I. Bevezetés

Amikor egy matematikai feladat megoldásával foglalatoskodunk, vagy egy vágtató ló mozgásának szépségében gyönyörködünk, ritkán gondolunk a fehérjékre. Ritkán gondolunk arra, hogy ezeknek a komplex életjelenségeknek a hátterében egy molekuláris szintű mikrovilág összehangolt eseményei zajlanak, s e mikrovilág meghatározó szereplői a fehérjék. Amikor levegőt veszünk, tüdőnkben az oxigént egy fehérje, a hemoglobin köti meg, s szállítja a szövetekhez, hogy átadja tárolásra egy másik fehérjének, a mioglobinnak. Amikor felemelem a kezem, egy elektromos jel, idegimpulzus hatására fehérjeszálak (aktomiozin) siklanak egymásba, miközben az ATP pirofoszfát kötésének energiáját alakítják át mechanikai munkává.
Animáció ^|1}| : Mozgás - Izom - Rostok - Fehérjék
Animáció ^|2}| : Vérünkben az oxigént fehérjék szállítják
Animáció ^|3}| : Mozgás - egymáson elcsúszó fehérje szálak

Amikor a 60-as években frissen végzett atomfizikusként arra adtam a fejem, hogy biológiával foglalkozzam, az a vélekedés vezérelt, hogy eljött a fizikusok ideje az élettudományban. Ekkor születtek az első atomi felbontású röntgen-diffrakciós munkák, amelyek lehetővé tették a biológiai makromolekulák, közöttük a fehérjék térszerkezetének meghatározását. Egyszerűnek tűnt a dolog: ha van pontos atomi szerkezet, akkor gyerekjáték a funkció levezetése és megértése. Voltak ugyan gyanakvásaim az ügy egyszerűségét illetően, hiszen fizikusként éreztem, hogy a merev statikus molekulamodellek mégoly jó felbontás mellett sem igazán adják vissza a molekulák hőmozgás hajtotta nyüzsgő, dinamikus világának sajátságait. Ebben a kételyemben csak megerősítettek Straub Brúnóval (1. ábra) folytatott beszélgetéseim. E beszélgetések inspirálták az enzimműködés klasszikus fischeri kulcs-zár modell helyett az ún. fluktuációs fit modell megszületését, amely a nagy enzimmolekula és a kis szubsztrátum kapcsolódását két dinamikus atomhalmaz kölcsönös illeszkedéseként fogta fel.
Animáció ^|4}| : A térszerkezet fluktuál
Animáció ^|5}| : A felismerés dinamikus folyamat

De ne vágjunk a dolgok elébe. Mielőtt a fehérjék működésének és az élet komplex jelenségeiben játszott szerepének részleteit elemeznénk, ismerkedjünk meg a fehérjék felépítésével.

II. Miként épülnek fel atomokból a fehérjék óriásmolekulái?

A fehérjék óriásmolekulák, alakra, felszíni tagoltságra nézve nagyon változatosak.

 

 

 

Kémiai szempontból akár unalmasnak is nevezhetnénk őket, mindegyik 20 féle aminosavból felépülő hosszú szénlánc, el nem ágazó, viszonylag rövid oldalláncokkal (3. ábra). Nagyon hasonló például a nejlon molekulája is. Mégis nejlonszálból legfeljebb harisnyát, fehérjékből viszont akár karcsú női lábat is lehet formázni. Hát ez az a különbség, ami a fizikusokat mindenek előtt foglalkoztatja. Miként lesz ugyanazokból az atomokból, azonos elvek alapján, nagyjából azonos kölcsönhatások révén élő, mozgó, önreprodukáló izgalmas rendszer vagy élettelen használati tárgy.

Animáció ^|6}| : A polipeptidlánc sajátosságai az oldalláncoktól függenek

Az nyilvánvaló, hogy az élet mint jelenség elválaszthatatlan az anyagtól, miként a mosoly sem választható el az arctól. De miként lesz C-, N-, O-, H-, S-atomokból fehérje, nukleinsav, s miként lesz ezekből sejt, szövet és Albert Einstein?
 
