蛋白质分子螺旋结构的发现

蛋白质分子螺旋结构的发现

蛋白质是复杂的生物集合，具有多功能性质。这是生命系统中发现的最重要的材料。蛋白质分子不仅具有一定的组成,而且具有一定的几何结构。α螺旋结构的发现,首次揭示了蛋白质分子的几何结构,证实了蛋白质的结构与它的功能特性具有密切的联系,在分子生物学的发展中是一个重要的里程碑。蛋白质分子的α螺旋结构是由两次诺贝尔奖获得者美国化学家鲍林(LinusPauling,1901—1994年)发现的。本文将介绍鲍林是怎样在蛋白质组成知识和X射线研究的实验基础上,寻求以理论的形式,在对结构化学深刻认识的基础上,认识到在蛋白质中氢键的性质和作用,揭示了肽基的刚性平面性质,从而创造性地提出了非周期性的α螺旋结构的。从这一发现中,人们可以吸取丰富的科学方法论的教益和启迪。1通过肽键形成的氨基酸链从1850年化学家用酸和碱分解蛋白质获得亮氨酸和酪氨酸以来,经过几十年的大量尝试和失败之后,蛋白质的组成特征才被揭示。到1935年的时候,人们一致认为,纯化后的蛋白质在酸或碱作用下,会水解产生大约20种氨基酸。氨基酸是蛋白质的基本单位。氨基酸由一个氨基(NH2),一个羧基(COOH),一个氢原子(H)和一个被称为α碳的碳原子(Cα)相连的独特R基所组成(图1)。R基被称为侧链。各种氨基酸唯一的区别在于侧链不同。在中性pH下的溶液中氨基酸主要是偶极离子(或两性离子),而不是未电离离子。在氨基酸的偶极形式中,氨基被质子化(—NH+3),而羧基已离解(—COO-)。早在1902年德国的有机化学家埃米尔·费舍尔(EmilFischer,1852—1919年)提出了肽键理论,即蛋白质分子是通过肽键(—CO—NH—)把氨基酸联接起来而形成的。肽键则由一个氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基缩去一个水分子后生成的,如图2所示。以这种方式结合的氨基酸链叫做多肽。由于肽键是共价的,所以是相对稳定的。通常在活细胞中肽键很少断裂。正如图2所示,多肽链形成一条曲折的主链,从主链上伸出侧链(指R)。可以根据肽键的取向确定多肽链的方向。链末端含有自由氨基的称为氨基末端或N末端,而另一末端含有自由羧基的称为羧基末端或C末端。习惯上,蛋白质序列的书写是从N末端(左边)到C末端(右边)。1935年鲍林在确定了研究蛋白质的结构后,他广泛地阅读科学文献,寻找合适的切入点,以便用自己擅长的化学知识来提供深刻的见解。他觉得费舍尔的理论很合理,他开始用这个理论去认识蛋白质,将其视作由肽键联结的氨基酸所构成的长链。但是如何用这一长链的构造来解释蛋白质的多样性,如何解释蛋白质在肌体中令人眼花缭乱的功能呢?所有蛋白质都是由多肽链的不同排列构成的呢,还是存在别的结构?2阿斯特料里假设结构蛋白质结构的X射线研究始于19世纪20年代末的英国利兹(Leeds)大学纺织物理实验室。1928年10月,英国物理学家、曾任伦敦皇家研究所主任W.布拉格助手的阿斯特佰里(W.T.Astbury,1898—1961年)被聘任到利兹大学主持该实验室的工作。在他来到利兹大学时,该校教授Speakman向他介绍了关于羊毛纤维(即角蛋白)的研究情况,给他展示了未伸长纤维的X射线衍射图,在子午线上显示出有5.15Å的间距,表示有5.15Å的纵向周期存在,而在拉伸纤维的照片中子午线上5.15Å的间距却消失了。经过两年的实验研究,阿斯特佰里拍摄了极好的角蛋白X射线照片。有了角蛋白的两种性质不同的X射线照片的明确的证据(图3),1932年他与A.Street在伦敦皇家学会哲学学报上发表题为“毛发、羊毛和有关纤维结构的X射线研究”的论文。