A fehérjék szerkezeti szintjei

Megfordult már a fejedben a kérdés, hogy a tojásfehérje miért változik áttetszőből átlátszatlanná tojássütés közben? Ha igen, akkor ez a tananyag neked való!

A tojásfehérje hatalmas mennyiségű albumin fehérjét tartalmaz, amelynek alapvetően, mint minden fehérjének, speciális térbeli szerkezete van, ami a fehérje különböző aminosavai közötti kötéseknek köszönhető. Melegítés hatására ezek a kötések felbomlanak. A felszabaduló hidrofób (víztaszító) aminosavak általában a fehérje belsejében maradnak.$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript Ahogy a hidrofób aminosavak megpróbálnak távol maradni a tojásfehérjében őket körülvevő víztől, egymáshoz tapadnak és fehérjehálózatot alakítanak ki. Ez adja a tojásfehérje szerkezetét, amikor is fehérré és átlátszatlanná válik. És íme! Fehérje-denaturáció, köszönjük az újabb ízletes reggelit!

Ahogy az aminosavakról és fehérjékről szóló előző leckében is említettük, a fehérjék alakja rendkívül fontos a funkciójuk betöltéséhez. Ahhoz, hogy megérthesd, hogyan nyerik el a fehérjék végleges szerkezetüket vagy konformációjukat, először meg kell ismerned a fehérjék négy szerkezeti szintjét: az elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezetet.

A fehérjék szerkezetének a legegyszerűbb szintje az elsődleges szerkezet, ami egyszerűen az aminosavak kapcsolódási sorrendjét jelenti a polipeptid láncban. Például az inzulin hormon két polipeptid láncból, A és B láncból áll, ahogy az alábbi ábra is mutatja. (Az itt bemutatott inzulin a tehén inzulin, bár szerkezetét tekintve hasonlít az emberi inzulinhoz). Mindkét láncnak saját, egyedileg meghatározott aminosavsorrendje van. Például az A lánc glicinnel kezdődik az N-terminálison, és aszparaginnal végződik a C-terminális részen, ami eltér a B lánc szekvenciájától.

A fehérje szekvenciáját a fehérjét kódoló gén DNS-e határozza meg (vagy amelyik a fehérje egy részét kódolja a több alegységből felépülő fehérjék esetén). Ha a DNS szekvencia génjeiben változás következik be, az változást hozhat a fehérjét felépítő aminosavak sorrendjében is. Már egyetlen aminosav kicserélődése hatással lehet a fehérje teljes térszerkezetére és funkciójára.

Például egyetlen aminosav kicserélődésének tulajdonítható a sarlósejtes vérszegénység, egy örökletes betegség, amely a vörösvérsejteket érinti. A sarlósejtes vérszegénységben a hemoglobin, a vér oxigénszállító fehérjéjét felépítő egyik polipeptidlánc szekvenciája kicsit eltér. A glutaminsav, amely rendszerint a hemoglobin β-lánc (a hemoglobint alkotó kétféle fehérjelánc egyike) hatodik aminosava valinra cserélődik. Ezt a helyettesítést az alábbi ábrán egy β-lánc fragmensén figyelheted meg.

Ami leginkább figyelemre méltó, az az, hogy egy hemoglobinmolekula két α-láncból és két β-láncból áll, amelyek mindegyike körülbelül 150 aminosavból épül fel, ami összesen mintegy 600 aminosavat jelent az egész fehérjében. Az egészséges és a sarlósejtes hemoglobinmolekulának csupán két aminosava különbözik a kb. 600-ból.

Az a személy, akinek teste kizárólag sarlósejtes hemoglobint állít elő, sarlósejtes vérszegénységben fog szenvedni. Ennek az az oka, hogy a glutaminsav és valin aminosavcsere miatt a hemoglobinmolekulák hosszú szálakká állnak össze. A szálak félhold alakúvá torzítják az egyébként lemez alakú vörösvérsejteket. A sarlósejtekre az alábbi vérmintában látható példa. A sarlósejtek normál lemezszerű sejtekkel együtt láthatóak.