Animáció ^|7}| : Az anyag szerveződése

Az egyszerű válasz erre a kérdésre, hogy az a mód, a tervrajz a döntő, ami szerint ezeket az atomokat egymás mellé helyezzük. De ismerjük-e ezt a leírást a rendszer felépítésére? A természettudományos vizsgálódás, különösen a biokémia egyik kedvelt módszere a rombolás, a dolgok ízekre szedése, majd az egyszerű részletek alapos vizsgálata. Vágunk, homogenizálunk, elválasztunk, feloldunk, átkristályosítunk mindent, amit csak lehet, majd a részletekben keressük a lényeget, s csodálkozunk, ha nem találjuk. Gyermekkoromban én is mindent szétszedtem, órát, rádiót, később az autóimat. Ma már inkább arra törekszem, hogy a dolgokat összerakjam, s erre törekednék a tudományban is. Nézzük tehát, össze tudunk-e rakni atomokból, fizikai elvek és kölcsönhatások alapján, működőképes fehérjéket, majd abból sejteket, s ezekből teljes értékű élő egyedeket. Ehhez a kirakójátékhoz sok kellékre van szükség.

III. A víz szerepe

Mindenekelőtt vizsgáljuk meg, hogy melyek azok az anyagok és körülmények, amelyek elengedhetetlenek az élet jelenségeihez. A már felsorolt elemeken kívül egy fontos dologgal kell kezdenünk: ez a folyékony víz. És itt érdemes elidőznünk egy keveset. Mai ismereteink szerint ott lehetséges élet, ahol van cseppfolyós víz. Ez a feltétel rögtön a nyomás- és hőmérsékletviszonyokat is szigorúan behatárolja.

Ha alaposan szemügyre vesszük a vízmolekulát, láthatjuk, hogy legfőbb sajátsága, hogy poláros molekula, vagyis a + és - töltések súlypontja nem esik egybe.
Animáció ^|8}| : A víz különleges molekula

Ennek következménye, hogy önmagával és más poláros molekulákkal képes viszonylag gyenge, könnyen felhasítható, de nem elhanyagolható kötéseket képezni. Ez a hidrogénkötés, melynek irányultsága van, és nagyobb számban jelentős stabilizáló hatása. A hidrogénkötésnek köszönhető például a kapilláris jelenség, a nedvesítő hatás és a felületi feszültség (4. ábra).

Az is fontos, hogy a víz a szénhidrogénekkel nem elegyedik, az olaj a vízben cseppeket formál. Ennek a jelenségnek is szerepe van a fehérjék szerkezetének formálásában.

IV. A fehérjék térszerkezetét másodlagos kötések alakítják

Vegyük sorra azokat a fizikai erőket és kölcsönhatásokat, amelyek meghatározzák egy fehérjemolekula térszerkezetét, kölcsönhatásait más molekulákkal, és ezen keresztül funkcionális tulajdonságait. A táblázat mutatja ezeket a kölcsönhatásokat és a kötési energiákat (6. ábra).

Mai értelmezésünk szerint a komplex biológiai rendszerek, például egy sejt alkotóelemei, sokrétű bonyolult és dinamikus kölcsönhatásban vannak egymással, s ezek a kölcsönhatások elektromágneses természetűek, elsősorban Coulomb-erőkre vezethetőek vissza (7. ábra). Ismét hangsúlyozni kell, hogy a fehérjék mindig vizes közegben működnek, s maguk is jelentős mennyiségű, 20-70 %-nyi, felszínükön és üregeikben kötött vizet tartalmaznak (8. ábra). Ezen hidrátburok vízmolekulái integráns részét képezik a térszerkezetnek, s elengedhetetlenek a működéshez. A fehérjék különleges képessége, szerkezeti és funkcionális sokoldalúsága elsősorban annak tulajdonítható, hogy szemben a szilárd anyagokkal, amelyeket főként erős kovalens és ionos kötések tartanak egyben, és a folyadékokkal, amelyeknek részecskéi között gyenge másodlagos kötések hatnak, a fehérjékben e két kötéstípus kombinációjával találkozunk. Egy "semmire sem jó" aminosavoldatot a sejt fehérjéitől az különbözteti meg, hogy a sejt működési körülményei között az aminosavak kovalens kötéssel, eltéphetetlenül, adott sorrendben láncba vannak rendezve. Ez a polipeptidlánc korlátozott flexibilitással rendelkezik, ami lehetővé teszi a térbeli gombolyodást, felcsavarodást, a lánc nem szomszédos oldalláncainak közelkerülését (9. ábra).

