5.2. A fehérjék harmadlagos szerkezete

5.2.1. A globuláris fehérjék szerkezetének alapvető közös vonásai

Az első háromdimenziós fehérjeszerkezetet John Kendrew és csoportja röntgenkrisztallográfiával oldotta meg 1959 végére, mintegy tízévnyi megfeszített munka eredményeként. A fehérje a bálna mioglobinja volt, melynek térszerkezetét molekuláris grafikai ábrázolásokkal az 5.5. ábra mutatja be.

A vízi gerincesek vázizmában hatalmas koncentrációban van jelen ez az oxigéntároló fehérje, amit ezért viszonylag könnyű volt homogén formában előállítani. A homogén állapot nagyon fontos kritérium a kristályosítás során.

Az első megismert fehérjeszerkezet a következő tanulságokkal járt. Minden királis aminosav-csoportja L-konfigurációjúnak bizonyult. Ez volt az első olyan vizsgálat, amely közvetlenül bizonyította, hogy a fehérjékben ez a konfiguráció van jelen (homokiralitás elve). Az aminosavak csoportok mintegy 70%-ára vonatkozóan a főláncot a Pauling által javasolt α-hélix szerkezetben találták. A poláros oldalláncokat szinte kivétel nélkül a molekula felszínén találták. Az apoláros oldalláncok zömét, bár nem mindegyikét, a fehérje belsejében eltemetve találták (lásd 5.5. ábra).

5.5. ábra: A mioglobin térszerkezetének többféle molekuláris grafikai ábrázolása.Az eltérő vizualizációs módok a térszerkezet eltérő tulajdonságait emelik ki. (PDB:1MYO).

5.5. ábra: A mioglobin térszerkezetének többféle molekuláris grafikai ábrázolása. Az eltérő vizualizációs módok a térszerkezet eltérő tulajdonságait emelik ki. (PDB:1MYO).

Kiderült, hogy a molekula belsejében nincsenek „üregek”, a nagyrészt apoláros belső részben gyakorlatilag tökéletes a térkitöltés (térkitöltési kényszer). Nem csak üregeket nem találtak, de a belső részben vízmolekulák sem voltak jelen.

Egy globuláris fehérje esetében magától értetődően lehetetlen, hogy a gömbszerű objektum belsejébe csak oldalláncok kerüljenek. A főláncnak is át kell haladnia a belső részen. Mivel a főlánc poláros, ezért elkerülhetetlen, hogy a szerkezet belsejének egy része poláros legyen.

A szerkezet vizsgálatakor kiderült, hogy az összes, az oldószer számára nem hozzáférhető, hidrogénhidas kölcsönhatásokra képes csoport ténylegesen H-hidakat képez. Más szóval a molekula belsejében a H-hidak száma maximális. Ezt az 5.6. ábra mutatja be a hemoglobin példáján keresztül.

Az első fehérjeszerkezet arra is felhívta a figyelmet, hogy a fehérjék térszerkezete sokkal komplexebb, mint bármely már, addig megismert molekuláé. A szerkezet vizuális befogadása, „megértése” hosszú időt igényelt. Akkoriban még nem álltak rendelkezésre számítógépek, amelyek különböző számításokból eredő grafikai trükkökkel ki tudtak volna emelni bizonyos fontos szerkezeti aspektusokat. A térkoordináták alapján fizikailag a valóságban felépítettek egy golyó-pálcika modellt. Ma már számos ingyenesen elérhető számítógépes program áll rendelkezésre ahhoz, hogy a PDB adatbázisból szabadon elérhető atomi térkoordináták alapján a makromolekula szerkezetet megjelenítsük (molekuláris grafika, lásd 5.5. ábra).

5.6. ábra: Hidrogénhidak a hemoglobin belsejében.A molekula belsejébe temetett, hidrogénhíd képzésre képes poláros csoportok mindegyike ténylegesen hidrogénhidas szerkezetben van (lásd kék vonalak), a hidrogénhidak száma tehát maximális (PDB:163N).

5.6. ábra: Hidrogénhidak a hemoglobin belsejében. A molekula belsejébe temetett, hidrogénhíd képzésre képes poláros csoportok mindegyike ténylegesen hidrogénhidas szerkezetben van (lásd kék vonalak), a hidrogénhidak száma tehát maximális (PDB:163N).

