Vonderviszt Ferenc

A négymilliárd éves nanotechnológia

IV. A fehérjék dinamikája

Az eddigiekben bemutatott fehérjeszerkezetek azt a képzetet kelthetik, mintha a fehérjék statikus objektumok lennének, az őket felépítő atomok szigorúan meghatározott pozíciókban helyezkednének el. Pedig ez egyáltalán nincsen így, a fehérjék örökös mozgásban, nyüzsgésben vannak, egyes részeik különböző időtartományokban lejátszódó mozgásokban vesznek részt.

Ezek a mozgások rendkívül széles időskálát ölelnek fel, a pikoszekundumos (10^-12 s) tartománytól akár az éves (10⁶ s) időtartamokig, s az atomi rezgésektől és az oldalláncok gyors rotációs mozgásától, a működés során gyakran megfigyelhető relatív doménmozgásokon keresztül, a neurodegeneratív betegségek (prionbetegségek) hátterében álló lassú konformációs átrendeződésekig terjednek.

A fizika törvényei szerint a molekuláris mozgások valójában elkerülhetetlenek. A fehérjékben egy hosszú evolúciós folyamat eredményeként ezek a konformációs fluktuációk irányítottan mennek végbe, s amint arra az előadás későbbi részében több példát is láthatunk majd, a fehérje egyes részeinek összehangolt, irányított mozgásai gyakran meghatározó szerepet játszanak a fehérjék működésében. Az alábbi animáció például azokat az intramolekuláris mozgásokat mutatja, melyek a CD2K fehérjében következnek be az átalakítandó szubsztrát molekula bekötődésének hatására.

Animáció: A CD2K fehérje

Ezek a mozgások a molekula egy jól körülhatárolt részében mennek végbe. Még intenzívebb mozgásokat figyelhetünk meg a Ca-ATPáz fehérjében (animáció), ATPáz fehérje ahol a fehérje működése során egy energiadús ATP-molekula elbontása biztosítja a mozgáshoz szükséges energiát. Látható, hogy az ATP elhasítása során felszabaduló energia mennyire irányítottan, szinte gépszerű mozgást eredményezve hasznosul.

Animáció: A kálcium

A fehérjék szerkezetét fenntartó erők ismeretében a rendelkezésre álló atomi szerkezet alapján a molekuláris mozgások akár számítógéppel is szimulálhatók. Sajnos ezek a szimulációk az atomok (szabadsági fokok) rendkívül nagy száma miatt még a leggyorsabb szuperszámítógépekkel is csak néhányszor 10 ns-os időtartamra végezhetők el. A kapott eredmények alapján sokszor lehetetlen következtetni például az enzimműködés szempontjából meghatározó milliszekundumos időskálán lejátszódó folyamatokra.

Meglepő módon a dinamikus folyamatok tanulmányozásában éppen a röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálat siet segítségünkre. Amint azt már említettük, a rendkívül intenzív szinkrotronos sugárforrásoknál az adatgyűjtés ma már akár néhány nanoszekundum alatt elvégezhető. Ahhoz, hogy egy kristályban lévő nagyszámú fehérjemolekula funkcionálisan releváns mozgásai ne átlagolják ki egymást, ezeket a mozgásokat valahogyan szinkronizálni kell. Egy kristályban elhelyezkedő enzim általában megőrzi katalitikus képességét, a kristályt átszövő vízzel telt csatornákon keresztül a bediffundáló szubsztrát molekulákat képes megkötni, majd átalakítani. Esetenként előállíthatók olyan ún. fotoaktiválható szubsztrátanalógok, amelyek szerkezetükben hasonlítanak a természetes szubsztrátra, ezért az enzim képes megkötni őket, de a szerkezeti eltérések miatt mégsem játszódik le a katalitikus folyamat. A felesleges oldalcsoportot (vagy kémiai kötést) egy gyors és erős lézerimpulzussal lehasítva az összes enzimmolekula esetén egyszerre indíthatjuk el a katalitikus reakciót. A reakció elindítása után meghatározott időtartamonként (pl. milliszekundumonként) röntgen-pillanatfelvételeket készítve jellemezhetjük a katalízis szempontjából meghatározó intramolekuláris mozgásokat.