A sarlósejtek sokkal könnyebben megakadnak az erekben. A megakadt sejtek pedig károsítják a véráramot, és olyan súlyos egészségi problémákat okozhatnak, mint a légszomj, a szédülés, a fejfájás vagy a hasi fájdalom.

A fehérjeszerkezet következő szintje a másodlagos szerkezet, ami alatt a peptidváz atomjainak egymással való kölcsönhatása miatt kialakult lokális rendezettséget értjük. (A váz csak az R-csoportok nélküli polipeptidláncra utal, – ez csupán annyit jelent, hogy a másodlagos szerkezet nem tartalmazza az R-csoportok atomjait.) A másodlagos szerkezet leggyakoribb típusai az α-hélix és a β-redő. Mindkét szerkezeti formát hidrogénkötések tartják össze, melyek egy aminosav karbonilcsoportjának oxigénje, és egy másik aminosav aminocsoportjának hidrogénje között jönnek létre.

Az α-hélixben az egyik aminosav karbonilcsoportja (C=O) hidrogénkötéssel kapcsolódik egy négy aminosavval távolabb levő másik aminosav amino-H-jéhez (N-H). (Így például az 1. aminosav karbonilje hidrogénkötést képez az 5. aminosav N-H-csoportjával.) Ez a kötésmintázat a polipeptidláncot spirális szerkezetűvé alakítja, amely hullámos szalagra hasonlít, melynek minden egyes fordulata 3,6 aminosavat tartalmaz. Az aminosavak R-csoportjai kifelé állnak az α-hélixből, ahol szabadon kölcsönhatásba léphetnek.$^3$cubed

A β-redőben két vagy több polipeptidlánc-rész egymás mellé rendeződik, ezáltal lapszerű szerkezetet hoznak létre, amelyet hidrogénkötések tartanak össze. A hidrogénkötések a váz karbonil- és aminocsoportjai között jönnek létre, míg az R-csoportok a lap síkja fölött és alatt helyezkednek el.$^3$cubed A β-redő láncrészletei lehetnek parallelek, ugyanabba az irányba mutatók (azaz N- és C-terminálisok egy irányba esnek), vagy antiparallel elrendeződésűek, tehát ellentétes irányúak (ami azt jelenti, hogy az egyik lánc N-terminálisa a másik C-terminálisa mellett helyezkedik el).

Bizonyos aminosavak több-kevesebb valószínűséggel α-hélixekben vagy β-redőkben találhatók meg. Például a prolin nevű aminosavat olykor „hélix-törőnek” is hívják, mert szokatlan R-csoportja (mely az aminocsoporthoz kapcsolódva gyűrűt alkot) kanyart hoz létre a láncban, így nem tud részt venni a hélix kialakításában.$^4$start superscript, 4, end superscript A prolint a másodlagos szerkezeteken belül jellemzően kanyarulatokban, rendezetlen régiókban találjuk. Hasonlóképpen, például a triptofán, a tirozin és a fenil-alanin aminosavak, melyek R-csoportjai nagyméretű gyűrűt tartalmaznak, gyakran β-redőkben találhatók, talán azért, mert a β-redő rengeteg helyet biztosít az oldalláncok számára.$^4$start superscript, 4, end superscript

Számos fehérje α-hélixet és β-redőt is tartalmaz, míg másokban csak egyfajta másodlagos szerkezet található (vagy éppen egy sem).

A polipeptid teljes háromdimenziós felépítését harmadlagos szerkezetnek nevezzük. A harmadlagos szerkezet elsősorban a fehérjéket alkotó aminosavak R-csoportjainak kölcsönhatásai eredményeként alakul ki.

Az R-csoportok kölcsönhatásai, melyek hozzájárulnak a harmadlagos szerkezethez, magukba foglalják a hidrogénkötést, az ionos kötést, a dipól-dipól kölcsönhatásokat és a diszperziós kölcsönhatást – vagyis alapvetően a nemkovalens kötések teljes skáláját. Például az azonos töltésű R-csoportok taszítják egymást, míg az ellentétes töltésűek ionos kötést hozhatnak létre. Hasonlóképpen, a poláris R-csoportok hidrogénkötéseket és további dipól-dipól kölcsönhatásokat létesíthetnek. A harmadlagos szerkezet szempontjából fontosak a hidrofób kölcsönhatások is, melyekben az apoláris, hidrofób R-csoportokkal rendelkező aminosavak a fehérje belsejében tömörülnek, míg a hidrofil aminosavak kívül maradva kölcsönhatásba lépnek a környező vízmolekulákkal.

