生化小课 | 氨基酸序列影响α螺旋的稳定性

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氨基酸序列影响α螺旋的稳定性

并非所有多肽都能形成稳定的α螺旋。多肽中的每个氨基酸残基都有形成α螺旋的内在倾向，这反映了R基团的性质以及它们如何影响相邻主链原子占据特征φ和ψ角的能力。在大多数实验模型体系中，丙氨酸表现出最大的形成α螺旋的倾向。

氨基酸残基相对于其邻近的位置也很重要。氨基酸侧链之间的相互作用可以稳定或破坏α-螺旋结构。例如，如果一条多肽链有一个长的Glu残基块，那么在pH 7.0时，这段多肽链就不会形成 α 螺旋结构。相邻Glu残基带负电的羧基相互排斥，从而阻止了α螺旋的形成。出于同样的原因，如果有许多相邻的Lys和/或Arg残基，在pH 7.0时带有正电荷的 R 基团，它们也会相互排斥并阻止α螺旋的形成。如果Asn、Ser、Thr和Cys残基在链中紧密相连，它们的大小和形状也会使α螺旋不稳定。

α螺旋的扭曲确保了氨基酸侧链和侧链两侧三个（有时四个）残基之间发生关键的相互作用。当α螺旋被描绘成螺旋轮时，这一点就很清楚了（图4-3d）。带正电荷的氨基酸通常与带负电荷的氨基酸相距三个残基，从而形成离子对。两个芳香族氨基酸残基通常间隔相似，通过疏水作用稳定并置。

α螺旋形成的一个制约因素是存在Pro或Gly残基，它们形成α螺旋的可能性最小。在脯氨酸中，氮原子是刚性环的一部分（见图4-7），围绕N-Cα键的旋转是不可能的。因此，Pro残基在α螺旋中引入了不稳定的扭结。此外，肽链中Pro残基的氮原子没有取代基氢参与与其他残基的氢键。由于这些原因，脯氨酸在α螺旋中很少被发现。甘氨酸很少出现在α螺旋中，原因不同：它比其他氨基酸残基具有更大的构象灵活性。甘氨酸的聚合物倾向于采用与α螺旋截然不同的螺旋结构。

影响α螺旋稳定性的最后一个因素是多肽α-螺旋段末端附近氨基酸残基的同一性。每个肽键中都存在一个小的电偶极子（图4-2a）。这些偶极子通过螺旋的氢键排列，导致沿着螺旋轴的净偶极子随着螺旋长度的增加而增加（图4-4）。螺旋偶极子的部分正电荷和负电荷分别位于氨基末端和羧基末端附近的肽氨基和羰基上。因此，带负电荷的氨基酸通常在螺旋段的氨基末端附近发现，在那里它们与螺旋偶极子的正电荷具有稳定的相互作用；氨基末端带正电荷的氨基酸是不稳定的。在螺旋段的羧基末端，情况正好相反。

总之，影响α螺旋稳定性的制约因素有五种:（1）氨基酸残基形成α螺旋的内在倾向；（2） R基团之间的相互作用，特别是那些间隔开三个（或四个）残基的基团；（3） 相邻R基团的体积；（4） Pro和Gly残基的出现；以及（5）螺旋段末端的氨基酸残基与α螺旋固有的电偶极子之间的相互作用。因此，多肽链的某一特定片段形成α螺旋的趋势取决于该片段内氨基酸残基的身份和序列。

Principles of Biochemistry

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