋白質(zhì)分子是通過肽鍵(—CO—NH—)把氨基酸聯(lián)接起來而形成的。肽鍵則由一個氨基酸的羧基與另一氨基酸的氨基縮去一個水分子后生成的,如圖2所示。以這種方式結(jié)合的氨基酸鏈叫做多肽。由于肽鍵是共價的,所以是相對穩(wěn)定的。通常在活細胞中肽鍵很少斷裂。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,尋找合適的切入點,以便用自己擅長的化學(xué)知識來提供深刻的見解。他覺得費舍爾的理論很合理,他開始用這個理論去認識蛋白質(zhì),將其視作由肽鍵聯(lián)結(jié)的氨基酸所構(gòu)成的長鏈。但是如何用這一長鏈的構(gòu)造來解釋蛋白質(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20年代末的英國利茲(Leeds)大學(xué)紡織物理實驗室。1928年10月,英國物理學(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)主持該實驗室的工作。在他來到利茲大學(xué)時,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)過兩年的實驗研究,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)會哲學(xué)學(xué)報上發(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)分為未伸長的α形式和伸長的β形式。未伸長的形式是在通常的實驗室溫度和濕度條件下獲得的,而伸長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。實際上,在子午線上顯著的反射是間距為5.15?的很強的弧,他們把這個弧上的中心點命名為(020)。如果我們設(shè)赤道線為X軸,子午線為Y軸,則衍射圖中的(020)點表示在衍射空間中坐標為X=0,Y=2,Z=0的一個干涉加強點,它來源于晶體中間距為5.15?的一組平面點陣族(020)的衍射。它是密切地與這個很強的反射(120)的一個邊相連接,這兩個反射都位于衍射圖的第2層線上。在赤道上有靠近中心點的強烈反射(100),這個反射的平均間距大約是27?。在赤道上另一個突出的強烈反射是(001),相應(yīng)的間距為9.8?。上面敘述的這個反射可能涉及到正交的三維晶胞,其平移向量的長度分別為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”。在赤道上兩個強反射(001)和(200),分別對應(yīng)于在垂直于纖維軸的平面內(nèi)兩個彼此垂直的間距為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度3.32?。表1左邊列出了α角蛋白觀察到的高強度條紋間距的數(shù)據(jù),右邊是β角蛋白間距的數(shù)據(jù)。阿斯特佰里通過對毛發(fā)彈性的實驗檢驗,觀察到在沒有出現(xiàn)斷裂時具有彈性鏈性質(zhì)的整條纖維的長度幾乎恰好是原來的兩倍。這個觀察給予他強烈的啟示,這個毛發(fā)充分的α-β變換伴隨有近似100%的角蛋白合成物的伸長,這說明在α和β射線照片的各個尺寸和特征之間必定存在著一些聯(lián)系。他假設(shè)這兩個強的子午線反射,5.15?和3.32?表示了這個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)的長度是5.15?,這一長度恰好與與帶有“橋原子”的葡萄糖殘基的長度相當(dāng),如圖4所示。葡萄糖是由5個碳原子和一個氧原子構(gòu)成的六邊形環(huán)。這個作為連接下一個六邊形環(huán)的“橋”的原子是一個氧原子。按照這個類比,阿斯特佰里提出未伸長纖維角蛋白的基礎(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)時認為在未伸長纖維角蛋白中的六邊形環(huán)是二酮六氫吡井環(huán)(圖5)。但是這個環(huán)相對于纖維軸5.15?的重復(fù)長度太短,為了滿足這個縱向周期的要求,在環(huán)與環(huán)之間要有作為橋的原子團,NH,CHR和CO的存在,如圖6(a)所示。為了滿足伸長的纖維角蛋白具有3.32?間距的強烈的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。他的測量還表明,折疊發(fā)生在兩個方向上,而不是三個方向上——就像在桌面上將α型多肽環(huán)折疊成鋸齒形狀。在這個意義上,β型多肽鏈是由兩個端與端相接的兩個相同的部分組成。在這個連接中可以認為通常的多肽鏈是由長度大約等于3.5?的相同的部分組成。這是一項重大的進步,對蛋白質(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:一條充分伸長的多肽鏈的特點在于兩個主要的邊間距近似彼此垂直,一個大約4.5?是由于這條鏈的脊骨的有效厚度而引起,另一個大約10?來自于氨基酸殘基突出的邊鏈的平均的橫向伸長。于是這兩個間距好像表示相鄰的蛋白質(zhì)鏈連接的兩個主要的樣式。伸長的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。這個三維結(jié)構(gòu)是個像梯子結(jié)構(gòu)的“角蛋白格柵”,如圖7(a)所示?，F(xiàn)在給出了這個β形式的結(jié)構(gòu),問題是如何使得這個梯子折疊成能夠適用于α形式的結(jié)構(gòu)。通過折疊,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。這是一項重大的進步,對蛋白質(zhì)的特性作出了分子上的解釋。鮑林對阿斯特佰里的工作進行了仔細的研究。他認為,阿斯特佰里和他的合作者對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)問題。1937年5月阿斯特佰里在訪問加州理工學(xué)院時,同鮑林進行了探討,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)是一條長鏈這點上意見一致,然而對深層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了分歧。