7. fejezet - A fehérjeműködés paradigmája: mioglobin és hemoglobin

Tartalom

7.1. A fehérjék működésének általános jellemzői
7.2. Az oxigénkötés alapvető problémaköre
7.3. A mioglobin és a hemoglobin összehasonlítása
7.4. A reverzibilis ligandum-kötés általános matematikai leírása
7.5. Az egyszerű szállítófehérje problémája
7.6. A kooperativitás jelensége, és matematikai leírása
7.7. A hemoglobin kooperatív oxigénkötésének Hill-diagramja
7.8. A hemoglobin Hill-diagramjának értelmezése
7.8.1. A kooperativitás szekvenciális modellje
7.8.2. A kooperativitás összehangolt modellje.
7.9. A hemoglobin szerkezetének és működésének részletes bemutatása
7.10. A hemoglobin anyagcserefüggő szabályozása, a Bohr-effektus
7.11. A hemoglobin oxigénkötésének anyagcserétől független szabályozása
7.12. A magzati hemoglobin működése
7.13. Egy örökletes betegség, a sarlósejtes anémia

(szerző: Pál Gábor)

A fehérjék szinte felsorolhatatlanul sokféle funkciót töltenek be az élő szervezetben. Ugyanakkor vannak olyan, a működésükkel kapcsolatos általános jellegzetességek, amelyek majdnem minden fehérje esetében tetten érhetők. Ezek általános ismertetése helyett azonban didaktikai okokból célszerűbb ezeket egyetlen, jól megválasztott fehérje példáján bemutatni. Ilyen klasszikus példa a hemoglobin esete, amely mintegy „állatorvosi lóként” szépen példázza a közös jellegzetességek többségét. A hemoglobin működésének jellemzése mindemellett tudománytörténetileg is kiemelkedő szereppel bírt. A mioglobin után ez volt a második olyan fehérje, amelynek atomi szintű térszerkezetét megoldották, és ezzel összefüggésben ez volt az első olyan fehérje, amelynek működési mechanizmusát sikerült atomi szinten értelmezni.

7.1. A fehérjék működésének általános jellemzői

Gyakorlatilag minden fehérjére igaz, hogy működése során kötődik más molekulákhoz, amiket általánosságban ligandumnak nevezünk (két fehérje kölcsönhatása esetén nézőpont kérdése, hogy melyiket tekintjük ligandumnak – egy antitest esetében például az általa felismert antigén a ligandum).

A ligandumkötés az esetek túlnyomó többségében specifikus, aminek az oka az, hogy a ligandummal szerkezetileg komplementer ligandum-kötőhelyen keresztül jön létre a kölcsönhatás. Az esetek többségében a ligandumkötés reverzibilis.

Ugyancsak kevés kivételtől eltekintve a működéshez az is szükséges, hogy a fehérje térszerkezete valamilyen mértékben megváltozzon (ligandumkötés kiváltotta konformációváltozás). A fehérjén belüli mozgások részben kis amplitúdójú, gyors mozgások, amelyekben főleg az oldalláncok rotációja dominál. Ezeknek a mozgásoknak az időtartama a pikoszekundumos tartományba esik. Ezen felül többdoménes fehérjék esetén a domének egy rendezettebb mozgás keretében egymáshoz képest elmozdulhatnak. Ennek a mozgástípusnak az időtartama a nanoszekundumos tartományban van.

Az eddig megismert kölcsönhatások jelentős részében a ligandum nem egyformán kötődik az egymástól kissé eltérő konformációjú állapotokhoz, mintegy válogat ezek közül. Ennek leírására vezették be a konformáció-szelekció (conformation-selection) modelljét. Más esetekben kimutatható, hogy a fehérje szabad formában egy adott konformációs állapotban van, és maga a ligandum kötődés az, ami konformációváltozást indukál. A komplexben mutatott fehérje-konformációhoz jobban illeszkedik a ligandum, mint a szabad fehérje konformációjához. Ennek leírására vezették be az indukált illeszkedés (induced fit) modelljét.

Ha a fehérje egyidejűleg több ligandummal is komplexet alkothat, akkor az egyik ligandum kötése szabályozhatja a másik kötését. Ez a fehérjeműködésének egy rendkívül rugalmas, kifinomult szabályzását, az úgynevezett allosztérikus szabályzást teszi lehetővé (lásd 17.2. fejezet).

A hemoglobin működése az összes fent említett jelenségre konkrét példával szolgál. Mielőtt ezeket sorra vesszük, ismerkedjünk meg az oxigénkötés alapvető problémájával.