Коллаген
Третий тип спиральной структуры, возможной для белковых цепей, наблюдается в молекулах структурного белка всех соединительных тканей, известного под названием коллаген. Исследование молекулярной структуры коллагена более чем в течение 10 лет было основным направлением работы автора в лаборатории в Мадрасе. Поэтому коллаген мы (рассмотрим здесь несколько более подробно.
В 1952 г. автор возглавил вновь организованный исследовательский физический факультет в университете Мадраса и приступил к выбору направления исследований. Автор получил хорошее образование в области кристаллографии и имел достаточный опыт определения структуры веществ на молекулярном уровне, однако не имел пристрастия к изучению структуры соединений какого-то определенного типа.
Это было как раз то время, когда появились прекрасные работы Полинга и его коллег, где для разных белков предлагались различные модели структуры и рассматривались некоторые новые типы агрегации белковых молекул.
Естественно, эти работы привлекли внимание автора, поскольку они открывали ряд новых возможностей для исследований. По счастливой случайности на биохимическом факультете университета в Мадрасе оказались образцы эластоидина. Эластоидин — это одна из разновидностей коллагена, находящегося в плавниках акулы. На биохимическом факультете был определен аминокислотный состав этого вещества, и он оказался очень сходным с аминокислотным составом коллагена рыб.
Когда в лаборатории автора получили рентгенограмму этого образца, то обнаружили, что она очень похожа на рентгенограммы коллагена млекопитающих, опубликованные ранее профессором Астбери и другими исследователями.
Имея в руках свою собственную рентгенограмму, можно было провести измерения и более тщательно оценить соответствие различных структурных моделей коллагена рентгенограммам, которые для него характерны.
Было обнаружено, что хотя многие из предлагаемых структур, опубликованных в литературе, имеют особенности, согласующиеся с наблюдаемыми рентгенограммами, ни одна из них не соответствует одновременно всем данным рентгенографических и оптических исследований коллагена. Далее был отмечен один интересный момент, а именно оказалось, что для всех позвоночных остатки глицина составляли всегда приблизительно одну треть всех аминокислотных остатков коллагена. Резонно было предполагать, что такое количество остатков глицина обусловлено особыми причинами и что оно должно фиксироваться требованиями, определяемыми самой молекулярной структурой.
Хотя в ранних работах, таких, как работы Астбери, указывалось, что глицин может быть каждым третьим остатком в цепи, это требование не накладывалось самой структурой, и структура не давала объяснения, почему каждый третий остаток в цепи обязательно должен быть глицином. Автором были проанализированы различные структуры, которые можно было бы построить из спиралей с целью проверки, не получится ли что-либо подходящее для коллагена. И тогда было найдено, что одиночные спирали или пары спиралей нельзя расположить друг относительно друга, так, чтобы положение каждого третьего остатка в цепи чем-то особенным выделялось. Минимальное количество спиралей, необходимое для того, чтобы положение каждого третьего остатка отличалось от положений других остатков, оказалось равным трем. Расположение трех спиралей, полученное таким образом, изображено на рис. 8.
Рис. 8. Схема первоначальной модели коллагена, состоящей из трех спиральных цепочек, агрегированных боковыми поверхностями. Атомы Ca углерода изображены здесь кружками, а пептидные единицы — прямыми линиями, соединяющими эти атомы. Положение атомов по высоте вдоль оси спирали в ангстремах указано в скобках. Индексы при атомах углерода обозначают последовательности расположения этих атомов
Это проекция структуры остовов трех цепей на плоскость, перпендикулярную оси спирали, где кружками отмечено только положение Сa-углеродных атомов, а пептидные группы изображены в виде линий, соединяющих эти атомы. Положение Са-углеродов по высоте вдоль оси спирали в ангстремах указано в скобках.
Глядя, например, на цепь А, расположенную справа, видим, что Сa -углероды — С2 и С3 могут присоединять один водород и b-углеродный атом боковой цепи, в то время как атом Ci может присоединить только два водорода, потому что для большого р-углеродного атома здесь уже нет места. Спирали соединяются друг с другом СО—HN водородными связями, приблизительно перпендикулярными оси, что фиксирует расстояние между ними, а это расстояние исключает возможность присоединения b-углеродных атомов к атомам C1, С4 и т. д. в каждой цепочке. Другими словами, сама геометрия трехцепного комплекса требует, чтобы каждым третьим остатком в любой группе из трех пептидных единиц был бы глицин (который в качестве боковой цепи имеет лишь один атом водорода). Боковые цепи пролина и оксипролина, которых много в коллагене и которые содержат пятичленные кольца, могут располагаться при обоих атомах С2 и С3, одно из колец изображено на рис. 8.
Интересно заметить, что ориентация остова цепи при этом автоматически соответствует тому, что необходимо для присоединения подобных колец, двугранные углы, о которых говорилось выше, оказываются близкими к 100°, что точно равно величине, необходимой для такого присоединения.