环醇假说

**環醇假說**（cyclol hypothesis），為第一個摺疊的球狀蛋白質結構模型概念 ，這是多蘿西・林奇在 20 世紀 30 年代基於三個假設提出的。首先，該假設假設兩個肽鍵由 **Cyclol 反應**交聯而成（圖 1），這些交聯鍵是共價的肽的同系物之間的氫鍵，而非「共價鍵」。這些反應已被發現存在於麥角肽和其他化合物中。第二，該假設提出在某些條件下，胺基酸會自然地在最大數量上進行 Cyclol 交聯反應，生成 **Cyclol 分子**（圖 2）和 **Cyclol 結構**（圖 3）。這些 Cyclol 分子和 Cyclol 結構從來沒有被觀察到。最後，該假設認為球狀蛋白質的三級結構對應的正多面體和半規則的多面體形成的 Cyclol 結構是沒有自由邊緣的。這種「封閉式的 Cyclol」分子也沒有被觀察到。

儘管後來的數據表明，這種本源的球狀蛋白質結構需要被修正，幾種元素的 Cyclol 模型也得到了驗證，比如 Cyclol 反應本身和該假設，即疏水性相互作用主要負責蛋白質的摺疊。Cyclol 假設是一個更精確的 DNA 雙螺旋結構和蛋白質二級結構模型假設，同時激勵許許多多的科學家研究蛋白質結構和化學性質的相關問題。Cyclol 假設的提出和測試也為經驗證偽性作為科學方法的一部分提供了一個很好的例證。

## 歷史背景

20 世紀 30 年代中期，由西奧多・斯維德伯格提出的超高速離心研究表明蛋白質有一個明確的化學結構，並沒有聚合的小分子 。 同樣的研究似乎表明，蛋白質的分子量與幾個有明確定義的整數有一定的關係， 例如 Mw = 2p3qDa，其中 p 和 q 都是非負整數。 然而，確定確切的分子量和蛋白質分子中的胺基酸數量卻相當困難。斯維德伯格還表示，溶液條件下的變化可能導致蛋白質分解成許多子單元，即現在已知的四級機構變化。

在那時，蛋白質的化學結構仍未確定。 最被大眾接受（並最終被證實正確）的蛋白質結構假設指出蛋白質是線性的多肽，即無支鏈聚合物的胺基酸以肽鍵相連。 然而，一個典型的蛋白質是非常長 — 數百個胺基酸基團 — 幾位著名的科學家不能確定這樣的長的線性大分子是否能穩定的存在於溶液中。 進一步懷疑產生蛋白質的多肽性質是因為觀察到某些酶分解蛋白質而不是多肽，另一些分解多肽但是沒有摺疊蛋白質。 嘗試在試管中合成蛋白質是不成功的，這主要是因為胺基酸的手性；天然存在的蛋白質是只由左旋的胺基酸組成的。因此，非正統的蛋白質結構的化學模型也被列入考慮範圍，如埃米爾・阿布德哈爾登的二酮哌嗪假設 。 但是，沒有一種非正統的模型能解釋為什麼蛋白質只產生胺基酸和多肽、蛋白質水解產物。由 Linderstom-Lang 澄清，這些蛋白質水解數據顯示，變性的蛋白質就是多肽，不過沒有數據顯示蛋白質的摺疊結構；因此，變性可能涉及一個將摺疊的蛋白質轉化為多肽的化學變化。

1910 年，蛋白質的變性過程（區別於凝固）被哈麗葉和查爾斯・馬丁發現， 但其本質仍然是個迷。提姆・安森和阿爾弗雷德・米爾斯基表示變性是一個可逆的，共存的過程， 致使許多化學基團能參與化學反應，包括裂解酶. 1929 年，吳憲正確地假設變性相當於蛋白質打開，換句話說也就是一個純粹的導致胺基酸側鏈暴露在溶劑中的構象變化.. 吳的假設也在 1936 年分別被米爾斯基和萊納斯・鮑林進一步完善。然而，研究蛋白質的科學家不能排除變性是一個蛋白質結構化學變化的可能性，該假設知道 20 世紀 50 年代才被認為是有一定（相對較小的）可能性.

