A fehérjék szerkezete: a polipeptidlánc két hidrogénhez kötött spirális konfigurációja

az elmúlt tizenöt évben többféleképpen támadtuk meg a fehérjék szerkezetének problémáját. Az egyik ilyen módszer az aminosavak, peptidek és más fehérjékhez kapcsolódó egyszerű anyagok kristályszerkezetének teljes és pontos meghatározása annak érdekében, hogy információt kapjunk az interatomikus távolságokról, a kötési szögekről és más konfigurációs paraméterekről, amelyek lehetővé teszik a polipeptidlánc ésszerű konfigurációinak megbízható előrejelzését. Ezt az információt most két ésszerű hidrogénkötésű spirális konfiguráció felépítésére használtuk fel a polipeptidlánc számára; úgy gondoljuk, hogy valószínű, hogy ezek a konfigurációk mind a rostos, mind a globuláris fehérjék, valamint a szintetikus polipeptidek szerkezetének fontos részét képezik. A felfedezést bejelentő levelet tavaly tették közzé.1

az általunk felvetett probléma az, hogy megtaláljuk az összes hidrogénkötésű szerkezetet egyetlen polipeptidlánc számára, amelyben a maradékok egyenértékűek (kivéve az R oldallánc különbségeit). Az aminosav-maradék (a glicin kivételével) nem rendelkezik szimmetria elemekkel. Az egyetlen lánc egyik maradékának az elsővel egyenértékű második maradékká történő átalakításának általános művelete ennek megfelelően egy tengely körüli forgás, amelyet a tengely mentén történő fordítás kísér. Ezért a maradványok egyenértékűségének posztulátumával kompatibilis lánc egyetlen konfigurációja a spirális konfiguráció. A forgási szög 180 a spirális konfigurációk egy egyszerű láncra degenerálódhatnak, amelyben az összes fő atom, a C, C’ (a karbonil-szén), N és O ugyanabban a síkban van.

feltételezzük, hogy a szén-oxigén és a szén-nitrogén pozíciók közötti kettős kötés rezonanciája miatt az egyes maradványok konfigurációja sík. Ezt a szerkezeti jellemzőt minden általunk vizsgált amid esetében ellenőriztük. Ráadásul a rezonancia elmélet ma már olyan jól megalapozott, és kísérleti megalapozottsága olyan kiterjedt,hogy nem lehet kétséges, hogy az amidcsoportra alkalmazható. A megfigyelt C-N távolság, 1.A 32cl közel 50% – os kettős kötésű karakternek felel meg, és arra a következtetésre juthatunk, hogy a sík konfigurációból akár 10cl-os forgás körülbelül 1 kcal-os instabilitást eredményezne. mole-1. Feltételezzük, hogy a maradékon belüli interatomi távolságok és kötési szögek az 1.ábrán látható értékekkel rendelkeznek. Ezeket az értékeket a DL-alanin,3 l-treonin,4 n-acetilglicin5 és a laboratóriumainkban végzett kristályszerkezeti vizsgálatok során talált kísérleti értékek figyelembevételével állítottuk össze2. Feltételezzük továbbá, hogy minden nitrogénatom hidrogénkötést képez egy másik maradék oxigénatomjával, a nitrogén-oxigén távolság pedig 2,72 köbcentiméter, és hogy a nitrogénatomtól a hidrogénhez kötött oxigénatomig terjedő vektor nem több, mint 30 köbcentiméter az N-H irányból. Az N—H · · · a hidrogénkötés energiája 8 kcal nagyságrendű. mole-1, és olyan nagy instabilitás lenne az eredménye, ha nem alakítanánk ki ezeket a kötéseket, hogy biztosak lehetünk a jelenlétükben. Az N-H * * * O távolság várhatóan nem lesz pontosan 2.72), de kissé eltérhet ettől az értéktől.

a probléma megoldása azt mutatja, hogy a láncnak öt és csak öt konfigurációja van, amelyek megfelelnek a hidrogénkötés n—H irányhoz viszonyított irányától eltérő feltételeknek. Ezek megfelelnek az értékeknek 165°, 120°, 108°, 97.2° és 70,1-et a forgási szögre. Ezen struktúrák első, harmadik és ötödik részében a csoport negatív, a csoport pozitívan irányul a spirális tengely mentén, a peptidláncban lévő atomok—CHR—CO—NH—CHR—szekvenciájának megfelelő irányként, a másik kettőben pedig irányuk megfordul. A struktúrák közül az első három nem kielégítő, mivel az N-H Csoport nem terjed ki az oxigénatom irányába 2, 72 CAC-nál; a negyedik és az ötödik megfelelő, az N—H vektor és az N—O vektor közötti szög e két struktúra esetében körülbelül 10, illetve 25++. A negyedik szerkezet fordulatonként 3,69 aminosavmaradékot tartalmaz a hélixben, az ötödik szerkezet pedig 5,13 maradékot tartalmaz fordulatonként. A negyedik szerkezetben minden amidcsoport hidrogénnel kötődik a harmadik amidcsoporthoz a hélix mentén, az ötödik struktúrában pedig mindegyik kötődik az ötödik amidcsoporthoz azon túl; ezeket a struktúrákat vagy 3,7-maradék szerkezetnek, vagy 5-nek nevezzük.1-maradékszerkezet, illetve a harmadik – amid hidrogénkötésű szerkezet, az ötödik – amid hidrogénkötésű szerkezet.

a két szerkezet rajzai a 2., 3., 4. és 5. ábrán láthatók.

