Strukturen av proteiner: två vätebundna spiralformade konfigurationer av polypeptidkedjan

under de senaste femton åren har vi attackerat problemet med proteinstrukturen på flera sätt. Ett av dessa sätt är den fullständiga och exakta bestämningen av kristallstrukturen hos aminosyror, peptider och andra enkla ämnen relaterade till proteiner, för att information om interatomiska avstånd, bindningsvinklar och andra konfigurationsparametrar kan erhållas som skulle möjliggöra tillförlitlig förutsägelse av rimliga konfigurationer för polypeptidkedjan. Vi har nu använt denna information för att konstruera två rimliga vätebundna spiralformade konfigurationer för polypeptidkedjan; vi tror att det är troligt att dessa konfigurationer utgör en viktig del av strukturen hos både fibrösa och globulära proteiner, liksom av syntetiska polypeptider. Ett brev som meddelade deras upptäckt publicerades förra året.1

problemet som vi har satt oss är att hitta alla vätebundna strukturer för en enda polypeptidkedja, där resterna är ekvivalenta (förutom skillnaderna i sidokedjan R). En aminosyrarest (annan än glycin) har inga symmetrielement. Den allmänna omvandlingen av en rest av en enda kedja till en andra rest som motsvarar den första är följaktligen en rotation kring en axel åtföljd av översättning längs axeln. Därför är de enda konfigurationerna för en kedja som är kompatibel med vårt postulat om ekvivalens av resterna spiralformade konfigurationer. För rotationsvinkel 180 kg kan de spiralformade konfigurationerna degenerera till en enkel kedja med alla huvudatomer, C, C’ (karbonylkolet), N och O, i samma plan.

vi antar att på grund av resonansen hos dubbelbindningen mellan kol-syre-och kol-kvävepositionerna är konfigurationen av varje Rest plan. Denna strukturella funktion har verifierats för var och en av de amider som vi har studerat. Dessutom är resonansteorin nu så välgrundad och dess experimentella underbyggnad så omfattande att det inte kan finnas något tvivel om dess tillämpning på amidgruppen. Det observerade C – n-avståndet, 1.32 kg, motsvarar nästan 50 procent dubbelbindningskaraktär, och vi kan dra slutsatsen att rotation med så mycket som 10 kg från den plana konfigurationen skulle resultera i instabilitet med cirka 1 kcal. mole-1. De interatomiska avstånden och bindningsvinklarna inom återstoden antas ha de värden som visas i Figur 1. Dessa värden har formulerats2 med hänsyn till de experimentella värdena som finns i kristallstrukturstudierna av dl-alanin,3 l-treonin,4 N-acetylglycin5 och avsugning-glycylglycin6 som har gjorts i våra laboratorier. Det antas vidare att varje kväveatom bildar en vätebindning med en syreatom av en annan Rest, med kväve-syrgasavståndet lika med 2,72 kg, och att vektorn från kväveatomen till den vätebundna syreatomen inte ligger mer än 30 kg från n-h—riktningen. Energin hos en n-H · · · vätebindning är i storleksordningen 8 kcal. mole-1, och en sådan stor instabilitet skulle bero på misslyckandet med att bilda dessa band att vi kan vara säkra på deras närvaro. N-H · · · o-avståndet kan inte förväntas vara exakt 2.72 msk, men kan avvika något från detta värde.

lösningen av detta problem visar att det finns fem och endast fem konfigurationer för kedjan som uppfyller andra villkor än riktningen för vätebindningen i förhållande till N—H-riktningen. Dessa motsvarar värdena 165°, 120°, 108°, 97.2° och 70,1 msk för rotationsvinkeln. I den första, tredje och femte av dessa strukturer är—gruppen negativt och—gruppen positivt riktad längs den spiralformade axeln, tagen som den riktning som motsvarar sekvensen—CHR—CO—NH-CHR-av atomer i peptidkedjan, och i de andra två är deras riktningar omvända. De tre första strukturerna är otillfredsställande, eftersom N – H-gruppen inte sträcker sig i riktning mot syreatomen vid 2,72; den fjärde och femte är tillfredsställande, vinkeln mellan N—h—vektorn och N-o-vektorn är ungefär 10 och 25 för dessa två strukturer. Den fjärde strukturen har 3,69 aminosyrarester per varv i spiralen, och den femte strukturen har 5,13 rester per varv. I den fjärde strukturen är varje amidgrupp vätebunden till den tredje amidgruppen bortom den längs spiralen, och i den femte strukturen är var och en bunden till den femte amidgruppen bortom den; vi ska kalla dessa strukturer antingen 3,7-reststrukturen och 5.1-reststruktur, respektive, eller den tredje amidvätebundna strukturen och den femte amidvätebundna strukturen.

ritningar av de två strukturerna visas i figurerna 2, 3, 4 och 5.

för glycin både 3,7-återstoden helix och 5.1-resthelix kan uppstå med antingen en positiv eller en negativ rotationsöversättning; det vill säga som antingen en positiv eller en negativ spiral, i förhållande till den positiva riktningen för den spiralformade axeln som ges av sekvensen av atomer i peptidkedjan. För andra aminosyror med L-konfigurationen skulle emellertid den positiva spiralen och den negativa spiralen skilja sig åt i sidokedjans position, och det kan väl förväntas att i varje fall skulle en känsla av spiralen vara stabilare än den andra. En godtycklig tilldelning av R-grupperna har gjorts i figurerna.

