图2.27 多肽链中围绕化学键的旋转。多肽链每个氨基酸结构都是围绕这两个化学键旋转产生的。(A) ?是围绕???C键旋转的角度，?是围绕?C-羰基旋转的角度。（B）从N原子向?C原子观测，确定 ?值。（C）从?C原子向羰基观测，确定 ?值。
?和?角度的各种可能组合都存在吗？Gopalasamudram Ramachandran发现，由于原子之间存在立体障碍，很多?和?角度组合是不容许的。允许的?和?角度数值用二维Ramachandran作图表示（图2.28）。因局部立体碰撞，3/4的?和?角度组合不存在。立体排斥指两个原子在同一时间不能同时出现于同一位臵，这是一个有效的排布原则。
生物大分子的折叠受热力学控制。没有折叠的聚合物是随机盘绕的：各个分子盘绕样式都不相同，产生了很多可能构型。折叠成一致结构就会降低原有的多构型混合物的熵。从热力学角度看，可能构型数量巨大、高度可变的聚合物没有折叠成单一结构的趋势。倒是肽单位的刚性和有限的?和?允许角度导致蛋白质折叠。
图2.28 用Ramachand图谱表示?和?角度。不是所有的?和?角度都会出现（不会造成原子碰撞）。最有利的角度用深绿色表示，边界区域用浅绿色标出。右边标出了一个导致立体碰撞的不利构型。
????多肽链的二级结构：??螺旋、??片层、拐角和环?
多肽链能折叠成有规则的重复结构吗？1951年Linus Pauling和Robert Corey提出了两种周期性出现的结构，即??螺旋和??片层。随后鉴定了其它结构如??拐角和Ω-环。虽然??拐角和Ω-环在蛋白分子内不是周期性出现，但是??拐角和Ω-环普遍存在于蛋白质分子中、并且与??螺旋和??片层一道形成蛋白质的高级结构。??螺旋、??片层和拐角的形成有赖于线形序列（一级结构）邻近氨基酸的N-H和C=O之间形成的氢键。这类折叠段叫蛋白质的二级结构。 ??螺旋是一种多肽链内部氢键稳定的纽绕结构。
在评价潜结构时，Pauling和Corey考虑哪种构型是立体上允许的、哪种完全利用链内骨架的NH和C=O形成氢键。他们提出的第一种结构是棒状结构的??螺旋（图2.29）。??螺旋内部是棒状结构，氨基酸侧链朝外伸展。??螺旋的稳定力量来自骨架主链的NH和C=O之间形成的氢键。一个残基的C=O与第4个残基的NH形成氢键（图2.30）。因此，除了??螺旋末端的氨基酸外，螺旋内每个残基的NH和C=O都参与了氢键。每个残基相对于下一个残基而言是旋转了100o,沿螺旋轴上升了1.5A。因此??螺旋一周需要3.6个氨基酸，螺距是5.4A。因此，氨基酸序列相隔3-4个氨基酸的残基在??螺旋内靠得很近，而相隔两个氨基酸的处于螺旋对立面无法靠近。螺旋方向可以是左手（顺时针方向），也可以是右手（逆时针方向）。Ramachandram作图指出左手螺旋和右手螺旋都是允许的（图2.31）。但是实际上右手螺旋造成侧链和骨架之间的立体障碍小，是能量有利的优势结构。蛋白质分子的??螺旋基本上都是右手螺旋。在蛋白结构示意图中，用缠绕的丝带或棒表示??螺旋（图2.32）。
图2.30 ??螺旋结构的氢键形成方案。在??螺旋结构中氨基酸残基i的C=O基团与该多肽链的第i+4位氨基酸残基的NH基团形成氢键。
图2.29???螺旋结构。（A）标出了??碳原子和侧链（绿色）的绸带结构式。（B）NH和C=O之间氢键用虚线标出??螺旋的球-棒结构侧视图。（C）从末端向螺旋骨架内部观测的结构图，其中侧链（绿色）向螺旋外凸出。（D）图C的空间填充模型，表明螺旋内部核堆积紧密。
图2.31 螺旋的Ramachandran图谱。右手和左手??螺旋结构在Ramachandram图谱中都是允许的，但是在蛋白质分子中实际上只有右手??螺旋结构。
图2.32 ??螺旋结构草图。（A）球-棒结构模型。（B）绸带结构式。（C）圆柱结构式。
Pauling和Corey预测出蛋白质??螺旋六年后才在肌红蛋白的x-射线重构的蛋白质结构中观察到这种结构。蛋白质??螺旋结构的阐明是生物化学领域的里程碑，因为这件事证明如果我们知道多肽链各组分的全部性质，我们就能够预测多肽链的构型。
不同蛋白质的??螺旋结构含量是不同的。有的蛋白质根本就没有??螺旋结构，有的蛋白质全都是??螺旋结构。储存铁的铁蛋白75%的氨基酸残基是??螺旋结构（图2.33）。实际上25%的可溶性蛋白质含有用拐角和环连接的??螺旋结构。单个??螺旋结构的长度通常不超过45A。很多跨膜蛋白也含有??螺旋结构。
图2.33 主要是??螺旋结构的蛋白质。铁储存蛋白ferritin有一捆??螺旋结构。
片层依靠多肽链之间氢键稳定其结构
Pauling和Corey提出的另一种蛋白周期性结构是??片层（之所以称为??，是因为他们先阐明的蛋白质结构已经取名为??）。??片层与??螺旋在结构上有明显的不同。形成??片层的多肽链有两条或多条。各个??链几乎完全伸展，而??螺旋是紧密缠绕的多肽链。一定程度的伸展结构在立体化学上是允许的（图2.34）。
图2.34 ??链的Ramachandran作图。红色区域是立体化学允许??伸展链结构。
沿??链相邻氨基酸的距离是3.5A，而??螺旋相邻氨基酸的距离是1.5A。相邻氨基酸残基侧链处于相反的方向（图2.35）。片层结构是两条或多条??链毗邻排列，依靠链间氢键连在一起。??片层相邻的两条多肽链可以是同向排列（平行??链），也可以是反向排列（反平行??链）。在??链反平行排列的??片层中，每个氨基酸残基的C=O和NH都会与配对多肽链相应的NH和C=O形成氢键（图2.36）。在??链平行排列的??片层中，氢键的形成方案就复杂些。一条链氨基酸残基x的NH基团与配对链氨基酸残基y的C=O形成氢键，但是x的C=O基团却与该残
基下游第2个氨基酸残基的NH形成氢键（图2.37）。??片层可以将很多??链（通常是4-5条，但最多可以达到10条以上）结合在一起。这种??片层结构可以是纯粹的反平行排列，也可以是纯粹的平行排列，也可以是平行和反平行均存在的混合排列（图2.38）。
图2.35 ??链结构。侧链在??链平面上下交替出现。
图??????反平行排列的??片层。相邻的??链排列方向相反。一条链某一氨基酸残基的C=O和NH基团与配对链单个相邻氨基酸的NH和C=O基团分别形成氢键，稳定??片层结构。
图2.37 平行排列的??片层。相邻??链方向相同。一条链某一氨基酸残基的C=O和NH基团分别与配对链一个氨基酸的NH和该氨基酸下游第二位氨基酸残基的C=O基团形成氢键，稳定??片层结构。