17. fejezet - A fehérjeműködés szabályozása

Tartalom

17.1. A fehérjeműködés lényege
17.2. Allosztérikus fehérjék/enzimek
17.2.1. Az allosztérikus fehérjék általános tulajdonságai
17.2.2. Példa egy allosztérikus enzimre: aszpartáz-transzkarbamoiláz
17.3. Reverzibilis kovalens szabályozása
17.3.1. Reverzibilis foszforiláció
17.3.2. Protein-kináz családok
17.3.3. A cAMP-függő protein-kináz (protein-kináz A) működése
17.4. Irreverzibilis kovalens szabályozása
17.4.1. Fehérjék aktiválása proteolitikus hasítással
17.5. Fehérje izoformák, izoenzimek

(szerző: Nyitray László)

A fehérjék szerkezetét (lásd 4. és 5. fejezet) és működését (lásd 7. és 8. fejezet) már részletesen tárgyaltuk, s ott is felhívtuk a figyelmet rá, hogy a hallatlanul nagy komplexitással rendelkező élő rendszerekben a fehérje molekulák csak szigorúan szabályozott módon tölthetik be szerepüket. Ebben a fejezetben a fehérjeműködés szabályozási elveit és a különböző szabályozási típusokat foglaljuk össze.

A biológiai szabályozás (reguláció) az organizáció minden szintjén érvényesül. A biokémia elsősorban a molekuláris szintű szabályozással foglalkozik, amely döntően fehérjék szabályozásán keresztül valósul meg. Lehet szabályozni a fehérjék mennyiségét a keletkezésükön és lebontásukon keresztül, valamint a már elkészült fehérjék működését. A fehérjék keletkezésének szabályozásáról, a génexpresszió szabályozása kapcsán a következő, 18. fejezetben lesz szó – amely természetesen szintén fehérjék működésén keresztül valósul meg. (A Bevezetés a biokémiába jegyzet keretében nem tárgyalunk egyéb sejtbiológia szintű szabályozásokat (pl. a szignáltranszdukciót, azaz a külső jelekre adott sejtválasz szabályozását, a sejtciklus szabályozását), s nem lesz szó a fiziológia tárgykörébe tartozó molekuláris szintű szabályozásokról sem (pl. a neuroendokrin vagy az immunrendszer szabályozása).)

A fehérjeműködés speciális szabályozásának tekinthető, ha egy-egy feladat elvégzésére minőségileg különböző fehérjék jönnek létre. Az azonos működésű, de különböző térbeli és időbeli lokalizációjú és eltérő szabályozású fehérjék/enzimek az izoformák/izoenzimek (lásd 17.5). Nagyon fontos kiemelni, hogy az enzimek és más funkciójú fehérjék szabályozására ugyanazok az elvek érvényesek. A regulációs fehérjék funkciója maga a szabályozás (ilyenek pl. a transzkripciós faktorok és a jelátvitelben résztvevő fehérjék/enzimek). A szabályozás lehet reverzibilis vagy irreverzibilis, illetve aktiválás vagy gátlás. A reverzibilis kategóriába az allosztérikus szabályozás (lásd 17.2) és a reverzibilis kovalens szabályozás (lásd 17.3) tartozik. A reverzibilis kovalens szabályozásnál egy funkcionális csoport (pl. foszforil-, acetil-) kapcsolódik a fehérjére egy enzim segítségével, s egy másik enzim távolítja azt el. Az irreverzibilis szabályozás (lásd 17.3) leggyakoribb esete a polipeptidlánc elhasadása (pl. zimogén aktiválás).

Az enzimkinetikát bemutató 9. fejezetben tárgyaltuk a nem allosztérikus enzimgátlásokat (kompetitív, nem-kompetitív és vegyes típusok), amelyeknek bár fontos fiziológiás példái is ismertek (pl. proteáz-inhibitor fehérjék), de elsősorban azért kell ismernünk őket, mivel a gyógyszerek és mérgek többsége ilyen módon hat (bár vannak allosztérikusan hatók is!), valamint széles körben használjuk őket az enzimek működésének in vitro vizsgálatához.

17.1. A fehérjeműködés lényege

A 7.1. fejezetben már szó volt a fehérjék működésének általános vonásairól. Mivel az élet molekuláris szintű szabályozását a fehérjék működésének felderítésével érthetjük meg, ezért, didaktikai szempontból is, újból elővesszük ezeket a működésbeli alapelveket.