A vizualitáson keresztüli jobb megértés érdekében számos szerkezeti tulajdonságot ki lehet hangsúlyozni, be lehet mutatni. Kiszámítható, és megjeleníthető, hogy mely csoportok között alakulnak ki hidrogénhidak. Kirajzolhatók a másodlagos szerkezeti elemek, megmutatva a fehérjeszerkezet egyfajta belső szerveződését. Megjeleníthető a szerkezet térkitöltő modellel is, ami kihangsúlyozza az egyes molekuláris csoportok egymással való kölcsönhatását. Különböző számítások alapján kirajzolható a fehérje oldószer, vagy akár konkrétabban a vízmolekula számára hozzáférhető része, tehát egyfajta felszíne. Be lehet mutatni színkódolással a felszín töltésviszonyait, vagy hidropátiás indexét és így tovább.

A fentiek miatt ebben az elektronikus könyvben törekedtünk arra, hogy minél több molekuláris grafikai ábrázolással segítsük az olvasót a „háromdimenziós műveltség” elsajátításában, ami nélkül a makromolekulák háromdimenziós világa nehezen érthető meg.

(Az e-könyvben szereplő összes fehérjeszerkezeti ábra az interneten elérhető adattárban (PDB: Protein Data Bank) szereplő atomi koordináták alapján készült, amelynek az azonosító kódját az ábrafeliratokban feltüntetjük (a mioglobin esetében ez például 1MYO, a hemoglobinnál 1GZX).)

5.2.2. A globuláris fehérjék hierarchikus szerkezeti felépítése

A PDB adatbázisban szereplő 85 ezer szerkezet összehasonlító vizsgálata alapján az ismert fehérjeszerkezeteket mintegy 1300 szerkezeti családba (angolul fold) lehet sorolni. Az egyes családok tehát szerkezeti alapon elkülöníthetőek, az adott családba tartozó fehérjék térszerkezete lényegileg megegyezik.

5.2.3. Fehérjeszerkezeti motívumok

A nagyszámú fehérjeszerkezet elemzésével kiderült, hogy a fehérjék háromdimenziós szerkezetén belül léteznek olyan térszerkezeti egységek, amelyek másodlagos szerkezeti elemek adott elrendeződésű kombinációi. Ezek rendre megjelennek a legkülönbözőbb fehérjecsaládok szerkezetében. Ezeket a kis egységeket, amelyek a fehérje térszerkezet egyfajta kirakós játék elemei, „szuperszekunder” elemeknek, más néven motívumoknak nevezték el. A motívumok tehát egy másodlagos szerkezeti szint feletti, de harmadlagos szerkezeti szint alatti szintet képviselnek (nevezik szupermásodlagos szerkezeti szintnek is).

A legegyszerűbb motívumok 2-3 másodlagos szerkezeti egység olyan kombinációi, ahol az egymás közelébe kerülő szakaszok a szekvenciában is szomszédosak. Az egyszerűbb motívumok kombinálódásával összetettebb motívumok jöhetnek létre, amelyeknél már olyan szakaszok között jön létre kölcsönhatás, amelyek a szekvenciában távol esnek egymástól. A fehérjék szerkezete tehát hierarchikus, a másodlagos szerkezeti elemekből kisebb, egyszerűbb motívumok, ezekből pedig nagyobb, összetettebb motívumok jöhetnek létre. Nézzünk néhány példát gyakori motívumokra (lásd 5.7. ábra).

Az EF-kéz (EF-hand) egy jellegzetes Ca2+-kötő motívum, amelyre jó példa a kalmodulin fehérje. Elsőként a kalmodulinnal rokon parvalbumin fehérjében írták le, ahol „E” és „F” jelzésű α-hélixek, valamit az ezeket összekötő szakasz alkotta ezt a szerkezetei egységet, innen származik az elnevezés. Ez tehát egy hélix-hurok-hélix szuperszekunder szerkezetű motívum.