 

A nem-kovalens kötések közeli molekulák és molekularészletek közötti töltés-kölcsönhatások következményei. Egyenként kicsiny stabilizációs energiát jelentenek. Az élettel összeegyeztethető hőmérsékleten, a hőmozgás következtében könnyen felhasadnak, de nagy számuk és együttműködő, kooperatív természetük miatt együttesen jelentős szerkezetrögzítő, stabilizáló hatást jelentenek. Az ilyen részben kovalens, részben másodlagos kötésekkel stabilizált szerkezetek, a fehérjék sok különleges, az élettelen világban ritka tulajdonsággal rendelkeznek. Legfontosabb sajátságuk, hogy miközben jól definiált szerkezettel rendelkeznek, az óriásmolekulát alkotó atomhalmaz állandó, a hőmozgás által hajtott dinamikus fluktuációban van. Ennek folytán a térszerkezet nagyfokú flexibilitással is rendelkezik, könnyen képez komplexet egy nagyjából komplementer felülettel (egy másik, bonyolult makromolekulával), a kölcsönös adaptáció lehetősége révén.
Animáció ^|9}| : A felismerés alapja a mintázat és a töltéseloszlás

Két fehérje specifikus összekapcsolódása sokkal inkább hasonlít egy kézfogásra, mint a kulcs zárba helyezésére. Ez a tulajdonság az alapja annak, hogy az egyes fehérjék felszínének szinte végtelen változatosságú mintázata hatékonyan felismeri és szorosan, de visszafordíthatóan megköti a célmolekulákat.

A laboratóriumban képesek vagyunk aminosavakat szintetizálni, amelyek C-, N-, H-, O- és S-atomokból állnak Az aminosavakat polipeptidlánccá egyesíthetjük. A természetben 20 különböző aminosavból épülnek fel a fehérjék (3. ábra). Ennek az aminosavkészletnek az a legfontosabb sajátossága, hogy az oldalláncaik szinte minden fizikai és kémiai tulajdonságot megtestesítenek, amivel ilyenféle vegyületek rendelkezhetnek. Van közöttük kicsi és nagy, töltött és semleges, gyűrűs és lineáris, poláros és víztaszító. A polipeptidlánc az esetek többségében vízben oldható. E polimerlánc még semmilyen rendkívüli tulajdonsággal nem rendelkezik azok közül, amelyeket egy működő fehérjétől elvárhatunk. Ha jól tervezzük meg a láncot, akkor lesz egy fontos sajátsága: vizes közegben tömör gombolyaggá tekeredik fel. Ha jó a terv, akkor egy és csakis egy tömör szerkezet alakul ki. Ez a jelenség a fizika törvényei alapján megérthető és megjósolható. A lánc felveszi az energetikailag legstabilisabb szerkezetet. A víztaszító oldalláncok egymással, a polárosak a vízzel keresnek kapcsolatot.

Nem könnyű ilyen aminosavsorrendet tervezni, nem is nagyon tudunk - egyelőre. A természet viszont kiügyeskedte a jó szerkezeteket. Ennek az egyedi szekvenciának hatalmas előnyei vannak:

1. egyedi térszerkezet, egyedi felületi mintázat, ami megfelel a későbbi funkciónak;
2. önálló szerveződési képesség;
3. viszonylagos stabilitás;
4. szerkezeti flexibilitás.

Nézzük, hogy miért hasznosak ezek a tulajdonságok.

V. Az önszerveződés képessége

Az élővilág egyik leglenyűgözőbb képessége az önszerveződés. Ez megjelenik molekuláris szinten is. A fehérjék mint lineáris polipeptidláncok szintetizálódnak a sejtekben, s természetes környezetükben azonnal, általában a másodperc ezred része alatt felveszik azt az egyetlen szerkezetet, konformációt, amely képes az adott fehérjéhez rendelt funkció betöltésére.

Az atomok spontán rendeződése nem ismeretlen az élettelen világban sem, gondoljunk csak a kristályképződésre. A különbség és a különlegesség abban rejlik, hogy a fehérjék esetén heterogén, elemeiben különböző rendszer rendeződéséről van szó, ami bonyolultsága miatt a fizika eszközeivel, egzakt módon nem tárgyalható.