översättningen längs den spiralformade axeln i 3,7-återstoden helix är 1,47 kg, och att i 5,1-återstoden helix är 0,99 kg. Värdena för en komplett tur är 5,44 respektive 5,03. Dessa värden beräknas för vätgasbindningsavståndet 2,72 sek. de skulle behöva ökas med några procent, om ett större vätgasbindningsavstånd (2,80 sek., säg) var närvarande.

stabiliteten hos våra spiralformade strukturer i en icke-kristallin fas beror enbart på interaktioner mellan intilliggande rester och kräver inte att antalet rester per varv är ett förhållande mellan små heltal. Värdet 3,69 rester per varv, för den tredje amidvätebundna spiralen, approximeras närmast med 48 rester i tretton varv (3,693 rester per varv) och värdet 5,13 för den andra spiralen är närmast approximerat med 41 rester i åtta varv. Det kan förväntas att antalet rester per varv skulle påverkas något av förändring i vätebindningsavståndet, och också att interaktionen mellan spiralformiga molekyler med närliggande liknande molekyler i en kristall skulle orsaka små vridmoment i spiralerna, deformera dem något i konfigurationer med ett rationellt antal rester per varv. För den tredje amidvätebundna spiralen är de enklaste strukturerna av den här typen som vi skulle förutsäga 11-återstoden, 3-svängningshelixen (3,67 rester per varv), 15-återstoden, 4-svängningshelixen (3,75) och 18-återstoden, 5-svängningshelixen (3,60). Vi har hittat några bevis som tyder på att den första och tredje av dessa små varianter av denna helix finns i kristallina polypeptider.

dessa spiralformade strukturer har inte tidigare beskrivits. Förutom den förlängda polypeptidkedjekonfigurationen, som i nästan trettio år har antagits vara närvarande i sträckt hår och andra proteiner med strukturen av den keratin,har konfigurationer för polypeptidkedjan föreslagits av Astbury och Bell, 7 och särskilt av Huggins8 och av Bragg, Kendrew och Perutz.9 Huggins diskuterade ett antal strukturer som involverade intramolekylära vätebindningar, och Bragg, Kendrew och Perutz utvidgade diskussionen till att inkludera ytterligare strukturer och undersökte strukturernas kompatibilitet med röntgendiffraktionsdata för hemoglobin och myoglobin. Ingen av dessa författare föreslog antingen vår 3,7-resthelix eller vår 5,1-resthelix. Å andra sidan skulle vi, genom våra grundläggande postulat, eliminera alla de strukturer som föreslagits av dem. Anledningen till skillnaden i resultat som erhållits av andra utredare och av oss genom väsentligen liknande argument är att både Bragg och hans medarbetare och Huggins diskuterade i detalj endast spiralformade strukturer med ett integrerat antal rester per varv och dessutom antog endast en grov approximation till kraven om interatomiska avstånd, bindningsvinklar och planaritet hos den konjugerade amidgruppen, som ges av våra undersökningar av enklare ämnen. Vi hävdar att dessa stereokemiska egenskaper måste behållas mycket nära i stabila konfigurationer av polypeptidkedjor i proteiner och att det inte finns någon speciell stabilitet associerad med ett integrerat antal rester per varv i den spiralformiga molekylen. Bragg, Kendrew och Perutz har beskrivit en struktur som topologiskt liknar vår 3,7-resthelix som en vätebunden helix med 4 rester per varv. I sin grundliga jämförelse av deras modeller med Patterson-prognoser för hemoglobin och myoglobin eliminerade de denna struktur och drog den försiktiga slutsatsen att bevisen gynnar den icke-spiralformiga 3-återstoden vikta Kazaki-keratinkonfigurationen av Astbury och Bell, där endast en tredjedel av karbonyl-och aminogrupperna är involverade i intramolekylär vätebindningsbildning.

det är vår uppfattning att strukturen av OC-keratin, oc-myosin och liknande fibrösa proteiner är nära representerade av vår 3.7-resthelix, och att denna helix också utgör en viktig strukturell egenskap i hemoglobin, myoglobin och andra globulära proteiner, såväl som av syntetiska polypeptider. Vi tror att 5.1-resthelixen kan representeras i naturen av superkontrakterat keratin och superkontrakterat myosin. Bevisen som leder oss till dessa slutsatser kommer att presenteras i senare papper.

vårt arbete har fått hjälp av bidrag från Rockefeller Foundation, National Foundation for Infantile Paralysis och US Public Health Service. Många beräkningar utfördes av Dr. S. Weinbaum.