La structure des protéines: Deux configurations hélicoïdales liées à l’hydrogène de la chaîne polypeptidique

Au cours des quinze dernières années, nous avons attaqué le problème de la structure des protéines de plusieurs manières. L’une de ces façons est la détermination complète et précise de la structure cristalline des acides aminés, des peptides et d’autres substances simples liées aux protéines, afin d’obtenir des informations sur les distances interatomiques, les angles de liaison et d’autres paramètres de configuration qui permettraient la prédiction fiable de configurations raisonnables pour la chaîne polypeptidique. Nous avons maintenant utilisé ces informations pour construire deux configurations hélicoïdales liées à l’hydrogène raisonnables pour la chaîne polypeptidique; nous pensons qu’il est probable que ces configurations constituent une partie importante de la structure des protéines fibreuses et globulaires, ainsi que des polypeptides synthétiques. Une lettre annonçant leur découverte a été publiée l’année dernière.1

Le problème que nous nous sommes fixé est celui de trouver toutes les structures liées à l’hydrogène pour une seule chaîne polypeptidique, dans laquelle les résidus sont équivalents (à l’exception des différences dans la chaîne latérale R). Un résidu d’acide aminé (autre que la glycine) n’a pas d’éléments de symétrie. L’opération générale de transformation d’un résidu d’une seule chaîne en un second résidu équivalent au premier est donc une rotation autour d’un axe accompagnée d’une translation le long de cet axe. Les seules configurations pour une chaîne compatibles avec notre postulat d’équivalence des résidus sont donc des configurations hélicoïdales. Pour un angle de rotation de 180°, les configurations hélicoïdales peuvent dégénérer en une chaîne simple avec tous les atomes principaux, C, C’ (le carbone carbonyle), N et O, dans le même plan.

Nous supposons qu’en raison de la résonance de la double liaison entre les positions carbone-oxygène et carbone-azote, la configuration de chaque résidu est plane. Cette caractéristique structurelle a été vérifiée pour chacun des amides que nous avons étudiés. De plus, la théorie de la résonance est maintenant si bien fondée et sa justification expérimentale si étendue qu’il ne peut y avoir aucun doute quant à son application au groupe amide. La distance C—N observée, 1.32 Å, correspond à près de 50% du caractère de double liaison, et nous pouvons conclure que la rotation de jusqu’à 10° par rapport à la configuration plane entraînerait une instabilité d’environ 1 kcal. mole-1. Les distances interatomiques et les angles de liaison à l’intérieur du résidu sont supposés avoir les valeurs indiquées à la figure 1. Ces valeurs ont été formulées2 en tenant compte des valeurs expérimentales trouvées dans les études de structure cristalline de la dl-alanine, de la 3 l-thréonine, de la 4 N-acétylglycine5 et de la β-glycylglycine6 réalisées dans nos Laboratoires. On suppose en outre que chaque atome d’azote forme une liaison hydrogène avec un atome d’oxygène d’un autre résidu, la distance azote-oxygène étant égale à 2,72 Å, et que le vecteur de l’atome d’azote à l’atome d’oxygène lié à l’hydrogène ne se situe pas à plus de 30° de la direction N-H. L’énergie d’une liaison hydrogène N—H··· est de l’ordre de 8 kcal. mole−1, et une telle instabilité résulterait de l’échec de la formation de ces liens que nous pouvons être sûrs de leur présence. On ne peut pas s’attendre à ce que la distance N—H ··· O soit exactement 2.72 Å, mais pourrait s’écarter quelque peu de cette valeur.

La solution de ce problème montre qu’il existe cinq et seulement cinq configurations pour la chaîne qui satisfont aux conditions autres que celle de direction de la liaison hydrogène par rapport à la direction N—H. Celles-ci correspondent aux valeurs 165°, 120°, 108°, 97.2° et 70,1° pour l’angle de rotation. Dans la première, la troisième et la cinquième de ces structures, le groupe est négatif et le groupe dirigé positivement le long de l’axe hélicoïdal, pris comme direction correspondent à la séquence —CHR—CO—NH—CHR—d’atomes dans la chaîne peptidique, et dans les deux autres leurs directions sont inversées. Les trois premières structures ne sont pas satisfaisantes, en ce que le groupe N—H ne s’étend pas dans la direction de l’atome d’oxygène à 2,72 Å; les quatrième et cinquième sont satisfaisants, l’angle entre le vecteur N—H et le vecteur N—O étant respectivement d’environ 10° et 25° pour ces deux structures. La quatrième structure a 3,69 résidus d’acides aminés par tour dans l’hélice et la cinquième structure a 5,13 résidus par tour. Dans la quatrième structure, chaque groupe amide est lié à l’hydrogène au troisième groupe amide au-delà le long de l’hélice, et dans la cinquième structure, chacun est lié au cinquième groupe amide au-delà; nous appellerons ces structures soit la structure à 3,7 résidus, soit la structure à 5.1- structure résiduelle, respectivement, ou la structure liée à l’hydrogène par le troisième amide et la structure liée à l’hydrogène par le cinquième amide.Des dessins des deux structures sont représentés sur les figures 2, 3, 4 et 5.

