Die Struktur von Proteinen: Zwei wasserstoffgebundene helikale Konfigurationen der Polypeptidkette

In den letzten fünfzehn Jahren haben wir das Problem der Struktur von Proteinen auf verschiedene Arten angegangen. Eine dieser Möglichkeiten ist die vollständige und genaue Bestimmung der Kristallstruktur von Aminosäuren, Peptiden und anderen einfachen Substanzen, die mit Proteinen verwandt sind, damit Informationen über interatomare Abstände, Bindungswinkel und andere Konfigurationsparameter erhalten werden können, die die zuverlässige Vorhersage vernünftiger Konfigurationen für die Polypeptidkette ermöglichen. Wir haben diese Informationen nun verwendet, um zwei vernünftige wasserstoffgebundene helikale Konfigurationen für die Polypeptidkette zu konstruieren; wir halten es für wahrscheinlich, dass diese Konfigurationen einen wichtigen Teil der Struktur sowohl von fibrösen als auch von globulären Proteinen sowie von synthetischen Polypeptiden darstellen. Ein Brief, in dem ihre Entdeckung angekündigt wurde, wurde letztes Jahr veröffentlicht.1

Das Problem, das wir uns gestellt haben, besteht darin, alle wasserstoffgebundenen Strukturen für eine einzelne Polypeptidkette zu finden, in der die Reste äquivalent sind (mit Ausnahme der Unterschiede in der Seitenkette R). Ein Aminosäurerest (außer Glycin) hat keine Symmetrieelemente. Der allgemeine Vorgang der Umwandlung eines Restes einer einzelnen Kette in einen zweiten Rest, der dem ersten entspricht, ist dementsprechend eine Drehung um eine Achse, begleitet von einer Translation entlang der Achse. Daher sind die einzigen Konfigurationen für eine Kette, die mit unserem Postulat der Äquivalenz der Reste kompatibel sind, helikale Konfigurationen. Bei einem Drehwinkel von 180 ° können die helikalen Konfigurationen zu einer einfachen Kette mit allen Hauptatomen C, C ‚ (der Carbonylkohlenstoff), N und O in derselben Ebene degenerieren.

Wir gehen davon aus, dass aufgrund der Resonanz der Doppelbindung zwischen den Kohlenstoff-Sauerstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Positionen die Konfiguration jedes Restes ist planar. Dieses strukturelle Merkmal wurde für jedes der von uns untersuchten Amide verifiziert. Darüber hinaus ist die Resonanztheorie jetzt so gut begründet und ihre experimentelle Begründung so umfangreich, dass an ihrer Anwendung auf die Amidgruppe überhaupt kein Zweifel bestehen kann. Der beobachtete C-N-Abstand, 1.32 Å, entspricht fast 50 Prozent Doppelbindungscharakter, und wir können daraus schließen, dass eine Drehung um bis zu 10 ° von der planaren Konfiguration zu einer Instabilität um etwa 1 kcal führen würde. maulwurf-1. Es wird angenommen, dass die interatomaren Abstände und Bindungswinkel innerhalb des Restes die in Abbildung 1 gezeigten Werte haben. Diese Werte wurden formuliert2 unter Berücksichtigung der experimentellen Werte in den Kristallstrukturstudien von dl-Alanin, 3 l-Threonin, 4 N-Acetylglycin5 und β-Glycylglycin6, die in unseren Labors durchgeführt wurden. Es wird weiter angenommen, dass jedes Stickstoffatom eine Wasserstoffbindung mit einem Sauerstoffatom eines anderen Restes bildet, wobei der Stickstoff-Sauerstoff-Abstand gleich 2,72 Å ist, und dass der Vektor vom Stickstoffatom zum wasserstoffgebundenen Sauerstoffatom nicht mehr als 30 ° von der N—H-Richtung entfernt liegt. Die Energie einer N—H · · · Wasserstoffbindung liegt in der Größenordnung von 8 kcal. mole−1, und eine so große Instabilität würde sich aus dem Versagen ergeben, diese Bindungen zu bilden, dass wir auf ihre Anwesenheit vertrauen können. Es kann nicht erwartet werden, dass der N—H · · · O-Abstand genau 2 beträgt.72 Å, kann aber etwas von diesem Wert abweichen.