Ha egy mondatban akarjuk megfogalmazni a fehérjeműködés lényegét, amely a nagy többségükre érvényes, akkor ez a ligandumkötés kiváltotta konformációváltozás. (Bár közhelynek is tűnhet ez az állítás, mivel régóta tudatában van a tudomány annak, hogy „távhatás” a kémia világában nincs, fizikailag érintkezniük kell a molekuláknak, hogy kémiai reakció következhessen be – s nincs ez másképp a biokémia, a makromolekulák világában sem. Az élő rendszer komponenseinek kölcsönhatása határozza meg a rendszer működését – ezt az elvet kell szem előtt tartanunk, erre utal a fenti elvi megállapítás is.)

A biokémiában ligandumnak nevezünk minden olyan kismolekulát, iont, vagy akár makromolekulát, amelyek specifikusan kötődnek a fehérjékhez. A fehérjék az élő rendszerben szinte soha nem magányosan működnek, hanem kommunikálnak a többi biomolekulával - s az információcsere kölcsönhatásokon keresztül valósul meg. Igaz ez természetesen az enzimekre is, hiszen a szubsztrát kötődése nagyon sokszor konformációváltozást okoz (lásd például az indukált illeszkedés a 8. fejezetben) s ez a változás elengedhetetlen a katalitikus funkcióhoz.

A fenti megállapodás alól látszólag kivételt képeznek azok a fehérjék, amelyeknek nincs jó meghatározott 3-dimenziós szerkezete. Az utóbbi évtized fontos felismerése, hogy meglepően sok fehérje tartozik ebbe a szakirodalomban az IDP-nek (eredendően rendezetlen fehérje: intrinsically disordered protein) vagy IUP-nek (szerkezetnélküli fehérje: intrinsically unstructured protein) rövidített szerkezeti kategóriába. Azonban a szerkezetnélküli fehérjék is kölcsönhatásba lépnek más fehérjékkel, s ekkor vagy az interakcióban résztvevő láncrészlet vagy akár az egész fehérje jól definiált szerkezetet vehet fel.

A ligandum a fehérje kötőhelyével lép kölcsönhatásba (az enzimek esetén a szubsztrát is egy ligandum, ami a szubsztrátkötőhellyel lép kölcsönhatásba, lásd a 8. fejezetben). A fehérjék szelektálnak a környezetükben levő sok ezer molekula közül, biológiai jelentősége csak a specifikus (fajlagos) kölcsönhatásoknak lesz. A molekuláris felismerés alapja, hogy a kötőhely térben, töltésmintázatát, hidrofób és hidrofil jellegét tekintve komplementer a ligandummal. A molekuláris felismerés is tehát ugyanolyan gyenge másodlagos kötéseken keresztül valósul meg, mint amilyen kölcsönhatások szerepet játszanak a fehérje térszerkezet kialakításában (hidrofób effektus, van der Waals kölcsönhatás, hidrogén-híd, sókötés; lásd 5.5. fejezet). Fontos emlékeztetnünk rá, hogy a termodinamikai stabilitáshoz hozzájáruló hidrofób effektus entrópikus hatás (lásd ΔG = ΔH - TΔS).

Fontos megemlítenünk újból azt a tényt is, hogy a fehérjék térszerkezete csak kis termodinamikai stabilitással rendelkezik. Egy átlagos méretű globuláris fehérje natív szerkezetének stabilitása (ΔG = Gn- Gd ≈ -40 kJ/mol). Ebből a tényből az is következik, hogy a fehérjék flexibilisek, a szerkezetük dinamikus (utalunk pl. a mioglobin oxigénkötését elősegítő atomi rezgésekre, amit a fehérje „légzésének” nevezünk; lásd a 7.3. fejezetben). A térszerkezet flexibilitása előfeltétele a fehérjék működésének, hiszen ahogy azt kifejtettük, az alakváltozás a fehérjék gyakorlatilag egyetlen kommunikációs lehetősége. Ennek megfelelően a fehérjeműködés szabályozása is a térszerkezet és/vagy a térszerkezet dinamikájának megváltozásán keresztül történik, mint azt a további alfejezetekben majd bemutatjuk.

A ligandumkötés kiváltotta konformációváltozásra példaként a kalmodulin Ca2+- és célfehérje kötését (17.1. ábra), valamint a hemoglobin oxigénkötését mutatjuk be, az utóbbit a dezoxi-Hb és az oxi-Hb térszerkezetéről készült animáció segítségével (lásd 17.2. ábra).

17.1. ábra: A kalmodulin konformációváltozása ligandumkötés hatására.Apo (ligandum nélküli) kalmodulin (bal), Ca2+-kötött (középső), és egy célfehérje, a Ca2+-kalmodulin-függő kináz kötőpeptidével alkotott komplex (jobb). A szalagmodellel ábrázolt polipeptidlánc α-hélixei különböző színűek. A Ca2+-ok zöldek, a CaM-kináz peptid piros (PDB: 1DMO, 1CLL, 1CKK).

