PNAS：折叠的肽比未折叠的肽具有更强的导电性

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校贝克曼高级科学技术研究所的研究人员将单分子实验、分子动力学模拟和量子力学结合起来，验证了发表在《美国科学院院刊》上的研究结果。

　　

是什么让电子pep出现在缩氨酸中?根据《美国国家科学院院刊》上的一项新研究，这是一种折叠结构。

电子传递是活细胞内产生能量的过程，使光合作用和呼吸作用得以实现，在具有折叠结构的肽中得到增强。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。

“这一发现为电子如何流过结构更复杂的肽提供了新的理解，同时为设计和开发更有效的分子电子器件提供了新的途径，”首席研究员查尔斯·施罗德说，他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程詹姆斯经济学教授。

蛋白质存在于所有活细胞中，是光合作用、呼吸作用(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。

从化学上讲，蛋白质是一长串氨基酸，就像节日彩灯一样，不同的颜色代表不同的氨基酸，比如色氨酸和谷氨酰胺。

在蛋白质最简单的形式(它的初级结构)中，氨基酸链是平的。但是氨基酸容易混合;当它们相互作用时，弦就会缠结，导致结构崩溃，称为蛋白质折叠(或二级结构)。

研究人员提出了一个问题，蛋白质的结构是否以及如何影响其导电能力——现有文献没有明确回答这个问题。

施罗德集团(Schroeder Group)的研究生拉贾什·“里居”·萨马吉达(Rajarshi“Reeju”Samajdar)耐心地研究这个蛋白质问题，每次只对一个分子进行实验。但是Samajdar根本没有研究蛋白质。相反，他专注于多肽，即含有一小部分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4到5个氨基酸的肽，这使得可以进行更细致的观察。

Samajdar发现了一些令人惊讶的现象:与具有二级结构的折叠肽相比，具有一级结构的伸展肽似乎是更有效的能量导体。肽在不同状态下的明显差异激起了他的好奇心。

“多肽非常灵活。我们感兴趣的是了解电导性质是如何变化的，当你把它们拉伸时，肽从折叠的二级结构转变为扩展的构象。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。”

为了验证他的观察结果，萨马吉达找来了莫恩·梅古尼(Moeen Meigooni)，他是一名研究生研究助理，与贝克曼研究员、教授、J.伍德兰·黑斯廷斯(J. Woodland Hastings)生物化学特聘教授伊马德·塔克霍什德(Emad Tajkhorshid)共事。

研究小组用计算机模型模拟了多肽的构象行为，证实了Samajdar观察到的不稳定的结构变化。研究人员与蒙大拿州立大学化学助理教授马丁·莫斯克拉(Martin Mosquera)和伊利诺斯州贝克曼研究人员兼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了这两种离散结构确实与电导率的变化有关。

Samajdar说:“我们相信，我们的方法结合了单分子实验、分子动力学和量子力学的结构建模，是理解分子电子学的一种非常有力的方法。”“我们本可以直接走向量子，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。”

研究人员的三次检查结果表明，具有折叠二级结构的肽比具有未折叠一级结构的肽具有更好的导电性。他们观察到的特殊二级结构形成了一种叫做310螺旋的形状。

由于这项工作是在多肽上进行的，因此研究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递，并指出了在半导体等分子电子器件中的应用，这些器件通过在两种不同结构之间切换来工作。