A fibrilláris fehérjék térszerkezete

A fehérjék minden élő szervezet számára nélkülözhetetlen, aminosavak lineáris polimereiből felépülő szerves makromolekulák, melyek minden sejtben lejátszódó folyamat kulcsszereplői. A különböző fehérjék szerkezeti és ez által működésbeli megismerése igen fontos a biológia és az orvostudomány számára egyaránt.

A fibrilláris fehérjék térszerkezete

Fibrilláris fehérjék

Fehérjéknél megfigyelhető a különböző szerkezeti szintek hierarchiája.

Az alábbi szerkezeti szinteket különböztethetjük meg:

- Elsődleges szerkezet (kovalens szerkezet): aminosav szekvenciának megfelelő szerkezeti szint.

- Másodlagos szerkezet: a polipeptid lánc rendezett, szabályos szerkezeti elemei, feltekeredettsége.

- Szupermásodlagos szerkezet

- Domén szerkezet

- Harmadlagos szerkezet (térszerkezet): egyetlen polipeptid lánc térbeli szerkezete.

- Negyedleges szerkezet: vannak olyan fehérjék, amelyek több polipeptidláncból állnak. Az egyes alegységek relatív elhelyezkedése jelenti ezt a szerkezeti szintet.

Elsődleges szerkezet (Aminosavak)

A fehérjék aminosav sorrendjét primer szerkezetnek vagy primer struktúrának is nevezzük. A fehérjék alapvető építőelemei az aminosavak. Minden aminosav azonos vázból és egy ahhoz csatlakozó egyedi oldalláncból épül fel. Az aminosavak peptidkötéssel egymáshoz kapcsolódva alakítják ki a fehérjék polipeptidláncait, amelyek általában több száz aminosavból állnak. A polipeptidláncok váza periodikus szerkezet, amelyet a kapcsolódó oldalláncok tesznek változatossá.

Az aminosavak alapfelépítésében (egy kivétellel) azonos, hogy a központi szénatomhoz egy karboxil- és egy aminocsoport, (egy savas és egy bázikus csoport) valamint egy hidrogénatom kapcsolódik. Az egyes aminosavak az R-rel jelölt oldalláncok minőségében különböznek egymástól.

Vizes közegben az aminosavak karboxilcsoportja deprotonálodik, negatívan töltötté válik, míg az aminocsoport protonálódik, pozitívan töltött lesz.

Az aminosavak molekuláiban található központi szénatom királis (négyféle különböző funkciós csoport kapcsolódik hozzá), ami azt jelenti, hogy a poláros fény síkját a molekula elforgatja. Az elforgatás iránya kétféle lehet, nagysága mindkét esetben azonos. Így kétféle izomerről beszélhetünk, amelyek abban különböznek egymástól, hogy az egyik tengelyes tükörképe a másiknak. (L izomer és D izomer). Mesterségesen szintetizált aminosavak esetén racém elegy keletkezik, mely nem forgatja el a poláros fény síkját, ugyanis a kétféle izomer aránya ötven-ötven százalék. Ezzel szemben az élőlények fehérjéiben kizárólag csak az L (balra forgató) izomer fordul elő.

Bár a fehérjékben húszféle aminosav fordulhat elő, ez nem azt jelenti, hogy csak húszféle létezik: az R oldallánc elvileg nagyon sok különböző csoport lehet. Az élő szervezetekben is legalább hatvanféle aminosav vagy aminosavszármazék fordul elő. A húszféle különböző genetikailag kódolt aminosavon kívül mesterségesen jóval több aminosav felhasználásával is szintetizálhatók fehérjék. Az aminosavakat általában 3 betűs, vagy 1 betűs rövidítéssel jelöljük.