1911 年，X 射線晶體學才開始成為一門學科，同時相對迅速地推進了從簡單的鹽晶到複雜分子的晶體，比如膽固醇。然而，即使是最小的蛋白質也具有超過 1000 個原子，這使得他們的結構更加的複雜。雖然胰島素和其他蛋白質的結構直到 20 世紀 60 年代末才得以解決，但是多蘿西・克勞福特・霍奇金早在 1934 年就已採集小分子蛋白質，也即胰島素的晶體結構數據。然而，20 世紀 30 年代初許多天然纖維，比如羊毛和頭髮的開創性的 X 射線纖維衍射數據就已經被威廉・阿斯特伯里收集。他提出了二級結構元素的基礎模型，如蛋白質的 α 螺旋和 β 摺疊。

20 世紀 30 年代，由於人們對於蛋白質的結構知之甚少，對物質結構起到物理穩定作用也同樣未知。威廉 阿斯特伯里推測是 β 摺疊中的氫鍵對纖維蛋白的結構起到穩定作用. 1932 年，多蘿西・喬丹・勞埃德也提出了氫鍵穩定球狀蛋白結構的想法，後來也得到阿爾弗雷德・米爾斯基和萊納斯・鮑林的支持 在牛津初級科學協會 1933 年阿斯特伯里的講座當中，物理學家弗雷德里克・弗蘭克提出纖維蛋白 α— 角蛋白可能是由一種替代機制穩定，也就是說是由上述的 Cyclol 反應_共價_交聯形成肽鍵。, Cyclol 交聯將兩個肽基緊密結合在一起；N 原子和 C 原子相距～1.5 Å ，而在一個典型的氫鍵當中相距～3 Å。J・D・博納爾對這個想法很感興趣，他向數學家多蘿西・林奇表示，這個想法可能有助於了解蛋白質的結構。

## 基本理論

林奇將這個想法發展成一個完整的蛋白質結構模型。在她的第一篇論文（1936 年）中奠定了基礎的 Cyclol 模型。她指出，多肽環化形成閉合環狀結構（真實存在），這些環狀結構通過 Cyclol 反應內部交聯（也真實存在，但是非常少見）。假設肽鍵的 Cyclol 構型比醯胺鍵更加穩定，林奇得出這樣的結論：特定的環狀肽會產生最大量的 Cyclol 構型（比如 **Cyclol 6**，圖 2）。如果化學鍵被視為具有相同的長度，那麼這種 Cyclol 分子將具有六邊形對稱性，大約為 1.5 Å；相對而言 N-C 鍵 C-C 鍵的長度分別為 1.42 Å 和 1.54 Å。

這種環狀結構可以無限延長形成 **Cyclol 結構**（圖 3）。這種結構表現出一種遠程、准晶體的規律，在林奇認為這很可能存在於蛋白質中，由於它們必須將數以百計的基團緊密的聚合在一起。這種分子和結構的另一個有趣的特點就是它們的胺基酸側鏈只從一面沿軸方向向上伸展，而另一面並沒有側鏈。因此，一個側面就是一個多肽的完全獨立的一句序列，林奇推測這樣的結構也許能解釋蛋白質結構的獨立特性。

在她的第一篇文章中，林奇表示，Cyclol 模型只不過是一個假設，蛋白質結構的一個可能有效模型，那麼就不得不取得驗證。她在這篇文章和後續的文章中，想提出一個明確、可檢驗的模型，用以驗證假設的結論，也用來對通過實驗方法取得的結果進行推測。這些目標，她都成功的實現了；然而，實驗和進一步的建模顯示 Cyclol 假設對於球狀蛋白質是站不住腳的。