Érintőlegesen említettem már, hogy a polipeptidlánc feltekeredése, ha csak kombinatorikai szempontokat veszünk is figyelembe, szinte lehetetlen feladat próbálkozás útján. Még ha egy kisméretű, 100 aminosavból álló fehérje esetét tekintjük is, ha egy oldallánc például csak ötféle helyzetet vehet fel, akkor is 5¹⁰⁰ = 10⁷⁰ számú lehetséges szerkezetet kellene kipróbálni. Ha a lehetséges leggyorsabb konformációs mozgásokat tételezzük fel, egy helyzet kipróbálása 10^-12 másodpercet vesz igénybe, tehát 10⁵⁸ másodpercre volna szükségünk, ami messze meghaladja a világmindenség feltételezett 15 milliárd éves korát, vagyis ez az út járhatatlan (10. ábra). 

Arra a következtetésre juthatunk, hogy a polipeptidlánc aminosavsorrendjében nem csak a végleges térszerkezet, hanem a szerkezet kialakításának útja is kódolva van. Kísérleti munkák és elméleti megfontolások segítségével ma már van vázlatos képünk a fehérjék autonóm felgombolyodási mechanizmusáról. A folyamat első lépéseit a polipeptidlánc apoláros (szénhidrogén jellegű) oldalláncainak az a törekvése hajtja, hogy vizes közegben egymás közvetlen közelébe kerüljenek. Hasonló jelenség ez, mint amikor salátakészítéskor ecetet olajjal keverünk, s az olaj finom cseppecskéket formál. Ezt a jelenséget hidrofób kollapszusnak nevezzük. A laza gombolyagban azután az oldalláncok a hőmozgás okozta "nyüzsgés" réven könnyen megtalálják végleges, sztereokémiailag lehetséges és energetikailag optimális pozíciójukat. Az atomok és atomcsoportok, valamint vízmolekulák sajátságaiból, az elemi fizikai kölcsönhatások segítségével értelmezhető a natív fehérjék felcsavarodásának mechanizmusa.

Hangsúlyozni szeretném, hogy a lényeget értjük, de a részleteket nem ismerjük. Mivel a folyamatokat több tízezer atom elektronfelhőjének bonyolult kölcsönhatásrendszere vezérli, a rendszer komplexitása olyan mértékű, amelyet sem számítógépes modellezéssel, sem számításokkal nem tudunk követni. Ezért van az, hogy ma még nem tudunk ab initio fehérjét tervezni, vagyis olyan polipeptidláncot, amely képes előre eltervezett térbeli szerkezetbe rendeződni. Ám a fehérjetervezésben mégsem vagyunk teljesen tehetetlenek.

VI. Fehérjetervezés

A modern biotechnológia sokat tanult a természettől, tudunk már kedvünk szerint fehérjéket gyártani a génsebészet segítségével. Ebben az esetben a DNS-ben kódolt tervrajzokat használjuk, s a természetben előforduló fehérjéket a tervrajz szintjén kisebb-nagyobb módosításoknak vethetjük alá. Főként olyan módosításoknak van tere, ahol a felszínen vagy a felszíni üregekben lévő oldalláncokat változtatjuk meg. Ennek folytán éppen a funkcióba tudunk változást előidézni, megváltoztatjuk egy enzim specificitását, vagy a kötőfelszín átalakításával egy kívánt anyag felismerésére tesszük a fehérjét alkalmassá.

Az immunrendszer hasító enzimei jelen vannak a szövetekben, de csak veszély esetén van rájuk szükség. Ezért egy másik fehérje nagyon specifikusan gátolja például a C1r-nek nevezett proteázt. Egyébként a saját szövetben is kár esne, amint történik ez autoimmun betegségekben. Ha a gátló fehérje úgynevezett aktív centrumában egy aminosav-oldalláncot másikra cserélünk, akkor egy másik fontos enzim, a kimotripszin aktivitását fogja blokkolni.

Egy másik érdekes példa a fehérjék áttervezésére a hőstabilitás megnövelésére. A biotechnológia számos esetben használ enzimeket. Példa erre a környezetkímélő cellulózfehérítés a papíriparban. Ezt a folyamatot célszerű magas hőmérsékleten végezni. A rendelkezésre álló bakteriális xilanáz-enzimek többsége magas hőmérsékleten elveszíti szerkezetét, denaturálódik. A fehérjék áttervezésével segíthetünk ezen, olyan módon, hogy a hőtűrő mikroorganizmusok fehérjéjében megfigyelt szabályszerűségeket alkalmazva tervezünk enzimeket.

