分享一篇近期发表在Chem. Commun.上的研究进展，题为：Complete amide cis–trans switching synchronized with disulfide bond formation and cleavage in a proline-mimicking system。该工作的通讯作者是来自东京大学的Tomohiko Ohwada和Yuko Otani。
蛋白质中的二硫键形成于两个半胱氨酸（Cys）残基之间。当两个相邻Cys残基之间形成二硫键时，便得到了一个八元环结构，又称邻二硫环（vicinal disulfide ring，VDR）（图1，a）。氧化形成二硫键之前，两个Cys间的酰胺键无疑是以反式构象存在的，但在氧化成VDR后，酰胺键的顺反倾向便受到蛋白质具体化学环境的影响（图1，b）。当此酰胺的N原子被甲基化后，对应的三级酰胺在VDR中完全以顺式存在（图1，c）。前期研究中，作者发现并双环吡咯烷形成的酰胺键具有高度的反式倾向，而普通的三级酰胺往往是一个顺式和反式的混合物（图1，d）。
基于以上的研究背景，作者提出设计一个同时含有酰胺和二硫键的体系——当二硫键未形成时，酰胺键完全以反式存在，而在形成二硫键之后，酰胺键也随之完全切换为顺式。为了这个目标，作者设计合成了A和B两个系列的模型底物（图2）。系列A以脯氨酸为基本骨架，而系列B则含有结构更为复杂的双环吡咯烷结构。对A系列而言，无论是乙酰化二硫醇还是二硫环状态，酰胺键均为顺反混合物。与A明显不同，B系列在氧化前后均表现出了高度的顺反选择性：乙酰化二硫醇的酰胺键完全以反式存在，二硫环全部为顺式，并且七至九元环底物表现出了相同的规律（图3）。当使用三（2-羧基乙基）膦（TCEP）还原9c时（九元环，晶体结构见图2，d），也可观察到酰胺键从顺式到反式的完全转变（图2，e）。 随后，作者选择与天然VDR同为八元环二硫的9b，对它的构象展开了详细研究。在NOESY核磁谱图中，作者观察到了H(3)和H(7)的相关信号，进一步支持了9b的顺式构象。同时，在NOESY谱图中也清楚地观察到了二硫环上偕氢原子的交换信号，这表明9b在溶液中以一对互为对映异构体的构象异构体存在，并且它们之间存在慢速的互变（图4，a）。作者使用元动力学（metadynamics）方法模拟了χ3 和χ1’两个二面角对构象能量的影响，并由此锁定了a-d四个低能构象（图4，b）。DFT计算进一步优化得到了这些构象的三维结构并评估了它们的能量（图4，c）。其中，构象异构体a和b为对映异构体，能量最低。a构象中的二面角为(χ1, χ2, χ3, χ2’, χ1’) = (+59°, +57°, -73°, -28°, +72°)，按照VDR的分类，属于cis-(+, +)AntiLHHook构象。这种构象在天然VDR中非常罕见，通常认为因具有较大的张力而不稳定。在本体系中，作者认为正是9b独特的双环结构稳定了高张力的二硫环，并且减缓了环的构象翻转。 最后，作者使用交换核磁谱（EXSY）测定了9b的构象a和b间的互变能垒（ΔG‡）为15.9 kcal/mol，与DFT预测的15.6 kcal/mol较为接近。此外，作者还使用理论或实验手段研究讨论了除9b外，其他几种二硫环的构象，笔者在此不再赘述，请感兴趣者阅读原文。 综上，本文基于双环酰胺的特殊结构，实现了与二硫键的形成-断裂相耦合的酰胺键顺反的完全切换，且所得八元环二硫具有自然界罕见的高张力cis-(+, +)AntiLHHook构象。作者认为该体系将有望应用于多肽的构象调控。
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