Struktura proteinů: dvě vodíkem vázané spirálové konfigurace polypeptidového řetězce

během posledních patnácti let napadáme problém struktury proteinů několika způsoby. Jedním z těchto způsobů je úplné a přesné stanovení krystalové struktury aminokyseliny, peptidy, a další jednoduché látky související s proteiny, aby informace o interatomic vzdálenosti, vazebné úhly, a další konfigurační parametry mohou být získány, které by umožnily spolehlivou předpověď rozumné konfigurace pro polypeptidový řetězec. Nyní jsme tuto informaci použili ke konstrukci dvou rozumných spirálových konfigurací vázaných vodíkem pro polypeptidový řetězec; myslíme si, že je pravděpodobné, že tyto konfigurace představují důležitou součást struktury vláknité a kulovité proteiny, stejně jako syntetické polypeptidy. Dopis oznamující jejich objev byl zveřejněn loni.1

problém, který jsme si stanovili, je nalezení všech vodíkem vázaných struktur pro jediný polypeptidový řetězec, ve kterém jsou zbytky ekvivalentní (s výjimkou rozdílů v postranním řetězci R). Aminokyselinový zbytek (jiný než glycin) nemá žádné symetrické prvky. Obecná operace přeměny jednoho zbytku jednoho řetězce na druhý zbytek rovnocenný prvnímu je tedy rotace kolem osy doprovázená translací podél osy. Proto jediné konfigurace pro řetězec kompatibilní s naším postulátem ekvivalence zbytků jsou spirálové konfigurace. Pro rotační úhel 180° spirálová konfigurace může degenerovat na jednoduchý řetěz s všechny hlavní atomů, C, C‘ (karbonylu oxid), N, a O, ve stejné rovině.

předpokládáme, že vzhledem k rezonanci dvojné vazby mezi pozicemi uhlík-kyslík a uhlík-dusík je konfigurace každého zbytku rovinný. Tato strukturální vlastnost byla ověřena pro každý z amidů, které jsme studovali. Kromě toho je rezonanční teorie nyní tak dobře zakotvena a její experimentální zdůvodnění tak rozsáhlé, že o její aplikaci na amidovou skupinu nemůže být pochyb. Pozorovaná vzdálenost C-N, 1.32 Å, odpovídá téměř 50% dvojné vazbě a můžeme dojít k závěru, že rotace až o 10° od rovinné konfigurace by vedla k nestabilitě asi o 1 kcal. krtek-1. Předpokládá se, že interatomické vzdálenosti a úhly vazby uvnitř zbytku mají hodnoty znázorněné na obrázku 1. Tyto hodnoty byly formulated2 s ohledem na experimentální hodnoty nacházejí v krystalové struktuře studie dl-alanin,3 l-threonin,4 N-acetylglycine5, a β-glycylglycine6, které byly provedeny v našich Laboratořích. To je dále předpokládal, že každý atom dusíku tvoří vodíkovou vazbu s atomem kyslíku jiné zbytky, s dusík-kyslík vzdálenost rovnající 2,72 Å, a že vektor z dusíku, atom vodíku vázaný atom kyslíku spočívá ne více než 30° od N—H směru. Energie N-H · * * vodíková vazba je řádově 8 kcal. mole-1, a taková velká nestabilita by vyplynula z neschopnosti vytvořit tyto vazby, které bychom si mohli být jisti jejich přítomností. Nelze očekávat, že vzdálenost N—H · · · O bude přesně 2.72 Å, ale může se poněkud odchýlit od této hodnoty.

Řešení tohoto problému ukazuje, že je jich tam pět a pouze pět konfigurací pro řetězce, které splňují podmínky jiné, než je směr vodíkové vazby oproti N—H směru. Ty odpovídají hodnotám 165°, 120°, 108°, 97.2° a 70,1° pro úhel natočení. V první, třetí a pátý z těchto struktur skupina je negativně a skupina pozitivně směřuje podél šikmé osy, jako je směr odpovídající sekvence—CHR—CO—NH—CHR—atomů v peptidovém řetězci, a v dalších dvou jejich směry jsou opačné. První tři struktury jsou neuspokojivé, že N—H skupina nevztahuje se ve směru atom kyslíku 2.72 Å; čtvrtý a pátý jsou uspokojivé, úhel mezi vektorem N-H a vektorem N-O je asi 10° a 25° pro tyto dvě struktury. Čtvrtý struktura má 3.69 aminokyselinových zbytků za kolo v helix, a pátý struktura má 5.13 reziduí na otáčku. Ve čtvrtém struktura každého amidu je vodík vázán na třetí amidové skupiny za ní podél šroubovice, a v pátém strukturu každý je vázán na páté amidové skupiny za to; budeme nazývat tyto struktury buď 3.7-struktura reziduí a 5.1-struktura zbytků nebo struktura vázaná vodíkem na třetí amid a struktura vázaná na pátý amid vodíkem.

výkresy obou struktur jsou znázorněny na obrázcích 2, 3, 4 a 5.