Másodlagos szerkezet

A peptidlánc konformációját másodlagos vagy szekunder struktúrának hívjuk. A másodlagos szerkezet a polipeptidváz lokálisan rendezett szerkezeti elemeit foglalja magában. A polipeptidváz kémiailag periodikus szerkezetű, éppen ezért, amikor egy polipeptidlánc feltekeredik, az oldalláncokat nem tekintve egy periodikus térbeli szerkezet a kedvezményezett. Ilyen szabályos szerkezet például az α-hélix és a β-redő. Az adott szerkezet kialakulásának jóslására használhatjuk a Ramachanrdan diagrammot. Ramachanrdan indiai származású tudós volt, aki a központi atomhoz tartozó két egyszeres kovalens kötés körüli rotáció térszerkezeti következményeit vizsgálta.

A polipeptidlánc csak úgy tekergethető, ha az atomok nem kerülnek egymással átfedésbe, vagyis nem léphet fel sztérikus gátlás. Ramachandran azt vizsgálta, hogy, ha az R oldallánc helyére egy metilcsoportot teszünk, akkor a polipeptidváz N-Cα és Cα -C egyes kötései körül mely szögpárértékek lesznek megengedettek. Az egyes atomokat a van der Waals sugaruknak megfelelő merev gömbökkel helyettesítette. A megengedett szögtartományokat kétdimenzióban ábrázolva kapjuk az ún. Ramachandran térképet.

Ha a megengedett régiókban egy kiválasztott szögpárértéket vesz fel több egymás utáni aminosav, akkor periodikus térbeli szerkezethez jutunk. Ezek között van néhány, amit a főváz atomjai között kialakuló kedvező kölcsönhatás-mintázatok stabilizálnak, s ezért nagyon gyakran figyelhetők meg a fehérjékben. Ilyen pl. az α-hélix, a β-szál ill. a β-hajlat. A β-redőzött struktúra: A természetes selyemre jellemző. Ellentétes irányú, párhuzamos (antiparalel) láncokból épül fel.

α-hélix: hidrogénkötések intramolekulárisan is kialakulhatnak, ha a peptidlánc felcsavarodik, és hélixet alkot. A hajat, ill. a gyapjút alkotó keratinban az α-hélixek nem önállóan fordulnak elő, hanem magasabb rendű egységekbe rendeződve. 3 hélix szál egymás köré csavarodva un. protofibrillumot alkot. Ezek mikrofibrillumokká rendeződnek úgy, hogy 2 protofibrillumszál körül 9 másik helyezkedik el. A fehérjeláncokat felépítő aminosavrészek között ciszteinrészek vannak. Különböző fehérjeláncokhoz tartozó, de térbelileg közel eső ciszteinrészek merkaptocsoportjainak oxidációja révén intermolekuláris diszulfidkötések alakulnak ki, amelyek hozzájárulnak a keratinstruktúra stabilizálásához.

A haj forró vízben megnyújtható. Ilyenkor az α-hélixek megbomlanak, és teljesen nyújtott állapotban β-redőzött szerkezet alakul ki. Ha a nyújtást megelőzi a diszulfid kötések reduktív elhasítása, a szárításkor végbemenő oxidáció révén új diszulfidkötések jönnek létre, és a hajat megnyújtott állapotában rögzítik. Ez az alapja a fodrászok által létrehozott un. tartós hullámnak.

Szupermásodlagos szerkezet

Az ismert fehérjeszerkezetekben megfigyelhető, hogy a másodlagos szerkezeti elemek bizonyos kombinációi különösen gyakran fordulnak elő. Ezeket a gyakori szerkezeti motívumokat szupermásodlagos szerkezeti elemeknek nevezzük. pl.: antiparallel béta-szálak, β-α-β motívum, béta-hordó, ... Ilyen motívumokból 30-40 félét ismerünk.

