A fehérjék szerkezetét fenntartó kölcsönhatások

Átírás

1 A fehérjék szerkezetét fenntartó kölcsönhatások Bionanorendszerek A fehérjék szerkezetét fenntartó kölcsönhatások alapvetően négy nagyobb csoportba oszthatók: 1. elektrosztatikus kölcsönhatások (sóhíd: 4-6 kcal/m, dipól-dipól ~ 10-1 kcal/m) 2. diszperziós erők (10-2 kcal/m) 3. H-hidak (2-4 kcal/m) 4. hidrofób kölcsönhatások (-24 cal/m/å 2 ) 1.Elektrosztatikus kölcsönhatások Az elektrosztatikus kölcsönhatásokat alapvetően a Coulomb törvény írja le. Ez mondja meg, hogy két töltés között mekkora erő ébred. SI rendszer szerint: F: erő [N] Q 1, Q 2 : töltésmennyiség [C] F = 1 4πε Q Q 1 2 r 2 r: távolság [m] ε: vákuum permittivitása (vákuum dielektromos állandója) K = 1 4 πε arányossági tényező A képletből is látni, hogy az F erő fordítottan arányos az r távolság négyzetével. A fehérjékben is vannak töltött csoportok, s ezek kétfélék lehetnek. Az egyik amikor megjelennek eredő töltések, ugyanis vannak olyan oldalláncok amelyek fiziológiás körülmények között ionizáltak, s ezek között alakulnak ki az úgynevezett sóhidak. (pl.: lizin-arginin oldallánc protonált -> pozitívan töltött ; gutadin-aszparagin sav lead egy protont, így negatívan töltött) Egy elektronnyi töltés van az oldalláncokon, és ha ezek térben elég közel kerülnek, akkor 1

2 számottevő kölcsönhatás léphet fel közöttük. Előfordulhat az is, hogy egy fehérje belsejében töltés van, s akkor annak van egy párja is, ami valójában sóhidat képez, és ilyenkor a Coulomb törvény alapján ki lehet számolni az erőt és a kölcsönhatást. Jellemzőjük még,hogy erősek és kevés van belőlük. Dipól-dipól kölcsönhatások A dipólus egy olyan töltéselrendeződés, hogy az eredő töltés nulla, de van egy töltéseloszlás a molekulán belül. Amikor két dipólusmolekula közel kerül egymáshoz, az azonos töltésű pólusok vonzani, az ellentétesek taszítani kezdik egymást. A kölcsönhatás eredményeképpen vagy ellentétes töltésű végükkel illeszkednek egymáshoz, vagy párhuzamosan állnak be. Minden peptidcsoport is dipólusként viselkedik. Ezeknek gyengébb az energiája, mivel a részleges töltések kisebbek, s ellentétes hatások érvényesülnek. A dipólusoknál a távolságfüggés is meredekebben csökken, ebből adódóan több van belőlük, mint sóhidakból. A víznek is erős dipólmomentuma van, ha kitekerem a láncot, akkor a vízben is ki tudnak dipól-dipól kölcsönhatások alakulni. 2. Diszperziós erők A diszperziós erők is valahol elektrosztatikus jellegűek, de ezek már úgy is létrejöhetnek, hogy parciális töltések nincsenek. Szokták úgy is hívni,hogy indukált dipól-dipól kölcsönhatás. Sokkal gyengébb mint az elektrosztatikus,mert véletlen folyamatok révén egymást mindig egy kicsit orientálják. Mindig egy vonzó kölcsönhatás, ami akkor a leggyengébb ha mind a két partner olyan,hogy nincsen állandó dipólmomentuma. 2

