[科普中国]-链折叠

链折叠，是指凯勒（Keller）提出的折叠链模型。即分子链顷向于聚集在一起形成链束，分子链规整排列的链束细而长，表面能很大，不稳定。会自发的折叠成带状结构。也有一种说法是链折叠是直接以单根分子链（而不是链束）进行的。单晶的电子衍射图研究认为分子链的方向是垂直于晶片表面，链在晶片厚度范围内来回折叠。

简介链折叠（chain folding）

片晶中分子链自身回折重又进入片晶的现象。分子链沿片晶的厚度方向取向排列，链折叠发生在片晶的上下两个表面。链折叠除存在于单晶的情况外，在由熔体结晶得到的晶片中也可能出现。由于分子链的伸展长度比片晶厚度大得多，一个分子链上可以有多个折叠点。链折叠的动作可以通过很少几个。如4～5个重复单元来实现（紧折叠），也可通过许多个重复单元来实现（松折叠）。分子链上两个相邻折叠点间的链段长度称做折叠长度或折叠周期。在通常情况下折叠长度和片晶厚度是相当的。它们可随升高结晶温度和退火处理而增大。1

链折叠性质链折叠现象对结晶聚合物的行为非常重要，因而必须仔细考察链折叠结晶的情况。首先，一般认为，在许多聚合物中，链折叠没有多大的困难。对聚合物分予模型的麦察表明，大多数聚合物分子都会折叠起来，比较容易形成一种很致密的足以嵌砌到晶体表面的折叠，但是，化学结构比较复杂的聚合物，如主链上有庞大侧基或环以及分子链为梯形或梁状结构的聚合物，情况就不是这样。即使分子本来就是螺旋形，从一个螺旋部分到邻近反平行部分，通常都能发现存在缝隙。

在许多可能的折叠形式申，某些折叠形式将堕晶体的自由能最低，因此也是有利构形式。因为这些折叠形式具有规则性，可以称为结晶学上的折叠。为了弄清这些折叠究竟是什么折叠形式，人们曾作过一些计算。这就需要根据恰当的势能函数，使链变形与链间作用力的总能量为最小值。在聚乙烯中最有利的折叠大约含五个主链原子。因为不同的折叠方向必须与主晶格相配合，故所有的折叠都不会是等同的，但它们本身会形成多种规则的模式，这种模式可看成是一种晶体形状。

其次，为了通过结晶使自由能降到最低，孤立的长分子必将处于折叠状态。折叠能的增加和链间相互作用能的减少二者之间的差额（或采用互补量，减小韵自由能表面）将决定平衡折叠长度。

由许多分子构成的聚合物晶体的情况比较复杂。用电子显微镜观察单晶的结果表明，作为折叠长度度量的晶体厚度，对在一定温度下从一个规定的溶剂结晶出来的任一给定聚合物都是一个定值。而且，当结晶以所有片晶都以平行的形式沉淀出来时，所得到的沉积层能产生具有明显的四级离散反散的小角X—射线衍射图样。布拉格间距与晶体厚度相同，而且，衍射图样的清晰度表明，晶体厚度的规整度很高。小角X—射线衍射是测量片晶厚度的一种准确方法，晶片厚度也可采用相干光学显微镜测定；

折叠长度随温度和溶剂的变化情况见图。折叠长度随温度增加已被广泛地观测到。但是，正如下图表明的那样，这种关系实际上是与过冷程度有关，而与溶剂无关。如果在结晶过程中温度发生变化，折叠长度呈跳跃式逐级变化。

更值得注意的是，当晶体在高于结晶温度的温度下进行退火时，它即重新折叠成所处温度下的特征厚度。高温退火时，晶体的一部分消失，而其它部分增厚，晶体表面出现龟裂，或形成网络状晶体。

链折叠晶体的退火处理，正如所有退火过程一样，是一个使织态变粗大，即晶体增厚的过程。2

折叠链片晶模型1957年，从稀溶液中制得聚乙烯的单晶体，这是小的菱形片晶，晶相与非晶相是可以分离的。从此，以折叠链模型（单相模型）为高分子结晶形态基本规律的理论逐渐形成。

用极稀的高聚物溶液（浓度为0.01%～0.001%）在常压下，在接近高聚物熔点开始缓慢结晶时，可以得到高聚物单晶体，是完全有序的薄片，具有相当规则的形状，称为片晶。不只是聚乙烯，很多能结晶的高聚物在合适的条件下都可以得到单晶体。

已经看到，尽管各种高聚物单晶体的外形不尽相同，但晶片的厚度几乎相等，约为10-8m左右，分子的取向都是垂直于薄片平面的。

那么，伸展起来的长度可达10-7～10-8m以上的大分子链，在厚度仅有10-6m的薄片中怎样排列呢?Keller提出了折叠链结构模型，认为大分子以折叠的形式排入晶格成为片晶。也就是长链分子为了减少表面能而在几乎不改变键角与键长的情况下很有规则地反复折叠排入晶格。规整的折叠链片晶模型与不规整的片晶模型如图所示。

