Negli ultimi quindici anni abbiamo attaccato il problema della struttura delle proteine in diversi modi. Uno di questi modi è la determinazione completa e accurata della struttura cristallina di aminoacidi, peptidi e altre sostanze semplici relative alle proteine, in modo da ottenere informazioni sulle distanze interatomiche, sugli angoli di legame e su altri parametri configurazionali che consentano la previsione affidabile di configurazioni ragionevoli per la catena polipeptidica. Ora abbiamo usato queste informazioni per costruire due configurazioni elicoidali idrogeno-legate ragionevoli per la catena polipeptidica; pensiamo che sia probabile che queste configurazioni costituiscano una parte importante della struttura sia delle proteine fibrose che globulari, nonché dei polipeptidi sintetici. Una lettera che annuncia la loro scoperta è stata pubblicata l’anno scorso.1
Il problema che ci siamo posti è quello di trovare tutte le strutture legate all’idrogeno per una singola catena polipeptidica, in cui i residui sono equivalenti (tranne che per le differenze nella catena laterale R). Un residuo aminoacidico (diverso dalla glicina) non ha elementi di simmetria. L’operazione generale di conversione di un residuo di una singola catena in un secondo residuo equivalente al primo è di conseguenza una rotazione attorno ad un asse accompagnata da traslazione lungo l’asse. Quindi le uniche configurazioni per una catena compatibili con il nostro postulato di equivalenza dei residui sono configurazioni elicoidali. Per l’angolo di rotazione di 180° le configurazioni elicoidali possono degenerare in una semplice catena con tutti gli atomi principali, C, C ‘ (il carbonio carbonilico), N e O, sullo stesso piano.
Assumiamo che, a causa della risonanza del doppio legame tra le posizioni carbonio-ossigeno e carbonio-azoto, la configurazione di ciascun residuo
sia planare. Questa caratteristica strutturale è stata verificata per ciascuna delle ammidi che abbiamo studiato. Inoltre, la teoria della risonanza è ora così ben fondata e la sua fondatezza sperimentale così ampia che non ci può essere alcun dubbio sulla sua applicazione al gruppo ammidico. La distanza C—N osservata, 1.32 Å, corrisponde a quasi il 50 per cento del carattere a doppio legame, e possiamo concludere che la rotazione di ben 10° dalla configurazione planare comporterebbe instabilità di circa 1 kcal. talpa−1. Si presume che le distanze interatomiche e gli angoli di legame all’interno del residuo abbiano i valori mostrati nella figura 1. Questi valori sono stati formulati2 prendendo in considerazione i valori sperimentali trovati negli studi sulla struttura cristallina di dl-alanina,3 l-treonina,4 N-acetilglicina5 e β-glicilglicina6 che sono stati fatti nei nostri laboratori. Si presume inoltre che ogni atomo di azoto formi un legame idrogeno con un atomo di ossigeno di un altro residuo, con la distanza azoto-ossigeno pari a 2,72 Å, e che il vettore dall’atomo di azoto all’atomo di ossigeno legato all’idrogeno si trovi a non più di 30° dalla direzione N-H. L’energia di un N-H · · · 
legame idrogeno è dell’ordine di 8 kcal. talpa-1, e tale grande instabilità deriverebbe dalla mancata formazione di questi legami che possiamo essere sicuri della loro presenza. Non ci si può aspettare che la distanza N—H · · · O sia esattamente 2.72 Å, ma potrebbe deviare un po ‘ da questo valore.
Dimensioni della catena polipeptidica.
La soluzione di questo problema mostra che ci sono cinque e solo cinque configurazioni per la catena che soddisfano le condizioni diverse da quella di direzione del legame idrogeno rispetto alla direzione NH. Questi corrispondono ai valori 165°, 120°, 108°, 97.2° e 70.1° per l’angolo di rotazione. Nel primo, terzo e quinto di queste strutture il gruppo 
è negativamente e il gruppo
è orientato positivamente lungo l’asse elicoidale, preso come direzione corrispondente alla sequenza—CHR—CO—NH—CHR—degli atomi nella catena peptidica, e negli altri due le loro direzioni sono invertite. Le prime tre strutture sono insoddisfacenti, in quanto il gruppo N-H non si estende nella direzione dell’atomo di ossigeno a 2,72 Å; il quarto e il quinto sono soddisfacenti, l’angolo tra il vettore N—H e il vettore N-O è rispettivamente di circa 10° e 25° per queste due strutture. La quarta struttura ha 3,69 residui di aminoacidi per turno nell’elica e la quinta struttura ha 5,13 residui per turno. Nella quarta struttura ogni gruppo ammidico è legato all’idrogeno al terzo gruppo ammidico al di là di esso lungo l’elica, e nella quinta struttura ciascuno è legato al quinto gruppo ammidico al di là di esso; chiameremo queste strutture o la struttura del residuo 3.7 e la 5.1-struttura del residuo, rispettivamente, o la struttura legata all’idrogeno della terza ammide e la struttura legata all’idrogeno della quinta ammide.
I disegni delle due strutture sono mostrati nelle figure 2, 3, 4 e 5.
L’elica con 3,7 residui per turno.
L’elica con 5,1 residui per giro.
Piano dell’elica 3.7-residuo.
Piano dell’elica 5.1-residuo.
Per la glicina sia l’elica a 3,7 residui che la 5.1-l’elica del residuo potrebbe verificarsi con una traduzione rotazionale positiva o negativa; cioè, come elica positiva o negativa, rispetto alla direzione positiva dell’asse elicoidale data dalla sequenza di atomi nella catena peptidica. Per altri amminoacidi con la configurazione l, tuttavia, l’elica positiva e l’elica negativa differirebbero nella posizione delle catene laterali, e ci si potrebbe aspettare che in ogni caso un senso dell’elica sia più stabile dell’altro. Un’assegnazione arbitraria dei gruppi R è stata fatta nelle figure.
