蛋白质的结构与折叠方式能直接影响其功能的实现,决定其结构与折叠方式的因素是分子体系内部以及分子与环境之间的相互作用力。Polyproline type II(PPII)是一种特殊的蛋白质二级结构,自上世纪50年代被发现以来,人们逐渐发现它在信号转导、自组装、免疫应答等方面均有着举足轻重的作用,但由于这种结构往往是一段很短的位于无规卷曲区域的序列,迄今为止,PPII结构的稳定性机制还未被完全揭露。近年来,随着实验技术的发展,高分辨率的晶体解析越来越容易,其中不乏针对PPII结构的解析。晶体结构对于研究人员们而言是重要的基础材料,基于这些结构参数,我们可以继而开展一系列实验与理论的相关研究。PPII结构中,脯氨酸往往高频出现,而脯氨酸的特别之处在于,当它参与肽键的形成时,氮原子的成键被碳饱和,不像其它氨基酸那样能够提供氮—氢原子参与氢键的形成,因此,PPII结构的稳定性来源显得扑朔迷离。近些年,研究人员通过大量的统计与理论计算分析发现,蛋白质中有一种比氢键弱,但普遍而广泛存在的因电子离域化形成的弱相互作用,这种名为n-π*的作用形式发生在有一定折叠基础的氨基酸序列中相邻的羰基上。由于PPII结构的折叠程度低于α-螺旋以及β-折叠,PPII螺旋因为富含脯氨酸因而氢键网络不发达,这使得我们联想到,PPII结构的稳定性与n-π*作用的关联。通过DFT理论的计算发现,脯氨酸侧链即其吡咯环本身具有endo/exo构象异构体,这种异构化能影响PPII结构中肽链骨架上的n-π*作用强度,而n-π*作用强度与PPII螺旋的张弛度相关联。虽然exo型脯氨酸能够形成n-π*作用更强,螺旋程度更高的PPII结构,然而这类肽链体系的能量却随着链增长而高于endo型链。为了解释这一现象,本研究中引入新发展起来的非键作用分析以及对分子偶极的分析,结果发现PPII构型的多聚脯氨酸中,除了肽链骨架受脯氨酸endo/exo构象异构的影响,其侧链方向也有不同的表现。通过分析表明这种侧链间的作用有可能是一种弱的偶极-偶极作用。在n-π*以及偶极-偶极作用的竞争下,脯氨酸能够调整序列的折叠程度从而增加了PPII结构的灵活性。除了DFT方法的理论计算外,本研究中还引入了对晶体数据库的大量分析,然而受分辨率与样本数目的限制,其结果未必比第一性原理计算的数据准确,但也一定程度上佐证了理论计算的结论。本研究首次指出脯氨酸endo/exo构象异构体对PPII结构灵活性的影响,对于理解PPII结构有着重要意义,并有助于蛋白质工程的研究。