A leucin-cipzár szerkezete gyakorlatilag azonos a fibrilláris fehérjék egyik tagjaként bemutatott keratin szerkezetével, tehát egy kétláncú szuperhélix (coiled-coil). Ez a motívum megjelenhet egyetlen polipeptidlánc részeként is, de ahogyan azt a keratin esetében már láttuk, két azonos vagy különböző polipeptidlánc is alkothat egymással leucin-cipzárt. Jó példa a transzkripciós faktorok (szabályzó fehérjék) esete, ahol a fehérjék dimerizációjáért a leucin-cipzár motívum felelős (lásd 18.1.1.4. fejezet).

5.7. ábra: Néhány egyszerű szupermásodlagos szerkezeti elem, más néven motívum

5.7. ábra: Néhány egyszerű szupermásodlagos szerkezeti elem, más néven motívum

Ezekben az esetekben a motívum tehát nem egyetlen fehérje szerkezetének a része, hanem egy negyedleges szerkezet létrejöttét elősegítő egység.

A hajtűkanyart mint másodlagos szerkezeti elemet már bemutattuk. Azért szerepel a szuperszekunder szerkezeti elemek között is, mert nagyon gyakran más motívumok részeként jelenik meg. Az 5.8. ábrán egy összetettebb motívumot mutatunk be, amit görög váza motívumként is említenek.

5.8. ábra: Egy összetett szerkezeti motívum, a görög váza motívum

5.8. ábra: Egy összetett szerkezeti motívum, a görög váza motívum

A már említett, mintegy 1300 különböző globuláris fehérjeszerkezet ilyen azonos topológiai elemek eltérő kombinációjaként értelmezhető. Az ismeretek szerint legfeljebb néhány száz eltérő motívum építi fel az összes globuláris fehérjét. A motívumok egy része egyféle funkcióval rendelkezik (pl. az EF-kéz az eukarióta sejtek univerzális Ca2+-szabályozó eleme). Más motívumokhoz nem feltétlenül tartozik egyedi funkció, tehát eltérő fehérjékben az azonos szerkezeti motívum akár más-más funkcióval is rendelkezhet.

5.2.4. Domének

Számos globuláris szerkezetű fehérjében felismerhetőek kompakt, önmagukban is globuláris jellegű szerkezeti egységek. Ezeket doméneknek nevezzük. A domének jelentik a másodlagos és harmadlagos szerkezeti szint közötti legmagasabb „átmeneti” szintet. (A domének tehát egyetlen polipeptidláncon belül elkülönülő egységek, nem keverendők össze az eltérő polipeptidláncok alkotta alegységekkel). Egyértelmű definíció létezik arra, hogy mit tekinthetünk doménnek. A domén a fehérjemolekulán belül jól elkülönülő, másodlagos és harmadlagos szerkezeti szint közötti szerkezeti egység, amely autonóm, vagyis a fehérje többi részétől független feltekeredésre képes.

A doménnek nem feltétlenül van, de esetenként lehet jól elkülöníthető funkciója (pl. egy membrán-kötött receptor valamelyik extracelluláris doménjének lehet ligandum-kötő funkciója). Az 5.9. ábra baloldali képén a térkitöltő ábrázolás egyértelműen jelzi, hogy a kalmodulin fehérje szerkezete két jól elkülönülő doménből áll. A jobboldali képen a fehérje szalagmodellje látható, melyben az is látszik, hogy mindkét domén két Ca2+-kötő hellyel rendelkezik (amelyek EF-kéz szerkezetűek).

A domének tipikus mérete ~40-100 aminosav. Létezésükre először az hívta fel a figyelmet, hogy globuláris fehérjék fehérjebontó enzimmel történő kezelésekor első lépésben néha jól definiált részekre esett szét a fehérje (limitált proteolízis), és az így keletkező részek sokkal lassabban emésztődtek tovább. Kiderült, hogy ilyenkor a polipeptidlánc doménekre emésztődött szét. A domének közötti gyakran flexibilis összekötő szakasz a proteázok számára könnyebben hasítható, mint a doménen belüli polipeptidlánc.

5.9. ábra: A kalmodulin térszerkezetének térkitöltő, és szalagmodellje (PDB: 1CLL)

5.9. ábra: A kalmodulin térszerkezetének térkitöltő, és szalagmodellje (PDB: 1CLL)