4.5. A fibrilláris fehérjék térszerkezete

A másodlagos fehérjeszerkezeti szint ismertetése után rátérhetünk a fibrilláris fehérjék témakörére. A fibrilláris fehérjék térszerkezetét egy-egy másodlagos szerkezeti típus dominálja, ezért érdemes velük ezen a ponton megismerkedni. A fibrilláris fehérjék szerkezeti funkcióval rendelkeznek, és mindig több-alegységesek, tehát negyedleges szerkezettel bírnak. A globuláris fehérjékkel ellentétben ezért a fibrilláris fehérjék esetében nem külön el világosan egy harmadlagos szerkezeti szint. Három jellegzetes példával ismerkedünk meg, ezek az α-keratin, a selyem fibroin, és a kollagén. Ezeknél a fehérjéknél látványosan tetten érhető, hogyan határozza meg a fehérje aminosavsorrendje a fehérje térszerkezetét, illetve a térszerkezet a fehérje egyéb tulajdonságait, és ezen keresztül a funkciót.

4.5.1. A keratin

A keratin nagy tömegben van jelen a bőr elszarusodó felhámjában, és annak képződményeiben (haj, szőr, szaru). Korábban α-keratinnak nevezték, mivel az α-hélix dominál benne. A keratin két jobbmenetes α-hélix balmenetes szuperhélixe. A szuperhélix (angolul coiled-coil, azaz „csavart csavarodás”) egy körbefordulás során 5,1 Å-öt emelkedik.

A keratin lánc aminoterminális és karboxiterminális vége egy-egy kisméretű globuláris „fejet” képez. Ezeket leszámítva a fehérje aminosavsorrendjére az jellemző, hogy a következő mintázat ismétlődik benne nagyon nagy számban: (abcdefg)n, ahol az a és d aminosavak hidrofób természetűek. Ez a heptád ismétlődés α-hélix képződését segíti elő, de ezen felül egy másik fontos tulajdonságot is diktál. A szekvenciában egymást szabályos mintázat szerint követő hidrofób oldalláncok az α-hélix oldalán szabályos rendben jelennek meg (lásd 4.38. ábra).

4.38. ábra: A keratint alkotó két α-hélix közötti térrészbe apoláros aminosavak helyezkednek el

4.38. ábra: A keratint alkotó két α-hélix közötti térrészbe apoláros aminosavak helyezkednek el

A 4.38. ábra felülnézetben mutat két α-hélix-et. Mindkét hélixben egy oldalra kerülnek a hidrofób oldalláncok. Ezek a hélixek a hidrofób oldalukkal egymás felé fordulva a hidrofób effektusnak köszönhetően összetapadnak.

Térben ábrázolva még jobban látszik a szerkezet kialakulásának módja (lásd 4.39. ábra). Az α-hélixben egymást periodikus rendben követő apoláros aminosavak egyfajta hidrofób hullámvonalat képeznek. A keratin szerkezetben két jobbmenetes α-hélix tekeredik egymás köré balmenetes szuperhélixet alkotva úgy, hogy hidrofób hullámvonalaik fedésbe kerülnek, és így egyetlen közös hidrofób „varrat” alakul ki a két lánc között. Felmerülhet a kérdés, hogy miért hetes periodicitás figyelhető meg a coiled-coil szerkezetben? A válasz abból adódik, hogy az α-hélix egy menetmagasságára 3,6 aminosav jut, a szuperhélixben viszont az elemi hélixeknek a kettős láncra vonatkoztatott menetemelkedése, a csavarodás miatt 3,5-re csökken, azaz két fordulat után pontosan átfednek a 4.38. ábra látható a és d pozíciók.

4.39. ábra: A keratin szuperhélix (coiled-coil) térszerkezete a hidrofób varrattal.A baloldali ábrán csak a főlánc szerepel, a jobboldali ábrán az oldalláncok is. Így látható, hogy melyik az a térrész, amelyben a hidrofób oldalláncok egymással kölcsönhatást létesítenek.

4.39. ábra: A keratin szuperhélix (coiled-coil) térszerkezete a hidrofób varrattal. A baloldali ábrán csak a főlánc szerepel, a jobboldali ábrán az oldalláncok is. Így látható, hogy melyik az a térrész, amelyben a hidrofób oldalláncok egymással kölcsönhatást létesítenek.

A kétláncú keratin molekulák a 4.40. ábrán illusztrált módon protofilamentumokba rendeződnek. A keratin szekvenciájában nagy számban fordul elő cisztein. Az egymás mellé rendeződő dimerek között diszulfidhidak alakulnak ki. A lágy keratinban, mint ami például a felhámban lévő sejtekben található, kisebb arányban van cisztein, mint a kemény keratinban, amely pl. a hajban, vagy a körömben fordul elő.

Két protofilamentum egymás mellé rendeződve protofibrillumot alkot, míg négy protofibrillum együttese mikrofibrillumot hoz létre.

