Proteiinien rakenne: polypeptidiketjun kaksi vetysidosta kierteistä kokoonpanoa

viimeisten viidentoista vuoden aikana olemme hyökänneet proteiinien rakenneongelmaan monin tavoin. Yksi näistä tavoista on aminohappojen, peptidien ja muiden proteiineihin liittyvien yksinkertaisten aineiden kiderakenteen täydellinen ja tarkka määrittäminen, jotta saataisiin tietoa atomien välisistä etäisyyksistä, sidoskulmista ja muista konfiguraatioparametreista, jotka mahdollistaisivat polypeptidiketjun järkevien kokoonpanojen luotettavan ennustamisen. Olemme nyt käyttäneet tätä tietoa rakentaaksemme kaksi järkevää vetysidosta kierteistä konfiguraatiota polypeptidiketjulle; pidämme todennäköisenä, että nämä konfiguraatiot ovat tärkeä osa sekä kuituisten että pallomaisten proteiinien sekä synteettisten polypeptidien rakennetta. Heidän löydöstään kertova kirje julkaistiin viime vuonna.1

itse asettamamme ongelma on löytää kaikki vetysidoksiset rakenteet yhdelle polypeptidiketjulle, jossa jäännökset ovat ekvivalentteja (sivuketjun R eroja lukuun ottamatta). Aminohappojäännöksessä (muussa kuin glysiinissä) ei ole symmetriaelementtejä. Yhden ketjun yhden jäännöksen muuntaminen toiseksi ensimmäistä vastaavaksi jäännökseksi on näin ollen pyörimistä akselin ympäri, johon liittyy kääntyminen akselia pitkin. Näin ollen vain kokoonpanoissa ketjun yhteensopiva meidän postulate vastaavuuden jäämien ovat kierteiset kokoonpanoissa. Pyörimiskulmassa 180° kierteiset konfiguraatiot voivat degeneroitua yksinkertaiseksi ketjuksi, jossa kaikki pääatomit, C, C’ (karbonyylihiili), N ja O, ovat samassa tasossa.

oletamme, että hiili-happi-ja hiili-typpi-asemien välisen kaksoissidoksen resonanssin vuoksi jokaisen jäännöksen konfiguraatio on tasomainen. Tämä rakenteellinen ominaisuus on vahvistettu kunkin amides, että olemme tutkineet. Lisäksi resonanssiteoria on nyt niin hyvin perusteltu ja sen kokeellinen todistusaineisto niin laaja, ettei sen soveltamisesta amide-ryhmään voi olla mitään epäilystä. Havaittu C-N-etäisyys, 1.32 Å, vastaa lähes 50 prosenttia kaksoissidoksen luonnetta, ja voimme päätellä, että pyöriminen jopa 10° tasomaisesta konfiguraatiosta johtaisi epävakauteen noin 1 kcal. myyrä-1. Jäännöksen atomienvälisillä etäisyyksillä ja sidoskulmilla oletetaan olevan kuvassa 1 esitetyt arvot. Nämä arvot on formuloitu 2 ottamalla huomioon dl-alaniinin,3 l-treoniinin,4 n-asetyyliglysiini5: n ja β-glysyyliglysiini6: n kiderakennetutkimuksissa todetut kokeelliset arvot, jotka on tehty laboratorioissamme. Edelleen oletetaan, että jokainen typpiatomi muodostaa vetysidoksen toisen jäännöksen happiatomin kanssa typpi-happi-etäisyyden ollessa 2,72 Å ja että vektori typpiatomilta vetysidoksiselle happiatomille sijaitsee enintään 30° n—H-suunnasta. N—H · · · vetysidoksen energia on luokkaa 8 kcal. mooli-1, ja niin suuri epävakaus johtuisi näiden sidosten muodostamisen epäonnistumisesta, että voimme olla varmoja niiden läsnäolosta. N-H · · · O-etäisyyden ei voida olettaa olevan täsmälleen 2.72 Å, mutta saattaa poiketa hieman tästä arvosta.

