Fehérjék

A fehérjék igen változatos felépítésű makromolekulák, amelyek a sejtek szárazanyagának kb. 50%-át teszik ki. Nincs olyan biológiai jelenség, amely valamilyen módon ne lenne kapcsolatba hozható a fehérjékkel; a fehérjék kifejezői az élőlényekre jellemző összes sajátságnak, amit a biológiai információs rendszer tartalmaz. A fehérjék szerkezetét funkciójuk szigorúan meghatározza.

A fehérjéket feloszthatjuk aszerint, hogy hidrolízisük során csak aminosavak keletkeznek (egyszerű fehérjék, proteinek) vagy az aminosavak mellett a hidrolizátum még egyéb alkotórészt is tartalmaz (összetett vagy konjugált fehérjék). Az egyszerű fehérjék elemi összetétele átlagosan 50% C, 7% H, 23% O, 16% N és 0–3% S. Az összetett fehérjék emellett más egyéb alkotórészeket (pl. fémek, egyéb szerves vegyületek) is tartalmaznak.

A fehérjék szerkezetével a XX. század elején kezdtek foglalkozni; Emil Fischer kísérletei járultak hozzá leginkább a fehérjék szerkezetének megismeréséhez. A század elején oldékonyságuk alapján osztályozva a fehérjéket különböző csoportokat alakítottak ki:

A globuláris fehérjéknek a tér egyik irányában sincs kitüntetett méretük, nagyjából gömb alakúak, bennük a polipeptidlánc tömör gombolyaggá gombolyodott össze. Általában olyan, biológiailag aktív, dinamikus funkciókat betöltő fehérjék tartoznak ide, mint például az enzimek és a transzportfehérjék. A statikus feladatokat betöltő fibrilláris fehérjék polipeptidlánca általában megnyúlt, kettesével, hármasával sodort fonalat alkot. Ez utóbbiak vizes közegben rosszul oldódnak vagy oldhatatlanok, szerkezeti, mechanikai vagy védő feladatokat látnak el. Ilyen például a haj, a bőr, a toll, a pata, a köröm fehérjéje, az α-keratin, az inakat alkotó kollagén vagy a selyemlepke által készített fibroin. A rendkívül változatos fehérjék igen érzékenyen reagálhatnak a környezet változásaira. Ha a közeg hőmérséklete nő, ha a pH nő vagy csökken, ha a közegbe idegen anyagok, például só kerül, szerkezetük sok esetben felbomlik, irreverzíbilisen elvesztik biológiai tulajdonságaikat, denaturálódnak. Nagyon lényeges tulajdonságuk, hogy más fajba jutva ellenanyagképzést indítanak meg; a fehérjék tehát immunaktív anyagok. Az összetett fehérjék a nemfehérje komponens összetételét illetően is igen sokfélék lehetnek.

A szervezetben nagy mennyiségben fordulnak elő lipoproteinek, amelyekben a fehérje lipidekkel kapcsolódik. A transzport lipoproteinek egyik csoportja a vérplazmában, a bélben és a májban a lipidek szállításában vesz részt, másik csoportjából lipidtartalmú membránok keletkeznek. A lipoproteinekben a fehérje és a lipid közötti kapcsolat nem kovalens jellegű.

A glikoproteinekben ezzel szemben a szénhidrátrész a fehérjével kovalensen kapcsolódik, a szénhidrát a fehérje integráns része; kapcsolódásuk sokféle kombinációs lehetőség megvalósítását biztosítja. A glikoproteinek egy részének igen speciális funkciója van, lehetnek például antigén-determinánsok vagy vírusreceptorok. A metalloproteinek valamilyen kationt tartalmaznak komplex kötésben, amelynek az esetek nagyobb részében közvetlen szerepe van a fehérje funkciójának kialakításában.