Die Lösung dieses Problems zeigt, dass es fünf und nur fünf Konfigurationen für die Kette gibt, die die anderen Bedingungen als die der Richtung der Wasserstoffbindung relativ zur N—H-Richtung erfüllen. Diese entsprechen den Werten 165°, 120°, 108°, 97.2° und 70,1° für den Drehwinkel. In der ersten, dritten und fünften dieser Strukturen ist die Gruppe negativ und die Gruppe positiv entlang der helikalen Achse gerichtet, die der Sequenz—CHR—CO—NH—CHR—von Atomen in der Peptidkette entspricht, und in den anderen beiden sind ihre Richtungen umgekehrt. Die ersten drei Strukturen sind unbefriedigend, da sich die N-H-Gruppe bei 2,72 Å nicht in Richtung des Sauerstoffatoms erstreckt; die vierte und fünfte sind zufriedenstellend, wobei der Winkel zwischen dem N—H—Vektor und dem N-O-Vektor für diese beiden Strukturen etwa 10° bzw. 25° beträgt. Die vierte Struktur hat 3,69 Aminosäurereste pro Umdrehung in der Helix und die fünfte Struktur hat 5,13 Reste pro Umdrehung. In der vierten Struktur ist jede Amidgruppe an die dritte Amidgruppe darüber hinaus entlang der Helix wasserstoffgebunden, und in der fünften Struktur ist jede an die fünfte Amidgruppe darüber hinaus gebunden; Wir werden diese Strukturen entweder die 3.7-Reststruktur und die 5 nennen.1-Reststruktur bzw. die dritte amidwasserstoffgebundene Struktur und die fünfte amidwasserstoffgebundene Struktur.

Zeichnungen der beiden Strukturen sind in den Abbildungen 2, 3, 4 und 5 dargestellt.

Für Glycin sowohl die 3,7-Resthelix als auch die 5.1-Resthelix könnte entweder mit einer positiven oder einer negativen Rotationsübersetzung auftreten; das heißt, entweder als positive oder negative Helix, relativ zur positiven Richtung der Helixachse, die durch die Sequenz von Atomen in der Peptidkette gegeben ist. Für andere Aminosäuren mit der l-Konfiguration würden sich jedoch die positive Helix und die negative Helix in der Position der Seitenketten unterscheiden, und es könnte durchaus erwartet werden, dass jeweils ein Sinn der Helix stabiler wäre als der andere. In den Figuren ist eine beliebige Zuordnung der R-Gruppen vorgenommen worden.

Die Translation entlang der Schraubenachse in der 3,7-Rest-Helix beträgt 1,47 Å, und die in der 5,1-Rest-Helix beträgt 0,99 Å. Die Werte für eine vollständige Umdrehung betragen 5,44 Å bzw. 5,03 Å. Diese Werte werden für den Wasserstoff-Bindungsabstand 2,72 Å berechnet; sie müssten um einige Prozent erhöht werden, falls ein größerer Wasserstoff-Bindungsabstand (2,80 Å, sagen wir) vorhanden wäre.

Die Stabilität unserer helikalen Strukturen in einer nichtkristallinen Phase hängt ausschließlich von Wechselwirkungen zwischen benachbarten Resten ab und erfordert nicht, dass die Anzahl der Reste pro Windung ein Verhältnis kleiner ganzer Zahlen ist. Der Wert 3,69 Reste pro Umdrehung für die dritte Amid-Wasserstoff-gebundene Helix wird am ehesten durch 48 Reste in dreizehn Umdrehungen (3,693 Reste pro Umdrehung) angenähert, und der Wert 5,13 für die andere Helix wird am ehesten durch 41 Reste in acht Umdrehungen angenähert. Es ist zu erwarten, dass die Anzahl der Reste pro Windung durch die Änderung des Wasserstoffbindungsabstands etwas beeinflusst wird, und auch, dass die Wechselwirkung von helikalen Molekülen mit benachbarten ähnlichen Molekülen in einem Kristall kleine Drehmomente in den Spiralen verursachen würde, die sie leicht in Konfigurationen mit einer rationalen Anzahl von Resten pro Windung verformen. Für die dritte Amid-Wasserstoff-gebundene Helix sind die einfachsten Strukturen dieser Art, die wir vorhersagen würden, die 11-Rest, 3-Turn-Helix (3,67 Reste pro Umdrehung), die 15-Rest, 4-Turn-Helix (3,75) und die 18-Rest, 5-Turn-Helix (3,60). Wir haben einige Hinweise darauf gefunden, dass die erste und dritte dieser leichten Varianten dieser Helix in kristallinen Polypeptiden existieren.

