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環醇假說

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圖 1: 在經典Cyclol反應中，兩個多肽由一個N-C鍵相連，將羰基氧轉換成羥基。雖然該反應發生在幾個環狀肽之間，但是這是不穩定的自由能，主要是因為它消除了肽鍵的共振穩定作用。這種反應是多蘿西·林奇（英語：Dorothy Maud Wrinch）關於蛋白質的Cyclol假設的基礎。

環醇假說（cyclol hypothesis），為第一個摺疊的球狀蛋白質結構模型概念[1] ，這是多蘿西·林奇（英語：Dorothy Maud Wrinch）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，氨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

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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 [2]。 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[3]， 例如Mw = 2p3qDa，其中p和q都是非負整數[4]。 然而，確定確切的分子量和蛋白質分子中的氨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[5]。

在那時，蛋白質的化學結構仍未確定[6]。 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，即無支鏈聚合物的氨基酸以肽鍵相連[7][8]。 然而，一個典型的蛋白質是非常長—數百個氨基酸基團—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[9][10]。 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[11]。 嘗試在試管中合成蛋白質是不成功的，這主要是因為氨基酸的手性；天然存在的蛋白質是只由左旋的氨基酸組成的。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 [12][13]。 但是，沒有一種非正統的模型能解釋為什麼蛋白質只產生氨基酸和多肽、蛋白質水解產物。由Linderstom-Lang [14]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[15]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[16]， 致使許多化學基團能參與化學反應，包括裂解酶[16][17]. 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氨基酸側鏈暴露在溶劑中的構象變化.[18]. 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[19]. 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[17]，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[20][21].

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[22][23]. 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[24][25], 後來也得到阿爾弗雷德·米爾斯基和萊納斯·鮑林的支持[19] 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。[26], 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

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圖 2: 由多蘿西·林奇提出的丙氨酸Cyclol-6分子是一個由三個肽鍵通過Cyclol反應稠合的環狀六肽。三個環外（未稠合）肽基並不是在同一平面上，但有有一個角度為60°的二面角。在中央環狀結構三個紅色原子代表的羥基是由Cyclol反應交聯而成的，然而環外的三個紅色原子代表羥基中的氧原子。環內的環內的氧原子之間的距離只有2.45 Å，這對於氫鍵原子來說也是極其緊密的。該假設分子並沒有在自然環境中被發現過。

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[27]. 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構型比酰胺鍵更加穩定，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氨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

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圖 3: 丙氨酸氨基環醇的線性結構是多蘿西·林奇提出的。Cyclol結構在概念上和β摺疊相類似，不過更加均勻，側鏈更加緻密。這種結構在這種流變性結構中具有較大「空隙」，在這種結構中，三個Cβ原子（綠色）和三個Hα原子（白色）聚集在一個（相對）空曠的區域。該結構的支鏈不是相對稱的；所有的Cβ原子都出現在同一側，在這裡是在「上方」。代表羥基（不是羥基化合物）的紅色原子，出現在（一組三個）Cyclol結構的兩側；藍色原子代表氮原子。該假設的結構並沒有在自然環境中被發現。

在兩份同時發給主編的信中（1936年）[28][29]，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酰胺鍵更加穩定的問題。一個相對簡單的計算表明，Cyclol結構明顯沒有酰胺鍵穩定。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[30][31] 。

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酰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[32][33]。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.[34]。

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[35]。

位阻互補

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在她的第三篇論文（1936年）[36]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分子沒有氨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

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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[37]，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.[24] 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[38].

林奇和威廉·阿斯特伯里也寫了一篇論文，指出>CαHα和酰胺羰基>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[39]. 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[40].

封閉空間結構

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圖 4: Cyclol C1 的線性模型是由多蘿西·林奇提出的。該分子是四平面Cyclol結構組成的截頂四面體，每個角周圍一個空白（48個基團），4個基團兩兩組合在一起。因此，這種分子總共具有72個氨基酸基團。它被認為是「向上的面」，即尋找一個Cyclol空隙。側鏈的所有空間位點在內部好像一個「籠狀」結構。這種假設結構在自然界中還沒有被觀察到。

在她關於Cyclol的第五篇論文（1937年）[41]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，它們的氨基酸數量以72n2 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 [4]，他們對於氨基酸的分析表明，蛋白質由288個氨基酸基團構成 (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[2][3].

Cyclol模型與導致蛋白質摺疊的一般特性相一致[42]. （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，密實填充意味着規整填料。（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[43].

推測的蛋白質結構

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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[44]， 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[45][46]。 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個氨基酸基團構成的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[47]。 然而，這種解釋被嚴厲地指責為一種草率的結論[48]。 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[49].

衰落

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圖 5:丙氨酸Cyclol結構沒有Cβ原子的一側的空間位圖。改圖顯示三個對稱結構和其不同尋常的密度；比如，在空白處—3個Cβ原子（顯示為綠色）和3個Hα原子（顯示為白色三角形）聚集在一起—碳原子和氫原子之間的距離為1.68 Å。較大的綠色球體代表Cβ原子；Cα原子通常是不可見的，除了旁邊極少數的代表氮原子的藍色三角形。像前面一樣，紅色原子代表羥基基團，而不是羥基中的氧原子。


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[50]。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）[51]。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[52]，梅耶和Hohenemser表示，氨基酸的Cyclol縮合是不存在的，即使作為一個過渡態[53]。伯格曼、尼曼[54]和紐伯格（英語：Albert Neuberger）提供了更多的反對Cyclol模型的化學論據[55][56]。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[57]，完整的，摺疊蛋白質具有一個完整的酰胺羥基[58]。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%）；由於脯氨酸缺少酰胺氫，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[59]。此外，1939年一項支持的證據—所有的蛋白質包含288個氨基酸基團的整數倍[4]——被證明是同樣不正確的[60]。


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[61]。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[61]。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[62]。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[63]，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[64][65]。

因此，她認為球狀蛋白的Cyclol模型是仍然可行的[66][67]，甚至提出Cyclol構型是一個細胞骨架組成成分[68]。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[69][70]。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[71]，是以林奇1948年提出的「最小Cyclol」模型為基礎的[63]。

部分贖回

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圖 6: 一個典型的azacyclol分子（紅色的）迅速轉化為它的雙內酰胺大患形式（藍色）。雙內酰胺的酰胺基團是以Cyclol形式交聯得到的；這兩種可逆的形式具有相似的穩定性，平衡係數為~1。然而，開放結構（黑色）是不穩定的，同時也是觀察不到的.[72]


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[73]。 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 [74]。

真菌麥角菌中的oxacyclol 麥角生物鹼是首例被確認的Cyclol[75]。 環狀縮肽沙雷氏菌縮肽同樣也是由oxacyclol反應得到的[76]。 用化學方法也得到了類似的環狀thiacyclols[77]。 在小分子[78] 和 三肽 [79] 中也發現了經典的azacyclols。多肽是自發地由azacyclol逆轉反應得到的[80]， 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[59]。

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[81]。 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[82][83]。

科學方法示意圖

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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結構能強於酰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氨基酸的高橫向密度，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[84][85]， 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，但是這並不意味着完全不可能。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[86]， 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[87]， 一個難以置信卻又發人深省的模型[88][89]。 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[89] 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[90]。 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[91]。 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

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文獻出處

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