3 Lenard- Jones potenciál : Bionanorendszerek Olyan potenciál, ami közelítő leírást ad a molekulák potenciális energia kölcsönhatásáról (V), a molekulák közti távolság (r), függvényében. Az általános formája: V = C n r C 6 n r 6 ahol C n és C 6 az adott molekulától függő koefficiensek, n nagyobb 6-nál, úgy, hogy a kis távolságoknál a taszító kifejezés dominál a kölcsönhatásokban, lévén az r -6 kifejezés a vonzó. A választott érték gyakran n=12. Ebben az esetben a Lennard Jones-potenciál a következő: V =4W r 0 r 12 r 0 r 6 ahol W, a potenciálgödör mélysége, r 0 az a távolság, amelynél V=0. A potenciálgödör minimum értéke a r e =2 1/6 r 0 távolságnál van. A kölcsönhatás taszítás részének 1/r 12 -vel történő kifejezése nem reális, sokkal reálisabb az exponenciális kifejezés: exp(-r/r 0 ). elektorsztatikus + diszperziós kölcsönhatás Van der Waals kölcsönhatás Ezek az erők sokkal gyengébbek a vegyértékkötésből származó erőknél, és fordítottan arányosak az atomok vagy molekulák közötti távolság hetedik hatványával. Ezek az erők, okozzák a gázok ideálistól eltérő viselkedését és a molekularácsos kristályok rácsenergiáját. Háromféle kölcsönhatás eredményeként jönnek létre: (1) dipól-dipól kölcsönhatás, azaz elektrosztatikus vonzás két állandó dipólusmomentummal rendelkező molekula között; (2) dipólus-indukált dipólus kölcsönhatás, amelyben az egyik molekula dipólusa polarizálja a szomszédos molekulát; (3) diszperziós erők, amelyek az atomok kis, pillanatszerű dipólusából származnak. E r = A r 12 B r C q q r 3

4 3. H-hidak Egy erős dipólus-dipólus kölcsönhatásnak tekinthető, amelyet az elektronegatív atom, elektron-visszatartó képessége hoz létre. Egyfajta átmenet az elektorsztatikus és a kovalens kölcsönhatás között, amit az is mutat, hogy pl. a peptid csoport karboxilcsoportja, ha közelébe kerül egy másik peptid aminocsoportjához, akkor kialakul egy úgynevezett H-híd. A részleges kovalens kötést onnan is lehet látni,hogy ennek a tipikus távolsága 1,9 Å. Az energia erősen függ attól, hogy milyen elrendezésben vannak az atomok. Akkora a legnagyobb, ha lineáris az elrendeződésük. Más esetben is stabilizáltak, de gyengébb a kölcsönhatás. Akkor alakul ki H-híd, ha egyrészt van egy akceptor atom, ami egy erős elektronegativitású atom vagy csoport, mely lehet O, N, S A donorok gyakorlatilag ugyanezek protonálva: OH, NH, NH 2, SH csoporttal. Ezek lehetnek peptid, oldalláncok vagy lehet vegyesen H-hidak között. A víz is ki tud alakítani H-hidakat ezekkel a fehérjecsoportokkal. (Szerkezetében alapvető fontosságú.) A hidrogénkötés erőssége körülbelül az egytizede a kovalens kötés erősségének. A hidrogénkötés nagy hatással van a fizikai tulajdonságokra, ez okozza a víz különleges tulajdonságait, a H 2 O, HF és az NH 3 viszonylagosan magas olvadáspontját (H 2 S, HCl és PH 3 -hoz viszonyítva). Nagy fontosságú az élő szervezetekben is. Hidrogénkötés található a DNS láncok bázisai között. Előfordul a fehérjékben a C=O és N-H csoportok között, és ez felel a másodlagos szerkezet fenntartásáért. A hidrogénkötések nem kizárólagosan elektrosztatikusak, kimutatható hogy van némi kovalens jellegük. 4