Egyes medúzák zöld színű fluoreszcens fényt bocsátanak ki. Ennek forrása egy fehérje; egy aminosav kicserélésével a kibocsátott fény színét kékre változtathatjuk.

A fehérjék világában, miként a gyáriparban, általános a moduláris építkezés. Egész fehérjecsaládok fejlődtek ki, amelyek már bevált szerkezeti egységeket alkalmaznak különböző kombinációkban (14. ábra). Ilyenek például a moduláris szerin proteázok. Ezeknek általában az a dolga, hogy az immunrendszerben, vagy a véralvadásban egy jól megválasztott helyen egy kiszemelt célfehérjét elhasítsanak (11. ábra). Ezt úgy érik el, hogy tartalmaznak kötő modulokat, amelyek az "ollót" pozícionálják, és tartalmazzák az ollót, magát a hasítást végző modult.

A fehérjetervezésnek az is egy bevált útja, amikor különböző fehérjékből származó modulokat a DNS szintjén sorba rendezünk, majd például baktériumsejtekkel termeltetjük az új, ún. kiméra fehérjét (12. ábra). Ezzel egy kijelölt helyre általunk megválasztott enzimatikus funkciót vihetünk. Az ilyen rendszer alkalmas lehet gyógyszerek célba juttatására.

VII. További önszerveződés

Az autonóm felgombolyodással nem ér véget a fehérjék önszerveződésének lehetősége. A kész fehérjék - éppen egyedi, tervezett és bonyolult felszíni mintázatuk és nem-kovalens kötés-képző természetük révén- képesek egymással és más molekulákkal komplexeket, sőt bonyolult szerkezetű egységeket, végső soron egy élő sejtet képezni.

A sejteket membránok választják el a külvilágtól, s a sejten belül is számos membrán található, akár a falak egy lakásban (13 ábra). A membránok többsége foszfolipid-molekulákból és fehérjékből áll. A membránba ágyazott fehérjék külön előadást érdemelnének. Ejtsünk azért róluk is néhány szót. A fizikus szemével egyáltalán nem meglepő az a sokoldalúság, ami a fehérjéket mint molekulacsaládot jellemzi. Mivel a felszínre akár poláros, akár apoláros csoportokat tervezhetünk, a fehérjék megtalálják a helyüket a poláros vizes közegben, más esetben meg éppen az apoláros foszfolipid-membrán belsejébe kívánkoznak. A tervezett polaritás segítségével minden fehérje megtalálja a helyét a sejtben: egyik lehorgonyoz a riboszómában, másik a membránban, harmadik úszkál a citoplazmában. Érdekes logikai sort látunk tehát: aminosavsorrend - térszerkezet - felszíni mintázat - sejten belüli elhelyezkedés - funkció. Olyan ez, mintha egy televíziógyárba bevinnénk a drótokat, lemezeket, lapkákat s egyéb alkatrészeket, összeráznánk őket, és ezek összeállnának kész, működő tévékészülékké. Nagyon imponáló. 

Hogy a jelenség bonyolultságába és csodájába betekinthessünk, az alábbi animáción megmutatom, miként szerveződik ostorrá és azt mozgató, proton hajtotta motorrá a szalmonella-baktériumban szintetizált polipeptidláncok készlete.

Animáció ^|10}| : A baktériumok ostorainak önszerveződése

VIII. Szerkezeti fehérjék

Minden működés alapja a szerkezet - vallja a fizikus -, s tudjuk, hogy az élő szervezetek struktúráját, tartását elsősorban fehérjék biztosítják. Az egyik legfontosabb szerkezeti fehérje, a kollagén hosszú rugalmas szálakat alkot, amelyeknek szakító szilárdsága az acéléval vetekszik. S a kiváló mechanikai tulajdonságok egyenesen következnek a molekula kénhidakkal megerősített hármas spirális szerkezetéből.

