胶原蛋白为何能在恐龙化石中“亿年不腐”？来自化学家的新见解

        近日，美国化学会旗下的《ACS Central Science》期刊刊登了一篇从化学家视角研究古生物化石中胶原蛋白保存原因的论文。在不依赖化石和现代生物样本的情况下，化学家们利用合成类似结构特征分子的方法，验证了他们对于胶原蛋白保存问题的猜测。结果也许会让你意想不到，让这种生物大分子能够“亿年不腐”的原因竟是量子力学中的泡利不相容原理。本专栏对该研究成果进行简要介绍，但专业性化学概念较多，理解原理和研究方法需要具备一定的大学基础化学知识。

        胶原蛋白是动物体内最丰富的蛋白质，它在骨骼和皮肤中形成坚固的支架。尽管蛋白质中连接氨基酸的肽键在25℃的中性水溶液中只能保持大约500年的稳定性，但人们却在研究恐龙化石的过程中发现过胶原蛋白的片段。例如，古生物学家曾在生存于晚白垩世的霸王龙和短冠龙的化石中提取到I型胶原蛋白的片段；我国的禄丰龙化石中则存在胶原蛋白中丰富的三肽序列。

        这些胶原蛋白历经数千万年的地质作用仍有保留，人们对其保存机制提出了多种假设，包括高度交联的蛋白结构、骨骼内的矿物基质对蛋白水解过程的抵抗作用。然而这些假设依然不能充分解释胶原蛋白超长稳定性的来源，目前也依然缺乏从物理化学性质分析胶原蛋白肽键抵抗水解的原因。

        针对这一问题，化学家认为胶原蛋白中的——n→π*相互作用（非共价作用的一种，指孤对电子与π*反键轨道的离域或静电偶极-偶极作用）可能是其得以抵抗水解并长期保存关键。具体而言，三螺旋胶原蛋白（collagen triple helix）中聚脯氨酸II型螺旋（polyproline II-type）肽链上的氧原子可与邻近的羰基（C=O）产生（O…C=O）n→π*相互作用。这种作用使得胶原蛋白的整体结构可以共享电子，屏蔽了水分子中电子的“侵扰”，进而避免水解。这种保护作用来源于量子力学中的泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。

        为验证这一推论，研究团队合成了分子结构不同的N-酰化脯氨酸酯，并监测它们在特定条件下的水解速率。这些合成分子模拟肽键的顺式（cis）和反式构型（trans），其中反式构型存在抵抗水解的n→π*作用，R基的空间位阻大小决定了顺反异构体的比例，并影响分子中n→π*作用的强度。结果显示，具有更强n→π*相互作用的酯类化合物水解速率更慢；密度泛函理论（DFT）计算和X射线晶体分析也验证了不同分子中n→π*作用的强度与抗水解稳定性之间的关系，表明肽链中O…C=O的n→π*相互作用可以为抵抗水分子的进攻，为胶原蛋白提供保护。

小结：尽管目前学界对于恐龙化石中发现的蛋白片段仍存在一定争议，这些古蛋白是否真正属于恐龙仍有待继续讨论，但研究生物大分子在深时埋藏过程中经历的化学变化却是我们认识前一问题绕不开的环节。科学家们也期待着在地质遗迹中找寻到更为古老的生物分子踪迹。同时，针对这类科学问题的研究对我们理解生物分子的长期稳定性也具有重要的意义，相关发现有望为生物医学工程领域设计新型稳定的仿生材料提供新的思路。

论文信息：Pauli Exclusion by n→π* Interactions: Implications for Paleobiology（doi: 10.1021/acscentsci.4c00971）