5 Víz A vízmolekulában az oxigénatom magához vonzza az elektronokat az O-H kötésekben. A hidrogén atomban nincs az elektronoknak belső héja, ami leárnyékolná a magot, így elektrosztatikus hatás jön létre a mag és a szomszédos molekula oxigénatom magányos elektronpárja között. Minden oxigénatomnak két magányos elektronpárja van, így két különböző hidrogénatommal képes hidrogénkötést létrehozni. Két irányból is tud H-hidakat fogadni és két irányból is tud H-t berakni H-hidba. A víz nagyon erős dipólmomentummal rendelkezik. Molekulájában jelentős töltésszeparáció figyelhető meg. Rövid távú lokális rendezettsége hasonlít a jégre. A víz szerkezetében mindig ott vannak a H-hidak. 4.Hidrofob kölcsönhatások Azzal kapcsolatos,hogy hogy viselkednek a vízben más molekulák, hogy viselkednek apoláros molekulák a vízben. (pl. forró vízben olaj...miért szeretik egymást az olajrészecskék? ) Mindenki tapasztalhatta, hogy forró vízbe olajat cseppentve, olajfolt keletkezik a víz tetején, vagyis az olajmolekulák nem oszlanak el szépen a vízben. De mi ennek az oka? Úgy tűnik, hogy az olajrészecskék valamiért szeretik egymást, s egy helyre mennek. De miért van ez? Gondolhatjuk, hogy biztos van köztük valami nagyon kedvező kölcsönhatás, és ez kedvezőbb mint vízzel, ezért vonzzák egymást. Ha megnézzük az olajrészecskék tulajdonságait, akkor látjuk,hogy apoláros molekulák, tehát nincs töltésszeparáció, nincs dipólmomentum, amit tudnak egymást közt kölcsönhatást csinálni az maximum a diszperziós erő, de ez a lehető leggyengébb kölcsönhatás. Ha kiszemelek egy olajmolekulát és a vizet, akkor sokkal nagyobb lesz a kölcsönhatás, hiszen a víznek van egy állandó nagy dipólmomentuma, s az jóval nagyobb indukált dipólmomentumot hoz létre az olajmolekulán, mint két olajmolekula egymásban. Ebből azt gondolnánk, hogy az a jó, ha eloszlik a vízben, hiszen így számottevő kölcsönhatás lesz benne, mert ha egy kupacban maradnak, akkor gyakorlatilag nincs közöttük kölcsönhatás. A tapasztalat mégis azt mutatja,hogy összemennek egy helyre. De akkor mi az ok? Ennek valójában nem energetikai oka van, hanem az entrópiával magyarázható. Entrópia: adott folyamat hányféleképpen valósítható meg mikróállapoton keresztül. (mikróállapot: adott atomok hányféleképpen helyezkedhetnek el.) 5

6 S ~ - ln N, ahol N a mikróállapotok száma, S az entrópia ΔG = ΔH TΔS, ahol ΔG, a Gibbs-féle szabadenergia, ΔH a kötési energia, T az abszolút hőmérséklet, ΔS az entrópia Hogy egy makroszkopikus folyamat lejátszódik-e, azt nem csak az energiától függ, hanem az úgynevezett szabadenergia változás mondja meg, hogy merre megy egy folyamat. Vagyis a folyamatok irányát két dolog szabja meg, vagy az, hogy energetikailag kedvezőbbek, vagy az hogy, többféleképpen megvalósíthatók. Visszatérve a hidrofób kölcsönhatásra láthatjuk, hogy ott nem a kötési energia, hanem az entrópikus tag a fontos. Ha valaki egy apoláros molekulát vízbe diszpergál, akkor a mérések azt mutatják, hogy ekörül kialakul egy néhány rétegnyi rendezett hidrát burok. Oka: az apoláros molekula nem tud H-hidat kialakítani, s ez azt eredményezi, hogy azok a vízmolekulák, melyek az apoláros molekula környezetében vannak, abba az irányba nem tudnak H-hidat kialakítani. A többi irányba megnő a H-híd képző képességük (nincsen lefoglalva), lesz 2-3 molekulányi része ahol rendezettebb lesz a víz és kialakul a hidrát burok. Ez mit eredményez? Ha elosztom az apoláros anyagomat a vízben molekulánként, akkor mindegyik körül kialakul egy hidrát burok, lényegében minden egyes apoláros molekula egy tucat vízmolekulát rendezettebbé tett. Összességében nagyon sok vízmolekula rendeződik, vagyis a víz entrópiája csökken, kedvezőtlenné válik. Ha ezeket az apoláros molekulákat összehozom egy nagy apoláros fórba, akkor ekörül is kialakul a burok, de kevesebb a rendezett vízmolekulák száma. 6