glicin esetében mind a 3,7 maradék hélix, mind az 5.1-maradék hélix pozitív vagy negatív rotációs transzlációval fordulhat elő; vagyis pozitív vagy negatív hélixként, a spirális tengely pozitív irányához viszonyítva, amelyet a peptidláncban lévő atomok szekvenciája ad meg. Más L konfigurációjú aminosavak esetében azonban a pozitív hélix és a negatív hélix különbözne az oldalláncok helyzetében, és várható, hogy a hélix egyik érzéke minden esetben stabilabb lesz, mint a másik. Az ábrákon az R csoportok önkényes hozzárendelése történt.

a spirális tengely mentén történő transzláció a 3,7 maradék hélixben 1,47 ezer, az 5,1 maradék hélixben pedig 0,99 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX. Egy teljes fordulat értéke 5,44, illetve 5,03 volt. Ezeket az értékeket a hidrogénkötési távolságra számítják 2,72 USD; néhány százalékkal meg kellene növelni őket, ha nagyobb hidrogénkötési távolság (mondjuk 2,80 USD) lenne jelen.

spirális szerkezeteink stabilitása egy nem kristályos fázisban kizárólag a szomszédos maradványok közötti kölcsönhatásoktól függ, és nem követeli meg, hogy az egy fordulatra eső maradékok száma kis egész számok aránya legyen. A harmadik amid hidrogénkötésű hélixnél a fordulatonkénti 3,69 maradék értéket tizenhárom fordulóban 48 maradék közelíti meg (fordulatonként 3,693 maradék), a másik hélix esetében pedig az 5,13 értéket nyolc fordulóban 41 maradék közelíti meg a legjobban. Várható, hogy az egy fordulatra jutó maradékok számát némileg befolyásolja a hidrogén-kötés távolságának változása, valamint az is, hogy a spirális molekulák kölcsönhatása a szomszédos hasonló molekulákkal egy kristályban kis nyomatékokat okozna a spirálokban, kissé deformálva őket konfigurációkba, fordulatonként racionális számú maradékkal. A harmadik amid hidrogénnel kötött hélix esetében az ilyen típusú legegyszerűbb struktúrák a 11-maradék, a 3-fordulatú hélix (3,67 maradék / fordulat), a 15-maradék, a 4-fordulatú hélix (3,75) és a 18-maradék, 5-fordulatú hélix (3,60). Találtunk néhány bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy a hélix ezen enyhe változatainak első és harmadik része kristályos polipeptidekben létezik.

ezeket a spirális szerkezeteket korábban nem írták le. A kiterjesztett polipeptidlánc-konfiguráció mellett, amely közel harminc éve feltételezték, hogy jelen van a feszített hajban és más proteinekben, amelyek a prosztaglandinok-keratin szerkezettel rendelkeznek,a polipeptidlánc konfigurációit Astbury és Bell, 7 és különösen Huggins8, valamint Bragg, Kendrew és Perutz javasolta.9 Huggins számos olyan struktúrát tárgyalt, amelyek intramolekuláris hidrogénkötéseket tartalmaznak, és Bragg, Kendrew és Perutz kiterjesztették a vitát további struktúrákra, és megvizsgálták a struktúrák kompatibilitását a hemoglobin és a mioglobin röntgendiffrakciós adataival. Ezen szerzők egyike sem javasolta sem a 3,7-maradék hélixünket, sem az 5,1-maradék hélixünket. Másrészt alapvető posztulátumainkkal megszüntetnénk az általuk javasolt összes struktúrát. A más kutatók és az általunk lényegében hasonló érvek alapján kapott eredmények közötti különbség oka az, hogy mind Bragg, mind munkatársai, mind Huggins részletesen csak spirális struktúrákat tárgyaltak, amelyek fordulatonként szerves számú maradékot tartalmaznak, sőt, csak durva közelítést feltételeztek az interatomikus távolságokra, a kötési szögekre és a konjugált amidcsoport planaritására vonatkozó követelményekhez, amint azt az egyszerűbb anyagok vizsgálata adta. Azt állítjuk, hogy ezeket a sztereokémiai tulajdonságokat nagyon szorosan meg kell őrizni a fehérjékben lévő polipeptidláncok stabil konfigurációiban, és hogy nincs különleges stabilitás, amely a spirális molekulában fordulatonként szerves számú maradékhoz kapcsolódik. Bragg, Kendrew és Perutz leírták a 3,7 maradék hélixünkhöz topológiailag hasonló szerkezetet, mint egy hidrogénnel kötött hélixet, 4 maradék fordulattal. Modelljeik alapos összehasonlításakor a hemoglobin és a mioglobin Patterson-előrejelzéseivel kiküszöbölték ezt a struktúrát, és óvatos következtetést vontak le, hogy a bizonyítékok az Astbury és Bell nem spirális 3-maradék hajtogatott antioxidáns-keratin konfigurációját részesítik előnyben, amelyben a karbonil-és aminocsoportoknak csak egyharmada vesz részt az intramolekuláris hidrogénkötés kialakulásában.

az a véleményünk, hogy a szerkezet a kalcium-keratin, a miozin, és hasonló rostos fehérjék szorosan képviseli a mi 3.7-maradék hélix, és hogy ez a hélix fontos szerkezeti jellemzőt jelent a hemoglobinban, a mioglobinban és más globuláris fehérjékben, valamint a szintetikus polipeptidekben. Úgy gondoljuk, hogy az 5,1-maradék hélixet a természetben szuper-összehúzott keratin és szuperkontraktált miozin képviselheti. Az e következtetésekhez vezető bizonyítékokat a későbbi dokumentumokban ismertetjük.

munkánkat a Rockefeller Alapítvány, a National Foundation for infantilis Paralysis és az Egyesült Államok közegészségügyi szolgálata támogatta. Számos számítást végzett Dr. S. Weinbaum.