他们把角蛋白区分为未伸长的α形式和伸长的β形式。未伸长的形式是在通常的实验室温度和湿度条件下获得的,而伸长的形式是在把羊毛纤维加湿升温后经拉伸获得的。所有这些照片都是在X射线束垂直于平行的纤维束的装置中拍摄的。图3(a)是角蛋白的α形式。实际上,在子午线上显著的反射是间距为5.15Å的很强的弧,他们把这个弧上的中心点命名为(020)。如果我们设赤道线为X轴,子午线为Y轴,则衍射图中的(020)点表示在衍射空间中坐标为X=0,Y=2,Z=0的一个干涉加强点,它来源于晶体中间距为5.15Å的一组平面点阵族(020)的衍射。它是密切地与这个很强的反射(120)的一个边相连接,这两个反射都位于衍射图的第2层线上。在赤道上有靠近中心点的强烈反射(100),这个反射的平均间距大约是27Å。在赤道上另一个突出的强烈反射是(001),相应的间距为9.8Å。上面叙述的这个反射可能涉及到正交的三维晶胞,其平移向量的长度分别为a=2Å,b=10.3Å,c=9.8Å。图3(b)是角蛋白的β形式,选用的是阿斯特佰里在1935年采用垂直于这个方向的X射线束拍的一张更加清晰的照片,是大致都朝着同一方向(纤维轴)的微晶的“纤维照片”。在赤道上两个强反射(001)和(200),分别对应于在垂直于纤维轴的平面内两个彼此垂直的间距为9.8Å和4.65Å。子午线上的反射(020)给出了在主链方向上氨基酸残基的平均长度3.32Å。表1左边列出了α角蛋白观察到的高强度条纹间距的数据,右边是β角蛋白间距的数据。阿斯特佰里通过对毛发弹性的实验检验,观察到在没有出现断裂时具有弹性链性质的整条纤维的长度几乎恰好是原来的两倍。这个观察给予他强烈的启示,这个毛发充分的α-β变换伴随有近似100%的角蛋白合成物的伸长,这说明在α和β射线照片的各个尺寸和特征之间必定存在着一些联系。他假设这两个强的子午线反射,5.15Å和3.32Å表示了这个可逆变换的特征是由下面关系联系的:阿斯特佰里假设动物纤维具有类似于植物纤维的特征,角蛋白纤维像植物纤维一样,具有沿着纤维轴以相当简单的单位重复的性质。他注意到角蛋白纤维轴重复的长度是5.15Å,这一长度恰好与与带有“桥原子”的葡萄糖残基的长度相当,如图4所示。葡萄糖是由5个碳原子和一个氧原子构成的六边形环。这个作为连接下一个六边形环的“桥”的原子是一个氧原子。按照这个类比,阿斯特佰里提出未伸长纤维角蛋白的基础是沿着这条纤维轴由“桥原子”连接的一系列六边形环系统。当时认为在未伸长纤维角蛋白中的六边形环是二酮六氢吡井环(图5)。但是这个环相对于纤维轴5.15Å的重复长度太短,为了满足这个纵向周期的要求,在环与环之间要有作为桥的原子团,NH,CHR和CO的存在,如图6(a)所示。为了满足伸长的纤维角蛋白具有3.32Å间距的强烈的X射线反射特征,要求拉伸的分子是处在二折叠的形态如图6(b)所示。他的测量还表明,折叠发生在两个方向上,而不是三个方向上——就像在桌面上将α型多肽环折叠成锯齿形状。在这个意义上,β型多肽链是由两个端与端相接的两个相同的部分组成。在这个连接中可以认为通常的多肽链是由长度大约等于3.5Å的相同的部分组成。这是一项重大的进步,对蛋白质的特性作出了分子上的解释。阿斯特佰里从角蛋白的X射线分析研究中得出结论:一条充分伸长的多肽链的特点在于两个主要的边间距近似彼此垂直,一个大约4.5Å是由于这条链的脊骨的有效厚度而引起,另一个大约10Å来自于氨基酸残基突出的边链的平均的横向伸长。