## 能量穩定

在兩份同時發給主編的信中（1936 年），林奇和弗蘭克想主編提出關於肽鍵的 Cyclol 結構是否在事實上比醯胺鍵更加穩定的問題。一個相對簡單的計算表明，Cyclol 結構明顯沒有醯胺鍵穩定。因此，除非能確定一個補償能源確切來源，否則 Cyclol 模型將被放棄。起初，弗蘭克提出，可能會有更好的與周圍環境相互作用用以穩定 Cyclol 結構；後來，林奇和歐文・朗繆爾推測疏水締合的非極性側鏈提供穩定的能量來克服 Cyclol 反應的能量消耗 。

由於 Cyclol 鍵的不穩定性為變性特性提供了一個自然解釋，因此被視為該模型的一個_優勢_；Cyclol 鍵的逆轉 從而形成更加穩定的醯胺結構使整個結構變為一個開放構型，並使其能夠與蛋白酶反應，這與實驗結果是一致的。早起研究表明，蛋白質由於壓力造成與由於高溫度造成的變性往往處於不同的狀態，這被視為支持 Cyclol 模型可能性的理論.。

朗繆爾 — 林奇疏水性穩定假設和 Cyclol 模型的衰落，主要是由於萊納斯・鮑林的影響，他提出了氫鍵使蛋白質結構穩定的假設。20 年之後疏水性相互作用被確認為是蛋白質摺疊的主要動力。

## 位阻互補

在她的第三篇論文（1936 年）中，林奇指出，許多「具有生理活性」的物質，比如，膽固醇，由稠合的碳六元環組成，因此，可能成為 Cyclol 分子沒有胺基酸側鏈一側的立體互補構型。林奇提出，立體互補是判定一個小分子是否能夠結合蛋白質的主要因素之一。
林奇推測，蛋白質負責所有生物分子的合成。注意到細胞只有在極度飢餓的情況下才會消化蛋白質，林奇進一步推測，生物生存離不開蛋白質。

## 混合模式

從一開始，Cyclol 反應被認為氫鍵的共價鍵模擬形式。因此，人們很自然地考慮這兩種鍵的混合模型。這是林奇第四篇論文（1936 年）關於 Cyclol 模型的主題，多蘿西・喬丹・勞埃德也參與了該論文的撰寫，是她首先提出了氫鍵穩定球狀蛋白質。一篇寫於 1937 年的後續的論文中引用其他研究的蛋白質氫鍵的研究人員，比如莫里斯・羅亞爾・哈金斯和萊納斯・鮑林.

林奇和威廉・阿斯特伯里也寫了一篇論文，指出 > CαHα 和醯胺羰基 > C=O 酮烯醇異構化的可能性，產生 > Cα-C(OHα)< 交聯結構再次將氧轉化為羥基。這樣的反應可能會產生五元環，而經典的 Cyclol 假設會產生六元環。這種酮烯醇異構化並沒有進一步發展.

## 封閉空間結構

在她關於 Cyclol 的第五篇論文（1937 年）中，林奇確定 Cyclol 結構可能介入兩個平面之間從而形成帶有角度的化學鍵角的條件。她確定了一個簡潔的數學模型，其中非平面的六元環的原子可以通過由化學鍵中點連接而成平面「中心六邊形」表示。如果兩個平面之間的二面角平分四面體鍵角即 δ= arccos (-1/3)≈109.47° 這種「中心六邊形」模型使 Cyclol 結構平面準確介入的情形就非常容易被觀察到。

各種各樣的封閉的多面體都滿足這一標準，其中最簡單的是截頂四面體，截頂八面體和八面體，這些都是柏拉圖式固體或者半規則的多面體。考慮到第一系列的「封閉式 Cyclol 結構 s」（那些截頂四面體模型），林奇表示，它們的胺基酸數量以 72_n_2 形式增加，其中 _n_ 為封閉式 Cyclol 結構 _Cn_ 的指數。因此，_C1_ Cyclol 擁有 72 個基團，_C2_ Cyclol 擁有 288 個基團，等等。這個推測初步的實驗支持來自於麥克斯・伯格曼和卡爾・尼曼 ，他們對於胺基酸的分析表明，蛋白質由 288 個胺基酸基團構成 (_n_=2) 。一般來說，球狀蛋白質的 Cyclol 模型能解釋西奧多・斯維德伯格早期的超速離心分析法的結果，這表明該模型使蛋白質的分子量能被幾個有明確定義的整數確定.