Végül van egy speciális típusú kovalens kötés, amely hozzájárulhat a harmadlagos szerkezethez: a diszulfidkötés (diszulfidhíd). A diszulfidkötések, a ciszteinek kéntartalmú oldalláncai közötti kovalens kötések sokkal erősebbek, mint a harmadlagos szerkezethez hozzájáruló más kötések. Molekuláris „biztosítótűként” viselkednek, melyek a polipeptid részeit szorosan egymáshoz kapcsolják.

Számos fehérje csupán egyetlen polipeptidláncból épül fel, és mindössze három szerkezeti szinttel rendelkezik (amelyekről épp most beszéltünk). Vannak azonban olyan fehérjék, amelyek több polipeptidláncból, más néven alegységekből épülnek fel. Amikor ezek az alegységek összekapcsolódnak, akkor jön létre a fehérje negyedleges szerkezete.

Már találkoztunk egy negyedleges szerkezettel rendelkező fehérjével, a hemoglobinnal. Ahogy azt korábban említettük, a hemoglobin oxigént szállít a vérben, és négy alegységből épül fel, két α- és két β-típusúból. Egy másik példa a DNS-polimeráz, az új DNS-szálakat szintetizáló enzim, amely tíz alegységből áll.$^5$start superscript, 5, end superscript

Általában ugyanazok a kölcsönhatások tartják össze az alegységeket, hogy kialakulhasson a negyedleges szerkezet, mint amelyek a harmadlagos szerkezetet kialakításához hozzájárultak (leginkább gyenge kölcsönhatások, mint a hidrogénkötés és a diszperziós kölcsönhatás).

Minden fehérjének megvan a maga saját, egyedi alakja. Ha a fehérje környezetének hőmérséklete vagy pH-ja megváltozik, esetleg kémiai anyaggal érintkezik, a kölcsönhatások megszakadhatnak, ami azt eredményezi, hogy a fehérje elveszíti háromdimenziós szerkezetét, és visszaalakul rendezetlen aminosavlánccá. Amikor egy fehérje elveszíti magasabb szintű, de nem elsődleges struktúráját, azt mondjuk, denaturálódik. A denaturált fehérjéknek általában nincs funkciójuk.

Bizonyos fehérjék esetében a denaturáció visszafordítható. Mivel a polipeptid elsődleges szerkezete még sértetlen (az aminosavláncok nem bomlottak fel), képes lesz újra felvenni természetes formáját, ha visszatér a normális környezetébe. Máskor azonban a denaturáció tartós és állandó. Az irreverzibilis fehérjedenaturáció egyik példája a tojássütés. A tojásfehérjében lévő albumin nevű fehérje fehérré és szilárddá válik, mivel a tűzhely hője denaturálja, és még akkor sem tér vissza eredeti, nyers tojás állapotába, mikor lehűlt.

Kutatók megfigyelték, hogy egyes fehérjék újra feltekeredhetnek denaturáció után, még akkor is, ha nincs más anyag a kémcsőben. Mivel ezek a fehérjék önmaguktól tekeredhetnek fel a rendezetlen állapotból, aminosav-szekvenciáiknak tartalmazniuk kell a feltekeredéshez szükséges minden információt. Azonban nem minden fehérje képes erre, és ennél jóval bonyolultabbnak tűnik, ahogy a fehérjék a sejtekben feltekerednek. Számos fehérje képtelen magától feltekeredni, ezért úgynevezett chaperone fehérjék (chaperonok) segítik őket.

Szeretnél többet tudni a fehérjék szerkezetéről és a feltekeredésükről? Nézd meg ezt a görgethető képet a LabXchange-től.

Szeretnél többet tudni arról, hogy a hőmérséklet milyen hatással van a fehérjék feltekeredésére? Nézd meg ezt az interaktív képet a LabXchange-től.