于是这两个间距好像表示相邻的蛋白质链连接的两个主要的样式。伸长的β角蛋白基本上是以平行纤维束的形式聚集在一起的。首先通过它们的边链之间的组合(边链连接),由在相邻链之间胱氨酸的二硫桥保持在一起。其次在垂直于边链的方向上,通过在相邻主链的CO和NH之间的吸引(脊骨连接)保持在一起。这个三维结构是个像梯子结构的“角蛋白格栅”,如图7(a)所示。现在给出了这个β形式的结构,问题是如何使得这个梯子折叠成能够适用于α形式的结构。通过折叠,多肽链被折叠成垂直于梯子横档的连接一系列六角形环的平面,两条相邻的多肽链被折叠成相互平行的平面,两个平面由胱氨酸的二硫桥保持在一起,像一条折叠缎带一样,如图7(b)所示。这是一项重大的进步,对蛋白质的特性作出了分子上的解释。鲍林对阿斯特佰里的工作进行了仔细的研究。他认为,阿斯特佰里和他的合作者对β角蛋白的研究已经提供了有力的证据。然而直接用X射线晶体衍射难以解决蛋白质复杂的结构问题。1937年5月阿斯特佰里在访问加州理工学院时,同鲍林进行了探讨,并给他看了角蛋白一些最新的X射线照片。两人在蛋白质是一条长链这点上意见一致,然而对深层结构产生了分歧。鲍林说:“我当然了解利兹的阿斯特佰里有关角蛋白的文章,毛发、兽角、指甲等等。但是我知道阿斯特佰里的观点是错误的……因为我们通过简单分子的研究获得的键长、键角和氢键结构的知识足以让我们推翻他的观点。但是当时我还没有正确的答案。”两人在研究方法上也不相同。阿斯特佰里试图直接通过复杂的X射线衍射分析来解决蛋白质的结构问题。鲍林则寻求以理论的形式,在对结构化学的深刻认识的基础上寻找一条捷径。3从莫斯基到全要素的结构氢键(X—H…Y)是处于两个电负性较强的原子X和Y(如F,O,N等)之间的氢原子与Y原子的结合力(用虚线…表示)。这里原子X和H之间是共价键(用实线—表示)。分子X—H具有较强的电偶极性,它与电负性较强的Y原子之间的静电吸引力构成了氢键,氢键弱于使原子结合在一起形成分子的共价键,但它大于范德瓦耳斯力。鲍林首先指出,氢键在生物化学和生理过程中起着重要的作用。在他看来,生物大分子与无机分子的化学反应不同。在无机分子中原子的个性影响着化学键的性质,而生物化学反应中只涉及氢键,通常是氮和氧原子之间的氢键(N—H…O)。原子的个性不突出了,重要的是分子的空间构型。鲍林在《现代结构化学》的文章中说:“我相信物质的特殊的生理性质不是由这些强的分子力决定的,而是由弱力——范德瓦耳斯力、氢键——在分子间起作用。”氢键的概念在他建立蛋白质的α螺旋模型的过程中起着重要的作用。1936年鲍林在一篇关于蛋白质结构的文章中写道:”这一多肽链被折叠为由氢键键合的唯一的结构。就是说强肽键使整个链成为一个整体,但是各部分之间较弱的氢键折叠之后使整个链成为其最终的形状,这最终的形状对蛋白质的功能是至关重要的。”1935年春天,鲍林和洛克菲勒医学研究所的蛋白质化学家莫斯基(A.E.Mirsky)开始了对由热或化学物质引起的蛋白质变性现象的研究。莫斯基获得的实验数据表明,变性过程可以分为两个层次。第一个层次由相对较弱的热量和酸引起,往往是可逆的。第二个层次,由较高的温度,较强烈的化学环境或是与破坏蛋白质的酶发生的反应所引起,通常是不可逆的。根据这些数据,鲍林很快地用化学键理论作出了自己的解释。两个层次的变性意味着有两种类型的化学键,第一类涉及到相对较弱的化学键,很容易打破或重建;第二类涉及到较强的化学键,难以打破,也难以重建。鲍林对打破第二类较强的化学键进行了测定,数据表明这一类化学键为共价键。鲍林对较弱的化学键的研究更富有成果。他很快意识到,打破第一类化学键所需要的能量符合氢键类型。