基本介紹
- 中文名：鏈摺疊
- 外文名：chain folding
- 簡述：片晶中分子鏈回折進入片晶的現象
- 模型：凱勒提出的摺疊鏈模型
- 鏈摺疊動作：緊摺疊和松摺疊
- 學科：化學
簡介,鏈摺疊性質,摺疊鏈片晶模型,蛋白質多肽主鏈摺疊的空間限制,
簡介
鏈摺疊（chain folding）
片晶中分子鏈自身回折重又進入片晶的現象。分子鏈沿片晶的厚度方向取向排列，鏈摺疊發生在片晶的上下兩個表面。鏈摺疊除存在於單晶的情況外，在由熔體結晶得到的晶片中也可能出現。由於分子鏈的伸展長度比片晶厚度大得多，一個分子鏈上可以有多個摺疊點。鏈摺疊的動作可以通過很少幾個。如4～5個重複單元來實現（緊摺疊），也可通過許多個重複單元來實現（松摺疊）。分子鏈上兩個相鄰摺疊點間的鏈段長度稱做摺疊長度或摺疊周期。在通常情況下摺疊長度和片晶厚度是相當的。它們可隨升高結晶溫度和退火處理而增大。
鏈摺疊性質
鏈摺疊現象對結晶聚合物的行為非常重要，因而必須仔細考察鏈摺疊結晶的情況。首先，一般認為，在許多聚合物中，鏈摺疊沒有多大的困難。對聚合物分予模型的麥察表明，大多數聚合物分子都會摺疊起來，比較容易形成一種很緻密的足以嵌砌到晶體表面的摺疊，但是，化學結構比較複雜的聚合物，如主鏈上有龐大側基或環以及分子鏈為梯形或梁狀結構的聚合物，情況就不是這樣。即使分子本來就是螺旋形，從一個螺旋部分到鄰近反平行部分，通常都能發現存在縫隙。
在許多可能的摺疊形式申，某些摺疊形式將墮晶體的自由能最低，因此也是有利構形式。因為這些摺疊形式具有規則性，可以稱為結晶學上的摺疊。為了弄清這些摺疊究竟是什麼摺疊形式，人們曾作過一些計兵故戶算。這就需要根據恰當的勢能函式，使鏈變形與鏈間作用力的總能量為最小值。在聚乙烯中最有利的摺疊大約含五個主鏈原子。因為不同的摺疊方向必須與主晶格相配合，故所有的摺疊都不會是等同的，但它們本身會形成多種規則的模式，這種模式可看成是一種晶體形狀。
其次，為了通過腳櫃轎嬸結晶使自由能降到最低，孤立的長分子必將處於摺疊狀態。摺疊能的增加和鏈間相互作用能的減少二者之間的差額（或採用互補量，減小韻自由能表面）將決定平衡摺疊長度。
由許多分子構成的聚合物晶體的情況比較複雜。用電子顯微鏡觀察單晶的結果表明，作為摺疊長度度量的晶體厚度，對在一定溫度下從一個規定的溶劑結晶出來的任一給定聚合物都是一個定值。而且，當結晶以所有片晶都以平行的形式沉澱出來時，所得到的沉積層能產生具有明顯的四級離散反散的小角X—射線衍射圖樣。布拉格間距與晶體厚度相同，而且，衍射圖樣的清晰度表明，晶體厚度的規整度很高。小角X—射線衍射是測量片晶厚度的一種準確方法，晶片厚度也可採用相干光學顯微鏡測定；
摺疊長度隨溫度和溶劑的變化情況見圖1。摺疊長度隨溫度增加已被廣泛地觀測到。但是，正如圖1表明的那樣，這種關係實際上是與過冷程度有關，而與溶劑無關。如果在結晶過程中溫度發煉察漏生變化，摺疊長度呈跳躍式逐級變化。
圖1 摺疊長度隨溫度和溶劑的變化情況
鏈摺疊晶體的退火處理，正如所有退火過程一樣，是一個使織態變粗大，即項試估晶體增厚的過程。
摺疊鏈片晶模型
用極稀的高聚物溶液（濃度為0.01%～0.001%）在常壓下，在接近高聚物熔點開始緩慢結晶時，可以得到高聚物單晶體，是完全有序的薄片，具有相當規則的形狀，稱為片晶。不只是聚乙烯，很多能結晶的高聚物在合適的條件下都可以得到單晶體。
