Závodszky Péter

Fehérjék - a szerkezettől a funkcióig, a fizikától a biológiáig

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).

18. ábra

19. ábra

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: 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: 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.