De structuur van eiwitten: twee waterstofgebonden spiraalvormige configuraties van de polypeptideketen

De afgelopen vijftien jaar hebben we het probleem van de structuur van eiwitten op verschillende manieren aangepakt. Één van deze manieren is de volledige en nauwkeurige bepaling van de kristalstructuur van aminozuren, peptides, en andere eenvoudige substanties met betrekking tot proteã nen, opdat informatie over interatomic afstanden, bandhoeken, en andere configuratieparameters zou kunnen worden verkregen die de betrouwbare voorspelling van redelijke configuraties voor de polypeptideketen zou toelaten. We hebben deze informatie nu gebruikt om twee redelijke waterstof-gebonden spiraalvormige configuraties voor de polypeptideketen te construeren; wij denken dat het waarschijnlijk is dat deze configuraties een belangrijk deel van de structuur van zowel vezelachtige als bolvormige proteã nen, evenals van synthetische polypeptiden vormen. Een brief waarin hun ontdekking werd aangekondigd werd vorig jaar gepubliceerd.1

het probleem dat we onszelf gesteld hebben is dat we alle waterstofgebonden structuren voor een enkele polypeptideketen vinden, waarin de residuen gelijkwaardig zijn (behalve de verschillen in de zijketen R). Een aminozuurresidu (anders dan glycine) heeft geen symmetrieelementen. De algemene werking van de omzetting van een residu van een enkele keten in een tweede residu gelijk aan de eerste is bijgevolg een rotatie om een as vergezeld van vertaling langs de as. Vandaar dat de enige configuraties voor een keten die compatibel is met ons postulaat van equivalentie van de residuen spiraalvormige configuraties zijn. Bij draaihoek 180° kunnen de spiraalvormige configuraties ontaarden in een eenvoudige keten met alle hoofdatomen, C, C’ (de carbonylkoolstof), N en O, in hetzelfde vlak.

We gaan ervan uit dat, vanwege de resonantie van de dubbele binding tussen de koolstof-zuurstof-en koolstof-stikstofposities, de configuratie van elk residu vlak is. Dit structurele kenmerk is geverifieerd voor elk van de amiden die we hebben bestudeerd. Bovendien is de resonantietheorie nu zo goed onderbouwd en de experimentele onderbouwing ervan zo uitgebreid dat er geen enkele twijfel kan bestaan over de toepassing ervan op de amidegroep. De waargenomen C-N afstand, 1.32 Å, komt overeen met bijna 50% dubbelbindingskarakter, en we kunnen concluderen dat rotatie met maar liefst 10° ten opzichte van de vlakke configuratie zou resulteren in instabiliteit met ongeveer 1 kcal. mole-1. Aangenomen wordt dat de interatomische afstanden en bindingshoeken binnen het residu de in figuur 1 aangegeven waarden hebben. Deze waarden zijn geformuleerd2 aan de hand van de experimentele waarden die zijn gevonden in de kristalstructuurstudies van dl-alanine,3 l-threonine,4 N-acetylglycine 5 en β-glycylglycine 6 die in onze laboratoria zijn gemaakt. Verder wordt aangenomen dat elk stikstofatoom een waterstofbinding vormt met een zuurstofatoom van een ander residu, met een stikstof-zuurstofafstand gelijk aan 2,72 Å, en dat de vector van het stikstofatoom naar het waterstofgebonden zuurstofatoom niet meer dan 30° van de N-H—richting ligt. De energie van een N—H · · · waterstofbinding is ongeveer 8 kcal. mol-1, en zo ‘ n grote instabiliteit zou het gevolg zijn van het niet vormen van deze banden dat we kunnen vertrouwen op hun aanwezigheid. De N-H · · · O afstand kan niet precies 2 zijn.72 Å, maar kan enigszins afwijken van deze waarde.

oplossing van dit probleem toont aan dat er vijf en slechts vijf configuraties voor de keten zijn die voldoen aan andere voorwaarden dan die van de richting van de waterstofbinding ten opzichte van de N—H-richting. Deze komen overeen met de waarden 165°, 120°, 108°, 97.2° en 70,1° voor de rotatiehoek. In de eerste, derde en vijfde van deze structuren is de – groep negatief en de —groep positief gericht langs de spiraalvormige as, genomen als de richting die overeenkomt met de sequentie—CHR—CO—NH—CHR-van atomen in de peptideketen, en in de andere twee zijn hun richtingen omgekeerd. De eerste drie structuren zijn onbevredigend, in die zin dat de N-H-groep zich niet uitstrekt in de richting van het zuurstofatoom bij 2,72 Å; de vierde en vijfde zijn bevredigend, de hoek tussen de N—H vector en N-O vector is ongeveer 10° en 25° voor deze twee structuren respectievelijk. De vierde structuur heeft 3.69 aminozuurresiduen per beurt in de schroef, en de vijfde structuur heeft 5.13 residuen per beurt. In de vierde structuur is elke amidegroep waterstof-gebonden aan de derde amidegroep voorbij het langs de helix, en in de vijfde structuur is elk gebonden aan de vijfde amidegroep voorbij het; we zullen deze structuren ofwel de 3.7-residu structuur en de 5 noemen.1-residustructuur, respectievelijk de derde waterstofgebonden amide – structuur en de vijfde waterstofgebonden amide-structuur.

tekeningen van de twee structuren zijn weergegeven in de figuren 2, 3, 4 en 5.

voor glycine zowel de 3,7-residu helix als de 5.1-residu helix kan optreden met een positieve of een negatieve rotatie vertaling; dat wil zeggen, als een positieve of een negatieve helix, ten opzichte van de positieve richting van de spiraalvormige as gegeven door de opeenvolging van atomen in de peptide keten. Voor andere aminozuren met de l configuratie, echter, de positieve helix en de negatieve helix zou verschillen in de positie van de zijketens, en het zou goed kunnen worden verwacht dat in elk geval een zin van de helix stabieler zou zijn dan de andere. In de cijfers is een willekeurige toewijzing van de R-groepen gemaakt.