17.1. ábra: A kalmodulin konformációváltozása ligandumkötés hatására. Apo (ligandum nélküli) kalmodulin (bal), Ca2+-kötött (középső), és egy célfehérje, a Ca2+-kalmodulin-függő kináz kötőpeptidével alkotott komplex (jobb). A szalagmodellel ábrázolt polipeptidlánc α-hélixei különböző színűek. A Ca2+-ok zöldek, a CaM-kináz peptid piros (PDB: 1DMO, 1CLL, 1CKK).

17.2. ábra: A hemoglobin térszerkezetváltozása oxigénkötés hatására. Az animáció a dezoxi-Hb (deoxy) és az oxi-Hb (oxy) szalagmodelljeit hasonlítja össze. (forrás: Wikipedia Commons; szerző: User:BerserkerBen)

Az enzimek működése a fehérje és a szubsztrát kölcsönhatásán alapszik. Mint azt a 8. fejezetben már kifejtettük, az enzimműködés során sokszor a szubsztrátkötés hatására a kötőhely mintegy bezárulhat a ligandum körül, ezzel is hozzájárulva a katalitikus hatékonysághoz. Ez a jelenség az ún. indukált-illeszkedés (induced fit; David Koshland, 1958), amelynek klasszikus példája a hexokináz enzim szubsztrátkötése, amelyet a 17.3. ábra szemléltet (a hexokináz a glikolízis első enzime, glükózra és más hexóz szubsztrátokra az ATP-ből foszforilcsoportot helyez át).

17.3. ábra: Az indukált-illeszkedés modell egy példája.A hexokináz enzim szerkezete szubsztrát nélkül (bal; a nyíl a kötőzsebet mutatja) és glükóz jelenlétében, ahol a zseb bezárult (jobb; a glükóz nem látszik) (PDB: 1HKG és 1GLK).

17.3. ábra: Az indukált-illeszkedés modell egy példája. A hexokináz enzim szerkezete szubsztrát nélkül (bal; a nyíl a kötőzsebet mutatja) és glükóz jelenlétében, ahol a zseb bezárult (jobb; a glükóz nem látszik) (PDB: 1HKG és 1GLK).

A fehérjeszerkezet dinamikájából következik, hogy a fehérje kölcsönhatások jelentős részében a ligandum nem egyformán kötődik az egymástól kissé eltérő konformációjú állapotokhoz, mintegy válogat ezek közül. Ennek leírására vezették be az ún. konformáció-szelekció (conformation-selection) modellt (elsők között magyar kutatók, Straub F. Brunó és Szabolcsi Gertrúd vetették fel ezt a kölcsönhatási mechanizmust 1964-ben).

A fehérjék a kémiai reakciók felgyorsításán kívül képesek különböző energiaátalakításokra is. Speciális energiátvitel, ún. energiatranszdukció történik a motorfehérjék működése során, melyek az ATP kémiai energiáját mechanikai munkává alakítják. A fehérjeevolúció egyik csúcsteljesítménye a forgómotorként működő ATP-szintáz fehérje komplex, amely az oxidatív foszforiláció során a sejtek működéséhez nélkülözhetetlen „energiavalutát”, az ATP-t állítja elő nagy mennyiségben. Szintén energiatranszdukció történik a molekuláris pumpák közreműködésével, amelyek ugyancsak az ATP „makroerg” kötéseiben tárolt kémiai energiát aktív transzportra, tehát ozmotikus munkára fordítják (lásd 20.5. fejezet).

Ebben a fejezetben a fehérjék aktivitásának szabályozásáról lesz szó, amely szintén a fehérjék konformációjának megváltozásán alapszik, és a fenti gondolatmenetet követve információs transzdukciónak tekinthető. Ebben az esetben a ligandum kötési energiája konformációváltozáso(ko)n keresztül információvá „alakul”, azaz információt közvetít. A szabályozó fehérjék egyik csoportja mintegy bináris molekuláris kapcsolóként működik, „bekapcsolt” és „kikapcsolt” szerkezeti állapotban lehet: a bekapcsolt, például ligandum kötött állapotban képes kötődni a szabályozandó célfehérjéhez, míg a kikapcsolt állapotban, az apo-formában nem. A 17.1. ábrán bemutatott kalmodulin is egy molekuláris kapcsoló, ahol a Ca2+-kötött forma a „bekapcsolt” állapot, kötődni képes a célfehérjéihez. Szintén molekuláris kapcsolók az ún. G-fehérjék, amelyek a molekuláris jeltovábbítás, a szignál transzdukció fontos szabályozó fehérjéi (lásd például a 11.22. ábra), amelyek GTP-kötött formában kötődnek a célfehérjéikhez, míg GDP-kötött formában nem (lásd például az adrenalin hatásmechanizmusát a 17.3.3. fejezetben).