Structura proteinelor: două configurații elicoidale legate de hidrogen ale lanțului polipeptidic

în ultimii cincisprezece ani am atacat problema structurii proteinelor în mai multe moduri. Una dintre aceste metode este determinarea completă și precisă a structurii cristaline a aminoacizilor, peptidelor și a altor substanțe simple legate de proteine, pentru a putea fi obținute informații despre distanțele interatomice, unghiurile de legătură și alți parametri configuraționali care ar permite predicția fiabilă a configurațiilor rezonabile pentru lanțul polipeptidic. Am folosit acum aceste informații pentru a construi două configurații elicoidale rezonabile legate de hidrogen pentru lanțul polipeptidic; credem că este probabil ca aceste configurații să constituie o parte importantă a structurii proteinelor fibroase și globulare, precum și a polipeptidelor sintetice. O scrisoare care anunța descoperirea lor a fost publicată anul trecut.1

problema pe care ne-am propus-o este aceea de a găsi toate structurile legate de hidrogen pentru un singur lanț polipeptidic, în care reziduurile sunt echivalente (cu excepția diferențelor din lanțul lateral R). Un reziduu de aminoacizi (altul decât glicina) nu are elemente de simetrie. Operația generală de conversie a unui reziduu dintr-un singur lanț într-un al doilea reziduu echivalent cu primul este, în consecință, o rotație în jurul unei axe însoțită de translație de-a lungul axei. Prin urmare, singurele configurații pentru un lanț compatibil cu postulatul nostru de echivalență a reziduurilor sunt configurațiile elicoidale. În cazul unghiului de rotație 180%, configurațiile elicoidale pot degenera într-un lanț simplu cu toți atomii principali, C, C’ (carbonul carbonil), N și o, în același plan.

presupunem că, datorită rezonanței legăturii duble dintre pozițiile carbon-oxigen și carbon-azot, configurația fiecărui reziduu este plană. Această caracteristică structurală a fost verificată pentru fiecare dintre amidele pe care le-am studiat. Mai mult, teoria rezonanței este acum atât de bine fundamentată și fundamentarea sa experimentală atât de extinsă încât nu poate exista nicio îndoială cu privire la aplicarea sa la grupul amidic. Distanța C—N observată, 1.32%, corespunde unui caracter de dublă legătură de aproape 50% și putem concluziona că rotația cu până la 10% din configurația plană ar duce la instabilitate cu aproximativ 1 kcal. mole−1. Se presupune că distanțele interatomice și unghiurile de legătură din reziduu au valorile prezentate în Figura 1. Aceste valori au fost formulate2 prin luarea în considerare a valorilor experimentale constatate în studiile de structură cristalină ale dl-alaninei,3 l-treoninei,4 n-acetilglicină5, și-glicilglicină6 care au fost realizate în laboratoarele noastre. Se presupune, de asemenea, că fiecare atom de azot formează o legătură de hidrogen cu un atom de oxigen dintr-un alt reziduu, cu distanța azot-oxigen egală cu 2,72% și că vectorul de la atomul de azot la atomul de oxigen legat de hidrogen nu se află la mai mult de 30% din direcția N—H. Energia unei legături de hidrogen N-H · · · este de ordinul a 8 kcal. mole-1, și o astfel de mare instabilitate ar rezulta din eșecul de a forma aceste legături pe care le putem avea încredere în prezența lor. Distanța N—H · · · O nu poate fi de așteptat să fie exact 2.72, dar s-ar putea abate oarecum de la această valoare.

soluția acestei probleme arată că există cinci și doar cinci configurații pentru lanț care îndeplinesc alte condiții decât cea a direcției legăturii de hidrogen în raport cu direcția N—H. Acestea corespund valorilor 165°, 120°, 108°, 97.2° și 70.1 pentru unghiul de rotație. În prima, a treia și a cincea dintre aceste structuri, grupul este negativ, iar grupul direcționat pozitiv de—a lungul axei elicoidale, luat ca direcție corespunzătoare secvenței—CHR—CO—NH—CHR-a atomilor din lanțul peptidic, iar în celelalte două direcțiile lor sunt inversate. Primele trei structuri sunt nesatisfăcătoare, prin faptul că gruparea N-H nu se extinde în direcția atomului de oxigen la 2,72 Inqu; al patrulea și al cincilea sunt satisfăcătoare, unghiul dintre vectorul N—H și vectorul N—O fiind de aproximativ 10 și, respectiv, 25 de centimi pentru aceste două structuri. A patra structură are 3,69 reziduuri de aminoacizi pe tură în helix, iar a cincea structură are 5,13 reziduuri pe tură. În a patra structură, fiecare grupă amidică este legată de hidrogen la a treia grupă amidică dincolo de ea de-a lungul helixului, iar în a cincea structură fiecare este legată de a cincea grupă amidică dincolo de ea; vom numi aceste structuri fie structura de 3,7 reziduuri, fie 5.1-Structura reziduurilor, respectiv, sau structura legată de hidrogen cu a treia amidă și structura legată de hidrogen cu a cincea amidă.

desenele celor două structuri sunt prezentate în figurile 2, 3, 4 și 5.