Peptidek

A peptidek aminosavakból épülnek fel peptidkötéssel (1. ábra). A részt vevő aminosavak száma szerint megkülönböztetünk dipeptideket (két aminosav, egy peptidkötés)(2.ábra), tripeptideket (három aminosav, két peptidkötés), tetrapeptideket. Ha a molekulában tíznél kevesebb aminosav található, akkor oligopeptidekről, tíznél több aminosav esetében polipeptidekről beszélünk. Fehérjének akkor nevezzük a polipeptidet, ha az aminosav összetevők száma 100 vagy annál több.

Kötéstávolságok a peptidkötésben (Å)

1. ábra. Peptidkötés

2. ábra. Dipeptid

Két aminosavból, például glicinből és alaninból, attól függően, hogy az amino- vagy a karboxilcsoportjával kapcsolódik az egyik aminosav a másik aminosavhoz, kétféle dipeptid, glicil-alanin vagy alanil-glicin keletkezhet. E két dipeptid függetlenül attól, hogy mindkettőt ugyanaz a két aminosav alkotja, fizikai és kémiai tulajdonságaikban lényegesen eltér egymástól. A peptid vagy fehérje aminosav-sorrendjének leírását mindig azzal az aminosavval kezdjük, amelynek az NH₂-csoportja szabad (N-terminális, aminoterminális) és haladunk a szabad α-karboxilcsoportot tartalmazó aminosav (C-terminális, karboxiterminális) felé.

A peptidek elektrokémiai sajátságait a két terminális szabad amino- és karboxilcsoport és az oldalláncok ionizáló csoportjai határozzák meg. Minthogy a terminális csoportok ellentétes töltésű csoportjai peptidkötésben vesznek részt, ezek elektronszívó hatása a peptidben részt vevő aminosavak számától függően egyre kevésbé érvényesül.

A természetben nagyon sok és rendkívül változatos peptid fordul elő. Az izmokban fordul elő a karnozin (β-alanil-hisztidin) dipeptid, amelynek funkciójáról még nem sokat tudunk. Sokak által tanulmányozott tripeptid a glutation (γ-glutamil-ciszteinil-glicin). Két glutation szulfhidrilcsoportja enyhe oxidáció hatására diszulfidkötéssel kapcsolódhat egymáshoz. A redukált és az oxidált glutation a sejtekben redoxrendszerként működik. A tripeptid különlegessége, hogy a glutaminsav nem az α-, hanem a γ-karboxilcsoportjával kapcsolódik a ciszteinhez, aminek következtében a proteolitikus enzimek nehezebben tudják megtámadni és lebontani (3.ábra).

3.ábra. A glutation tripeptid szerkezete

Számos hormon hatású peptid is ismert, amelyek közül talán legismertebb az oxitocin, a vazopresszin, az adrenokortikotróp hormon és az inzulin. Az oxitocin és a vazopresszin felépítésében rendkívül hasonló: egy hattagú ciklusból és egy háromtagú farokból állnak. Mindkét hormon a simaizmok működésére hat, azonban a szerkezetükben mutatkozó két aminosav különbség meghatározza specificitásukat. Az oxitocin a méhizomzat, a vazopresszin a véredények simaizomsejtjeinek összehúzódását okozza. Az ugyancsak kilenc aminosavból felépülő, egyenes láncú bradikinin a vérnyomást szabályozza (4.ábra).

4. ábra. Hormon hatású peptidek

A fehérjék felépítése: elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezet

Ha az aminosavak egymáshoz kapcsolását az előzőekben tárgyalt peptidkötés alapján mindaddig folytatjuk, amíg a lánc hosszirányában mintegy 100 és 1000 közötti aminosavgyök helyezkedik el, a fehérjékhez vagy más néven proteinekhez jutunk.

