La estructura de las proteínas: Dos configuraciones helicoidales unidas por hidrógeno de la cadena polipeptídica

Durante los últimos quince años hemos estado atacando el problema de la estructura de las proteínas de varias maneras. Una de estas formas es la determinación completa y precisa de la estructura cristalina de aminoácidos, péptidos y otras sustancias simples relacionadas con proteínas, para que se pueda obtener información sobre distancias interatómicas, ángulos de enlace y otros parámetros de configuración que permitan la predicción confiable de configuraciones razonables para la cadena de polipéptidos. Ahora hemos utilizado esta información para construir dos configuraciones helicoidales de enlace de hidrógeno razonables para la cadena de polipéptidos; creemos que es probable que estas configuraciones constituyan una parte importante de la estructura de las proteínas fibrosas y globulares, así como de los polipéptidos sintéticos. Una carta anunciando su descubrimiento fue publicada el año pasado.1

El problema que nos hemos planteado es el de encontrar todas las estructuras unidas por hidrógeno para una sola cadena de polipéptidos, en la que los residuos son equivalentes (excepto por las diferencias en la cadena lateral R). Un residuo de aminoácido (que no sea glicina) no tiene elementos de simetría. La operación general de conversión de un residuo de una sola cadena en un segundo residuo equivalente al primero es, en consecuencia, una rotación alrededor de un eje acompañada de traslación a lo largo del eje. Por lo tanto, las únicas configuraciones para una cadena compatibles con nuestro postulado de equivalencia de los residuos son configuraciones helicoidales. Para un ángulo de rotación de 180°, las configuraciones helicoidales pueden degenerar en una cadena simple con todos los átomos principales, C, C’ (el carbono carbonilo), N y O, en el mismo plano.

Asumimos que, debido a la resonancia del doble enlace entre las posiciones carbono-oxígeno y carbono-nitrógeno, la configuración de cada residuo es plana. Esta característica estructural se ha verificado para cada una de las amidas que hemos estudiado. Además, la teoría de la resonancia está ahora tan bien fundamentada y su fundamentación experimental es tan extensa que no puede haber duda alguna sobre su aplicación al grupo amida. La distancia C—N observada, 1.32 Å, corresponde a un carácter de doble enlace de casi el 50 por ciento, y podemos concluir que la rotación de hasta 10° desde la configuración plana resultaría en inestabilidad en aproximadamente 1 kcal. mole-1. Se supone que las distancias interatómicas y los ángulos de enlace dentro del residuo tienen los valores mostrados en la figura 1. Estos valores se han formulado2 considerando los valores experimentales encontrados en los estudios de estructura cristalina de dl-alanina,3 l-treonina,4 N-acetilglicina5 y β-glicilglicina6 que se han realizado en nuestros Laboratorios. Además, se supone que cada átomo de nitrógeno forma un enlace de hidrógeno con un átomo de oxígeno de otro residuo, con una distancia nitrógeno-oxígeno igual a 2,72 Å, y que el vector del átomo de nitrógeno al átomo de oxígeno unido al hidrógeno no se encuentra a más de 30° de la dirección N-H. La energía de un enlace de hidrógeno N-H · · · es del orden de 8 kcal. mol-1, y tal gran inestabilidad sería el resultado de la falla en la formación de estos lazos que podemos estar seguros de su presencia. No se puede esperar que la distancia N—H · · · O sea exactamente 2.72 Å, pero podría desviarse un poco de este valor.

La solución de este problema muestra que hay cinco y solo cinco configuraciones para la cadena que satisfacen las condiciones distintas de la dirección del enlace de hidrógeno en relación con la dirección N—H. Estos corresponden a los valores 165°, 120°, 108°, 97.2° y 70.1° para el ángulo de rotación. En la primera, tercera y quinta de estas estructuras, el grupo es negativo y el grupo se dirige positivamente a lo largo del eje helicoidal, tomado como la dirección correspondiente a la secuencia—CHR—CO—NH—CHR—de átomos en la cadena peptídica, y en los otros dos sus direcciones se invierten. Las tres primeras estructuras son insatisfactorias, ya que el grupo N—H no se extiende en la dirección del átomo de oxígeno a 2,72 Å; el cuarto y el quinto son satisfactorios, el ángulo entre el vector N—H y el vector N—O es de aproximadamente 10° y 25° para estas dos estructuras, respectivamente. La cuarta estructura tiene 3,69 residuos de aminoácidos por turno en la hélice, y la quinta estructura tiene 5,13 residuos por turno. En la cuarta estructura, cada grupo de amidas está unido por hidrógeno al tercer grupo de amidas más allá de él a lo largo de la hélice, y en la quinta estructura, cada uno está unido al quinto grupo de amidas más allá de él; llamaremos a estas estructuras la estructura de residuos 3.7 y la estructura de residuos 5.estructura de 1 residuo, respectivamente, o la estructura de enlace de hidrógeno de la tercera amida y la estructura de enlace de hidrógeno de la quinta amida.

Los dibujos de las dos estructuras se muestran en las figuras 2, 3, 4 y 5.

