Závodszky Péter

Fehérjék - a szerkezettől a funkcióig, a fizikától a biológiáig

Amikor az élővilág bonyolult és sokszor csodálatos jelenségeivel nap mint nap találkozunk, ritkán gondolunk arra, hogy egy termést hozó fa, egy ásító oroszlán vagy egy tervező mérnök tevékenységének hátterében egy rendkívül bonyolult mikrovilágnak - a fehérjék világának - összehangolt működése rejlik. Szervezetünk építőkövei, anyagcserénk katalizátorai, egészségünk védelmezői, energiaellátásunk szervezői, tagjaink mozgatói - mind-mind fehérjemolekulák. A fehérjék hasonló atomokból, ugyanolyan fizikai kölcsönhatások szerint épülnek fel, mint egy ásványdarab vagy egy nejlonharisnya. A különbség a célszerűen "tervezett" térszerkezet eredménye. Az előadás a fehérjék mikrovilágába vezet el bennünket, megmutatja atomi szintű szerkezetüket, és levezeti ebből azt a csodálatosan komplex jelenséget, amit életnek nevezünk.

I. Bevezetés
Izmaink mozgása, sejtjeink osztódása, gondolkozásunk - általában bonyolult életjelenségeink mögött egy molekuláris szintű mikrovilág összehangolt eseményei zajlanak. E mikrovilág főszereplői a fehérjék. E bonyolult óriásmolekulákról már sokat tudunk, s a fizika nagy segítségünkre volt szerkezetük meghatározásában és működésük megértésében.

II. Miként épülnek fel atomokból a fehérjék óriásmolekulái?
A fehérjék C-, N-, O-, H- és S-atomokból állnak, akárcsak a talaj vagy a víz. Honnan az az óriási különbség, amely az élő világot az élettelentől első látásra megkülönbözteti? A kémiai szerkezet nem ad közvetlen magyarázatot erre. A titok nyitja a térbeli szerkezet.

III. A víz szerepe
A víz poláros molekula, vagyis a + és - töltések súlypontja nem esik egybe. Ennek következménye, hogy a molekulák a folyékony vízben gyengén összekapcsolt hálózatot alkotnak, ún. hidrogénhidak révén. Ezért nem szívesen elegyedik a víz zsírokkal, olajokkal. A szénhidrogéneknek ezt a hidrofób tulajdonságát aknázzák ki a fehérjék térszerkezetük létrehozásában és stabilizálásában.

IV. A fehérjék térszerkezetét másodlagos kötések alakítják
A térbeli szerkezetet nagyszámú másodlagos, a kémiai kötéseknél gyengébb fizikai kölcsönhatás tartja fenn. A hőmozgás hatására a másodlagos kötések helyenként könnyen felszakadnak, nagyfokú mozgékonyságot biztosítva a szerkezetnek. A fehérjék komplex kölcsönhatásait és működését az egyedi felszíni mintázat és a mozgékony térszerkezet biztosítja.

V. Az önszerveződés képessége
Talán a legcsodálatraméltóbb tulajdonsága a polipeptidláncnak, hogy vizes közegben képes az aminosavsorrendjének megfelelő, egyedi gombolyagba szerveződni külső irányítás nélkül. Az ehhez szükséges információt a kémiai szerkezet hordozza. A bonyolult rendszerek önszerveződését "jól tervezett" polipeptidlánc teszi lehetővé. A tervrajz hosszú evolúciós folyamat terméke.

VI. Fehérjetervezés
A fehérjék térszerkezete és működése túlságosan bonyolult módon függ a kémiai szerkezettől, az aminosavsorrendtől. Ezért ma még nem tudunk ab initio fehérjét tervezni, de meg tudjuk változtatni a fehérjék számos tulajdonságát, és például baktériumokkal termeltetni tudunk bizonyos fehérjéket.

VII. További önszerveződés
A kész fehérjék egyedi felszíni mintázatuk és nem-kovalens kötést képző tulajdonságaik révén képesek egymással és más molekulákkal további bonyolult szerkezeti és funkcionális egységeket képezni. Így alakulnak ki a sejt membránjai, a riboszómák, a sejtszervecskék, a sejtek és a szövetek.

VIII. Szerkezeti fehérjék
A sejtek, szövetek, szervezetek alakját, rugalmasságát fehérjék biztosítják. A kollagén a test fehérjéinek 30 %-át teszi ki. Molekuláris szinten hosszú, rugalmas fehérjeszálakból épül fel. A kollagénszálak hajlékonyak, de a nyújtásnak ellenállnak. A kollagénnek köszönhetjük szöveteink mechanikai ellenállását.

IX. Szervezetünk védelmezői - az immunrendszer fehérjéi
A testnedvekben számos olyan fehérje van jelen, amelynek az a feladata, hogy külső támadás esetén védelmet nyújtson. Az első lépés a betolakodó felismerése és megjelölése, ezt követi a megsemmisítés vagy eltávolítás folyamata, amelyben egy fehérjékből és sejtekből bonyolult rendszerbe szervezett "hadsereg vesz részt".

X. Enzimek - molekuláris "nanogépek"
Az enzimek katalizátor fehérjék. Felgyorsítanak olyan kémiai folyamatokat, amelyek az élet körülményei között nem, vagy csak nagyon lassan mennének végbe. Egy-egy sejtben enzimek sokaságának összehangolt működése folyik. Az enzimek működésének alapja a nagyfokú specificitás és hatékonyság, amit térszerkezetük rugalmassága és fluktuációja tesz lehetővé.

XI. Kvantumelmélet és az enzimek
Az enzimek által katalizált anyagcsere-folyamatok sokaságában elemi részecskék, protonok, elektronok átvitele történik. Ezek a részecskék kettős természetűek, azaz felfoghatóak anyagként és hullámként is. Ezért a molekulák világának részleteit a kvantumelmélet alkalmazása nélkül nem lehet teljes mélységében megérteni.

Tovább