De vertaling langs de spiraalas in de 3.7-residu helix is 1,47 Å, en die in de 5.1-residu helix is 0,99 Å. De waarden voor één volledige beurt zijn respectievelijk 5,44 Å en 5,03 Å. Deze waarden worden berekend voor de waterstofbindingsafstand 2,72 Å; ze zouden met een paar procent moeten worden verhoogd, indien er een grotere waterstofbindingsafstand (2,80 Å, bijvoorbeeld) aanwezig zou zijn.

de stabiliteit van onze spiraalvormige structuren in een niet-kristallijne fase hangt uitsluitend af van interacties tussen aangrenzende residuen, en vereist niet dat het aantal residuen per beurt een verhouding van kleine gehele getallen is. De waarde 3.69 residuen per draai, voor de derde amide waterstofgebonden helix, wordt het dichtst benaderd door 48 residuen in dertien toeren (3.693 residuen per draai), en de waarde 5.13 voor de andere helix wordt het dichtst benaderd door 41 residuen in acht toeren. Het is te verwachten dat het aantal residuen per beurt enigszins zou worden beïnvloed door verandering in de waterstof-binding afstand, en ook dat de interactie van spiraalvormige moleculen met naburige soortgelijke moleculen in een kristal kleine draaimomenten in de helixen zou veroorzaken, waardoor ze enigszins vervormen tot configuraties met een rationeel aantal residuen per beurt. Voor de derde-amide waterstof-gebonden helix zijn de eenvoudigste structuren van deze soort die we zouden voorspellen de 11-residu, 3-turn helix (3,67 residuen per beurt), de 15-residu, 4-turn helix (3,75), en de 18-residu, 5-turn helix (3,60). We hebben enig bewijs gevonden dat de eerste en derde van deze lichte varianten van deze helix bestaan in kristallijne polypeptiden.

deze spiraalvormige structuren zijn niet eerder beschreven. Naast de uitgebreide polypeptidekettingconfiguratie, die al bijna dertig jaar wordt verondersteld aanwezig te zijn in uitgerekt haar en andere proteã nen met de β-keratine structuur, zijn de configuraties voor de polypeptideketen voorgesteld door Astbury en Bell,7 en vooral door Huggins8 en door Bragg, Kendrew, en Perutz.9 Huggins besprak een aantal structuren waarbij intramoleculaire waterstofbindingen betrokken waren, en Bragg, Kendrew en Perutz breidden de discussie uit om bijkomende structuren op te nemen en onderzochten de compatibiliteit van de structuren met röntgendiffractiegegevens voor hemoglobine en myoglobine. Geen van deze auteurs stelde onze 3.7-residu helix of onze 5.1-residu helix voor. Aan de andere kant zouden we, door onze fundamentele postulaten, alle door hen voorgestelde structuren elimineren. De reden voor het verschil in resultaten verkregen door andere onderzoekers en door ons door in wezen soortgelijke argumenten is dat zowel Bragg en zijn medewerkers en Huggins in detail alleen spiraalvormige structuren met een integraal aantal residuen per beurt besproken, en bovendien alleen een ruwe benadering van de eisen met betrekking tot interatomische afstanden, bindingshoeken, en planariteit van de geconjugeerde amidegroep, zoals gegeven door onze onderzoeken van eenvoudigere stoffen. Wij stellen dat deze stereochemische eigenschappen zeer nauw in stabiele configuraties van polypeptideketens in proteã nen moeten worden gehandhaafd, en dat er geen speciale stabiliteit verbonden aan een integraal aantal residuen per beurt in het spiraalvormige molecuul is. Bragg, Kendrew, en Perutz hebben een structuur topologisch vergelijkbaar met onze 3.7-residu helix beschreven als een waterstof-gebonden helix met 4 residuen per beurt. In hun grondige vergelijking van hun modellen met Patterson projecties voor hemoglobine en myoglobine ze geëlimineerd deze structuur, en trok de voorzichtige conclusie dat het bewijs begunstigt de niet-spiraalvormige 3-residu gevouwen α-keratine configuratie van Astbury en Bell, waarin slechts een derde van de carbonyl en amino groepen zijn betrokken bij intramoleculaire waterstof-binding vorming.

wij zijn van mening dat de structuur van α-keratine, α-myosine en soortgelijke vezelige eiwitten nauw wordt vertegenwoordigd door onze 3.7-residu helix, en dat deze helix vormt ook een belangrijke structurele functie in hemoglobine, myoglobine, en andere bolvormige eiwitten, evenals van synthetische polypeptiden. Wij denken dat de 5.1-residu helix in de natuur kan worden vertegenwoordigd door super-gecontracteerde keratine en supercontracted myosine. Het bewijs dat ons tot deze conclusies leidt zal in latere documenten worden gepresenteerd.ons werk werd ondersteund door subsidies van de Rockefeller Foundation, de National Foundation for Infantile Paralysis en de U. S. Public Health Service. Veel berekeningen werden uitgevoerd door Dr.S. Weinbaum.