5.6. A fehérjék negyedleges szerkezete

Az ismert szerkezettel bíró globuláris fehérjéknek csak mintegy fele áll egyetlen polipeptidláncból, a fehérjék másik fele több-alegységes. A több-alegységes fehérjék szerkezetének jellemzésére vezették be a negyedleges szerkezet fogalmát. Azonos alegységek esetén homo-oligomer, különböző alegységeknél hetero-oligomer fehérjékről beszélünk. Az alegységek száma szerint a fehérje lehet dimer, trimer, tetramer, stb. Az oligomer legkisebb olyan egységét, amelyből a többi egység forgatásokkal levezethető, protomernek hívják. Ez homodimereknél egyetlen lánc, hetero-oligomereknél több különböző peptidlánc.

Az egyes protomerek egymáshoz képesti térbeli elhelyezkedése különböző szimmetriákkal adható meg.

A szimmetria természetesen soha nem tükörképi, hiszen a fehérjék királis szerkezetűek. Egy fehérje tükörképi párja csupa D-aminosavból állna. A szimmetriák tehát mindig forgásszimmetriák.

A legegyszerűbb eset a ciklikus szimmetria esete. Ebben az esetben a protomerek egyetlen tengely körüli elforgatással átvihetők egymásba (lásd 5.28. ábra).

A kétfogású szimmetria esetében a szimmetriatengely körül 360 fok / 2, azaz 180 fokos elfordítás viszi fedésbe a protomereket, háromfogású szimmetria esetén 120 fok, n-fogású esetén 360/n fokos. Ezekben az esetekben magát a tengelyt is rendre kétfogásúnak, háromfogásúnak, n-fogásúnak nevezzük. A ciklikus szimmetriát C betűvel jelezzük. Azt, hogy hány fogású a tengely, alsó indexben jelezzük (pl. C2, vagy C3).

5.28. ábra: Két, ciklikus szimmetriájú negyedleges szerkezet.Ciklikus szimmetria esetén az egyes protomerek egyetlen tengely körüli elforgatással fedésbe hozhatók egymással

5.28. ábra: Két, ciklikus szimmetriájú negyedleges szerkezet. Ciklikus szimmetria esetén az egyes protomerek egyetlen tengely körüli elforgatással fedésbe hozhatók egymással

Ennél összetettebb a diéderes szimmetria. Ennél minden protomer átforgatható bármelyik másikba legfeljebb két különböző tengely körüli forgatással. A két tengely közül az egyik mindig kétfogású (lásd 5.29. ábra).

Az 5.29. ábra két példát mutat be diéderes szimmetriára. Az egyik esetben mindegyik tengely kétfogású, (a szimmetria jele D2) a másik esetben két tengely kétfogású, a harmadik négyfogású (jele D4).

5.29. ábra: Két, diéderes szimmetriájú negyedleges szerkezet.Diéderes szimmetria esetén egynél több szimmetriatengely van. Minden protomer átforgatható bármelyik másikba legfeljebb két különböző tengely körüli forgatással. A két tengely közül az egyik mindig kétfogású

5.29. ábra: Két, diéderes szimmetriájú negyedleges szerkezet. Diéderes szimmetria esetén egynél több szimmetriatengely van. Minden protomer átforgatható bármelyik másikba legfeljebb két különböző tengely körüli forgatással. A két tengely közül az egyik mindig kétfogású

A hemoglobin pl. egy heterotetramer, ami α2β2 láncokból áll. Egyetlen αβ pár alkot egy protomert, amiből a ciklikus szimmetria miatt egyetlen kétfogású tengely körüli elforgatással megkapjuk a másik protomert, tehát a hemoglobin C2 szimmetriával bír (lásd 5.30. ábra).

5.30. ábra: A hemoglobin C2szimmetriájú negyedleges szerkezete (PDB: 1A3N)

5.30. ábra: A hemoglobin C2 szimmetriájú negyedleges szerkezete (PDB: 1A3N)

5.6.1. A negyedleges szerkezet lehetséges előnyei

Az, hogy a több-alegységes szerkezet az evolúció során kialakult, és a fehérjék kb. fele esetében jelen van, arra utal, hogy a negyedleges szerkezet valamilyen előnyökkel járhat.

Az egyik ismert jelenség, amely leginkább a több-alegységes fehérjékre jellemző, az allosztérikus szabályozás. Ez a szabályzás mindig kölcsönhatást szabályoz, legyen az fehérje-ligandum, vagy enzim-szubsztrát kölcsönhatás. Amikor az egyik alegység ligandumot (vagy szubsztrátot) köt, akkor ezzel megváltoztatja a többi alegység ligandum-kötő (vagy szubsztrátkötő) tulajdonságát. Az allosztérikus szabályozásról később részletesen is szó esik (lásd 17.2. fejezet).

A több-alegységes szerkezeti forma egy másik előnye, hogy általa az evolúció a korábbinál nagyobb hatékonysággal lett képes létrehozni új fehérjéket. Egy-egy már meglévő fehérje apró megváltozása helyett (mellett) lényegileg eltérő módon keletkezhettek új fehérjék azáltal, hogy egy-egy fehérje eredeti önállóságát elvesztve alegységként számos más fehérje részévé vált.

Jó példa erre egy eukarióta intracelluláris fehérje, a kalmodulin, amely Ca2+-ionokat köt (lásd 5.9. ábra). Ez a fehérje tulajdonképpen egy kalciumion szenzor a sejtben. A kalciumion jelátvivő anyag. Amikor a sejten belüli Ca2+ koncentráció megemelkedik, a kalmodulin Ca2+-ot köt, és jelentős konformációváltozáson megy át. Megjelenik rajta egy hidrofób felület, amelyen keresztül Ca2+-kötött állapotában képes számos fehérjéhez kötődni, és megváltoztatni azok funkcióját (lásd 17.1. fejezet). Ugyanakkor a kalmodulin stabil, állandó alegysége is számos fehérjének. Ezekben a fehérjékben szintén Ca2+-érzékelőként működik, de mint alegység. A Ca2+ -kötés hatására konformációt változtat, és megváltoztatja annak a több-alegységes fehérjének a konformációját is, amelynek maga is része.

Jó példa erre a glikogén anyagcsere szabályozásában fontos foszforiláz-kináz enzim, amely a kalmodulin alegységén keresztül érzékeli a sejtben lévő Ca2+-szintet. Magas Ca2+ -szint esetén aktiválódik és foszforilálja a glikogén-foszforiláz enzimet, amely ezáltal aktiválódik, és elkezdi mobilizálni a sejt glikogénraktárát.

Az alegységek többféle fehérjében történő felhasználása jó példája az élő szervezet moduláris építkezésének. Érdemes észrevenni, hogy ennek analógiájára a modern ipar is hasonló módon hoz létre új termékeket, amikor jól bevált modulokat kombinál ahelyett, hogy „egymodulos” termékeket alakítgatna.