pro glycin jak šroubovice s 3,7 zbytky, tak 5.1-zbytky helix může nastat buď pozitivní, nebo negativní rotační překlad; to znamená, buď jako pozitivní nebo negativní šroubovice, vzhledem ke kladnému směru šroubová osa dána posloupnost atomů v peptidovém řetězci. U jiných aminokyselin s konfigurací l by se však kladná šroubovice a záporná šroubovice lišily v poloze bočních řetězců a dalo by se očekávat, že v každém případě bude jeden smysl šroubovice stabilnější než druhý. Na obrázcích bylo provedeno libovolné Přiřazení skupin R.

překlad podél šikmé osy, v 3.7-zbytky helix je 1.47 Å, a to v 5.1-zbytky helix je 0.99 Å. Hodnoty pro jednu úplnou zatáčku jsou 5,44 Å a 5,03 Å. Tyto hodnoty jsou počítány pro hydrogen-bond vzdálenosti 2.72 Å; budou muset být zvýšena o několik procent, v případě, že větší hydrogen-bond vzdálenost (2.80 Å) byly přítomny.

stabilita našich spirálových struktur v nekrystalické fázi závisí pouze na interakcích mezi sousedními zbytky a nevyžaduje, aby počet zbytků na otáčku byl poměrem malých celých čísel. Hodnota 3.69 reziduí na otáčku, pro třetí-amidový vodík-vázaný helix, je nejvíce aproximovat 48 reziduí v třináct zatáček (3.693 reziduí na otáčku), a hodnota 5.13 pro ostatní helix je nejvíce aproximovat 41 reziduí v osm zatáček. Očekává se, že počet reziduí na otáčku by být ovlivněny poněkud změnit v hydrogen-bond vzdálenost, a také to, že interakce spirálovité molekuly s okolními podobných molekul v krystalu by způsobit malé momenty v helixi, deformuje mírně do konfigurace s racionální počet reziduí na otáčku. Za třetí-amidový vodík-vázaný helix nejjednodušší konstrukce tohoto druhu, který bychom předvídat, jsou 11-zbytky, 3-turn-helix (3.67 zbytků za kolo), 15-zbytky, 4-turn-helix (3.75), a 18-zbytky, 5-turn-helix (3.60). Našli jsme nějaké důkazy naznačující, že první a třetí z těchto mírných variant této šroubovice existují v krystalických polypeptidech.

tyto spirálové struktury nebyly dříve popsány. Kromě prodlužuje polypeptidový řetězec konfigurace, které za téměř třicet let se předpokládalo, že bude přítomna v natažené vlasy a další proteiny s β-keratin struktura, konfigurace pro polypeptidový řetězec navrhla Astbury a Bell,7 a zejména Huggins8 a Bragg, Kendrew, Perutz.9 Huggins projednali řadu struktur zahrnujících intramolekulární vodíkové vazby, a Bragg, Kendrew, Perutz rozšířené diskuse zahrnout i další struktury, a zkoumala, zda je konstrukce s x-ray difrakce údaje pro hemoglobin a myoglobin. Žádný z těchto autorů nenavrhl naši spirálu 3,7 rezidua ani naši šroubovice 5,1 rezidua. Na druhou stranu bychom svými základními postuláty eliminovali všechny struktury, které navrhují. Důvod pro rozdíl ve výsledcích získaných jinými vyšetřovatelé a u nás v podstatě podobné argumenty je, že obě Bragg a jeho spolupracovníci a Huggins podrobně diskutovány pouze spirálových struktur s integrální počet reziduí na otáčku, a navíc předpokládal, že pouze hrubé přiblížení se k požadavkům o interatomic vzdálenosti, vazebné úhly, planarity z konjugované amidové skupiny, jak uvádí naše vyšetřování jednodušší látky. My tvrdíme, že tyto stereochemický funkce musí být velmi pečlivě uchovávány v stabilní uspořádání polypeptidových řetězců v bílkovinách, a že neexistuje žádný zvláštní stability spojené s integrální počet reziduí na otáčku v šroubovice. Bragg, Kendrew, Perutz popsali strukturu topologicky podobná naší 3.7-zbytky helix jako vodík-vázaný šroubovice se 4 reziduí na otáčku. V jejich důkladné porovnání svých modelů s Patterson projekce pro hemoglobin a myoglobin jsou odstraněny této struktury, a vytáhl opatrný závěr, že důkazy podporuje non-šroubová 3-zbytky složené α-keratin konfigurace Astbury a Bell, v nichž pouze jeden-třetina z karbonylových a aminových skupin jsou zapojeni v intramolekulárních vodíkových-bond formace.

domníváme se, že struktura α-keratinu, α-myosinu a podobných vláknitých proteinů je úzce reprezentována naším 3.7-zbytky helix, a že tato šroubovice tvoří také důležitou strukturní funkci v hemoglobinu, myoglobinu a dalších globulární proteiny, stejně jako syntetické polypeptidy. Myslíme si, že 5.1-zbytky helix mohou být zastoupeny v přírodě super-smluvně keratin a supercontracted myosin. Důkazy, které nás vedou k těmto závěrům, budou předloženy v pozdějších dokumentech.

naše práce byla podpořena granty od Rockefellerovy nadace, Národní nadace pro dětskou paralýzu a U. S. Public Health Service. Mnoho výpočtů provedl Dr. S. Weinbaum.