A kollagén az emberi test fehérjéinek 30 %-át teszi ki. Ezek a szálak rugalmasak és hajlékonyak, de a nyújtásnak ellenállnak. A kollagénnek köszönhetjük szöveteink mechanikai ellenállóképességét. A szövetek rugalmasságát egy másik fonalas fehérjéből, az elasztinból felépülő szálak biztosítják. Sokféle szerkezeti fehérjével találkozhatunk a természetben. Ilyen a hajat alkotó keratin, de fehérjemolekulákból áll a gyapjú, a pókháló, a páva tollazata vagy a selyem is (14. ábra). Ezeknek a szerkezeti fehérjéknek különleges mechanikai tulajdonságai vannak, s ezek egyértelműen levezethetőek e molekulák térszerkezetéből. S ennél a megállapításnál érdemes újra elidőzni, és megvizsgálni, milyen fizikai tulajdonság tesz egy "semmi különös" lineáris polimerláncot olyan egyetemes építőanyaggá, amely változatos és sokszor ellentétes követelményeknek is jobban eleget tesz, mint bármilyen eddig ismert szerkezeti anyag.

A fehérjék esetében a lenyűgöző a sokoldalúság. A fehérjealapú szerkezetek lehetnek rugalmasak és szilárdak, lemezesek és fonalasak, átjárhatóak és elválasztóak. A titok nyitja azokban a fizikai kölcsönhatásokban van, amelyek vizes környezetben térbeli szerkezetbe rendezik a lineáris láncot. Idézzük vissza az aminosav-oldalláncok tulajdonságait: kicsik és nagyok, gyűrűsek és lineárisak, + vagy - töltést hordoznak, esetleg semlegesek, polárosak vagy apolárosak. Ha belegondolunk, nem egyszerű kombinatorikai feladat egy hosszú elágazó láncot úgy felgombolyítani (16. ábra), hogy annak minden ága-boga illeszkedjék a többihez, jól kitöltse a teret, és még energetikailag is kedvező, stabilis állapotot eredményezzen. E kérdés polimer-statisztikai elemzéséért a Flory 1974-ben kémiai Nobel-díjat kapott.

A feladat olyan nehéz, hogy véletlenszerűen szintetizált, kisebb fehérjeméretű, 100 aminosavból álló, polipeptidlánc esetén a siker valószínűsége közel van a nullához, már akkor is, ha csak a térbeli korlátokat vesszük figyelembe, s nem törődünk az ennél sokkal súlyosabb és komplexebb energetikai feltételek teljesítésével. Nyilvánvaló, hogy a láncot tervezni kell. Ez történik az élővilágban: a tervrajz a génekben, a DNS-ben van rögzítve. A "gondos" tervezés eredményeként jelentkeznek a fehérjék esetében olyan tulajdonságok, amelyekkel az anyag semmilyen más megjelenési formája nem rendelkezik. A már említett és meghatározó sajátság az önszerveződés képessége: megfelelő, vizes közegben például a sejtben a polipeptidlánc spontán módon felveszi egyedi, térkitöltő szerkezetét, működőképes fehérjévé szerveződik. Kialakul az a bonyolult felszíni mintázat és töltéseloszlás, ami minden más fehérjétől megkülönbözteti, s lehetővé teszi a sejt komplex, funkcionális környezetébe történő beilleszkedést. A másodlagos kötések együttesen biztosítják a térszerkezet stabilitását, s mivel ezek a másodlagos kötések egyenként, szobahőmérsékleten könnyen felszakadnak, a működéshez elengedhetetlen flexibilitást.

Animáció ^|11}| : Sok gyenge kötés összhatása - fehérje-térszerkezet

Az immunrendszer fehérjéi jó példái e tulajdonságok hasznosulásának.

IX. Szervezetünk védelmezői - az immunrendszer fehérjéi

A szervezet nagy számban termel különböző specificitású immunglobulin- vagy más szóval ellenanyag-molekulákat (17. ábra). Ezek egymáshoz nagyon hasonló szerkezetű fehérjék, de különböznek egymástól az ún. felismerő hely mintázatában. Egy-egy mintázat alkalmas valamely, a szervezet számára káros behatoló, például baktérium felismerésére és megjelölésére. A jelölés alapján azután, fehérjék egész hadrendjének mozgósításával, a szervezet megsemmisíti a behatolót.

Animáció ^|12}| : Az immunrendszer fehérjéi - a szervezet véd hadserege

Az immunrendszer fehérjéinek együttműködése a fehérjék kivételes képességeinek egész sorára szolgáltat példát. A védekezés első lépése a felismerés, ezt követi a megjelölés, vagyis szoros, nem-kovalens összekapcsolódás. Ezen a szinten célszerű sok különböző kötőhelyet alkalmazni, hogy a támadók minden változatára legyen válasz. A jel további feldolgozását és a megsemmisítés lépéseit viszont célszerű egységesíteni. Ezt teszik a komplement-rendszer fehérjéi. A megjelölt kórokozó sejt membránján egymást felismerve, lépésről lépésre aktiválják a hasító enzimeket, proteázokat, újabb és újabb aktivitásokat szabadítva fel, s végül egy gyűrű alakú fehérjekomplex lyukat hasít a kórokozó membránjába, és így elpusztítja.