Diese helikalen Strukturen wurden bisher nicht beschrieben. Neben der verlängerten Polypeptidkettenkonfiguration, von der seit fast dreißig Jahren angenommen wird, dass sie in gestrecktem Haar und anderen Proteinen mit der β-Keratinstruktur vorhanden ist, wurden Konfigurationen für die Polypeptidkette von Astbury und Bell vorgeschlagen,7 und insbesondere von Huggins8 und von Bragg, Kendrew und Perutz.9 Huggins diskutierte eine Reihe von Strukturen mit intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen, und Bragg, Kendrew und Perutz erweiterten die Diskussion um zusätzliche Strukturen und untersuchten die Kompatibilität der Strukturen mit Röntgenbeugungsdaten für Hämoglobin und Myoglobin. Keiner dieser Autoren schlug entweder unsere 3,7-Resthelix oder unsere 5,1-Resthelix vor. Andererseits würden wir durch unsere grundlegenden Postulate alle von ihnen vorgeschlagenen Strukturen beseitigen. Der Grund für den Unterschied in den Ergebnissen, die von anderen Forschern und von uns durch im Wesentlichen ähnliche Argumente erhalten wurden, ist, dass sowohl Bragg als auch seine Mitarbeiter und Huggins im Detail nur helikale Strukturen mit einer ganzzahligen Anzahl von Resten pro Windung diskutierten und darüber hinaus nur eine grobe Annäherung an die Anforderungen über interatomare Abstände, Bindungswinkel und Planarität der konjugierten Amidgruppe annahmen, wie sie durch unsere Untersuchungen einfacherer Substanzen gegeben sind. Wir behaupten, dass diese stereochemischen Merkmale in stabilen Konfigurationen von Polypeptidketten in Proteinen sehr genau erhalten bleiben müssen und dass es keine besondere Stabilität gibt, die mit einer ganzzahligen Anzahl von Resten pro Windung im helikalen Molekül verbunden ist. Bragg, Kendrew und Perutz haben eine Struktur beschrieben, die unserer 3,7-Rest-Helix topologisch ähnlich ist, als wasserstoffgebundene Helix mit 4 Resten pro Windung. In ihrem gründlichen Vergleich ihrer Modelle mit Patterson-Projektionen für Hämoglobin und Myoglobin eliminierten sie diese Struktur, und zog die vorsichtige Schlussfolgerung, dass der Beweis die nicht helikale gefaltete α-Keratin-Konfiguration mit 3 Resten von Astbury und Bell begünstigt, in denen nur ein Drittel der Carbonyl- und Aminogruppen an der intramolekularen Bildung von Wasserstoffbrücken beteiligt sind.

Wir sind der Meinung, dass die Struktur von α-Keratin, α-Myosin und ähnlichen faserigen Proteinen durch unsere 3 eng repräsentiert wird.7-Resthelix, und dass diese Helix auch ein wichtiges strukturelles Merkmal in Hämoglobin, Myoglobin und anderen globulären Proteinen sowie von synthetischen Polypeptiden darstellt. Wir denken, dass die 5,1-Rückstand-Helix in der Natur durch superkontrahiertes Keratin und superkontrahiertes Myosin dargestellt werden kann. Die Beweise, die uns zu diesen Schlussfolgerungen führen, werden in späteren Artikeln vorgestellt.Unsere Arbeit wurde durch Zuschüsse der Rockefeller Foundation, der National Foundation for Infantile Paralysis und des U.S. Public Health Service unterstützt. Viele Berechnungen wurden von Dr. S. Weinbaum durchgeführt.