已白櫻再肯經看到，儘管各種高聚物單晶體的外形不盡相同，但晶片的厚度幾乎相等，約為10m左右，分子的取向都是垂直於薄片平面的。
那么，伸展起來的長度可達10～10m以上的大分子鏈，在厚度僅有10m的薄片中怎樣排列呢?Keller提出了摺疊鏈結構模型，認為大分子以摺疊的形式排入晶格成為片晶。也就是長鏈分子為了減少表面能而在幾乎不改變鍵角與鍵長的情況下很有規則地反覆摺疊排入晶格。規整的摺疊鏈片晶模型與不規整的片晶模型如圖2所示。
圖2 規整和不規整的摺疊鏈片晶模型
摺疊鏈排列不可能非常規整與理想，即便高度規整的摺疊鏈片晶也會有某些晶格缺陷。這些缺陷有：（1）鏈末端。這是因為兩煮狼條分子鏈在片晶內對接處出現的中斷。（2）無序的表面層。這是由於分子鏈在折返部位內應力大，不易排入晶格，以無序的晶格缺陷存在，但這並不出現分離與非晶相，只是表層的不規整。（3）斷缺。指的是兩條分子鏈搭接時出現的中斷與重疊。（4）層間的連線鏈。這是指有的分子鏈從一個片晶進入另一個片晶。
已經證明，大分子的往返摺疊是高聚物晶區晶體的基本規律，摺疊鏈模型學說比纓狀膠柬學說更符合實驗中看到的現象。但也不能用摺疊鏈模型學說廣泛而完美地解釋高聚物的各種性質。
高聚物通常含有30%～40%的非晶區。摺疊鏈模型學說認為非晶區可能有兩種情況，一種是片晶之間走向紊亂的鏈段，另一種則是當一些長鏈分子從一個片晶穿出來時，在片晶間彼此纏結。
蛋白質多肽主鏈摺疊的空間限制
（一）醯胺平面與α碳原子的二面角
肽鍵是一共振雜化體，共振的結果是肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能繞鍵自由旋轉，使主鏈肽基成為剛性平面，平面內C═O與N—H成反式排列，各原子間有固定的鍵角和鍵長。如圖3所示，肽鏈主鏈上只有α碳原子連線的兩個鍵（Co—N和Co—C）是純單鍵，能自由旋轉，Co是兩個相鄰醯胺平面的連線點，醯胺平面之間的位置可以任意取向。兩相鄰醯胺平面之間，能以共同的Co為定點而旋轉，繞Co—N鍵旋轉的二面角（C—N—Co—C）稱Φ角，繞Co—C鍵旋轉的二面角（N—C—Co—N）稱ψ角。Φ和ψ稱作二面角，亦稱構象角。原則上，Φ和ψ的值可取-180°～+180°的任意值。這樣多肽鏈主鏈的各種可能構象都可用Φ和ψ的角度來描述。
當Φ或ψ旋轉鍵所在的醯胺平面趨向二等分H—Co—R（側鏈）平面，且該旋轉鍵兩側的主鏈處於順式構型時，規定Φ=0°或ψ=0°（圖3）。從Co沿鍵軸方向觀察，順時針旋轉的Φ或ψ角度為正值（+），逆時針旋轉的角度為負值（-）。當Co的一對二面角茹Φ=180°和ψ=180°時，Co的兩個相鄰醯胺平面呈現完全伸展的主鏈構象，實際上ψ和Φ同時等於0°時的構象並不存在，因為兩個相鄰的肽單位上的醯胺基H和羰基O的接觸距離比其范德華半徑之和小，因此將發生空間重疊。由此可見，雖然理論上Co的兩個單鍵（Co—N和Co—C）可以在-180°～+180°範圍內自由旋轉，事實上由於空間位阻的存在，並不是任意二面角所決定的肽鏈構象都是立體化學所允許的。二面角所規定的構象能否存在，取決於相鄰兩個肽單位中非共價鍵結合原子之間的接近有無障礙。
圖3 多肽鏈的不同構象
（二）可允許的Φ和ψ值