折叠链排列不可能非常规整与理想，即便高度规整的折叠链片晶也会有某些晶格缺陷。这些缺陷有：（1）链末端。这是因为两条分子链在片晶内对接处出现的中断。（2）无序的表面层。这是由于分子链在折返部位内应力大，不易排入晶格，以无序的晶格缺陷存在，但这并不出现分离与非晶相，只是表层的不规整。（3）断缺。指的是两条分子链搭接时出现的中断与重叠。（4）层间的连接链。这是指有的分子链从一个片晶进入另一个片晶。

已经证明，大分子的往返折叠是高聚物晶区晶体的基本规律，折叠链模型学说比缨状胶柬学说更符合实验中看到的现象。但也不能用折叠链模型学说广泛而完美地解释高聚物的各种性质。

高聚物通常含有30%～40%的非晶区。折叠链模型学说认为非晶区可能有两种情况，一种是片晶之间走向紊乱的链段，另一种则是当一些长链分子从一个片晶穿出来时，在片晶间彼此缠结。3

蛋白质多肽主链折叠的空间限制（一）酰胺平面与α碳原子的二面角

肽键是一共振杂化体，共振的结果是肽键具有部分双键的性质，不能绕键自由旋转，使主链肽基成为刚性平面，平面内C═O与N—H成反式排列，各原子间有固定的键角和键长。如图所示，肽链主链上只有α碳原子连接的两个键（Co—N和Co—C）是纯单键，能自由旋转，Co是两个相邻酰胺平面的连接点，酰胺平面之间的位置可以任意取向。两相邻酰胺平面之间，能以共同的Co为定点而旋转，绕Co—N键旋转的二面角（C—N—Co—C）称Φ角，绕Co—C键旋转的二面角（N—C—Co—N）称ψ角。Φ和ψ称作二面角，亦称构象角。原则上，Φ和ψ的值可取-180°～+180°的任意值。这样多肽链主链的各种可能构象都可用Φ和ψ的角度来描述。

当Φ或ψ旋转键所在的酰胺平面趋向二等分H—Co—R（侧链）平面，且该旋转键两侧的主链处于顺式构型时，规定Φ=0°或ψ=0°（下图）。从Co沿键轴方向观察，顺时针旋转的Φ或ψ角度为正值（+），逆时针旋转的角度为负值（-）。当Co的一对二面角茹Φ=180°和ψ=180°时，Co的两个相邻酰胺平面呈现完全伸展的主链构象，实际上ψ和Φ同时等于0°时的构象并不存在，因为两个相邻的肽单位上的酰胺基H和羰基O的接触距离比其范德华半径之和小，因此将发生空间重叠。由此可见，虽然理论上Co的两个单键（Co—N和Co—C）可以在-180°～+180°范围内自由旋转，事实上由于空间位阻的存在，并不是任意二面角所决定的肽链构象都是立体化学所允许的。二面角所规定的构象能否存在，取决于相邻两个肽单位中非共价键结合原子之间的接近有无障碍。4

（二）可允许的Φ和ψ值

1963年印度学者Ramachandran G．N．及其同事将肽链的原子看成是简单的硬球，根据原子的范德华半径计算了非键合原子间的最小接触距离，并根据此距离确定哪些成对二面角（Φ和ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并在以Φ为横坐标ψ为纵坐标所作的Φ—ψ图上标示出来。此图称拉氏构象图或拉氏图（Ramachandran plot）（下图）。图上的一个点对应于一对二面角（Φ，ψ），代表一个Co的两个相邻肽基单位的构象。如果将一个蛋白质多肽链上的所有‘的成对二面角Φ和ψ都画在图上，蛋白质主链的构象将清楚地表示在拉氏图上。

运用拉氏图进行研究发现，肽链的折叠具有相当大的局限性，在Φ—ψ图上只取有限范围的值。在图中阴影部分用白线封闭的区域是允许的。在此区域内，任意的成对二面角（Φ，ψ）所规定的构象都是立体化学允许的。例如：平行的（↑↑）和反平行（↑↓）的β折叠片，胶原蛋白的三股螺旋（C）和右手α螺旋（α）都位于允许区域内。阴影部分的其他区域为不完全允许区（临界限制区）。在这个区域内的任何二面角（Φ，ψ）所规定的主链构象虽是立体化学允许的，但是不够稳定。阴影外的其他区域是不允许的。该区域的任何二面角（Φ，ψ）所规定的主链构象都是立体化学所不允许的。因为在
这些构象中非共价键合原子问的距离小于极限距离，斥力很大，构象能量很高，这种构象极不稳定不能存在，例如：Φ=180°，ψ=0°和Φ=0°，ψ=180°的构象。上面所述的允许和不完全允许区都是针对非甘氨酸残基而言。如果氨基酸残基是甘氨酸，这一范围会扩大，因为甘氨酸残基侧链R基是H。总之，由于多肽链的几何学原因，由Co二面角（Φ，ψ）决定的构象数量虽然很多，但是能够存在于多肽链中的数量其实是极为有限的。4

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学