tämän ongelman ratkaisu osoittaa, että ketjulle on olemassa viisi ja vain viisi konfiguraatiota, jotka täyttävät muut ehdot kuin vetysidoksen suunnan N—H-suuntaan nähden. Nämä vastaavat arvoja 165°, 120°, 108°, 97.2° ja 70,1° pyörimiskulman osalta. Ensimmäisessä, kolmannessa ja viidennessä näistä rakenteista ryhmä on negatiivisesti ja ryhmä positiivisesti kierteisakselia pitkin, otetaan peptidiketjun atomien sekvenssiä—CHR—CO—NH—CHR—vastaavaksi suunnaksi ja kahdessa muussa niiden suunta on päinvastainen. Kolme ensimmäistä rakennetta ovat epätyydyttäviä, sillä N-H-ryhmä ei ulotu happiatomin suuntaan 2,72 Å: ssa; neljäs ja viides ovat tyydyttäviä, n—H—vektorin ja N-O-vektorin välinen kulma on näillä kahdella rakenteella vastaavasti noin 10° ja 25°. Neljännessä rakenteessa on kierteessä 3,69 aminohappojäämää per kierros ja viidennessä rakenteessa 5,13 jäämää per kierros. Neljännessä rakenteessa jokainen amidiryhmä on vetysidottu sen ulkopuoliseen kolmanteen amidiryhmään helixiä pitkin, ja viidennessä rakenteessa jokainen on sitoutunut sen ulkopuolella olevaan viidenteen amidiryhmään; kutsumme näitä rakenteita joko 3,7-jäännösrakenteeksi ja 5.1-jäännösrakenne vastaavasti tai kolmannen amidin vetysidosrakenne ja viidennen amidin vetysidosrakenne.

piirrokset kahdesta rakennelmasta on esitetty kuvissa 2, 3, 4 ja 5.

glysiinille sekä 3, 7-jäämän helix että 5.1-jäännöskierukka voi esiintyä joko positiivisella tai negatiivisella kierteellä eli joko positiivisena tai negatiivisena kierteenä suhteessa peptidiketjun atomisarjan antamaan kierteisakselin positiiviseen suuntaan. Muilla l-konfiguraation omaavilla aminohapoilla positiivinen ja negatiivinen heliksi kuitenkin eroavat toisistaan sivuketjujen sijainnin suhteen, ja voidaan hyvin olettaa, että kummassakin tapauksessa toinen helixin aisti olisi vakaampi kuin toinen. Luvuissa on tehty mielivaltainen R-ryhmien jako.

3,7-jäämäisen helixin kierteen suuntainen translaatio on 1,47 Å ja 5,1-jäämäisen helixin kääntö on 0,99 Å. Yhden täyden kierroksen arvot ovat vastaavasti 5,44 Å ja 5,03 Å. Nämä arvot on laskettu vedyn ja sidoksen etäisyydelle 2,72 Å; niitä olisi korotettava muutamalla prosentilla, mikäli kyseessä olisi suurempi vetysidosetäisyys (2,80 Å, sano).

kierteisten rakenteidemme stabiilisuus Ei-kiteisessä faasissa riippuu yksinomaan vierekkäisten jäämien vuorovaikutuksista, eikä vaadi jäämien määrän kierrosta kohden olevan pienten kokonaislukujen suhde. Kolmannen amidin vetysidoksella sidotun helixin arvo 3.69 jäännöstä kierrosta kohti on lähimpänä 48 jäännöstä kolmessatoista kierroksessa (3.693 jäännöstä kierrosta kohti), ja toisen helixin arvo 5.13 on lähimpänä 41 jäännöstä kahdeksassa kierrossa. On oletettavaa, että vetysidosetäisyyden muutos vaikuttaisi jonkin verran jäännösten määrään kierrosta kohden, ja myös että kierteisten molekyylien vuorovaikutus viereisten samankaltaisten molekyylien kanssa kiteessä aiheuttaisi pieniä vääntömomentteja kierteissä ja muuttaisi niitä hieman konfiguraatioiksi, joissa on rationaalinen määrä jäämiä kierrosta kohden. Kolmannen amidin vetysidoksella sidotun helixin yksinkertaisimmat rakenteet ovat 11-jäännös, 3-Käänteinen helix (3.67 jäämiä kierrosta kohti), 15-jäännös, 4-Käänteinen helix (3.75) ja 18-jäämä, 5-Käänteinen helix (3.60). Olemme löytäneet todisteita siitä, että ensimmäinen ja kolmas näistä tämän helixin lievistä muunnoksista ovat olemassa kiteisissä polypeptideissä.