7 Fehérjék stabilitása A fehérjék térszerkezetének kialakításában és rögzítésében nagy szerepe van a fentebb említett hidrofób kölcsönhatásoknak. Ez valójában nem is annyira a CH csoportok közötti van der Waals vonzásra, hanem inkább a víz taszító szerepére vezethető vissza. A vizes közeg kiszorítja magából az apoláros CH csoportokat, s ezért ezek egymás közelében helyezkednek el, egymáshoz tapadnak. Ez a hatás a következőképpen magyarázható. A vizes közegbe merülő CH láncot a vízmolekulák hidrogénhíd kötésekkel összetartott szabályos szerkezetű burka veszi körül. Ez a kalitkaszerű, szinte kristályosan szabályos elrendeződés akadályozza a vízmolekulák szabad mozgását, a vizes oldat rendezetlenségét, vagyis csökkenti a víz entrópiáját. Ez makroszkopikus méretben a fázisok szétválásához vezet, molekuláris méretben pedig az apoláros molekularészek egymáshoz tapadnak. Energetikai számítások szerint a hélixek stabilizálódása elsősorban nem a hidrogénkötésektől, hanem az apoláros oldalláncok hidrofób kölcsönhatásától származnak. Ha egy fehérje szintetizálódik, akkor lineáris láncot alkot. Azt szeretnénk megérteni, hogy ez miért alakul ki egy jól definiált kompakt térszerkezeten, miért nem úgy viselkedik mint egy ember által csinált polimer, ami össze-vissza mozog a vízben és nincs egy jól definiált stabil szerkezete. A feltekeredett állapotot hívják úgy, hogy natív állapot, amikor a vízzel van kontaktusban, akkor denaturált állapotról beszélünk. A kettő szabad energiáját kell összevetni. A denaturált állapotot nem egy jól definiált konformáció jellemzi, hanem össze-vissza csapong a molekula. Általában a csoportjai (peptidcsoport, oldalláncok) a vízzel vannak kontaktusban, a vízzel alakítanak ki H-hidat, illetve ha van egy olyan szegmens, ami a fehérjében alfa-hélixet szeret felvenni, akkor azt látni, hogy időlegesen kialakul egy alfa- helikális szerkezet, amit rövidtávon H- hidak stabilizálnak, majd kicsit később felbomlanak, mert azokért a H-hidakért vetélkedik a víz. Ebből lehet látni, hogy vannak instabil másodlagos szerkezeti elemek is. Ilyen denaturált állapotot többféleképpen létre lehet hozni pl. fehérje felmelegítés, szélsőséges ph változtatással, detergensekkel (pl. GnHCl). ΔG = ΔH lánc + ΔH oldószer TΔS lánc TΔS oldószer ΔG ~ kcal/m Δh lánc ~ 10 3 kcal/m entrópikusan a kitekert állapot kedvező a lánc szempontjából 7

8 Kaliometriás módszerekkel meg is tudjuk mérni,hogy mennyire stabil egy fehérje. Ha veszek egy fehérjeoldatot és elkezdem melegíteni akkor azt látom,hogy egy darabig nem történik semmi, majd egy nagyon szűk hőmérséklet tartományban kitekeredik a fehérje. Ha megnézem a görbe alatti területet, akkor megtudom,hogy mennyi energiát kell betáplálni a rendszerbe és lényegében megkapjuk azt a kötési energiát amivel a rendszer jellemezhető. A módszer neve pásztázó mikrokaliometria. (direkt módszer) Egy egy doménes fehérje esetén általában egy csúcsot látunk. Kooperatív folyamat, vagy natív vagy denaturált állapotban van a fehérje, s egy nagyon szűk hőmérséklet-tartományban megolvad és átalakul. Az olvadási hőmérséklet fehérjénként változó, általában 40, 50, 60 fok környéken van. 8

9 Térszerkezet kialakulása (folding) hogyan tekeredik fel a polipeptid lánc - A peptidlánc menetét, vagyis lokális konformációit az egyes aminosavrészekhez tartozó szakaszokban az oldalláncok, azaz az egyes aminosav részek minősége szabja meg. Egy-egy aminsav rész többféle konformációt is felvehet. Adott fehérjemolekula esetében a szomszédos, vagy esetleg a láncban távolabbi, de a lánc csavarodottsága következtében a térben mégis közel álló aminosav részek oldalláncainak befolyása dönti el,hogy a lehetőségek közül, melyik a legkedvezőbb, melyik realizálódik. Az egész fehérjemolekula térszerkezete tehát végeredményeben a molekulát felépítő aminosavrészek kooperatív kölcsönhatásának eredményeképpen jön létre. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a fehérjemolekula térszerkezetét az aminosav-szekvencia, vagyis a primer struktúra határozza meg. A globuláris fehérjék peptidláncának egyes szakaszai többféle alaptípusnak megfelelő konformációt vesznek fel: α-hélix, β-redőzött szalag és ún. rendezetlen konformáció. Az előbbi kettő azt jelenti,hogy a lánc rövidebb-hosszabb szakaszán az egymás után kapcsolódó aminosav részek lokális konformációja azonos; az azonos lokális konformációjú elemek ismétlődésével a lánc egy szakaszán periodikus, rendezett struktúra jön létre, mégpedig α-hélix, β-szalag. A peptidlánc különböző részein lévő β-konformációjú szakaszok paralel vagy antiparalel illeszkedésben hidrogénhidakon keresztül kapcsolódnak egymáshoz, így a molekulában redőzött réteg jellegű struktúrarészlet alakulhat ki. Rendezetlen konformáció esetén a molekulának nincsen periodikusan rendezett konformációja, s az egész molekula globuláris alkata éppen a rendezetlen szakaszoknak köszönhető. Általában a folding gyorsabb, mint a szintézis. Maga a folyamat külső segítség nélkül történik, de segítő mechanizmusok vannak. Ilyenek a dajkafehérjék. Ha kiteszünk egy sejtet valami stressznek, ami a fehérje kitekeredéséhez vezethet, akkor egy bizonyos fehérjék elszaporodnak, és 9

