研究表明折叠肽比未折叠肽更具导电性

是什么让肽具有电子活力?根据《美国国家科学院院刊》上的一项新研究，肽是一种折叠结构。

电子传输是活细胞内产生能量的过程，可实现光合作用和呼吸作用，而具有折叠结构的肽可增强电子传输。贝克曼高级科学技术研究所的跨学科研究人员结合单分子实验、分子动力学模拟和量子力学来验证他们的发现。

首席研究员、伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程詹姆斯经济教授查尔斯施罗德说：“这一发现提供了对电子如何流经结构更复杂的肽的新认识，同时也为设计和开发更高效的分子电子设备提供了新途径。”

蛋白质存在于所有活细胞中，是光合作用、呼吸(吸入氧气并排出二氧化碳)和肌肉收缩等细胞活动不可或缺的一部分。

从化学角度来看，蛋白质是像节日灯一样串起来的长序列氨基酸，不同的颜色代表不同的氨基酸，如色氨酸和谷氨酰胺。

在蛋白质的最简单形式(其一级结构)中，氨基酸链是平放的。但是氨基酸很容易混合;当它们相互作用时，氨基酸链会缠结，导致结构坍塌，称为蛋白质折叠(或二级结构)。

研究人员询问蛋白质的结构是否以及如何影响其导电能力——现有文献尚未明确回答这个问题。

施罗德集团的研究生拉贾什·“瑞朱”·萨马杰达尔 (Rajarshi “Reeju” Samajdar) 正在耐心地探索这一蛋白质问题，每次只对一个分子进行实验。但萨马杰达尔根本没有研究蛋白质。相反，他关注的是肽，即含有少量氨基酸的蛋白质片段。

他说，在这项研究中，Samajdar 使用了含有大约四到五种氨基酸的肽，这使得能够进行更细致的观察。

萨马杰达尔发现了一些令人惊讶的事情：具有一级结构的拉伸肽似乎比具有二级结构的折叠肽更不有效地传导能量。肽在每种状态下的行为之间的明显差异激起了他的好奇心。

“肽非常灵活。我们感兴趣的是了解当肽被拉伸时，电导特性如何变化，以及肽从折叠的二级结构转变为伸展的构象。有趣的是，我看到这两种结构之间有明显的跳跃，每种结构都有不同的电子特性，”Samajdar 说。

为了验证自己的观察结果，Samajdar 请来了研究生助理 Moeen Meigooni，与贝克曼研究员、教授兼 J. Woodland Hastings 生物化学讲座教授 Emad Tajkhorshid 一起工作。

研究团队利用计算机模型模拟了肽的构象行为，证实了 Samajdar 观察到的急剧结构变化。

研究人员不遗余力地与蒙大拿州立大学化学助理教授马丁·莫斯克拉(Martin Mosquera)、贝克曼研究员、伊利诺伊州化学助理教授尼古拉斯·杰克逊(Nicholas Jackson)合作，利用量子力学计算证实这两个离散结构确实与电导率的变化有关。

“我们相信，将单分子实验、结构建模与分子动力学和量子力学相结合的方法是理解分子电子学的非常有效的方法，”Samajdar 说。“我们可以直接进入量子领域，但我们没有。计算机模拟部分使我们能够研究肽的整个构象空间。”

研究人员经过三重检查的结果表明，具有折叠二级结构的肽确实比具有未折叠一级结构的肽具有更好的导电性。他们观察到的特定二级结构形成了一种称为 3 10螺旋的形状。

由于这项研究是在肽上进行的，其结果有助于更好地理解更大、更复杂的蛋白质和其他生物分子中的电子传输，并指向在分子电子设备(如通过在两种不同结构之间切换工作的半导体)中的应用。