näitä kierteisiä rakenteita ei ole aiemmin kuvattu. Laajennetun polypeptidiketjukonfiguraation lisäksi, jota on lähes kolmekymmentä vuotta oletettu esiintyvän venytetyissä hiuksissa ja muissa β-keratiinirakenteisissa proteiineissa,polypeptidiketjun kokoonpanoja ovat ehdottaneet Astbury ja Bell, 7 ja erityisesti Huggins8 sekä Bragg, Kendrew ja Perutz.9 Huggins käsitteli useita rakenteita, joissa oli intramolekulaarisia vetysidoksia, ja Bragg, Kendrew ja Perutz laajensivat keskustelua myös lisärakenteisiin ja tutkivat rakenteiden yhteensopivuutta hemoglobiinin ja myoglobiinin röntgendiffraktiotietojen kanssa. Mikään näistä tekijöistä ehdotti joko meidän 3.7-jäämän helix tai meidän 5.1-jäämän helix. Toisaalta eliminoisimme peruspostulaateillamme kaikki niiden ehdottamat rakenteet. Syy ero tulokset saatu muiden tutkijoiden ja meille kautta pääosin samanlaisia väitteitä on, että molemmat Bragg ja hänen yhteistyökumppaninsa ja Huggins keskusteltiin yksityiskohtaisesti vain kierteiset rakenteet, joilla on kiinteä määrä jäämiä per puolestaan, ja lisäksi olettaa vain karkea lähentämisestä vaatimuksiin noin atomisten etäisyydet, bond kulmat, ja planarity, konjugoitu amidi ryhmä, kuten meidän tutkimukset yksinkertaisempia aineita. Väitämme, että nämä stereokemialliset ominaisuudet on säilytettävä hyvin tiiviisti polypeptidiketjujen stabiileissa kokoonpanoissa proteiineissa ja että kierteisessä molekyylissä ei ole erityistä stabiilisuutta, joka liittyy kiinteään määrään jäämiä kierrosta kohden. Bragg, Kendrew ja Perutz ovat kuvanneet rakenteen topologisesti samanlaiseksi kuin meidän 3.7-jäännöskierre vetysidokseksi, jossa on 4 jäämää kierrosta kohden. Vertaamalla mallejaan perusteellisesti hemoglobiinin ja myoglobiinin pattersoniprojektioihin he poistivat tämän rakenteen ja tekivät varovaisen johtopäätöksen, että todisteet suosivat astburyn ja Bellin ei-kierteistä 3-jäännöksen taitettua α-keratiinikonfiguraatiota, jossa vain kolmasosa karbonyyli-ja aminoryhmistä osallistuu intramolekulaariseen vetysidoksen muodostumiseen.

mielestämme α-keratiinin, α-myosiinin ja vastaavien kuituproteiinien rakennetta edustaa läheisesti meidän 3.7-jäännös helix, ja että tämä helix on myös tärkeä rakenteellinen ominaisuus hemoglobiini, myoglobiini, ja muut globulaariset proteiinit, sekä synteettisten polypeptidien. Uskomme, että 5.1-jäännös helix voi edustaa luonnossa supraured keratiini ja suprakonstruoitu myosiini. Näihin johtopäätöksiin johtavat todisteet esitetään myöhemmissä asiakirjoissa.

työtämme ovat tukeneet Rockefeller Foundation, National Foundation for Infantile Paralysis ja U. S. Public Health Service. Monet laskelmat teki tohtori S. Weinbaum.

alaviitteet

• † † panos nro 1538.