Strukturen af proteiner: to hydrogenbundne spiralformede konfigurationer af polypeptidkæden

i løbet af de sidste femten år har vi angrebet problemet med proteinstrukturen på flere måder. En af disse måder er den komplette og nøjagtige bestemmelse af krystalstrukturen af aminosyrer, peptider og andre enkle stoffer relateret til proteiner, for at der kan opnås information om interatomiske afstande, bindingsvinkler og andre konfigurationsparametre, der muliggør pålidelig forudsigelse af rimelige konfigurationer for polypeptidkæden. Vi har nu brugt disse oplysninger til at konstruere to rimelige hydrogenbundne spiralformede konfigurationer til polypeptidkæden; vi mener, at det er sandsynligt, at disse konfigurationer udgør en vigtig del af strukturen af både fibrøse og kugleformede proteiner såvel som Af syntetiske polypeptider. Et brev, der annoncerede deres opdagelse, blev offentliggjort sidste år.1

det problem, vi har sat os, er at finde alle hydrogenbundne strukturer til en enkelt polypeptidkæde, hvor resterne er ækvivalente (bortset fra forskellene i sidekæden R). En aminosyrerest (bortset fra glycin) har ingen symmetrielementer. Den generelle funktion af omdannelse af en rest af en enkelt kæde til en anden rest svarende til den første er følgelig en rotation omkring en akse ledsaget af translation langs aksen. Derfor er de eneste konfigurationer for en kæde, der er kompatibel med vores postulat af ækvivalens af resterne, spiralformede konfigurationer. For rotationsvinkel 180 liter kan de spiralformede konfigurationer degenerere til en simpel kæde med alle de vigtigste atomer, C, C’ (carbonyl carbon), N og O i samme plan.

Vi antager, at konfigurationen af hver rest Er plan. Denne strukturelle funktion er blevet verificeret for hver af de amider, som vi har undersøgt. Desuden er resonansteorien nu så velbegrundet og dens eksperimentelle underbyggelse så omfattende, at der ikke kan være nogen tvivl om dens anvendelse på amidgruppen. Den observerede C – N-Afstand, 1.32, svarer til næsten 50 procent dobbeltbindingskarakter, og vi kan konkludere, at rotation med så meget som 10, fra den plane konfiguration, ville resultere i ustabilitet med ca.1 kcal. mole-1. De interatomiske afstande og bindingsvinkler inden i remanensen antages at have værdierne vist i figur 1. Disse værdier er blevet formuleret2 ved overvejelse af de eksperimentelle værdier,der findes i krystalstrukturundersøgelserne af dl-alanin,3 l-threonin, 4 N-acetylglycin5, og kurglycylglycin6, der er fremstillet i vores laboratorier. Det antages endvidere, at hvert nitrogenatom danner en hydrogenbinding med et iltatom af en anden rest, med nitrogen-iltafstanden lig med 2,72 liter, og at vektoren fra nitrogenatomet til det hydrogenbundne iltatom ikke ligger mere end 30 liter fra N-H—retningen. Energien af en N – h * * * hydrogenbinding er af størrelsesordenen 8 kcal. mole-1, og så stor ustabilitet ville skyldes manglende dannelse af disse obligationer, at vi kan være sikre på deres tilstedeværelse. N – H * * * O-afstanden kan ikke forventes at være nøjagtigt 2.72 men kan afvige noget fra denne værdi.

løsning af dette problem viser, at der er fem og kun fem konfigurationer for kæden, der opfylder andre betingelser end retningen af hydrogenbindingen i forhold til N—H-retningen. Disse svarer til værdierne 165°, 120°, 108°, 97.2° og 70,1 liter for rotationsvinklen. I den første, tredje og femte af disse strukturer er —gruppen negativt, og —gruppen positivt rettet langs den spiralformede akse, taget som retningen svarende til sekvensen—CHR—CO—NH-CHR-af atomer i peptidkæden, og i de to andre vendes deres retninger. De første tre af strukturerne er utilfredsstillende, idet N – H-gruppen ikke strækker sig i retning af iltatomet ved 2,72 liter; den fjerde og femte er tilfredsstillende, hvor vinklen mellem N—H—vektoren og N-O-vektoren er henholdsvis 10 og 25. Den fjerde struktur har 3,69 aminosyrerester pr. I den fjerde struktur er hver amidgruppe hydrogenbundet til den tredje amidgruppe ud over den langs spiralen, og i den femte struktur er hver bundet til den femte amidgruppe ud over den; vi vil kalde disse strukturer enten 3,7-reststrukturen og 5.1-reststruktur henholdsvis eller den tredje amidhydrogenbundne struktur og den femte amidhydrogenbundne struktur.

tegninger af de to strukturer er vist i figur 2, 3, 4 og 5.