10 ezek képesek segíteni a fehérjék újra feltekeredését. A lineáris láncban minden információ benne van, hogy fel tudjon tekeredni. Sokféle denaturált állapot natív állapot energetikailag legstabilabb állapot. Anfinsen kísérlet (dán kutató) : Vette a ribonukleáz fehérjét, amiben öt pár diszulfid híd van. Ezt denaturálta redukáló körülmények között. Ennek az a lényege, hogy redukáló körülmények között felszakadnak a diszulfid hidak. Ha csak felmelegítette volna, akkor csak kitekeredik, de megmaradnak a hidak. Először visszatette oxidáló körülmények közé, ahol ezek találkoztak ott hidak újraformálódnak, de nem a jó párokban. Ezután jött a renaturáció. Visszatette a jó körülmények közé, és kialakult a helyes szerkezet, mégpedig úgy, hogy felszakadtak a hibás diszulfidhidak, és újraformálódtak, s ebből kialakult a natív szerkezet. Ez arra utal,hogy a natív szerkezete megfelel a globális energiaminimumnak. DE! Levinthal- paradoxon azt mondja, hogy ez lehet, hogy a globális, de ezt csak akkor tudom megmondani biztosan, ha bejárom a konformációs teret, vagyis kipróbálok minden lehetséges állapotot és megnézem,hogy melyik a legmegfelelőbb. A lehetséges konformációk száma azonban óriási. Egy átlagos fehérje esetén, ha minden aminosavnak csak 2 konformációját veszem, akkor N >> 2^300. Az ellentmondás itt adódik, hogy nem tudjuk bejárni az összes állapotot, és talán arra utal, hogy itt mégis csak valami lokális minimum van. A kettő feloldása: a natív szerkezet dinamikailag meghatározott. Úgy következnek egymás után az események,hogy leszűkítik a konformációs teret, így mégiscsak megtalálható, anélkül,hogy be kellene járni az egészet. Folding kinetikája és energetikai sémája: Kezdetben van egy denaturált állapot. Ha megváltoztatom a körülményeket,hogy a natívnak kedvezzenek, akkor lesz egy gyors átmenet az úgynevezett intermedier állapotba (ez a milliszekundumos skálán mérhető), reverzíbilis átmenet, és az az állapot messziről a natívra hasonlít, jóval kompaktabb mint a denaturált, pl. a másodlagos elemek aránya is hasonlít a denaturálthoz, de még nem működőképes a fehérje. Ha itt eleget várok, akkor képes átalakulni natív szerkezetté szekundumos időskálán, ez már egy lassú folyamat, vagyis termodinamikailag a két 10

11 folyamat között van egy nagy energiagát. Itt már működőképes a fehérje. Folding modellek: Az egyik a hidrofób kölcsönhatásra helyezi a hangsúlyt, a másik a H-hidakra. 1. Olajcsepp modell Ha a denaturált fehérjét natív jellegű körülmények közé teszem, akkor a hidrofób kölcsönhatás dominál, összeesik egy kompakt állapotba, kialakul egy hidrofób mag, ezt követi az átrendeződés, és ez vezet el a natív állapotig. 2. Vázmodell Van a denaturált állapot, ami olyan, hogy vannak benne instabil másodlagos szerkezeti elemek, de ha kedvezővé teszem a körülményeket, akkor ezek stabilabbá válnak és ezek lépnek egymással kölcsönhatásba. Ezután jön az átrendeződés és kialakul a natív állapot. 11

12 Források: -Előadásjegyzet - -Szerves kémia tankönyv 12