Cyclol 模型與導致蛋白質摺疊的一般特性相一致. （1）離心法研究表明，摺疊的蛋白質明顯比水更加緻密 (~1.4 g/mL)，因此，顯得更加緊湊；林奇假設說，密實填充意味著規整填料。（2）儘管尺寸偏大，一些蛋白質迅速結晶形成對稱晶體，與對稱結構的設想是相一致的。（3）蛋白質結合金屬離子；由於金屬結合位點具有特定的鍵的幾何構型（例如，八面體），這便可以使我們得出一個合理的假設，整個蛋白質也具有相同的晶體幾何。（4）如上所述，Cyclol 模型為變性和用蛋白酶分解摺疊蛋白質的難度提供了一個簡單的_化學_解釋。（5）蛋白質被假設認為是負責所有生物分子的合成，也包括其他蛋白質。林奇注意到，一個固定的，統一的結構是有利於蛋白質模板的合成，類似於沃森 — 弗朗西斯・克里克的 DNA 自我複製理念。由於許多生物分子，比如由於許多生物分子如碳水化合物和甾醇具有六邊形的結構，所以我們可以合理假設，其合成的蛋白質同樣具有六邊形結構。在她的三篇綜述論文中，林奇總結了她的模型及其相對應的分子量實驗數據.

## 推測的蛋白質結構

由於提出了一個球狀蛋白質的模型，林奇對該模型是否與可用的結構數據相一致進行了調查研究。她推測，牛結核菌色蛋白（523）是一個由 72 個基團構成的 _C1_ 封閉式 Cyclol 結構結構， 而胃蛋白酶是一個由 288 個基團構成的 _C2_ 封閉式 Cyclol 結構結構。 由於可用於計算蛋白質質量的方法並不準確，因此很難核實這些基團數量的推測是否正確，例如超速離心分析法和化學方法。

林奇還推測，胰島素是由 288 個胺基酸基團構成的 _C2_ 封閉式 Cyclol 結構結構。有限的胰島素 X 射線晶體學數據在林奇認為是能夠「證實」她的模型的。 然而，這種解釋被嚴厲地指責為一種草率的結論。 多蘿西・克勞福特・霍奇金通過對胰島素帕特森圖的仔細研究，發現它們與 Cyclol 模型是基本一致的；然而，這種一致性並沒有充分地表明 Cyclol 模型是成立的.

## 衰落

 
有幾個原因證明 Cyclol 結構是不太可能的。漢斯・紐拉特和亨利・布爾表示 Cyclol 結構側鏈的密實填充與實驗所測得的蛋白質膜的密度不相符合。穆利斯・哈金斯計算得到這樣的結論：Cyclol 結構的幾個非鍵合原子之間的距離比其所允許的范德華半徑更小；比如結構內的 Hα 原子和 Cα 原子之間的空隙僅僅為 1.68 Å（圖 5）。豪若威茲用化學方法表示蛋白質外側不會存在很大數量的羥基基團，而這恰恰是 Cyclol 模型的關鍵推測，梅耶和 Hohenemser 表示，胺基酸的 Cyclol 縮合是不存在的，即使作為一個過渡態。伯格曼、尼曼和紐伯格提供了更多的反對 Cyclol 模型的化學論據。紅外光譜數據顯示蛋白質水解時其中羥基數量並沒有改變，完整的，摺疊蛋白質具有一個完整的醯胺羥基。這兩個觀察資料否定了 Cyclol 假設，即在摺疊蛋白質中羰基是轉化為羥基的。最後，蛋白質含有大量的脯氨酸（通常為 5%）；由於脯氨酸缺少醯胺氫，脯氨酸中的氮已經形成三個共價鍵，脯氨酸似乎不能發生 Cyclol 反應並形成 Cyclol 結構。鮑林和尼曼給出了一個反對 Cyclol 模型完善的化學和結構證據概述。此外，1939 年一項支持的證據 — 所有的蛋白質包含 288 個胺基酸基團的整數倍 —— 被證明是同樣不正確的。

