Struktura białek: dwie wiązane Wodorem spiralne konfiguracje łańcucha polipeptydowego

w ciągu ostatnich piętnastu lat na kilka sposobów atakowaliśmy problem struktury białek. Jednym z tych sposobów jest pełne i dokładne określenie struktury krystalicznej aminokwasów, peptydów i innych prostych substancji związanych z białkami, w celu uzyskania informacji o międzyatomowych odległościach, kątach wiązania i innych parametrach konfiguracyjnych, które pozwoliłyby na wiarygodne przewidywanie rozsądnych konfiguracji dla łańcucha polipeptydowego. Wykorzystaliśmy te informacje do skonstruowania dwóch rozsądnych konfiguracji spiralnych wiązanych Wodorem dla łańcucha polipeptydowego; uważamy, że jest prawdopodobne, że konfiguracje te stanowią ważną część struktury zarówno białek włóknistych, jak i kulistych, a także syntetycznych polipeptydów. List zapowiadający ich odkrycie został opublikowany w zeszłym roku.1

problem, który sobie postawiliśmy, polega na znalezieniu wszystkich struktur wiązanych Wodorem dla pojedynczego łańcucha polipeptydowego, w którym reszty są równoważne (z wyjątkiem różnic w łańcuchu bocznym R). Reszta aminokwasowa (inna niż glicyna) nie ma elementów symetrii. Ogólną operacją przekształcenia jednej pozostałości z jednego łańcucha w drugą pozostałość równoważną pierwszej jest odpowiednio obrót wokół osi, któremu towarzyszy translacja wzdłuż osi. Stąd jedynymi konfiguracjami dla łańcucha zgodnymi z naszym postulatem równoważności reszt są konfiguracje spiralne. Dla kąta obrotu 180° konfiguracje spiralne mogą przekształcić się w prosty łańcuch ze wszystkimi głównymi atomami, C, C ’ (węglem karbonylowym), N I O, w tej samej płaszczyźnie.

Zakładamy, że ze względu na rezonans wiązania podwójnego między pozycjami węgiel-tlen i węgiel-azot, konfiguracja każdej reszty jest planarna. Ta cecha strukturalna została zweryfikowana dla każdego z badanych przez nas amidów. Co więcej, teoria rezonansu jest teraz tak dobrze ugruntowana, a jej eksperymentalne uzasadnienie tak rozległe, że nie ma wątpliwości co do jej zastosowania do grupy amidowej. Obserwowana odległość C-N, 1.32 Å, odpowiada prawie 50-procentowemu charakterowi wiązania podwójnego i możemy wnioskować, że obrót nawet o 10° od konfiguracji planarnej spowodowałby niestabilność o około 1 kcal. kret-1. Zakłada się, że międzyatomowe odległości i kąty wiązania wewnątrz pozostałości mają wartości pokazane na fig.1. Wartości te zostały sformułowane2 z uwzględnieniem wartości doświadczalnych znalezionych w badaniach struktury krystalicznej dl-alaniny,3 l-treoniny, 4 N-acetyloglicyny5 i β-glicyloglicyny6, które zostały wykonane w naszych laboratoriach. Ponadto zakłada się, że każdy atom azotu tworzy wiązanie wodorowe z atomem tlenu innej pozostałości, z odległością azot-tlen równą 2,72 Å, i że Wektor od atomu azotu do atomu tlenu związanego Wodorem leży nie dalej niż 30° od kierunku N-H. Energia wiązania wodorowego N-H · · · jest rzędu 8 kcal. mole-1, i tak wielka niestabilność wynikałaby z braku utworzenia tych wiązań, że możemy być pewni ich obecności. Nie można oczekiwać, że odległość N—H · · · O będzie równa dokładnie 2.72 Å, ale może nieco odbiegać od tej wartości.

rozwiązanie tego problemu pokazuje, że istnieje pięć i tylko pięć konfiguracji łańcucha, które spełniają warunki inne niż kierunek wiązania wodorowego względem kierunku N—H. Odpowiadają one wartościom 165°, 120°, 108°, 97.2° i 70,1° dla kąta obrotu. W pierwszej, trzeciej i piątej z tych struktur Grupa jest ujemna, a grupa jest dodatnio skierowana wzdłuż osi spiralnej, traktowana jako kierunek odpowiadający sekwencji—CHR—CO—NH—CHR—atomów w łańcuchu peptydowym, a w dwóch pozostałych ich kierunki są odwrócone. Pierwsze trzy struktury są niezadowalające, ponieważ grupa n-H nie rozciąga się w kierunku atomu tlenu na 2,72 Å; czwarty i piąty są zadowalające, kąt między wektorem N-H I wektorem N-O wynosi odpowiednio około 10° i 25° dla tych dwóch struktur. Czwarta struktura ma 3,69 reszt aminokwasowych na obrót w helisie, a piąta struktura ma 5,13 reszt na obrót. W czwartej strukturze każda grupa amidowa jest związana Wodorem z trzecią grupą amidową znajdującą się poza nią wzdłuż helisy, a w piątej strukturze każda jest związana z piątą grupą amidową znajdującą się poza nią; będziemy nazywać te struktury albo strukturą 3,7-reszty i strukturą 5.1-Struktura pozostałości, odpowiednio, lub trzecia – amidowa struktura wiązana wodorem i piąta-amidowa struktura wiązana Wodorem.

rysunki obu konstrukcji przedstawiono na rysunkach 2, 3, 4 i 5.