A fehérjék kémiai felépítése elvben viszonylag egyszerű: peptidkötésekkel számos aminosav kondenzációja révén jönnek létre. A kialakult szerkezettel kapcsolatban elsősorban az a kérdés, hogy milyen az egymást követő aminosavak sorrendje, szekvenciája. Az aminosavszekvenciák a fehérjék elsődleges (primer) szerkezetét határozzák meg (5.ábra). A szekvencia megállapításával azonban a proteinkémia feladata még nem ért véget. Könnyű belátni, hogy olyan hosszú atomlánc, amely több száz aminosavnak molekulává kapcsolódásakor keletkezik, a térben igen különböző módon alakulhat ki – pl. mint nyújtott lánc, mint rendezetlen gombolyag vagy mint rendezett spirális. A láncoknak a térben való elrendeződését lánckonformációnak nevezzük.

5. ábra. Aminosavszekvencia; a fehérjék elsődleges szerkezete

A lánckonformáció magába foglalja a régebben használatos másodlagos (szekunder) és harmadlagos (tercier) szerkezet kifejezéseket, amelyekkel ezeket a szerkezeti ismertetőjegyeket a szekvenciától (elsődleges szerkezettől) megkülönböztettünk. A másodlagos szerkezet elnevezés magának a peptidláncnak a térbeli elrendeződését jelöli, míg a harmadlagos szerkezet minden atomnak a térben való helyzetére vonatkozik. Végül a negyedleges szerkezet több peptidlánc meghatározott molekulává történő aggregációját jelöli.

A másodlagos szerkezet fogalmát nem túl szerencsés módon választották meg, a fenti meghatározás, amelyben csak nehezen tudtak megegyezni, eléggé önkényesen határolja el a harmadlagos szerkezettől. Minden esetre a másodlagos szerkezethez tartoznak a fehérjék elrendeződésének módjai. A redőzött lemezstruktúrát (β-redő) és az α-spirál (α-hélix) szerkezetét a 6. ábra szemlélteti.

6. ábra. A fehérjék másodlagos szerkezete

Ha az 5. ábrán bemutatott láncot gondolatban meghosszabbítjuk, egy nyújtott polipeptidláncot, fibrilláris (szálas szerkezetű) molekulát kapunk. A hidrogénhíd-kötések akkor alakulhatnak ki, ha két lánc fekszik egymás mellett. Az ilyen modell azonban az oldalláncok számára túl kevés helyet biztosít. Ezért Pauling csekély korrekciót alkalmazott, s a sík „peptidrács”-ot harmonikaszerűen redőzte (6.ábra). Ezáltal az oldalláncok közel merőlegesen állnak. A modellt redőzött lemezstruktúrának nevezzük. A fibrilláris proteinek egy részében ez a szerkezet ismerhető fel. A redőzött modell előnye, hogy egyrészt tekintetbe veszi azokat a kísérleti tényeket, amelyek szerint az identitási periódus 5-10%-kal rövidebb, mint ami a nyújtott láncból számítható, másrészt pedig az oldalláncok számára elegendő teret biztosít. A síkok rendeződésével az is lehetővé válik, hogy az azonos irányú peptidláncok hidrogénkötései kialakulhassanak. Számolnunk kell tehát kétféle redőzött struktúra (egy azonos futású, paralel, és egy ellentétesen futó „antiparalel” lánc) létezésével.

A redőzött struktúrákban vagy „peptidrácsokban” a hidrogénhíd-kötések különálló láncok között alakulnak ki. Bizonyos esetekben azonban jobban tükrözi a szerkezetet egy olyan modell, amelyben ezek a kötések azonos molekulán belül jönnek létre. Ez akkor valósulhat meg, ha a peptidláncot egy henger körül oly módon csavarjuk fel, hogy menetről menetre a CO- és az NH-csoportok megfelelő távolságban egymással szembe kerüljenek. Ezen az elven többféle modell is lehetséges.

A természetben igen elterjedt az α-spirál, amelyben menetenként 3,7 aminosavgyök foglal helyet, és az azonossági periódusa mintegy 5,44 Å. Az α-spirál megszerkesztésekor természetesen figyelembe kell venni, hogy a peptidcsoportok síkban fekszenek és csupán az α-C-atomon van szabad forgás, tehát itt fordulhat el a lánc. A metszéspontokban a CO- és az NH-csoportok a hidrogénhíd-kötés távolságában (vagyis 2,8 Å távolságban) állnak szemben egymással. Minden aminosavgyök a henger tengelyének irányában 1,47 Å előrehaladást jelent. A hidrogénhíd kötések az egyes menetek között alakulnak ki, és ez az α-spirálnak különleges stabilitást biztosít.