Para la glicina, tanto la hélice de 3,7 residuos como la de 5.la hélice de 1 residuo podría ocurrir con una traslación rotacional positiva o negativa; es decir, como hélice positiva o negativa, en relación con la dirección positiva del eje helicoidal dada por la secuencia de átomos en la cadena peptídica. Para otros aminoácidos con la configuración l, sin embargo, la hélice positiva y la hélice negativa diferirían en la posición de las cadenas laterales, y bien podría esperarse que en cada caso un sentido de la hélice sería más estable que el otro. Se ha realizado una asignación arbitraria de los grupos R en las figuras.

La traslación a lo largo del eje helicoidal en la hélice de 3,7 residuos es de 1,47 Å, y la de la hélice de 5,1 residuos es de 0,99 Å. Los valores para un giro completo son 5,44 Å y 5,03 Å, respectivamente. Estos valores se calculan para la distancia de enlace de hidrógeno de 2,72 Å; tendrían que aumentarse un poco por ciento, en caso de que estuviera presente una distancia de enlace de hidrógeno mayor (2,80 Å, por ejemplo).

La estabilidad de nuestras estructuras helicoidales en una fase no cristalina depende únicamente de las interacciones entre residuos adyacentes, y no requiere que el número de residuos por turno sea una relación de enteros pequeños. El valor de 3,69 residuos por turno, para la hélice enlazada con hidrógeno de la tercera amida, se aproxima más por 48 residuos en trece vueltas (3,693 residuos por vuelta), y el valor de 5,13 para la otra hélice se aproxima más por 41 residuos en ocho vueltas. Es de esperar que el número de residuos por turno se vea afectado en cierta medida por el cambio en la distancia de enlace de hidrógeno, y también que la interacción de moléculas helicoidales con moléculas similares vecinas en un cristal cause pequeños pares de torsión en las hélices, deformándolas ligeramente en configuraciones con un número racional de residuos por turno. Para la hélice unida a hidrógeno de la tercera amida, las estructuras más simples de este tipo que predeciríamos son la hélice de 3 vueltas de 11 residuos (3,67 residuos por vuelta), la hélice de 4 vueltas de 15 residuos (3,75) y la hélice de 5 vueltas de 18 residuos (3,60). Hemos encontrado alguna evidencia que indica que la primera y la tercera de estas ligeras variantes de esta hélice existen en polipéptidos cristalinos.

Estas estructuras helicoidales no se han descrito previamente. Además de la configuración de la cadena de polipéptidos extendida, que durante casi treinta años se ha asumido que está presente en el cabello estirado y otras proteínas con la estructura de β-queratina, Astbury y Bell han propuesto configuraciones para la cadena de polipéptidos,y especialmente Huggins8 y Bragg, Kendrew y Perutz.9 Huggins discutió una serie de estructuras que involucran enlaces de hidrógeno intramoleculares, y Bragg, Kendrew y Perutz extendieron la discusión para incluir estructuras adicionales, e investigaron la compatibilidad de las estructuras con los datos de difracción de rayos X para hemoglobina y mioglobina. Ninguno de estos autores propuso nuestra hélice de residuos de 3,7 o nuestra hélice de residuos de 5,1. Por otro lado, eliminaríamos, por nuestros postulados básicos, todas las estructuras que proponen. La razón de la diferencia en los resultados obtenidos por otros investigadores y por nosotros a través de argumentos esencialmente similares es que tanto Bragg como sus colaboradores y Huggins discutieron en detalle solo estructuras helicoidales con un número integral de residuos por turno, y además asumieron solo una aproximación aproximada a los requisitos sobre distancias interatómicas, ángulos de enlace y planaridad del grupo de amidas conjugadas, como lo dan nuestras investigaciones de sustancias más simples. Sostenemos que estas características estereoquímicas deben mantenerse muy de cerca en configuraciones estables de cadenas polipeptídicas en proteínas, y que no hay una estabilidad especial asociada con un número integral de residuos por giro en la molécula helicoidal. Bragg, Kendrew y Perutz han descrito una estructura topológicamente similar a nuestra hélice de 3,7 residuos como una hélice unida a hidrógeno con 4 residuos por giro. En su comparación exhaustiva de sus modelos con proyecciones de Patterson para hemoglobina y mioglobina eliminaron esta estructura, y llegaron a la conclusión cautelosa de que la evidencia favorece la configuración de α-queratina plegada de 3 residuos no helicoidales de Astbury y Bell, en la que solo un tercio de los grupos carbonilo y amino están involucrados en la formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares.

En nuestra opinión, la estructura de α-queratina, α-miosina y proteínas fibrosas similares está estrechamente representada por nuestra 3.hélice de 7 residuos, y que esta hélice también constituye una característica estructural importante en la hemoglobina, la mioglobina y otras proteínas globulares, así como en los polipéptidos sintéticos. Creemos que la hélice de residuos 5.1 puede estar representada en la naturaleza por queratina supercontraída y miosina supercontraída. Las pruebas que nos llevan a estas conclusiones se presentarán en documentos posteriores.

Nuestro trabajo ha sido ayudado por subvenciones de la Fundación Rockefeller, la Fundación Nacional para la Parálisis Infantil y el Servicio de Salud Pública de los Estados Unidos. Muchos cálculos fueron realizados por el Dr. S. Weinbaum.