1936年7月鲍林和莫斯基在《国家科学院学报》上发表了题为“论自然、变性和凝结的蛋白质结构”一文。后来鲍林在一篇论文“α螺旋的发现”中评述道:“在多次讨论之后,我和莫斯基阐述了蛋白质变性作用的普遍理论。这个理论叙述了以一种有规则的方式折叠成的多肽链组成的蛋白质,具有由弱相互作用,特别是氢键构成所确定的并使其稳定的类型。”在叙述了这个理论的实验基础后,在文章第2部分一开始,他们就写道;“我们对一个自然蛋白质分子(表现出一定的特性)的认识如下。这个分子由一条连续的多肽链组成(或者在某些情况下,包含两条或更多的多肽链);这一多肽链被折叠为氢键键合的唯一的结构。氢键是连接在主链上氨基NH的氮原子与羰基CO的氧原子之间。”接着,鲍林用氢键概念解释了阿斯特佰里的角蛋白模型。他说:“从阿斯特佰里和他的合作者的X射线研究中,在多数的自然蛋白质中,阿斯特佰里讨论的伸长或缩短的多肽链,通过氢键使相邻链之间的肽氮和氧原子保持在一起,形成一个层;然后几个层重叠形成完整的分子,在两个层(除了从一层到另一层多肽链的延续以外)之间的键是边链的氨基(NH2)和羧基(COOH)之间的氢键。一般来说不是所有边链基都用于形成分子内的键,一些基在分子表面上是自由的。”在强调了氢键在蛋白质结构中的重要性后,他们叙述了氢键最显著的性质。他们写道:“氢键是由氢原子和它键接到的两个电负性原子一起组成,这个氢原子处在两个键合原子之间。这个键基本上是静电性的。这些键合原子比非键合更紧密地靠在一起。这个氢键(N—H…O)的长度大约是2.8Å。强氢键的能量为5000～8000cal/mol。较低值对于蛋白质中N—H…O键是近似正确的。我们认为在蛋白质中的边链键通常包含了一个氨基和一个羧基,氮原子与两个氧原子中的每一个形成了氢键,还保留了一个非共用的氢原子。在酸性溶液中氢键可能在两个羧基之间形成,像在甲酸的双分子中一样。”4碳氧键是双键?1937年夏初,鲍林试图确定α角蛋白的结构。他的计划是利用他的结构化学知识来预测多肽链的尺寸和其它性质,然后检验这个链的可能的构型。找到一个与X射线衍射数据一致的构型。由于在理论上和实验上已经取得很大的进展,鲍林感到他能够可靠地预测肽基的尺寸。肽基是构成肽链的一个肽单位,如图8所示。肽单位中羰基CO的碳原子与氨基NH的氮原子所成的键,这个键的长度为1.32Å,介于单键C—N(1.49Å)和双键C=N(1.27Å)之间。鲍林认为这与分子共振有关。共振原理认为,如果一个分子可以用两种同样可接受(即具有相同能量)的方式描述的话,那么,这个分子就必须视为同时存在于这两种状态之中。鲍林在“α螺旋的发现”一文中,按照这个原理,指出可以用两个构型描述肽基。在一个构型中碳氮主键是单键,碳氧键是双键;而在另一个构型中,碳氮主键是双键,碳氧键是单键。这个事实被解释为碳氮主键是具有一定量双键特征的的共价单键。由于这个共价C—N键具有双键特征,C,N这两个原子和4个邻近的原子Cα,O,H,Cα都应该处在同一个平面上。这个平面的性质具有双键分子化合物的特征。在这个构型中,鲍林获得这个结论,在这个分子中的肽基必定具有完全确定的刚性结构,其中主链上的Cα—C键和N—Cα键的长度分别为1.54Å和1.47Å,都是单键。因此,在刚性的肽平面两侧的这些键倒是具有充分转动的自由,表明主链具有围绕这两个单键转动的两个自由度。因此,在共振理论的基础上,这个结论是肽基应该是一个平面,从而极大地限制了多肽链可能存在的结构。肽基具有共面性这一认识,加上对氨基酸大小的基本概念和对氢键重要性的认识,就构成了鲍林研究的起点。