Oldalláncok a spirálon (amely jobb és bal menetű csavarként egyaránt felépíthető) a tulajdonképpeni csavartesttől kifelé irányulnak, ezek egymással vagy az oldószerrel reakcióba léphetnek. Az aminosavak közül a prolin a spirálba nem illeszthető be. Ott, ahol az aminosavszekvenciában prolin fordul elő, a szabályszerű szerkezettől eltérés jelentkezik. A fehérjék fent ismertetett térbeli elrendeződését , a redőzöttséget és az α-spirál-szerkezetet a peptidkötések atomjai közötti hidrogénhidak rögzítik.

A proteinmolekulák térbeli alakját tovább vizsgálva azt mondhatjuk, hogy a lánc meghatározott módon „redőzött”. Valószínű, hogy a redőzöttségnek ezt a módját már az aminosavszekvencia meghatározza. A redőzés nem véletlenszerűen jön létre, hanem a peptidlánc különböző szakaszai között fellépő kötési erők következménye. Amíg ez magát a láncot, vagyis a peptidkötés atomjait érinti, másodlagos szerkezetről beszélünk.

A globuláris (gombolyag alakú) fehérjékben ezzel szemben az oldalláncok funkciós csoportjai felelősek a meghatározott redőkért. A 7. ábrán az oldalláncok között kialakuló kötésfajták láthatóak. Az így kialakuló alakzatok a fehérjék harmadlagos szerkezetét határozzák meg.

7. ábra. Az oldalláncok között kialakuló kötésfajták

Diszulfidkötések: Az aminosav-oldalláncok között létrejövő legfontosabb kovalens kötés a diszulfidkötés, amely két cisztein-SH csoport között hidrogénleadás következtében alakul ki. A legtöbb, eddig megismert fehérjében mindenkor megtalálhatók az egymással meghatározott módon kapcsolódó ciszteingyökök.

Ionos kötések: Létrejöhetnek pozitív töltésű csoportok (lizin és arginin, kisebb mértékben a hisztidin) oldalláncai és negatív csoportok (glutaminsav és aszparaginsav oldalláncainak COO^- gyökei) között.

Hidrogénhíd-kötések: A legfontosabb nem kovalens kötések, amelyek a fehérjemolekula konformációját biztosítják. Egy karbonil gyök és az NH- vagy OH-csoport protonja között alakul ki kölcsönhatás, ha ezek mintegy 2,8 Å távolságba kerülnek egymáshoz. A hidrogénhíd-kötés kötési energiája a kovalens kötésnek csupán mintegy 1/10-ed része. Minthogy azonban a fehérjemolekulában nagyszámú hidrogénhíd kötés alakul ki, a hidrogénhíd kötések kötési energiája mégis igen jelentős.

Diszperziós kötések (hidrofób kötések): A nem kovalens kötéseknek egy másik, hasonlóképpen fontos fajtája azáltal jön létre, hogy a szénhidrogén típusú funkcionális csoportok (mindenekelőtt a valin, leucin, izo-leucin és a fenil-alanin oldalláncai) egymáshoz igen közel kerülnek. Ilyen esetben hasonló erők lépnek fel, mint amelyek bizonyos kristályokban a molekulát összetartják, egyidejűleg pedig a vízmolekulák ezekről a területekről kiszorulnak. Durva analógiával hasonló ahhoz, mint amikor két kicsiny olajcsepp egy nagyobb cseppé egyesül. A hidrofób kötések elsősorban a fehérjemolekulák belsejében fejtik ki hatásukat.