for glycin både 3,7-restspiralen og 5.1-restspiral kunne forekomme med enten en positiv eller en negativ rotationsoversættelse; det vil sige som enten en positiv eller en negativ spiral i forhold til den positive retning af den spiralformede akse givet af sekvensen af atomer i peptidkæden. For andre aminosyrer med L-konfigurationen ville den positive spiral og den negative spiral imidlertid afvige i sidekædernes position, og det kan godt forventes, at den ene følelse af spiralen i hvert tilfælde ville være mere stabil end den anden. En vilkårlig tildeling af R-grupperne er foretaget i tallene.

oversættelsen langs den spiralformede akse i 3,7-restspiralen er 1,47 l, og den i 5,1-restspiralen er 0,99 L. Værdierne for en komplet tur er henholdsvis 5,44 og 5,03. Disse værdier beregnes for brintbindingsafstanden 2,72 liter; de skulle øges med nogle få procent, hvis en større brintbindingsafstand (2,80 liter, siger) var til stede.stabiliteten af vores spiralformede strukturer i en ikke-krystallinsk fase afhænger udelukkende af interaktioner mellem tilstødende rester og kræver ikke, at antallet af rester pr. Værdien 3,69 rester pr. tur for den tredje amidhydrogenbundne spiral tilnærmes mest med 48 rester i tretten omdrejninger (3,693 rester pr.tur), og værdien 5,13 for den anden spiral tilnærmes mest med 41 rester i otte omdrejninger. Tur vil blive påvirket noget af ændring i hydrogenbindingsafstanden, og også at interaktionen mellem spiralformede molekyler med nærliggende lignende molekyler i en krystal ville forårsage små drejningsmomenter i spiralerne og deformere dem lidt til konfigurationer med et rationelt antal rester pr.tur. For den tredje amidhydrogenbundne spiral er de enkleste strukturer af denne art, som vi ville forudsige, 11-rest, 3-drejs spiral (3,67 rester pr.tur), 15-rest, 4-drejs spiral (3,75) og 18-rest, 5-drejs spiral (3,60). Vi har fundet nogle beviser, der tyder på, at den første og tredje af disse små varianter af denne spiral findes i krystallinske polypeptider.

disse spiralformede strukturer er ikke tidligere blevet beskrevet. Ud over den udvidede polypeptidkædekonfiguration, som i næsten tredive år er blevet antaget at være til stede i strakt hår og andre proteiner med kursheratinstrukturen, konfigurationer til polypeptidkæden er blevet foreslået af Astbury og Bell,7 og især af Huggins8 og af Bragg, Kendre, og Perutse.9 Huggins diskuterede en række strukturer, der involverede intramolekylære hydrogenbindinger, og Bragg, Kendre og Perut udvidede diskussionen til at omfatte yderligere strukturer og undersøgte strukturernes kompatibilitet med røntgendiffraktionsdata for hæmoglobin og myoglobin. Ingen af disse forfattere foreslog hverken vores 3,7-restspiral eller vores 5,1-restspiral. På den anden side ville vi ved vores grundlæggende postulater eliminere alle de strukturer, de foreslår. Årsagen til forskellen i resultater opnået af andre efterforskere og af os gennem i det væsentlige lignende argumenter er, at både Bragg og hans samarbejdspartnere og Huggins kun diskuterede i detaljer spiralformede strukturer med et integreret antal rester pr. Vi hævder, at disse stereokemiske træk skal bevares meget tæt i stabile konfigurationer af polypeptidkæder i proteiner, og at der ikke er nogen særlig stabilitet forbundet med et integreret antal rester pr. Bragg har beskrevet en struktur topologisk ligner vores 3,7-rest spiral som en hydrogenbundet spiral med 4 rester pr. I deres grundige sammenligning af deres modeller med Patterson-fremskrivninger for hæmoglobin og myoglobin eliminerede de denne struktur, og trak den forsigtige konklusion, at beviserne favoriserer den ikke-spiralformede 3-restfoldede Kurt-keratinkonfiguration af Astbury og Bell, hvor kun en tredjedel af carbonyl-og aminogrupperne er involveret i intramolekylær hydrogenbindingsdannelse.

det er vores opfattelse, at strukturen af keratinkeratin, myosin og lignende fibrøse proteiner er tæt repræsenteret af vores 3.7-restspiral, og at denne spiral også udgør et vigtigt strukturelt træk i hæmoglobin, myoglobin og andre kugleformede proteiner såvel som syntetiske polypeptider. Vi tror, at 5.1-restspiralen kan være repræsenteret i naturen af superkontraheret keratin og superkontraheret myosin. Beviserne, der fører os til disse konklusioner, vil blive præsenteret i senere papirer.

vores arbejde er blevet hjulpet af tilskud fra Rockefeller Foundation, National Foundation for Infantile Paralysis og US Public Health Service. Mange beregninger blev udført af Dr. S. Veinbaum.