dla glicyny zarówno helisy 3,7-reszty, jak i 5.Helisa 1-reszty może występować z dodatnim lub ujemnym translacją rotacyjną; to znaczy, jako dodatnia lub ujemna helisa, w stosunku do dodatniego kierunku osi spiralnej podanego przez sekwencję atomów w łańcuchu peptydowym. W przypadku innych aminokwasów o konfiguracji l, dodatnia helisa i ujemna helisa różnią się położeniem łańcuchów bocznych i można się spodziewać, że w każdym przypadku jeden zmysł helisy byłby bardziej stabilny niż drugi. W liczbach dokonano arbitralnego przyporządkowania grup R.

translacja wzdłuż osi spiralnej w helisie 3,7-reszty wynosi 1,47 Å, a w helisie 5,1-reszty wynosi 0,99 Å. Wartości dla jednego pełnego obrotu wynoszą odpowiednio 5,44 Å i 5,03 Å. Wartości te są obliczane dla odległości wiązania wodorowego 2,72 Å; musiałyby być zwiększone o kilka procent, w przypadku, gdyby istniała większa odległość wiązania wodorowego (2,80 Å, powiedzmy).

stabilność naszych struktur spiralnych w fazie niekrystalicznej zależy wyłącznie od oddziaływań między sąsiednimi pozostałościami i nie wymaga, aby Liczba reszt na turę była stosunkiem małych liczb całkowitych. Wartość 3,69 reszt na turę, dla trzeciej helisy wiązanej Wodorem amidowym, jest najbardziej zbliżona do 48 reszt w trzynastu obrotach (3,693 reszt na turę), a wartość 5,13 dla drugiej helisy jest najbardziej zbliżona do 41 reszt w ośmiu obrotach. Należy się spodziewać, że na liczbę reszt na obrót wpłynie nieco zmiana odległości wiązania wodorowego, a także, że interakcja cząsteczek spiralnych z sąsiednimi podobnymi cząsteczkami w krysztale spowodowałaby małe momenty obrotowe w heliksach, deformując je nieznacznie w konfiguracje z racjonalną liczbą reszt na obrót. Dla trzeciej amidowej helisy wiązanej Wodorem najprostszymi strukturami tego rodzaju, które przewidujemy, są 11-reszta, 3-turn helix (3,67 reszty na turn), 15-reszta, 4-turn helix (3,75) i 18-reszta, 5-turn helix (3,60). Znaleźliśmy pewne dowody wskazujące, że pierwszy i trzeci z tych niewielkich wariantów tej helisy istnieją w krystalicznych polipeptydach.

te struktury spiralne nie zostały wcześniej opisane. Oprócz rozszerzonej konfiguracji łańcucha polipeptydowego, która przez prawie trzydzieści lat była zakładana jako obecna w rozciągniętych włosach i innych białkach o strukturze β-keratyny, konfiguracje dla łańcucha polipeptydowego zostały zaproponowane przez Astbury 'ego i Bell’ a,7, a zwłaszcza przez Huggins8 oraz przez Bragga, Kendrew i Perutza.9 Huggins omówił szereg struktur obejmujących wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe, a Bragg, Kendrew i Perutz rozszerzyli dyskusję o dodatkowe struktury i zbadali zgodność struktur z danymi dyfrakcyjnymi rentgenowskimi dla hemoglobiny i mioglobiny. Żaden z tych autorów nie zaproponował ani naszej helisy 3,7-reszty, ani naszej helisy 5,1-reszty. Z drugiej strony, poprzez nasze podstawowe postulaty wyeliminowalibyśmy wszystkie proponowane przez nie struktury. Powodem różnicy w wynikach uzyskanych przez innych badaczy i przez nas poprzez zasadniczo podobne argumenty jest to, że zarówno Bragg, jak i jego współpracownicy i Huggins szczegółowo omawiali tylko struktury spiralne z integralną liczbą reszt na turę, a ponadto zakładali tylko przybliżenie do wymagań dotyczących odległości międzyatomowych, kątów wiązania i planarności sprzężonej grupy amidowej, jak podano w naszych badaniach prostszych substancji. Twierdzimy, że te cechy stereochemiczne muszą być bardzo ściśle zachowane w stabilnych konfiguracjach łańcuchów polipeptydowych w białkach i że nie ma specjalnej stabilności związanej z integralną liczbą reszt na obrót w cząsteczce spiralnej. Bragg, Kendrew i Perutz opisali strukturę topologicznie podobną do naszej helisy 3,7-resztkowej jako helisy wiązanej Wodorem z 4 resztkami na turę. W dokładnym porównaniu ich modeli z projekcjami Pattersona dla hemoglobiny i mioglobiny, wyeliminowali tę strukturę i wyciągnęli ostrożny wniosek, że dowody przemawiają za nie-spiralną konfiguracją α-keratynową złożoną z 3 reszt Astbury ’ ego i Bella, w której tylko jedna trzecia grup karbonylowych i aminowych bierze udział w wewnątrzcząsteczkowym tworzeniu wiązania wodorowego.

naszym zdaniem struktura α-keratyny, α-miozyny i podobnych białek włóknistych jest ściśle reprezentowana przez naszą 3.Helisa 7-reszty, i że ta helisa stanowi również ważną cechę strukturalną w hemoglobinie, mioglobinie i innych białkach kulistych, a także syntetycznych polipeptydach. Uważamy, że helisa 5,1-reszty może być reprezentowana w naturze przez super-zakontraktowaną keratynę i nadkontraktowaną miozynę. Dowody prowadzące do tych wniosków zostaną przedstawione w późniejszych artykułach.

nasza praca jest wspierana przez granty z Fundacji Rockefellera, National Foundation for Infantil paraliż oraz us Public Health Service. Wiele obliczeń przeprowadził dr S. Weinbaum.