病毒的结构 科学网—传染性蛋白的负面和正面（一） 打破分子生(7)

另一种在肽键之间形成氢键的方式不是肽链卷成螺旋状，而是肽链中的一些片段伸直，在这些伸直的片段之间的肽链则弯曲，将这些伸直的片段平行地排列在一起（想象一根绳子在地板上来回弯曲，形成多条平行的伸直部分）。肽链像曲别针那样直接弯回来形成的两根伸直的肽链片段方向是相反的，但是相邻的肽链片段也可以是同方向的，这就需要中间的肽链部分不是简单地折回来，而是要在空中“绕一圈”。这样，一根伸直肽链片段上的肽键就可以和相邻的，同样是伸直的肽链片段上的肽键形成氢键。多条这样彼此以氢键相连的伸展肽链节段就会形成一个大致的平面，就像几根筷子排在一起可以构成一个平面。说是“大致”，是因为碳原子发出的四根化学键不在一个平面上，肽链上的原子不可能都在一个平面上，所以肽链不可能完全伸直，而是有“皱褶”。多个伸直的肽链片段也不一定都在一个平面上，而是可以彼此之间方向有小的转动，形成扭转的平面；也可以两边的肽链片段抬高，形成卷曲的平面。这样形成的结构叫做“b-折叠”（b-sheet），是蛋白质分子中另一个重要的基本结构。简单来说，就是a-螺旋像“棍”，而b-折叠像“片”。

还有一些肽链部分既不在a-螺旋中，也不在b-折叠中，肽键的结构常常是无定形的。所以蛋白质分子中肽链的形状可以分为三类，在a-螺旋中的，在b-折叠中的，以及不在这两种结构中的。这三种结构各有自己的空间排布形式，在不同方向上的光学性质也不一样，对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收程度不同，称为“圆二色性”（Circular Dichroism, CD）。通过测定蛋白物质的圆二色性，就可以知道其中a-螺旋和b-折叠的含量。

除了肽键，许多侧链也是带电的，例如谷氨酸和天冬氨酸的侧链因为有羧基，所以带负电；赖氨酸、精氨酸和组氨酸的侧链上还有氮原子，带正电。丝氨酸的侧链上有羟基（-OH），半胱氨酸的侧链上有巯基（-SH），它们上面的氢原子都带一些正电。这些电荷也会彼此作用以及与肽键上的电荷相互作用，影响肽链最后形成的形状。

除了分子内电荷的相互作用，蛋白质分子是溶在水中的，而水分子就是带电的分子，其中的氧原子带部分负电，两个氢原子带部分正电。不仅水分子之间可以形成氢键（这是水的沸点如此之高的原因），水分子和蛋白质中带电的部分也会形成氢键；水中溶解的带电离子，包括钾、钠等正离子和氯、碳酸根等负离子，也会与蛋白质分子上的电荷相互作用，影响肽链的折叠过程。

有些氨基酸的侧链是不带电的，例如丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的侧链完全由碳原子和氢原子组成，无论是碳原子还是氢原子都不带电。这些侧链无法与水分子之间形成氢键，突进水分子之间又会破坏水分子之间的氢键，在能量上是不利的，所以这些“憎水”的侧链往往被水环境排斥，位于分子的内部，以避开与水分子的接触，形成蛋白质分子的“油性内核”。

所有这些相互作用都会影响肽链的折叠，所以蛋白质分子的折叠是一个极为复杂的过程，肽链可以采取的形状的数量也是天文数字。如果蛋白质分子随机地区尝试所以这些形状，就是亿万年的时间都不够，但是在细胞内，肽链在合成后不到1秒的时间就完成折叠过程，这又是如何实现的呢？

简单来说就是最低能量法则，即将肽链折叠到能量最低，也最稳定的形状。肽链在伸展状态时，许多氢键都没有形成，相当于储存了许多“势能”，像位于高处的石头，很容易向比较低的地方滚动。氢键的形成逐步释放出这些能量，相当于石头逐渐滚下山坡，最后到达位置最低的地方。在蛋白的氨基酸序列里面就包含有信息，折叠从一些局部开始，最后扩展到整个分子。

由于折叠过程的复杂性，走向能量较低状态的路径也许不只一条，相当于山顶上的石头可以从不同的路径滚下山坡，而且还有比较低，但不是最低的地方“等着”它，所以石头不一定能够到达最低的地方。

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