1963年印度學者Ramachandran G．N．及其同事將肽鏈的原子看成是簡單的硬球，根據原子的范德華半徑計算了非鍵合原子間的最小接觸距離，並根據此距離確定哪些成對二面角（Φ和ψ）所規定的兩個相鄰肽單位的構象是允許的，哪些是不允許的，並在以Φ為橫坐標ψ為縱坐標所作的Φ—ψ圖上標示出來。此圖稱拉氏構象圖或拉氏圖（Ramachandran plot）（圖4）。圖4上的一個點對應於一對二面角（Φ，ψ），代表一個Co的兩個相鄰肽基單位的構象。如果將一個蛋白質多肽鏈上的所有‘的成對二面角Φ和ψ都畫在圖4上，蛋白質主鏈的構象將清楚地表示在拉氏圖上。
圖4 拉氏構象圖
運用拉氏圖進行研究發現，肽鏈的摺疊具有相當大的局限性，在Φ—ψ圖上只取有限範圍的值。在圖4中陰影部分用白線封閉的區域是允許的。在此區域內，任意的成對二面角（Φ，ψ）所規定的構象都是立體化學允許的。例如：平行的（↑↑）和反平行（↑↓）的β摺疊片，膠原蛋白的三股螺旋（C）和右手α螺旋（α）都位於允許區域內。陰影部分的其他區域為不完全允許區（臨界限制區）。在這個區域內的任何二面角（Φ，ψ）所規定的主鏈構象雖是立體化學允許的，但是不夠穩定。陰影外的其他區域是不允許的。該區域的任何二面角（Φ，ψ）所規定的主鏈構象都是立體化學所不允許的。因為在
這些構象中非共價鍵合原子問的距離小於極限距離，斥力很大，構象能量很高，這種構象極不穩定不能存在，例如：Φ=180°，ψ=0°和Φ=0°，ψ=180°的構象。上面所述的允許和不完全允許區都是針對非甘氨酸殘基而言。如果胺基酸殘基是甘氨酸，這一範圍會擴大，因為甘氨酸殘基側鏈R基是H。總之，由於多肽鏈的幾何學原因，由Co二面角（Φ，ψ）決定的構象數量雖然很多，但是能夠存在於多肽鏈中的數量其實是極為有限的。
鏈摺疊晶體的退火處理，正如所有退火過程一樣，是一個使織態變粗大，即晶體增厚的過程。
摺疊鏈片晶模型
用極稀的高聚物溶液（濃度為0.01%～0.001%）在常壓下，在接近高聚物熔點開始緩慢結晶時，可以得到高聚物單晶體，是完全有序的薄片，具有相當規則的形狀，稱為片晶。不只是聚乙烯，很多能結晶的高聚物在合適的條件下都可以得到單晶體。
已經看到，儘管各種高聚物單晶體的外形不盡相同，但晶片的厚度幾乎相等，約為10m左右，分子的取向都是垂直於薄片平面的。
那么，伸展起來的長度可達10～10m以上的大分子鏈，在厚度僅有10m的薄片中怎樣排列呢?Keller提出了摺疊鏈結構模型，認為大分子以摺疊的形式排入晶格成為片晶。也就是長鏈分子為了減少表面能而在幾乎不改變鍵角與鍵長的情況下很有規則地反覆摺疊排入晶格。規整的摺疊鏈片晶模型與不規整的片晶模型如圖2所示。
圖2 規整和不規整的摺疊鏈片晶模型
摺疊鏈排列不可能非常規整與理想，即便高度規整的摺疊鏈片晶也會有某些晶格缺陷。這些缺陷有：（1）鏈末端。這是因為兩條分子鏈在片晶內對接處出現的中斷。（2）無序的表面層。這是由於分子鏈在折返部位內應力大，不易排入晶格，以無序的晶格缺陷存在，但這並不出現分離與非晶相，只是表層的不規整。（3）斷缺。指的是兩條分子鏈搭接時出現的中斷與重疊。（4）層間的連線鏈。這是指有的分子鏈從一個片晶進入另一個片晶。
已經證明，大分子的往返摺疊是高聚物晶區晶體的基本規律，摺疊鏈模型學說比纓狀膠柬學說更符合實驗中看到的現象。但也不能用摺疊鏈模型學說廣泛而完美地解釋高聚物的各種性質。
高聚物通常含有30%～40%的非晶區。摺疊鏈模型學說認為非晶區可能有兩種情況，一種是片晶之間走向紊亂的鏈段，另一種則是當一些長鏈分子從一個片晶穿出來時，在片晶間彼此纏結。
蛋白質多肽主鏈摺疊的空間限制
（一）醯胺平面與α碳原子的二面角