 
林奇回答批評 Cyclol 模型的空間位阻，自由能，化學品性和剩餘基團評論文章。他指出，鍵角和鍵長的細微變形減小空間位阻效應，或者至少降低到一個合理的程度。她注意到，在一個分子當中非鍵合的基團之間的距離小於預計的范德華半徑，例如，六甲基苯中甲基原子團之間的距離只有 2.93 Å 。關於 Cyclol 反映的自由能，林奇並不同意鮑林由計算所得的結論，她表示，僅在鮮為人知的分子內能量基礎上排除 Cyclol 模型是不對的。在林奇對化學評論文章的回覆中，她表示 Cyclol 模型不涉及模型化合物和和簡單的雙分子反應的研究，空間位阻有可能阻止表面羥基反應。關於剩餘基團的質疑，林奇在其他剩餘基團的數量方面進行了擴展。特別值得一提的是，她提出了一個只由 48 個基團構成「最小的」封閉式 Cyclol 結構，在這種（不正確的）基礎上，可能是第一個提出胰島素單體的分子量大約為 6000 Da。

因此，她認為球狀蛋白的 Cyclol 模型是仍然可行的，甚至提出 Cyclol 構型是一個細胞骨架組成成分。然而，大多數研究蛋白質的科學家不再相信這種假設，林奇也把她的科研方向轉移到 X 射線晶體學中的數學問題，這在各方向她做出了卓著的貢獻。林奇在史密斯學院的同事物理學家格拉迪斯・安斯洛是一個例外，他在 20 世紀 40 年代致力於蛋白質和多肽的紫外吸收光譜研究，並在她的結果中解釋 Cyclol 的可能性。由於胰島素的序列開始被弗雷德里克・桑格確認，安斯洛發表了一個帶支鏈的 Cyclol 三維模型，是以林奇 1948 年提出的「最小 Cyclol」模型為基礎的。

## 部分贖回

 

所有 Cyclol 模型的衰落逐漸導致其自身元素的排斥；一個值得注意的特例就是 J・D・貝爾納對於朗繆爾 — 林奇蛋白質摺疊是由於疏水締合驅動的假設的短期驗收。 然而，20 世紀 50 年代 Cyclol 鍵存在於自然生成的小分子環狀肽中。

現代術語學的說明是恰當的。經典的 Cyclol 反應是一個肽基的 N-H 胺鍵嵌入另一個基團的 C=O 羰基；所的化合物現在被稱為 **azacyclol**。通過推測，一個羥基基團加入肽基羰基基團後形成一個 **oxacyclol**。同樣的，一個硫醇基團加入肽基羰基基團後形成一個 **thiacyclol** 。

真菌麥角菌中的 oxacyclol 麥角生物鹼是首例被確認的 Cyclol。 環狀縮肽沙雷氏菌縮肽同樣也是由 oxacyclol 反應得到的。 用化學方法也得到了類似的環狀 thiacyclols。 在小分子 和 三肽 中也發現了經典的 azacyclols。多肽是自發地由 azacyclol 逆轉反應得到的， Cyclol 模型的一個關鍵推測。數以百計的 Cyclol 分子已被確認，儘管萊納斯・鮑林的計算說明由於不穩定的高能量，這種分子應該是不存在的。