La traslazione lungo l’asse elicoidale nell’elica a 3,7 residui è 1,47 Å e quella nell’elica a 5,1 residui è 0,99 Å. I valori per un giro completo sono rispettivamente 5,44 Å e 5,03 Å. Questi valori sono calcolati per la distanza idrogeno-legame 2,72 Å; dovrebbero essere aumentati di qualche punto percentuale, nel caso in cui fosse presente una distanza idrogeno-legame più grande (2,80 Å, diciamo).
La stabilità delle nostre strutture elicoidali in una fase non cristallina dipende esclusivamente dalle interazioni tra residui adiacenti e non richiede che il numero di residui per turno sia un rapporto di piccoli interi. Il valore 3.69 residui per turno, per la terza elica legata all’idrogeno ammidico, è più approssimato da 48 residui in tredici giri (3.693 residui per turno) e il valore 5.13 per l’altra elica è più ravvicinato da 41 residui in otto giri. È da aspettarsi che il numero di residui per turno sarebbe influenzato in qualche modo dal cambiamento nella distanza di legame idrogeno, e anche che l’interazione di molecole elicoidali con molecole simili vicine in un cristallo causerebbe piccole coppie nelle eliche, deformandole leggermente in configurazioni con un numero razionale di residui per turno. Per la terza elica legata all’idrogeno ammide le strutture più semplici di questo tipo che prevederemmo sono l’elica a 11 residui, 3 giri (3,67 residui per turno), l’elica a 15 residui, 4 giri (3,75) e l’elica a 18 residui, 5 giri (3,60). Abbiamo trovato alcune prove che indicano che il primo e il terzo di queste lievi varianti di questa elica esistono in polipeptidi cristallini.
Queste strutture elicoidali non sono state precedentemente descritte. Oltre alla configurazione estesa della catena polipeptidica, che per quasi trent’anni si è ipotizzato essere presente nei capelli allungati e in altre proteine con la struttura β-cheratina, le configurazioni per la catena polipeptidica sono state proposte da Astbury e Bell,7 e soprattutto da Huggins8 e da Bragg, Kendrew e Perutz.9 Huggins ha discusso una serie di strutture che coinvolgono legami idrogeno intramolecolari, e Bragg, Kendrew e Perutz hanno esteso la discussione per includere strutture aggiuntive e hanno studiato la compatibilità delle strutture con i dati di diffrazione dei raggi X per l’emoglobina e la mioglobina. Nessuno di questi autori ha proposto né la nostra elica da 3,7 residui né la nostra elica da 5,1 residui. D’altra parte, elimineremmo, con i nostri postulati di base, tutte le strutture da loro proposte. La ragione per la differenza nei risultati ottenuti da altri ricercatori e da noi attraverso essenzialmente simili argomenti è che sia Bragg e i suoi collaboratori e Huggins discusso in dettaglio solo strutture elicoidali con un integrale numero di residui per giro, e inoltre assunto solo un’approssimazione per i requisiti interatomico distanze, l’angolo di legame, e planarità del conjugated ammide gruppo, come da nostre indagini di sostanze più semplici. Sosteniamo che queste caratteristiche stereochimiche devono essere mantenute molto strettamente in configurazioni stabili di catene polipeptidiche nelle proteine e che non vi è alcuna stabilità speciale associata a un numero integrale di residui per turno nella molecola elicoidale. Bragg, Kendrew e Perutz hanno descritto una struttura topologicamente simile alla nostra elica a 3,7 residui come un’elica legata all’idrogeno con 4 residui per turno. Nel loro confronto approfondito dei loro modelli con le proiezioni di Patterson per l’emoglobina e la mioglobina hanno eliminato questa struttura e hanno tratto la cauta conclusione che l’evidenza favorisce la configurazione α-cheratina piegata non elicoidale a 3 residui di Astbury e Bell, in cui solo un terzo dei gruppi carbonile e amminico sono coinvolti nella formazione intramolecolare del legame idrogeno.
È nostra opinione che la struttura di α-cheratina, α-miosina e proteine fibrose simili sia strettamente rappresentata dal nostro 3.7-elica del residuo e che questa elica inoltre costituisce una caratteristica strutturale importante in emoglobina, in mioglobina ed in altre proteine globulari come pure dei polipeptidi sintetici. Pensiamo che l’elica del residuo 5.1 possa essere rappresentata in natura da cheratina super-contratta e miosina supercontratta. Le prove che ci portano a queste conclusioni saranno presentate in documenti successivi.
Il nostro lavoro è stato aiutato da sovvenzioni della Fondazione Rockefeller, della Fondazione nazionale per la paralisi infantile e del Servizio sanitario pubblico degli Stati Uniti. Molti calcoli sono stati effettuati dal Dr. S. Weinbaum.
Sommario
Sono state trovate due strutture elicoidali legate all’idrogeno per una catena polipeptidica in cui i residui sono stereochimicamente equivalenti, le distanze interatomiche e gli angoli di legame hanno valori trovati in amminoacidi, peptidi e altre sostanze semplici legate alle proteine e il sistema ammidico coniugato è planare. In una struttura, con 3,7 residui per turno, ogni gruppo carbonilico e immino è attaccato da un legame idrogeno al gruppo complementare nel terzo gruppo ammidico rimosso da esso nella catena polipeptidica e nell’altra struttura, con 5.1 residui per turno, ciascuno è legato al quinto gruppo ammidico.
Note a piè di pagina
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Contribution†Contributo n.1538.