Pour la glycine, l’hélice à 3,7 résidus et le 5.l’hélice du résidu 1 peut se produire avec une translation rotationnelle positive ou négative, c’est-à-dire sous forme d’hélice positive ou négative, par rapport à la direction positive de l’axe hélicoïdal donnée par la séquence d’atomes dans la chaîne peptidique. Pour les autres acides aminés de configuration l, cependant, l’hélice positive et l’hélice négative différeraient dans la position des chaînes latérales, et on pourrait bien s’attendre à ce que dans chaque cas un sens de l’hélice soit plus stable que l’autre. Une affectation arbitraire des groupes R a été faite sur les figures.

La translation le long de l’axe hélicoïdal dans l’hélice à 3,7 résidus est de 1,47 Å et celle dans l’hélice à 5,1 résidus est de 0,99 Å. Les valeurs pour un tour complet sont respectivement de 5,44 Å et 5,03 Å. Ces valeurs sont calculées pour la distance de liaison hydrogène 2,72 Å; elles devraient être augmentées de quelques pour cent, au cas où une distance de liaison hydrogène plus grande (2,80 Å, disons) serait présente.

La stabilité de nos structures hélicoïdales dans une phase non cristalline dépend uniquement des interactions entre résidus adjacents, et ne nécessite pas que le nombre de résidus par tour soit un rapport de petits entiers. La valeur de 3,69 résidus par tour, pour la troisième hélice liée à l’hydrogène amide, est la plus proche de 48 résidus en treize tours (3,693 résidus par tour), et la valeur de 5,13 pour l’autre hélice est la plus proche de 41 résidus en huit tours. On peut s’attendre à ce que le nombre de résidus par tour soit quelque peu affecté par le changement de la distance de liaison hydrogène, et aussi que l’interaction de molécules hélicoïdales avec des molécules similaires voisines dans un cristal provoquerait de petits couples dans les hélices, les déformant légèrement en configurations avec un nombre rationnel de résidus par tour. Pour l’hélice liée à l’hydrogène du troisième amide, les structures les plus simples de ce type que nous prévoyons sont l’hélice à 11 résidus à 3 tours (3,67 résidus par tour), l’hélice à 15 résidus à 4 tours (3,75) et l’hélice à 18 résidus à 5 tours (3,60). Nous avons trouvé des preuves indiquant que la première et la troisième de ces légères variantes de cette hélice existent dans les polypeptides cristallins.

Ces structures hélicoïdales n’ont pas été décrites précédemment. En plus de la configuration de la chaîne polypeptidique étendue, supposée présente depuis près de trente ans dans les cheveux étirés et d’autres protéines à structure β-kératine, des configurations de la chaîne polypeptidique ont été proposées par Astbury et Bell, 7 et surtout par Huggins8 et par Bragg, Kendrew et Perutz.9 Huggins a discuté d’un certain nombre de structures impliquant des liaisons hydrogène intramoléculaires, et Bragg, Kendrew et Perutz ont étendu la discussion pour inclure des structures supplémentaires et ont étudié la compatibilité des structures avec les données de diffraction des rayons X pour l’hémoglobine et la myoglobine. Aucun de ces auteurs n’a proposé notre hélice à 3,7 résidus ou notre hélice à 5,1 résidus. D’autre part, nous éliminerions, par nos postulats de base, toutes les structures qu’ils proposent. La raison de la différence dans les résultats obtenus par d’autres chercheurs et par nous par des arguments essentiellement similaires est que Bragg et ses collaborateurs et Huggins n’ont discuté en détail que des structures hélicoïdales avec un nombre intégral de résidus par tour, et n’ont en outre supposé qu’une approximation approximative des exigences concernant les distances interatomiques, les angles de liaison et la planarité du groupe amide conjugué, comme indiqué par nos recherches sur des substances plus simples. Nous soutenons que ces caractéristiques stéréochimiques doivent être très étroitement conservées dans des configurations stables de chaînes polypeptidiques dans les protéines, et qu’il n’y a pas de stabilité particulière associée à un nombre intégral de résidus par tour dans la molécule hélicoïdale. Bragg, Kendrew et Perutz ont décrit une structure topologiquement similaire à notre hélice à 3,7 résidus comme une hélice liée à l’hydrogène avec 4 résidus par tour. Dans leur comparaison approfondie de leurs modèles avec les projections de Patterson pour l’hémoglobine et la myoglobine, ils ont éliminé cette structure et ont tiré la conclusion prudente que les preuves favorisent la configuration α-kératine repliée à 3 résidus non hélicoïdaux d’Astbury et de Bell, dans laquelle seulement un tiers des groupes carbonyle et amino sont impliqués dans la formation de liaisons hydrogène intramoléculaires.

Nous pensons que la structure de l’α-kératine, de l’α-myosine et de protéines fibreuses similaires est étroitement représentée par notre 3.7- hélice de résidus, et que cette hélice constitue également une caractéristique structurale importante dans l’hémoglobine, la myoglobine et d’autres protéines globulaires, ainsi que dans les polypeptides synthétiques. Nous pensons que l’hélice du résidu 5.1 peut être représentée dans la nature par de la kératine super-contractée et de la myosine super-contractée. Les preuves qui nous mèneront à ces conclusions seront présentées dans des articles ultérieurs.

Notre travail a été soutenu par des subventions de la Fondation Rockefeller, de la Fondation Nationale pour la Paralysie Infantile et du Service de Santé publique des États-Unis. De nombreux calculs ont été effectués par le Dr S. Weinbaum.