1937年夏天,鲍林尝试了一种又一种多肽链的折叠方式,以符合阿斯特佰里的X射线数据,并包含尽可能多的氢键。但是不管他怎样排列,都无法满足X射线数据,仍然找不到沿着纤维轴给出5.1Å间距的多肽链的一种折叠方式。在对这个问题研究了几星期后,他停下来并得出结论,或许有一些蛋白质的结构化学的特征尚待发现。这个想法导致了大量的实验研究。在洛克菲勒医学研究所工作的X射线晶体学家科里(R.B.Corey),从事蛋白质研究多年,他对于确定蛋白质结构很感兴趣,正当鲍林急需这方面的人才时,科里作为特别研究员来到鲍林所在的加州理工学院工作。鲍林告诉科里他在找出α角质多肽链的折叠方式时的失败和结论以及他可能忽略的一些结构特征。他已经假设这个多肽链应该以这样一种方式折叠,以便允许NH与邻近的肽基内碳基的氧原子形成氢键,N—H…O距离为2.90Å,像在化合物而不是氨基酸的结构测量中所表示的那样。那时没有任何有助于氨基酸或肽的正确的结构测定。X射线晶体学的状态是,为了做出这种结构测定即使对于像甘氨酸这样简单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这项工作的几位研究员的努力已经失败。因而鲍林向科里建议,他与研究生一起主攻测定一些简单氨基酸晶体和简单肽的问题。科里同意,而且在不到一年的时间内,他和两位研究生已经成功地、完全令人满意地测定了甘氨酸、丙氨酸和二肽的结构。在以后几年中,这项工作有效地进行着,涉及到加州理工学院化学系的许多研究生和博士后研究人员。然而,由于二次世界大战,他们终止了大量的实验工作。5个最关键的氨基酸的“螺旋的发现”1948年初,鲍林应邀赴英国牛津大学担任为期6个月的伊斯曼(G.Eastman)讲座的教授。当鲍林来到英国的时候,布拉格领导的卡文迪什实验室已成为世界上最先进的X射线晶体学研究中心。佩鲁兹和肯德鲁对血红蛋白结构的X射线衍射分析,已取得了一批重要的成果,揭示了血红蛋白分子的大致结构。鲍林曾经以为蛋白质分子太大,它们的X射线衍射图过于复杂,因此在可预见的将来,分析完整蛋白质分子的X射线图的方法不可能奏效。但是在与英国科学家交谈之后,鲍林意识到,英国人正接近于攻克某些蛋白质分子的结构问题,这使他感到很大的压力。在这样的情况下,鲍林又一次考虑解决角蛋白链的结构问题。这时科里和其他工作者回到加州理工学院,以高可靠性和精确性的X射线衍射已经确定了12个氨基酸和简单肽的结构。每个结构都符合他在1937年已经计算出的键长和键角的大小以及肽基的平面性。在许多晶体中存在的这个N—H…O氢键都是接近于2.90Å长度。1948年2月鲍林应邀到皇家科学院作一次讲座。报告后一个多星期,他患了感冒,只得卧床休息,在住院期间他思考了蛋白质结构问题。后来在鲍林1982年的口述录音带上(后由他的助理抄录后,在鲍林逝世后,于1996年2月发表在《化学报导》的论文“α螺旋的发现”中),叙述了这一发现的过程:“当我卧床休息时,我有了一个着手解决这个问题的新想法。回溯到1937年,这一事实给我留下深刻的印象,在多肽链上任何位置处20个不同种类的氨基酸中的任何一个都有可能出现,我没有关于折叠它们几乎可能是等效的想法。因此我心里想,假设所有氨基酸残基对于多肽链的折叠在结构上是等价的,将会有甚么结果?我想起一个理论,这是25年前在加州理工学院,我听H.Bateman教授的数学课时,讲到的一个理论。这个理论叙述如下,把一个不对称的物体转变成一个不对称的物体(例如一个L-氨基酸转变成相同L-氨基酸的另一个分子)是个转动平移,也就是绕着一条轴转动并结合着沿着这轴的平移,重复这个操作产生了一个螺旋。