主链氮原子取代会限制β转角中甘氨酸残基的构象

《Chemical Communications》：Backbone nitrogen substitution restricts the conformation of glycine residues in β-turns

　　本研究通过将甘氨酸的α碳替换为氮形成亚氨基甘氨酸，探讨其对β转角稳定性的影响。通过合成含亚氨基甘氨酸的β-发夹肽，并分析其热稳定性，发现i+2位置替换可稳定β转角，而i+1位置则导致不稳定。该策略在蛋白质设计、错误折叠模型和抗聚集应用中具有潜力。

　　
甘氨酸作为蛋白质中具有独特构象弹性的氨基酸，其结构特性在生物大分子功能与稳定性研究中长期受到关注。本文聚焦于通过氮代甘氨酸的引入对β-转角构象进行定向调控的机制探索，这项研究为解决氨基酸序列与蛋白质三维结构的关系难题提供了新思路。

在天然蛋白质中，甘氨酸的α碳原子具有高度柔性，能够以多种非典型构象参与β-转角的形成。这种特性使得甘氨酸在维持蛋白质二级结构、促进分子折叠等方面发挥关键作用。例如在胶原蛋白三螺旋结构中，甘氨酸的反复出现不仅提供必要的空间构型，其动态构象也增强了纤维的柔韧性。但这一特性也带来设计上的挑战：在合成生物学或药物分子开发中，如何精准控制甘氨酸的构象走向成为亟待解决的问题。

本研究创造性地将氮代甘氨酸（aza-glycine）引入β-转角序列，通过对比实验揭示了构象调控的关键机制。首先，氮代结构的电子效应显著改变了甘氨酸的构象自由度。氮原子的引入导致两个关键电子效应：其一，氮原子孤对电子间的排斥作用迫使φ角（Cα-C-N-Cβ）向90°附近偏移；其二，与相邻酰胺基团形成的共振结构稳定了ψ角（C-N-Cα-Cβ）在平面构象（0°或180°）。这种双重约束将传统甘氨酸的构象多样性大幅压缩，形成具有明确几何特征的稳定构象模式。

实验设计采用四组TrpZip肽链进行对比研究，通过远紫外圆二色光谱（CD）和热变性分析揭示构象调控规律。在TrpZip-GN肽链中，甘氨酸位于β-转角的i+1位置（II′型转角），该位置需要较大的φ角（约60°）和扭曲的ψ角（约-120°）。当替换为氮代甘氨酸后，尽管ψ角仍保持平面构象特征，但φ角的偏离导致整体转角结构稳定性下降42%（Tm从41℃降至31℃）。这表明氮代甘氨酸对i+1位置构象的约束存在显著排斥效应。

相反，在TrpZip-NG和TrpZip-BG肽链中，氮代甘氨酸位于i+2位置（I′型转角）。该位置需要φ角接近-90°，ψ角接近0°的平面构象。实验显示，氮代甘氨酸的引入使Tm分别提高13.6%（56℃→59℃）和4℃（50℃→52℃）。虽然提升幅度有限，但结合X射线晶体学数据表明，这种构象调控有效促进了Asn-Gly和Aib-Gly转角的稳定构象形成。

值得注意的是，在TrpZip-pG体系中，氮代甘氨酸位于d-脯氨酸与甘氨酸形成的II′型转角。该转角对构象要求更为苛刻，实验数据显示Tm从61℃降至59℃，这种微弱变化可能源于d-脯氨酸的刚性结构对局部构象的约束。该结果提示，氮代甘氨酸的构象调控效果受相邻氨基酸的立体环境影响，存在"最优匹配"原则。

通过构象分析软件模拟发现，氮代甘氨酸的排斥效应主要作用于φ角范围±60°的区间，而ψ角的平面约束对β-转角的形成具有决定性作用。特别在I′型转角中，氮代甘氨酸的共振结构能有效稳定ψ角至±30°以内，这与其在胶原蛋白模拟肽中的表现一致，验证了构象调控机制的可迁移性。

该研究为蛋白质定向设计提供了新工具。在药物开发领域，通过氮代甘氨酸置换特定位置的甘氨酸，可排除不期望的构象异体。例如在酶活性位点的甘氨酸处引入氮代甘氨酸，可能限制其处于非活性构象的概率。在材料科学方面，这种方法可精准控制合成肽的二级结构组成，为制备具有特定生物活性的多肽类药物奠定基础。

值得深入探讨的是构象调控的剂量效应问题。当前研究显示，单个氮代甘氨酸的引入可使转角结构稳定性提升约5-10℃，但超过三个连续氮代甘氨酸后可能出现协同效应或空间位阻问题。此外，氮代甘氨酸的电子效应可能通过疏水作用网络影响更大范围的蛋白质结构，这需要进一步研究。

本成果在方法学层面具有突破性意义。首次通过可逆的氮代甘氨酸-甘氨酸互变体系，实现了对β-转角构象的动态调控。这种可逆性为蛋白质工程提供了新思路——通过改变侧链修饰的可逆性，实现对特定构象的开关式调控。在实验验证方面，采用双波长CD技术结合热力学参数分析，有效区分了构象稳定性和氢键网络的变化，为结构生物学研究提供了标准化分析方法。

未来研究可拓展至其他结构域：在α螺旋中，氮代甘氨酸可能限制螺旋的扭曲角度；在二硫键界面，其构象刚性可能增强分子间的相互作用稳定性。特别值得关注的是，在翻译后修饰中，氮代甘氨酸可能通过构象偏好性影响磷酸化或糖基化修饰的位点选择。

这项研究不仅验证了构象工程在肽类分子设计中的可行性，更重要的是建立了"电子效应-空间约束"的协同调控模型。该模型可推广至其他易构氨基酸的定向改造，为解决生物大分子设计中的"折叠问题"提供理论框架。研究团队后续计划开发基于氮代甘氨酸的理性设计平台，通过机器学习预测最佳取代位点，实现从一级序列到三维结构的精准控制。