鮑林說:“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是錯誤的……因為我們通過簡單分子的研究獲得的鍵長、鍵角和氫鍵結(jié)構(gòu)的知識足以讓我們推翻他的觀點。但是當(dāng)時我還沒有正確的答案?！眱扇嗽谘芯糠椒ㄉ弦膊幌嗤?。阿斯特佰里試圖直接通過復(fù)雜的X射線衍射分析來解決蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)問題。鮑林則尋求以理論的形式,在對結(jié)構(gòu)化學(xué)的深刻認識的基礎(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)是處于兩個電負性較強的原子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之間是共價鍵(用實線—表示)。分子X—H具有較強的電偶極性,它與電負性較強的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)和生理過程中起著重要的作用。在他看來,生物大分子與無機分子的化學(xué)反應(yīng)不同。在無機分子中原子的個性影響著化學(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:“我相信物質(zhì)的特殊的生理性質(zhì)不是由這些強的分子力決定的,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)。就是說強肽鍵使整個鏈成為一個整體,但是各部分之間較弱的氫鍵折疊之后使整個鏈成為其最終的形狀,這最終的形狀對蛋白質(zhì)的功能是至關(guān)重要的。”1935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。莫斯基獲得的實驗數(shù)據(jù)表明,變性過程可以分為兩個層次。第一個層次由相對較弱的熱量和酸引起,往往是可逆的。第二個層次,由較高的溫度,較強烈的化學(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,第一類涉及到相對較弱的化學(xué)鍵,很容易打破或重建;第二類涉及到較強的化學(xué)鍵,難以打破,也難以重建。鮑林對打破第二類較強的化學(xué)鍵進行了測定,數(shù)據(jù)表明這一類化學(xué)鍵為共價鍵。鮑林對較弱的化學(xué)鍵的研究更富有成果。他很快意識到,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《國家科學(xué)院學(xué)報》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。后來鮑林在一篇論文“α螺旋的發(fā)現(xiàn)”中評述道:“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。”在敘述了這個理論的實驗基礎(chǔ)后,在文章第2部分一開始,他們就寫道;“我們對一個自然蛋白質(zhì)分子(表現(xiàn)出一定的特性)的認識如下。這個分子由一條連續(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:“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或縮短的多肽鏈,通過氫鍵使相鄰鏈之間的肽氮和氧原子保持在一起,形成一個層;然后幾個層重疊形成完整的分子,在兩個層(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。一般來說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?！痹趶娬{(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電負性原子一起組成,這個氫原子處在兩個鍵合原子之間。這個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。這個氫鍵(N—H…O)的長度大約是2.8?。強氫鍵的能量為5000～8000cal/mol。較低值對于蛋白質(zhì)中N—H…O鍵是近似正確的。我們認為在蛋白質(zhì)中的邊鏈鍵通常包含了一個氨基和一個羧基,氮原子與兩個氧原子中的每一個形成了氫鍵,還保留了一個非共用的氫原子。在酸性溶液中氫鍵可能在兩個羧基之間形成,像在甲酸的雙分子中一樣。”4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)。他的計劃是利用他的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識來預(yù)測多肽鏈的尺寸和其它性質(zhì),然后檢驗這個鏈的可能的構(gòu)型。找到一個與X射線衍射數(shù)據(jù)一致的構(gòu)型。由于在理論上和實驗上已經(jīng)取得很大的進展,鮑林感到他能夠可靠地預(yù)測肽基的尺寸。肽基是構(gòu)成肽鏈的一個肽單位,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,這個鍵的長度為1.32?,介于單鍵C—N(1.49?)和雙鍵C=N(1.27?)之間。鮑林認為這與分子共振有關(guān)。共振原理認為,如果一個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,這個分子就必須視為同時存在于這兩種狀態(tài)之中。鮑林在“α螺旋的發(fā)現(xiàn)”一文中,按照這個原理,指出可以用兩個構(gòu)型描述肽基。在一個構(gòu)型中碳氮主鍵是單鍵,碳氧鍵是雙鍵;而在另一個構(gòu)型中,碳氮主鍵是雙鍵,碳氧鍵是單鍵。這個事實被解釋為碳氮主鍵是具有一定量雙鍵特征的的共價單鍵。由于這個共價C—N鍵具有雙鍵特征,C,N這兩個原子和4個鄰近的原子Cα,O,H,Cα都應(yīng)該處在同一個平面上。這個平面的性質(zhì)具有雙鍵分子化合物的特征。在這個構(gòu)型中,鮑林獲得這個結(jié)論,在這個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)動的自由,表明主鏈具有圍繞這兩個單鍵轉(zhuǎn)動的兩個自由度。因此,在共振理論的基礎(chǔ)上,這個結(jié)論是肽基應(yīng)該是一個平面,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識,加上對氨基酸大小的基本概念和對氫鍵重要性的認識,就構(gòu)成了鮑林研究的起點。