Vizsgáljuk meg, milyen jellegzetes tulajdonságai vannak a keratinnak, és hogyan következnek ezek a szekvenciájából, illetve szerkezetéből. Alighanem a keratin a legellenállóbb fehérje. Vízben praktikusan nem oldható, ami jól magyarázható egyrészt a zömmel hidrofób összetételével, másrészt a diszulfidhidakkal stabilizált komplex szerkezetével.

4.40. ábra: A keratin szerkezet egy többszörösen összetett struktúra, a mikrofibrillum alapeleme

4.40. ábra: A keratin szerkezet egy többszörösen összetett struktúra, a mikrofibrillum alapeleme

A keratintartalmú struktúrák, mint például a haj, kevéssé nyújtható. Ez is a diszulfidhidaknak tudható be. Redukálószerek hatására azonban a hajszál mintegy kétszeres hosszúságúra nyújtható. Ilyenkor a szuperhelikális illetve az α-hélix szerkezet megszűnik, és ideiglenesen β-lemezes szerkezet alakul ki. Ezt a hatást használják ki a dauerolás során (lásd 4.41. ábra).

4.41. ábra: A keratin natív szerkezetére jellemző diszulfidhidak ideiglenesen átrendezhetők

4.41. ábra: A keratin natív szerkezetére jellemző diszulfidhidak ideiglenesen átrendezhetők

A nedves hajba redukálószereket juttatva a diszulfidhidakat felbontják. A haj feltekeredésével az egyes keratin egységek egymás mellett elcsúsznak. Oxidálószer hatására a keratin egységek megváltozott helyzete rögzíthető. Az egyenes haj így göndörré tehető, illetve a göndör haj kiegyenesíthető. A fodrászok nagy szerencséjére a hatás ideiglenes. A megváltoztatott szerkezetben a keratin nem az aminosavsorrendje által diktált állapotban van. A szerkezeti feszültségek hatására a feszített diszulfidhidak idővel felbomlanak, a haj visszanyeri eredeti állapotát, a natív diszulfidhidak újra kialakulnak.

Szintén főleg a diszulfidhidak nagy száma magyarázza azt a tényt, hogy a keratin a legtöbb élőlény számára emészthetetlen. A fehérjebontó enzimek hiába hasítják el a peptidkötéseket, a keletkezett peptideket így is diszulfidhidak tartják egyben. Ugyanakkor a ruhamolyok gond nélkül fogyasztják a főleg keratinból álló gyapjút, mivel az emésztőrendszerük merkaptánokat termel, amelyek redukálják a diszulfidhidakat.

4.5.2. A selyem fibroin

A selyem fő alkotóeleme a fibroin fehérje. A selyem fibroin fehérjében a következő szekvencia motívum ismétlődik: (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n. A szekvenciára tehát az jellemző, hogy minden második pozícióban a legkisebb oldalláncú aminosav, a glicin szerepel. A glicinek közötti pozíciókban a méretsorrendben soron következő, szintén kisméretű alanin, vagy szerin lehet.

A fibroin fehérje teljesen nyújtott β-láncok formájában van jelen. A β-láncok a selyemszál irányában futnak, és antiparallel β-lemezeket alkotnak a láncok között kialakuló hidrogénhíd kötések révén (lásd 4.42. ábra).

4.42. ábra: A selyem fibroin térszerkezeti modellje

4.42. ábra: A selyem fibroin térszerkezeti modellje

A láncok azonos regiszterbe rendeződnek a lemezek létrehozásakor, tehát a glicinek mellett glicinek, a szerin/alanin csoportok mellett szerin/alanin csoportok helyezkednek el. Ennek eredményeképpen a lemezek egyik oldalán kizárólag glicin oldalláncok nyúlnak ki, a másik oldalán pedig kizárólag szerin vagy alanin oldalláncok nyúlnak ki.

Ennek köszönhetően az egyes lemezek maximális térkitöltéssel lapolódhatnak egymásra. Az egyik lemez „glicines” oldala egy másik lemez szintén glicines oldala felé fordul. A szerin/alanin oldalláncokat hordozó oldalak szintén azonos összetételű oldalakkal képesek maximális térkitöltéssel „összetapadni”.

A szerkezetet a láncok irányában tehát kovalens kötések (peptidkötések), a láncokra merőlegesen a lemezeken belül hidrogénhíd kötések, míg a lemezek között gyenge másodlagos kötések tartják egyben.

Selymet egyes ízeltlábúak (pl. lepkék lárvái és pókok) termelnek. A fibroin szerkezeti fehérje mellett ezek az ízeltlábúak egy ragasztófehérjét is termelnek, ebbe ágyazódnak bele a fibroin szálak. A selyem a tömegéhez viszonyítva hatalmas szakítószilárdsággal bír, ráadásul úgy, hogy hajlékony is egyben. Ezek a tulajdonságok jól magyarázhatók a fibroin fehérje szerkezetével. Mivel a selyemszál irányába álló peptidláncok teljesen nyújtottak, ezért a selyemszál gyakorlatilag nyújthatatlan. A szál irányában kovalens kötések tartják össze a szerkezetet, míg arra merőlegesen gyenge kötőerők. Ezért a selyemszál erős, de nagyon hajlékony. A selyemből készült szövetek redukálószerek, illetve mosás hatására nem mennek át a gyapjúszövetekre jellemző változásokon, hiszen a selyemben nincsenek ciszteinek.

