Спиральная спираль
Сопоставление предложенной структуры, о которой говорилось в предыдущем разделе, с рентгенограммами показало, что она в общем соответствует эксперименту, однако это соответствие не является абсолютным. В действительности, тщательные расчеты количества структурных единиц в одном обороте
спирали, которые могут быть произведены на основе измерений рентгенограмм, дают величину, близкую к 3,3, а не 3. Таким образом, спираль оказывается, как говорят, нецелочисленной. Одна из таких нецелочисленных спиралей представлена на рис. 9а; три из них, сложенные вместе, показаны на рис. 9б. Однако на последнем рисунке можно видеть, что замечательное свойство такого комплекса, о котором говорилось выше, а именно — каждый третий Сa-углеродный атом, попадая внутрь спирального комплекса, может быть только a-углеродом глицина, оказывается здесь утерянным. Это обстоятельство принесло немало беспокойства автору и его коллеге доктору Гопинату Картха, в сотрудничестве с которым проводились эти исследования.
Идея разрешения этого кажущегося противоречия возникла лишь после длительных размышлений.
Она появилась на основе аналогий, заимствованных, как ни странно, из совершенно другой области знаний, — именно из астрономии. Хорошо известно, что Луна, вращаясь вокруг Земли, всегда остается обращенной к ней одной стороной. Причиной этого является вращение Луны вокруг собственной оси с той же скоростью, с которой она вращается вокруг Земли. Если эту идею использовать для решения проблемы коллагена, то можно получить такое расположение трех спиралей, при котором каждый третий остаток в каждой спирали (точнее, атомы 1, 4, 7) будет направлен к центру комплекса, поворачивая спирали вокруг общей оси для компенсации отклонения от 360°, возникающего вследствие того, что в каждой спирали количество остатков, приходящихся на один оборот, несколько больше, чем три.
Каждая цепь будет уже не просто спиралью, как показано на рис. 9б, она должна стать спиральной спиралью, т. е. атомы Р1 Р4 и т. д. должны находиться на поверхности цилиндра с осью, проходящей через 0, причем угол поворота от одного атома к другому должен быть постоянной величиной (рис. 9в).
Чертеж полной структуры, состоящей из трех дополнительно скрученных спиралей, расположенных соответствующим образом, представлен на рис. 9в. Здесь Сa -углеродные атомы 1, 4, 7 каждой из трех спиралей занимают эквивалентные положения внутри комплекса, поэтому необходимо, чтобы эти a-углероды принадлежали глициновым остаткам.
В то же время такая структура соответствует требованиям, накладываемым рентгеновскими дифракционными данными, а именно — ее атомы располагаются вдоль нецелочисленной спирали, имеющей приблизительно 3,3 остатка на оборот.
Можно также видеть на примере цепочки А, что b-углеродные атомы остатков пролина и оксипролина могут беспрепятственно присоединяться к a-углеродам в 2 и 3 положениях.
Исследования, о которых здесь говорится, были проведены в лаборатории автора в университете Мадраса в течение 1954—1955 гг., и разработанная таким образом модель структуры была широко признана. Обзор современных представлений о структуре коллагена был опубликован автором в книге, озаглавленной «Все о коллагене», вышедшей под его редакцией в 1966 г., а также в его лекции, посвященной памяти Джона Артура Вильсона, в американской Ассоциации химиков кожевенной промышленности. Трехспиральная модель коллагена согласуется также и с биологическими исследованиями, которые показали, что каждая цепь молекулы коллагена синтезируется независимо, и три цепи, соединяясь друг с другом, образуют жесткий трех-спиральный комплекс; он является биологически необходимым и важным компонентом коллагена.
Рис. 9. Одиночная спираль, имеющая приблизительно 3 и 1/3 остатка в одном обороте (а). Три такие спирали, агрегированные боковыми поверхностями (б); атомы а-углерода 4, 7 и т. д. все больше и больше удаляются от середины трехспирального комплекса. Три спиральные спирали, агрегированные боковыми поверхностями (в). Атомы a-углерода 1, 4, 7 и т. д. все находятся внутри трехцепного комплекса. Это основная модель трехспиральной структуры коллагена
На рис. 10 представлено фото модели остова трехспиральной структуры коллагена. Самые последние данные по анализу последовательности аминокислот в одной из трех цепей коллагена свидетельствуют, что за исключением короткого участка в начале цепи, известного под названием тело пептида, каждый третий остаток в цепочке является глицином в точном соответствии с теоретически разработанной моделью трехцепной спирали.
Рис. 10. Фотография проволочной модели трехцепной структуры коллагена. Стержни с нанесенными полосками изображают водородные связи между цепочками. Шариками представлены молекулы воды, которые участвуют в образовании таких связей (из работы Рамачандрана и Чандра-секхарана, опубликованной в журнале «Биополимеры» в 1968 г.)
Трехцепная спираль, имеющая приблизительно 1000 остатков аминокислот в каждой цепи и молекулярный вес около 300 000, является «строительным блоком» коллагеново-го волокна.