于是这个问题成为了获得这种多肽链的问题,绕着键接到α碳原子的两条单键转动,从一个肽基到下一个肽基具有相同的转动量等等,保持了肽基平面且具有正常的尺寸,找到了一种结构,在此结构中每个氨基与碳基形成了2.90Å的氢键。我要我的夫人给我带一支铅笔、一张纸和一把尺子来。通过在一张纸上画多肽链的草图并沿着平行线折叠它,我成功地找到满足这个假设的两种螺旋结构,其中之一是每转具有3.6个残基的α螺旋结构。另一个是γ螺旋……”“我让我的夫人把我的计算尺带来,以便于我能计算出沿着纤维轴的重复间距。这个结构直到在5转内18个残基后才重复,计算的重复间距是27.0Å,对应于每转5.4Å。这个值是与实验值不一致的,由X射线衍射图上子午线弧给出的值是5.1Å。我试图找到调整键长或键角的一些方式,以便把计算间距从5.4Å减少到5.1Å,但是我没有可能做到。”“我是这样的喜欢α螺旋,我确实感到它是折叠多肽链的一种可接受的方式,当它最后变成在实验上可以确定它的时候,在一些蛋白质结构中它必定会出现。然而,与实验值5.10Å的不一致使我很不安,我决定在我理解这个不一致的理由之后,我才发表α螺旋的说明。我应邀在剑桥大学作了三次关于分子结构和生物特异性的讲座,我在那里时,我与佩鲁兹谈到关于他正在研究的血红蛋白晶体实验电子密度分布函数。我想在他的图形中我能够看到α螺旋存在的证据,但是5.1Å的值给我那么多的烦恼,我没有对他说有关α螺旋的任何东西。”6两种氢键螺旋质构模型的提出和讨论1948年秋天,鲍林回到加州理工学院,他与科里和作为访问教授的布兰森(H.R.Branson)博士谈到α螺旋。他请布兰森博士仔细检查他的计算,特别是看一看他是否能够找到任何第三种螺旋结构,经过计算后,布兰森告诉他这个计算是完全正确的,他不能找到第三种结构。经过两年的理论分析和实验工作,终于在1950年10月16日,鲍林和科里给《美国化学学会会刊》写了一篇研究快讯,题目为“多肽链的两种氢键螺旋构型”,发表于1950年11月。这篇短文一开始,首先叙述了他们预测多肽链构型的方式。在过去的15年期间,他们已经着手解决蛋白质问题,首先是完全的、精确的确定氨基酸,肽和与蛋白质相关的其他简单物质的晶体结构,以便获得原子间的距离、键角和其他构型参数,从而允许对多肽链的合理构型作出精确的预测。他们现在已把这些信息用于构造多肽链的两种氢键螺旋构型。接着他们提出了两个基本假设作为多肽链螺旋构型的前提。其一是在多肽链中除了边链R有差别外,这些残基都是等效的。残基的等效指的是在立体化学上对于多肽链的折叠,这些残基是相同的。其二是键长和键角的普适性,这个构型的残基具有在简单物质中找到的原子间的距离和键角而且是等效的。对于氢键螺旋构型,他们还提出了氢键键合的基本概念。他们指出在每个氢键的构型中也包含着碳基和氨基。伸长的多肽链的平面层是这种类型的结构,在相邻链之间形成氢键。还指出肽基C—CO—NH—C平面近似平行于螺旋轴,而氢键是在每个碳基和氨基之间形成的。”最后他们宣布了发现的两种氢键螺旋构型,但是没有给出细节性的说明。他们写道:“在第一种氢键螺旋中每一转大约有3.7个残基,每个残基沿着链的方向被氢键键接到它前或后的第三个残基上。每个残基沿着螺旋轴的的单位平移是1.47Å。有证据强烈表明这种构型在α角蛋白,收缩的肌凝蛋白和一些其他的纤维蛋白质中,也在血红蛋白和其他球蛋白中是存在的。”这个α螺旋结构模型如图9所示。第二种氢键螺旋即他所说的γ螺旋结构。