A fehérjék negyedleges (kvaterner) szerkezete

Az oldott fehérjék, különösen az enzimfehérjék molekulasúlya 70 000-től több százezerig terjedhet. A fehérjék az esetek nagy részében több peptidláncból (alegységekből) tevődnek össze, melyek némelykor diszulfidhidakkal, többnyire azonban csupán gyenge kölcsönhatásokkal kapcsolódnak össze. Azt a módot, amellyel a teljes molekula az alegységekből összetevődik, negyedleges szerkezetnek nevezzük. A kvaterner struktúra kialakulását a 8. ábra szemlélteti.

8. ábra. A negyedleges szerkezet kialakulása

Az alegységekből összetett fehérjék – különösen az enzimek – teljes szerkezetének konformációját kis molekulasúlyú anyagok gyakran megváltoztatják; ezt a jelenséget alloszterius hatásnak nevezzük. Különösen jól tanulmányozott példája ennek a hemoglobinkonformáció változása O₂-felvétel esetén. A hemoglobin deoxi-formája a 9. ábrán, oxi-formája pedig a 10. ábrán látható. Az alloszterikus hatások elsősorban enzimeknél fontosak. Az alloszterikus átalakulások több tekintetben a korábbi „konformációs izoméria” elképzelésnek felelnek meg, amely szerint egy és ugyanazon peptidlánc a térben különféle görbületekkel fordulhat elő. Ezek a változatos redőzött módosulatok önmagukban stabilisak lehetnek és különféle biológiai tulajdonságokkal járhatnak együtt. Valószínű azonban, hogy a különféle konformációkat csak a járulékosan megkötött molekulák stabilizálják.

9. ábra. A hemoglobin deoxi-formája

10. ábra. A hemoglobin oxi-formája

A fehérjék denaturációja

Hő hatására csaknem az összes oldható fehérje koagulál, ez különösen gyengén savas oldatokban figyelhető meg. A jelenség a „denaturálás”-nak gyakori (de általában nem szükségszerűen bekövetkező) ismertető jele. A denaturálás során a fehérje szerkezetében változások jönnek létre, és ezzel egyidejűleg biológiai tulajdonságai is (pl. enzimatikus vagy hormonhatás) elvesznek. Oldhatósága erősen csökken, és a kémiai-fizikai tulajdonságai is megváltoznak. Meghatározott feltételek között a denaturálás reverzibilisen is előidézhető (11. ábra), többnyire azonban irreverzibilis.

11. ábra. Fehérje reverzibilis denaturációja

Nagy számú denaturáló hatású anyag ismeretes, ezekhez tartoznak a savak, a lúgok, az organikus oldószerek, a koncentrált urea- (karbamid) és guanidinoldat, az aromás savak, mint a szalicilsav és detergensek, mint a dodecilszulfát. Nem minden fehérje egyformán érzékeny a denaturálószerekkel vagy a fizikai behatásokkal, pl. hő- vagy sugárkezeléssel szemben, és az érzékenység különböző módon függ a pH-tól, a sótartalomtól stb. is.

A denaturálás voltaképpen a nagyobb rendezettségű állapotból a rendezetlen felé való átmenetnek felel meg. Ez többek között a nagymértékű pozitív entrópiaváltozással is bizonyítható. A denaturáció erősen endoterm folyamat, azonban bizonyos kritikus hőmérsékleten felül mégis exergonikus folyamat.

A jelenség ily módon az olvadás folyamatának felel meg, és ez az analógia nem csupán felszínes. Mint ahogyan az olvadás esetében a kristály térrácsa összeomlik, a denaturálásnál éppen úgy bomlanak fel a gyenge kötőerők, amelyek a globuláris fehérjéket a natív konformációban stabilizálják. A peptidláncok legombolyodnak és a láncok között tisztán véletlenszerűen alakulnak ki gyenge kötések, miáltal a fehérje oldhatatlanná válik. Másrészt számos csoport (pl. SH-csoport vagy tirozingyök), amely előzetesen a molekula belsejében rejtve és „maszkírozva” volt, most kifelé fordul és reakcióképessé válik. A denaturált fehérjéket a proteáz enzimek könnyebben támadják meg, mint a natív proteineket.