A szupermásodlagos szerkezeti elemek közé tartoznak a helikális kötegek is. Ezekben 2, 3 vagy 4 α-hélix fut közel párhuzamosan, enyhén egymás köré fonódva. A hélixek egymás felé forduló oldalain apoláros oldalláncokat találunk, amelyek között a hidrofób kölcsönhatás stabilizálja a helikális kötegeket. A hélixek kölcsönhatásának eredményeként egy ún. hidrofób mag jön létre. A hélixek kifelé néző oldalán ugyanakkor általában poláros oldalláncok helyezkednek el (amfipatikus hélixek: egyik oldaluk poláros, a másik apoláros). Mivel az α-hélix két teljes körülfordulására éppen 7 aminosav esik, ezért ezekben a helikális kötegeket formáló hélixekben az apoláros aminosavak hetes ismétlődése figyelhető meg, miáltal az aminosavszekvenciából is általában könnyen felismerhetők. (Minden 7. pozíció mellett a közbenső 4. pozícióban is a leggyakrabban hidrofób aminosavat találunk.)

A helikális kötegek kialakulása nemcsak egy fehérjén belül mehet végbe, de viszonylag gyakran megfigyelhető a fehérjék közötti kölcsönhatások esetében is, amikor a kölcsönható partnerek 1-2 helikális szegmenssel vesz részt egy közös, a két fehérjét összetartó helikális köteg létrehozásában.

Domén szerkezet

A doméneket háromféleképpen is osztályokba sorolhatjuk, s megkülönböztethetünk:

- szerkezeti doméneket

- folding doméneket

- funkcionális doméneket

Egy adott domén akár mindhárom kritériumnak is megfelelhet.

Szerkezeti domén:

amikor egy feltekeredett polipeptidlánc (fehérjemolekula) több, kvázi független szerkezeti egységre bontható, akkor ezen egységeket szerkezeti doméneknek nevezzük. A szerkezeti domének tipikus mérete 100-150 aminosav. Ha elvágjuk a doméneket összekötő polipeptidlánc-szakaszt (pl. egy alkalmasan választott proteolitikus enzimmel), akkor a szerkezeti domének megtartják natív térszerkezetüket. Folytonos szerkezeti doménről beszélünk akkor, ha a polipeptidlánc egy folytonos szakasza alakít ki egy domént. Ha a polipeptidlánc több szakasza vesz részt egy domén kialakításában, akkor nem folytonos doménről beszélünk.

Folding (térszerkezet kialakulás, feltekeredés) domén:

a térszerkezet kialakulás szempontjából képez különálló egységet, azaz ha elrontjuk (denaturáljuk) egy folding domén szerkezetét (pl. hővel), és utána újra megfelelő körülményeket teremtünk a számára, akkor ismét képes feltekeredni, s kialakítja a struktúráját. Egy fehérje hőindukálta kitekeredési folyamatát pásztázó mikrokalorimetria segítségével tanulmányozva viszonylag egyszerűen meghatározhatjuk, hogy egy fehérje hány folding doménből áll.

A legtöbb esetben - hacsak nincsenek erős kölcsönhatások a domének között - egy folytonos szerkezeti domén egyben folding doménként is funkcionál. Egy polipeptidlánc lehetséges konformációinak száma exponenciálisan nő az alkotó aminosavak számával. Egy nagyobb fehérje esetén a natív szerkezet megtalálása lényegesen lerövidíthető, ha a polipeptidlánc nem egy egységékét tekeredik fel, hanem olyan kisebb részekre bontható, amelyek önállóan képesek megtalálni natív térszerkezetüket.

Funkcionális domén:

Nagyon sok esetben az egyes doménekhez külön funkciók köthetők, pl.: az egyik domén köt valamilyen koenzimet, pl. az ATP-t (ATP-kötő domén), másik meg egy adott katalitikus funkciót végez (pl. proteáz domén). Vannak olyan fehérjecsaládok, pl. a véralvadás fehérjéi, melyek a doméneket, mint építőelemeket használják. Ez egy nagy evolúciós vívmány, hiszen egy új fehérje felépítésénél nem a nulláról kell elindulni, hanem már meglévő, működő elemekből lehet új fehérjét létrehozni.