X. Enzimek - molekuláris "nanogépek"

Az immunrendszer működéséből vett példa azt is megmutatta, hogy a fehérjék többsége nagyon speciális feladatokat lát el nagyon hatékonyan. A komplement-rendszerben például több mint 30 fehérje, illetve enzim összehangolt akciója vezet a támadó sejt perforálásához. A fehérjék szoros együttműködésének sok példáját lehet felhozni az anyagcsere folyamatokat katalizáló enzimek köréből. Vegyük például a tápanyag, a cukor lebontását és energetikai hasznosítását a sejtekben. A szénhidrátok lebontása során a szénláncra "aggatott " hidrogének vízzé égetése megy végbe. A H₂-nek vízzé oxidálása 68 000 kalóriát szolgáltat. Ez túlságosan nagy energiacsomag a sejtekben zajló folyamatok számára. Ezért a sejtekben a H nem egyesül közvetlenül az oxigénnel, hanem több lépésben, a glikolízis esetében például 10 enzim sorozatos együttműködésével vándorol, molekuláról molekulára, némely lépésben energiát felhasználva köt ki végül a piruváton, elfogyasztva a sejt energia valutájából (ATP) 2 darabot, s termelve 4-et (18-20. ábra).

 

S ezen a ponton szóljunk néhány szót a fehérjék egyik leglátványosabb funkciójáról, az enzimatikus katalízisről. Térjünk vissza a tápanyag felhasználásra. Ha a cukrot reggel felkavarjuk a teánkban, s türelmesen várunk, azt tapasztaljuk, hogy a tea kihűl, de fel nem melegszik; bár jelen van a levegő oxigénje, a cukor nem ég el vízzé és széndioxiddá. Ha viszont megisszuk a teát, a glikolízis során felszabaduló energia segítségével elsétálhatunk az egyetemre, s testünk hőmérsékletét is fenntarthatjuk.

Az enzimek katalizátorok. Nem csinálnak olyasmit, ami egyébként is végbe ne menne. Például a cukrot a Gundel palacsintán is el lehet égetni, de csak magas, az élettel össze nem egyeztethető hőmérsékleten és egy lépésben. Ez a sejteknek nem felel meg. Ezért a sejt 37 ^oC fokon, sok apró lépésben hasznosítja a cukorban lévő szabad energiát. Ezt a feladatot enzimek sorozatával végezteti, nagyon gyorsan és kitűnő hatásfokkal. Tudjuk, hogy egy kémiai reakció akkor megy végbe spontán módon, ha energianyereséggel jár, és a reagensek elegendő, úgynevezett aktiválási energiával rendelkeznek.

Ezt sematikusan az alábbi diagram mutatja.

Animáció: ^|13}|  Az enzimek csökkentik az aktiválási energiát

Az enzimek ezt az aktiválási energiaküszöböt csökkentik, olyan módon, hogy specifikusan megkötik a reagenseket, és belső mozgásuk révén olyan térbeli helyzetet és töltésviszonyokat teremtenek, hogy a kívánt reakció szobahőmérsékleten is pillanatszerűen bekövetkezzék.

Animáció: ^|14}|  Az enzimek "molekuláris gépek"

Egy kémia reakció feltétele, hogy a reagáló molekulák megfelelő orientációban térbeli közelségbe kerüljenek, és kötési elektronfelhőik átfedésbe kerüljenek. Az enzimek jól definiált térszerkezete (felületi mintázata és töltéseloszlása), valamint az ezzel ellentétesnek tűnő tulajdonsága, hogy gyors szerkezeti fluktuációkra képesek, biztosítja a célmolekulák (szubsztrátumok) hatékony felismerését és megkötését, kölcsönös pozicionálását, majd a reakció bekövetkezte után a termék szabadon engedését.