A fehérjék molekulatömege

Az előző fejezetek alapján világossá válik, hogy a fehérjemolekula fogalma nehezen definiálható. Egyszerű a probléma, ha a fehérje csak egy polipeptidláncból áll, de bonyolultabb a helyzet az oligomer felépítésű fehérjéknél. Ezen utóbbiak többsége neutrális pH-n, kis ionerősség mellett egységes molekuláknak mutatkozik, a körülmények megváltozása (alacsony vagy magas pH-n, tömény karbamid, detergensek) esetén azonban kisebb egységekre disszociál.

A molekulatömeg meghatározásának többféle módszere ismert. A fehérjék molekulatömegét az M_r relatívmolekulatömeg-értékkel jellemezzük, ami viszonyszám, ezért dimenziómentes. Azt jelenti, hogy az illető fehérje tömege hányszorosa a molekulatömeg-számítás alapját képező ¹²C tömege 1/12-ed részének. A molekulatömeget meghatározó módszerek csak hozzávetőleges eredményt adnak. Pontos értéket csak akkor kaphatunk, ha megismerjük a fehérje aminosav-sorrendjét és az aminosavak molekulatömegének segítségével kiszámoljuk a fehérje pontos M_r-értékét.

A fehérjék oldhatósága

Az egyes fehérjék oldhatóságában jelentős eltérések mutatkoznak, amelyek egyrészt a hidrofil és a hidrofób csoportok eltérő számából és térbeli elrendeződéséből, másrészt a molekula nagyságából, alakjából és az oldószer minőségéből adódnak. Az oldhatóság alapján megkülönböztetünk oldódó és nem oldódó, csak duzzadó fehérjéket. A fehérjék csak poláros oldószerekben oldódnak, mint pl. a víz, a glicerin, a hangyasav. Az oldódás azáltal következik be, hogy az oldószer-molekula jellegzetes kölcsönhatást alakít ki a fehérjével. Ehhez szükséges az, hogy kellő számú poláros csoport legyen a fehérjemolekulában; a molekulában lévő diszulfidhidak viszont az oldhatóságot jelentős mértékben csökkentik, ami magyarázza, hogy miért nem oldódnak a viszonylag nagy kéntartalmú fehérjék. Duzzadási folyamat indulhat meg olyan fehérjéknél, amelyekben sok szabad karboxil- és aminocsoport található, ezekhez ugyanis a poláros oldószerek elektrosztatikus kötőerőkkel kapcsolódhatnak. Az oldószer ionerősségének növelésével az oldhatóság nő. Semleges sók kis koncentrációban növelik az oldhatóságot, azonban egy meghatározott koncentráción túl az oldhatóság csökken, és bekövetkezhet a fehérje kicsapódása.

A fehérjék elektrokémiai tulajdonságai

A fehérjék elektrokémiai tulajdonságait a felépítő aminosavak hasonló karaktere határozza meg, ezért a fehérjék amfoter jellegűek. Poliionoknak tekinthetők, amelyek töltésjellegét és mennyiségét a rendszer pH-ja jelentősen befolyásolja. Izoelektromos pontnak azt a pH-t nevezzük, ahol a pozitív és negatív töltések száma azonos, tehát a fehérje semleges molekulának tekinthető. Ezen a pH-n a fehérjék elektromos erőtérben sem a pozitív, sem a negatív pólus felé nem mozdulnak el. Az izoelektromos ponton a legkisebb a fehérje oldhatósága, legnagyobb a kicsapódási hajlama, a kisózódási és a kristályosodási lehetősége. A fehérjeoldatok viszkozitása az izoelektromos ponton a legkisebb.

Felhasznált irodalom:

P. Karlson, Biokémia, Medicina Könyvkiadó, Budapest (1972)

J. Csapó, Zs. Kiss, Tej és tejtermékek a táplálkozásban, Mezőgazda kiadó (2002)