在林奇長時間致力於 X 射線晶體學數學運算的過程中，林奇用極大的熱情回應了這些關於 Cyclol 模型及其與生物化學關係的發現。 她出版了兩本書，在這兩本書中她概括地描述了 Cyclol 理論和小分子多肽。

## 科學方法示意圖

蛋白質結構的 Cyclol 模型是一個經驗證偽作為科學方法的一部分的一個例子。最初的假設的提出是為了解釋原理不明的實驗現象；而這一假設的結果由實驗驗明真偽。在這種情況下，肽鍵的 Cyclol 結構能強於醯胺鍵便成為了一個關鍵的假設。這個假設衍生出一個 Cyclol-6 分子和 Cyclol 結構的推測，這反過來說明球狀蛋白的半規則多面體模型。一個摺疊蛋白質的羰基應該是大量的轉變成為羥基的推測是能夠通過實驗來驗證的；然而，光譜分析和化學實驗表明，這個推測是不正確的。Cyclol 模型還推測了摺疊蛋白質中胺基酸的高橫向密度，但是這與實驗結果不相符。因此，Cyclol 模型被推翻，大家開始探求蛋白質結構的新假設，比如 20 世紀 40 年代和 20 世紀 50 年代提出的 α 螺旋模型。

有時候有人說 Cyclol 假設不應該被拓展， 因為該理論存在先天缺陷，例如其空間位阻，對脯氨酸的不適應性，高自由能都不利於 Cyclol 反應。雖然這種缺陷使 Cyclol 假設令人_難以置信_，但是這並不意味著完全_不可能_。Cyclol 模型是第一個定義明確的球狀蛋白結構模型，但是其分子間作用力和蛋白質結構太少被人所知以至於沒有被推翻。它巧妙的說明了蛋白質的幾個基本特性，同時解釋了異常的實驗現象。雖然這個理論不正確，Cyclol 理論的某些部分卻最終被證實，比如 Cyclol 反應和疏水性相互作用在蛋白質摺疊中的作用。一個相對有用的是玻爾模型的氫原子，它從成立之初被認為是不可信的，甚至是它的創造者， 推導出了量子力學的最終正確的理論。同樣的，萊納斯・鮑林 提出了一個明確定義的 DNA 模型， 一個難以置信卻又發人深省的模型。 Cyclol 理論的故事是一個區域科學發展的例子，提出一個明確定義的假設，測試它，當這個理論被證明是錯誤的時候排除它。

相反，Cyclol 模型是對稱性和完美一個不正確的科學理論例子，這兩種特性可以被看作「明顯正確的」科學理論。例如，沃森 — 克里克 DNA 雙螺旋模型 有時說是「顯而易見」因為其合理的氫鍵和對稱性；不過，另外，在不同的條件下，NDA 的不對稱結構是有利的。 同樣的，阿爾伯特・愛因斯坦的廣義相對論的完美理論被認為是不需要實驗驗證的；然而這個理論需要用量子場論來修正。 Cyclol 模型的例子說明，所有的科學理論，即使是最完美，最對稱的，也必須通過實驗來驗證，沒有理論是明顯正確的，先天成立的，只有更合理的。

## 參考

* Primary structure
* 肽鍵
* 胰島素
* 變性 (生物化學)
* Dorothy Maud Wrinch
* 萊納斯・鮑林

## 文獻出處

## 擴展閱讀

* "Protein Units Put in Graphic 'Cage'," New York Times, 19 April 1940, page 14.
* "Waffle-Iron Theory of Proteins," New York Times, 2 February 1947, page E9.
* _Structures of Matter and Patterns in Science, inspired by the work and life of Dorothy Wrinch, 1894–1976_, Proceedings of a Symposium held at Smith College, Northampton, Massachusetts on 28–30 September 1977.Marjorie Senechal, editor. Schenkman Publishing Company, 1980.
* Selected papers of Dorothy Wrinch, from the Sophia Smith Collection （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
* "I Died For Beauty: Dorothy Wrinch and the Cultures of Science," by Marjorie Senechal, Oxford University Press, 2013.