pentru glicină atât spirala 3,7-reziduu, cât și spirala 5.1-reziduu helix ar putea apărea fie cu o traducere de rotație pozitivă, fie negativă; adică fie ca o helix pozitivă sau negativă, în raport cu direcția pozitivă a axei elicoidale dată de secvența atomilor din lanțul peptidic. Cu toate acestea, pentru alți aminoacizi cu configurația l, helixul pozitiv și helixul negativ ar diferi în poziția lanțurilor laterale și s-ar putea aștepta ca în fiecare caz un sens al helixului să fie mai stabil decât celălalt. O atribuire arbitrară a grupurilor R a fost făcută în cifre.

translația de-a lungul axei elicoidale în spirala 3.7-reziduu este de 1.47%, iar cea din spirala 5.1-reziduu este de 0.99%. Valorile pentru un viraj complet sunt de 5,44 si respectiv 5,03. Aceste valori sunt calculate pentru distanța legăturii de hidrogen de 2,72%; ele ar trebui majorate cu câteva procente, în cazul în care ar exista o distanță mai mare a legăturii de hidrogen (2,80%, să zicem).

stabilitatea structurilor noastre elicoidale într-o fază necristalină depinde numai de interacțiunile dintre reziduurile adiacente și nu necesită ca numărul de reziduuri pe rând să fie un raport de numere întregi mici. Valoarea 3,69 reziduuri pe tură, pentru a treia amidă Helix legat de hidrogen, este cel mai apropiat de 48 de reziduuri în treisprezece ture (3,693 reziduuri pe tură), iar valoarea 5,13 pentru cealaltă helix este cea mai apropiată de 41 de reziduuri în opt ture. Este de așteptat ca numărul de reziduuri pe rând să fie afectat oarecum de schimbarea distanței legăturii de hidrogen și, de asemenea, că interacțiunea moleculelor elicoidale cu moleculele similare vecine într-un cristal ar provoca Cupluri mici în spirale, deformându-le ușor în configurații cu un număr rațional de reziduuri pe rând. Pentru helixul legat de hidrogen cu a treia amidă, cele mai simple structuri de acest fel pe care le-am prezice sunt helixul cu 11 reziduuri, 3 ture (3,67 reziduuri pe rotație), helixul cu 15 reziduuri, 4 ture (3,75) și helixul cu 18 reziduuri, 5 ture (3,60). Am găsit câteva dovezi care indică faptul că prima și a treia dintre aceste mici variante ale acestei spirale există în polipeptidele cristaline.

aceste structuri elicoidale nu au fost descrise anterior. În plus față de configurația extinsă a lanțului polipeptidic, care de aproape treizeci de ani s-a presupus că este prezentă în părul întins și în alte proteine cu structura de keratină de la XV, configurațiile pentru lanțul polipeptidic au fost propuse de Astbury și Bell,7 și mai ales de Huggins8 și de Bragg, Kendrew și Perutz.9 Huggins a discutat o serie de structuri care implică legături de hidrogen intramoleculare, iar Bragg, Kendrew și Perutz au extins discuția pentru a include structuri suplimentare și au investigat Compatibilitatea structurilor cu datele de difracție cu raze X pentru hemoglobină și mioglobină. Niciunul dintre acești autori nu a propus nici helixul nostru de 3,7 reziduuri, nici helixul nostru de 5,1 reziduuri. Pe de altă parte, am elimina, prin postulatele noastre de bază, toate structurile propuse de acestea. Motivul diferenței de rezultate obținute de alți investigatori și de noi prin argumente esențial similare este că atât Bragg, cât și colaboratorii săi și Huggins au discutat în detaliu doar structuri elicoidale cu un număr integral de reziduuri pe rând și, în plus, au presupus doar o aproximare aproximativă a cerințelor privind distanțele interatomice, unghiurile de legătură și planaritatea grupului amidic conjugat, așa cum este dat de investigațiile noastre asupra substanțelor mai simple. Susținem că aceste caracteristici stereochimice trebuie păstrate foarte strâns în configurații stabile ale lanțurilor polipeptidice din proteine și că nu există o stabilitate specială asociată cu un număr integral de reziduuri pe rând în molecula elicoidală. Bragg, Kendrew și Perutz au descris o structură similară topologic cu helixul nostru de 3,7 reziduuri ca o helix legată de hidrogen cu 4 reziduuri pe rând. În comparația lor amănunțită a modelelor lor cu proiecțiile Patterson pentru hemoglobină și mioglobină, au eliminat această structură și au tras concluzia prudentă că dovezile favorizează configurația non-elicoidală 3-reziduu pliată cu keratină de la Astbury și Bell, în care doar o treime din grupările carbonil și amino sunt implicate în formarea legăturilor de hidrogen intramoleculare.

în opinia noastră, structura ceratinei-x-x, miozinei-X-X și a proteinelor fibroase similare este strâns reprezentată de 3.Helix 7-reziduuri și că această helix constituie, de asemenea, o caracteristică structurală importantă în hemoglobină, mioglobină și alte proteine globulare, precum și a polipeptidelor sintetice. Credem că helixul 5.1-reziduu poate fi reprezentat în natură prin keratină super-contractată și miozină supercontractată. Dovezile care ne conduc la aceste concluzii vor fi prezentate în lucrările ulterioare.

munca noastră a fost ajutată de granturi de la Fundația Rockefeller, Fundația Națională pentru paralizia infantilă și serviciul de Sănătate Publică din SUA. Multe calcule au fost efectuate de Dr.S. Weinbaum.