5.4. A fehérje térszerkezet stabilitása

A natív (tehát funkcióképes) fehérjeszerkezet stabilitása egy termodinamikai fogalom: a vizes oldatban lévő natív, és a vizes oldatban lévő letekeredett (unfolded; denaturált) fehérjeszerkezetek szabadentalpia értékeinek különbsége (lásd 5.21. ábra).

5.21. ábra: A globuláris fehérjék natív szerkezetének stabilitását meghatározó entrópia és entalpia tagok.

5.21. ábra: A globuláris fehérjék natív szerkezetének stabilitását meghatározó entrópia és entalpia tagok.

Az itt kifejtett stabilitás olyan termodinamikai rendszerre vonatkozik, amelyben a rendszer egy különálló globuláris fehérje. A natív szerkezet néhány kivételtől eltekintve a legalacsonyabb szabadentalpia szintű szerkezet.

Ugyanakkor fontos megértenünk, hogy a különálló fehérje molekulákból natív, vagy nem-natív fehérje-aggregátumok is képződhetnek. Az így létrejövő, az előzőtől eltérő rendszernek a szabadentalpiaszintje alacsonyabb lehet, mint a natív fehérjéé. Mint hamarosan látni fogjuk, a nem-natív aggregátumok kialakulása ellen speciális dajkafehérjék működnek az élő szervezetekben.

Nézzük meg, mi jellemző a szabadentalpia szint szempontjából a letekeredett szerkezetre. A letekeredett, tehát egyfajta statisztikus gombolyag szerkezetben lévő fehérje nagyfokú konformációs entrópiával rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy számos azonos szabadentalpia szintű térszerkezeti állapotban lehet. A magas konformációs entrópia kedvez a letekeredett állapot kialakulásának. Ugyanakkor a teljesen letekeredett szerkezetben a fehérje hidrofób oldalláncai szabadon hozzáférhetőek a víz számára. A hidrofób oldalláncok körül a víz alacsony entrópiájú klatrát szerkezetet hoz létre. Ez az alacsony entrópiaszintű klatrát szerkezet a letekeredett állapot ellen hat. A letekeredett fehérje poláros részei a vízmolekulákkal kedvező H-hidas kölcsönhatásban vannak, ugyanakkor fontos figyelembe vennünk, hogy a vízmolekulák közötti kölcsönhatások még inkább kedvezőek.

Nézzük meg ezek után, hogy milyen tényezők szabják meg a natív szerkezet szabadentalpia szintjét. A natív szerkezet alacsony konformációs entrópiát jelent, hiszen ha nem is egyetlen, de egy szűk konformáció-sereg jellemzi a natív állapotot. Ez az alacsony entrópia a natív állapot létrejötte ellen hat. A natív állapotú fehérje felszíni poláros részei vízzel H-hidas kapcsolatban vannak, míg az eltemetett poláros részek egymással vannak H-hidas kapcsolatban. Az apoláros részek zöme eltemetett, ezek rövidtávú másodlagos kötőerőkkel kapcsolódnak össze.

A natív szerkezet fő stabilitási tényezője, a feltekeredés fő oka a hidrofób hatás. A letekeredett szerkezet feltekeredése, a folding (a feltekeredés, felgombolyodás kifejezések mellett ezt az angol szót is használhatjuk a magyar nyelvű szakirodalomban) folyamata során az apoláros csoportokat körülvevő szabályos víz-szerkezet megszűnik, a vízmolekulák entropikusan kedvezőbb helyzetbe kerülnek. A natív szerkezet kialakulását tehát elsősorban a vízmolekulák entrópia növekedése hajtja!

Különböző biofizikai mérésekkel a natív szerkezet stabilitása, tehát a natív és a letekeredett állapotok szabadentalpia különbsége mérhető. Ennek értéke átlagosan nagyjából -40 kJ/mol értéknek adódik (átlagos méretű fehérjékre), vagyis csak néhány hidrogénhíd kötésnyi! Ez látszólag ellentétben áll azzal a ténnyel, hogy a natív szerkezetben akár több száz hidrogén híd is lehet.

A látszólagos ellentmondást az az imént ismertetett tény oldja fel, hogy a stabilitás nem a natív szerkezet önálló tulajdonsága, hanem a natív és a letekeredett állapotok szabadentalpia szintjeinek különbsége. A letekeredett szerkezet esetében is nagyszámú hidrogén híd alakul ki, csak éppen az oldószerrel. A natív szerkezet hidrogénhidainak száma tehát önmagában nem mérvadó. A natív állapot megannyi stabilizáló és destabilizáló tényező eredőjeként jön létre.

A fent említett stabilitásérték egy átlag. Vannak fehérjék, amelyek az átlagnál jóval stabilabbak, és természetesen vannak, amelyek jóval kevésbé stabilak. Ismertek olyan mikrobák, amelyek hőforrásokban élnek. Az ilyen élőlények fehérjéi természetesen jóval stabilabbak az átlagnál.