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。在對這個問題研究了幾星期后,他停下來并得出結(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)。這個想法導(dǎo)致了大量的實驗研究。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,科里作為特別研究員來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)測量中所表示的那樣。那時沒有任何有助于氨基酸或肽的正確的結(jié)構(gòu)測定。X射線晶體學(xué)的狀態(tài)是,為了做出這種結(jié)構(gòu)測定即使對于像甘氨酸這樣簡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定一些簡單氨基酸晶體和簡單肽的問題?？评锿?而且在不到一年的時間內(nèi),他和兩位研究生已經(jīng)成功地、完全令人滿意地測定了甘氨酸、丙氨酸和二肽的結(jié)構(gòu)。在以后幾年中,這項工作有效地進行著,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驗工作。5個最關(guān)鍵的氨基酸的“螺旋的發(fā)現(xiàn)”1948年初,鮑林應(yīng)邀赴英國牛津大學(xué)擔(dān)任為期6個月的伊斯曼(G.Eastman)講座的教授。當(dāng)鮑林來到英國的時候,布拉格領(lǐng)導(dǎo)的卡文迪什實驗室已成為世界上最先進的X射線晶體學(xué)研究中心。佩魯茲和肯德魯對血紅蛋白結(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射線衍射圖過于復(fù)雜,因此在可預(yù)見的將來,分析完整蛋白質(zhì)分子的X射線圖的方法不可能奏效。但是在與英國科學(xué)家交談之后,鮑林意識到,英國人正接近于攻克某些蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)問題,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)問題。這時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個氨基酸和簡單肽的結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)都符合他在1937年已經(jīng)計算出的鍵長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N—H…O氫鍵都是接近于2.90?長度。1948年2月鮑林應(yīng)邀到皇家科學(xué)院作一次講座。報告后一個多星期,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)問題。后來在鮑林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)的過程:“當(dāng)我臥床休息時,我有了一個著手解決這個問題的新想法。回溯到1937年,這一事實給我留下深刻的印象,在多肽鏈上任何位置處20個不同種類的氨基酸中的任何一個都有可能出現(xiàn),我沒有關(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)所有氨基酸殘基對于多肽鏈的折疊在結(jié)構(gòu)上是等價的,將會有甚么結(jié)果?我想起一個理論,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,講到的一個理論。這個理論敘述如下,把一個不對稱的物體轉(zhuǎn)變成一個不對稱的物體(例如一個L-氨基酸轉(zhuǎn)變成相同L-氨基酸的另一個分子)是個轉(zhuǎn)動平移,也就是繞著一條軸轉(zhuǎn)動并結(jié)合著沿著這軸的平移,重復(fù)這個操作產(chǎn)生了一個螺旋。于是這個問題成為了獲得這種多肽鏈的問題,繞著鍵接到α碳原子的兩條單鍵轉(zhuǎn)動,從一個肽基到下一個肽基具有相同的轉(zhuǎn)動量等等,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。通過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個殘基的α螺旋結(jié)構(gòu)。另一個是γ螺旋……”“我讓我的夫人把我的計算尺帶來,以便于我能計算出沿著纖維軸的重復(fù)間距。這個結(jié)構(gòu)直到在5轉(zhuǎn)內(nèi)18個殘基后才重復(fù),計算的重復(fù)間距是27.0?,對應(yīng)于每轉(zhuǎn)5.4?。這個值是與實驗值不一致的,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)整鍵長或鍵角的一些方式,以便把計算間距從5.4?減少到5.1?,但是我沒有可能做到?！薄拔沂沁@樣的喜歡α螺旋,我確實感到它是折疊多肽鏈的一種可接受的方式,當(dāng)它最后變成在實驗上可以確定它的時候,在一些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中它必定會出現(xiàn)。然而,與實驗值5.10?的不一致使我很不安,我決定在我理解這個不一致的理由之后,我才發(fā)表α螺旋的說明。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,我與佩魯茲談到關(guān)于他正在研究的血紅蛋白晶體實驗電子密度分布函數(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,我沒有對他說有關(guān)α螺旋的任何東西。”6兩種氫鍵螺旋質(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教授的布蘭森(H.R.Branson)博士談到α螺旋。他請布蘭森博士仔細檢查他的計算,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)過計算后,布蘭森告訴他這個計算是完全正確的,他不能找到第三種結(jié)構(gòu)。