4.5.3. A kollagén térszerkezete

A kollagén jellegzetes extracelluláris kötőszöveti fehérje, az inak, porcok, bőr, érfal és a csontok fő alkotója. A kollagén emiatt a gerincesek legnagyobb tömegben jelenlévő fehérjéje is egyben.

A sejtekben keletkező teljes hosszúságú fehérje, a prokollagén, rendelkezik egy N-terminális és egy C-terminális doménnel. Az ezeken kívüli fehérjelánc jellegzetes szekvencia mintázata a következő: (Gly X Y)n, ahol az X és Y pozíciókban leggyakrabban prolin található. A prolinok egy része a fehérjeszintézist követően egy enzim hatására kovalensen módosul, hidroxil-prolinná alakul. Ugyanezekben a pozíciókban lizin is lehet, amely egy másik enzim hatására szintén hidroxilcsoportra tesz szert. A (Gly-X-Y)n szekvenciájú prokollagén szakasz egy balmenetes hélixet hoz létre, ami azonban nem α-hélix. Míg az α-hélix esetében egy aminosav egységre 1,5 Å menetemelkedés jut, a kollagén-hélix esetében ez 2,9 Å, vagyis ebben a hélixben a polipeptidlánc sokkal nyújtottabb formában van. (Ehhez a nyújtott konformációhoz hasonlít egy itt nem tárgyalt másodlagos szerkezeti elem, a II-es típusú, szintén balmenetes poliprolin-hélix.)

Ahogyan azt a 4.43. ábra mutatja, három balmenetes kollagén hélix egyetlen jobbmenetes tripla hélixet alkot.

A 4.44. ábrán szereplő keresztmetszeti ábrázolás jól illusztrálja, hogy a szekvencia miként szabja meg az alapszerkezetet.

A szerkezetben minden harmadik pozíció a tripla-hélix közepe felé fordul. A három lánc között itt rendkívül kicsi a távolság, a láncok között kizárólag a glicin oldallánc (H-atom) számára van hely. A másik két pozíció aminosav csoportjai (legnagyobb arányban prolinok) a tripla hélix külsején helyezkednek el.

Minden glicin egység peptidil NH csoportja donorként vesz részt egy láncok közötti hidrogénhíd kialakításában egy peptidil C=O csoporttal. A prolinok és lizinek utólagos hidroxilálása azért fontos, mert az így bekerülő hidroxilcsoportokon keresztül további, a szerkezetet stabilizáló hidrogénhidak jönnek létre. Ezek nélkül a tripla-hélix szerkezet nem stabil. A kollagénben lévő aminosavak egy része glikozilálódik is, tehát szénhidrát csoportok kerülnek rájuk.

4.43. ábra: A kollagén térszerkezeti modellje, és a tropokollagén egységek összeszerveződése

4.43. ábra: A kollagén térszerkezeti modellje, és a tropokollagén egységek összeszerveződése

4.44. ábra: A kollagén szuperhélix keresztmetszeti képe a glicin egységenként kialakuló hidrogénhidakkal

4.44. ábra: A kollagén szuperhélix keresztmetszeti képe a glicin egységenként kialakuló hidrogénhidakkal

A hidroxilcsoportokat kialakító enzimek koenzimként aszkorbinsavat használnak. Aszkorbinsav tartós hiányában emberben egy súlyos betegség, skorbut alakul ki, amelyet a kötőszövet szerkezetének gyengülése okoz. Ez a már említett módon azért alakul ki, mert a kollagén molekulák szerkezete az utólagosan kialakítandó hidroxilcsoportok hiányában nem stabil.

A globuláris feji domének miatt vízoldható prokollagént a sejtek az extracelluláris térbe juttatják. Ennek során a feji domének specifikus proteázok által lehasítódnak. A kijutó, immár tropokollagénnek nevezett háromláncú forma vízben nem oldódik. A tropokollagén egységek szabályos, lépcsőzetes eltolással összetettebb szerkezetű rostokat hoznak létre. A lépcsőzetes eltolás matt a kollagén rostok keresztmetszetében a pozíció függvényében periodikusan hol több, hol kevesebb tropokollagén egység szerepel, ami harántcsíkolt mintázatot kölcsönöz a rostnak.

A tropokollagén egységek között főleg a lizineken és hidroxil-lizineken keresztül enzimatikus folyamatban kovalens kötések alakulnak ki. Az aminosavsorrend és az abból következő szerkezet a kollagén esetében is szépen magyarázza a molekula tulajdonságait. A tropokollagén szerkezete a sok prolin miatt viszonylag merev. A nyújtott szerkezetű tropokollagén és a tripla-hélixek közötti keresztkötések miatt a kollagén rostok szinte nem nyújthatók, és nagy szakítószilárdságúak. A lizineken keresztül kialakuló kötések száma az életkor előrehaladtával nő, ami csökkenti a kollagén rostok hajlékonyságát.