在此他作了具体说明:“在第二个氢键螺旋中每一转大约有5.1个残基,每个残基沿着链的方向被氢键键接到它前或后的第五个残基上。每个残基的的单位平移是0.99Å。我们相信在收缩较大的角蛋白中这个螺旋是存在的。这个角蛋白是从在纤维轴方向上大约收缩35%的α角蛋白形成的。”1951年2月,鲍林、科里和布兰森在《国家科学院院刊》上发表题为“蛋白质的结构:多肽链的两种氢键螺旋构型”的论文。对他们发现的两种氢键螺旋构型作了详细的说明。首先他们叙述了把一条多肽链折叠成螺旋结构的操作方式。他们写道:“一条单链的残基改变到第二个残基的一般操作等效于,头一个残基绕着螺旋轴转动并伴随着沿着这条轴的平移。因此与我们的残基等效性假设相协调的链的唯一的构型是螺旋构型。”接着他们讨论了氢键螺旋构型的个数。为了满足氮原子与其距离等于2.72Å的另一个残基的氧原子形成氢键的要求,他们发现只有两种可能的结构。一个是3.7个残基的螺旋,每个残基沿着链的方向被氢键键接到它前或后的第三个残基上。当一个残基改变到下一个残基时,相当于这个残基绕着螺旋轴转动97.2°,沿着螺旋轴的平移1.47Å,对于一个完整转动的平移是5.44Å;另一个是5.1个残基的螺旋,每个残基沿着链的方向被氢键键接到它前或后的第五个残基上,当一个残基改变到下一个残基时,相当于这个残基绕着螺旋轴转动70.1°,沿着螺旋轴的平移0.99Å,对于一个完整转动的平移是5.05Å(图10)。1951年4月至5月间鲍林和科里又在《国家科学院院刊》上发表了7篇论文,详细描述他们发现的各种蛋白质分子结构。佩鲁兹在看了这些论文后就对他们提出的α螺旋构型进行实验检验。α螺旋的每一转有3.7个残基,每个残基沿着螺旋轴的间距是1.5Å。佩鲁兹用马鬃和豪猪刺进行了X射线衍射实验,拍摄了马鬃和豪猪刺的X射线纤维照片。在照片子午线上的远端,看到一个模糊的斑点,这一反射现象表明存在1.5Å的纵向间距。他后来又对人造多肽和血红蛋白作了同样的测定。他甚至还在若干年前拍摄的蛋白质X光照片的远端边缘发现了这种斑点,然而他们以前并没有对此加以注意。在证实了这些研究成果后,他在给鲍林的信中写道:“这一预测得到证实,并在血红蛋白的试验中最早找到了有关的反射迹象,这是我毕生最令人激动的发现。”随后,他发表了证实这些结果的具体资料,其结论是:“发生反射的间距是对其他各种模型的否定,但鲍林、科里和布兰森关于3.7个残基螺旋的理论是完全吻合的。”佩鲁兹还引用了他们得到的其他数据,他写道:“再也没有必要怀疑他们的结构是否正确了。”布拉格称鲍林关于α螺旋的论文“开辟了广阔的前景”,认为“这是在认识蛋白质的过程中非常真实而又至关重要的进展。”7材料的探索:x-射线衍射从20世纪30年代开始,全球建立了三个蛋白质研究的中心。第一个中心是由布拉格领导的历史悠久的卡文迪什实验室,拥有一大批杰出的晶体学家和先进的实验设备,是世界上最先进的X射线晶体学研究中心。在对胰岛素、血红蛋白结构的X射线衍射分析上,取得了一批重要的成果。第二个中心是阿斯特佰里领导的利兹大学纺织物理实验室。始建于20年代末,最早拍摄了角蛋白的X射线照片,并建立了角蛋白的模型。第三个中心是鲍林领导的加州理工学院化学实验室。起动最晚,始建于30年代中叶。相比之下,鲍林在蛋白质结构的X射线衍射研究上是个新手,但是揭开蛋白质结构的秘密为什么首先由他实现了呢?前两个中心的领导者都认为只有通过直接的X射线衍射分析才能揭开整个蛋白质结构之谜,而鲍林寻求以理论的形式,在对结构化学的深刻认识的基础上寻找一条捷径。鲍林认为仅靠X射线衍射不足以用来解决蛋白质中多肽链的结构,因为每一根链中包含上万个原子,无一例外地异