Csodálatosan összehangolt koreográfia szükséges ehhez az enzim, a közeg (pl. citoplazma) és a szubsztrátum atomjai között, mindez a másodperc milliomod része alatt. Az enzimatikus katalízis nehezen érthető meg a mi megszokott makrovilágunkban tapasztalt összefüggések alapján. Ez már a kémia, a statisztikus fizika és a kvantummechanika határterülete. Az enzimeket makromolekuláknak nevezzük, s nagyok is a molekulák világában. De mégiscsak molekulák: 1 liter térfogatban 10²¹ darab fér el egy átlagos fehérjéből, ezért működésüket, oldalláncaik mozgását, kölcsönhatásait, az üregeikben zajló atomi szintű folyamatokat nem lehet a makrovilág newtoni törvényeinek alapján megérteni.

Itt lép színre a kémia után a fizika, és azon belül a kvantummechanika és a statisztikus fizika.

XI. Kvantumelmélet és az enzimek

A makroszkopikus kémiai reakciók, amelyek a szervezetben végbemennek, elemi reakciók sokaságából épülnek fel meghatározott sorrendben. Az elemi reakciók során az esetek döntő hányadában elemi részecskék, azaz proton, illetve elektron átadása történik egyik reakciópartnerről a másikra. Ezek a részecskék kettős természetűek, azaz felfoghatóak anyagként, de hullámként is. Ekkor kerül előtérbe a kvantummechanika, amely képes e különös tulajdonságú részecskék leírására.

Laboratóriumunkban hidridtranszfer enzimekkel foglalkozunk, melyeknek funkciója az egy protonból és két elektronból felépülő hidridion átvitele egyik molekuláról a másikra (21. ábra). A reakció tökéletes megértéséhez nem elegendő mindössze egy kémcsőben összekeverni az anyagot és az enzimet, és figyelni a koncentrációváltozást, mivel az oly egyszerűnek tűnő reakció az elemi lépések szintjén jóval komplexebb képet mutat. Ha a reakciót a klasszikus mechanika törvényeit figyelembe véve vizsgáljuk, akkor a reakció aktiválási energiát igényel, amelynek révén a hidridion megfelelő energiát nyer ahhoz, hogy az egyik reakciópartnertől elszakadva a másik partnerre vándoroljon.

Ha példánknál maradva figyelembe vesszük, hogy a hidridionnak egy hullámfüggvényt is tulajdoníthatunk, bizonyos valószínűséggel létrehozható olyan állapot, amikor a hidridion a potenciálgát másik oldalán is megtalálható. Ebben az esetben az elemi kémiai reakció már kisebb energiabefektetéssel is végbemegy.

Ez a reakció azonban nagyon pontos térbeli orientációt igényel. Az enzim szerepe, hogy a reaktánsokat olyan közelségbe hozza, hogy a távolságuk összemérhető legyen a hidridion hullámfüggvényének kiterjedésével. Ezt a jelenséget, amikor a kémiai reakciót nem csupán a klasszikus mechanikai szabályai írják le, hanem a kvantummechanika törvényei dominálnak, alagúteffektusnak nevezik.

Azt, hogy bizonyos, enzimek által katalizált reakciók a valóságban így játszódnak le, sikerült kísérletek útján bizonyítani. Ez megmutatja a kvantummechanika és az életfolyamatok egy konkrét érintkezési pontját. Fontos elvi szerepet tulajdonítok ennek, hisz rámutat az anyagi világ egységére, s arra, hogy az emberi elme képes a világot, legalábbis a hogyan kérdésének szintjén egységes rendszerbe foglalni. Egyre inkább elmosódnak a határok a fizika és a biológia, az elemi részecskék világa és a mi élő világunk között. A fizikus a szerkezetet vizsgálja, azt próbálja a legapróbb részletekig leírni, és abból vezeti le a funkciót. Az élő rendszerek az általunk elképzelhető legkomplexebb megjelenési formái az anyagnak. Különlegességük bonyolultságukban rejlik, e komplexitás jellegzetes és mai eszközeinkkel vizsgálható képviselői a fehérjék. Ezért döntöttem úgy évtizedekkel ezelőtt, hogy a fehérjék titkainak nyomába eredek, és nem bántam meg a döntésemet. Egy csodálatos mikrovilág tárult fel előttem, amely szépségével, változatosságával és célszerűségével mindig is lenyűgözött. Ennek rejtelmeibe próbáltam most bevezetni Önöket, s remélem, kedvükre volt a kirándulás.