經(jīng)過兩年的理論分析和實驗工作,終于在1950年10月16日,鮑林和科里給《美國化學(xué)學(xué)會會刊》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)測多肽鏈構(gòu)型的方式。在過去的15年期間,他們已經(jīng)著手解決蛋白質(zhì)問題,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),從而允許對多肽鏈的合理構(gòu)型作出精確的預(yù)測。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)上對于多肽鏈的折疊,這些殘基是相同的。其二是鍵長和鍵角的普適性,這個構(gòu)型的殘基具有在簡單物質(zhì)中找到的原子間的距離和鍵角而且是等效的。對于氫鍵螺旋構(gòu)型,他們還提出了氫鍵鍵合的基本概念。他們指出在每個氫鍵的構(gòu)型中也包含著碳基和氨基。伸長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,但是沒有給出細節(jié)性的說明。他們寫道:“在第一種氫鍵螺旋中每一轉(zhuǎn)大約有3.7個殘基,每個殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第三個殘基上。每個殘基沿著螺旋軸的的單位平移是1.47?。有證據(jù)強烈表明這種構(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的γ螺旋結(jié)構(gòu)。在此他作了具體說明:“在第二個氫鍵螺旋中每一轉(zhuǎn)大約有5.1個殘基,每個殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第五個殘基上。每個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螺旋是存在的。這個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。對他們發(fā)現(xiàn)的兩種氫鍵螺旋構(gòu)型作了詳細的說明。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殘基的一般操作等效于,頭一個殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動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。”接著他們討論了氫鍵螺旋構(gòu)型的個數(shù)。為了滿足氮原子與其距離等于2.72?的另一個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)。一個是3.7個殘基的螺旋,每個殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第三個殘基上。當(dāng)一個殘基改變到下一個殘基時,相當(dāng)于這個殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動97.2°,沿著螺旋軸的平移1.47?,對于一個完整轉(zhuǎn)動的平移是5.44?;另一個是5.1個殘基的螺旋,每個殘基沿著鏈的方向被氫鍵鍵接到它前或后的第五個殘基上,當(dāng)一個殘基改變到下一個殘基時,相當(dāng)于這個殘基繞著螺旋軸轉(zhuǎn)動70.1°,沿著螺旋軸的平移0.99?,對于一個完整轉(zhuǎn)動的平移是5.05?(圖10)。1951年4月至5月間鮑林和科里又在《國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表了7篇論文,詳細描述他們發(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他們提出的α螺旋構(gòu)型進行實驗檢驗。α螺旋的每一轉(zhuǎn)有3.7個殘基,每個殘基沿著螺旋軸的間距是1.5?。佩魯茲用馬鬃和豪豬刺進行了X射線衍射實驗,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端,看到一個模糊的斑點,這一反射現(xiàn)象表明存在1.5?的縱向間距。他后來又對人造多肽和血紅蛋白作了同樣的測定。他甚至還在若干年前拍攝的蛋白質(zhì)X光照片的遠端邊緣發(fā)現(xiàn)了這種斑點,然而他們以前并沒有對此加以注意。在證實了這些研究成果后,他在給鮑林的信中寫道:“這一預(yù)測得到證實,并在血紅蛋白的試驗中最早找到了有關(guān)的反射跡象,這是我畢生最令人激動的發(fā)現(xiàn)?！彪S后,他發(fā)表了證實這些結(jié)果的具體資料,其結(jié)論是:“發(fā)生反射的間距是對其他各種模型的否定,但鮑林、科里和布蘭森關(guān)于3.7個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”,認為“這是在認識蛋白質(zhì)的過程中非常真實而又至關(guān)重要的進展。”7材料的探索:x-射線衍射從20世紀30年代開始,全球建立了三個蛋白質(zhì)研究的中心。第一個中心是由布拉格領(lǐng)導(dǎo)的歷史悠久的卡文迪什實驗室,擁有一大批杰出的晶體學(xué)家和先進的實驗設(shè)備,是世界上最先進的X射線晶體學(xué)研究中心。在對胰島素、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。第二個中心是阿斯特佰里領(lǐng)導(dǎo)的利茲大學(xué)紡織物理實驗室。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。第三個中心是鮑林領(lǐng)導(dǎo)的加州理工學(xué)院化學(xué)實驗室。起動最晚,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現(xiàn)了呢?前兩個中心的領(lǐng)導(dǎo)者都認為只有通過直接的X射線衍射分析才能揭開整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎,而鮑林尋求以理論的形式,在對結(jié)構(gòu)化學(xué)的深刻認識的基礎(chǔ)上尋找一條捷徑。鮑林認為僅靠X射線衍射不足以用來解決蛋白質(zhì)中多肽鏈的結(jié)構(gòu),因為每一根鏈中包含上萬個原子,無一例外地異