肽鍵是一共振雜化體，共振的結果是肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能繞鍵自由旋轉，使主鏈肽基成為剛性平面，平面內C═O與N—H成反式排列，各原子間有固定的鍵角和鍵長。如圖3所示，肽鏈主鏈上只有α碳原子連線的兩個鍵（Co—N和Co—C）是純單鍵，能自由旋轉，Co是兩個相鄰醯胺平面的連線點，醯胺平面之間的位置可以任意取向。兩相鄰醯胺平面之間，能以共同的Co為定點而旋轉，繞Co—N鍵旋轉的二面角（C—N—Co—C）稱Φ角，繞Co—C鍵旋轉的二面角（N—C—Co—N）稱ψ角。Φ和ψ稱作二面角，亦稱構象角。原則上，Φ和ψ的值可取-180°～+180°的任意值。這樣多肽鏈主鏈的各種可能構象都可用Φ和ψ的角度來描述。
當Φ或ψ旋轉鍵所在的醯胺平面趨向二等分H—Co—R（側鏈）平面，且該旋轉鍵兩側的主鏈處於順式構型時，規定Φ=0°或ψ=0°（圖3）。從Co沿鍵軸方向觀察，順時針旋轉的Φ或ψ角度為正值（+），逆時針旋轉的角度為負值（-）。當Co的一對二面角茹Φ=180°和ψ=180°時，Co的兩個相鄰醯胺平面呈現完全伸展的主鏈構象，實際上ψ和Φ同時等於0°時的構象並不存在，因為兩個相鄰的肽單位上的醯胺基H和羰基O的接觸距離比其范德華半徑之和小，因此將發生空間重疊。由此可見，雖然理論上Co的兩個單鍵（Co—N和Co—C）可以在-180°～+180°範圍內自由旋轉，事實上由於空間位阻的存在，並不是任意二面角所決定的肽鏈構象都是立體化學所允許的。二面角所規定的構象能否存在，取決於相鄰兩個肽單位中非共價鍵結合原子之間的接近有無障礙。
圖3 多肽鏈的不同構象
（二）可允許的Φ和ψ值
1963年印度學者Ramachandran G．N．及其同事將肽鏈的原子看成是簡單的硬球，根據原子的范德華半徑計算了非鍵合原子間的最小接觸距離，並根據此距離確定哪些成對二面角（Φ和ψ）所規定的兩個相鄰肽單位的構象是允許的，哪些是不允許的，並在以Φ為橫坐標ψ為縱坐標所作的Φ—ψ圖上標示出來。此圖稱拉氏構象圖或拉氏圖（Ramachandran plot）（圖4）。圖4上的一個點對應於一對二面角（Φ，ψ），代表一個Co的兩個相鄰肽基單位的構象。如果將一個蛋白質多肽鏈上的所有‘的成對二面角Φ和ψ都畫在圖4上，蛋白質主鏈的構象將清楚地表示在拉氏圖上。
圖4 拉氏構象圖
運用拉氏圖進行研究發現，肽鏈的摺疊具有相當大的局限性，在Φ—ψ圖上只取有限範圍的值。在圖4中陰影部分用白線封閉的區域是允許的。在此區域內，任意的成對二面角（Φ，ψ）所規定的構象都是立體化學允許的。例如：平行的（↑↑）和反平行（↑↓）的β摺疊片，膠原蛋白的三股螺旋（C）和右手α螺旋（α）都位於允許區域內。陰影部分的其他區域為不完全允許區（臨界限制區）。在這個區域內的任何二面角（Φ，ψ）所規定的主鏈構象雖是立體化學允許的，但是不夠穩定。陰影外的其他區域是不允許的。該區域的任何二面角（Φ，ψ）所規定的主鏈構象都是立體化學所不允許的。因為在
這些構象中非共價鍵合原子問的距離小於極限距離，斥力很大，構象能量很高，這種構象極不穩定不能存在，例如：Φ=180°，ψ=0°和Φ=0°，ψ=180°的構象。上面所述的允許和不完全允許區都是針對非甘氨酸殘基而言。如果胺基酸殘基是甘氨酸，這一範圍會擴大，因為甘氨酸殘基側鏈R基是H。總之，由於多肽鏈的幾何學原因，由Co二面角（Φ，ψ）決定的構象數量雖然很多，但是能夠存在於多肽鏈中的數量其實是極為有限的。