Harmadlagos szerkezet (térszerkezet)

A harmadlagos szerkezet egyetlen polipeptidlánc térbeli szerkezete. Ma már közel 30 ezer fehérje térszerkezetét ismerjük atomi precizitással. A rendelkezésre álló adatok alapján a vízoldékony fehérjék térszerkezetének alapvető jellemzői:

- tömör térkitöltés

- poláros felszín, hidrofób mag

- H-híd képzési lehetőségek maximálisan kihasználtak

- az egyes aminosavkonformációk alapvetően a megengedett Ramachandran régióknak megfelelőek

A fehérjék térszerkezete nagyon szoros térkitöltésű, jól definiált szerkezet. Ez a szerkezet általában tömörebb, mint egy átlagos molekulakristály szerkezete. A fehérje belsejében nincsenek üregek, vagy ha vannak, azt víz tölti ki, s ennek a víznek is valamilyen funkcionális szerepe van. Azért ilyen tömör szerkezetű a fehérje, hogy az aminosavakat alkotó atomok, oldalláncok közötti kölcsönhatások maximálisan kihasználásra kerüljenek.

A (vízoldékony) fehérjék belsejében helyezkednek el az egymással hidrofób és van der Waals kölcsönhatásban álló apoláros oldalláncok, a külső részen pedig a vízzel kedvező kölcsönhatások kialakítására képes töltött és poláros oldalláncok. Minthogy az aminosavak közötti peptidkötés poláros csoportokat tartalmaz, ezért a polipeptidlánc feltekeredése során elkerülhetetlen, hogy a poláros csoportok egy része a fehérje belsejébe kerüljön. Ezek a peptidcsoportok azonban szinte kivétel nélkül H-hidakat képeznek egymással, s ezáltal polaritásuk leárnyékolódik. Nagyon ritka, hogy poláros rész szabadon fordulna elő a fehérje belsejében. Néha a felszínen is előfordulhatnak apoláros régiók, de ennek is oka van, például másik fehérjével való kölcsönhatás miatt fontosak.

Az apoláros lipidkörnyezetben elhelyezkedő membránfehérjék esetében mások a szerkezeti követelmények. Itt általában az apoláros lipidkörnyezettel érintkező felületi régiókban találjuk a hidrofób oldalláncokat, míg a poláros és töltött csoportok a fehérje belsejében helyezkednek el.

A globuláris fehérjékben a peptidlánc egyes szakaszai hélixet alkotnak, mások β-redőzött struktúrát vehetnek fel. E periodusos rendezettségű szakaszok között azonban mindig vannak rendezetlen láncrészek, és éppen ez utóbbiak teszik lehetővé a lánc könyökszerű meghajlását és ez által a globuláris molekulaalkat kialakulását. A rendezett vagy rendezetlen szekunder struktúrájú peptidlánc felgombolyodási módját nevezzük a fehérje harmadlagos vagy tercier struktúrájának.

A globuláris fehérjék szerkezetét stabilizáló tényezők

A hidrogénkötések mellett meghatározó jelentőségű az un. hidrofób kölcsönhatás is. A röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálatának eredménye annak megállapítása, miszerint az apoláros oldalláncú aminósavrészek nagyrészt a molekula belsejében, míg a poláros oldalláncúak a molekula külső részén, a felületen helyezkednek el. A globuláris fehérjék egy részében diszulfidkötések vannak. Térszerkezetet az aminosavsorrend határozza meg, de a diszulfidkötések hozzájárulnak a kialakult térszerkezet rögzítéséhez. A térszerkezet kialakításában és fenntartásában az ionos kölcsönhatások és a van der Waals-féle erők is közreműködnek, pl. mioglobin.

A fehérjék negyedleges szerkezete

A főként globuláris fehérjékből képződő, másodlagos biológiai funkcióval rendelkező egységek alakítják ki a negyedleges szerkezetet. Az asszociáló polipeptidláncok lehetnek azonos vagy eltérő kémiai felépítésűek. A keletkező oligomer szerkezeti elemeit a görög ábécé betűivel jelöljük, alsó indexben a polipeptidláncok számának megadásával. Az alábbi ábrán a hemoglobin negyedleges szerkezetét láthatjuk, amely 4 alegységből α 1, α 2, β 1, β 2 tevődik össze, pl. hemoglobin.

2012. július